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注射模設計的三維模型發(fā)展
摘要
如今，為了使注塑工藝變得更簡單，很多嵌入式軟件都在高級3D注塑平臺的基礎上開發(fā)出來的，如有限元分析、計算機輔助模制造、注射模設計，模擬以及形象化設計。這些軟件都是很有利的。然而，這不是沒有缺點。事實上，這些“嵌入式軟件”也可以通過低級別的3D更靈活和更輕便性開發(fā)出來。本文查閱了各種各樣基于3D應用發(fā)展的期刊和方法，主要是關于軟件方面。首先，提出了一種基于3D應用發(fā)展的方法，這種觀點通過使用Parasolid模型的注射模實現(xiàn)的?；谠谝呀⒌哪＞咴O計中的模具設計概念，文中說明了一種被叫做 IMOLD的模件。在一個WindowsNT平臺上，面向?qū)ο蟮木幊陶Z言被用來開發(fā)這種軟件。
關鍵詞：3D模型，計算機輔助設計，注射模設計
1介紹
三維計算機輔助設計系統(tǒng)已經(jīng)越來越被用來加速產(chǎn)品的實現(xiàn)過程。涉及產(chǎn)品自動化過程的第一步是3D建模應用的組成部件的建立，在建模的過程中，這種3D模型的建立稱為數(shù)字化建模，這種數(shù)字化建模得到的3D的關鍵一步是生產(chǎn)過程自動化。
組成部件的3D數(shù)字化建模僅僅是第一步。還有許多其它輔助任務必須在零件被生產(chǎn)之前完成。這些任務包括有限元分析、夾具和固定裝置的設計、注射模設計、計算機輔助制造、模擬和形象化設計。當今很多在高級3D平臺上發(fā)展起來的嵌入式軟件來促進這些輔助任務。這種3D建模平臺提供了具有編程的用戶界面和風格的嵌入式軟件。結果，這種嵌入式軟件的開發(fā)時間大幅度的減少。
這種方法在很多方面都是有利的，但是，它也有它的缺點，特別是從長遠的角度考慮。為了為現(xiàn)有的軟件開發(fā)另外一種嵌入式軟件，那些開發(fā)者必須兼顧很多現(xiàn)有的限制條件，必須與源軟件的風格一致。那些開發(fā)者必須利用系統(tǒng)提供的各種庫函數(shù)來實現(xiàn)各種功能性操作，大多數(shù)的終端用戶需要源軟件和嵌入式軟件。不過，在很多情況下，他們可能對使用只有嵌入式的軟件更感興趣。在注射模設計過程中就有這種情況的例子，不過，這些用戶必須購買包括很多他們不需要的特征和功能的軟件包，這么大的程序通常是硬件上必需的，同時這意味著費用會更高。這種嵌入式軟件也很大程度上依賴源軟件的發(fā)展。一旦源軟件版本被更新，那些嵌入式軟件的開發(fā)者必須采用相應的行動，如果這些應用在一個低級的平臺上發(fā)展，這些缺點可能會不存在。事實上，這些嵌入式軟件可以使用低級的3D模型更靈活和更輕便性的發(fā)展。在很多情況下，這樣的操作既可行又有利。
傳統(tǒng)上注射模設計可以直接在計算進設計系統(tǒng)上執(zhí)行，整個注射模，可能由數(shù)百個組件部件組成，在計算機輔助設計系統(tǒng)（例如AutoCAD,PRO/E和Unigraphics）上建模和裝配，因為注射模設計過程是反復的，所以重新建模和裝配是相當費時的，在這個方面，像這些基于特征的PRO/E以及Unigraphics那樣的3D。計算機輔助設計系統(tǒng)比像AutoCAD那樣的2D計算機輔助設計系統(tǒng)更有優(yōu)勢，為加速注射模設計工藝的發(fā)展，這種嵌入式軟件在3D系統(tǒng)上自動發(fā)展一些注射工藝，這種附加應用的例子包括在新加坡國立大學，基于Unigraphics上發(fā)展的IMOLD（智能模型設計和裝配系統(tǒng)）、專家模具設計（基于CADKEY）及模型制作（基于EUCLID）。因為以上每一個都是基于特定的計算機輔助設計系統(tǒng)，所以都沒有嵌入兼容性。
在1994年，Mok和張[1]基于Unigraphics的注射模設計應用上做了研究。在1997年，Shsh[2]在幾何建模之間的聯(lián)系以及標準化之間提出了互訪結構模型，他的目標是在基于Parasolid[3]的3D應用以及ACIS之間獲得嵌入兼容性，只不過它包括三維建模。在這篇文章里，作者試圖直接發(fā)展一種質(zhì)量輕的、使用低級的3D注射模設計應用，并把重點放在軟件開發(fā)的靈活性和速度上。設計概念和程序來自IMOLD[4][5]、模具設計和3D裝配中應用，盡管這些討論僅僅局限于注射模設計，但是這種方法很容易被應用在其他基于3D的建模中，并且有相似的作用。
開發(fā)工具的結合就是為了這個目的而選擇的。在方法被討論之前，對于其中先提出的工具做一個簡短的介紹，它們分別是IMOLD、Parasolid10.1版本、VC++6.0版本和微軟的基礎課程。
2 IMOLD用作模具設計應用
IMOLD（智能模型設計和裝配）是在基于3D的應用致力發(fā)展的注射模設計。它在一個叫做Unigraphics的高級計算機輔助設計系統(tǒng)之上發(fā)展起來的。該發(fā)展正在通過使用系統(tǒng)所提供的編程接口（API）來實現(xiàn)。該軟件通過提供常用的設計工具促使模具設計者能夠迅速進行設計。在設計中所需要的常用標準組成部件，可以在軟件里預先創(chuàng)建并且可能容易被設計者調(diào)用，這很大程度上降低了設計時間。模具設計過程可以分成幾個階段，以一種固定的方式給設計者們提供模具設計方法。如下：
<1>數(shù)據(jù)準備
<2>填充系統(tǒng)設計
<3>模具基礎設計
<4>插件與零件設計
<5>冷卻系統(tǒng)設計
<6>滑板和提升設計
<7>注射系統(tǒng)設計
<8>標準零件庫
每個階段都可以被認為是一個獨立的模件設計過程，基于3D的每個模件的要求變化甚微。成功的建立模型基礎模件意味著在發(fā)展其它模件過程中也是可行的。
3 用作3D模型設計的Parasolid
Parasolid被用作設計為基于3D模型數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心。實體建模有必要被用作：
<1>建造并且操作實體
<2>計算質(zhì)量和慣性矩，并且進行干涉檢測
<3>以多種方式輸出實體
<4>在特定的數(shù)據(jù)庫或檔案內(nèi)儲存實體并且稍后提取出來
在計算機輔助設計中，Parasolid是最先進的3D模型設計軟件。它是Unigraphics和Solid-Works的3D核心。它獨特的公差模擬運作功能使得它能以其它格式接收和存儲數(shù)據(jù)。因此Parasolid模型文件時十分方便的而且它也是獨立應用發(fā)展的高級平臺。
基于3D的應用與Parasolid之間通過它的3個界面中的一個相連接(see Fig. 1)。這些被稱之為Parasolid核心界面、模型界面(KI)以及底端界面。PK界面和模型界面位于建模系統(tǒng)的頸部，通過這些方法來建模和對實體進行操作以及控制建模的功能。底端界面位于建模窗口的底部。當需要執(zhí)行集中數(shù)據(jù)或系統(tǒng)類型操作時建模便需要它。它由3個部分組成：函數(shù)、圖形輸出（GO）和外形幾何，以下對其作出簡短的介紹。
3.1 KI和PK界面
KI和PK是提供程序員進入Parasolid模型里進行建模的接口，它們是建模功能的標準庫。程序員在他們的程序里稱之為建模功能。因為KI不久將被淘汰，所以我們選擇使用PK界面。
圖1 Parasolid 的組成部分
3.2 函數(shù)
函數(shù)是一個必須由程序員編寫的功能，當數(shù)據(jù)必須被存儲或者提取時需要使用該功能。當使用Parasolid時，應用程序員必須首先決定怎樣管理數(shù)據(jù)的存儲，通過該功能Parasolid輸出該數(shù)據(jù)。公告該功能轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)通常與寫入文件或?qū)С鑫募嘘P。文件的形式和存儲位置在編寫該功能時被確定。
3.3 圖形的輸出（GO）
對圖形輸出功能是由應用程序員所編寫的另一種功能。對需要PK給予功能的設計者來說，圖形數(shù)據(jù)是由GO界面輸出的。然后3D數(shù)據(jù)被傳給3D圖像包。OpenGL是圖形卡片的一個軟件接口可以為我們提供我們所需要的數(shù)據(jù)包。
3.4 外形幾何
外形幾何學可以為用戶幾何類型的發(fā)展（例如機構內(nèi)部及表面的曲線）提供功能操作，它通常與在Parasolid內(nèi)的建模標準幾何類型一起使用。
4使用VisualC++以及微軟公司基礎類型的面向?qū)ο蟮某绦蛟O計
面向?qū)ο蟮某绦蛟O計（OOP）已無可爭議的成為軟件開發(fā)者的選擇。它是在目前存在的軟件中最高級的開發(fā)軟件。微軟公司Visual Sstudio就是這樣的一個軟件包。它刻劃了許多基于英特網(wǎng)和Windows編程用的開發(fā)工具。在這些工具中包含有VC++以及微軟公司基礎種類（MFC）。VC++是面向?qū)ο蟮某绦蛟O計的強有力的開發(fā)工具，而MFC是一種基于Windows編程的框架。它以強大的開發(fā)特性和功能性，例如自動編碼基于wizard操作，為應用程序員提供開發(fā)工具，這大大改進了生產(chǎn)效率。我們使用的程序的整個用戶界面是使用VC++以及MFC開發(fā)出來的。
5系統(tǒng)設計
使用3D模型的附加應用直接發(fā)展的問題正待解決，在最高的水平上它由三個主要階段組成。首先，必要特征和嵌入式應用軟件功能的識別；其次，應用框架的設計與開發(fā)；最后，具有合適的開發(fā)工具的框架中個別模件的設計與開發(fā)。
5.1 必要軟件的識別
Parasolid作為一種3D建模方法，只提供許多庫函數(shù)以及3D應用開發(fā)的基本框架。因此，那些開發(fā)者有必要識別和開發(fā)3D計算機輔助設計系統(tǒng)中其它的必要設施。為了識別所需要的設施，理解兩者之間的差異很重要。表格1總結了3D模型和3D計算機輔助設計系統(tǒng)所提供的主要設備的差別。其中的一些設備，例如特征和參數(shù)建模，在耗時與技術上都要求有發(fā)展。因為大多數(shù)嵌入式軟件不使用源程序中的所有設備，只通過開發(fā)這些使用低級3D模型所需要的嵌入式軟件生產(chǎn)單獨的版本是很有可能的。表格1從第7條到第9條是使用基于3D的應用發(fā)展Parasolid的必要條件。通過研究嵌入式軟件的應用的必要條件，其它必要的設備的要求也可以被鑒定。然后提出了該應用程序的一個框架，該框架是基于由Parasolid建模所提供的設備。
表1 3D內(nèi)核和CAD系統(tǒng)所提供的設施總結
圖2 基于三維應用程序的概述
5.2 基于3D應用的框架
對于由開發(fā)的工具和應用的要求所提供的設備，開發(fā)了一種框架，它專門被設計以使單個編程模件之間的差異最小化，將導致編程代碼發(fā)生小程度的變化。事實上，程序代碼使用起來更加的輕便和更有助于維修，而且將來的發(fā)展前景也是相當好的。這個框架的概述在圖2里得以說明，各種各樣的模件的詳細情況會在以后的章節(jié)里討論。
5.2.1 基于Windows的用戶界面(A)
Parasolid不為程序員提供用戶界面，因此，在每一個階段基于3D應用的發(fā)展將涉及到從頭開始設計用戶界面。相關的必要開發(fā)內(nèi)容如下：
<1>基于3D應用的環(huán)境的設置和顯示
<2>交互式圖表的接口和全部應用功能操作的執(zhí)行程序
5.2.2 3D開發(fā)圖層的設置（B）
因為不同的基于3D的應用在不同的程度上需要不同的3D設備，該框架必須為用戶提供這些變量的設置，一個3D開發(fā)圖層的設置（參閱圖2）被概念化來解決這些變化。這是基于Parasolid模型已經(jīng)開發(fā)出來的對象的庫函數(shù)或者類別。開發(fā)的程序取決于建模的要求情況。除了要滿足應用條件中的變量要求外，3D開發(fā)設置層也要為非Parasolid開發(fā)者提供一個編程接口。這樣的一個接口能被其他基于3D開發(fā)者重新使用。3D開發(fā)設置層基本上由3個主要部分組成。他們可分別用于3D建模和裝配，3D可視化以及3D數(shù)據(jù)管理。
（1）建模和裝配
3D建模和裝配模件是這3個部分中最重要和最精心制作的部分。它與由大多數(shù)計算機輔助設計系統(tǒng)提供應用編程接口（API）相似，模件由一基于3D對象或類別的庫函數(shù)組成，它可用于核心應用模件的發(fā)展。大多數(shù)3D應用所需要的3D基本功能的操作性能被首先開發(fā)出來?；趩蝹€3D應用所需的條件，其它更多的高級特性后來也被增加進來了。
（2）3D的可視化
在三維物體的顯示窗口用戶范圍需要一個團體軟件圖表接口。圖表的輸出的輸出以及所選擇的圖表的接口經(jīng)常被用在基于3D的應用里以及視圖對象管理和轉(zhuǎn)變之中，為了這個目的而開發(fā)了一個類別庫函數(shù)。
（3）3D數(shù)據(jù)管理
3D數(shù)據(jù)管理模件是在函數(shù)之上被開發(fā)出來的，函數(shù)是存在于是存檔以及3D零件的進入而變得容易的Parasolid的模件之中。為此開發(fā)了一種使用函數(shù)來處理的類型選擇器，有以下功能：
<1> 3D目標文件形成
<2> 諸如打開和保存3D目標文件這樣的文件管理操作。
5.2.3 應用模塊（C）
這些是位于3D開發(fā)者設置層和應用用戶界面之間存在的基于3D的應用模塊。這些模塊的設計主要取決于應用的屬性并且相互之間的差別很大。工作的發(fā)展大部分在這一領域開展。然而，研發(fā)的難易主要取決于3D開發(fā)者設置圖層的能力。
5.2.4 其它軟件模塊（D）
通?；?D的應用可能需要來自于其它已存在軟件模塊或應用模塊的功能性操作，因此，諸如此類的連接是可能存在的。在這篇文章的應用部分就為這樣的一個例子加以說明了。
5.3 單個模塊的發(fā)展
在進行一個合適設計之前，對每個模塊都得進行研究和分析，它的開發(fā)難易很大程度上取決于所選的框架和開發(fā)者設置層。下一部分說明了注射模設計的3D模型開發(fā)的實施情況。
6 實施情況
應用系統(tǒng)設計，開發(fā)了基于3D的注射模設計。這是通過使用前面章節(jié)所述的開發(fā)者工具獲得的。因為模型基礎需要更大范圍的3D功能性操作，包括裝配的生成，所以選用它來加以說明。
6.1 每個模塊的要求應用框架和所需要的條件
對于識別開發(fā)工作，專門設定了一個應用框架發(fā)展的工作鑒定。圖3說明了基于Windows用戶的模型基礎模塊的詳細情況，在每個模件里的詳細要求討論如下：
圖3 注塑模具基礎設計中的應用概述
6.1.1 Windows NT的用戶界面（A）
模型基礎設計是一個反復的過程。模型設計者首先從目錄中選擇了一個標準模型，然后對模型的尺寸進行修改，直到所有的條件都得以滿足。因此，為了這個目的有必要考慮使用交互式用戶界面。使用VC++和MFC來開發(fā)基于Windows的界面，它包括：
<1>菜單條欄目、菜單項和工具條按鈕的創(chuàng)建、顯示和管理，以便更方便地進行應用的功能性操作。
<2>引導用戶或獲得用戶輸入的對話框的創(chuàng)建、顯示和管理。
<3>顯示區(qū)域內(nèi)各種視角的創(chuàng)建、顯示和管理。
<4>鼠標的拖動作用。
<5>對每個功能的順序操作設計。
應用之后的結果如圖4中所示，它是一個典型的基于Windows用戶的界面。
圖4 基于Windows的界面
6.1.2 3D開發(fā)者設置層（B）
對基于3D模型基礎設計的要求進行分析，然后識別一下即將開發(fā)的模塊?；?D模型基礎設計的要求如下：
<1>創(chuàng)建初始模型（例如矩形，圓柱，圓錐）
<2>創(chuàng)建圓角和倒角
<3>進行布爾運算：并集和差集
<4>變換操作：變換和旋轉(zhuǎn)
<5>對象屬性的管理，諸如名字和顏色
<6>創(chuàng)建引用特征
<7>創(chuàng)建總裝配和子裝配
因為以上這些應用不是那么的廣泛，所以可以開發(fā)一個基礎建模集。有了單個模塊的詳細開發(fā)情況，就可以給開發(fā)者設置層添加更多的功能。每個模塊的全部要求條件將在以后的章節(jié)加以說明。
（1）3D建模和裝配
一個模型基礎基本上是很多組件的集合，諸如鍵和螺絲。為了使模型基礎設計變得容易，設計者必須必須提供一個事先準備好的模型基礎庫。通過選擇特別的尺寸，可以生成一個標準的模型基礎件。為了使這些變得容易，識別和開發(fā)了基于3D的功能庫，該功能與前面6.1.2所提及到的要求條件相對應。正因為該編碼是面向?qū)ο蟮?，在需要的時候，它們很容易被延伸以適應其它模型設計模塊。
（2）3D視圖的可視化
使用圖表的輸出和作為圖表界面的OpenGL所提供的功能共同來為3D的實體操作開發(fā)投影和視圖變換等諸多功能。它們包括：
<1>用所選擇的顏色給3D零部件著色（圖6）
<2>用所選擇的顏色給3D裝配體著色（圖7和圖8分別用陰影和線框的模式給3D裝配體加以顯示）
<3>用所選擇的顏色在屏幕上給其它3D實體著色
<4>在模型基礎裝配中用不同顏色分別給單個組件著色
<5>交互式視圖變換（諸如旋轉(zhuǎn)，變換和縮放）
<6>裝配樹顯示和操作
圖6 B腔板塊
圖7 Hoppt 的兩板基礎模具
圖8 標準化的底部的螺絲尺寸
（3）3D數(shù)據(jù)管理
開發(fā)獨立應用程序的好處之一就是它的輕便性，所以采用最大的輕便性打開的形式是很重要的，因此，以原先的Parasolid文件形式（.xmtFtxt）來代替新的文件形式。一個模型基礎件的數(shù)據(jù)管理要求包括如下內(nèi)容：
<1> 打開，保存，另存為和關閉Parasolid零件文件
<2> 打開，保存，另存為和關閉Parasolid裝配文件
<3> 輸入和輸出零件文件
6.1.3 模型基礎模件（C）
為了促進標準模型基礎組件的自動生成，系統(tǒng)必須提供一個模型基礎零部件庫，其尺寸大小取決于目錄中的標準值。為是設計容易進行，需對這些尺寸進行順序修改，這個模件詳細情況將在第6.2部分進行討論。
6.1.4 數(shù)據(jù)庫支持（D）
一個標準模型基礎件需要用將近100個參數(shù)來對單個組件的尺寸和位置進行完全描述。這些參數(shù)的大部分都是相互聯(lián)系的并且可以從其它數(shù)據(jù)庫中獲得。因此，一個數(shù)據(jù)庫文件需要被用來存儲基于目錄的標準模型基礎件的參數(shù)。Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫形式被使用在MFC里進行直接存儲數(shù)據(jù)庫文件。在MFC里使用數(shù)據(jù)存取對象（DAO），一套被用作抽取和管理數(shù)據(jù)庫相關參數(shù)的功能。
6.2 模型基礎設計的發(fā)展
模型基礎模件由三個主要部分組成，即，模型基礎組件生成、模型基礎裝配生成、模型基礎類選擇和自定義模件。第四個部分被稱作為模型基礎參數(shù)管理，也是被用來開發(fā)為應用提供數(shù)據(jù)支持。這些已經(jīng)在圖表5中說明了，注射模設計的開發(fā)部分的細節(jié)內(nèi)容討論如下：
圖5 模具的基礎模塊的細節(jié)
（1）零部件庫的生成
有了3D開發(fā)者設置層的支持，就可以使有模型基礎的標準組件部件被創(chuàng)建和存儲在組件庫中。通過規(guī)定合適的尺寸，這些組件部件可以被生成而且可以被模型基礎裝配生成器所使用。
（2）裝配生成器
使用3D圖層設置并將組件庫生成器各標準模型基礎集中并存儲在裝配庫中。當提供從數(shù)據(jù)庫中提取特定參數(shù)集時，由于它得到了特定的參數(shù)支持，所以特定的標準模具基礎裝配可以自動的生成。圖7顯示了組件庫生成器創(chuàng)建的“HOPPT”兩板模具。
（3）參數(shù)管理者
參數(shù)管理者將模型基礎應用模件和數(shù)據(jù)庫支持連接起來。當一個特定的標準模型基礎被選擇后，它的模型基礎裝配的相應參數(shù)已經(jīng)從數(shù)據(jù)庫中提取出來并且發(fā)送到組件庫生成器和裝配生成器中。圖8說明了通過交互式用戶界面對底部的螺絲尺寸的修改。
（4）模型基礎設計者
模型基礎設計者主要為兩個目的服務。首先，允許用戶選擇來自裝配生成器的標準模型基礎。其次，通過允許模型基礎設計者修改所選擇的模型基礎的尺寸來使模型基礎設計變得容易。該樣品代碼給那些模型基礎帶來生成功能。從圖9中我們可以注意到使用了許多代表模型基礎的參數(shù)的變量的功能。這是裝入那些零部件而生成各種各樣的模型基礎零部件庫。裝配生成器然后使用那些零部件和那些參數(shù)集來確定模型裝配基礎的創(chuàng)建，正如在3D開發(fā)者層設置外一樣，在樣本程序中又直接被叫作Parasolid功能。
圖9 模具基礎設計的樣品代碼
當今的模型基礎設計應用能夠?qū)崿F(xiàn)模具車間里注射模具基本設計所要求的所有功能。因為模型基礎是IMOLD模件中應用最廣泛的3D模型，所以它的成功開發(fā)意味著實現(xiàn)了一個完整的3D注射模設計和裝配應用的可行性。
7 結論
高級編程語言的發(fā)展已經(jīng)允許程序員用參數(shù)來從新使用編程代碼，該編程代碼存在于像微軟公司基礎類型那樣的對象里。這些強大的特征已經(jīng)使程序員從更多的編程標準函數(shù)的程序和建立用戶界面中分離出來了。它們先在能夠把精力集中在軟件的核心部分，從而增加生產(chǎn)效率。這導致發(fā)展獨立版本的軟件諸如CAE、計算機輔助設計和計算機輔助制造的可行性提高。不過目前，這種方法既是耗時長的又是技術要求高的。盡管如此，它還是可行的而且前景是非常好的。通過把幾種高級的開發(fā)工具結合起來，我們已經(jīng)設法增加了這些工具開發(fā)注射模設計的應用能力。迄今為止，只有模具設計工藝的前三個階段得以編碼，這給隨后設計模件的開發(fā)奠定了基礎。該方法也可以很容易的在包含標準組件設計的其它軟件中實施。這些包括夾具和固定設備設計、冷鑄、和產(chǎn)品生產(chǎn)自動化。
參考文獻
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