注射機仿真系統軟件設計與開發論文
摘要：文章介紹了注塑機的發展歷史，及將注塑系統與虛擬制造技術相結合，采用OpenGL建立圖形控制平臺，3D數字化技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示的科學可視化技術。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。合模液壓缸通過對稱五連桿機構推動模板進行開模和合模。連桿機構具有增力和自鎖作用，依靠連桿彈性變形所產生的預緊力來保證所需的合模力。系統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，能實現遠程控制和程控，也為實現計算機控制創造了條件。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–預塑–注射座后退–開模–頂出–螺桿后退。
（二）注塑機的發展
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用，使大型注塑機的發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。但是當前國內外尚無注塑機仿真系統軟件的開發與設計，只是單純的注塑機優化設計，在教學與培訓中只能有昂貴的注塑機實體來進行。在注塑機仿真系統軟件開發與設計領域，現在處于一片空白，塑料注射成型過程仿真集成系統是注射成形CAE軟件用來模擬、分析、優化和驗證塑料零件和模具設計。所以此軟件的開發與設計具有廣闊的前景。
（三）注塑機現狀
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鄰域，使得注塑機和注塑模具的應用也越來越廣泛。注塑加工過程是一個周期性的生產過程，現代化的注塑機械大都采用計算機控制，自動化程度高，機械設備費用昂貴，一套精密模具動輒耗費數十萬元，而且實際生產中有高溫、高壓的工作環境，因而對生產線的操作人員有嚴格要求。
不恰當的誤操作，不僅會損壞機械設備和模具，為企業帶來巨大的經濟損失，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。傳統的注塑機操作培訓必須在實際機床上進行，這既占有了設備加工時間，又具有風險。因此，要使學生了解注塑成型機的結構、操作流程和工藝過程，到實際的注塑成型機上實習是不太現實的。
二、注塑機仿真軟件的介紹
（一）基本思路及創新點
基本思路：該選題將注塑系統與虛擬制造技術相結合，采用OpenGL建立圖形控制平臺，采用3D數字化技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示的科學可視化技術。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。
創新點：研制開發出能模擬真實操作環境的虛擬注塑成型系統。該系統將多媒體技術與程序控制技術相結合，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，控制三維場景的'加載和動畫的顯示。該系統能使學生與場景進行實時交互、感知和操作注塑機和模具，讓學生在虛擬環境中動手去做實驗。軟件本身具有開放性、可移植性，操作簡單易學，可以為廣大高校、培訓機構及注塑成型相關企業所接受。
（二）科學先進性
現有技術中關于注塑機這一領域，只有注塑機實體，尚無注塑機仿真系統軟件。本項目基于虛擬現實技術的注射機仿真軟件，可用于注塑機和注塑模具的教學、注塑機操作培訓、注塑系統遠程培訓等多個方面。
該軟件采用OpenGL建立圖形控制平臺，分別構造了基礎數據庫、場景數據庫、顯示驅動庫、仿真展示庫等模塊。系統設計與實現中將操作面板、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程。操作功能主要進行注射機合模、注射、射座、頂出、調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，使學生可以更好地觀察注射機的內部構造。運用該軟件，學生不僅可以更加直觀清楚地掌握注射機的結構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。
三、注塑機仿真軟件使用說明及技術特點
（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程。操作功能主要進行注射機合模、注射、射座、頂出、調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，使學生可以更好地觀察注射機的內部構造。
（二）技術特點
該軟件采用OpenGL建立圖形控制平臺，分別構造了基礎數據庫、場景數據庫、顯示驅動庫、仿真展示庫等模塊。系統設計與實現中將操作面板、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
1、首先對現實世界的注射機進行深入的了解，掌握其基本的構成和工作原理以及其應用方法，為軟件的實現打下基礎。
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，并將其轉化為STL格式，進行網格優化后作為之后場景數據庫設計的基礎。
3、通過需求分析將軟件系統進行模塊化設計。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、著手軟件數據庫設計，根據需求進行以下幾個方面的設計：基礎數據庫、場景數據庫、顯示驅動庫、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，圖形基礎類（HsghObject）；場景數據庫提供場景的構建，組織場景中的節點，并對其進行操作等功能；顯示驅動庫主要提供視點處理、顯示驅動，材質渲染，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，實現注射機運動動畫仿真。
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現。
6、進行軟件測試，并針對測試結果對軟件進行優化，基本上完成注射機仿真系統軟件的設計與開發。
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鄰域，使得注塑機和注塑模具的應用也越來越廣泛。注塑加工過程是一個周期性的生產過程，現代化的注塑機械大都采用計算機控制，自動化程度高，機械設備費用昂貴，一套精密模具動輒耗費數十萬元，而且實際生產中有高溫、高壓的工作環境，因而對生產線的操作人員有嚴格要求。不恰當的誤操作，不僅會損壞機械設備和模具，為企業帶來巨大的經濟損失，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。傳統的注塑機操作培訓必須在實際機床上進行，這既占有了設備加工時間，又具有風險。因此，要使學生了解注塑成型機的結構、操作流程和工藝過程，到實際的注塑成型機上實習是不太現實的。
該軟件是基于虛擬現實技術的注射機仿真軟件，可用于注塑機和注塑模具的教學、注塑機操作培訓、注塑系統遠程培訓等多個方面。采用計算機虛擬注塑成型系統進行學習和培訓，可以建立一個感性認識和理性認識相統一的實驗環境，給學生以逼真的體驗，能夠在虛擬環境中動手去做實驗，增加感性認識。這樣不僅可以大幅度降低學習或培訓的成本，縮短學習時間，還能消除安全隱患，使教學和培訓工作變得安全可靠。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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[4] 李德群.現代塑料注射成型的原理、方法與應用[M].上海交通大學出版社，2005.
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