1、计算机辅助设计与图形学学报JOU RN A L O F COM PU T ER A ID ED D E S IGN A N D COM PU T ER GRA PH IC S第 12 卷 第 7 期2000 年 7 月V o l. 12, N o. 7J u ly, 2000注 塑 模 设 计 中 分 型 线 的 自 动 确 定周 振 勇 高 曙 明 顾 正 朝 石 教 英( 浙 江 大 学 CA D T h en th e la rge st co n to u r o f each face g ro up is se t up an d tw o can d ida te p a r t
2、 in g lin e s a re de te rm in ed; T h e op t im a l o n e is f in a lly cho sen b y a se t o f eva lu a t io n c r ite r ia. T e st re su lt s show th a t th e p ropo sed app ro ach is effec t ive an d eff ic ien t in au tom a t ica lly de te rm in in g th e p a r t in g lin e o f a m o lded p a r
3、t.Key word s in jec t io n m o ld, p a r t in g lin e, fea tu re reco gn it io n , op t im iza t io n模 的 成 本 , 提 高 注 塑 模 设 计 的 自 动 化 程 度 起 到 重要 的 作 用 .所 谓 分 型 线 是 指 塑 件 与 模 具 相 接 触 的 边 界 线 , 它 与 脱 模 方 向 相 关 . 为 了 使 成 形 的 塑 件 产 品 能 够 从 模 腔 中 顺 利 脱 模 , 必 须 正 确 确 定 分 型 线 的 位 置 . 近 年 来 , 国 外 开 始 重 视 自 动
4、 确 定 分 型 线 的 研 究 工 作 .引 言1注 塑 模 在 现 代 工 业 生 产 中 的 应 用 十 分 广 泛 , 然而 由 于 注 塑 模 设 计 是 一 个 极 为 复 杂 的 过 程 , 目 前 还 主 要 依 赖 于 模 具 工 程 师 的 实 践 和 经 验 . 这 使 得 一 直 以 来 注 塑 模 设 计 周 期 长 , 成 本 高 . 根 据 模 具 工 程 师 们 的 经 验 , 脱 模 方 向 和 分 型 线 是 影 响 模 具 成 本 的 两 个 主 要 参 数 . 因 此 , 确 定 这 两 个 参 数 往 往 要 花 费 较 长 的 时 间 . 如 果 能
5、 够 利 用 计 算 机 自 动 确 定 模 具 的 脱 模 方 向 和 分 型 线 , 这 无 疑 将 对 降 低 注 塑T an 等 人 提 出 了 自 动 确 定 分 型 线 的 两 种 方 法 . 一 种是 通 过 三 角 剖 分 塑 件 表 面 来 生 成 分 型 线 的 方 法 1 .该 方 法 首 先 选 择 一 个 合 理 的 脱 模 方 向 , 然 后 对 塑 件 的 表 面 进 行 三 角 剖 分 , 并 把 这 些 三 角 面 片 分 为 可 见 面 、 不 可 见 面 和 退 化 面 . 塑 件 上 的 可 见 面 与 不 可 见原 稿 收 到 日 期 : ; 修 改
6、稿 收 到 日 期 : . 本 课 题 得 到 “八 六 三 C IM S”国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( 2017) 资 助 .周 振 勇, 男, 1972 年 生 , 博 士 , 现 在 浙 江 邮 电 设 计 院 工 作 , 主 要 研 究 方 向 为 注 塑 模 智 能 CA D 及 网 络 通 讯 . 高 曙 明 , 男, 1964 年 生 , 教 授 , 博 士 生 导 师, 主 要 研 究 方 向 包 括 特 征 建 模 、 虚 拟 设 计 与 装 配 、 基 于 In te rne t 的 产 品 协 同 设 计 等 . 顾 正 朝, 男, 1966 年 生 ,
7、 副 研 究 员 , 主 要 研 究 方 向 为 模 具 CA D CAM CA E. 石 教 英 , 男, 1937 年 生 , 教 授 , 博 士 生 导 师 , 主 要 研 究 方 向 为 计 算 机 图 形 学 、 虚 拟 现 实 和 多 媒 体 计 算 等 .面 的 公 共 边 构 成 分 型 线 的 组 成 边 , 并 通 过 重 组 这 些边 , 得 到 分 型 线 . 该 方 法 由 于 涉 及 塑 件 体 表 面 的 三 优 选 脱 模 方 向 的 自 动 确 定 及侧 凹 特 征 的 获 得2角 面 片 划 分 , 因 此 算 法 效 率 不 高 . T an 等 人 提
8、出 的第 2 种 方 法 是 通 过 对 塑 件 模 型 进 行 切 片 来 生 成 分型 线 2 . 该 方 法 适 用 于 带 有 自 由 曲 面 的 塑 件 , 但 存 在 由 于 离 散 精 度 问 题 引 起 的 分 型 线 位 置 不 准 确 等不 足 . N ee 等 人 提 出 通 过 对 塑 件 面 进 行 分 组 并 抽 取 最 大 边 环 来 自 动 生 成 分 型 线 的 方 法 3 . 该 方 法 具 有较 高 的 效 率 , 不 足 之 处 在 于 对 面 进 行 分 类 时 没 有 排 除 对 确 定 分 型 线 没 有 贡 献 的 侧 凹 面 , 也 没 有 考
9、 虑 当分 型 线 不 完 全 由 塑 件 边 组 成 时 的 特 殊 情 况 , 并 且 只确 定 一 种 分 型 线 . W e in ste in 等 人 提 出 了 通 过 对 塑 件 面 进 行 凹 凸 区 域 划 分 来 确 定 分 型 线 位 置 的 方法 4 . R av i 和 S r in iva san 则 提 出 了 计 算 机 辅 助 分 型 线 和 分 型 面 设 计 的 9 个 判 据 5 , 以 帮 助 用 户 确 定一 个 合 理 的 分 型 面 . 他 们 还 给 出 了 一 种 确 定 分 型 线 的 方 法 6 , 即 先 求 出 塑 件 在 与 脱 模
10、 方 向 相 垂 直 的 平 面 上 的 投 影 的 轮 廓 , 然 后 沿 着 脱 模 方 向 拉 伸 轮 廓在 本 项 工 作 中 , 注 塑 模 优 选 的 脱 模 方 向 基 于 自动特征识别方法确定 . 算法的总体思想是 : 首先对输入 的 塑 件 进 行 塑 件 特 征 识 别 ; 然 后 根 据 这 些 特 征 可 能 的 脱 模 方 向 , 确 定 制 件 的 候 选 脱 膜 方 向 并 进 行 分组 ; 最后通过计算各候选方向的模具因子 , 确定出制件优选的脱模方向 . 算法流程如图 1 所示 .线 . 分 型 线 即 为 拉 伸 体 与 塑 件 体 的 交 线 . Gan
11、te r 和T u ss 给 出 了 一 个 计 算 机 辅 助 浇 注 模 分 型 线 的 生 成算 法 7 . 该 方 法 使 用 用 户 选 择 的 分 型 面 截 切 制 件 , 得 到 一 种 平 面 的 分 型 线 , 但 该 方 法 仅 局 限 于 平 面 分 型 线 的 确 定 .在 总 结 前 人 工 作 的 基 础 上 , 本 文 提 出 一 种 在 模 具 脱 模 方 向 和 塑 件 侧 凹 特 征 已 知 的 前 提 下 , 自 动 确 定 塑 件 的 优 选 分 型 线 的 方 法 .侧凹是塑件上存在的阻止型腔和型芯沿 脱 模 方向 移 动 的 凸 起 或 凹 陷 特
12、 征 , 即 在 所 确 定 的 脱 模 方 向下 , 不 能 脱 模 的 特 征 . 在 优 选 脱 模 方 向 确 定 以 后 , 侧 凹 特 征 便 不 难 确 定 , 具 体 方 法 见 文 献 8 . 图 2 给 出 了 在脱 模 方 向 P D 下 , 有 一 个 侧 凹 特 征 (孔 ) 的 塑 件 例 子 .由 面 法 向 与 脱 模 方 向 的 点 积 等 于 0 的 面 组 成, G 3 由面 法 向 与 脱 模 方 向 的 点 积 小 于 0 的 面 组 成 . 然 后 基 于 一 些 规 则, 把 G 2 中 的 一 些 面 调 整 到 G 1 或 G 3 中,以找到构
13、成候选分型线的所有组成面 . 最后, 分别合并 G 1 和 G 3 的组成 面 , 抽取 G 1 和 G 3 的最大边环, 得 到 两 种 候 选 分 型 线 ; 并 根 据 分 型 线 目 标 优 化 的 三 个判据, 进行优化判断, 从两种候选的分型线中选出较 优的一种作为优选分型线 . 算法流程如图 3 所示 .分 型 线 的 自 动 确 定3分 型 线 自 动 确 定 算 法 的 总 体 思 想 为 : 首 先 依 据脱 模 方 向 、 注 塑 件 的 几 何 特 性 和 拓 扑 关 系 对 注 塑 件 的 所 有 非 侧 凹 面 进 行 分 类 , 将 它 们 分 为 可 见 面 组
14、G 1、 退 化 面 组 G 2 和 不 可 见 面 组 G 3 三 类 面 组 . 其 中G 1 由 面 法 向 与 脱 模 方 向 的 点 积 大 于 0 的 面 组 成, G 2计算机辅助设计与图形学学报 2000 年514的 一 部 分 调 整 到 G 1 或 G 3 中 去 .下规则 :我 们 具 体 采 用 了 以IF (E i E j 0)A N D (E i E k =2 3 0) T H EN2 1G i2 is rec la ssif ied in to G 1IF (E i E j = 0)A N D (E i E k 0) T H EN2 1 2 3G i2 is re
15、c la ssif ied in to G 3式 中 , i = 1, 2, , N 1 , j = 1, 2, , N 2 , k = 1, 2, ,N 3 , N 1 , N 2 和 N 3 分别是 G 1 , G 2 和 G 3 的面数 .以 图 4 所 示 的 注 塑 件 为 例 , 其 面 分 类 结 果 如 表 1 所示 .3. 1 非侧凹面的分类分型线是在给定的脱模方向下塑件中的可见面 与不可见面的分界线 . 为了得到塑件中的可见面 、 不可见面和退化面, 我们对塑件面进行了分类 . 鉴于侧 凹 特 征 面 的 组 成 边 不 会 构 成 分 型 线 的 组 成 边 . 在 我
16、们的算法中, 所有侧凹面都不参与面的分类 , 以提高算法效率 .根 据 面 的 法 向 与 脱 模 方 向 的 关 系, 塑 件 的 所 有 非 侧 凹 面 被 分 成 三 组 G 1 , G 2 和 G 3. 简 记 它 们 中 的 元表 1 图 4 中塑件的面分类结果类 别 初 步 分 类 基 于 规 则 调 整 后, , , , , , , , , , , , , , G 1G 2G 3 3. 2 G 1 和 G 3 最大边环的抽取G 1 中 的 面 通 常 构 成 一 个 连 通 区 域, 其 中 每 一 面素 分 别 为 G i , G i 和 G i , 它 们 的 边 环 分 别
17、 为 E i , E i 和 一 般 都 存 在 一 个 邻 面 . G 3 也 是 如 此 . 为 了 得 到 G 1 和1 2 3 1 2E i3 , P D 为 型 芯 的 脱 模 方 向 , N F i 为 面 F i 的 法 向 . 则 具 G 3 的 轮 廓 线 (候 选 分 型 线 ) , 我 们 分 别 对 G 1 和 G 3 的组成面作合并处理 , 即获取各面的外 环 , 通过删去它体的分类准则如下式所示 .们 的 公 共 边 , 以 逐 步 得 到 它 们 的 最 大 边 环 . 假 定 G iG 1 =G 2 =G 3 =F i | N F i r P D F i | N
18、 F i r P D =F i | N F i r P D 0,0,0.k和 G k 为相邻的两个面 , EL k 和 EL k 分别为它们的外j i ji j环, 则其合并后的边环 EL k 满足下式EL k = EL k EL k (EL k EL k 0, k = 1, 3).i j i j i jG 2 面 为 G 1 面 与 G 3 面 的 过 渡 面, 它 的 存 在 使 得分 型 线 的 选 择 出 现 了 不 唯 一 性 . 在 确 定 候 选 分 型 线 时 , 需 要 基 于 一 些 规 则 对 G 2 面 作 一 些 调 整 , 把 其 中图 5 显 示 了 求 取 最
19、大 边 环 的 过 程 . 如 此 获 得 的G 1 和 G 3 的最大边环, 构成了两种候选的分型 线 .在 抽 取 最 大 边 环 的 过 程 中 ,或 G 3 面 无 公 共 边 ( 如 图 6 所 示 ) ,若 所 需 合 并 的 G 1则 生 成 的 分 型 线型 线 作 一 些 修 正 处 理 . 修 正 的 方 法 是 通 过 投 影 , 将相 关 点 连 接 起 来 形 成 附 加 分 型 线 , 并 删 去 投 影 重 复 的 部 分 .将 出 现 多 个 独 立 的 封 闭 环 , 此 时 , 需 对 所 生 成 的 分为 了 提 高 最 大 边 环 的 搜 索 效 率,
20、我 们 引 入 了 主平面的概念 . 主平面是指在该组的所有面中 , 与 脱 模 方 向 垂 直 的 平 面 上 投 影 面 积 最 大 的 面 . 在 G 1 和 G 3 组中 , 各 有 一 个 主 平 面 . 主 平 面 确 定 以 后 , 在 搜 索 最 大 边环时 , 就可以只对主平面外侧的面作处理 , 而 略 去 主 平面内部的面 . 对于主平面外侧的面 , 若相互 之 间 有包 含 关 系 时 , 也 可 做 类 似 的 处 理 , 以 提 高 搜 索 速 度 .3. 3 优选分型线的确定对 于 所 求 得 的 两 种 候 选 分 型 线 , 我 们 通 过 目 标 函 数 对
21、它 们 进 行 优 化 评 价 , 选 取 目 标 值 最 大 的 一 种作为优选的分型线 .通 过 对 注 塑 模 设 计 经 验 进 行 总 结, 我 们 选 择 下 列 3 种 影 响 分 型 线 设 计 质 量 的 因 素, 建 立 反 映 与 分 型线有 关 的 模 具 设 计 准 则 的 优 化 目 标 函 数 . 这 些 影 响因素是 : 分型线复杂程 度 、 脱模距和模具加工复杂 程度 .目 标函 数 F o b j = F 1 ( 分 型 线 复 杂 程 度 ) W 1 +F 2 (脱模距 ) W 2+ F 3 (模具加工复杂程度 ) W 3W 1, W 2 和 W 3 是
22、加 权 因 子 , 反 映 不 同 影 响 因 子的重要程度, 取值范围在 0 到 1 之间, 用户可以定义其值的大小 .(1) 分型线复杂程度在 模 具 实 际 设 计 中, 分 型 线 有 直 平 面 、 阶 梯 、 复 杂 轮 廓 等 多 种 形 状 . 分 型 线 复 杂 程 度 是 指 分 型 线 离开直平面的程度 . 分型线为直平面时 , 可简化模具的设 计 、 加 工 , 减 少 塑 料 从 模 腔 中 溢 出 的 可 能 性, 并 可 保 证 成 形 塑 件 尺 寸 的 稳 定 性 等 . 分 型 线 的 复 杂 程 度 可通过直平度表示 . 直平度用平方根偏差计算 , 具体
23、计算公式为这 里 P i 为 分 型 线 的 所 有 端 点 , P i 为 P i 向 过 分 型 线所 有 端 点 的 最 佳 拟 合 平 面 的 投 影 点 , n 为 分 型 线 的 端点数目 .(2) 脱模距 脱模距是指模具开模后从模具中顺利取出塑件所 需 的 开 模 距 离 . 它 影 响 加 工 的 复 杂 程 度 和 注 射 成形 周 期 . 最 大 脱 模 距 离 定 义 为 沿 脱 模 方 向 分 型 线 端 点到塑件的所有顶点最远的距离 , 即F 2 = M ax | (V PL ( i) ( j ) - V p a rt ) r P d | .式中 V PL ( i)
24、( j ) 表 示 第 i 种 分 型 线 的 第 j 个 端 点, V p a rt 为 塑 件 上 离 分 型 线 的 端 点 V PL ( i) ( j ) 距 离 最 远的顶点 , P d 为脱模方向 .(3) 模具加工复杂程度这 个 因 子 同 模 具 制 造 成 本 相 关 , 可 以 直 接 同 模 具成形面相联系 . 一般地 , 应将塑件的大部分面位于 模 具 的 型 芯 一 侧 , 使 型 腔 面 较 少 , 这 样 加 工 简 单 , 且 可 减 少 模 具 上 下 模 合 模 对 不 上 的 可 能 性 . 该 因 子 的 计算公式为F 3 = n 2 (n 1 + n
25、2 ).式中 n 1 和 n 2 为型 芯 、 型腔对应成形塑件体的面 数 .计 算 各 评 价 值 时 , 由 于 各 评 价 参 数 的 值 和 单 位 都不一致 , 为此需要对它们进行正则化 . 对于分型线复 杂 程 度, 取 两 种 分 型 线 的 复 杂 程 度 值 中 最 小 的 正则 分 型 线 的 复 杂 程 度 值 为 1, 另 一 种 正 则 分 型 线 的 复杂程度值为最小的分型线的复杂程度值除以该分型 线 的 复 杂 程 度 值 . 正 则 脱 模 距 和 正 则 的 模 具 加 工复杂程度值也依此计算 .算 法 实 现4F 1 = ( (P i - P i ) 2 n
26、 ) 1 2 ( i = 1, , n ). 本文提出的算法已在微机上以几何造型工具系计算机辅助设计与图形学学报 2000 年516统 A C IS5. 0 为 开 发 平 台, 用 V isu a l C + + 编 程 实 P a r t ing L ine W e igh t V a lue:F 1W g t = 0. 4, F 2W g t = 0. 3, F 3W g t = 0. 3. E va lua t io n V a lue:现 . 图 7 所 示 的 是 一 Geh aeu se 测 试 零 件, 及 其 相 应的脱模方向 、 候选分型线和优选分型线 . 在确定该测试件的
27、优选分型线时所选用的权因子及各种分型线 的评价参数值和评价结果如下 :G rpN o01F 113. 442. 78F 240. 0040. 00F 30. 600. 83A ssV a l0. 680. 92Se lec ted G ro up N o: 1M ech an ica l E ng inee r s, 1990, 204: 211- 221W o ng T , T an S T , Sze W S. Com p u te r2a ided p a r t ing2 line结 论5gene ra t io n fo r f ree2fo rm so lid m o de ls.
28、 In te rna t io na l Co nfe renceo n M anufac tu r ing A u tom a t io n , H o ng Ko ng, 1997. 1097- 1105自 动 确 定 塑 件 分 型 线 方 法 的 研 究, 是 注 塑 模 自动 设 计 中 一 个 重 要 环 节 . 本 文 探 讨 了 采 用 对 塑 件 表 面进行分组并抽取最大边环来自动生成塑件的分型线的方法 . 该方法的特点在于 : (1) 在确定分型线时,排除了所有的侧凹特征面, 从而提高了算法的效率 . (2) 直接采用对塑件面进行分组的方法, 通过对一些 特 殊 情 况 进
29、 行 修 正, 获 得 两 种 候 选 的 分 型 线 . ( 3) 提 出 了 一 种 合 理 有 效 的 分 型 线 评 价 方 法, 以 确 定 优 选 的分型线 . 目前提出的方法能够解决由平面 、 二次曲面 组 成 的 塑 件 模 型, 进 一 步 的 工 作 是 推 广 到 有 自 由 曲面的塑件分型线的自动确定 .N ee A Y C , F u M W , et a l. A u tom a t ic de te rm ina t io n o f 32Dp a r t ing line s and su rface s in p la st ic in jec t io n
30、m o u ld de sign.3A nna ls o f th e C IR P , 1998, 47 ( 1) : 95- 984 W e in ste in M , M anoo ch eh r i S. O p t im um p a r t ing line de sign o fm o lded and ca st p a r t s fo r m anufac tu rab ility. Jo u rna l o fM anufac tu r ing Sy stem s, 1997, 16 ( 1) : 1- 12R av i B , S r in iva san M N. D
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32、na l Co nfe rence, A t lan ta, A SM E , 1990. 125- 129Gan te r M A , T u ss L L. Com p u te r2a ssisted p a r t ing linedeve lopm en t fo r ca st p a t te rn p ro duc t io n , T ran sac t io n s o f th e7A m e r ican Fo und rym en s So c ie ty, 1990. 759- 8008 Gu Zh eng2C h ao , Zho u Zh en 2Yo ng,
33、Gao Sh u2M ing, et a l. D e te rm ina t io n o f m o ld p a r t ing d irec t io n ba sed o n au tom a t ic m o ld ing fea tu re reco gn it io n. CD 2ROM P ro ceed ing s o f A SM ED E T C 99 C IE 9119, L a s V ega s, 1999参 考 文 献1 T an S T , Yuen M F , et a l. P a r t ing line s and p a r t ing su rface s o fin jec t io n m o u lded p a r t s. P ro ceed ing s o f th e In st itu t io n o f
