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注射機仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(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(tǒng)與虛擬制造技術(shù)相結(jié)合，采用OpenGL建立圖形控制平臺，3D數(shù)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)。通過生成三維逼真的虛擬場景，使用戶與場景進行實時交互，感知和操作虛擬的注射機。
一、注塑機綜述
（一）注塑機的原理
現(xiàn)以XS—ZY—250A型注塑機液壓系統(tǒng)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(gòu)。合模液壓缸通過對稱五連桿機構(gòu)推動模板進行開模和合模。連桿機構(gòu)具有增力和自鎖作用，依靠連桿彈性變形所產(chǎn)生的預(yù)緊力來保證所需的合模力。系統(tǒng)通過比例閥對多級壓力（指開合模、注射座前移、注射、頂出、螺桿后退時的壓力）和速度（指開合模、注射時的速度）的控制，油路簡單，使用閥少、效率高，壓力及速度變換時沖擊小，噪聲低，能實現(xiàn)遠程控制和程控，也為實現(xiàn)計算機控制創(chuàng)造了條件。注射過程主要分為如下幾個過程：合模–注射座前進–注射–保壓–預(yù)塑–注射座后退–開模–頂出–螺桿后退。
（二）注塑機的發(fā)展
從注塑機出現(xiàn)起，大多數(shù)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、機械、船舶以及大型家用電器方面的廣泛應(yīng)用，使大型注塑機的發(fā)展取得了巨大的進步，其中美國最為明顯。在1980年全美國市場上大約有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(dāng)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kN，注射量達到92kg。但是當(dāng)前國內(nèi)外尚無注塑機仿真系統(tǒng)軟件的開發(fā)與設(shè)計，只是單純的注塑機優(yōu)化設(shè)計，在教學(xué)與培訓(xùn)中只能有昂貴的注塑機實體來進行。在注塑機仿真系統(tǒng)軟件開發(fā)與設(shè)計領(lǐng)域，現(xiàn)在處于一片空白，塑料注射成型過程仿真集成系統(tǒng)是注射成形CAE軟件用來模擬、分析、優(yōu)化和驗證塑料零件和模具設(shè)計。所以此軟件的開發(fā)與設(shè)計具有廣闊的前景。
（三）注塑機現(xiàn)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(shè)備。由于塑料制品廣泛應(yīng)用于各個鄰域，使得注塑機和注塑模具的應(yīng)用也越來越廣泛。注塑加工過程是一個周期性的生產(chǎn)過程，現(xiàn)代化的注塑機械大都采用計算機控制，自動化程度高，機械設(shè)備費用昂貴，一套精密模具動輒耗費數(shù)十萬元，而且實際生產(chǎn)中有高溫、高壓的工作環(huán)境，因而對生產(chǎn)線的操作人員有嚴格要求。
不恰當(dāng)?shù)恼`操作，不僅會損壞機械設(shè)備和模具，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，同時也會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行嚴格的培訓(xùn)。傳統(tǒng)的注塑機操作培訓(xùn)必須在實際機床上進行，這既占有了設(shè)備加工時間，又具有風(fēng)險。因此，要使學(xué)生了解注塑成型機的結(jié)構(gòu)、操作流程和工藝過程，到實際的注塑成型機上實習(xí)是不太現(xiàn)實的。
二、注塑機仿真軟件的介紹
（一）基本思路及創(chuàng)新點
基本思路：該選題將注塑系統(tǒng)與虛擬制造技術(shù)相結(jié)合，采用OpenGL建立圖形控制平臺，采用3D數(shù)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)。通過生成三維逼真的虛擬場景，使用戶與場景進行實時交互，感知和操作虛擬注射機。
創(chuàng)新點：研制開發(fā)出能模擬真實操作環(huán)境的虛擬注塑成型系統(tǒng)。該系統(tǒng)將多媒體技術(shù)與程序控制技術(shù)相結(jié)合，運用三維軟件建立注塑機和注塑模具的三維模型，運用動畫制作軟件制作注塑成型過程的各個動畫，采用程序控制技術(shù)，控制三維場景的加載和動畫的顯示。該系統(tǒng)能使學(xué)生與場景進行實時交互、感知和操作注塑機和模具，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中動手去做實驗。軟件本身具有開放性、可移植性，操作簡單易學(xué)，可以為廣大高校、培訓(xùn)機構(gòu)及注塑成型相關(guān)企業(yè)所接受。
（二）科學(xué)先進性
現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于注塑機這一領(lǐng)域，只有注塑機實體，尚無注塑機仿真系統(tǒng)軟件。本項目基于虛擬現(xiàn)實技術(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(xùn)、注塑系統(tǒng)遠程培訓(xùn)等多個方面。
該軟件采用OpenGL建立圖形控制平臺，分別構(gòu)造了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、場景數(shù)據(jù)庫、顯示驅(qū)動庫、仿真展示庫等模塊。系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)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。
該軟件可以進行功能演示與模擬操作。功能演示主要以動畫播放、聲音解說與文字介紹三者結(jié)合的形式，介紹臥式螺桿注射機的結(jié)構(gòu)裝置、工作周期、工作原理以及操作過程。操作功能主要進行注射機合模、注射、射座、頂出、調(diào)模整個工作過程的仿真。仿真效果可以達到比較高的水平，在注射機的仿真過程中，不僅可以實現(xiàn)基本的圖形操作：平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和選擇，還可以隱藏注射機部分部件，使學(xué)生可以更好地觀察注射機的內(nèi)部構(gòu)造。運用該軟件，學(xué)生不僅可以更加直觀清楚地掌握注射機的結(jié)構(gòu)原理及其基本的操作過程，還可以在軟件上進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明及技術(shù)特點
（一）使用說明
該軟件可以進行功能演示與模擬操作。功能演示主要以動畫播放、聲音解說與文字介紹三者結(jié)合的形式，介紹臥式螺桿注射機的結(jié)構(gòu)裝置、工作周期、工作原理以及操作過程。操作功能主要進行注射機合模、注射、射座、頂出、調(diào)模整個工作過程的仿真。
仿真效果可以達到比較高的水平，在注射機的仿真過程中，不僅可以實現(xiàn)基本的圖形操作：平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和選擇，還可以隱藏注射機部分部件，使學(xué)生可以更好地觀察注射機的內(nèi)部構(gòu)造。
（二）技術(shù)特點
該軟件采用OpenGL建立圖形控制平臺，分別構(gòu)造了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、場景數(shù)據(jù)庫、顯示驅(qū)動庫、仿真展示庫等模塊。系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)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(shè)計路線
1、首先對現(xiàn)實世界的注射機進行深入的了解，掌握其基本的構(gòu)成和工作原理以及其應(yīng)用方法，為軟件的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。
2、選取HDX50型臥式注射機通過solid works進行三維建模，初步模擬其工作狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)化為STL格式，進行網(wǎng)格優(yōu)化后作為之后場景數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基礎(chǔ)。
3、通過需求分析將軟件系統(tǒng)進行模塊化設(shè)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、著手軟件數(shù)據(jù)庫設(shè)計，根據(jù)需求進行以下幾個方面的設(shè)計：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、場景數(shù)據(jù)庫、顯示驅(qū)動庫、仿真展示庫。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫定義一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括顏色類，圖形基礎(chǔ)類（HsghObject）；場景數(shù)據(jù)庫提供場景的構(gòu)建，組織場景中的節(jié)點，并對其進行操作等功能；顯示驅(qū)動庫主要提供視點處理、顯示驅(qū)動，材質(zhì)渲染，圖形處理等功能；仿真展示庫是一個封裝了將場景展方法的類，實現(xiàn)注射機運動動畫仿真。
5、具體設(shè)計模塊，設(shè)計好各模塊之間的接口。使各模塊的功能能得以實現(xiàn)。
6、進行軟件測試，并針對測試結(jié)果對軟件進行優(yōu)化，基本上完成注射機仿真系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)。
五、注塑機仿真軟件應(yīng)用前景
由于塑料制品廣泛應(yīng)用于各個鄰域，使得注塑機和注塑模具的應(yīng)用也越來越廣泛。注塑加工過程是一個周期性的生產(chǎn)過程，現(xiàn)代化的注塑機械大都采用計算機控制，自動化程度高，機械設(shè)備費用昂貴，一套精密模具動輒耗費數(shù)十萬元，而且實際生產(chǎn)中有高溫、高壓的工作環(huán)境，因而對生產(chǎn)線的操作人員有嚴格要求。不恰當(dāng)?shù)恼`操作，不僅會損壞機械設(shè)備和模具，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，同時也會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行嚴格的培訓(xùn)。傳統(tǒng)的注塑機操作培訓(xùn)必須在實際機床上進行，這既占有了設(shè)備加工時間，又具有風(fēng)險。因此，要使學(xué)生了解注塑成型機的結(jié)構(gòu)、操作流程和工藝過程，到實際的注塑成型機上實習(xí)是不太現(xiàn)實的。
該軟件是基于虛擬現(xiàn)實技術(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(xùn)、注塑系統(tǒng)遠程培訓(xùn)等多個方面。采用計算機虛擬注塑成型系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，可以建立一個感性認識和理性認識相統(tǒng)一的實驗環(huán)境，給學(xué)生以逼真的體驗，能夠在虛擬環(huán)境中動手去做實驗，增加感性認識。這樣不僅可以大幅度降低學(xué)習(xí)或培訓(xùn)的成本，縮短學(xué)習(xí)時間，還能消除安全隱患，使教學(xué)和培訓(xùn)工作變得安全可靠。因此，這是一個十分重要且具有廣闊前景的研究課題。
參考文獻
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