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多自由曲面產(chǎn)品注塑模具分型線的自動確定
邵 健11 ,呂震22 ,柯映林11
( 1. 浙江大學現(xiàn)代制造工程研究所, 浙江 杭州 310027
2. 浙江大學城市學院, 浙江 杭州 310015
【關鍵詞】:模具,分型線,特征識別,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別技術和有限元方法相結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別方法來對產(chǎn)品中的側凹特征進行識別, 并在識別的基礎上對產(chǎn)品模型進行簡化; 然后, 提出了基于有限元的離散方法, 對簡化的產(chǎn)品模型的所有組成面進行離散, 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, 提高模具設計的效率。
中圖分類號: T P391 文獻標識碼: A
1引言
模具型腔的設計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個步驟。其中分型線的確定是非常重要的一個環(huán)節(jié)，不但影響到后續(xù)分型面的生成，還對整個模具的結構和成本有很大的影響.對于一些規(guī)則產(chǎn)品，模具分型線的確定是比較簡單的，但對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計過程中,分型線往往由模具工程師通過一些經(jīng)驗的方式來判斷確定。但通過這種方式來確定模具的分型線，設計效率不高，同時由于設計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生成技術是模具設計自動化的一個重要研究內容。
2 相關研究
對分型線的確定，有3類典型的方法：1）文獻[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[3] 等提出的通過對塑件模型切片來生成分型線的方法；3）文獻[4]等提出的通過對注塑件表面進行分組并抽取最大邊環(huán)來自動生成分型線的方法。在這3 種方法中，都沒有考慮產(chǎn)品中的側凹特征對模具分型線的影響，對于多自由曲面產(chǎn)品，無法有效地確定模具的分型線。文獻[5]等雖在文獻[ 4] 的基礎上進行了改進,但對于多自由曲面產(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別技術和有限元方法相結合的模具分型線確定方法，不但考慮了側凹特征對模具分型線確定的影響，提出了基于圖的特征識別方法對產(chǎn)品中的側凹特征進行識別，還提出了基于有限元方法對包含自由曲面的產(chǎn)品模型的表面進行離散，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，該方法的主要特點在于:1.在確定模具分型線前, 首先對產(chǎn)品中的側凹特征應用提出的側凹特征識別方法進行識別, 并根據(jù)特征識別的結果簡化產(chǎn)品模型, 從而避免了側凹特征對模具分型線的影響；2.型簡化后, 應用有限元離散方法對產(chǎn)品模型的表面進行離散, 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, 一些簡單的產(chǎn)品往往都由平面組成, 但一些外形和結構復雜的產(chǎn)品, 其表面則既包含平面, 也包含自由曲面。對于平面來說, 因為其法向惟一, 所以一定為可視、不可視或過渡面中的一種。但對于曲面來說, 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 單一表面和復雜表面
所有表面的產(chǎn)品可以轉化為二維網(wǎng)格對各組成部分進行有限元分析。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。一些簡單的產(chǎn)品往往都由平面組成, 但一些外形和結構復雜的產(chǎn)品, 其表面則既包含平面, 也包含自由曲面。對于平面來說, 因為其法向惟一, 所以一定為可視、不可視或過渡面中的一種。但對于曲面來說, 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 簡化的產(chǎn)品模型
因為側凹特征的存在會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, 首先要對產(chǎn)品中的側凹特征進行識別, 并對產(chǎn)品模型進行簡化。識別特征的方法較多[7] , 本文提出了一種基于圖的特征識別方法。在識別過程中, 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 中搜索側凹特征子圖的方式來識別側凹特征。
圖1 所示為3 種典型類型的側凹特征的子圖。圖1a 為一凹類型的側凹特征及其子圖U，該側凹特征只有一個特征生成面( 側凹特征附著的面) n1 , 在割集( 將側凹特征的子圖從產(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 為一凸類型的側凹特征及其子圖U, 該側凹特征也只有一個特征生成面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凹特征, 該側凹特征有兩個特征生成面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, 如果對產(chǎn)品的FAAG 應用遍歷方式進行搜索, 則搜索的時間將會非常長。因此, 在實際的搜索過程中, 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, 一部分為側凹特征FAAG。側凹特征識別后, 為了方便模具分型線的確定, 還需要對產(chǎn)品模型進行簡化, 簡化的過程即產(chǎn)品FAAG 重構的過程。
4.2 產(chǎn)品模型轉化
簡化模型后,產(chǎn)品將會被轉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；代表模型的每個表面；M代表表面的號碼，這樣一來，每一個外表面即可表示為；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)格是當前常用的轉化過程。雖然網(wǎng)格的數(shù)量是由經(jīng)驗確定的,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。網(wǎng)格的數(shù)量越大,其表面曲率越大。
4.3 分離復雜表面
產(chǎn)品中可視、不可視同存的表面, 稱為復合產(chǎn)品表面, 而對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, 就不會產(chǎn)生二義性。在對復合產(chǎn)品表面進行分解前, 首先要獲取這些產(chǎn)品表面對應脫模方向的最大外輪廓線, 以最大輪廓線為界, 復合產(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)品中所有過渡面調整到可視面組或不可視面組中去。在調整過程中, 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)的關系。
(1) 如果過渡面的大輪廓線在可視面組的最大邊環(huán)內, 則將過渡面調整到可視面組中去, 調整規(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, 則將過渡面調整到不可視面組中去, 調整規(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)。設過渡面組G3中調整到G3中的面組為, 調整到G2 中的面組為, 則最后確定的模具的分型線為。
5 實例研究
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計制造系統(tǒng)中實現(xiàn), 系統(tǒng)的開發(fā)基于U G 平臺, 開發(fā)工具為VC+ + 和UG/Open, U G/ Open 是基于UG 平臺的一組2 次開發(fā)工具, 包括U G/ Open 應用程序界面( 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產(chǎn)品B- r ep 模型中的幾何和拓撲信息進行操作, 實現(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, 不但存在側凹特征, 同時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, 首先要對產(chǎn)品模型中的側凹特征進行識別并對產(chǎn)品模型進行簡化。因為確定的脫模方向為Z 軸方向, 所以在產(chǎn)品模型中, 實際的側凹特征為產(chǎn)品側壁的通風孔。產(chǎn)品中另外的特征, 由于其特征方向都與脫模方向一致, 并不構成真正的側凹特征。圖4b 所示為經(jīng)過簡化后的產(chǎn)品模型。產(chǎn)品模型簡化后, 即可應用有限元方法對簡化產(chǎn)品模型的表面進行離散。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整規(guī)則調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)自動確定的該測試產(chǎn)品的模具分型線。
6 結束語
本文提出了一種將特征識別技術和有限元方法相結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, 從而縮短模具設計的周期, 提高模具設計的效率。通過對數(shù)十個多自由曲面產(chǎn)品的測試表明, 系統(tǒng)自動確定的模具分型線與設計師依據(jù)經(jīng)驗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)應用于筆者所開
發(fā)的注塑模具型腔設計制造系統(tǒng)中, 運行情況良好。
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圖1 三種類型表面
圖2 單一表面及復雜表面
（a）凸 (b)凹 (c)穿透
圖3 3種類型的削弱特征和重復選擇
圖4 轉化的過程
圖5 復雜表面的拆分
圖6 UG軟件的界面
圖7 一個塑造部分的分型線確定