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注射機仿真系統軟件設計與開(kāi)發(fā)論文
摘要：文章介紹了注塑機的發(fā)展歷史，及將注塑系統與虛擬制造技術(shù)相結合，采用OpenGL建立圖形控制平臺，3D數字化技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示的科學(xué)可視化技術(shù)。通過(guò)生成三維逼真的虛擬場(chǎng)景，使用戶(hù)與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬的注射機。
一、注塑機綜述
�。ㄒ唬┳⑺軝C的原理
現以XS—ZY—250A型注塑機液壓系統為例介紹注塑機的原理。該注塑機采用了液壓—機械式合模機構。合模液壓缸通過(guò)對稱(chēng)五連桿機構推動(dòng)模板進(jìn)行開(kāi)模和合模。連桿機構具有增力和自鎖作用，依靠連桿彈性變形所產(chǎn)生的預緊力來(lái)保證所需的合模力。系統通過(guò)比例閥對多級壓力（指開(kāi)合模、注射座前移、注射、頂出、螺桿后退時(shí)的壓力）和速度（指開(kāi)合模、注射時(shí)的速度）的控制，油路簡(jiǎn)單，使用閥少、效率高，壓力及速度變換時(shí)沖擊小，噪聲低，能實(shí)現遠程控制和程控，也為實(shí)現計算機控制創(chuàng )造了條件。注射過(guò)程主要分為如下幾個(gè)過(guò)程：合模–注射座前進(jìn)–注射–保壓–預塑–注射座后退–開(kāi)模–頂出–螺桿后退。
�。ǘ┳⑺軝C的發(fā)展
從注塑機出現起，大多數的中小型注塑機鎖模力只達到1000～5000kN，注射量達到50～2000g。到七十年代末期，工程塑料取得了飛速的發(fā)展，特別是在宇航、汽車(chē)、機械、船舶以及大型家用電器方面的廣泛應用，使大型注塑機的發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，其中美國最為明顯。在1980年全美國市場(chǎng)上大約有140多臺10000kN以上鎖模力的大型注塑機，到了1985年增加到500多臺。目前，當今世界最大的注塑機是由日本名機公司制造的，其鎖模力達到12萬(wàn)kN，注射量達到92kg。但是當前國內外尚無(wú)注塑機仿真系統軟件的開(kāi)發(fā)與設計，只是單純的注塑機優(yōu)化設計，在教學(xué)與培訓中只能有昂貴的注塑機實(shí)體來(lái)進(jìn)行。在注塑機仿真系統軟件開(kāi)發(fā)與設計領(lǐng)域，現在處于一片空白，塑料注射成型過(guò)程仿真集成系統是注射成形CAE軟件用來(lái)模擬、分析、優(yōu)化和驗證塑料零件和模具設計。所以此軟件的開(kāi)發(fā)與設計具有廣闊的前景。
�。ㄈ┳⑺軝C現狀
注塑機是將熱塑性塑料或熱固性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品的主要成型設備。由于塑料制品廣泛應用于各個(gè)鄰域，使得注塑機和注塑模具的應用也越來(lái)越廣泛。注塑加工過(guò)程是一個(gè)周期性的生產(chǎn)過(guò)程，現代化的注塑機械大都采用計算機控制，自動(dòng)化程度高，機械設備費用昂貴，一套精密模具動(dòng)輒耗費數十萬(wàn)元，而且實(shí)際生產(chǎn)中有高溫、高壓的工作環(huán)境，因而對生產(chǎn)線(xiàn)的操作人員有嚴格要求。
不恰當的誤操作，不僅會(huì )損壞機械設備和模具，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失，同時(shí)也會(huì )危害到操作人員的身體健康，因而對注塑機械的操作人員一定要進(jìn)行嚴格的培訓。傳統的注塑機操作培訓必須在實(shí)際機床上進(jìn)行，這既占有了設備加工時(shí)間，又具有風(fēng)險。因此，要使學(xué)生了解注塑成型機的結構、操作流程和工藝過(guò)程，到實(shí)際的注塑成型機上實(shí)習是不太現實(shí)的。
二、注塑機仿真軟件的介紹
�。ㄒ唬┗舅悸芳皠�(chuàng )新點(diǎn)
基本思路：該選題將注塑系統與虛擬制造技術(shù)相結合，采用OpenGL建立圖形控制平臺，采用3D數字化技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示的科學(xué)可視化技術(shù)。通過(guò)生成三維逼真的虛擬場(chǎng)景，使用戶(hù)與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬注射機。
創(chuàng )新點(diǎn)：研制開(kāi)發(fā)出能模擬真實(shí)操作環(huán)境的虛擬注塑成型系統。該系統將多媒體技術(shù)與程序控制技術(shù)相結合，運用三維軟件建立注塑機和注塑模具的三維模型，運用動(dòng)畫(huà)制作軟件制作注塑成型過(guò)程的各個(gè)動(dòng)畫(huà)，采用程序控制技術(shù)，控制三維場(chǎng)景的加載和動(dòng)畫(huà)的顯示。該系統能使學(xué)生與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、感知和操作注塑機和模具，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中動(dòng)手去做實(shí)驗。軟件本身具有開(kāi)放性、可移植性，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，可以為廣大高校、培訓機構及注塑成型相關(guān)企業(yè)所接受。
�。ǘ┛茖W(xué)先進(jìn)性
現有技術(shù)中關(guān)于注塑機這一領(lǐng)域，只有注塑機實(shí)體，尚無(wú)注塑機仿真系統軟件。本項目基于虛擬現實(shí)技術(shù)的注射機仿真軟件，可用于注塑機和注塑模具的教學(xué)、注塑機操作培訓、注塑系統遠程培訓等多個(gè)方面。
該軟件采用OpenGL建立圖形控制平臺，分別構造了基礎數據庫、場(chǎng)景數據庫、顯示驅動(dòng)庫、仿真展示庫等模塊。系統設計與實(shí)現中將操作面板、邏輯控制器、模型控制器和圖形平臺分為相對獨立的模塊。
該軟件可以進(jìn)行功能演示與模擬操作。功能演示主要以動(dòng)畫(huà)播放、聲音解說(shuō)與文字介紹三者結合的形式，介紹臥式螺桿注射機的結構裝置、工作周期、工作原理以及操作過(guò)程。操作功能主要進(jìn)行注射機合模、注射、射座、頂出、調模整個(gè)工作過(guò)程的仿真。仿真效果可以達到比較高的水平，在注射機的仿真過(guò)程中，不僅可以實(shí)現基本的圖形操作：平移、旋轉、縮放和選擇，還可以隱藏注射機部分部件，使學(xué)生可以更好地觀(guān)察注射機的內部構造。運用該軟件，學(xué)生不僅可以更加直觀(guān)清楚地掌握注射機的結構原理及其基本的操作過(guò)程，還可以在軟件上進(jìn)行注射機的模擬操作，加深對注射機操作的理解與記憶，方便教師的教學(xué)。
三、注塑機仿真軟件使用說(shuō)明及技術(shù)特點(diǎn)
�。ㄒ唬┦褂谜f(shuō)明
該軟件可以進(jìn)行功能演示與模擬操作。功能演示主要以動(dòng)畫(huà)播放、聲音解說(shuō)與文字介紹三者結合的形式，介紹臥式螺桿注射機的結構裝置、工作周期、工作原理以及操作過(guò)程。操作功能主要進(jìn)行注射機合模、注射、射座、頂出、調模整個(gè)工作過(guò)程的仿真。
仿真效果可以達到比較高的水平，在注射機的仿真過(guò)程中，不僅可以實(shí)現基本的圖形操作：平移、旋轉、縮放和選擇，還可以隱藏注射機部分部件，使學(xué)生可以更好地觀(guān)察注射機的內部構造。
�。ǘ┘夹g(shù)特點(diǎn)
該軟件采用OpenGL建立圖形控制平臺，分別構造了基礎數據庫、場(chǎng)景數據庫、顯示驅動(dòng)庫、仿真展示庫等模塊。系統設計與實(shí)現中將操作面板、邏輯控制器、模型控制器和圖形平臺分為相對獨立的模塊。
四、注塑機仿真軟件設計路線(xiàn)
1、首先對現實(shí)世界的注射機進(jìn)行深入的了解，掌握其基本的構成和工作原理以及其應用方法，為軟件的實(shí)現打下基礎。
2、選取HDX50型臥式注射機通過(guò)solid works進(jìn)行三維建模，初步模擬其工作狀態(tài)，并將其轉化為STL格式，進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化后作為之后場(chǎng)景數據庫設計的基礎。
3、通過(guò)需求分析將軟件系統進(jìn)行模塊化設計。擬定四大模塊：主界面模塊、操作面板模塊、控制器模塊、展示平臺模塊。
4、著(zhù)手軟件數據庫設計，根據需求進(jìn)行以下幾個(gè)方面的設計：基礎數據庫、場(chǎng)景數據庫、顯示驅動(dòng)庫、仿真展示庫。其中基礎數據庫定義一系列基礎數據庫，包括顏色類(lèi)，圖形基礎類(lèi)（HsghObject）；場(chǎng)景數據庫提供場(chǎng)景的構建，組織場(chǎng)景中的節點(diǎn)，并對其進(jìn)行操作等功能；顯示驅動(dòng)庫主要提供視點(diǎn)處理、顯示驅動(dòng)，材質(zhì)渲染，圖形處理等功能；仿真展示庫是一個(gè)封裝了將場(chǎng)景展方法的類(lèi)，實(shí)現注射機運動(dòng)動(dòng)畫(huà)仿真。
5、具體設計模塊，設計好各模塊之間的接口。使各模塊的功能能得以實(shí)現。
6、進(jìn)行軟件測試，并針對測試結果對軟件進(jìn)行優(yōu)化，基本上完成注射機仿真系統軟件的設計與開(kāi)發(fā)。
五、注塑機仿真軟件應用前景
由于塑料制品廣泛應用于各個(gè)鄰域，使得注塑機和注塑模具的應用也越來(lái)越廣泛。注塑加工過(guò)程是一個(gè)周期性的生產(chǎn)過(guò)程，現代化的注塑機械大都采用計算機控制，自動(dòng)化程度高，機械設備費用昂貴，一套精密模具動(dòng)輒耗費數十萬(wàn)元，而且實(shí)際生產(chǎn)中有高溫、高壓的工作環(huán)境，因而對生產(chǎn)線(xiàn)的操作人員有嚴格要求。不恰當的誤操作，不僅會(huì )損壞機械設備和模具，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失，同時(shí)也會(huì )危害到操作人員的身體健康，因而對注塑機械的操作人員一定要進(jìn)行嚴格的培訓。傳統的注塑機操作培訓必須在實(shí)際機床上進(jìn)行，這既占有了設備加工時(shí)間，又具有風(fēng)險。因此，要使學(xué)生了解注塑成型機的結構、操作流程和工藝過(guò)程，到實(shí)際的注塑成型機上實(shí)習是不太現實(shí)的。
該軟件是基于虛擬現實(shí)技術(shù)的注射機仿真軟件，可用于注塑機和注塑模具的教學(xué)、注塑機操作培訓、注塑系統遠程培訓等多個(gè)方面。采用計算機虛擬注塑成型系統進(jìn)行學(xué)習和培訓，可以建立一個(gè)感性認識和理性認識相統一的實(shí)驗環(huán)境，給學(xué)生以逼真的體驗，能夠在虛擬環(huán)境中動(dòng)手去做實(shí)驗，增加感性認識。這樣不僅可以大幅度降低學(xué)習或培訓的成本，縮短學(xué)習時(shí)間，還能消除安全隱患，使教學(xué)和培訓工作變得安全可靠。因此，這是一個(gè)十分重要且具有廣闊前景的研究課題。
參考文獻
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