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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 310027
2. 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)格面的可視性來判別組成面的可視性; 最后, 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, 并通過抽取可視面組或不可視面組的最大邊環(huán)來確定模具的分型線。研究實(shí)踐表明, 通過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: A
1引言
模具型腔的設(shè)計(jì)過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)過程中,分型線往往由模具工程師通過一些經(jīng)驗(yàn)的方式來判斷確定。但通過這種方式來確定模具的分型線，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] 等提出的通過拉伸零件最大投影輪廓線的方法來確定產(chǎn)品的分型線；2）文獻(xiàn)[3] 等提出的通過對(duì)塑件模型切片來生成分型線的方法；3）文獻(xiàn)[4]等提出的通過對(duì)注塑件表面進(jìn)行分組并抽取最大邊環(huán)來自動(dòng)生成分型線的方法。在這3 種方法中，都沒有考慮產(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)行了改進(jìn),但對(duì)于多自由曲面產(chǎn)品, 也無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程中可能產(chǎn)生的歧義，加快模具分型線的自動(dòng)確定過程。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)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)于平面來說, 因?yàn)槠浞ㄏ蛭┮? 所以一定為可視、不可視或過渡面中的一種。但對(duì)于曲面來說, 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。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.表示模具的脫模方向，表示面F的法向，則可根據(jù)如下規(guī)則來判斷面的可視性：如果>0, 則F為可視面；如果<0, 則為不可視面；如果=0則Ft為過渡面。
3.2 單一表面和復(fù)雜表面
所有表面的產(chǎn)品可以轉(zhuǎn)化為二維網(wǎng)格對(duì)各組成部分進(jìn)行有限元分析。網(wǎng)格包含以下三種類型：(a)可見網(wǎng)眼(b)無形的網(wǎng)(c)過渡網(wǎng)格。設(shè)表示模具的脫模方向,表示面Fi的法向，則可根據(jù)如下規(guī)則來判斷網(wǎng)格的可視性：如果>0, 則為可視網(wǎng)格；如果<0, 則為不可視網(wǎng)格；如果=0, 則為過渡面。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)于平面來說, 因?yàn)槠浞ㄏ蛭┮? 所以一定為可視、不可視或過渡面中的一種。但對(duì)于曲面來說, 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。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。一般情況下表示模具的脫模方向,L 表示單元面F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”表示過渡單元面。
4 確定分型面的過程
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，然后通過在產(chǎn)品FAAG 中搜索側(cè)凹特征子圖的方式來識(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 圖中分離出來的一組邊) A c 中, 所有的邊都為凸邊，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)化的過程即產(chǎn)品FAAG 重構(gòu)的過程。
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)換過程如圖4所示。該產(chǎn)品模型可以描述為；其中Ω代表了產(chǎn)品的模型；代表模型的每個(gè)表面；M代表表面的號(hào)碼，這樣一來，每一個(gè)外表面即可表示為；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)化過程。雖然網(wǎng)格的數(shù)量是由經(jīng)驗(yàn)確定的,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, 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)品表面的分解過程示意。圖中的PD表示產(chǎn)品的脫模方向, Λ表示投影平面。S+ 和S- 為經(jīng)過分解后的單一產(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)品中所有過渡面調(diào)整到可視面組或不可視面組中去。在調(diào)整過程中, 首先要判斷過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) 如果過渡面的大輪廓線在可視面組的最大邊環(huán)內(nèi), 則將過渡面調(diào)整到可視面組中去, 調(diào)整規(guī)則表述為.
(2) 如果過渡面的最大輪廓線在不可視面組的最大邊環(huán)內(nèi), 則將過渡面調(diào)整到不可視面組中去, 調(diào)整規(guī)則表述為: 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)品中的過渡面組, 表示過渡面組G3 中的第i個(gè)面I， 表示的最大輪廓, 表示可視面組的最大邊環(huán), 表示不可視面組的最大邊環(huán)。設(shè)過渡面組G3中調(diào)整到G3中的面組為, 調(diào)整到G2 中的面組為, 則最后確定的模具的分型線為。
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)的開發(fā)基于U G 平臺(tái), 開發(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)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, 并由此來判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、不可視面組和過渡面組中。在將所有的過渡面通過調(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
發(fā)的注塑模具型腔設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)中, 運(yùn)行情況良好。
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圖1 三種類型表面
圖2 單一表面及復(fù)雜表面
（a）凸 (b)凹 (c)穿透
圖3 3種類型的削弱特征和重復(fù)選擇
圖4 轉(zhuǎn)化的過程
圖5 復(fù)雜表面的拆分
圖6 UG軟件的界面
圖7 一個(gè)塑造部分的分型線確定