中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

智慧型 CAD 模具之模座與入子及側抽芯 設計系統

Smart CAD Mold Design System for Mold- Base, Inserts, Lifter and Slider

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：M09608028 葉建宏 指導教授：徐 永 源 博士

中華民國 100 年 7 月

摘 要

本論文研究之目的為建立「智慧型 CAD 模具之模座與入子及側抽芯設計系 統」。射出成型模具之設計效率提升為縮短產品生產週期之關鍵，其主因為傳統 模具設計步驟繁雜、耗時、工作量大且效率低。因此，本研究將致力於簡化模具 設計步驟以提高模具 CAD 設計工作效率、減少人為判斷疏失為主要目的。設計 人員選擇所需模座型式後，隨進行模座及相關零件之導入，可有效減少重覆性繪 圖工作，入子、側抽芯機構設計功能將針對不同產品輪廓進行細部設計，以解決 各種造型而衍生出的複雜設計步驟。

本研究利用 NXOpen API for C++ 二次開發模組，建構以模具知識結合 CAD 原理為中心之自動化設計方法，並使用 Unigraphics(UG)零件族功能(Part Families) 建構可重用之模具標準件資料庫。系統在導入模座後，即可進行入子及側抽芯機 構之設計，並在設計過程中加入關鍵技術--「知識工程(Knowledge Base

Engineering,KBE)」，產生以知識驅動為基礎的工程設計新方法，KBE 技術即針 對設計之需求，進行一系列系統的整合、知識的整合及方法的整合。從而實現，

具有經驗、智慧之 CAD 系統輔助設計，使設計人員更有效率的執行。

關鍵字：射出成型、模具設計、二次開發、知識工程

ABSTRACT

This study is to establish a “smart CAD mold design for mold base, insert, lifter, and slider ”. The key to shorten a manufacturing cycle is to increase the efficiency in plastic injection molding design. This mainly is because that traditional mold design process involves complicated steps, and is time-consuming, inefficiency, and too much of a heavy workload.

Therefore, this study strives to streamline the steps of design process by increasing the efficiency of CAD design and preventing errors in human judgment. Design engineers could start right with mold base and related parts after selecting the intended model of mold base.

This could effectively prevent the need for repeated drawing procedures. In addition, detailed design for insert, lifter, and slider could be done according to different product outlines, avoiding the complicated steps of design process due to various styles of the mold.

Using secondary development technology of NX Open API for C++, this study enables automatic designs that are centered on mold and CAD principles, while in the mean time,constructing reusable database of standard mold components with Unigraphics part families. The design for insert, lifter, and slider can begin as soon as the mold base is imported into the system, during which the key technology – knowledge-based engineering (KBE) – is added. KBE is a new way to engineering on the basis of knowledge models.

According to individual demand, KBE allows a series of system, knowledge, and method integration, generating a smart and experienced CAD tool, so that designers can work in a more efficient manner.

Keyword: Injection molding, Mold design, Secondary development, Knowledge-Based Engineering

誌 謝

承蒙恩師徐永源博士細心的指導與栽培，使我養成邏輯思考、面對問題的想 法及解決問題的能力。並於學術之餘，對人生觀的拓展及態度的養成給予指導與 意見，這些隱性知識的寶貴在於恩師的提點才略知一二，而不是書籍文獻所獲取 的顯性知識所能比擬。即所謂：『讀萬卷書，不如行萬里路；行萬里路，不如識 人無數；識人無數，不如高人指路。』在此謹致由衷的感激與謝意，感謝恩師所 帶給我的成長。同時感謝口試委員蔡有藤博士、黃國饒博士以及林文輝博士對本 論文的不吝指教，並提供許多寶貴的意見與指正，使本論文益臻完善，在此亦致 上萬分謝意。

在研究與學習過程期間感謝研究所學長俞帆、友誠、建誠、一峰、威行，同 學柏凱、弘育，學弟晟峰、家恩，在研究上與生活上所給予的協助與支持。另外 感謝女友苔鳳及其家人的分憂解勞與扶持。

最後僅將本文獻給我最敬愛的爺爺、奶奶、外婆、父親、母親及姐姐，感謝 他們不斷的關心、鼓勵與精神上的支持，使我能夠無後顧之憂的專心讀書與研 究，在此願與他們共同分享這份榮耀和喜悅。

目 錄

摘 要 . . . i

A B S T R A C T . . . i i

1 . 1 研 究 背 景 與 說 明 . . . 1

1 . 2 研 究 動 機 與 目 的 . . . 2

1 . 3 文 獻 回 顧 . . . 2

1 . 4 內 容 大 綱 . . . 3

第 二 章 射 出 成 型 模 具 . . . 4

2 . 1 成 型 品 設 計 . . . 4

2 . 2 模 具 種 類 . . . 5

2 . 2 . 1 二 板 式 模 具 . . . 5

2 . 2 . 2 三 板 式 模 具 . . . 6

2 . 2 . 3 無 流 道 模 具 . . . 7

2 . 3 模 具 結 構 . . . 7

2 . 4 機 構 件 . . . 9

2 . 5 流 道 系 統 . . . 9 2 . 6 頂 出 系 統 . . . 1 0 第 三 章 系 統 基 礎 理 論 及 應 用 技 術 . . . 1 2 3 . 1 C A D 技 術 發 展 況 . . . 1 2 3 . 2 人 工 智 慧 技 術 發 展 . . . 1 3 3 . 3 知 識 工 程 . . . 1 4

3 . 3 . 1 K B E 的 發 展 與 應 用 . . . 1 6 3 . 3 . 2 K B E 設 計 關 鍵 技 術 . . . 1 7 3 . 3 . 3 K B E 系 統 設 計 方 法 . . . 1 8 3 . 3 . 4 產 品 建 模 與 分 析 技 術 … . . . 2 0 3 . 4 工 具 平 台 . . . 2 0 3 . 5 N X 二 次 開 發 環 境 與 工 具 . . . 2 1 3 . 6 N X O p e n A P I 介 紹 . . . 2 3 3 . 6 . 1 N X O p e n A P I 物 件 模 型 介 紹 . . . 2 3 3 . 6 . 2 N X O p e n A P I 常 用 物 件 及 應 用 . . . 2 4 3 . 7 參 數 化 設 計 . . . 2 6 3 . 8 B l o c k U I S t y l e 介 紹 . . . 2 8 3 . 9 P a r t F a m i l i e s 零 件 族 . . . 2 9 第 四 章 系 統 建 構 與 知 識 建 模 . . . 3 0 4 . 1 系 統 架 構 . . . 3 0 4 . 2 模 座 導 入 . . . 3 4 4 . 3 入 子 設 計 . . . 3 6 4 . 4 側 抽 芯 機 構 設 計 . . . 3 9 4 . 4 . 1 側 凹 特 徵 辨 識 . . . 4 2 4 . 4 . 2 強 制 脫 模 計 算 . . . 4 6 4 . 4 . 3 滑 塊 設 計 . . . 4 8 4 . 4 . 4 斜 銷 設 計 . . . 5 0 第 五 章 系 統 驗 證 . . . 5 3 5 . 1 手 機 外 殼 上 蓋 實 作 . . . 5 3 5 . 1 . 1 模 座 導 入 . . . 5 3 5 . 1 . 2 入 子 機 構 設 計 . . . 5 6 5 . 1 . 3 側 抽 芯 機 構 之 滑 塊 設 計 . . . 5 9

5 . 2 電 腦 機 殼 前 置 檔 板 實 作 . . . 6 4 5 . 2 . 1 側 抽 芯 機 構 之 斜 銷 設 計 . . . 6 4 第 六 章 結 果 與 討 論 . . . 6 8 參 考 文 獻 . . . 6 9

圖 表 目 錄

圖 2-1 二板式模具示意圖...6

圖 2-2 三板式模具示意圖...7

圖 2-3 模具各部件示意圖...8

圖 2-4 實際澆道於模具之圖...10

圖 2-5 實際頂出機構於模具之圖...11

圖 3-1 CAD 演進圖...12

圖 3-2 KBE 系統架構圖...15

圖 3-3 基於 KBE 設計過程...18

圖 3-4 NX Open 物件模型結構圖...23

圖 3-5 遍歷 Session 內 Part 程式碼之格式...25

圖 4-1 基本架構圖...30

圖 4-2 系統架構圖...31

圖 4-3 模座導入工作流程圖...34

圖 4-4 模座導入開發架構圖...35

圖 4-5 入子與入子基座正視圖...36

圖 4-6 入子設計工作流程圖...37

圖 4-7 入子設計架構圖...38

圖 4-8 滑塊設計系統工作流程圖...39

圖 4-9 斜銷設計系統工作流程圖...40

圖 4-10 側抽芯機構設計系統開發架構圖...41

圖 4-11 凸台與台階特徵示意圖...42

圖 4-12 孔與腔特徵示意圖...42

圖 4-13 側凹識別流程圖...45

圖 4-14 強制脫模幾何尺寸圖...46

圖 4-15 滑塊機構示意圖...47

圖 4-16 滑塊正視圖...46

圖 4-17 斜銷機構形式圖...50

圖 4-18 斜銷機構示意圖...51

圖 5-1 手機外殼上蓋圖...52

圖 5-2 手機外殼與型腔圖...53

圖 5-3 模座導入之對話框...54

圖 5-4 模座導入執行結果圖...54

圖 5-5 手機線架構示意圖...55

圖 5-6 入子設計之對話框...56

圖 5-7 入子基座設計之對話框...56

圖 5-8 抽芯機構設計結果圖...57

圖 5-9 側凹識別之對話框...58

圖 5-10 不同條件下特徵識別結果圖...58

圖 5-11 強制脫模計算之對話框...59

圖 5-12 容許限度表...60

圖 5-13 側向型芯設計之對話框...61

圖 5-14 側向型芯設計結果...61

圖 5-15 滑塊及斜導銷設計之對話框...62

圖 5-16 滑塊設計之結果...62

圖 5-17 斜導銷設計之結果...63

圖 5-18 電腦機殼前置檔板圖...63

圖 5-19 電腦機殼前置檔板側凹識別結果...63

圖 5-20 斜銷設計系統對話框...63

圖 5-21 斜銷本體形式比較圖...63

圖 5-22 斜銷回位方式對話框...63

圖 5-22 斜銷設計及模座導入結果圖...64

表 4-1 滑塊滑動部尺寸表...48

表 5-1 抽芯機構設計參數尺寸表...57

第一章 簡介

1.1 研究背景與說明

模具向來素有「工業之母」之美名，模具工業更具備工業發展「二高」(附 加價值高與技術層面高)及「二低」(污染程度低與能源依存度低)之特性。塑膠模 具工業更是國民經濟基礎工業，塑膠模具生產主要的優點是製造簡單、材料利用 性高、生產率高。特別是對量產的機電產品更能獲得物美價廉的經濟效果。隨著 製造技術及 CAD、CAE、CAM 等相關技術的進步，模具工業也漸漸仰賴 CAD、

CAE、CAM 技術，本來繁瑣複雜的設計流程步驟亦可邁向數據化，但設計工程 師一但離職必會對設計流程甚至生產週期造成影響，因此若可將整個設計製程技 術，利用符合該產業之開發工具，將設計工程師之經驗及製程技術並注入開發系 統中，藉此機制傳承經驗同時累積智慧。

1.2 研究動機與目的

近年來國內很多產業的外移，包含模具產業，而普遍模具廠皆以中小型企業 存在，因此技術提升有限，故當產業開始外移時這些模具廠也紛紛移至大陸及東 南亞國家設廠，造成許多模具人才流失[1]。因此如何運用 CAD、CAE、CAM 等 相關知識及技術於模具產業是值得研究的主題。隨著全世界景氣復甦，經濟部技 術處 ITIS(產業技術資訊服務推廣計畫)預期，電子零件沖壓、塑膠射出模具首先 受惠，而 2010 年模具產值可提升至 480 億元，較去年成長 23.8%。這更說明了，

無論模具產業在當前應該解決的問題與未來佈局及展望，都必須透過不斷精進的 方式提昇新技術。基於以上因素，傳統的方法已經漸漸無法適應在這日新月異的 時代。因此本研究將針對塑膠模具設計，建立其標準件資料庫以供系統調用及編 輯，並針對不同輪廓衍生出之設計步驟，以自動化設計機構件達成快速設計。透

過標準件資料庫將顯著降低模具設計交貨時間和成本，提高設計的靈活性[2]。

使用零件族將外型相似但尺寸不同之零件，建立其標準件資料庫，供設計人員調 用，不僅可以減輕設計人員在進行設計時的負擔，以特徵方式建構還可以使設計 人員不需各個組裝，直接進行設計使用。並彙整模具設計知識及公式，針對不同 產品輪廓衍生出之設計步驟，提供解決方法，並以知識工程 KBE 技術做為系統 之基礎，實現設計智能化，縮短模具設計週期及提升產業競爭力。

1.3 文獻回顧

由於模具設計過程中涉及多方面知識及大量經驗，造就模具設計知識具有模 糊性的特點。Michael Polanyi[3]於 1958 年提出知識分為顯示知識與隱性知識兩 種，顯性知識指可以將知識明確的以規則表達，隱性知識指不易描述及記錄之知 識。傳統模具設計知識大多經由試誤法，將獲得經驗轉化為知識，故模具設計的 知識大部分皆為隱性知識。知識系統與知識工程方面，1977 年美國 Standford 大 學 Feigenbaum[4]於第五屆國際人工智能聯合大會所提出的「人工智能的藝術：

知識工程課題及實例研究」，開啟了知識工程(Knowledge Engineer,KE) 的概念，

他指出人工智能的研究應該從基於能力獲取知識的策略轉變為基於知識的系統 (Knowledge-Based System,KBS) 研究。1999 年英國 Coventry 大學的 Chapman 和 Pinfold[5]認為 KBE 是一種結合物件導向程式、人工智慧及 CAD 等技術以達到 自動化的工程，並可降低成本、縮短產品周期。本研究所提的 KBE 是指應用在 工程上的 KBS，可視為針對特定工程領域的智能系統，利用模組化的智慧模型 引導設計人員進行設計工作，並結合 CAD 軟體[6]。標準件方面，2006 年關意鵬、

關來德[7]提出利用 NX 中 Part Families 與 Excel 結合繪製同輪廓、不同尺寸之零 件。2009 年康劍莉、崔海[8]提出透過 NX Mold Wizard 建立零件標準庫。2003 年涂小文[9]提出自動分模由分模方向之確定，識別側凹特徵之位置，再藉由側 凹特徵之種類自動搜索出分模面。2010 年葉子誠[10]，提出入子、斜銷及頂針，

機構件設計合理化引導流程。2010 年焦瑞萍、池成忠及黃能會[11]，提出入子適 用範圍與入子基座設計方法。根據不同產業所發展出的 KBE 系統亦即為該產品 客製化之系統，Toffler[12]於 1970 年預言了大量客製化的生產模式，他認為大量 客製化在技術上是可行的，且當人民生活越來越富裕，他們會希望獲得更加多樣 化的產品與服務，而這也迫使大量客製化的技術持續的發展，並會成為未來的趨 勢。1993 年 Pine[13]以生產管理的觀點對大量客製化作了比較系統的論述，認為 它將會成為 21 世紀中最重要、最具競爭優勢的生產方式。

1.4 內容大綱

為了在模具設計過程中得到更快、更好及更穩定的品質，簡化設計流程及減 少人為誤差，為達成目標重要的第一步。本研究致力於簡化模具設計步驟，以提 高模具 CAD 設計工作，並以規則實現自動化設計以達到減少人為判斷、計算誤 差。系統應用知識工程技術，資料連結、參數化建模。其實践的方法是透過 Unigraphics(UG)作為 CAD 軟體，並應用該平台的二次開發工具 NXOpen API for C++，開發模具設計系統及資料庫，幫助設計人員進行相關模具的快速設計。與 傳統電腦輔助設計不同的是，在整合了知識工程的 CAD 系統中，知識是驅動力，

幾何模型的建構是由產品配置和工程演算規則驅動，而不單單只是幾何和尺寸關 係。因此，本研究在第二章將介紹塑膠射出成形模具種類與設計程序，包括肉厚、

收縮率、模座種類、分模、模具結構、流道系統、頂出系統。第三章中將介紹此 研究理論之基礎，包含 CAD 技術現況、KBE 系統概念、人工智慧，KBE 的介 紹及技術以及 KBE 的設計方法及工具平台及介紹 NX 的二次開發環境，零件族 (Part Families)功能，第四章將介紹系統架構與設計方法，內含三個部分，分別為 模座導入、入子設計、側抽芯機構，第五章內容為透過實際零件依模具設計流程 結合設計系統功能之驗證。第六章為本研究目前實現成果之探討。

第二章 射出成型模具

響。市面上模具相關書籍[14,15,16]皆依照各部位功能進行分類及介紹，可將其 依照功能及設計流程分為：成型品、模具種類、機構件、流道系統及頂出系統。

2.1 成型品

在模具設計中首先需先對成型品進行設計，依照成型品的要求機能設計出屬 於該成型品所屬之外形輪廓。並決定其，幾何形狀、尺寸精度、材料。而成型品 的設計影響著模具設計、模具製作、成型技術及成型品質。以下即針對成型品設 計考慮：肉厚、分模線、分模面及成型收縮率進行簡介：

(1) 肉厚：射出成型流程為，射出、保壓、冷卻、開模。而一個循環中，冷卻的 時間往往佔了一半以上，所以成型品的冷卻時間往往取決於肉厚的較厚部，

其影響了週期時間與生產效率。若肉厚不均則導致成型品冷卻後，收縮不均 勻，造成收縮下陷產生內應力，變形甚至破裂。故肉厚之設計，除了考量以 各處均一為原則之外，肉厚偷料(即對肉厚較厚處作去除考量，使產品得到均 勻厚度)設計對改善產品翹曲變形也有很大的幫助。

(2) 分模線及分模面：為能使成型品能自模具中取出，模具必須透過分模動作，

將模具分成定模或稱母模與動模或稱公模兩部份，定模與動模接觸之分界面 稱之為分模面。由於塑膠材料在射出壓力作用下，迫使成型空間中的空氣從 此分模面溢出，即使模具之配合精度再好，成型品也難免殘留線痕，此線痕 即稱之為分模線(parting line,PL)。分模線有分模及排氣之作用，但由於模具 精度即成型條件之差異生成毛邊及殘留痕跡，有礙成型品之外觀及精度。故 分模線未必成一直線，有時複雜的曲線或曲面，選擇分模線位置時不得位於 明顯位置影響成品外觀，且需考慮分模線所構成之截面是否為脫模方向投影

之最大外輪廓，其目的在於減少模座之厚度造成加工困難與側凹死角的數量 過多，導致模具複雜度與成本之增加。並於開模時不成死角位置。更需使模 具加工容易、不失尺寸精度之位置。

(3) 成型收縮率：射出成型過程中，熱塑性成型法將粒狀塑膠加熱成溶液狀，經 由噴嘴向模穴射入成形過程中，材料要以熔融狀態通過流道，經過冷卻成型 後成為固體。此時成型品隨著冷卻而收縮，高溫時的尺寸與冷卻後成型之尺 寸差稱為成型收縮率。過程中材料狀態的轉換以致成品收縮率影響成型條件 (模具溫度、射出壓力、射出速度、射出量、冷卻時間)、澆口位置、肉厚。

一般而言，模具溫度愈高、射出壓力愈低、肉厚愈大時收縮率愈大。而一般 塑料在流動方向之收縮率往往大於垂直流向的收縮率。

2.2 模具種類

射出成型模具依照產品特性需求而造成模具的結構不同，因此在結構上是多 變、多樣的結果。故欲將其明確分類頗為困難，故以一般常用分類方式，可依模 具之結構而簡單區分為三種基本類型：1.二板式模具（two plates mold）又稱大 水口模具；2.三板式模具(three plates mold)又稱小水口模具；3.無流道模具 (runnerless mold)又稱熱澆道模具。

2.2.1 二板式模具

此種類型之模具為構造最簡單、製作最容易，所有射出成型用模具的基本製 作與設計原理都是以此種類為出發點，故此種類型之模具可稱為射出成型用模具 之標準。此種類包含兩個部份：1.固定側（定模），固定側固定於射出成型機之 固定盤上，成為材料的射出部。2.可動側（動模），可動側固定於成型機之可動 盤上，射出成型結束後，開模時，成型品附著於此側，再利用成型機的開模動或 油壓頂出裝置將成形品頂出。如圖 2-1 所示。

圖 2-1 二板式模具示意圖

2.2.2 三板式模具

此種類型之模具與二板式模具相異之處為，除了兩塊型模版外，另外於兩塊 型模版中間加入一塊流道剝料板，模具的主要部份是由固定側型模版、可動側型 模版、流道剝料板三塊板所組成，因此稱之為三板式模具。在模具開啟時，除了 固定側型模板與可動側型模板分開以便取出成形品外，此時流道剝料板因固定於 固定側型模板上所安裝的支承銷滑動而分離，此動作可使流道脫離，亦即成型品 與流道殘料分開取出。此類型模具在構造、製作、設計上均較複雜，而成型時需 使用較大型成之成形機來生產，故成本較高，但其優點在於可自動化的生產，去 除剝料之動作，且不需要加工成型品造成成本浪費。如圖 2-2 所示。

剝料板

圖 2-2 三板式模具示意圖

2.2.3 無流道模具

無流道模具亦可稱為熱流道模具(hot runner mold)，此種類模具於注道、澆 道周圍加設加熱裝置，使注道、流道部分特別加熱及保溫，如此一來軟化的塑料 不會因冷卻而固化，時時保持熔融狀態，而使每次射出操作後只取出成型品，與 三板式模具一樣擁有自動化及節省成本特點之外，亦可節省材料，無廢料回收之 問題，尚可節省塑料填充時間。

因成形溫度與壓力較低，使成品應力較小，而流道內壓力與溫度變化小，造 成成本流道與凹痕少，故成型品之品質較佳。其缺點除了構造繁雜許多，模具製 造與設計成本高之外，澆口設計自由度較低，因阻塞清理麻煩，故保養維護較困 難。但其構造上可視為三板式模具之進化。

2.3 模具結構

射出成型模具結構因功能及目的眾多，導致結構複雜。以下將二板式模具分 述各部件之定義及功能，如圖 2-3 所示。

圖 2-3 模具各部件示意圖

① 固定側固定板(cavity adapter plate) 其功用是將固定側型模板、定位環、

注道襯套、導銷襯套固定於此板，透過此板將模具固定於成形機上。

② 固定側型模板(cavity plate) 其功用是用來裝置型芯，亦可裝置導銷襯套、

注道襯套、流道及澆口，為固定側之主體。

③ 可動側型模板(core plate) 又稱動模板，型芯及導銷即裝置於此板。此版與 固定側型模板之間皆合面即為模具之分模面，為可動側之主體。

④ 承板(back up plate) 又稱背板或托板，其功用具有補強之功能，可使動模 板不因射出壓力發生變形、彎曲。

⑤ 間隔塊(spacer block) 又稱間隔件或墊塊，其功能是確保成型品頂出距離。

⑥ 頂出銷定位板(above ejector plate) 又稱上頂出板或射銷定位板，其功能 為使成型品頂出方位正確平衡、穩定。

⑦ 頂出銷固定板(below ejector plate) 又稱下頂出板，此板與頂出銷定位板 把頂出銷、定位銷、定位銷之位置確實固定。當與停止銷接觸時即為模具閉 合之時。

⑧ 可動側固定板(core adapter plate) 又稱可動側裝置板，與間隔塊形成頂出 空間，其功能為將整個模具可動側組合，並固定於可動盤上。

⑨ 型芯(core) 又稱模心、模蕊、雄模，與型穴構成成形空間。成形完畢後，模 具開啟，成品附著於型芯上，再由頂出機構頂出後完成脫模動作。

⑩ 定位環(locate ring) 其功能為固定模具於成形機固定盤之定位環孔配合，

使射出噴嘴與注道襯套對正之用。

⑪ 注道襯套(sprue bush) 為避免注道直接與噴嘴接觸造成磨耗過大，故做此襯 套，以便於修理更換。

⑫ 導銷(guide pin) 其功能為使可動側與固定側能迅速而確實的定位配合，一 般裝置於可動型模板上。

⑬ 導銷襯套(guide pin bush) 為避免導銷與固定側型模板磨耗過大，故做此襯

套，以便於修理更換。

⑭ 定位銷(sprue snatch pin) 又稱為注道抓銷，其功能為成型完畢後，模具開 啟後，將注道自襯套中抓出，使注道附著在可動測以便與成型品同時頂出脫 落。

⑮ 頂出銷(ejector pin) 又稱為射銷，其功能為將成型品頂出脫落。

⑯ 回位銷(return pin) 又稱為復歸銷，其功能為使頂出機構在頂出成形品後，

確實回歸原來位置。

⑰ 停止銷(stop pin) 又稱為阻銷，其功能為可適時調整整個頂出機構之高度。

2.4 機構件

隨著成型品之功能及外觀的多樣化，使得機構件的需求增加。所謂機構件，

即針對結構強度弱、無法利用公母模順利成型及因外型輪廓於開模時產生干涉之 部位所設計之零件。

機構件中以頂針、斜銷及滑塊為可動式機構件，入子為不可動機構件。頂針 為頂出運動時所需之零件。斜銷則是為了卡勾造型無法由一維開模方向順利開模 而使用其產生二維運動方向解決。滑塊則針對成品側凹部位，於開模時先行做動 退出滑塊，避免干涉。肋結構及較薄之部位則以入子代替避免開模次數過多造成 公模壽命降低。

2.5 流道系統

在塑膠模具中，流道系統是負責引導從成型機噴嘴射出的熔融材料。流道系 統中又可細分為注道、冷料井、澆道、澆口。注道(sprue)為此系統與噴嘴接合之 部分。

噴嘴在射出後，仍有少量的熔融材料殘留，而此殘留在下次射出成型前往往 已經固化，為避免澆道或澆口的阻塞，以致成型品外觀不良，通常會透過滯料部

(slag well)又稱冷料井，收集這些已固化的材料，而滯料部通常設置在注道末端 與澆道末端。注道端的滯料部通常與注道抓銷共同作用，以便在開啟模具時將注 道拉出。而澆道(runner)為成形材料到成形空間的主要通路，設計流道之斷面尺 寸時必須視材料之流動性而定，而澆道之長度應把握同長及愈短愈好之原則。熔 融材料進入成型空間前必須經過澆口(gate)，而澆口位置、數量、形狀、尺寸都 會影響成型品的外觀、尺寸精度、物性、成效率。澆口的大小需視成型品之重量、

成型材料特性及澆口形狀而定。設計澆口需把握盡量縮減其長度、深度及寬度為 原則。

澆口種類又可分為兩大類即限制、非限制澆口，限制澆口中又細分為測撞澆 口、凸片澆口、膜狀澆口、點狀澆口，非限制澆口則意指直接澆口。圖 2-4 為實 際澆道於模具中之位置。

澆 道

圖 2-4 實際澆道於模具之圖

2.6 頂出系統

為了提高射出成型效率，改善成型品質，容易迅速脫模、頂出，並達成自動 化操作，不只成型品，連注道、流道的脫模都必須依賴適切的頂出機構進行頂出 動作。

頂出機構的主要目的是使因成形收縮而附著於心型上的成型品脫離模具，因 此必須在脫模阻力最大處選擇頂出位置，但同時也需要求外觀、精度的品質選擇

頂出方法。頂出最常用的方法是使用頂出銷(ejector pin)、剝料板(stripper plate)、頂出套筒(ejector sleeve)、空氣壓(air pressure)。頂出銷之特性為：

加工最容易、設置位置最廣、最常使用。頂出套筒之特性為：頂出力作用較均勻，

成型品外觀不殘留頂出痕跡。剝料板之特性為：頂出面積較大，適用脫模阻力較 大、肉厚較薄之成形品，成形品外觀不殘留頂出痕跡。空氣壓之特性為：適用肉 厚較薄且具深度成型品，於成型品與模心之間吹入空氣，使成型品易於脫模。圖 2-5 為實際頂出機構於模具中之位置。

頂 出 機 構

圖 2-5 實際頂出機構於模具之圖

第三章 系統理論根基及應用技術

多年來，工業界企盼如何能將知識工程(Knowledge-Based Engineering, KBE) 與 CAD 系統有效結合，以整合性 CAX(CAD/CAM/CAE)系統及 KBE 工具為平 台，實現智慧型設計、組裝、製造及維護等。即根據特定的產品模型進行模型推 理(Model Based Reasoning,MBR)[17]，做出設計決策，以人類的專家能力來解決 該領域技術的問題。因此，此研究將以知識為基礎利用 CAD 軟體建構自動化模 具系統，嘗試將人工智慧(AI)技術有效導入及整合於 CAD 系統中，達成知識驅 動自動化(Knowledge Driven Auotmation, KDA)[18]系統的建構，以知識為基礎的 系統不僅加速產品開發，並可透過設計人員知識的累積擴充系統[19]。

以下將針對 CAD 技術發展現況、人工智慧、知識工程(KBE)等技術發展現 況及 KBE 開發工具平台(CAX 開發系統)進行詳細說明。

3.1 CAD 技術發展現況

隨著電腦應用技術的發展，製造業的發展模式發生根本性的變化，CAD 的 技術也不斷演進，如圖 3-1。1963 年 CAD 誕生於麻省理工學院(MIT)， Ivan Sutherland 博士的畫板 (SKETCH PAD)，起初是一個 2D 數位繪圖媒介，然後 1970 年代利用 3D 線架構技術以及不久之後的 3D 曲面建模，實現了首次革命的躍進，

即進入 3D 世界。80 年代中期參數化設計方法已成為 CAD 系統所採用的關鍵技 術之ㄧ，而能否實現參數化已成為評價 CAD 系統優劣的重要技術指標。目前 CAD 軟體大部分都採用特徵參數化設計方法，通過零件族等方式來參數化特徵的形狀 與尺寸，同時影響與之發生關連的特徵，從而得到不同的零件模型。但是參數化 設計要求約束的建立及求解，且依賴特徵構件的順序，參數求解只能順序求解，

導致零部件不能隨所欲建構，此外對於複雜零件，一但對零件進行設計變更，往 往需要耗費相當大的資源與時間來更新零件，在工程實際應用中帶來很大的侷限

性。因此 2008 年西門子(Siemens PLM software)公司以參數化方法為基礎提出了 同步建模設計方法。同步建模設計方法，此技術較參數化、基於歷史建模的技術 又前進一步，同時包含先前的技術。同步建模技術即時檢查產品模型的幾何條 件，並且將幾何條件、參數、幾何約束結合在一起，以便評估、建構新的幾何模 型及編輯模型，且不需要重複全部歷史紀錄，具有更好的靈活性及自由度。

圖 3-1 CAD 演進圖

3.2 人工智慧技術發展

九十年代，人工智慧(Artificial Intelligence, AI)進入其發展的黃金時期，在自 然語言處理、機器學習、專家系統、模式鑑定、定理證明、專家系統及人工類神 經網路等多領域皆有突破性的成果。在 1977 年第五屆國際人工智慧聯合大會 中，美國 Stnadford 大學的 Feigenbaum 教授以一篇名為「人工智慧的藝術:知識 工程課題及實例研究」開啟了「知識工程(Knowledge Engineer, KE)」的概念，其 中闡述了專家系統的思想並指出人工智慧的研究方向，其獲取智慧的策略應該從 基於能力轉變為基於知識系統(Knowledge-Based System, KBS)，自此，確立「知 識(Knowledge)」在人工智慧中的重要地位，開創知識工程(Knowledge Engineering, KE)研究的新時期。由他主持開發的 DENRAL 系統從化學專家獲取知識，並根 據質譜儀推斷未知有機化合物的分子結構，進而被廣泛的應用於許多大學及企業 的化學實驗中。此一研究成果激發人們對人工智慧的興趣與信心，並掀起 KBS

及專家系統(Expert System, ES)的研究熱潮，其後續的研究成果的代表性成果是 地質探勘系統 PROSPECTOR 及醫療專家系統 MYCIN。

近年來，隨著人工智慧的深入研究，人們逐漸認知到人工智慧在知識工程系 統(KBS)中的主導地位，並且將研究的重點轉入如何在產品工程設計全生命週期 (PLM)內充份利用人類智慧的結晶---知識。

3.3 知識工程(Knowledge-Based Engineering, KBE)

知識(Knowledge)是一種有組織的訊息，能夠用於求解問題及進行決策。在 知識爆炸日新月異的今天，現今人們缺乏獲取知識的系統化途徑，可以預見，工 業界未來的發展趨勢將從資訊整合的操作轉變為基於知識的工程。由於 KBE 技 術的開放性，至今尚未能明確定義 KBE。

美國福特汽車公司將 KBE 列為企業技術創新的關鍵技術，該公司對 KBE 的 定義為:「利用 AI， IT 及電腦來解決工程問題的方法，它將設計、製造及與客 戶相關的知識融合在一起，盡可能實現自動創建幾何模型的功能」。

英國 Coventtry 大學的 KEM 中心指出: KBE 是一種基於產品模型，儲存處理 與此相關知識的電腦系統，它是目前促進工程化、實用化產品開發最值得採用的 方法。

歐洲之 KBE 應用方法與軟體工具研究聯盟則指出: KBE 是電腦輔助工程的 一個進步，它是物件導向方法(Object Oriented Method)、AI 及 CAD 技術三者整 合性的工程方法，能提供設計過程客戶化、變量化及自動化的解決方案。

因此，我們可以說: KBE 是藉由知識驅動及繁衍，對工程問題及任務提供最 佳解決方案的電腦整合技術，是 AI 及 CAX(CAD/CAM/CAE)技術的融合。

在工程技術上，專家知識一般來自於該領域專家的經驗累積，具有很強的經 驗性、模糊性及不確定性。這對知識的交流及繼承帶來很大的阻礙，發展 KBE 技術就是希望藉由知識處理的一系列技術獲取該領域的專家知識(知識獲取)，以

便將專家知識能應用於整個設計、製造、銷售、管理及維護中(知識應用)。KBE 的應用將有利於專家知識的累積及繼承，以提高實際解決問題的能力及設計開發 的品質，實現現代製造短週期(Time)，高品質(Quality)、低成本(Cost)及優質服務 (Service)的目標。

KBE 的主要特點如下:

1. 它是一種與 CAX 系統整合，用於解決工程問題的電腦輔助系統。

2. 它明確定義知識的問題，並將知識用於特定的工程問題的求解上。

3. 它能深入各領域的核心問題，又能處理具體問題中的各個細節。

4. 它採用模型鑑定，基於規則 (Rule)及基於實例(Intance)等方法進行知識的 推理。

由此可見，KBE 系統將該領域專家的知識及經驗加以整合，形成規則，存入 電腦系統，建立知識庫，然後採用合適的知識處理策略，根據特定的產品模型進 行智慧推理，做出設計決策，以人類的專家的能力來解決該領域技術的問題，圖 3-2 是 KBE 系統的架構圖。它採用物件導向的產品模型，以整合性 CAX 系統及 KBE 工具為平台，實現智慧型設計、製造及維護。

圖 3-2 KBE 系統架構圖

從本質看，知識工程的目的是「技術再利用」，即將知識創造性的應用到一 個工業產品的設計開發及生產製造過程中，充份利用各種實踐經驗、專家知識及 其有關的資訊，產生以知識驅動為基礎的工程設計新思路。

3.3.1 KBE 的發展與應用

從製造業的技術來看，知識工程是一種基於知識的電腦應用系統，它著眼於 自動的、導引式的方式幫助使用者進行產品的工程設計，包括產品的造型、分析、

檢測、製造評估及工藝規劃等活動。並且可以捕捉及再利用與產品開發有關的最 佳化設計製造方案知識與良好的設計經驗。它是與人工智慧、協同設計、知識庫 系統、幾何造型系統及資訊技術進行有效整合的一項工程技術。

近年來， KBE 成為人工智慧領域中最活躍的研究分支，在工業界得到廣泛 的應用。目前在知識的表達、知識的獲取及知識的組織與管理、推理機的實現以 及知識的應用等領域取得一定的成果，相繼開發近千種商品化的 KBE 系統工 具，以下為在工程設計領域的典型應用範例:

1. 英國 JAGUAR 汽車在汽車車身及零件設計中全面採用 KBE 技術，開發 車前燈、發動機引擎蓋內板、車門絞鏈、側窗等 KBE 設計系統，其中在 發動機引擎內板設計中，系統採用高度結構化的知識模型來表示產品過 程中的各類知識，同時根據設定的目標函數，運用基於規則的方法進行 產品設計，其中目標函數考量質量、剛度、乘客的衝擊保護性及價格等 重要因素。經採用 KBE 技術後，設計時間由八週降為 2 小時，同時，後 續的修改工作明顯減少，使得工程師可有較多的時間研究新的設計方 法，整理、歸納及儲存知識以提高產品質量。

2. 英國航空公司採用參數化 CAD 及分析工具設計 A340-600 翼腳需耗費整 整一年的時間，藉由應用 KTI 公司的 KBE 工具 ICAD,將幾何特徵及專 家知識庫緊密聯繫，並綜合產品性能數據，安全性代碼資訊，其整個的 設計時間只需 10 小時。此外，在設計修改過程中只需描繪設計原則的變 化，其餘工作皆可由系統達成。

3. 美國軍事飛機實驗室在其發表的一系列文章中指出，應用適應建模語言 (Adaptive Modeling Language, AML)進行無人飛機的機翼設計，其適應建 模語言(AML)有效整合幾何建模系統 Pro/E、分析軟體 ASTROSFE、行 為驅動的價格模型及最佳化技術，有效提高設計的合理性及效率。

4. 美國福特汽車及通用汽車公司將 KBE 技術視為提高產品開發及研發能 力的關鍵技術，並為此開發基於知識的設計咨詢系統(Design Adviser System, DAS)。此系統提供整套從工件到系統的完整解決方案，使 KBE 系統能提供設計所需的訊息，在製造領域中開發的 KBE 系統包括:產品 公差設計系統、機器切削刀具選定系統、電腦輔助工藝規劃系統、設計 知識管理系統及機器診斷系統等。由密西根大學及福特公司聯合開發的 基於知識的公差設計系統，包括推理機、使用者介面、解釋工具、加工 條件的最佳化模型，同時，在設計過程中協助使用者選定合理的刀具及 切削條件(進給量、切削速度及切削深度)。

3.3.2 KBE 設計關鍵技術

KBE 技術中的知識庫設計包括知識系統、知識的獲取及產品建模與分析技 術。其中知識系統主要用於工程設計知識的表示及處理，以工程設計人員為導 向，實現系統的智慧化能力；知識獲取技術主要用於工程設計知識的獲取，包括 自動及人工方式的獲取，實現工程 KBE 系統獲取知識的能力，進而使系統具工 程設計 KBE 系統的目標。另由於具備知識獲取的能力，可使工程設計 KBE 系統

隨著時間的累積，越能充份展現工程設計知識，提高 KBE 系統的設計效率；產 品建模及分析技術包括電腦輔助圖形技術(CAGD)及電腦輔助工程技術(CAE)。

此兩者是工程設計 KBE 系統的基礎，即知識系統及知識獲取技術都建立在其基 礎上。

3.3.3 KBE 系統設計方法

在傳統的設計過程中，設計過程完全以設計者為中心，重覆性的設計任務須 要設計人員完成，此一完全依賴人的能力完成的工作，導致整個公司設計過程的

「瓶頸」。而基於 KBE 的工程設計是以知識模型為中心，各類資料庫、知識庫、

設計實例庫等與產品模型相關，設計師的任務只提供要求及重要的設計決定，如 此可大大提高設計效率，改進設計品質。由圖 3-3 基於 KBE 的設計過程可知，

建立好的 KBE 整合性開發平台是實施 KBE 技術的核心。此 KBE 整合性開發平 台包括知識表示、推理、獲取、管理、產品知識建模及系統整合等技術。

圖 3-3 基於 KBE 設計過程

系統工程設計通常是一個幾何相關的過程，以金屬板料冲壓工藝規劃時，冲 壓件的幾何形狀將直接參與工藝規劃，其 CAD 與 KBE 在工程領域中的整合是 目前的研究重點，亦是下一代機械 CAD 系統的顯著特徵。因此，其幾何相關知 識的處理方法主要可歸納為以下幾種:

(1) 使用 CAD 平台的 API

許多 CAD 平台軟體皆提供 API 功能，如 NX 的 NX/OPEN，IDEAS 的 open IDEAS, PRO/E 的 PROTOOLKIT 等。藉由 API 實現 CAD 環境與知識的整合，隨 者設計的深入，不斷地創建新的幾何是較可行的方案。目前，該方案已成功的應 用於許多 KBE 系統。

(2) 使用具推理機制及幾何機制的知識工具

有些知識工具不僅包括推理機制，亦包括幾何機制，此類工具是 CAD 與 KBE 整合的理想方案，但此類工具的開發難度較大，目前較普遍的是 KTI 的 ICAD、

Technosoft 的 AML 及 Heide 的 Intent/IKS。另外，面對日益增長的智慧型技術市 場，許多的 CAD 開發商(如 UGS、PTC 及 Dassault)也加入 KBE 工具開發領域，

推出如 NX/Knowledge Fusion，CATIA/Knowledge Expert 等產品。在該方法中，

KBE 工具的推理機制與 CAD 平台的幾何數據結構將直接通訊，真正實現 KBE/CAD 的整合。

(3) 使用具推理機制的知識工具

採用一些不具備幾何機制的知識工具有能實現 KBE 及 CAD 的整合，在此 一情形下，知識工具與 CAD 平台間的訊息交換主要藉由中性數據格式，如 STEP 或 XML，基於 Jave 語言的 JESS 工具在該領域以有成功的應用，證明中性數據

通訊方案的可行性。

3.3.4 產品建模與分析技術

產品建模是藉由某種模式的建立將設計過程電腦化，應用電腦能力進行分析 與計算，最後獲得設計結果的過程。產品模型的建立是 CAD 的關鍵技術之一，

實際上亦是工程設計 KBE 系統的關鍵，是設計過程中各個環節的知識及資訊流 動的基礎。當前產品資訊模型的發展是由幾何模型，特徵模型至現階段的整合性 產品模型，而整合性產品模型的主要特點是將專家的設計經驗及設計過程的有關 知識，表示在產品訊息模型中，為實現產品設計智慧化、自動化提供有力的資訊，

因此，在工程設計 KBE 系統中產品建模應採用整合性的產品模型。

產品分析技術目前集中在數值模擬方面，一般皆以有限元素法進行各式的分 析需求，目前有限元素數值模擬方法在工程領域中的應用正朝向智慧型方向發 展。即 CAD/CAM/CAE 技術的整合性。另外，數值模擬的前後處理的自動化與 知識化，使產品的分析技術可應用於工程設計 KBE 系統中，為工程設計人員提 供分析及檢驗的環節。

3.4 工具平台

NX 原名為 Unigraphics 簡稱 UG 是屬於西門子(Siemens PLM software) 公 司，集 CAD/CAE/CAM 於一體的產品生命週期管理軟體。UGS NX 支持產品開 發的整個過程從概念(CAID)，到設計(CAD)，到分析(CAE)，到製造(CAM)的完 整流程。

UG 將產品的生命週期階段有效整合，運用并行工程工作流、上下關聯設計 盒產品數具管理使其能運用在所有領域。

UG 從 CAM 發展而來。20 世紀 70 年代，美國麥道飛機公司成立了解決自 動編成系統的數控小組，後來發展成為 CAD/CAM 一體化的軟體，稱為 UG1 軟

體。90 年代被 EDS 公司收購，為通用汔車公司服務。2007 年 5 月正式被西門子 收購；因此，UG 有著美國航空及汽車兩大產業的背景。UG 是知識驅動自動化 技術領域中的領先者，它實現了設計優化技術與基於產品合過程的知識工程的組 合，它已成為世界上最優秀公司廣泛使用的系統，這些公司包括：通用汽車、波 音飛機、通用電器、惠普發動機、飛利浦、松下、精工、柯達﹒﹒等。

3.5 NX 二次開發環境與工具

軟體的功能雖然解決了他們大部分的實際需求，在一定程度上提高了產品設計、

製造及管理的效率。但是很多專業的、更為具體的問題，單靠操作 NX 軟體是很 難解決的，以至於 CAD/CAM/CAE 軟體應用的水平僅僅停留在操作層面，並沒 有充分挖掘軟體平台的潛力。因此目前大部分企業已經意識到了開發滿足企業實 際應用軟體的重要性，並且很多企業都有成功實施的經驗，把特殊的、專業的知 識與通用的軟體及成為一個高效的、滿足企業實際應用的系統平台，為企業在市 場上競爭提供有利的保障。

其中，零件的參數化設計就是在 NX 平台上較為廣泛的開發方向，它貫穿從 概念設計到詳細設計的全部過程。通常參數化設計是指零件或佈建的形狀比較固 定，用一組尺寸參數或約束表示該幾何圖形的大小與形狀，參數與設計對象有顯 式的對應關係，當賦予他們不同參數時，可以驅動其達到新的幾何圖形，其設計 結果是包含設計訊息的模型。主要用於標準化、系列化及通用程度比較高的定型 產品，採用尺寸驅動的方法，在已有零件三維模型的基礎上，根據開發人員標寫 的參數化程序完成對零件參數的修改，並把最終修改的參數返回模型中，以驅動 零件的變化完成對模型幾何外型的控制。因此以下將介紹 NX 為使用者或第三方 開發人員提供的最主要的開發工具，GRIP、UG/OPEN、KF、NX/Open、UI Styler、

MenuScript、Block Styler、UDF、Part Families 對 NX 系統進行二次開發，以達

成使用者的開發需求。

（1） UG/Open：一種基於 C 語言的複雜的編程工具，其功能強大的特點適合企 業或第三方軟體公司進行系統、高級的開發。由於它是直接在 NX 內部代 碼的基礎上建立的，所以可實現 NX 幾乎所有的功能，但它需要 C 語言 及軟體工程等技術的支持，所以比較難學。

（2） KF 一種基於知識工程的智能化的實現 NX 二次開發的編程工具，其靈活、

易學、可以知是驅動的特點適合企業或第三方軟體公司進行專家系統的開 發。但是目前他的功能還不是很權，所以往往與 UG/Open 結合起來進行 開發。

（3） NX/Open 一種基於 Journamation，同時支持多種程式語言的二次開發工 具，它支援的程式語言包含：Java、.Net、C、C++。並且支援由 NX5 版 本提供的 Block UI Styler 功能，支援 Windows 及 Linux 等多種平臺，Journal 功能可由 NX 操作直接生成程式碼，錄製具有靈活、易學、跨平台的特點，

適合使用者進行更簡單的開發。

（4） MenuScript：提供開發者創建及編輯 NX 下拉式菜單及工具欄的功能，透 過 MenuScript 可以改變 NX 菜單的佈局及添加新的菜單向以執行用戶應 用開發程序，並可調用 UI Styler、Block Style 開發之對話框或 NX 本身的 對話框，實現滿足使用者需求之交互操作。

（5） UI Styler：開發 NX 軟體對話框的工具，是一種輔助的開發工具，讓使用 者更方便、更高效的與 NX 進行交互操作。利用 UI Styler 開發 NX 對話框 的可視化操作介面工具，產生的對話框能與 NX 整合，讓使用者直接輸入 參數和 NX 進行交互操作。利用此工具可以避免複雜的圖形用戶接口 GUI 的編輯，直接將對話框中的基本控件組合產生功能不同的對話框。

（6） Block UI Styler：由 NX5 版本開始推出，有別於 UI Styler 形式的基於組塊 式對話框設計，能夠可視化的交互式快速建構，並提供五類標準化 Block，

封裝性與可重用性更佳，且支援多種代碼語言的自動生成。此項開發工具

於後續章節進行細部介紹。

（7） UDF ：使用者定義特徵(User Defined Features,UDF)是 NX 軟體提供的造 型特徵之ㄧ，它可以提供一個三維實體的若干特徵，形成一個特徵集，並 建立資料庫，這個資料庫是依賴 NX 而存在的。

（8） Part Families：零件族是 NX 軟體提供以數據表格建構模型之功能，通常 適用於形狀相似，尺寸相異的標準零件，其優點為，可利用既有標準系列 零件之表格，快速建立系列零件之模型。此項開發工具於後續章節進行細 部介紹。

3.6 NX Open 介紹

訪問即 NX Open API 與 UI 操作訪問的是統一的 NX 內部物件模型，且支援多種 語言如：C/C++、Java、.Net 等，無論使用者採用何種語言的 API 其最終調用的 都是同一個內核函數，並支援多種平臺如：Windows、Linux，基於以上特色從 而實現了平臺無關性及開發語言無關性。NX5 以後支援設計 UI 功能較 UI Style 更強的 Block UI Style。Journal 功能可錄製 NX 操作並生成使用者指定的語言代 碼，對於開發人員更減輕了查找函式庫的時間，相較於 UG Open 來說，NX Open 覆蓋的功能較多且除了維護並持續開發中。

3.6.1 NX Open API 物件模型

NX Open API 透過物件導向組織所有物件模型，物件結構分為若干層，每 一層又包括若干子物件，每個物件除了繼承父系的資料結構外，尚添加自己的屬 性。物件模型結構如 3-4 圖所示。

圖 3-4 NX Open 物件模型結構圖

以下為 NX Open API 物件種類之簡介：

(1) 標記物件(TaggedObject)：NX Open API 中的最重要的基本類，是所有實體 類型的基類，所代表的物件在 Part 儲存的同時被存取。

(2) NX 物件(NXObject)：繼承自標記物件(TaggedObject)，提供了對實體物件名 稱及屬性等，編輯的基本操作。

(3) 對話框(UI )：UI 是獲取 NX 交互物件的基礎類。在每一個 Session 中只有一 個 UI 物件，通過靜態函數 GetUI 獲得。

(4) 暫存物件(TrainsientObject)：相對於標記物件(TaggedObject)，是一些臨時物 件的基類，這些物件在 Part 儲存時不會被存取。

(5) 標記物件集合體(TaggedObjectCollection)：為 NX 物件集合的基類，透過這 些物件集合可以用來遍歷所有該集合之物件，同時也可以創建新物件。

(6) 應用程序(Session)：類似於 NX 中的基本環境(Gateway)，是應用 API 獲取所 有 NX 物件的基礎，在每個 NX 應用程序中只有一個 Session 物件。

(7) 工件(Part)：繼承自 BasePart 的編輯屬性如：關閉、儲存等，另外還包含多 個標記物件集合體(TaggedObjectCollection)，用於遍歷所有物件或創建新的

物件。

(8) 建構器(Bulider)：繼承自暫存物件(TransientObject)，用於操作實體物件的參 數，創建新的實體物件，編輯已有的實體物件或獲取物件的設置參數，創建 或編輯物件時，必須調用 Commit 方法完成物件的更新，完成操作後需調用 Destroy 方法銷毀 Bulider 物件。

3.6.2 NX Open API 常用物件及應用

由於在開發過程中，除了建模之外尚需對模型編輯、操控以滿足開發需求，

在 NX Open API 開發環境中，常需掌控之物件有：

(1) 工件(Part)即 NX 程序中工件的統稱，又分工作件(Work Part)、顯示工件 (Displayer Part)。

(2) 體(Body)即 NX 實體(Solid)一般擁有一個以上的特徵，是實體物件的最高層 次。

(3) 實體特徵(Feature)即使用者對 NX 實體所有操作過程都以此方式記錄，一個 實體往往擁有多個特徵，並按照建構時間順序保存。

(4) 面(Face)通常由多個邊(Edge)組成。

(5) 邊(Edge)通常由頂點(Vertices)界定。

獲取上述幾何物件通常透過遍歷的方法，即根據物件的層次關係透過迴圈的 循環訪問該層內含之目標物件。例如：得到工件中的實體訊息，再得到實體內的 特徵，特徵內的面及面內的邊。圖 3-5 為遍歷 Session 內所有 Part 程式碼之格式。

圖 3-5 遍歷 Session 內 Part 程式碼之格式

3.7 參數化設計

參數化設計是指產品形狀結構相同或相似，可用多個參數約束該幾何模型形 狀的結構尺寸，透過給定參數不同的數值，即可驅動達到新的目標幾何形狀。過 去設計人員常因不同尺寸或相似零件而重複設計，既耗費時間且出錯機率高。基 於參數化設計理論，在新產品的開發與製造過程中，依據實際需求，對設計模型 進行處理，建立起可以透過改變參數以得到不同系列或結構的零件模型。參數化 設計有以下特點：

(1) 約束

約束的概念是利用一些法則或限制條件來規定構成實體的元素之間的關 係。約束可以分為尺寸約束和幾何拓樸約束。尺寸約束一般是指對大小、長度、

角度、直徑、半徑與座標位置等這些可以具體量測的數值進行限制；幾何拓樸約 束一般是指平行、垂直、水平、共線與相切等這些非數值的幾何關係方面的限制；

也可以形成一個簡單的關係式約束，如一條邊與另一條邊的長度相等或某圓心的 座標分別為另一矩形塊的寬、高 。

全尺寸的約束是將形狀和尺寸聯合起來考慮，透過尺寸約束來實現幾何形狀 的控制。造型必須以完整的尺寸參數為出發（全約束），不能漏標註尺寸（欠約 束），不能多標註尺寸（過約束）。

(2) 尺寸驅動

透過約束推理確定需要修改某ㄧ尺寸參數時，系統會自動檢索出此尺寸參數 對應的數據結構，找出相關參數計算的方程式並算出參數值，進而驅動幾何模型 形狀的改變。

(3) 數據相關

尺寸參數的修改導致其它相關模組中的相關尺寸得以全盤更新。採用此種計 算的理由在於它徹底克服了自由建構的無約束狀態，幾何形狀均以尺寸的形式而 牢牢的控制住。如打算修改零件形狀時，只需編輯ㄧ下尺寸的數值即可實現形狀 上的改變。

(4) 基於特徵的設計

將某些具有代表性的平面幾何形狀定義為特徵，並將其所有尺寸存為可調參 數，進而形成實體，以此為基礎來進行更為複雜的幾何形狀的構造。

參數化設計為產品模型的可變性、可重用性等提供了方法，使設計人員可以 利用以前的模型快速方便的重建模型，並可在依循原設計理念的情況下改變模 型，生成系列產品。

系統透過 NX Open API 結合了 CAD 技術和知識工程，在不改變原拓樸關係 的情況下，透過驅動設計參數來約束或控制工程演算規則，可將知識直接建構在 產品模型中，進而獲得不同類型的零件幾何模型。

利用 MenuScript 編輯修改 NX 主選單介面，在 NX 中加入下拉式選單和工 具列，透過使用者自定義的下拉式選單或工具列，即可調用由 Block UI Style 設 計的對話框，添加各類型的功能選項連結至各設計參數，透過所建構的對話框，

將各功能選項的數值輸入用於驅動對應的尺寸參數，使編輯的程式能夠獲得完整 的參數訊息。

3.8 Block UI Style 介紹

發展趨勢，提供的五類標準化 Block 加入設計邏輯(DesignLogic)[18]，具有幫助 使用者建立驅動模型簡單參數的複雜規則及引用之能力，並具重用性。使用設計 邏輯可提供使用者創建特徵期間指定值的同時，輕鬆地採用參數化方法定義模 型。實際操作上可基於測量值、公式、重用最近使用過之值及數學函數做為使用 者設計模型時之依據。如此可縮短研發週期，提高開發之效率。使設計人員能更 直觀設計使用者所需介面之外，生成代碼更具組織架構及多樣性，方便學習與應 用。以下為五類標準化 Block 簡介：

(1) 基本(Basic)：提供可視、選項、動作之設計界面，內含基本的標籤(Lable)、

圖片(Bitmap)、字串(String)、動作按鈕(Action Button)、枚舉(Enumeration)…

等。

(2) 數字(Numbers)：提供輸入參數之設計介面，從基本的整數(Integer)、雙精度 (double)、運算式(Expression)到提供測量線性尺寸(Linear Dimension)、角度尺 寸(Angular Dimension)、半徑尺寸(Radius Dimension)、軌跡上尺寸(On Path Dimension)…等，不僅提供設計參數之介面更整合了 NX 中 Ansysis 的功能，

使用者可以透過開發出的對話框直接呼叫屬於該 block 定義的尺寸測量功能。

(3) 佈局(Layout)：提供設計對話框格局，讓使用者操作更直觀。內含群組

(Group)、表格(Table)、標籤控制項(Tab Contral)、滾動視窗(Scrolled Window)。

(4) 選取(Selection)：提供各種物件收集器、建構器及指定物件之功能，內含選擇 特徵(Select Feature)、面收集器(Face Collector)、截面建構程式(Section Bulider)、超級截面(Super Section)、指定點(Specify Point)…等。除了將指定 物件篩選規則化，另外還提供規則選項之引用，供設計人員設計及使用者操 作以達到自動化判斷機制。

(5) 特殊(Special)：提供開發人員常用之輔助功能介面，內含：反向開關(Reverse

Direction)、瀏覽選取檔案(File Browser)、瀏覽選取資料夾(Folder Browser)…

等。開發人員只需透過此類 Block 的調用及調控其參數，即可省下設計使用 者介面所需之時間。

3.9 零件族 Part Families

利用 Excel 表驅動建模之功能，透過與 NX 系統之表達式(Expression)與 Excel 表格內的數據連結，創建系列化零件的三維模型庫。對於系列化零件來說，此種 設計方法的建模速度是常規設計方法無法相比，而且得到的模型庫將有一個數據 關聯的 Excel 表，尤其對於修改的方便性、管理的實用性而言都是必需的工具。

具體實現方式為，透過 Excel 紀錄零件各個尺寸，可以得到同一系列零件的 參數表，然後取其中一個零件尺寸於 NX 表達式作為變量，透過這些變量尺寸建 立參數化零件模型，再透過 NX 零件族創建一個含有這些變量的 Excel 表，將之 前得到的零件參數表透過複製或連結的方法取代目前的 Excel 驅動表中，因為此 驅動表中的變量被目前模型文件的零件尺寸所引用，故此表可以用來改變目前模 型中的零件尺寸，使用者可以透過控制驅動表之數據對零件進行修改，只要修改 表中任一數據，其他與之相關尺寸也會相應改變。

第四章 系統架構與設計方法

智慧型模具設計系統是基於 Windows 環境中的 NX 軟體所開發出的專業 CAD 系統，並應用該軟體所提供之平臺 NX/Open API 並使用 C++程式語言進行 開發。透過與業界工程師交流其設計經驗，將入子及側抽芯機構之設計原則及公 式加以歸納、整理及描述，並匯整供應商提供之各種標準模座建構方案形成資料 庫，且建構出各種形式之零件建立重用庫。此系統可針對不同形式產品的調整，

以符合各種不同產品外型輪廓需求。設計人員可以透過系統建構的對話框，對零 組件直接進行定位、修改尺寸及布林運算，進而修改入子、滑塊、斜銷…等幾何 造型，從而實現以知識、參數化來驅動建模。

4.1 系統架構

智慧型模具設計系統主要是由對話框模組、知識工程模組及幾何模組所構成 為解決設計知識分散存放於不同的介質上，知識缺乏系統性、一致性及完整性，

其要點是將產品數據、規範、準則及檢驗…等，透過系統化的方法將其轉化為產 品設計知識[19]。此系統是以 NX 做為 CAD 系統的平台，在此一平台下應用 NX 提供之開發環境 NX/Open API for C++，與 NX 所提供之使用者介面模組 Block UI Style 及 NX 所提供之功能 Part Families 等工具，做為系統開發的主要工具，如 圖 4-1 基本架構圖。且系統依照功能需求不同，各功能中且含有其子功能，如圖 4-2 系統架構圖所示。

。

圖 4-1 基本架構圖

以下針對各個功能模組系統進行說明:

(1) 系統介面：此功能是將使用者與系統控制介面連接，基本上是以對話框方式 與使用者互動，以進行設計。

(2) 模座導入：此功能提供使用者直接依所需廠牌、型式、尺寸之標準模座於 CAD 系統中。

(3) 入子設計：此功能提供使用者於型腔內入子本體及基座之設計，以針對產品 特殊外型需求進行設計。

(4) 側抽芯機構設計：此功能提供使用者於基於成型品輪廓進行斜銷、滑塊、斜 導銷、導軌之設計，以針對產品特殊外型需求進行設計。

(5) 水路設計：此功能提供使用者於模座導入之動作後，進行冷卻水路裝置之路 線佈置及編輯。

(6) 流道設計：此功能提供使用者於型腔佈置完成後，可依據需求目之不同，進 行澆口之選擇及澆道之佈置。

(7) 頂出及定位：此功能提供使用者於需定位之位置放置定位銷，並提供導入頂 針至指定位置之功能。

(8) 輔助設計：此功能提供使用者 BOM 表輸出、干涉檢查、拔模檢查及顏色管 理。

(9) 數據庫：數據庫可以說是標準件之基礎，用於存放系統內的各種數據。

(10) 圖庫: 圖庫用以儲存系統所需的各式圖型，包括各式標準零件、其它孔洞及 造型等。圖庫的圖形是以零件族(Part Families)的方式將定義，其以參數化的 方式定義圖形各部位尺寸，使用者可依需要改變參數進行特定型式的設計。

圖 4-2 系統架構圖

4.2 模座導入

標準模座主要為設計人員提供完整模座，組成標準模座平板類規格，依型式、

平面尺寸、厚度等多種類存在，總計約 13 萬 303 種，由眾多種類中，模具廠商 可以自由地選擇出必要的規格，而不只是模座，連模具中的附件如：定位環、導 銷襯套、頂出…等周邊零件皆已規格化，以便於直接利用現有資源快速完成模具 設計。為了達到快速設計及製造以利於縮短製造週期、降低製造成本之目的，此 系統利用供應商如：FUTABA、HASCO、LKM…等所提供之由結構、形狀及尺 寸都已標準化及系列化的基本零件成套組合而成，根據產品形狀尺寸設計出模腔 後可運用此導入功能，設計出與模腔相配之模座。

由於標準模座的規格化，市面上所販售的模具設計軟體皆已將此標準模座及 規格化周邊零件集結成標準庫，而本系統導入之標準模座與市售模具設計軟體目 的皆同，故依模具設計軟體所提供之標準件做為系統調用標準模座之依據，此外 尚需使用零件族之方式建構軟體未提供之零件[20]。圖 4-3 為模座導入工作流程 圖。

圖 4-3 模座導入工作流程圖

依照其功能目的不同分成兩個分支，如圖 4-4 系統開發架構圖所示，其一為 載入標準模座，而另一分支則為載入模座之各式零件，藉由模座及零件庫的調用 透過組裝的方式實現模座之設計。

圖 4-4 模座導入開發架構圖

4.3 入子設計

當模具因產品外形輪廓以致加工困難或加工成本過高時，例如：成形品有較 深、較薄、不規則的肋結構或含有圓弧曲面時，或是直接加工、放電加工及拋光 較困難時，通常採用入子即增加崁入件(鑲件)的方法來改善，同時還可用來排氣 使成形品在較深的位置不會發生燒焦(熱量過高)或缺膠(冷卻後空氣無法及時排 出，使成形品冷卻後收縮)現象，更可以防止成形品的變形。其最主要目的是在 克服上述困難及使成形品達到更好之品質。入子應用範圍很廣，不僅在動模、定 模可以應用，在滑塊斜頂中也有應用，而本功能針對成形品中與開模方向平行之 較深、較薄、不規則之肋結構做為開發對象。

入子設計包含有入子本體及其基座設計兩部分。設計人員可以基於成形品或 模仁設計入子，選擇已存在截面之輪廓線及指定方向向量進行拉伸特徵(Extrude)

之建構，並利用測量與模板之距離方式後輸入拉伸之距離，再將生成之實體與成 形品進行布林運算(Boolean)即完成入子本體設計的部份。接著設計人員可以透過 對話框介面選擇欲放置基座之平面，並根據對話框圖像引導選擇所需型式之基座 而基座之尺寸在此僅需輸入厚度 H，基於基座強度系統限制最小值不可小於 5mm，

並會維持 H 與 W 之比例為 3:2 生成基座實體，接著進行基座與模座相互配合邊 之特徵設定，最後再藉由布林運算(Boolean)完成設計工作。圖 4-5 入子與入子基 座正視圖，圖 4-6 為入子機構設計系統工作流程圖。

，

圖 4-5 入子與入子基座正視圖

圖 4-6 入子設計工作流程圖

依照其功能目的不同分成兩個分支，如圖 4-7 入子設計架構圖所示，其一為 設計入子並可依據成形品或已分模好之模仁進行輪廓的拉伸形成入子本體。而另 一分支則為入子基座之設計，設計人員可依照需求選擇設計系統所提供的二種基 座形式，並考慮基座與模板之間的關係進行設計及配合。

圖 4-7 入子設計架構圖

4.4 側抽芯機構設計

當產品外形輪廓上具有側向孔或側向凹凸之結構特徵，如文字、溝槽、凸緣 等，稱之為側凹(Undercut)，因這些凹入或凸出部分，對成形品的頂出構成干涉 作用，使成形品不能直接脫模。

側凹特徵又分外部側凹特徵(External Undercut Features, 簡稱 EU)及內部側 凹特徵(Internal Undercut Features, 簡稱 IU)，外部側凹特徵是在成形品外部形狀 中產生，此部分阻礙成形品從型腔中脫出；內部側凹特徵是由成形品內部形狀中 的凹凸特徵產生，此部分阻礙成形品從型芯中脫出。此時需將成形品側向孔或側 向凹凸之結構處做成活動式滑塊，又稱為側型芯，並在成形品脫模前將滑塊抽出，

再將成形品頂出[21]。通常外側之側凹處理以滑塊方式克服，而內側之側凹處理 則以斜銷方式克服。

滑塊與斜銷之基本原理相同，皆是藉由模具開模方向之運動，轉換為垂直於 開模方向的水平運動。其最大之差異在於運動之驅動力來源不同。滑塊透過模具 之開模力驅動，斜銷則是透過頂出成形品之頂出力驅動。

滑塊的運動通常透過斜導銷的引導，而斜導銷的角度又有其限制，角度太小 則模具厚度增加，角度太大則斜導銷受力太大，減低其壽命。滑塊在開模過程中 因斜導銷而做動，因此要使滑塊能夠回位必須給滑塊安裝定位裝置，通常透過定 位鋼珠及彈簧的配合達到此效果。而滑塊在運動的過程中可透過導軌輔助運動及 設置耐磨塊來延長滑塊之壽命。圖 4-8 為滑塊機構設計系統操作流程。圖 4-9 為 斜銷設計系統操作流程。

圖 4-8 滑塊設計工作流程圖

圖 4-9 斜銷設計工作流程圖

側抽芯機構設計依照其功能目的不同分成四個部分，如圖 4-10 側抽芯機構 設計架構圖。分別為 Undercut 識別、強制脫模計算、斜銷設計及滑塊設計。

滑塊設計依各部位設計細分為：側向型芯、滑塊本體、導軌及斜導銷。以下 依各部分述其設計步驟。

側向型芯之設計步驟：首先選取側凹部位輪廓線形成封閉截面，接著選擇方 向且輸入拉伸距離即完成側向型芯部。

滑塊本體之設計步驟：首先依據對話框內滑塊結構圖之滑塊原點，並於建模 環境中選擇設計者欲放置滑塊之位置。接著利用輔助工具計算側凹部位的大小，

設定滑動行程參數，並形成滑塊、滑動面、導軌。

斜導銷之設計步驟：首先利用輔助工具計算定模板與滑塊之距離，並輸入斜 導銷之直徑與斜導銷頭部厚度，依照以上設計參數，系統會計算出適當長度。接 著則選擇欲與滑塊接觸之面作為放置面，即生成斜導銷。

圖 4-10 側抽芯機構設計架構圖

4.4.1 側凹特徵識別

與 CAD 系統之間的關係做為探討對象。在模具設計過程中脫模方向與分模線的 確定取決於側凹，即成品中之凹凸特徵在脫模方向與分模線尚未決定之前，皆有 可能為側凹特徵。而側凹特徵之識別，具體而言即為了獲取相關的特徵訊息而對 幾何模型的一種解釋。從 20 世紀 90 年代開始對基於側凹的自動分模才漸漸開始 起步，對於側凹特徵如何進行合理的科學分類尚無統一標準。