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塑料注射模具冷却系统的自动设计 摘 要 本研究扩展了我们以前对初步设计阶段的自动化调查冷却系统设计的工艺布局设计阶段。而在功能方面冷却系统的初步设计阶段考虑，布局设计阶段涉及的设计的功能性和可制造性。图形结构捕捉一个给定的初步设计图的遍历算法，从图形结构产生候选的冷却回路。启发式搜索技术开发的冷却回路的布局设计的初步生产计划生成。对布图设计的模糊评价框架开发的各种设计方案的生成率。一个实验实验系统来验证该方法的可行性，并从系统生成的例子来说明设计过程自动化的主要步骤。Q 2004 Elsevier公司保留所有权利。关键词：设计自动化；自动化设计合成；塑料注射模冷却系统的设计1、简介 对塑料注射模冷却系统的作用是在注射成型过程中提供的热调节。当热塑料熔体进入模具的型腔，它通过冷却系统冷却并凝固散热。在冷却阶段一般约占注射成型过程的总周期时间的三分之二，高效冷却的过程是非常重要的生产力。冷却系统在产品的质量也起着重要的作用。冷却系统提供整个部分均匀冷却防止收缩，内部应力，保证了产品的质量，和脱模的问题。除了功能方面，冷却系统的设计还应考虑系统的可制造性来控制模具的建设成本。 冷却系统的设计是个复杂的过程，可以分为三个阶段：初步设计、布局设计和详细设计。虽然，CADCAM系统广泛应用于注塑模具的设计，它们主要局限在详细设计阶段提供的几何建模工具。专业独立的或附加的软件包，为模具结构各部件或子系统的设计提供了交互式几何建模工具也可售。然而，有限的研究工作的自动化工具，可以发挥更积极的作用，在初步设计阶段的报道。在以前的研究项目中，我们开发了一个基于特征的方法创建初步设计自动和给定一个塑件形状复杂，基于特征的方法分解成更简单的部分的形状特征，称为冷却特点。冷子流程，然后自动生成每个确认功能提供所需的冷却功能。在目前的研究中，在设计过程的自动化扩展到规划设计阶段。技术的发展而产生的设计自动从初步设计考虑到冷却系统的功能和制造方面。2、相关工作 有四个主要的研究领域为塑料注射模具冷却系统，相关即计算机辅助工程（CAE）分析，优化设计，新的制造技术，和自动化的设计合成。大多数早期的研究工作专注于CAE分析。经过二十多年的广泛研究，商业CAE软件包如MoldFlow软件Moldex3D目前已经广泛的应用于实践，分析一个给定的设计。这些CAE方法预测的温度分布和冷却时间的变化。效率和质量可以实际模具制造之前估计。而CAE方法能够分析一个给定的设计，他们不建议改变设计的问题时，从分析检测结果。优化方法报告利用CAE分析结果优化设计。给定一个初始的冷却结构设计，目标函数转化为一个测量温度的均匀性和冷却效率。目标函数表示的参数与配置的冷却系统和工艺条件。通过优化算法与冷却分析算法相结合，初步设计可以微调优化冷却系统的设计。 最近，方法，建立更好的冷却系统，采用新的制造技术已被报道。代替传统的钻孔方法产生的直线通道，Sachs等人。报道了一个方法，利用实体自由成形制造技术生产的随形冷却水道。这样的渠道从模具中的印象，保持一定的距离，因此，精确的温度控制是可能的，即使是一个具有复杂形状的零件。据报道，温度分布更加均匀，塑件的尺寸控制，从而可以实现更好的。Sun等人。用数控铣床铣槽产生的U形冷却通道。这种技术类似于形冷却的方法，在渠道能够按照模具形状的印象。随形冷却方法，在温度控制的改进也有报道。 我们的工作重点是在冷却系统的自动设计合成，这是一个方面，没有得到很好的研究。在我们以前的工作基于特征的技术，初步设计了自动生成。本文报道的工作集中在版图设计自动化。自动布局设计过程转化为一个启发式搜索过程。通过启发式搜索设计自动化是一种常用的技术，并已在机械设备自动化设计研究。启发式引导的设计过程是基于冷却性能和候选设计可制造性模糊评价。在各种应用领域的自动可制造性分析已经被广泛的研究，并grupta等人。报告全面调查。评价方法研究的灵感来自于报道的方法在可制造性评价机械零件和安装计划。模糊逻辑在评估使用的灵感来自于模糊逻辑在注射模设计中的各方面研究中的成功应用，包括分模方向的确定和可塑性分析。3、该方法的概述 在初步设计阶段，主要要解决的问题是，功能要求，冷却要求，一个给定的塑料部分。初步设计指定的类型（例如u-circuit，平行通道，鼓泡器、冷却塔等），大小（例如通道长度和直径），和冷却元件的冷却形式的子流程的大致位置。每个子流程提供冷却功能，带走的部分区域的热。我们以前的研究表明，初步设计主要可以从零件的几何形状决定的，和一个自动化的设计特征识别方法。给出的初步设计，完成冷却流程的开发在布局设计阶段通过连接各个子流程和冷却的元素结合在一起。版图设计过程中考虑可制造性和对冷却流程物理实现的可行性。 在目前的研究中，调查的重点是冷却不使用并行冷却系统或者只有一个冷却回路系统。要处理包括的主要项目：主要的冷却单元的位置，通道连接冷却通路和流程，以及冷却系统的入口和出口的位置。每个项目的设计是相互关联的，设计过程分为四个主要阶段的操作。（a）一个图结构推导表示图的初步设计和修改，便于后续操作。（b）冷却回路图结构的生成。（c）候选的冷却回路，通过发展初步的生产计划对布图设计的一代。（d）对冷却性能和可制造性的候选布局设计的评价。 设计过程的第一阶段是准备阶段，从而导出以利于后续操作形成初步的设计表现。从第二阶段，控制结构在设计过程中用来控制进程从一个阶段过渡到下一个，和回溯从后期到前一阶段。设计过程转化为一个搜索过程，即在每一个阶段的候选设计选择处理。一个搜索树来表示设计过程，如图所示图1，在搜索树的每个节点代表一个操作或操作输出。作为一个选择在某个阶段，最终可能会导致在后期一个死胡同，回溯法是重要的设计过程。例如，一个候选人的冷却回路，最终可能导致布局设计，冷却性能具有非常低的评级。为了寻找一种替代方案，设计过程的回溯到调查第二阶段（a）从相同的进口替代的冷却回路；或（b）替代进口并生成一个新的冷却回路，然后重复后续阶段的开发方案设计。（图2）（1）对一部分冷却系统的初步设计。为便于说明，只有模具的一半显示核心。显示了设计过程中产生的最终的布局设计。（2）显示了两个在设计过程的第二阶段产生的替代品。 图1表示设计过程的搜索树 图2自动布局设计过程 3.1、图的表示和操作的初步设计 一组子流程组成的各种类型的冷却元件形成一个初步的冷却系统设计，生成的布局设计的一个基本问题是身份适当的连接子流程内（例如一组平行通道之间的互连）和相邻的子流程（如连接在两u-circuits相邻两层）使他们可以连接到形成一个完整的冷却回路。 基于图形的技术来解决这个问题，这包括三个主要步骤。（a）设计的初步设计图。（b）在图中添加额外的节点和边为代表的各种可能的联系和子流程中。（c）用一个具体的图的遍历的方法找到对应的候选冷却回路的路径。步骤1和2是在下面的小节描述的步骤3，并将在下一节中描述的。3.2、图表示这是初步设计图最初是一套相互独立的子图的构造，使得每个子流程的初步设计规定的子图表示。在子图中的每条边代表一个冷却通道，每个节点表示一个入口，出口，或连接点之间的相邻通路。在图的边上都标有一个属性：L，C的边缘或x-edge。L用于表示直线边缘冷却通道（L）。C-EDGE用于表示冷却通道的边缘形状复杂（C型）。x-edge用于边表示通道，从而起到互连的子流程或子流程内（冷却元件X通道）。冷却元件在每个子流程如下：一个人的冷却通道，两节点连接的L的使用；对平面冷却元件（如u-circuit或V-channel），一个简单的路径的节点组成的交替序列L型边使用；具有一个入口和出口，在彼此接近的元素（如鼓泡器和挡板），或一个元素与三维复杂的冷却通道（如冷却塔），两节点连接的C-EDGE使用。3.2.1图改性 冷却系统不使用并联冷却只有一个冷却回路对应于该图表示一个简单的路径。搜索图的一个适当的简单路径连接所有或大部分的冷却元件在初步设计规定的，应是一个连通图的图。然而，图初步建成代表初步设计是没有关系的，因为有子图对应的各个子流程之间没有连接，和子流程本身可能不通过连接组件的图形表示。因此，最初的图要修改的一组操作，成为连接图。3.2.2改性的运算 这些子图只包含L型边，这为代表的渠道L型边躺在同一平面上，被称为运算。典型的冷却元件被运算包括u-circuits，v-channels，以及并联冷却通道位于同一平面集。每个L-图进行了修改，如果有必要，形成至少一个周期的一个连通子图。改性是通过添加额外的通道，连接现有渠道的终点了。显示结果图结构源于一个简单的例子，初步设计了图2。注意，图的结构是由两个连通子图，并且每个子图是由L型边这代表了冷却元件在初步设计规定的，和X边这是在图形修改补充。 图3冷却系统的初步设计图3.2.3子图融合 合并的子图的目的是将个体形成连通图的子图。由于每个子图代表一个初步设计中指定的子通路，合并过程应（i）避免在子图的任何重大修改；和（ii）使用尽可能短的x-edge每当一个x-edge需要建立一个连接。这些确保合并过程中不造成的初步设计是在单独的子图表示的意义偏差。合并的过程包括两个阶段。 在第一阶段，只运算被认为是。考虑两运算LGI和LGJ躺在飞机的PLI和PLJ。他们合并，如果（我）PLI和PLJ他们之间是平行的几何距离小于阈值；或（ii）PLI和PLJ在同一平面上，并有一对平行的通道，一个来自LGI和其他从LGJ这样，他们之间的几何距离小于阈值。在前一种情况下，LGI和LGJ合并成一个单一的子图，按照下面的方法添加节点和边。在原代表相应的渠道运算翻译是从PL等距离的平面I和PLJ。在后者的家，LGI和LGJ通过将通路对合并（因此在子图对应边）由一个单一的通道，两通道之间的谎言。 在第二阶段，所有子图被考虑进去。任何两个子图的合并如果距离他们之间是最小的。这个距离两个子图之间GI和GJ是指之间的最小距离距离边缘之间的GI和一个边缘GJ。这个距离之间的边缘EI对GI和边缘EJ对GJ是指由通道之间的最短距离EI和EJ。合并执行迭代，直到所有的子图合并成一个单一的图。 合并两个子图GI和GJ（没有必要运算），一个x-edge（可能是一个额外的节点）添加；这相当于增加一个通道连接两个子流程为代表的GI和GJ。该通道的冷却效应没有在初步设计阶段考虑，最短的渠道应该是用来避免在冷却系统的冷却效果有明显的变化。因此，这个新通道的两端点，对每一个子流程，应放置的位置处的最小距离GI和GJ得到了。如果出现两平行通道之间的最小距离，两个新的渠道（这两X边）的构建。在每个通道的结束点至少有一个是在子流程存在的终点。如果相同的最小距离发生平行通路多间，X边用相同的方法添加到每一对。连通图G从合并过程中获得的是代表不同的方式冷却元件和子流程可以连接。连通图的初步设计图2。4、候选冷却回路的生成从连接图找到候选人的冷却回路G从上一步得到的，入口是第一选择的节点间的G。启发式算法可以根据一个特定的成型条件的具体要求，这个选择。一个简单的启发式，对应的冷却系统设计的一个常见的做法是选择节点，靠近门的位置。从选定的入口节点，一组简单的路径是从G通过遍历G使用一个特定的递归的深度优先搜索算法。在搜索树，捕捉所有简单路径对应的候选冷却回路选用进口的搜索结果。对设计过程的要求是，冷却回路产生应尽可能多的冷却元件的连接。这就要求简单的路径应尽可能长。的概念最大路径因此，介绍。给定一个节点n零进入G一开始，路径n零最大如果终止于一个结点nn这样，所有节点相邻nn包括在路径。换句话说，一个最大的路径不能进一步扩展的长度没有创建一个环。图4 从节点2开始冷却回路的产生。4.1、路径搜索算法最初，一个搜索树T是用一根对应于给定的开始节点构造n0。的搜索算法，然后调用图G开始结n0。搜索算法首先检索所有节点n1这是相邻的输入节点n0进入G。如果n0没有一个相邻节点，然后搜索算法终止。否则，相邻节点nI存储到树T作为儿童n0。图G然后复制到一个新的图G-输入图，n0n1和它的所有相邻节点n1）是从G。搜索算法是递归调用每个n1和一个新的图G。递归搜索算法最终终止与一棵树T包含所有的最大路径G从那开始n0。下面进一步说明算法的伪代码。算法的路径搜索（G，N0）输入：输入图Gn0输入节点全局变量：这个搜索树开始检索节点n1这是邻近N0先生；如果没有节点检索，去结束其他的存储每个n0；删除所有的边缘n0n1在G一对于每个n1路径搜索（G，n0）终点。4.2、该算法的证明这是证明搜索树的重要T所产生的路径搜索（G，n0）实际上包含了所有可以从一个给定的节点的最大路径检索n0进入G。更具体地说，它是证明任何最大路径从n0进入G，有一个对应的路径图。考虑一个最大的路径P进入G随着节点序列n0，n1，n2,nK，。很明显，n0在任何路径T从起点到节点T。假设有一个路径PT进入T对应于该段n0，n1，n2,nK的最大路径P。考虑节点nK这是相邻的nK进入G。结nK不等于n1，I=0,K。否则，最大的路径P不是一个简单的路径。因此，边缘从图形中删除G（G1，n1）I=0,K1，构建路径PT进入T。因此，当路径搜索调用一个G1与起始节点nK，G1必须包含的边缘nknk-1。作为一个结果，执行搜索路径（G1，nK）nK一并将其保存为子节点nK进入T。路径段n0，n1，n2,nK因此存在T。使用感应，路径n0，n1，n2,nK存在T。显示的最后一个节点nn最大的路径P存储为一个叶节点T考虑到所有的节点，n1进入G这是邻近nn。根据最大路径的定义，所有相邻节点nI的最后一个节点nn在最大的路径。考虑执行路径搜索（G1，nI）处理相邻节点nI。作为nn相邻邻nI。因此，当路径搜索（G1，nn）时，相邻的节点nI将检索到的因为所有的边上nn进入G已删除G一由以前的处决路径搜索（G1，nI）。路径搜索（G1，nn）从而终止不创建子节点nn，离开nn作为一个叶节点T。5.布图设计 给定一个候选的冷却回路，接下来的任务是通过开发一个初步的生产计划生成的布局设计生产的冷却回路模具中插入，和（ii）连接流程的入口和出口通过模架的模座的侧壁。（一）显示了一个简单的流程和模具镶件。（b）显示孔的模具，实现流程的钻。流程中的每一个通道被钻了一个洞从墙的模具插入形成的，和一个插头插入密封孔进入。该流程的进出口连接到沿镶件的安装方向钻模座。这确保密封胶（如O形圈）可以正常安装在模具和模具基体之间的界面。通道垂直于模座的侧壁然后加连接进水口和出水口。图5实现冷却回路的钻孔方法。5.1、钻孔方向有参与布局设计生成的两个主要的任务：（一）每一通道的钻孔方向的选择（ii）通道位置的调整时，有一个通道和其他模具零件之间的干涉。确定一个通道钻孔方向，想象的通道从一端到延伸部分与模具插入边墙。一般来说，有两个方向，一个从每个底部，拓展水道。平行水道，有更多的选择。一套R共线性的通道，该通道可分为两组R1种不同的方法，从而有R1钻通道的方法。因此，一个流程n共线性通道集M独立的渠道已超过2m n在选择钻井方向的选择。选择的数量的通道数是指数级的，启发式搜索来找到每个通道一个适当的延伸方向。显示两例如冷却回路可能的选择。所示的替代的图6（b）要求在三个方向上钻孔（C）需要在五个方向钻。前者是可取的，因为它需要更少的机器设置。启发式是用来选择需要更少的机器设备和更短的加工时间。启发式搜索是由两个主要的操作阶段：图6 对于不同的布局设计，同样的冷却回路不同钻孔方向。从一个流程的第一通道，每个通道依次检查是否是唯一可行的方向延伸。在这种情况下，通道是可行的方向延伸。一个通道只有一个可行的延伸方向在另一个方向，结果延伸通道（包括延伸部分）在不相邻的通路的路径；终止于制品的表面（即成型品的表面）或与其他模具零件。已使用的渠道延伸标记为方向优先方向。这些优先方向作为启发式，引导方向的选择对剩余的通道阶段2。从第一个通路尚未延伸阶段1再次开始，每个通道依次为可行方向。这是必要的因为阶段1一些渠道已经扩展，这可能会影响其他渠道的可行的延伸方向。如果有一个通道的两个可行方向，一个方向是基于以下的启发式选择。选定的方向是唯一的方向，是一个优先方向。如果可行方向的优先方向，或是没有一个方向，然后方向，结果在一个较短的长度是。一次，是不是一个优先方向是选择的扩展，它被标记为优先方向。优先方向的使用会降低钻井方向的数量，以便在机器设置的时间可以减少。使用方向较短的延伸部分，减少了加工时间和避免深孔钻所需要的额外的努力。一个简单的例子说明图7。（a）和（b）显示阶段1在渠道操作L一和L五只有一个可行方向延伸。（CE）显示在主要的步骤阶段2运营（C）显示剩余的通道，没有扩展的可行方向。（d）显示扩展L二在一个方向，结果在一个较短的延伸部分。三优先方向后延伸L二显示。（E）显示的最终结果后的首选方向延伸的其它所有通道。图7 钻孔方向的测定 在一定的冷却回路，它可能的情况是，有在运作阶段的渠道不可行方向。当这种情况发生时，手术终止和设计过程的回溯工作的另一个冷却回路。如果所有的冷却回路，来自选定的入口节点已经用尽，设计过程的回溯到选择另一个入口，产生一组新的候选人的冷却回路。5.2、通道位置的调整保持模具结构的强度，这是必需的，一个通路不能钻孔太靠近模具组件。因此，它被认为是一个通道，如果任何面对模具插入钻孔之间的最小距离小于阈值的干扰Tint。当干扰发生时，有必要调整通道的位置。从第一个通道，每个通道的检查的干扰，和调整方法的选择和应用，如果有必要的通道。如果所有的适用的调整方法不能去除干扰，调整过程结束和设计过程的回溯。尽量减少对冷却回路的整体散热性能的影响，只有一个小的调整的通道的位置是不允许的。让Tint可允许的最大调整，X是沿特定方向的渠道调整量，FI表示面定义模具镶套，和D（X，FI）的最小距离FI和渠道的调整位置X。沿给定方向的优化调整是最小的X为冷却回路的连接序列形成的通道，一个通道的调整可能需要与相邻通路保持连接的相邻通道的调整。因此，根据相邻通路之间的几何关系，选择调整对相邻通路的必要的调整方向是不同的