0    引言

        注塑机机械合模机构所用的连杆机构较为复杂,为保证较佳的行程放大比和力放大比,在设计时需采用优化设计方法,并需要对机构的特性进行分析以及干涉检验;另外,由于合模力较大,各模板和拉杆的局部因应力集中而发生断裂现象,因此又需对其进行有限元分析,以避免在生产中引起意外事故的发生,这就要求设计人员要有比较高的理论分析能力和实践经验。如何让设计人员能摆脱程序式的反复试算和修改设计图纸,并可以直观地分析判断设计结果,这是困扰设计人员多年的难题。开发该类机构的设计软件意在解决这个问题,让设计人员能在良好的界面引导下,方便地开展机构的优化设计与特性分析、机构运动模拟与干涉检验以及主要零件的有限元分析,实现快速完成图纸设计的目的,并可把设计中积累的经验保存下来,以进一步降低往后再设计的难度。

1    软件控制流程

        控制平台用于管理数据库的存储、查询和传输,以及各功能模块的启动与连接,保持数据的统一性和设计过程的自动化实现。依据数据的可控性和传输的方便性,并考虑UG等三维设计软件对数据的要求,这里选用Excel作为数据传输的中间文件。优化设计通常采用FORTRAN进行编程,为简化操作过程,其输入与输出数据可存储在DAT文件中。这需要通过数据传输手段,使其数据能够与数据库中的数据实现通信,以保证FORTRAN程序在窗式操作环境下的自动运行,并把结果数据回传到控制界面。合模机构的特性分析需要输出为直观的曲线结果,考虑到编程的方便性、直观性和多种分析方法的需要,该功能模块选用MathCAD作为解算器和图形结果的输出工具,通过VB编程实现数据的自动传输,并把图形结果回传到操作界面。三维设计模块选用UG软件,在UG中建立三维零件库和零件族表,将其装配成三维机构总图,并利用其运动分析模块实现三维运动模拟;在UG环境下对主要零件进行有限元分析,将其分析结果保存在scenario文件中。通过对UG的二次开发,将已建立的零件库、运动模拟和有限元分析模块集成在自定义菜单上。用Excel调出数据库中的数据用于修改相关零件的Excel数据,因UG软件已实现各模块数据的全相关,这就可以利用已建立的分析模型方便地查看机构运动过程、零件间是否会发生干涉现象以及零件的有限元分析结果。

2    机构参数优化模块

        软件的界面及控件采用Delphi进行编程,主界面下的合模机构主要参数的优化设计与数据控制界面。在预先选定机构类型、合模压力值以及优化方法的前提下,通过该界面可直接调出历史优化初始值和优化结果,或直接改变初始值进行优化处理,还可将更好的机构参数值增添到数据库中,以便对照分析使用。根据以上要求,本软件采用Delphi自带的数据库桌面进行数据管理与传输,可在该界面直接对数据库进行操作,形式简洁,操作方便。当需传输数据时,启动控制按钮将数据从数据库经Excel传送到需要该数据的文件中。优化程序中的数据输入采用FORTRAN自带的DAT数据库,当其输入数据修改后,不需对源程序进行重新编译与连接就可直接运行其EXE文件,为优化试算提供了方便。为便于数据的传输,在编制FORTRAN程序和定制其DAT文件时,使输入与输出数据按列分布。对于高级用户,还可在该环境中查看或对源程序进行修改。在执行优化计算时,控制程序通过判断源程序是否已改变,从而选择是否对源程序进行编译和连接处理,并自动进行优化计算和显示完成信息。这主要是通过后台的批处理程序和控制程序中的选择结构加以实现,操作时不需进入DOS操作系统。

3    机构特性分析模块

        在该模块中,利用MathCAD提供的VB接口,用VB设计控制界面,此处的曲线为五铰点双曲肘合模机构的运动特性曲线。在该界面中插入OLE对象,并使图形区域在窗口中显示出来。点击图形区域,可显示出各曲线的最大值和最小值,利用MathCAD的Trace功能可查询曲线上任意点的坐标值。作为OLE对象的MathCAD,可在其首部插入前面优化设计结果的Excel文件,即可在窗口中显示相应机构特性曲线。通过在界面上方设置机构参数的输出与输入控制栏,可对优化计算的结果值进行圆整,并分析其对特性曲线的影响,以便选出适合实际加工需要的参数或判断是否需要重新进行优化分析。

4    机构设计模块

        利用UG三维设计软件提供的OpenAPI二次开发功能,在其主菜单上增添合模机构菜单、子菜单及按钮,用VC++编制相关回调函数,构建成合模机构专用设计模块。合模机构菜单上的机构设计子菜单,此处的机构为五铰点双曲肘合模机构。在该菜单上,设有特定吨位的合模机构零件库(含二维和三维图库)、机构三维总图以及机构运动模拟等子模块,点击相应按钮即可打开其文件。在打开的零件中,修改影响机构运动的主要参数,将修改前后的值保存在该零件的Excel电子表格中,以便以后查询和使用。单击机构运动模拟按钮,即可得到修改参数后的机构装配图及其运动分析方案。在UG主菜单中选择运动功能项,并在其scenario导航器中激活原已建好的运动方案,直接选择动画项,再点击播放按钮即可查看机构的三维运动情况和零件间是否有相互干涉的情况发生。在该UG模块中,不管是在零件库文件或机构三维总图、机构运动模拟文件中修改的尺寸,其它子模块的相应参数都会自动更改,这是利用了UG所提供的参数全相关功能。

5    有限元分析模块

        在该模块中,利用UG所提供的结构分析功能,对前面所建立的三维零件进行有限元分析,并利用UG的二次开发功能将有限元分析结果集成在子菜单中。点击相应按钮,在UG主菜单上点击结构分析选项,激活scenario导航器中已做好的有限元分析方案,然后点击其菜单上的结果项,就可察看该零件的有限元分析结果。后模板的一种分析方案,若对该分析结果不满意,可另外建立有限元分析方案或经克隆后修改分析方案。

        建立有限元分析方案时,需要对结构分析菜单中的环境、简化几何体、载荷、边界条件和单元类型等选项进行设置。用有限元模型检查可检查已建立好的模型是否存在不恰当的设置,确定无误后用UG所提供的解算器进行有限元分析。之后,点击同一菜单下的结果项就可察看有限元分析的静态或动画结果的应力或应变的分布云图,也可在同一画面上进行多方案对比分析,便于选择合适的分析方案。若在前面的设计中已对零件尺寸进行了修改,只需在结构分析菜单中修改相关部分的设置后,点击解算按钮即可获得新的有限元分析结果。

6    结束语

        该软件实现了在WindowsXP环境下集成机构参数优化、机构特性分析、零件库、机构运动模拟和零件的有限元分析,全部操作都在Windows环境下进行,界面直观、方便。设计人员不需掌握编程语言就可方便地使用该软件进行注塑机合模机构的设计与分析,并可直接生成二维图,经工程化处理后就可得到工程图,这可有效地减少常规设计的时间,腾出更多的时间进行创造性的设计工作。