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畢業(yè)設計（論文）譯文
· 一種面向?qū)ο蟮淖⑺苣ｊP聯(lián)冷卻水道設計工具
摘要 為了短期產(chǎn)品研發(fā)周期的需求，要求注塑模具設計師壓縮他們的設計時間和能適應更多的后期更改。本文介紹了一種嵌入在冷卻水道模塊內(nèi)的模具設計軟件包內(nèi)的關聯(lián)設計方法。它對冷卻回路提供了一系列全面的對象定義，還給出了平衡或不平衡的設計。這里將對已開發(fā)出的CAD算法進行了簡要說明。有了這種新方法，模具設計人員可以輕松地在模具板或插件與冷卻系統(tǒng)兩者之間做出改變而無需進行繁瑣的重復性工作。因此，這種方法可以有效地減少設計時間和后期設計更改的影響。
關鍵詞：冷卻回路 塑料模具設計 CAD/CAE關聯(lián)設計 設計自動化
·1．引言
目前，大多數(shù)CAD系統(tǒng)還無法完全和明確地捕捉設計意圖。豐富的設計信息不能完全由CAD模型來描述，并在產(chǎn)品開發(fā)周期的后期的設計更改將引起大量的重復勞動。眾所周知，CAD的交互操作性應包括基于知識的工程系統(tǒng)的集成。然而，沒有任何機械能使設計意圖信息流通。在注塑模具設計中這種信息差距也是非常明顯的。模具設計人員面臨著越來越多的壓力來減少設計時間并且還要確保模具質(zhì)量。
自20世紀70年代初以來各種設計注塑模具的CAD已經(jīng)出現(xiàn)了，其中大部分集中在模流分析及優(yōu)化算法。近年來，模具子系統(tǒng)的設計一直是（研究）的焦點，例如凸凹模插件、流道、澆口位置和冷卻系統(tǒng)等。對于冷卻系統(tǒng)的設計王等﹝11﹞提出了一個三階段的策略，與一維近似、二維優(yōu)化設計、三維設計冷卻效果分析設計。他們已經(jīng)開發(fā)出一種程序，使用三維邊界元法來分析三維熱傳導。所有上述提到的工具只能生成一般的幾何信息。豐富設計信息的表達和重復利用不同程度地沒有提到。
面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)已經(jīng)應用來滿足模具設計信息表示的差距。在復雜實體中對象的定義可以提供大量的幫助，特別是部分獨立部件和特征。然而，維持幾何實體之間的關系并使它們可定制還不是一個簡單的任務。可以持久實現(xiàn)幾何實體之間關系的CAD軟件發(fā)展方向被稱為相關設計方法。一種方法是在一個過程向?qū)е薪⒁粋€CAD系統(tǒng)的設計意圖和過程知識，它基本上是一個應用程序的測試與用戶界面的設置結(jié)合，來引導用戶完成特定的計算機系統(tǒng)的相互作用構(gòu)成。EDS公司的MouldWizard系統(tǒng)就是這樣一個基于流程的向?qū)?。本文介紹了應用于冷卻水道的相關設計方法的市場反饋，表明這一概念大大減少了人類知識和計算機一貫表示的差距。
在一個模具中冷卻系統(tǒng)不僅影響成型零件的質(zhì)量而且還影響生產(chǎn)效率。在目前的實際生產(chǎn)中，在一套模具中至少有四個主要的冷卻回路。它們都位于型腔插件，插件的型芯，一個A板和B板。王和Singh等認識到，在設計冷卻系統(tǒng)中有很多參數(shù)和設計變量，如位置、冷卻管道類型和三維回路布局，通常需要頻繁的修改來解決部分后期設計中的變更以及模具的優(yōu)化設計。修改過程耗時且容易出錯，因為設計師需反復編輯和更新CAD模型。莫克等開發(fā)了可以自動檢索某些回路模式的冷卻系統(tǒng)，如直線型或U型冷卻回路，但對實體之間的幾何關系沒有論述。莫克等引入了一種冷卻系統(tǒng)的專家設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了四個層次，布局設計、分析、評價和決策。一種決策模塊根據(jù)儲存在知識庫中的規(guī)則對冷卻水道的重新設計進行了評估。然而，沒有綜合與參數(shù)化的CAD系統(tǒng)。
總之，高效率和用戶友好型的冷卻系統(tǒng)設計工具是備受追捧的，這樣的系統(tǒng)可以達到令模具設計師從繁瑣的更新和保持設計模型一致中得到解放的預期，使模具設計周期的總時間縮短。本文介紹了提供冷卻和它們之間的散熱孔面回路所產(chǎn)生大量的相關鏈接的自動化的冷卻水道的設計工具。
1.1通用與把握設計意圖的相關問題
在工業(yè)生產(chǎn)中，通常冷卻水道是以冷卻回路的形式構(gòu)成的，但孔特征作為CAD工具的代表。另一方面，經(jīng)驗豐富的設計人員發(fā)現(xiàn)經(jīng)常用圓柱體來代替冷卻水道。在后一種方法中當設計完成時所有的管道都連接起來形成一個冷卻回路。在CAE分析工具的幫助下用這種連接回路能對冷卻效果進行評估。這些不能轉(zhuǎn)化為孔直到設計工作完成的回路是為CAM工具路徑的產(chǎn)生做準備的。用這樣的表現(xiàn)形式，一個CAD系統(tǒng)可以顯示或繪制自視檢查的冷卻水道，而不顯示凸?；虬寄２寮湍＞甙宓募毠?jié)特征。與孔特征相比重新定位和修改實體需要更少的步驟。它能自動檢測冷卻水道和其它模塊之間的功能如型腔和銷孔碰撞。
然而，圓柱體冷卻水道的代表形式有幾個問題。首先，許多步驟仍需要一個簡單的通道，如創(chuàng)建一個圓柱體，在一個情況下的倒角中的盲孔盲端，并通過一系列的對話方塊的位置和朝向運行。通常，冷卻回路有很多的管道，所以它們的創(chuàng)建需要很多的重復命令。當需要修改時要再次對圓柱進行重復編輯。這種情況很容易出錯。其次，在冷卻水道中對自動傳熱分析或碰撞檢測是很重要的。第三，在用戶友好的操作方式中它們不能為插頭噴嘴或擋板插入冷卻水道提供方向信息。因此，模具設計師被繁瑣的步驟所困擾。
1.2冷卻系統(tǒng)中的語義定義
一種面向?qū)ο蟮能浖O計方法可用于解決上述一節(jié)中討論的問題。它提供獨立的冷卻系統(tǒng)動態(tài)更新的定義，對冷卻系統(tǒng)的驗證是必不可少的一種對象類型或種類的集合。在圖1中，顯示了簡化的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關組件的類型。每個組件類型被定義為一個對象類。
冷卻水道被定義為其中包含冷卻液（在大多數(shù)情況下是水）的連續(xù)直孔。它可以包含在一個單一的模具組件（片或插件），或貫穿幾個。本文中“孔”是用來描述在一個單一的模具組件的冷卻水道中的幾何形狀，但其表現(xiàn)與傳統(tǒng)的孔特征是不同的（見下一節(jié)）。如圖2所示是冷卻回路的一個例子。1-5孔是冷卻水道。一個冷卻回路代表連接在入口和出口之間的冷卻水道。幾個冷卻回路形成一個冷卻系統(tǒng)。在圖2中孔1-5共同形成了一個冷卻回路。一個回路可有幾個不同方向的冷卻水道。這些管道由從不同模具板和插件面的鉆孔的冷卻孔組成。一個用于鉆孔的面稱為穿透面。當然，冷卻孔有一個穿透面和鉆孔量總從滲透面指向另一端。通常情況下，冷卻孔垂直穿透面。然而，為了適應某些特殊情況，這種限制是不影響本文目的的。
圖1冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖2 冷卻回路的例子
在實際中，如圖3中的一個例子冷卻水道跨越了多個塊。它由幾個連接的共線散熱孔（孔1，孔 2，孔3）。這樣的管道被專門命名為彩色線性冷卻水道。
在許多情況下，多印象設計用于模具布局。有兩種方法來建立冷卻回路即：平衡和不平衡。如果同樣的冷卻回路模式適用于每一個印象，則冷卻系統(tǒng)被稱為均衡。否則，冷卻系統(tǒng)是不平衡的。通常，如果模具是一個平衡的多模式設計的印象[14]，設計者希望有印象的每個部分是相同的冷卻回路，則平衡的方法被使用。在這種情況下，因為每個回路設計主要用來滿足一個印象，來滿足傳熱要求的冷卻效果會更好控制。這是為特別復雜的成型件推薦的可利用仿真優(yōu)化包的冷卻方法[11]。采用這種方法，CAD的功能可以普遍滿足模具設計師在冷卻回路格局上的個人的變化需求。
圖3典型的共線冷卻管道
另一方面，設計者可以把模具作為一個整體看待而不考慮冷卻回路的印象模式設計，如果這樣的話，他可以采用不平衡的方法。
1.3詳細的陳述
在圖4中給出了冷卻系統(tǒng)的一個組成部分的詳細結(jié)構(gòu)。用一條直線和一個任選的圓柱體代表一個洞。這種直線被稱為孔冷卻的引導線。更確切地說，一個冷卻的引導線是從冷卻透孔中心點到末端孔中心點出發(fā)的直線。在圖2中，AB是孔1的冷卻引導線，而CD是孔2的引導線。引導線包括鉆孔載體。
如圖5所示在每個散熱孔的開始和結(jié)束點，孔兩端可以選擇以下類型：（1）末端為通孔型（2）末端為盲孔型（3）臺階型末端（4）交叉盲孔型。這些幾何特征信息表示為附加屬性指引。如果它基于儲存在每個引導線中的信息，就可以隨時生成圓柱形實體。
傳統(tǒng)上，冷卻線也被用來表示一個冷卻回路[11]，但它們是從被包含的實體中分離出來的，例如模具板和插件。本文中的設計思路之一是每一個引導線的開始和結(jié)束點都與穿透和退出的面相關，除了末端為盲孔的終點。因此，如果這些面的位置改變了，相應的點將得到很大的更新和變化。換句話說，冷卻引導線總是與穿透和退出的面有關。
圖5冷卻管末端類型
在冷卻回路中所有的內(nèi)孔的冷卻引導線作為指導路徑進行分組。在圖 2中有五條引導線AB型CD型EF型GH型和IJ型，形成引導路徑。在本文中，如圖4所示，引導路徑完全代表一個冷卻回路冷卻時可以有一定的準則來描述冷卻孔類型直徑等的屬性。
事實上，冷卻圓柱體僅在需要時進行查看檢查不同功能/組件的物理碰撞或創(chuàng)建基于板或插件的功能時生成。這些冷卻固體可以去除來簡化，只要引導導路徑可行，這些冷卻固體就可以再生。稍后階段，在確認冷卻系統(tǒng)的設計中，CAM應用程序或組件的結(jié)構(gòu)細節(jié)仍然需要幾何孔。它們可以通過減去其相應的冷卻板/插入機構(gòu)的固體來獲得。
一個引導路徑也用來維護其線路之間的連接。在指導路徑中定義了一種驗證和核實這一條件的一個“特殊”的方法。這個共線冷卻水道是創(chuàng)建的“特殊對象類型”。從圖4中可以看出，一個冷卻回路包含可共線的冷卻水道以及簡單的管道。每個通道都可以由一組被叫做共線指引的引導線來表示。顯然，它的元素引導線必須從頭部到尾部不斷沿著一條直線連接起來。在圖3中，AB型，CD型及EF型形成路徑和代表共線的通孔1（臺階型通孔）通孔2盲孔3?？梢钥闯觯谝粋€冷卻回路中冷卻元件相關聯(lián)，因為它們是可以立即進行任何改變的。
如圖4所示，回路的內(nèi)容和對象根據(jù)上下文和用戶的選擇變化，例如，一個回路可以作為一個相互關聯(lián)的引導線或作為一個圓柱體集。一個冷卻回路能在豐富的屬性形式中自行確定幾何與非幾何的信息。
總之，在此對象的結(jié)構(gòu)設計中，冷卻水道及其相關模具板或插件可以自動更新如果諸如穿透面或鉆孔元素的某些類型能在后面的設計階段進行修改。由于所有的冷卻水道用相關聯(lián)的方法創(chuàng)建，在一個回路中如滲透面鉆孔方向可以嵌入CAD模型和持久存儲。
2執(zhí)行方面
2.1嵌入鏈接和參數(shù)
在這個模塊冷卻設計集中，引導線最初是通過用戶界面創(chuàng)建的。為了把每個引導線的開始和結(jié)束點與滲透和退出面及盲孔聯(lián)系在一起就出現(xiàn)了一個智能點。一個智能點在表面上是和內(nèi)核與數(shù)據(jù)庫面相關的點。它能與相應面保持持續(xù)的聯(lián)系。在這里“智能”一詞表示一個實體關聯(lián)到其它相關實體的性質(zhì)。由于這些引導線是建立于智能終點上的那么連通引導線也稱為智能線。它們每個都是由一個（盲孔）或兩個（通孔）連接在一起的。
一個冷卻圓柱體可以沿著一個圓形掃描的智能方針自動生成，對于盲孔錐孔需增加。對于冷卻回路圓柱體作為固體的代表。這些幾何特征代表引導線的屬性。這些相關屬性包括末端的類型、冷卻孔直徑深度和臺階直徑部分。它們用于冷卻孔的編輯和冷卻孔的再生。
2.2功能和算法
已經(jīng)開發(fā)出的這個模塊的主要功能是滿足冷卻系統(tǒng)的設計，在這里列出的要求：
a． 增加形成引導路徑的智能引導線
b． 修改或重新定位引導線
c． 刪除引導路徑回路
d． 創(chuàng)建冷卻固體
e． 修改冷卻固體
f． 刪除冷卻固體
g． 建立平衡或不平衡的冷卻固體印象模具設計
2.3創(chuàng)建和編輯一個冷卻回路的智能引導路徑
要創(chuàng)建一個引導路徑的第一引導線，用戶需要在預期的固體上選擇一個面作為穿透面（平面）的回路入口（見圖2）。一個平面方程可以提供出選定的平面。在面上最初的引導路徑的啟動點把用戶的指示點為基礎，然后創(chuàng)建一個智能點。引導第一次降溫過程生成的默認方向的相反方向能在圖形窗口中顯示。用戶可以由圖6所示的界面活性變化的引導線的方向，交互地修改初始點的位置。 然后，用戶可以動態(tài)拖動冷卻線或輸入一個盲孔的引導線的長度值或選擇另一面說明通孔結(jié)束的面。在后一種情況下，在引導線的終點另一個智能點會被創(chuàng)建。在創(chuàng)建第一引導線時，一個序號“1”會顯示在它附近。
為創(chuàng)建下一個引導線（見圖2），一個鉆孔是必需的。用戶可以顯示底部滲透在p點的面，然后，下一個指引方向?qū)⒃O置在選定的面扭轉(zhuǎn)法線方向上。在這項工作的實施中向量的起點C的確定是參照前面的AB引導線和最近點到用戶的P點來表示的一個嵌入式規(guī)則。為了使向量定義的用戶友好，很多這樣的潛在 “規(guī)則”適用于協(xié)助指導創(chuàng)建。在這種情況下，當定義CD引導線和以前的AB引導線時，它能自動延長到底部鉆孔的C點。智能點是建立在與引導線相關的面上的C點上。同樣，序列號“2”顯示在引導線的附近。用戶還可以通過選擇一個工作定義坐標方向+X,－X，+Y, －Y,+Z,－Z然后指示出引導線的下個起點。用類似的方法，一個完整的指引路徑可以被定義。當確認所有的指引路徑的引導線時，路徑的連續(xù)性可以在這種方法中驗證（見圖4）。該指引路徑被當作一個單一的實體。正如預期的那樣，引導線可以創(chuàng)建或加入一個由CAD功能的引導路徑?，F(xiàn)有的引導線也很容易被刪除。
在互動的定義引導線之間，在相應的分支機構(gòu)的算法中用戶的輸入?yún)?shù)和序列是不同的。例如，要創(chuàng)建一個簡單的盲孔，用戶可以選擇的序列可以是下列三個選項之一：（a）僅僅是一個滲透面（b）滲透面和現(xiàn)有的垂直于參考的散熱孔，以及（c ）僅僅是現(xiàn)有的共線冷卻孔。在每個選項下，用戶的選擇序列是有區(qū)別的，必要的調(diào)整能使引導線達到保持引導路徑連接的預期目的及友好的用戶界面設計。如圖6冷卻后的引導線，它的性質(zhì)包括它的長度都顯示在同一用戶界面上。這些是可以改變和更新的。事實上，當引導線被選中，其指導路徑也就確定。這是因為在一個引導路徑中所有的引導路線是連續(xù)性的約束。如果引導路徑入口點的位置被移動，則整個路徑也相應的變化。用戶可以通過有關項目從編輯界面中選擇安全刪除引導路徑。
2.4創(chuàng)建和編輯冷卻固體
在定義一個引導路徑時，則冷卻固體基于個體引導線的屬性生成。冷卻固體僅當用戶需要它們時創(chuàng)建。如圖4所示冷卻水道可以有不同的孔類型。這些類型可以表示為首端和末端相關的冷卻固體的特征。如圖7所示的用戶界面實現(xiàn)了這一目的。最初，用戶界面的設置，如啟動類型、結(jié)束類型、孔直徑等參數(shù)用默認類型分配，并在用戶界面上配置文件中的預設值。然后，他們以用戶的輸入為基礎更新。當用戶重復操作時在此配置文件中的值始終在與用戶的首選值寫在它“接受”的用戶界面對話框中，以便使用戶界面的設置可以被更新。由于對話框的不同，也有對預設條件驗證領域的項目，例如，臺階孔的直徑必須大于孔徑。這是當用戶調(diào)用點擊“確定”按鈕時，在這種方法中這些檢查函數(shù)稱為冷卻固體的“驗證”（見圖4），。如果輸入驗證不被接受，就會出現(xiàn)一些錯誤信息的提示。這些屬性一旦得到證實通過點擊“顯示冷卻水道關系”按鈕可以自動生成冷卻固體的CAD的API功能。
冷卻固體可以在任何時候被刪除，但類型和參數(shù)仍繼續(xù)將其作為個體指引線的附加屬性，因此冷卻固體可在任何時候可再生。然而，如果用戶刪除一切引導路徑，則冷卻回路就被完全刪除。在更多的細節(jié)上，實體生成算法建立了以下六種孔的類型：簡單盲孔、簡單通孔、臺階孔、臺階在通孔一端、臺階在通孔兩端、通孔，最后，共線固體冷卻水道能穿過多個固體。其它編輯和刪除冷卻水道的算法很簡單。
對于一個共線冷卻水道，有個別孔由共線連接獲得。圖3說明了它們是如何關聯(lián)的。假設孔1（從左到右）的創(chuàng)建是通過“選擇兩個平面創(chuàng)建臺階孔（兩端）”從A點開始“綁住”面1和結(jié)束點B“綁住”面2則面1和面2是固體1的一部分。這些面的任何修改都將會影響孔的深度如抵消它們。
創(chuàng)建孔2有更多的靈活性。用戶可以創(chuàng)建以下兩種方法。在第一種方法中面3和面4（屬于固體2）可作為參考選擇，因此啟動點C和結(jié)束點D分別是面3和面4上的點。因為這個孔應是共線管道的其中一部分，面2與孔1的結(jié)束點B相關，也與面3有關。這是保證共線管道的對象的驗證方法。因此，第一個孔可以沿著面2滑動通過創(chuàng)建兩個對齊孔不打亂中間的孔。在第二種方法中，第一個孔是用來作為參考，那么起點C的結(jié)束是孔1的終點，由于B點的連接，則沿著面2滑動的第一個孔被修改則中間孔將隨著變化。一旦C點移動則面3也將更新。這兩個孔之間的智能連接由嵌入式的多個共線冷卻水道固體建立。同樣，在圖3中第三盲孔由左到右建立，共線的冷卻水道由三個相關的冷卻孔獲得。
2.5處理平衡和非平衡冷卻回路
在本文中，模具元件由裝配樹結(jié)構(gòu)組成，當用戶初始化一個新的模具設計項目時它會自動創(chuàng)建。原來的塑料部分被分配到裝配上的一部分，被稱為產(chǎn)品的一部分（生產(chǎn)部分）（見圖8）。印象儲存在產(chǎn)品的一部分作為實例化組件與布局模式（凸模/凹模插件）。這是一個在裝配上專門用于冷卻固體自動創(chuàng)建的部分。它被稱為冷卻線（CL）部分。
為了解決平衡與非平衡冷卻回路的設計問題，突變實體的概念必須被先介紹。這項功能可為幾何實體例如：實體、面、線、點等，以便使在裝配中的不同部分相關聯(lián)。這是通過復制從一部分到另一部分具有持續(xù)關聯(lián)的實體獲得的。這些復制的實體被稱為突變實體。當一個源實體被修改，其相應的突變實體也會自動更新。源實體被稱為原型實體。圖9中所示了一些在裝配中可能突變的面。假設原型面A是元件1的一部分，則它可以創(chuàng)建一個相應的突變面A1，面A1對它的原型面（子對母），或A2面對面A1（子對子）。在一個裝配建模環(huán)境下，另外一個需要解釋的概念是工作的一部分，這將被看作是定義在創(chuàng)建新的實體的一部分。因此，用戶必需明確地選擇工作的一部分，以便在其中創(chuàng)建新的實體。
圖8在模具裝配樹中的冷卻線
圖9在裝配中兩種可能的突變面
在本文中建立平衡的冷卻回路，工作部分被設置在圖8的產(chǎn)品部分中。當用戶在凸模/凹模插件中選擇一個面去創(chuàng)建一個冷卻引導線時，一個突變面（子部分對母部分）被創(chuàng)建，在產(chǎn)品中的部分所有的冷卻實體，包括智能點、引導路徑和冷卻固體在這部分也被創(chuàng)造了。與此同時，在冷卻線部分與此相關的引導路徑和固體（子部分對子部分）也被創(chuàng)建。冷卻實體，根據(jù)印象模式被復制。該合成的冷卻系統(tǒng)在不同的印象模式中會自動平衡。在圖10中用了一個與均衡冷卻回路的四印象模式的實例來說明。
圖10平衡冷卻回路的例子
當創(chuàng)建不平衡冷卻水道時，工作的一部分被設置在冷卻線的一部分（見圖8）。當用戶從插件部分選擇一個面，則在冷卻線的一部分（子部分對子部分）的突變副本被創(chuàng)建。然后，所有相關的原型，如智能點、引導路徑和冷卻實體在冷卻線部分被創(chuàng)建。因此，如果冷卻實體的參考面在不同的插件上被改變則在冷卻線部分的冷卻實體可以自動更新。這兩種方法都是可用的，裝配樹結(jié)構(gòu)使設計在很大程度上得到了減少。
3.未來整合專家系統(tǒng)
顯然，這個模塊的功能可以進一步擴展。由于其是面向?qū)ο蟮脑O計，它極有可能將這項可以納入冷卻水道設計規(guī)則的模塊與專家系統(tǒng)整合。對其中的一些邏輯規(guī)則進行了討論【10,11,15】。作者認為，這應該是今后的研究方向。
4.結(jié)論
本文提出了在冷卻水道設計工具中的一種相關的設計方法。重點被放在獨特的引導路徑和冷卻水道固體交涉上，并在冷卻水道和模具板或插件之間的幾何相關上。相比用于【10,11,15】中的方法，這種方法的優(yōu)點是模具設計人員可以更容易的在整個設計生命周期中進行修改。豐富的信息包括冷卻回路成員之間的鉆孔方向、定位和連接被嵌入相關的CAD模塊中。這些資料可以支持在高水平知識規(guī)則下的相關冷卻回路，從表面成型、碰撞檢查到最近距離的互動。這種方法能有效和高效的應用在模具設計中。
·致謝本文的目的僅是報道研究的方法。作者承認他們的研究工作正在進行，本文中主要由在新加坡制造技術(shù)研究所（SIMT）工作的主編完成。一個SIMT項目團隊實施軟件產(chǎn)品。R&D工程師得到在美國Cypress，CA的EDS公司提供的密切技術(shù)支持。Unigraphics系統(tǒng)（UG）和模具導向在EDS公司注冊商標。
本文摘譯自：
中原工學院圖書館Springer-Link外文期刊數(shù)據(jù)庫，論文名稱為《An object-oriented design tool for associative cooling channels in plastic-injection moulds》。
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