注射机仿真系统软件设计与开发论文
摘要：文章介绍了注塑机的发展历史，及将注塑系统与虚拟制造技术相结合，采用OpenGL建立图形控制平台，3D数字化技术、多传感交互技术以及高分辨显示的科学可视化技术。通过生成三维逼真的虚拟场景，使用户与场景进行实时交互，感知和操作虚拟的注射机。
一、注塑机综述
（一）注塑机的原理
现以XS—ZY—250A型注塑机液压系统为例介绍注塑机的原理。该注塑机采用了液压—机械式合模机构。合模液压缸通过对称五连杆机构推动模板进行开模和合模。连杆机构具有增力和自锁作用，依靠连杆弹性变形所产生的预紧力来保证所需的合模力。系统通过比例阀对多级压力（指开合模、注射座前移、注射、顶出、螺杆后退时的压力）和速度（指开合模、注射时的速度）的控制，油路简单，使用阀少、效率高，压力及速度变换时冲击小，噪声低，能实现远程控制和程控，也为实现计算机控制创造了条件。注射过程主要分为如下几个过程：合模–注射座前进–注射–保压–预塑–注射座后退–开模–顶出–螺杆后退。
（二）注塑机的发展
从注塑机出现起，大多数的中小型注塑机锁模力只达到1000～5000kN，注射量达到50～2000g。到七十年代末期，工程塑料取得了飞速的发展，特别是在宇航、汽车、机械、船舶以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注塑机的发展取得了巨大的进步，其中美国最为明显。在1980年全美国市场上大约有140多台10000kN以上锁模力的大型注塑机，到了1985年增加到500多台。目前，当今世界最大的注塑机是由日本名机公司制造的，其锁模力达到12万kN，注射量达到92kg。但是当前国内外尚无注塑机仿真系统软件的开发与设计，只是单纯的注塑机优化设计，在教学与培训中只能有昂贵的注塑机实体来进行。在注塑机仿真系统软件开发与设计领域，现在处于一片空白，塑料注射成型过程仿真集成系统是注射成形CAE软件用来模拟、分析、优化和验证塑料零件和模具设计。所以此软件的开发与设计具有广阔的前景。
（三）注塑机现状
注塑机是将热塑性塑料或热固性塑料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备。由于塑料制品广泛应用于各个邻域，使得注塑机和注塑模具的应用也越来越广泛。注塑加工过程是一个周期性的生产过程，现代化的注塑机械大都采用计算机控制，自动化程度高，机械设备费用昂贵，一套精密模具动辄耗费数十万元，而且实际生产中有高温、高压的工作环境，因而对生产线的操作人员有严格要求。
不恰当的误操作，不仅会损坏机械设备和模具，为企业带来巨大的经济损失，同时也会危害到操作人员的身体健康，因而对注塑机械的操作人员一定要进行严格的培训。传统的注塑机操作培训必须在实际机床上进行，这既占有了设备加工时间，又具有风险。因此，要使学生了解注塑成型机的结构、操作流程和工艺过程，到实际的注塑成型机上实习是不太现实的。
二、注塑机仿真软件的介绍
（一）基本思路及创新点
基本思路：该选题将注塑系统与虚拟制造技术相结合，采用OpenGL建立图形控制平台，采用3D数字化技术、多传感交互技术以及高分辨显示的科学可视化技术。通过生成三维逼真的虚拟场景，使用户与场景进行实时交互，感知和操作虚拟注射机。
创新点：研制开发出能模拟真实操作环境的虚拟注塑成型系统。该系统将多媒体技术与程序控制技术相结合，运用三维软件建立注塑机和注塑模具的三维模型，运用动画制作软件制作注塑成型过程的各个动画，采用程序控制技术，控制三维场景的'加载和动画的显示。该系统能使学生与场景进行实时交互、感知和操作注塑机和模具，让学生在虚拟环境中动手去做实验。软件本身具有开放性、可移植性，操作简单易学，可以为广大高校、培训机构及注塑成型相关企业所接受。
（二）科学先进性
现有技术中关于注塑机这一领域，只有注塑机实体，尚无注塑机仿真系统软件。本项目基于虚拟现实技术的注射机仿真软件，可用于注塑机和注塑模具的教学、注塑机操作培训、注塑系统远程培训等多个方面。
该软件采用OpenGL建立图形控制平台，分别构造了基础数据库、场景数据库、显示驱动库、仿真展示库等模块。系统设计与实现中将操作面板、逻辑控制器、模型控制器和图形平台分为相对独立的模块。
该软件可以进行功能演示与模拟操作。功能演示主要以动画播放、声音解说与文字介绍三者结合的形式，介绍卧式螺杆注射机的结构装置、工作周期、工作原理以及操作过程。操作功能主要进行注射机合模、注射、射座、顶出、调模整个工作过程的仿真。仿真效果可以达到比较高的水平，在注射机的仿真过程中，不仅可以实现基本的图形操作：平移、旋转、缩放和选择，还可以隐藏注射机部分部件，使学生可以更好地观察注射机的内部构造。运用该软件，学生不仅可以更加直观清楚地掌握注射机的结构原理及其基本的操作过程，还可以在软件上进行注射机的模拟操作，加深对注射机操作的理解与记忆，方便教师的教学。
三、注塑机仿真软件使用说明及技术特点
（一）使用说明
该软件可以进行功能演示与模拟操作。功能演示主要以动画播放、声音解说与文字介绍三者结合的形式，介绍卧式螺杆注射机的结构装置、工作周期、工作原理以及操作过程。操作功能主要进行注射机合模、注射、射座、顶出、调模整个工作过程的仿真。
仿真效果可以达到比较高的水平，在注射机的仿真过程中，不仅可以实现基本的图形操作：平移、旋转、缩放和选择，还可以隐藏注射机部分部件，使学生可以更好地观察注射机的内部构造。
（二）技术特点
该软件采用OpenGL建立图形控制平台，分别构造了基础数据库、场景数据库、显示驱动库、仿真展示库等模块。系统设计与实现中将操作面板、逻辑控制器、模型控制器和图形平台分为相对独立的模块。
四、注塑机仿真软件设计路线
1、首先对现实世界的注射机进行深入的了解，掌握其基本的构成和工作原理以及其应用方法，为软件的实现打下基础。
2、选取HDX50型卧式注射机通过solid works进行三维建模，初步模拟其工作状态，并将其转化为STL格式，进行网格优化后作为之后场景数据库设计的基础。
3、通过需求分析将软件系统进行模块化设计。拟定四大模块：主界面模块、操作面板模块、控制器模块、展示平台模块。
4、着手软件数据库设计，根据需求进行以下几个方面的设计：基础数据库、场景数据库、显示驱动库、仿真展示库。其中基础数据库定义一系列基础数据库，包括颜色类，图形基础类（HsghObject）；场景数据库提供场景的构建，组织场景中的节点，并对其进行操作等功能；显示驱动库主要提供视点处理、显示驱动，材质渲染，图形处理等功能；仿真展示库是一个封装了将场景展方法的类，实现注射机运动动画仿真。
5、具体设计模块，设计好各模块之间的接口。使各模块的功能能得以实现。
6、进行软件测试，并针对测试结果对软件进行优化，基本上完成注射机仿真系统软件的设计与开发。
五、注塑机仿真软件应用前景
由于塑料制品广泛应用于各个邻域，使得注塑机和注塑模具的应用也越来越广泛。注塑加工过程是一个周期性的生产过程，现代化的注塑机械大都采用计算机控制，自动化程度高，机械设备费用昂贵，一套精密模具动辄耗费数十万元，而且实际生产中有高温、高压的工作环境，因而对生产线的操作人员有严格要求。不恰当的误操作，不仅会损坏机械设备和模具，为企业带来巨大的经济损失，同时也会危害到操作人员的身体健康，因而对注塑机械的操作人员一定要进行严格的培训。传统的注塑机操作培训必须在实际机床上进行，这既占有了设备加工时间，又具有风险。因此，要使学生了解注塑成型机的结构、操作流程和工艺过程，到实际的注塑成型机上实习是不太现实的。
该软件是基于虚拟现实技术的注射机仿真软件，可用于注塑机和注塑模具的教学、注塑机操作培训、注塑系统远程培训等多个方面。采用计算机虚拟注塑成型系统进行学习和培训，可以建立一个感性认识和理性认识相统一的实验环境，给学生以逼真的体验，能够在虚拟环境中动手去做实验，增加感性认识。这样不仅可以大幅度降低学习或培训的成本，缩短学习时间，还能消除安全隐患，使教学和培训工作变得安全可靠。因此，这是一个十分重要且具有广阔前景的研究课题。
参考文献
[1] 李德群.模具企业数字制造技术的现状与发展[J].CAD/CAM与制造业信息化，2003.
[2] 刘志坚.基于KBE的冲压工艺设计系统的研究与开发[D].华中科技大学，2005.
[3] 李德群.国内外注塑模CAD/CAE/CAM发展概况[J].模具工业，1994，(9).
[4] 李德群.现代塑料注射成型的原理、方法与应用[M].上海交通大学出版社，2005.
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