（机械设计及理论专业论文）基于事例推理的注塑模具分型面自动设计技术研究.pdf

摘要 模具分型面设计是关系到模具总体结构设计成功与否的关键，分型面设计的不合 理，将导致制品无法顺利脱模或增加模具总体结构设计的复杂性。因此，分型面设计技 术与方法的研究，成为注塑模具c a d 技术研究与开发的重要内容之一。 本文在对注塑模具分型面设计的基本知识与原则，以及计算机辅助分型面设计方法 深入分析研究的基础上，根据模具设计“强经验、弱理论”的特点，提出基于事例推理 ( c b r ) 的注塑模具分型面设计技术与方法研究，其目的是提高模具成型零件设计的自动 化程度，并为注塑模具智能化设计系统的实现提供技术支持。 本系统共分为三个模块，即特征造型模块、基于c b r 的模具分型面设计实现模块 和分型面设计帮助信息模块。分型面设计的基本依据是塑件模型，为满足分型面设计推 理的要求，根据塑件结构分类的特点，采用面向分型面设计的塑件特征建模方法，进行 了塑件特征造型。在此基础上，运用特征技术和面向对象的事例描述方法，构建了基于 c b r 的模具分型面设计的总体框架，初步实现了模具分型面的自动生成。 在特征造型模块中，重点探讨了面向分型面设计的特征分类、特征之间的组合关系、 组合操作及特征识别等技术在塑件建模中的应用。通过特征建模与识别技术，实现了塑 件建模与模具分型面设计之间的无缝连接。 基于c b r 的模具分型面设计实现模块，详细研究了c b r 技术的原理及其在模具分 型面设计中的具体应用。通过分析事例模型的构成特点，研究了分型面位置事例库的组 织结构，并建立相应的事例库；依据事例形状特征的知识表达方法，建立了基于产生式 规则的事例模型正向推理机制，符合快速检索事例库的要求：构建了模具分型面生成的 相似求解模型，使得经推理得到与塑件模型主特征构成相类似的事例后，能够自动生成 模具分型面。 分型面设计帮助信息模块，对分型面设计的基本知识进行归纳总结，形成以图形和 文字混合表示的分型面设计原则知识库，为用户提供适时的帮助。 最后以烟灰缸塑件的建模及其分型面设计为例，说明了系统的应用过程与方法。实 例验证结果表明，系统运行可靠，设计结果正确。 系统使用v c + + 6 0 、s q l s e r v e r2 0 0 0 和o b j e c t a r x 二次开发工具在a u t o c a d 2 0 0 0 平台上进行丌发，并建立了良好的用户界面。 关键词：注塑模具c a d ；分型面设计；基于事例推理：特征造型；相似求解模型 i i a b s tr a c t m o l dp a g i n gs u r f a c ed e s i g ni st h ek e yf a c t o ro ft h em o l d g r o s ss t r u c t u r ed e s i g n i ft h e d e s i g no fp a r t i n gs u r f a c ei s n o ts u i t a b l e ，p l a s t i c p a r t sr e m o v i n gf r o mt h em o l dw i l lb e d i f f i c u l ta n dt h em o l dg r o s ss t r u c t u r ew i l lb em o r ec o m p l e x s ot h er e s e a r c ho nt h ep a r t i n g s u r f a c ed e s i g nt e c h n o l o g ya n dm e t h o di sb e c o m i n go n eo ft h ei m p o r t a n tf a c e t si nt h ef i e l do f t h ei n j e c t i o nm o l dc a d o nt h eb a s i so ft h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa b o u tt h ea u t o m a t i cd e s i g no ft h ei n j e c t i o n m o l d p a r t i n gs u r f a c e ，a c c o r d i n gt ot h ef c a t u r eo fs t r o n g l ye x p e r i e n c ea n dw e a k l yt h e o r yi nt h e p r o c e s so f t h ei n j e c t i o nm o l dd e s i g n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o dw h i c h i n t r o d u c ec a s e - b a s e d r e a s o n i n gi n t ot h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g no f t h ei n j e c t i o nm o l d p a r t i n gs u r f a c e ，w h i c ha i m s t o i m p r o v e t h ea u t o m a t i z a t i o nd e g r e eo ft h em o l dp a r t i n gs u r f a c e d e s i g na n dp r o v i d et h e t e c h n o l o g ys u p p o r tt o t h er e a l i z a t i o no ft h ei n t e l l e c t u a l i z e dd e s i g ns y s t e mo ft h ei n j e c t i o n m o l d t h es y s t e mi s c o m p o s e do ft h em o d u l eo ff e a t u r em o d e l i n g ，r e a l i z a t i o nm o d u l eo f c b r - b a s e dm o l dp a r t i n gs u r f a c ed e s i g na n dh e l pi n f o r m a t i o nm o d u l eo ft h ep a r t i n gs u r f a c e d e s i g n t h ew h o l ef l a m eo f t h ec b r - b a s e dm o l dp a r t i n gs u r f a c ed e s i g ni sc o n s t r u c t e db y u s i n gf e a t u r et e c h n o l o g ya n dt h em e t h o do fo b j e c t o r i e n t e dc a s ei n f o r m a t i o ne x p r e s s i o n t h e a u t o m a t i cg e n e r a t i n go f t h ep a r t i n gs u r f a c ei se l e m e n t a r i l yr e a l i z e d i nt h em o d u l eo ff e a t u r em o d e l i n g ，i td o e sd e e pr e s e a r c hc i n jf e a t u r ec l a s s i f i c a t i o n ， o p e r a t i o no f t h ef e a t u r e ，r e l a t i o n s h i pa m o n gf e a t u r e sa n dt h ef e a t u r er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y t h es e a m l e s sc o n n e c t i o nb e t w e e nt h em o d u l eo ff e a t u r em o d e l i n ga n dp a r t i n gs u r f a c ed e s i g n i sr e a l i z e db y m a k i n g u s eo f t h e s et e c h n o l o g i e si nt h es y s t e m i nt h er e a l i z a t i o nm o d u l eo fc b r b a s e dm o l dp a r t i n gs u r f a c ed e s i g n ，t h ep r i n c i p l eo f c b ra n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm o l d p a r i n gs u r f a c ed e s i g na r er e s e a r c h e dd e t a i l e d ty t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft h ec a s em o d e ls t r u c t u r e ，p a r t i n gs u r f a c ec a s e s l i b r a r y i s b u i l t ； a c c o r d i n gt ot h es t u d yo fk n o w l e d g ee x p r e s s i o no ft h es h a p ef e a t u r eo ft h ec a s e s ，f o r w a r d r e a s o n i n gm e c h a n i s m i sc o n s t r u c t e db a s e do nt h ep r o d u c t i o nr u l e ；s i m i l a r i t ys o l u t i o nm o d e l o ft h em o l d p a r t i n gs u r f a c eg e n e r a t i n gi sb u i l t ，w h i c hc a nb eu s e dt og e n e r a t ep a r t i n gs u r f a c e f o l l o w e dg e t t i n gt h ec a s et h r o u 曲r e a s o n i n g h e l pi n f o r m a t i o nm o d u l eo f t h ep a r t i n gs u r f a c ed e s i g ns u m m a r i z e st h eb a s i ck n o w l e d g e o f t h e p a r t i n g s u r f a c e d e s i g n ，f i n a l l y , as a m p l ei sg i v e n t ot e s tt h e f e a s i b i l i t yo f t h es y s t e m r u n p l a t f o r mo f t h es y s t e mi sa u t o c a d a n da u s e r - f r i e d l yi n t e r f a c ei sc u s t o m i z e d k e yw o r d s ：蜘e c t i o nm o l dc a d ；p a r t i n g s u r f a c e d e s i g n ；c b r ；f e a t u r em o d e l i n g ； s i m i l a r i t ys o l u t i o nm o d e l 塾于事例推理的注塑模其分型面自动殴计技术研究 1 绪论 1 1 注塑模具设计技术概述 1 1 1 基本概念 1 注塑成型：是成形热塑性塑料的主要方法，它是把塑料原料放入料简中，经过 加热使之成为熔体，用柱塞或螺杆作为加压工具，使熔体通过喷嘴以较高的压力注入模 具的型腔中，经过冷却、凝固阶段，而后从模具中脱出成为塑料制品。 2 成型零件：模具成型零件是指直接用于成型制品的零件通常包括型腔、型芯、 成型杆、成犁环等。其中最核，t l , 的部分是型腔和型芯，一般型腔用于成型注塑件的外部 形状，型芯用于成型注塑件的内部形状口】。 3 分型面：为了将塑件和浇注系统凝料从密闭的模具中取出，以及为了安放嵌件 等，而将模具适当的分成两个或多个主要部分，这些可以被分离部分的接触表面通称为 分型面3 1 1 ”。 4 分型方向：是指开模时，塑件从模具型腔或型芯脱离的方向。通常是与模具开 模方向一致 3 】。 5 分型线：是指塑件在分型面上与模具成型零件接触的最大边界线 5 】。 6 侧凹：是塑件上存在的阻碍型腔和型芯沿主脱模方向移动的凸起或凹陷特征。 侧凹叉分为外部侧凹和内部侧凹，外部侧凹是在塑件外表面的凸凹结构，它阻碍塑件从 型腔中脱出；内部侧凹是塑件内部表面的凸凹特征，它阻碍塑件从型芯中脱出1 4 】。 1 1 2 注塑模具设计技术发展的过程 当前，工程塑料制品以其质量轻、比强度高、电绝缘、隔热、耐化学腐蚀、容易成 型加工等优异性能”而广泛应用于精密仪器、电子仪表、航天航空、汽车工业、光学仪 器、办公设备、家用电器和日用品等行业中，这些塑料制品主要是通过模具成形的，而 占塑料成型模具产量半数以上的便是注塑成型模具，因此注塑模具在现代工业中具有举 足轻重的作用，其设计技术自然受到越来越多的关注。当塑料制品及成型设备确定之后 影响塑件质量及生产效率的因素中，模具因素约占有很大的比重，因此推进模具设计技 术的进步已成为模具方向的研究重点。 模具设计技术的发展主要经历了三个阶段f 1 8 ： l 完全手工设计阶段 这一阶段主要依靠设计人员的经验、技巧和现有的设计资料，从对塑件的工艺计算 到注塑模的设计制图，全靠手工完成，设计效率低下，不能满足模具制造周期的要求。 同时，由于设计过程依赖于设计人员的经验和技巧，缺乏系统的理论指导，所以模具的 质量难以保证。 2 应用通用c a d c a m 系统进行模具设计 随着现代工业的不断发展，以手工为主的注塑模具设计已不能满足客户需求，通用 的c a d c a m 软件便在模具设计中发挥了重要作用，人们利用计算机的高效、准确性，部 基于事例推理的注塑模具分型面自动设计技术研究 分地代替了手工设计与绘图工作，减轻了设计人员的劳动强度，并在很大程度上提高了 模具设计的质量，缩短了模具设计的周期。但模具设计的质量和效率仍然依赖于设计者 的经验和对c a d 系统的熟练程度，没有完全发挥c a d 系统的优势，不能满足工业产品快 速发展对模具设计的需求。 3 专用注塑模c a d 系统的研究与开发 由于通用c a d c a m 系统可在汽车、航空、建筑等多个领域应用，针对性不强，而模 具设计又是一个复杂和经验性较强的工作，因此许多具体模具设计的专业知识，像收缩 率的计算、由塑件模型到模具成型零件尺寸的转换、模具成型零件的生成等还必须由设 计人员手工操作完成。而且通用c a d 系统各模块之间的集成化程度较低，如设计者在进 行注塑模具设计时，首先需借助相关的计算规则来处理由塑件几何模型到模具成型零件 的尺寸转换，以解决材料的收缩率问题：再凭设计者的知识和经验确定塑件的分型方向 和模具分型面；然后，还需按系统提供的几何造型方法分别向计算机输入塑件及型腔型 芯的尺寸数据，才能完成模具成型零件的结构与工作尺寸设计；最后再依据模具设计的 总体方案，通过人机交互进行详细结构设计。这一过程需对同一塑件的几何信息进行三 次重复操作，既浪费时间与人力，又易出错，更没有充分发挥c a d 技术的优势【9 1 。因此 开发出专用的注塑模c a d 系统，把塑件造型、模具成型零件设计、浇注系统设计、顶出 机构设计、模架选择和流动分析等许多功能模块集成于一体，实现快速、高效的注塑模 具设计，是模具技术的发展动向。 专用注塑模c a d 系统开发包括许多内容【l0 】，如标准零件库【挖】、顶出机构 t 3 】、浇 注系统 1 4 以及模具成型零件【1 5 】 i6 】等，其中以模具成型零件自动生成的研究最为困难， 因为模具成型零件直接与塑件模型相关，而塑件模型的结构又具有复杂性和多样性，这 就决定了模具成型零件的自动生成过程具有许多不确定性，因此对模具成型零件自动生 成技术的研究成为模具c a d 技术研究领域的热点和难点。 目前注塑模具成型零件自动生成技术的研究主要集中在以下三个方面 9 】：1 ) 塑件 的几何建模到模具成型零件工作尺寸的自动转换【1 8 】 ” 2 0 i 。模具成型零件工作尺寸是 指成型零件上直接用于成型塑件部分的尺寸，它决定了最终成型的塑件尺寸。熔融塑料 在模具型腔中冷却定型过程中，由于塑料所具有的收缩特性以及其他因素的影响，导致 塑件尺寸与模具成型零件工作尺寸存在着差异：2 ) 塑件分型方向与模具分型面的自动 选取【2 1 】【2 2 】【2 3 i 。模具设计实践表明，脱模方向和分型面确定是影响模具结构设计和制造 成本的重要参数之一，也是模具成型零件自动生成的基础：3 ) 由塑件模型到模具成型 零件结构的自动生成【2 1 。这是指对经过了尺寸转换和分型面选择的塑件模型，进行模具 成型零件结构的自动生成，如型芯、型腔、成型杆与侧抽芯等直接和塑件内外表面相接 触的零件。 在上述三个方面的问题研究中，第一方面的研究已经比较成熟；而分型面自动生成 的研究目前还大都处于理论阶段，且是第三方面研究的基础。本文以模具分型面设计为 内容，研究分型面自动生成的技术和方法。 1 2 注塑模具c a d 技术发展概况及趋势 基于事例推理的注塑模具分型面白动设计技术研究 1 2 1 注塑模具g a d 技术发展概况 发达工业国家注射模c a d 技术发展相当迅速。7 0 年代已开始应用计算机对熔融塑 料在圆盘形、管形和长方形型腔内的流动情况进行分析。8 0 年代初，人们成功地采用有 限元法分析三维型腔内塑料熔体的流动过程，使设计人员可以依据理论分析并结合自身 的经验，在模具制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具质量。 近十多年来注射模c a d 技术在不断进行理论和实验研究的同时，十分注意向实用化 阶段发展，一些高水平的商品软件逐步推出，并在推广和实际使用中不断改进、提高和 完善。比较有代表性的软件系统有： 澳大利亚m o l d f l o wp t y 公司的m o l d f l o w 系统该系统具有很强的注射模分析 模拟功能，包括绘制型腔图形的线框造型模块s n o d ，有限元网格生成模块f m e s h ，流 动分析模块f l o w ，冷却分析模块c o o l i n g ，流动、冷却分析结果和模架应力场分布 的可视化显示模块f r e s 以及翘曲分析模拟模块。 美国c r a t e k 公司的注射模c a d c a m c a e 系统该系统包括三维几何形状 描述模块o p t i m o l dh i ，二维注射流动分析模块s i m u f l o w ，三维有限元流动分析模 块s i m u f l o w3 d ，冷却分析模块s r m u c o o l ，标准模架( 美国d m e 标准) 选择模块 0 p t i m o l d 等部分。 还有美国和意大利的p l a s t i c s & c o m p u t e ri n c 公司的t m c o n c e p t 专家系统以及德 国i k v 研究所的c a d m o u l d 系统等许多比较知名的模具c a d c a m c a e 系统。 我国在注射模c a d 技术开发、应用及研究方面起步较晚。从8 0 年代中期开始，国 内部分大中型企业先后引进了些国外知名度较高的c a d 系统。同时，某些高等学校 和科研院所也开始了注塑模c a d 系统的研制与开发工作。多年来，我国对注射模设计 制造技术及其c a d 的开发应用十分重视，在“八五”期间，这方面安排了“大型薄壁 深腔注射模具制造技术”、“多型腔小模数齿轮精密模具制造技术”和“实用c a d c a m 技术在精密注射模制造中的应用”等国家重点企业技术开发项目，还安排了国家“八五” 重点科技攻关项目“塑料注射模c a d c a m c a e 集成系统研究”。不少省市也在这方面 安排了攻关项目或重点科研课题。这些项目的成果对促进我国注射模c a d 技术的迅速 发展起到了重要作用，使我国注射模c a d 技术的发展和应用水平得到很快提高。 我国在注射模c a d 技术研究与开发方面较具代表性的工作有： 华中理工大学是国内较旱自行开发研究注射模c a d c a e c a m 系统的单位之一， 自8 0 年代中期开始，就在注塑模流动分析模拟和冷却分析模拟方面进行了较深入的研 究与开发工作，并推出了塑料注射模c a d c a e c a m 系统h s c 1 。该系统包括塑料制 品三维形状输入、流动模拟、冷却分析、型腔强度与刚度校核及模具图设计与绘制等功 能，在一些企业单位应用，取得较好效果，现己实现商品化。 浙江大学基于工作站的u gi i 系统开发出精密注射模c a d c a m 系统。该系统采 用特征造型技术构造产品模型，使形状特征表达与工艺信息描述统一，并利用特征反转 映射实现了型腔模型的快速生成。 上海交通大学从1 9 8 3 年开始，对注射模c a d 进行了多方面的研究。在国内首次 将人工智能技术引入注射模c a d 系统中，并于1 9 8 8 年开发出集成化注射模智能c a d 系统。现在在工作站u gi i 平台上迸一步开发智能c a d c a e c a m 系统。 基于事例推理的注塑横具分型碰自动设计技术研究 目前国内外学者开发出的注塑模具c a d 系统，还是以分析模拟为主，对于利用计算 机辅助设计实现模具成型零件自动生成的研究还需进一步深入开展。 1 2 2 发展趋势 今后，注塑模具c a d 技术的发展方向是集成化、智能化、柔性化、网络化、并行 设计等拉“，以提高系统的实用性和方便性，并降低生产成本。 ( 1 ) 注塑模具c a d 与c a m 系统集成 为了提高模具的开发工作效率，人们将模具c a d 与模具c a m 两个过程有机地连 接起来，实现了模具c a d c a m 一体化。这种系统将c a d 的设计结果直接用于数控仿 真和生成数控加工程序，并送到数控机床进行自动加工。 在这种一体化系统的基础上，人们又积极开展计算机集成制造系统( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 的研制及其在模具开发方面的应用。模具c i m s 系统基于计算机技术和信息技术，将模具设计、制造、生产管理以及经营决策等方面有 机地结合成一个整体。实现模具c i m s 系统的关键在于建立一个统一的全局模具产品数 据模型，以实现c a d 、c a m 、c a e 各单元之间的数据自动传递、转换以及信息共享。 模具c i m s 系统是物流和信息流的综合，能对产品开发、模具设计、零件加工、整机装 配和检测检验的全过程实施计算机控制，从而大大缩短了模具的设计制造周期。降低了 模具的生产成本，保证了模具加工质量，并为企业创造了良好的经济效益。 ( 2 ) 建立和应用注塑模具c a d 网络环境 随着模具工业规模的扩大，要做到全球资源信息共享、交换等，网络化是必然的发 展道路。 现在，将多台微型机c a d 工作站联网或将多台微型机c a d 工作站和工程工作站联 网，构成分布式c a d 系统，已成为一种趋势。这种局域网络系统结构灵活、功能强大、 价格较低。每个工作站可单独使用，也可相互配合实现局域的资源和信息共享，也可 实现并行设计和协同工作。这种c a d 网络很适合企业单位的需要。因为企业中的产品 设计与制造一般都不是个人行为，而是一个组或一个科室群体有组织有计划进行的工程 项目。参加工作的各个成员必须相互配合、协同努力，在规定的权限下共享资源和已有 的设计结果，有关负责人还要对各阶段的设计结果进行审核。这种c a d 局域网络的建 立以及设计管理和协同设计功能的实现，无疑将大大促进企业经济效益的提高。 伴随广域网i n t e r n e t i n t r a n c t e x t r a n e t 的若起和拓展，注塑模具网络c a d 系统不再局 限于企业内部，全球不同地域的设计人员可以相互协作，共同完成某项产品的设计。这 无疑有利于全球资源信息共享，并符合经济全球化的要求 ( 3 ) 人工智能( 专家系统) 技术在注塑模具c a d 中的应用 一般的模具c a d 系统都是一种人机交互系统，即系统中包含了使用系绕的人。使 用模具c a d 系统的设计者在系统行为中起着主导和决策的作用，因此设计结果往往带有 人为的因素。人工智能( ) 、专家系统( e s ) 和基于知识的系统( k n o w l e d g e - b a s e d s y s t e m ，k b s ) 技术的发展及其在注塑模具设计领域的应用，为注塑模具c a d 技术的 发展开辟了新的途径，从而出现了新的面貌。 所谓智能模具c a d 系统，是一个具有大量模具设计知识与相关经验的程序系统。 它采用人工智能技术，运用模具设计知识库中的设计知识进行推理、判断和决策，解决 基于事例推理的注塑模具分型面自动设计技术研究 以前必须由模具设计专家解决的复杂问题，使模具c a d 技术的发展达到一个新的水平。 由于模具设计知识库中的知识来源于专家长期积累的设计经验，因此，一个成功的模具 c a d 专家系统可以达到甚至超过模具设计领域专家的水平。 1 3 课题研究意义及主要内容 1 3 1 课题的主要研究内容 1 3 1 1 计算机辅助分型面( 线) 设计算法研究的国内外现状 目前国内外注塑模分型面自动生成算法的研究，可分为两类。一类是以整个塑件几 何实体为研究对象，采用不同算法确定沿分型方向的塑件最大轮廓作为分型面：另一类 是以塑件实体的表面为研究对象，根据对面的分析确定塑件的分型方向、分型线或分型 面。这种分法并不是绝对的，许多算法之间有很多联系及相关因素，但问题的关键都是 要找出塑件在某一方向上的最大轮廓线，作为分型线，从而确定出塑件的分型面位置。 对于第一类方法，t w o n g l 2 副提出了对3 d 塑件模型进行切片来生成分型线。用切割 平面( s l i c i n gp l a n e s ) 的法线方向与分型方向正交，把某一主坐标轴作为分型方向，则 切割平面的方向可以是另外两个主坐标轴方向中的一个。首先按照某种间隔用切割平面i 对塑件模型沿切割方向进行切割，得到每个切割面与塑件模型相交的轮廓曲线，并把各 个面内的曲线连接成封闭的环，提取环的最左点和最右点，连接各切割面内的最左点和 最右点，也就是塑件轮廓尺寸最大处，最后形成分型线，并进而得到分型面。这种方法 在确定分型线之前需正确的判断分型方向，而该方法是把某一主坐标轴作为分型方向， 其缺点正是在于此，因为坐标轴的方向并不一定保证是真正的或较优的分型方向，这样 会给正确分型线位置的选择带来一定的困难。除此之外，分型线的选择还需取决于以下 六条因素：分型线的平面度( f l a t n e s s ) 、脱模距、投影面积、侧凹的体积和长度以及外 侧凹相对于模具的位置关系。这种方法和r a v i 2 6 】等所提出的方法比较相似，他提出了分 型线选择时的9 条标准，针对不同望件，各条标准的权重值不同，在选择分型线位置时 综合考虑各因素进行决策。r a v i 等提出的另一方法 2 7 】是利用墓塑件在与脱模方向相垂直 的平面上的投影轮廓，然后沿着脱模方向拉伸该轮廓线形成拉伸体，分型线即为拉伸体 与塑件体的交线。这只能局限于平面分型面的确定。 第二类方法以塑件的表面作为研究的对象。t a n 掣”】的研究是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。再用塑件上的可见面与不可见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角面片划分，因此算法复杂，效率 不高。c h e n c 2 9 提出了用可视图来确定模具分型方向，可视图是通过高斯映射把塑件模型 所有表面映射到高斯图中来构建的。w e i n s t c i n 3 。 利用这个原理首先确定最优的分型方 向，并沿最优分型方向确定分型线位置。这种方法用来处理表面接近平面的塑件时，构 造可视图的高斯映射过程比较简单，但用来处理表面形状比较复杂的塑件时，映射过程 就会比较复杂，因而会花费大量时间。因为自由表面的可视图可能是空的，也即是从任 何方向都不能看到该表面上的所有点。解决的方法是把表面分成若干块，分别求出每一 块的可视图，对这些可视图进行不同的组合和测试，最后取侧凹最少的方向作为最优分 基于事例推理的沣塑模具分型面自动设计技术研究 型方向。这个过程由于增加了总体可视图的数量，因而降低了算法的效率。文献 3 i 】提 出把塑件表面划分为三组，并抽取面组的最大边环作为模具分型线，具有较高的效率。 然而，划分面组的方法是基于表面的法矢量方向或圆柱面、圆锥面及旋转曲面的轴向矢 量的方向相对于分型方向来划分的，因此要把自由曲面划分到正确的面组里比较困难。 而且对面进行分类时不能排除对确定分型线没有贡献的侧凹面，也没有考虑当分型线不 完全由塑件边组成时的特殊情况。周振勇等口】对此做了进一步的研究。依据脱模方向、 注塑件的几何特征和拓扑关系把塑件的所有非侧凹面分为可见面组g l 、退化面组g 2 和 不可见面组g 3 三类面组。其中g 】由面法向与脱模方向的点积大于0 的面组成，g 2 由面 法向与脱模方向的点积等于0 的面组成，g 3 由面法向的点积小于0 的面组成。然后基于 一定规则，把g 2 中的一些面调整到g t 或g 3 中，以找到构成候选分型线的所有组成面。 最后，分别合并g - 和g 3 的组成面，抽取g l 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，该方法没有涉及有自由曲面的塑件模型。m w f u 等 3 2 p 习l 首先详 细介绍了表面可视性( s u r f a c ev i s i b i l i t y ) 和表面可模塑性( s u r f a c em o l d a b i l i t y f o r m a b i l i v y ) 的概念，把分型方向分为型芯脱模方向( d 。) 、型腔脱模方向( d c ，v l t y ) 和侧凹脱模方 向( d l o c 。i l o 。i ) ，实际上型腔脱模方向和型芯脱模方向是一对相反的方向。按照可视性和 可模塑性的概念，把塑件表面分为型芯成型表面( c o r e m o l d e ds u r f a c e ) 、型腔成型表面 ( c a v i t v m o l d e ds u r f a c e ) 以及侧凹成型表面( t 0 0 1 m o l d e ds u r f a c e ) 。分型线的选择是抽 取型腔成型面和型芯成型面的最大外边环得到的。 1 3 1 2 基于事例推理的注塑模具分型面设计方法的提出 根据对以上确定分型线和分型面方法的研究，可以看出，注塑模具分型面计算机辅 助设计方法的研究，其关键问题是要确定塑件的优选分型方向，并找出沿分型方向的塑 件最大轮廓尺寸位置，此轮廓即是模具分型线，包含此轮廓的截面即为模具分型面。这 些算法大都试图通过对塑件整体几何模型或塑件各个表面进行某一种数学分析，像对塑 件模型进行切片，对表面进行三角面片的划分，判断各表面的可视性等，都取得了一定 的成果。但由于塑件结构的复杂性及多样性，以及注塑模分型面设计是一个弱理论、强 经验的过程，因此建立某一种数学模型来全面表达设计的过程是非常困难的，往往会出 现对某类塑件成立，而运用到另一类塑件模型上时就可能不成立。 基于实例推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 在设计领域的应用是近年来发展较快、 研究比较多的问题寐解方法之一【3 4 】【3 5 】【3 6 】，其设计思想来源于人类的思维方式，面对一 个新的设计要求，设计者的脑海中往往首先浮现出以往的工作中曾经出现过的类似的设 计条件，找出两者之间的相似和区别，并以此为依据联系标准的设计准则，确定新的设 计方案。基于实例的设计试图利用计算机再现这一过程：设计系统根据对设计条件的描 述抽象出实例特征，并建立筛选条件；根据这一条件从实例库中选择与设计要求最接近 的实例：对比两者之间的区别，调整选定实例中不能满足条件的因素，生成最终的设计 方案并更新实例库。因此把基于实例推理的方法引入到注塑模具分型面自动设计中来， 比求解某一种数学模型具有更好的表达效果和较高的效率及准确性。 注塑模分型面设计问题涉及到大量的领域相关知识和求解技巧，这些知识和技巧随 着设计者的经验、 - q 惯及设计条件的不同而不同，很难抽象出通用的表示因果关系的规 基于事例推理的往塑模具分型新自动设计技术研究 则，因此，基于规则的方法很难获得成功的应用：而基于实例的设计方法与r u l e b a s e d 等传统的人工智能设计方法不同。它不仅依赖于领域内的通用知识，而且通过建立问题 描述之间的抽象关系，应用以往特定设计环境下的独特经验，完成当前的设计任务，领 域专家的工作更多地倾向于描述设计的经验而不是抽象出设计的规则，因而更有利于系 统设计者与领域专家的交流。另外系统的自扩充能力较强，随着实例的积累，系统的求 解能力将不断提高。根据以上对比，基于实例的设计方法比基于规则的设计方法更适合 于模具分型面自动设计问题的求解。 因此，将c b r 技术应用于注塑模具分型面自动设计中具有以下优点： ( 1 ) 符合分型面设计强经验、弱理论的特点。将设计工程师的设计经验用事例的 方式表示出来，用于求解新的问题，e e 运用某一种数学模型的方法具有较好的效果。 ( 2 ) 充分利用了以往成功的设计方案，大大提高分型面设计的效率，从而缩短整 个模具设计的周期，同时减少设计过程中的人为错误，提高设计的正确性； ( 3 )由于实例自身包涵了大量的分型面设计经验知识，可省去大量知识的获取与 表达； ( 4 )由于每得到一个新的设计结果都可以存入分型面事例库，从而扩充了知识， 使系统具有一定的自学习能力； 因此，本文主要针对基于事例推理的理论、方法进行研究，并将其应用到分型面自 动生成中，实现模具分型面的自动设计。 1 3 2 课题的研究意义 模具分型面的设计在整个注塑模具设计中具有举足轻重的作用，因为分型面的设计 如果不合理，不仅直接影响到塑件的成型质量，而且还会给模具加工带来许多困难。目 前，分型面的设计主要依靠设计者的知识和经验，通过手工或人机交互的方式设计完成， 这大大降低了模具设计的效率，而且设计的质量得不到保证。因此，如何利用计算机进 行模具分型面( 线) 的自动设计成为了模具c a d 研究领域的热点。 随着模具c a d 技术的发展，已逐渐提高了模具设计的质量和效率，如模具标准件 的选择、模拟分析等模块已在模具设计的实际应用中发挥了比较重要的作用。但在模具 分型面设计方面，由于塑件结构的复杂性和多样性，导致其自动设计算法的研究进展比 较缓慢，尽管国内外学者针对这方面的研究已经取得了一定的成果，但大多还处于理论 研究阶段，在实际应用中，目前还没有出现能实用于各种情况下的分型面自动生成算法。 不能实现分型面的自动选择，也就无法实现从塑件模型到模具成型零件的自动转换。因 此模具成型零件自动生成模块的实际应用滞后于模具c a d 系统的其他模块，使得整个 模具c a d 系统的功能大打折扣，延缓了整个模具设计过程的自动化程度，因此本文提 出对分型面自动设计的研究具有较强的实际意义。 从目前模具分型面自动设计算法的国内外研究现状中可以看出，大多数学者试图通 过建立某一种数学模型的方法来全面表达分型面设计的过程，但由于塑件结构的复杂性 和多样性，使得数学模型的应用具有一定的局限性。而且分型面设计是一个经验性比较 强的过程，模具专家在长期的设计实践中所形成的感性经验往往是模糊的，非公式化的， 很难用某一种数学模型进行完整表示。随着人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 技术在模具设计中的应用，并取得了较好的效果。分型面设计的经验知识同样可以以特 基于事例推理的往塑模具分型面自动设计技术研究 定的知识表达方式记录并保存，使之可以永久的利用。因此把c b r 的方法引入到分型 面计算机辅助设计中来，拓宽了分型面自动生成研究的方法，从基于事例推理的角度分 析、解决分型面自动生成的问题，具有一定的理论意义。 要进行模具分型面的自动设计，需首先构建塑件三维模型，并建立分型面位置事例 库，以形状特征为索引推理出与塑件模型形状特征相似的事例模型，最后通过两者之间 的相似性模具确定分型面的位置。并通过在a u t o c a d 平台上进行二次开发，验证了基 于事例推理的分型面自动设计系统的可行性。 基于事例推理的注塑模具分型面自动设计技术研究 2 基于事例推理( g b r ) 的模具分型面设计系统的总体设计 2 1 模具分型面设计概述 2 1 1 模具分型面的类型 注塑模具分型面的分类按不同的标准，有不同的分法 3 7 】： ( 1 ) 根据分型面的数目，摸具有单分型面、双分型面和多分型面之分。 ( 2 ) 按照分型面的形状不同，有平面( 图2 1 a ) 、斜面( 图2 i b ) 、阶梯面( 图 2 1 c ) 和曲面( 图2 1 d ) 分型面四种。 ( 3 ) 根据分型面与开模方向的关系，有与开模运动方向平行的分型面、与开模运 动方向垂直的分型面、与开模运动方向成一定夹角的斜分型面。 图阑图图 ( a ) 平面分型面( b ) 斜面分型面( c ) 阶梯面分型面( d ) 曲面分型面 ( a ) p l a n ep s( b ) i n c l i n e dp l a n e p s ( c ) s t e p p s ( d ) c u r ep s 图2 - 1 分型面各种形状 f i g 2 - if o r m s o f t h e p a r t i n gs u r f a c e ( p s ) 2 1 2 模具分型面位置选择的常用原则 注塑模具设计过程中，分型面的选择是一个复杂的问题，除要根据塑件形状确定外， 还要受到其他因素的影响，例如塑件表面质量、锁模力、浇注系统的布置、排气系统和 可加工性等。所以，在进行分型面设计时，要综合考虑各方面因素，设计出比较合理的 分型面。实际应用中有些塑件分型面位置的选择，简单明确、唯一；而有些塑件则有许 多方案可供选择。但无论是什么样的塑件，分型面位置的选择总体上应该符合以下基本 要求：在合模注塑时能成形出合格的注塑零件：在注塑成形后，所成形的塑件能够 顺利的脱出型腔；构成该型腔的各模具成型零件应该具有良好的制造工艺性。为此， 模具设计时，应遵循如下的基本原则【3 8 】【3 9 】【4 。 ( 1 ) 分型面不仅应选择在对制品外观没有影响的位置，而且还应考虑如何能比较 方便清除分型面上产生的溢料飞边。 ( 2 ) 分型面的选择应有利于制品脱模，否则模具结构便会变得比较复杂。 ( 3 ) 分型面不应影响制品的形状和尺寸精度。 基于事例推理的洼塑模具分型面自动设计技术研究 ( 4 ) 分型面应尽量与最后填充熔体的型腔表面重合，以利于排气。 ( 5 ) 分型面选择时，应尽量减少脱模斜度给制品大小端尺寸带来的差异。 ( 6 ) 分氆面应便于模具加工。 ( 7 ) 选择分型面时，应尽量减少制品在分型面上的投影面积，以防此面积过大， 造成锁模困难。产生严重的溢料。 ( 8 ) 有侧孔或侧凹的制品，选择分型面时应首先考虑将抽芯或分型距离长的一边 放在动、定模开模的方向，使侧向抽芯行程尽量短。 分型面的选择是一个比较复杂的问题，在模具设计时，应先考虑主要因素，然后综 合考虑各个方面的要求，合理的确定分型面。 2 ，2 基于c b r 的模具分型面自动设计系统构造 2 2 1 系统开发平台 本系统选择美国a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 2 0 0 0 软件作为开发平台，该软件经历十 几年的发展，己成为全世界使用最广泛的c a d 系统，可以说在目前的机械工程设计行 业，a u t o c a d 充当了通用图形平台的角色，对该软件进行二次开发具有如下特点；系 统稳定性好，使开发出的软件比较稳定：其底层核心技术是在w i n d o w s 环境下开发完 成，具有强大的实体建模功能和用户熟悉的w i n d o w s 图形界面；开放性好，提供的应 用编程接口a p i 是基于o l e a u t o m a t i o n 的编程接口，包含了大量的功能函数，可以被 v i s u a lc - r + 、v i s u a lb a s i c 或任何支持m i c r o s o f fo l e ( o b i e c t l i n k i n g a n d e m b e d d i n g ) 技 术的编程语言调用，用户可以方便的利用这些函数进行二次开发，创建出用户定制的、 专用的a u t o c a d 功能模块。 2 2 2 系统概况分析 论文深入研究了国内外学者关于注塑模具分型面自动设计的算法，并加以对比