機(jī)械 模具 外文翻譯 外文文獻(xiàn) 英文文獻(xiàn) 多自由曲面產(chǎn)品注塑模具分型線的自動(dòng)確定

1、多自由曲面產(chǎn)品注塑模具分型線的自動(dòng)確定邵 健11 ,呂震22 ,柯映林11( 1. 浙江大學(xué)現(xiàn)代制造工程研究所, 浙江 杭州 3100272. 浙江大學(xué)城市學(xué)院, 浙江 杭州 310015【關(guān)鍵詞】:模具,分型線,特征識(shí)別,有限元【摘 要】: 為有效地確定多自由曲面產(chǎn)品模具分型線問(wèn)題, 提出了一種將特征識(shí)別技術(shù)和有限元方法相結(jié)合的模具分型線確定方法。在該方法中, 首先, 提出了基于圖的特征識(shí)別方法來(lái)對(duì)產(chǎn)品中的側(cè)凹特征進(jìn)行識(shí)別, 并在識(shí)別的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行簡(jiǎn)化; 然后, 提出了基于有限元的離散方法, 對(duì)簡(jiǎn)化的產(chǎn)品模型的所有組成面進(jìn)行離散, 并根據(jù)網(wǎng)格面的可視性來(lái)判別組成面的可視性; 最后,

2、將產(chǎn)品中的所有組成面分成可視面組、不可視面組和退化面組, 并通過(guò)抽取可視面組或不可視面組的最大邊環(huán)來(lái)確定模具的分型線。研究實(shí)踐表明, 通過(guò)該方法可以有效地解決多自由曲面產(chǎn)品模具分型線的確定問(wèn)題, 提高模具設(shè)計(jì)的效率。中圖分類號(hào): T P391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A1引言模具型腔的設(shè)計(jì)過(guò)程一般包括脫模方向的選擇、分型線的確定和分型面的生成3個(gè)步驟。其中分型線的確定是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，不但影響到后續(xù)分型面的生成，還對(duì)整個(gè)模具的結(jié)構(gòu)和成本有很大的影響.對(duì)于一些規(guī)則產(chǎn)品，模具分型線的確定是比較簡(jiǎn)單的，但對(duì)于一些包含自由曲面的產(chǎn)品，模具的分型線往往難以確定。在一般的模具型腔設(shè)計(jì)過(guò)程中,分型線往往由模具工程

3、師通過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)的方式來(lái)判斷確定。但通過(guò)這種方式來(lái)確定模具的分型線，設(shè)計(jì)效率不高，同時(shí)由于設(shè)計(jì)者的疏忽也有可能造成分型線確定失誤的問(wèn)題。因此探索分型線的自動(dòng)生成技術(shù)是模具設(shè)計(jì)自動(dòng)化的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。2 相關(guān)研究對(duì)分型線的確定，有3類典型的方法：1）文獻(xiàn)2 等提出的通過(guò)拉伸零件最大投影輪廓線的方法來(lái)確定產(chǎn)品的分型線；2）文獻(xiàn)3 等提出的通過(guò)對(duì)塑件模型切片來(lái)生成分型線的方法；3）文獻(xiàn)4等提出的通過(guò)對(duì)注塑件表面進(jìn)行分組并抽取最大邊環(huán)來(lái)自動(dòng)生成分型線的方法。在這3 種方法中，都沒(méi)有考慮產(chǎn)品中的側(cè)凹特征對(duì)模具分型線的影響，對(duì)于多自由曲面產(chǎn)品，無(wú)法有效地確定模具的分型線。文獻(xiàn)5等雖在文獻(xiàn) 4 的基礎(chǔ)上進(jìn)行

4、了改進(jìn),但對(duì)于多自由曲面產(chǎn)品, 也無(wú)法有效地確定模具的分型線。為此，本文提出了一種將特征識(shí)別技術(shù)和有限元方法相結(jié)合的模具分型線確定方法，不但考慮了側(cè)凹特征對(duì)模具分型線確定的影響，提出了基于圖的特征識(shí)別方法對(duì)產(chǎn)品中的側(cè)凹特征進(jìn)行識(shí)別，還提出了基于有限元方法對(duì)包含自由曲面的產(chǎn)品模型的表面進(jìn)行離散，以解決自由曲面在模具分型線的確定過(guò)程中可能產(chǎn)生的歧義，加快模具分型線的自動(dòng)確定過(guò)程。與前述的3類分型線確定方法相比，該方法的主要特點(diǎn)在于:1.在確定模具分型線前, 首先對(duì)產(chǎn)品中的側(cè)凹特征應(yīng)用提出的側(cè)凹特征識(shí)別方法進(jìn)行識(shí)別, 并根據(jù)特征識(shí)別的結(jié)果簡(jiǎn)化產(chǎn)品模型, 從而避免了側(cè)凹特征對(duì)模具分型線的影響；2.型簡(jiǎn)

5、化后, 應(yīng)用有限元離散方法對(duì)產(chǎn)品模型的表面進(jìn)行離散, 并根據(jù)網(wǎng)格面的可視性來(lái)綜合判斷產(chǎn)品模型表面的可視性, 消除自由曲面在判斷面可視性時(shí)的不確定性。3 基本概念3.1表面的可見(jiàn)性產(chǎn)品的表面一般由平面和自由曲面組成, 一些簡(jiǎn)單的產(chǎn)品往往都由平面組成, 但一些外形和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品, 其表面則既包含平面, 也包含自由曲面。對(duì)于平面來(lái)說(shuō), 因?yàn)槠浞ㄏ蛭┮? 所以一定為可視、不可視或過(guò)渡面中的一種。但對(duì)于曲面來(lái)說(shuō), 由于其法向并不惟一, 既有可能全為可視或不可視, 也有可能部分可視、部分不可視。因此, 要判斷曲面的可視性, 必須應(yīng)用有限元方法。在有限元模型中, 產(chǎn)品模型的表面往往離散為一些小的單元模型。

6、由于這些單元的表面都為平面, 可以方便地判斷出這些單元的可視性。設(shè)PD 表示模具的脫模方向,Li表示面Fi的法向，則可根據(jù)如下規(guī)則來(lái)判斷面的可視性：如果PD*LI0, 則Fi為可視面；如果PD*Li0, 則Fi為可視網(wǎng)格；如果PD*Li 0, 則Fi為不可視網(wǎng)格；如果PD*Li=0, 則Fi為過(guò)渡面。一些簡(jiǎn)單的產(chǎn)品往往都由平面組成, 但一些外形和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品, 其表面則既包含平面, 也包含自由曲面。對(duì)于平面來(lái)說(shuō), 因?yàn)槠浞ㄏ蛭┮? 所以一定為可視、不可視或過(guò)渡面中的一種。但對(duì)于曲面來(lái)說(shuō), 由于其法向并不惟一, 既有可能全為可視或不可視, 也有可能部分可視、部分不可視。因此, 要判斷曲面的可視

7、性, 必須應(yīng)用有限元方法。在有限元模型中, 產(chǎn)品模型的表面往往離散為一些小的單元模型。由于這些單元的表面都為平面, 可以方便地判斷出這些單元的可視性。一般情況下PD表示模具的脫模方向,Lij 表示單元面Fij的法向。如圖2 所示, 圖2a 為可視表面, 所有的單元面均為可視單元面; 圖2b 為不可視表面, 所有的單元面均為不可視單元面; 圖2c 為可視、不可視同存表面, 在其單元面中, 既存在可視單元面, 又存在不可視單元面和過(guò)渡單元面。其中“+”表示可視單元面, “-”表示不可視單元面,“0”表示過(guò)渡單元面。4 確定分型面的過(guò)程4.1 簡(jiǎn)化的產(chǎn)品模型因?yàn)閭?cè)凹特征的存在會(huì)直接影響到模具分型線的

8、正確確定。因此, 在確定模具的分型線前, 首先要對(duì)產(chǎn)品中的側(cè)凹特征進(jìn)行識(shí)別, 并對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。識(shí)別特征的方法較多7 , 本文提出了一種基于圖的特征識(shí)別方法。在識(shí)別過(guò)程中, 首先將產(chǎn)品模型用面屬性鄰接圖( FaceAt tribute Adjacency Graph, FAAG)8 的方式表示，然后通過(guò)在產(chǎn)品FAAG 中搜索側(cè)凹特征子圖的方式來(lái)識(shí)別側(cè)凹特征。圖1 所示為3 種典型類型的側(cè)凹特征的子圖。圖1a 為一凹類型的側(cè)凹特征及其子圖U，該側(cè)凹特征只有一個(gè)特征生成面( 側(cè)凹特征附著的面) n1 , 在割集( 將側(cè)凹特征的子圖從產(chǎn)品FAAG 圖中分離出來(lái)的一組邊) A c 中, 所有的邊都

9、為凸邊，在子圖U中，所有的邊都為凹邊；圖1b 為一凸類型的側(cè)凹特征及其子圖U, 該側(cè)凹特征也只有一個(gè)特征生成面n1 , 在割集Ac 中, 所有的邊都為凹邊, 在子圖U 中,所有的邊都為凸邊; 圖1c 所示為一通孔類型的側(cè)凹特征, 該側(cè)凹特征有兩個(gè)特征生成面n1 , n8 , 在割集Ac 中, 所有的邊都為凸邊, 在子圖U 中, 所有的邊都為凹邊。在子圖匹配的過(guò)程中, 如果對(duì)產(chǎn)品的FAAG 應(yīng)用遍歷方式進(jìn)行搜索, 則搜索的時(shí)間將會(huì)非常長(zhǎng)。因此, 在實(shí)際的搜索過(guò)程中, 總是先找到產(chǎn)品中所有的特征生成面然后再確定子圖的割集, 并利用割集將產(chǎn)品的FAAG 圖分解為兩部分, 一部分為產(chǎn)品FAAG, 一部

10、分為側(cè)凹特征FAAG。側(cè)凹特征識(shí)別后, 為了方便模具分型線的確定, 還需要對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行簡(jiǎn)化, 簡(jiǎn)化的過(guò)程即產(chǎn)品FAAG 重構(gòu)的過(guò)程。4.2 產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)化簡(jiǎn)化模型后,產(chǎn)品將會(huì)被轉(zhuǎn)換成采用離散曲面模型,采用有限元分析方法。無(wú)論怎樣的平面,曲面或自由曲面產(chǎn)品模型可以表示為2維表面網(wǎng)格，轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4所示。該產(chǎn)品模型可以描述為=Fii=1,2,M；其中代表了產(chǎn)品的模型；Fi代表模型的每個(gè)表面；M代表表面的號(hào)碼，這樣一來(lái)，每一個(gè)外表面即可表示為Fi=fij(i=1,2,m;j=1,2,n)；其中m表示橫向的網(wǎng)格數(shù)量，n表示縱向的網(wǎng)格數(shù)量。三角形或四邊形網(wǎng)格是當(dāng)前常用的轉(zhuǎn)化過(guò)程。雖然網(wǎng)格的數(shù)量是由經(jīng)驗(yàn)確

11、定的,有一些原則是可以照辦，例如網(wǎng)格的數(shù)量的多少表面與表面的曲率有關(guān)。網(wǎng)格的數(shù)量越大,其表面曲率越大。4.3 分離復(fù)雜表面 產(chǎn)品中可視、不可視同存的表面, 稱為復(fù)合產(chǎn)品表面, 而對(duì)于單一的可視面或不可視面, 則稱為單一產(chǎn)品表面。在確定模具的分型線前, 必須將復(fù)合產(chǎn)品表面分解為單一產(chǎn)品表面, 從而在將這些產(chǎn)品表面歸入可視或不可視面組時(shí), 就不會(huì)產(chǎn)生二義性。在對(duì)復(fù)合產(chǎn)品表面進(jìn)行分解前, 首先要獲取這些產(chǎn)品表面對(duì)應(yīng)脫模方向的最大外輪廓線, 以最大輪廓線為界, 復(fù)合產(chǎn)品表面就可以分解為單一產(chǎn)品表面。在分解過(guò)程中, 首先要做1個(gè)垂直于產(chǎn)品脫模方向的平面為投影平面, 并將產(chǎn)品表面投影到投影平面上。投影后,

12、 首先找到產(chǎn)品表面在投影平面上的投影輪廓線, 然后沿脫模方向拉伸投影輪廓線并與產(chǎn)品表面相交, 則所確定的交線即為該產(chǎn)品表面的最大外輪廓線。如圖3 所示為復(fù)合產(chǎn)品表面的分解過(guò)程示意。圖中的PD表示產(chǎn)品的脫模方向, 表示投影平面。S+ 和S- 為經(jīng)過(guò)分解后的單一產(chǎn)品表面,S+ 表示可視表面, S- 表示不可視表面。4.4分型線的確定模具的分型線即為產(chǎn)品中可視面組和不可視面組的最大邊環(huán), 因此, 為了正確地確定模具的分型線, 首先要將產(chǎn)品中所有過(guò)渡面調(diào)整到可視面組或不可視面組中去。在調(diào)整過(guò)程中, 首先要判斷過(guò)渡面最大輪廓線與可視面組或不可視面組最大邊環(huán)的關(guān)系。(1) 如果過(guò)渡面的最大輪廓線在可視面組

13、的最大邊環(huán)內(nèi), 則將過(guò)渡面調(diào)整到可視面組中去, 調(diào)整規(guī)則表述為f3 iG3,ifS(f3 i)L(G1) then f3 i G1 (2) 如果過(guò)渡面的最大輪廓線在不可視面組的最大邊環(huán)內(nèi), 則將過(guò)渡面調(diào)整到不可視面組中去, 調(diào)整規(guī)則表述為: f3 iG3,if S(f3 i)L(G2) then f3 i G2 其中, G1 表示產(chǎn)品中的可視面組, G2 表示產(chǎn)品中的不可視面組, G3 表示產(chǎn)品中的過(guò)渡面組, f3 i(i=1n)表示過(guò)渡面組G3 中的第i個(gè)面I， S(f3 i)表示f3 i的最大輪廓,L(G1) 表示可視面組的最大邊環(huán),L(G2) 表示不可視面組的最大邊環(huán)。設(shè)過(guò)渡面組G3中調(diào)

14、整到G 1中的面組為G 3, 調(diào)整到G2 中的面組為G 3, 則最后確定的模具的分型線為pL=(G1+G3)(G2+G3)。5 實(shí)例研究本文提出的多自由曲面產(chǎn)品模具分型線的確定方法已在注塑模具型腔設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn), 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)基于U G 平臺(tái), 開(kāi)發(fā)工具為VC+ + 和UG/Open, U G/ Open 是基于UG 平臺(tái)的一組2 次開(kāi)發(fā)工具, 包括U G/ Open 應(yīng)用程序界面( A pplicat io nPro gramming Inter face, API) , UG/ Open Grip 等。該開(kāi)發(fā)工具可以使用戶方便地對(duì)產(chǎn)品B- r ep 模型中的幾何和拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行操作, 實(shí)現(xiàn)

15、用戶的自定義功能。圖4 所示為某汽車車燈產(chǎn)品的產(chǎn)品模型。在產(chǎn)品模型中, 不但存在側(cè)凹特征, 同時(shí)模型表面也存在自由曲面, 因此在確定零件的模具分型線前, 首先要對(duì)產(chǎn)品模型中的側(cè)凹特征進(jìn)行識(shí)別并對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。因?yàn)榇_定的脫模方向?yàn)閆 軸方向, 所以在產(chǎn)品模型中, 實(shí)際的側(cè)凹特征為產(chǎn)品側(cè)壁的通風(fēng)孔。產(chǎn)品中另外的特征, 由于其特征方向都與脫模方向一致, 并不構(gòu)成真正的側(cè)凹特征。圖4b 所示為經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的產(chǎn)品模型。產(chǎn)品模型簡(jiǎn)化后, 即可應(yīng)用有限元方法對(duì)簡(jiǎn)化產(chǎn)品模型的表面進(jìn)行離散。本例中采用的網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格, 網(wǎng)格單位為8, 離散后的產(chǎn)品模型如圖4c 所示。對(duì)所有的網(wǎng)格面確定其可視性, 并由此來(lái)判

16、斷模型表面的可視性。由于在該產(chǎn)品模型中并不存在復(fù)合產(chǎn)品表面, 可以直接將所有的產(chǎn)品表面歸入可視面組、不可視面組和過(guò)渡面組中。在將所有的過(guò)渡面通過(guò)調(diào)整規(guī)則調(diào)整到可視面組和不可視面組之后, 即可確定模具的分型線。圖4d 所示為最終經(jīng)系統(tǒng)自動(dòng)確定的該測(cè)試產(chǎn)品的模具分型線。6 結(jié)束語(yǔ)本文提出了一種將特征識(shí)別技術(shù)和有限元方法相結(jié)合的模具分型線確定方法, 可以有效地確定多自由曲面產(chǎn)品的模型分型線的問(wèn)題, 從而縮短模具設(shè)計(jì)的周期, 提高模具設(shè)計(jì)的效率。通過(guò)對(duì)數(shù)十個(gè)多自由曲面產(chǎn)品的測(cè)試表明, 系統(tǒng)自動(dòng)確定的模具分型線與設(shè)計(jì)師依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷確定的模具分型線的情況完全吻合。目前, 該方法已經(jīng)應(yīng)用于筆者所開(kāi)發(fā)的注塑模

17、具型腔設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)中, 運(yùn)行情況良好。參考文獻(xiàn)1 Ravi B, Srinivasan M N, “Decision criteria for computer-aided parting Surface Generation”, Proceedings, Manufacturing International Conference, Atlanta, ASME, 125-129, 1990.2 Ravi B, Srinivasan M N, “Computer aided parting surface design”, Journal of Manufacturing System, 16

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