劉玉杰，姜 敏，王華昌，李建軍

（1華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074；2江蘇昆山市工業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 昆山215347）

在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中，注塑模零件種類繁多且形狀復(fù)雜，許多零件具有凹區(qū)域（如凹槽、側(cè)孔、孔洞等）和凸區(qū)域（如圓柱、凸臺、圓錐、球等），從而不能順利地從模具的型腔中脫離出來［1］。針對零件無法脫模的情況，一般有兩種解決辦法［2］:1）設(shè)計(jì)斜頂側(cè)向脫模機(jī)構(gòu)；2）設(shè)計(jì)滑塊側(cè)向脫模機(jī)構(gòu)。成型產(chǎn)品內(nèi)部側(cè)凹特征時(shí)，一般選用斜頂抽芯機(jī)構(gòu)，成型產(chǎn)品外部側(cè)凹特征時(shí)，一般選用滑塊抽芯機(jī)構(gòu)。一般情況下，抽芯機(jī)構(gòu)由兩部分構(gòu)成:頭部和體。頭部依賴于產(chǎn)品的形狀，體則由可自定義的標(biāo)準(zhǔn)件組成。對于體，現(xiàn)代企業(yè)一般利用抽芯機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)庫調(diào)出，而頭部一般都是手動制作。抽芯機(jī)構(gòu)頭部的手動制作過程是:創(chuàng)建方形包絡(luò)體，使包絡(luò)體包住側(cè)凹特征，利用產(chǎn)品或者分型面修剪實(shí)體，再通過偏置、替換面等操作完善實(shí)體，最后得到側(cè)型芯。手動設(shè)計(jì)步驟繁雜，效率比較低，極易出錯。因此，在UG上開發(fā)抽芯機(jī)構(gòu)智能設(shè)計(jì)工具，集成注塑模具抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)知識，快速方便地進(jìn)行抽芯機(jī)構(gòu)的批量生成，對注塑模設(shè)計(jì)效率的提升具有重要意義。

1 需求分析與功能設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

抽芯機(jī)構(gòu)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要目的是提高注塑模抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，將大量復(fù)雜的操作和數(shù)值計(jì)算交由計(jì)算機(jī)完成，從而降低注塑模抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，避免手工計(jì)算和減少交互操作，從而提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。抽芯機(jī)構(gòu)頭部的形狀千差萬別，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。抽芯機(jī)構(gòu)頭部設(shè)計(jì)模塊需要具備以下功能:1）快速布局斜頂與滑塊頭部位置；2）能在斜頂與滑塊頭部生成前判斷干涉情況；3）自動計(jì)算斜頂與滑塊頭部尺寸；4）根據(jù)斜頂與滑塊頭部設(shè)計(jì)知識，自動智能判斷頭部類型；5）能快速批量生成；6）斜頂與滑塊頭部出錯能修改、刪除；7）斜頂與滑塊頭部類型能夠支持后續(xù)擴(kuò)充，滿足不同需求；8）可輔助支持后續(xù)斜頂與滑塊設(shè)計(jì)。

1.2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，斜頂與滑塊頭部設(shè)計(jì)界面見圖1。

圖1 斜頂滑塊頭部設(shè)計(jì)界面

該工具可分別進(jìn)行斜頂與滑塊頭部的創(chuàng)建、編輯和刪除。1）斜頂頭部創(chuàng)建:用戶選擇斜頂類型，修改相關(guān)尺寸，點(diǎn)擊應(yīng)用即可生成斜頂頭部。為簡化用戶操作，斜頂類型會根據(jù)區(qū)域相關(guān)信息做出類型推薦，用戶也可手動更改斜頂類型。2）滑塊頭部創(chuàng)建:滑塊頭部的創(chuàng)建過程是全自動的，程序會自動識別需要創(chuàng)建滑塊頭部的位置并得到相關(guān)尺寸。3）斜頂頭部編輯:用戶可以編輯斜頂?shù)念愋团c尺寸。4）斜頂與滑塊頭部刪除:用戶點(diǎn)擊刪除頭部，程序自動識別所有已生成的頭部，用戶選擇需要刪除的頭部即可。為了滿足不同企業(yè)的實(shí)際情況，增加了斜頂頭部類型的配置文件，用戶可根據(jù)需求自行調(diào)整、擴(kuò)充。表1為斜頂頭部主配置表。

表1 斜頂頭部主配置表

2 算法實(shí)現(xiàn)

斜頂頭部與滑塊頭部設(shè)計(jì)的算法流程見圖2?？偨Y(jié)手動設(shè)計(jì)斜頂與滑塊頭部的方法，設(shè)計(jì)了一套適合程序?qū)崿F(xiàn)的算法。算法流程如下:1）獲取產(chǎn)品上所有的倒扣面，按鄰接關(guān)系分組，每組為一個(gè)倒扣區(qū)域，需要在每一個(gè)倒扣區(qū)域創(chuàng)建頭部；2）確定每個(gè)倒扣區(qū)域的脫模方向，這決定了頭部的放置方位，并為后續(xù)設(shè)計(jì)提供支持；3）確定每個(gè)倒扣區(qū)域的定位點(diǎn)和定位矩陣，這決定了頭部的具體放置位置；4）判斷做成斜頂頭部還是滑塊頭部，不同的頭部類型設(shè)計(jì)的方式不一樣；5）調(diào)入標(biāo)準(zhǔn)頭部（若做成斜頂）或創(chuàng)建包絡(luò)體（若做成滑塊），并根據(jù)區(qū)域大小修改相關(guān)尺寸；6）修剪頭部，把多余的部分通過分型面或?qū)嶓w修剪的方式得到最終的頭部形狀。下面將詳細(xì)分析每個(gè)流程的算法實(shí)現(xiàn)。

圖2 頭部設(shè)計(jì)算法流程圖

2.1 獲取倒扣區(qū)域面

本文采用基于表面可見性的特征識別方法來識別倒扣區(qū)域面［3］，同時(shí)支持手動設(shè)置倒扣區(qū)域面。

2.2 確定脫模方向

實(shí)體上面的類型分為平面和曲面，曲面又可分為圓柱面、圓錐面和其他類型曲面等。各種類型面的法向矢量如圖3所示。其中，平面的法向?yàn)槠矫嫒我稽c(diǎn)的法向，圓柱面和圓錐面的法向沿中心方向，其他類型曲面法向不定，可以采用三角離散的方法［4］，將曲面離散成一個(gè)個(gè)微小三角形，每一個(gè)小三角形均為一個(gè)小平面，這樣就把曲面轉(zhuǎn)換為很多個(gè)微小平面，再按平面的法向判斷方法獲得每個(gè)微小平面的法向。

圖3 各類型面的法向矢量

依據(jù)上述理論，確定倒扣區(qū)域脫模方向的算法流程如下:

1）得到倒扣區(qū)域的所有面以及每個(gè)面的法向，各類型面的法向依據(jù)上述方法判斷；2）將得到的所有法向（其他類型曲面法向轉(zhuǎn)換為多個(gè)平面的法向）沿X－Y平面投影，得到所有投影矢量，并過濾掉零矢量；3）獲取單一投影矢量的脫模范圍。單一矢量的脫模范圍如圖4a所示，為與該矢量垂直的180°范圍；4）獲取所有投影矢量的脫模范圍。多個(gè)矢量的脫模方向如圖4b所示，為每個(gè)矢量脫模范圍的交集。5）取所有投影矢量脫模范圍的中值，作為倒扣區(qū)域的脫模方向。

圖4 矢量的脫模范圍

2.3 確定定位點(diǎn)和定位矩陣

定位點(diǎn)決定頭部的放置位置，定位矩陣決定頭部的放置方向，通過定位點(diǎn)和定位矩陣可以確定頭部的方位。定位點(diǎn)的確定方法如圖5所示，首先獲取倒扣區(qū)域包絡(luò)體，再根據(jù)前面得到的倒扣區(qū)域脫模方向，即可得到定位點(diǎn)的坐標(biāo)。定位矩陣是一個(gè)3×3的矩陣，分別為X、Y、Z三個(gè)方向的單位矢量，其中Z矢量為（0，0，1），Y方向?yàn)榍笆龃_定的區(qū)域脫模方向的單位矢量，再按右手螺旋定則得到X方向矢量，即可得到定位矩陣。

圖5 定位點(diǎn)確定方法

2.4 判斷做成斜頂頭部還是滑塊頭部

側(cè)凹特征的類型決定是做成斜頂頭部還是滑塊頭部。對于外側(cè)孔、凸臺等外部側(cè)凹特征，一般做成滑塊頭部，對于內(nèi)側(cè)卡勾、內(nèi)側(cè)凸臺等內(nèi)部側(cè)凹，一般選擇做成斜頂頭部。根據(jù)上述理論，如果倒扣區(qū)域所有面沿脫模方向打射線都不與產(chǎn)品相交，則做成滑塊頭部，否則做成斜頂頭部。

2.5 頭部修剪

如果做成斜頂頭部，則根據(jù)前述定位點(diǎn)和定位矩陣以及用戶選擇的斜頂類型導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)斜頂頭部。斜頂頭部的修剪方式有兩種，一種是依賴于產(chǎn)品，根據(jù)產(chǎn)品來修剪頭部，其修剪的原理是通過幾何關(guān)聯(lián)復(fù)制（WAVE）技術(shù)和布爾求差實(shí)現(xiàn)［5］。另一種是依賴于片體（分型面）或面，通過面來修減頭部，其修剪的原理是通過幾何關(guān)聯(lián)復(fù)制（WAVE）技術(shù)和修剪體功能實(shí)現(xiàn)。

如果做成滑塊頭部，由于此區(qū)域在產(chǎn)品外側(cè)且常常有孔洞，故無法通過分型面或者產(chǎn)品修剪頭部的方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)此倒扣區(qū)域的特點(diǎn)，可把倒扣區(qū)域面拉伸成實(shí)體來修剪頭部。具體算法流程如下:

1）在倒扣區(qū)域創(chuàng)建包絡(luò)體；

2）得到產(chǎn)品在包絡(luò)體中的所有面；

3）獲取每個(gè)面的法向，過濾掉法向與脫模方向成銳角或直角的面；

4）把剩下的面沿脫模方向的反向拉伸，拉伸長度為包絡(luò)體的長度；

5）將包絡(luò)體與所有拉伸的實(shí)體求差即可得到此區(qū)域的滑塊頭部。

2.6 抽芯機(jī)構(gòu)體的生成

通過給生成的頭部賦屬性，把頭部的相關(guān)信息記錄于屬性之中，這樣就實(shí)現(xiàn)了頭部與體之間的接口。后續(xù)通過抽芯機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件庫調(diào)用體的時(shí)候，可以直接遍歷部件得到所有設(shè)計(jì)好的頭部，通過屬性獲取頭部的尺寸、角度等相關(guān)參數(shù)來驅(qū)動體的相關(guān)尺寸，再通過布爾求和操作，實(shí)現(xiàn)抽芯機(jī)構(gòu)整體的生成。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖6為產(chǎn)品倒扣區(qū)域圖，圖7為利用斜頂與滑塊頭部設(shè)計(jì)工具和相關(guān)體的設(shè)計(jì)工具自動生成的斜頂和滑塊組合圖。在使用此工具時(shí)，程序會自動判斷所有需要設(shè)計(jì)頭部的區(qū)域，并自動計(jì)算位置、尺寸，用戶只需選擇需要的頭部類型，即可準(zhǔn)確生成頭部，并通過添加相關(guān)屬性來支持后續(xù)抽芯機(jī)構(gòu)體的設(shè)計(jì)。

圖6 產(chǎn)品倒扣區(qū)域圖

圖7 斜頂與滑塊組合圖

4 結(jié)束語

基于人機(jī)交互設(shè)計(jì)抽芯機(jī)構(gòu)頭部的過程，利用UG三維造型軟件提供的相關(guān)功能，通過獲取倒扣區(qū)域面、確定脫模方向、得到定位點(diǎn)和定位矩陣、判斷頭部類型、調(diào)入頭部以及修剪頭部等一系列算法流程，開發(fā)注塑模抽芯機(jī)構(gòu)。軟件能快速布局斜頂與滑塊頭部位置、自定計(jì)算頭部尺寸、支持通用斜頂與企業(yè)專用斜頂以及為后續(xù)斜頂和滑塊體的設(shè)計(jì)提供支持。應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)軟件可提高斜頂與滑塊頭部設(shè)計(jì)效率70%以上，同時(shí)也保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少差錯發(fā)生。

［1］ Fu M W，F(xiàn)uh J Y H，Nee A Y C.Undercut feature recognition in an injection mould design system［J］.Computer-Aided Design，1999，31（12）:777-790.

［2］ 敬 東.UG標(biāo)準(zhǔn)件庫開發(fā)實(shí)例教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［3］ 毛齊珠.基于特征識別的注塑模抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2013.

［4］ 柯映林，周儒榮.實(shí)現(xiàn)3D離散點(diǎn)優(yōu)化三角劃分的三維算法［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，1994，6（04）:241-248.

［5］ 趙俊杰，王華昌，李志剛.基于UG的關(guān)聯(lián)技術(shù)在注射模成型零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.模具工業(yè)，2007，33（05）:12-15.