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多自由曲面产品注塑模具分型线的自动确定 邵 健 11 ,吕 震 22 ,柯映林 11 ( 1. 浙江大学现代制造工程研究所 , 浙江 杭州 310027 2. 浙江大学城市学院 , 浙江 杭州 310015 【关键词 】 :模具 ,分型线 ,特征识别 ,有限元 【摘 要】 : 为有效地确定多自由曲面产品模具分型线问题 , 提出了一种将特征识别技术和有限元方法相结合的模具分型线确定方法。在该方法中 , 首先 , 提出了基于图的特征识别方法来对产品中的侧凹特征进行识别 , 并在识别的基础上对产品模型进行简化 ; 然后 , 提出了基于有限 元的离散方法 , 对简化的产品模型的所有组成面进行离散 , 并根据网格面的可视性来判别组成面的可视性 ; 最后 , 将产品中的所有组成面分成可视面组、不可视面组和退化面组 , 并通过抽取可视面组或不可视面组的最大边环来确定模具的分型线。研究实践表明 , 通过该方法可以有效地解决多自由曲面产品模具分型线的确定问题 , 提高模具设计的效率。 中图分类号 : T 文献标识码 : A 1 引言 模具型腔的设计过程一般包括脱模方向的选择、分型线的确定和分型面的生成 3个步骤。其中分型线的确定是非常重要的一个环节，不但影响到后 续分型面的生成，还对整个模具的结构和成本有很大的影响 具分型线的确定是比较简单的，但对于一些包含自由曲面的产品，模具的分型线往往难以确定。在一般的模具型腔设计过程中 ,分型线往往由模具工程师通过一些经验的方式来判断确定。但通过这种方式来确定模具的分型线，设计效率不高，同时由于设计者的疏忽也有可能造成分型线确定失误的问题。因此探索分型线的自动生成技术是模具设计自动化的一个重要研究内容。 2 相关研究 对分型线的确定 ， 有 3 类典型的方法 ： 1） 文献 2 等提出的通过拉伸零件最大投影轮廓线的方法来 确定产品的分型线 ； 2） 文献 3 等提出的通过对塑件模型切片来生成分型线的方法 ； 3） 文献 4等提出的通过对注塑件表面进行分组并抽取最大边环来自动生成分型线的方法。在这 3 种方法中 ， 都没有考虑产品中的侧凹特征对模具分型线的影响 ， 对于多自由曲面产品，无法有效地确定模具的分型线。文献 5等虽在文献 4 的基础上进行了改进 ,但对于多自由曲面产品 , 也无法有效地确定模具的分型线。 为此 ， 本文提出了一种将特征识别技术和有限元方法相结合的模具分型线确定方法 ， 不但考虑了侧凹特征对模具分型线确定的影响 ， 提出了基于图的 特征识别方法对产品中的侧凹特征进行识别 ， 还提出了基于有限元方法对包含自由曲面的产品模型的表面进行离散 ， 以解决自由曲面在模具分型线的确定过程中可能产生的歧义 ， 加快模具分型线的自动确定过程。与前述的 3类分型线确定方法相比 ，该方法的主要特点在于 : 首先对产品中的侧凹特征应用提出的侧凹特征识别方法进行识别 , 并根据特征识别的结果简化产品模型 , 从而避免了侧凹特征对模具分型线的影响 ； 应用有限元离散方法对产品模型的表面进行离散 , 并根据网格面的可视性来综合判断产品模型表面的可视性 , 消除自由曲面在判断面可视性时的不确定性。 3 基本概念 面的可见性 产品的表面一般由平面和自由曲面组成 , 一些简单的产品往往都由平面组成 , 但一些外形和结构复杂的产品 , 其表面则既包含平面 , 也包含自由曲面。对于平面来说 , 因为其法向惟一 , 所以一定为可视、不可视或过渡面中的一种。但对于曲面来说 , 由于其法向并不惟一 , 既有可能全为可视或不可视 , 也有可能部分可视、部分不可视。因此 , 要判断曲面的可视性 , 必须应用有限元方法。在有限元模型中 , 产品模型的表面往往离散为一些小的单元模型。由于这些单 元的表面都为平面 , 可以方便地判断出这些单元的可视性 . 示模具的脱模方向， 面 错误 !未找到引用源。 的法向，则可根据如下规则来判断面的可视性：如果 P0, 则 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 为可视面；如果 未找到引用源。 0, 则 错误 !未找到引用源。 为不可视面；如果 P=0错误 !未找到引用源。 则 未找到引用源。为过渡面。 一表面和复杂表面 所有表面的产品可以转化为 二维网格对各 组成部分进行有限元分析。网格包含以下三种类型： (a)可见网眼 (b)无形 的网 (c)过渡网格。 设 误 !未找到引用源。 表示模具的脱模方向 ,错误 !未找到引用源。 表示面 可根据如下规则来判断网格的可视性：如果 P0错误 !未找到引用源。 , 则错误 !未找到引用源。 为可视网格；如果 未找到引用源。 0错误 !未找到引用源。 , 则未找到引用源。 为不可视网格；如果 P =0错误 !未找到引用源。 , 则 误 !未找到引用源。 为过渡面。一些简单的产品往往都由平面组成 , 但一些外形和结构复杂的产品 , 其表面则既包含平面 , 也包含自由曲面。对于平面来说 , 因为其法向惟一 , 所以一定为可视、不可视或过渡面中的一种。但对于曲面来说 , 由于其法向并不惟一 , 既有可能全为可视或不可视 , 也有可能部分可视、部分不可视。因此 , 要判断曲面的可视性 , 必须应用有限元方法。在有限元模型中 , 产品模型的表面往往离散为一些小的单元模型。由于这些单元的表面都 为平面 , 可以方便地判断出这些单元的可视性。一般情况下 示模具的脱模方向 ,图 2 所示 , 图 2a 为可视表面 , 所有的单元面均为可视单元面 ; 图 2b 为不可视表面 , 所有的单元面均为不可视单元面 ; 图 2c 为可视、不可视同存表面 , 在其 单元面中 , 既存在可视单元面 , 又存在不可视单元面和过渡单元面。其中“ +”表示可视单元面 , “ -”表示不可视单元面 ,“ 0”表示过渡单元面。 4 确定分型面的过程 化的产品模型 因为 侧凹特征的存在会直接影响到模具分型线的正确确定。因此 , 在确定模具的分型线前 , 首先要对产品中的侧凹特征进行识别 , 并对产品模型进行简化。识别特征的方法较多 7 , 本文提出了一种基于图的特征识别方法。在识别过程中 , 首先将产品模型用面属性邻接图 ( 8 的方式表示，然后通过在产品 搜索侧凹特征子图的方式来识别侧凹特征。 图 1 所示为 3 种典型类型的侧凹特征的子图。图 1a 为一凹类型的侧凹特征及其子图 U， 该侧凹特征只有一个特征生成面 ( 侧凹特征附着的面 ) 在割集( 将侧凹特征的子图从产品 中分离出来的一组边 ) A c 中 , 所有的边都为凸边 ， 在子图 所有的边都为凹边 ； 图 1b 为一凸类型的侧凹特征及其子图U, 该侧凹特征也只有一个特征生成面 在割集 , 所有的边都为凹边 , 在子图 U 中 ,所有的边都为凸 边 ; 图 1c 所示为一通孔类型的侧凹特征 , 该侧凹特征有两个特征生成面 在割集 , 所有的边都为凸边 , 在子图 U 中 , 所有的边都为凹边。在子图匹配的过程中 , 如果对产品的 用遍历方式进行搜索 , 则搜索的时间将会非常长。因此 , 在实际的搜索过程中 , 总是先找到产品中所有的特征生成面然后再确定子图的割集 , 并利用割集将产品的 分解为两部分 , 一部分为产品 一部分为侧凹特征 凹特征识别后 , 为了方便模具分型线的确定 , 还需要对产品模型进行简化 , 简 化的过程即产品构的过程。 品模型转化 简化模型后 ,产品将会被转 换成采用离散曲面模型 ,采用有限元分析方法。无论怎样的平面 ,曲面或自由曲面产品模型可以表示为 2维表面网格，转换过程如图 4所示。 该产品模型可以描述为 ；其中代表了产品的模型； 错误 !未找到引用源。 代表模型的每个表面； 样一来，每一个外表面即可表示为 错误 !未找到引用源。 ；其中 角形或四边形网格是当前常用的转化过程。虽然网格的数量是由经验确定的 ,有一些原则是可以照办，例如网格的数量的多少表面与表面的曲 率有关。网格的数量越大 ,其表面曲率越大。 离复杂表面 产品中可视、不可视同存的表面 , 称为复合产品表面 , 而对于单一的可视面或不可视面 , 则称为单一产品表面。在确定模具的分型线前 , 必须将复合产品表面分解为单一产品表面 , 从而在将这些产品表面归入可视或不可视面组时 , 就不会产生二义性。在对复合 产品表面进行分解前 , 首先要获取这些产品表面对应脱模方向的最大外轮廓线 , 以最大轮廓线为界 , 复合产品表面就可以分解为单一产品表面。在分解过程中 , 首先要做 1个垂直于产品脱模方向的平面为投影平面 , 并将产品表面投影到投影平面上。投影后 , 首先找到产品表面在投影平面上的投影轮廓线 , 然后沿脱模方向拉伸投影轮廓线并与产品表面相交 , 则所确定的交线即为该产品表面的最大外轮廓线。如图 3 所示为复合产品表面的分解过程示意。图中的 表示投影平面。 S+ 和 经过分解后的单一产品表面 ,S+ 表示可视表面 , 示不可视表面。 模具的分型线即为产品中可视面组和不可视面组的最大边环 , 因此 , 为了正确地确定模具的分型线 , 首先要将产品中所有过渡面调整到可视面组或不可视面组中去。在调整过程中 , 首先要判断过渡面最大轮廓线与可视面组或不可视面组最大边环的关系。 (1) 如果过渡面的 错误 !未找到引用源。 大轮廓线在可视面组的最大边环内 , 则将过渡面调整到可视面组中去 , 调整规则表述为33 .(2) 如果过 渡面的最大轮廓线在不可视面组的最大边环内 , 则将过渡面调整到不可视面组中去 , 调整规则表述为 :33 其中 , 示产品中的可视面组 , 示产品中的不可视面组 , 示产品中的过渡面组 , 33 中的第 ， 错误 !未找到引用源。 )(3 )(3错误 !未找到引用源。 表示不可视面组的最大边环。设过渡面组 3中的面组为 错误 !未找到引用源。 3G, 调整到 的面组为3G 错误 !未找到引用源。 , 则最后确定的模具的分型线为 错误 !未找到引用源。)()( 3231 。 5 实例研究 本文提出的多自由曲面产品模具分型线的确定方法已在注塑模具型腔设计制造系统中实现 , 系统的开发基于 U G 平台 , 开发工具为 + 和 U G/ 基于 台的一组 2 次开发工具 , 包括 U G/ 用程序界面 ( A io , 。该开发工具可以使用户方便地对产品 B- r 型中的几何和拓扑信息进行操作 , 实现用户的自定义功能。 图 4 所示为某汽车车灯产品的产品模型。在产品模型中 , 不但存在侧凹特征 , 同时模型表面也存在自由曲面 , 因此在确定零件的模具分型线前 , 首先要对产品模型中的侧凹特征进行识别并对产品模型进行简化。因为确定的脱模方向为 Z 轴方向 , 所以在产品模型中 , 实际的侧凹特征为产品侧壁的通风 孔。产品中另外的特征 , 由于其特征方向都与脱模方向一致 , 并不构成真正的侧凹特征。图 4b 所示为经过简化后的产品模型。产品模型简化后 , 即可应用有限元方法对简化产品模型的表面进行离散。本例中采用的网格为四边形网格 , 网格单位为 8, 离散后的产品模型如图 4c 所示。对所有的网格面确定其可视性 , 并由此来判断模型表面的可视性。由于在该产品模型中并不存在复合产品表面 , 可以直接将所有的产品表面归入可视面组、不可视面组和过渡面组中。在将所有的过渡面通过调整规则调整到可视面组和不可视面组之后 , 即可确定模具的分型线。 图 4d 所示为最终经系统自动确定的该测试产品的模具分型线。 6 结束语 本文提出了一种将特征识别技术和有限元方法相结合的模具分型线确定方法 , 可以有效地确定多自由曲面产品的模型分型线的问题 , 从而缩短模具设计的周期 , 提高模具设计的效率。通过对数十个多自由曲面产品的测试表明 , 系统自动确定的模具分型线与设计师依据经验判断确定的模具分型线的情况完全吻合。目前 , 该方法已经应用于笔者所开 发的注塑模具型腔设计制造系统中 , 运行情况良好。 参考文献 1 , N, “ 1251990. 2 , N, “ 16, 11997. 3 T, F, S, et “of , 204( 2111990. 4 A, L, “ of s 7591990. 5 , , “of 16, 11997. 6 , T, S, “by a 3D 14, 3301998. 7 Y C, W, Y H, et “ of 47(1): 951998. 8 et “of 12(7): 5122000 ( 9 W, Y C, Y H, “of to 34(6): 4692002. 10 G, Y H, S, “A of 33(14): 10232001. 图 1 三种类型表面 图 2 单一表面及复杂表面 （ a）凸 (b)凹 (c)穿透 图 3 3种类型的削弱特征和 重复 选 择 图 4 转化的过程 图 5 复杂表面的拆分 图 6 面 图 7 一个塑造部 分 的分型线确定
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