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塑料异型材挤出模整体设计CAD系统的设计与实现

摘要

设计效率高，相关性强的模具模型在仿真和加工中起着重要作用。由于结构的复杂性和流动通道形状的变化，和当前的设计工具自动化程度较低，挤出模头的设计成为了一项艰巨的任务。本文提出了一种整体设计方法，以提高设计效率和模型相关性。通过集成Visual Studio 2010（VS2010）和Unigraphics NX（UG）来设计和实现塑料异型材挤出模具的计算机辅助设计（CAD）系统。提出了基于特征识别的闭环识别算法（CLR），多闭环智能识别（MCLR）算法和多闭环匹配（MCLM）算法，来实现流道中直纹曲面的自动生成。提出了模具的整体设计和自动生成方法，以促进不同结构和加工孔的有效形成。提出了粒子群优化算法（PSO），来获得干涉零件的最佳位置和规格。

开发了三个模块（整体草图，整体流道和整体模具），重点将提出的自动化设计方法集成到其框架中。并以模具设计为例阐明了该方法。结果表明，所开发的CAD系统不仅提高了挤出模具的设计效率，而且提高了设计质量。

邮箱：郭顺生

guoshunsheng@whut.edu.cn

李力

lilwut@163.com

唐红涛

tanghongtaozc@163.com

武汉理工大学机械电子工程学院湖北数字制造重点实验室，武汉430070，中国

关键词

挤压模；整体设计方法；CAD系统；闭环识别算法；PSO；

1 引言

塑料异型材是具有复杂横截面形状的塑料产品之一，已广泛用于建材行业。塑料异型材挤压模作为挤出产品的加工设备，对产品的光滑度和挤出效率有重大影响。挤出模具的设计包含多个任务，其中包括剖面草图设计，直纹表面设计，内肋设计，模具组设计等。塑料异型材的挤出是一个连续的动态过程，在流道中存在着复杂的截面和表面。挤出模具具有复杂的结构，每一块板上用于装配螺钉和销钉的孔都必须反复加工。Unigraphics NX (UG)广泛应用于模具行业。UG中的模具向导模块为冲压模具和注塑模具的设计提供了一个通用的解决方案。然而，由于挤出模向导在模块中缺乏集成，挤出模设计仍然是一个非常耗时和复杂的过程，需要大量的领域知识和经验。随着三维模型技术的发展，模具结构的优化和先进加工方法的应用，越来越多地采用三维计算机辅助设计(CAD)来进行整体或局部的挤压模具设计。因此，创建一个自动化程度高、缩短设计时间的计算机辅助模具设计系统势在必行。

在过去的几十年中，人们不断地在努力提高挤出模头的效率和质量。Wu和Hsu开发了一种用于挤压模具最佳形状设计的设计方法，使设计人员可以快速获得最佳的直段长度和压缩比[1]。Das等人提出了一种基于有限元分析的优化工艺参数的方法，例如孔的位置、挤出速度[2]。Pauli等人提出了模具进出口过渡区的目标函数形状优化方法[3]。Tabatabaei等人将等势线的概念应用于复杂截面的挤压过程中变形区域的精确表示和3D设计[4]。Elgeti等人开发了一种基于数值形状优化的新设计方法，该方法能得出适合曲面的控制点的数量和分布[5]。Narayanasamy等人提出了一种将圆柱体表面上的外周点转换为挤压正方形上相应点的解析方法[6]。上述研究为挤压模具的优化设计方法进行了积极的探索。然而，优化工艺参数的设计方法对初始几何形状的要求很高。阻碍快速建立初始几何图形的主要部分有两个。一是曲面设计自动化程度低，操作复杂。二是模具设计效率低、关联性差，导致错误率高。

关于曲面的自动生成，Lin和Quang提出了一种自由曲面CAD模型的模具区域自动生成方法[7]。Siswanto和Omar提出了一种基于法向量的曲面自动生成方法，用于生成新曲面的新有限元[8]。这些自动生成新曲面的方法主要基于提取现有曲面的边界和轮廓信息。这些方法仅限于在设计之初不存在曲面的挤压模具。Li等人提出了一种基于近似曲线识别的多项式曲面生成方法[9]。Jong等人总结了一套识别边和点的识别规则，用于表面生成[10]。这些曲面自动生成方法主要适用于边界曲线数量较少或曲线间相似度较高的情况。该方法不适用于截面曲线多且相似度低的挤压模。在模具自动生成方面，Woon和Lee提出了一种基于参数化模具库的压铸模具生成方法[11]。Neo和Lee开发了由组件库生成器、装配生成器和定制模块组成的模具模块[12]。这些模组生成方法主要适用于结构固定、通用的模具。但是，由于组件之间缺乏相关性，修改组件的结构和数量可能会导致工作量加大。Coma等人提出了一种面向装配设计(DFA)方法的自动特征形状识别器工具[13]。Hermansson等人提出了一种基于组件间相关元素识别的装配模型自动适应的新方法[14]。通过这些方法可以实现基于特征识别的标准件自动装配。然而，这些方法没有考虑制造零件中初始特征的建立。

综上所述，以往关于型面和模具生成的工作对挤压模具的设计有一定的局限性。针对上述问题，本研究提出了整体设计方法，并实现了异型材挤压模具整体设计CAD系统。该系统集整体草图设计、整体流道设计、整体模组设计于一体。针对曲面设计智能化程度低的问题，提出了闭环识别算法(CLR)、多闭环智能识别算法(MCLR)和多闭环匹配算法(MCLM)来实现直纹曲面的自动生成。针对模具设计效率低、关联性差的问题，提出了模具的整体设计和自动生成方法，以便于不同结构、不同工艺孔的高效成形。粒子群优化(PSO)算法在干扰部件的最佳位置和规格下进行优化。

2挤出模整体设计CAD系统的体系结构

我们商讨出了挤出模具整体设计CAD系统的体系结构，如图1所示。开发的系统包括整体草图设计、整体流道设计、整体模组配置和板材建模三个模块。开发了完整的草图设计模块，设计出符合造型要求、易于识别的草图。开发了一体化流道设计模块，集成了CLR、MCLR和基于特征识别的MCLM算法，具有较高的曲面设计自动化程度，为不同形状流道的设计提供了一种通用的解决方案。开发了整体模组配置和板材建模模块，有效地设计了各种类型的模组，具有零部件关联性强、修改工作量小的特点。以下各节将介绍所开发模块的详细内容。

2.1整体草图设计模块

挤出模中流道的3D设计主要基于横截面草图。合理的曲线分布对于提高曲面设计的自动化程度起着重要作用。本文为整体草图提出了一个合理的框架，为曲线识别和曲面自动生成打下了坚实的基础。整体草图的框架由板厚的初始化数据确定。然后采用两种方法在整体草图中设计截面曲线。第一个是通过UG与AutoCAD之间的无缝连接来设计曲线。详细信息请参见第3.1节。第二个是基于功能块和过程参数的2D标准零件库的参数化设计。最后，采用草图检查方法消除不连续或重叠的曲线，确保草图满足建模要求。详细信息请参见第3.2节。

2.2整体流道设计模块

整体流动通道包括两个设计部分，即外部实体和内部实体。流动通道中的表面是通过Ruled设计的，外部和内部实体可以通过缝制两个有界平面和所有设计的表面来形成。针对曲面设计的智能化程度低的问题，提出了CLR，MCLR和MCLM算法来实现直纹曲面的自动生成。基于CLR算法有效地设计了相似边界低的外部实体。详细信息请参见第3.3节。然后根据MCLR和MCLM算法自动生成具有许多内部肋孔的内部实体。详细信息请参见第3.4节。最后，以内部固体为工具，通过减法形成整体流动通道。

2.3整体模具配置和印版建模模块

挤出模具组具有复杂的结构，并取决于受流道零件材料和几何形状影响的许多因素。针对模具设计效率低，缺乏关联性的问题，提出了整体设计方法，建立了可配置的标准件组，该标准件组结合了参考集和表达式。模具的结构和标准零件的位置由选定的适当参数确定和配置。详细信息请参见第3.5节。然后，对整体板进行建模，并通过应用自动成型和切割板的方法自动形成每个板。详细信息请参见第3.6节。最后，采用干扰检查和智能修改的方法，确定了干扰分量的最佳位置和规格。详细信息请参见第3.7节。

3挤压模CAD系统的关键方法

3.1将AutoCAD图纸转换为UG草图

挤出机头流道是一个不断变化的动态范围，这决定了不同截面曲线之间存在一定的相关性。目前，许多企业都采用AutoCAD作为挤压模具设计的工具。在AutoCAD中进行了大量的二次开发，在一定程度上提高了截面曲线的设计效率。然而，AutoCAD的绘图是基于每个板材设计的，导致不同板材的截面曲线之间缺乏相关性。在CAD/CAM/CAE集成化趋势越来越明显的今天，三维设计将成为挤压模具设计的主流。然而，当前用于截面曲线设计的3D软件在功能、完整性和效率方面往往受到限制。

一些学者对2D和3D之间的转换做了大量的研究[15,16]。结合AutoCAD和3D软件的优点，提出了合理的整体草图框架和AutoCAD图纸到UG草图的转换方法，有效地解决了二维设计相关性差、三维设计效率低的问题。开发了两个用于将AutoCAD工程图转换为UG草图的部分。第一部分内置于AutoCAD中，提取图层元素并转换成UG可识别的草图块。第二部分内置到UG中，将块元素导入到整体草图框架中，并将其划分为整体草图框架。第二部分开发了MCLR算法，用于识别草图组中的环路。详细信息显示在3.4节中。AutoCAD图形转换为UG草图的过程如图2所示。当用户在AutoCAD中按照图层命名标准完成剖面曲线设计时，提取图层元素并转换为草图块。然后，将草图块导入并投影到UG中的整体过渡草图中。最后，基于MCLR算法对草图组元素进行分割并投影成完整的草图。

通过以上三个步骤，有效地完成了与过渡草图有联系的整体草图。通过同时修改整体过渡草图中的一个或多个草图组，可以自动更新整体草图和流道三维模型，有效减少了修改工作量，提高了容错率。同样，该方法为需要设计复杂曲线以进行3D建模的其他领域的2D和3D无缝接头提供了解决方案。

3.2草图检查

由于流道实体是由两个有界面和所有设计面缝合而成，在实际设计中很容易出现直纹面不闭合生成实体的情况。因此，为了保证设计的准确性和可行性，需要闭合曲线。许多块的设计是为了保证功能块的完全成型，导致剖面草图中有许多长度较小的曲线。由于曲线设计过程中的不规则性和疏忽，草图往往含有不连续或重叠的线条，造成修模工作量大。

一些学者对曲线识别做了一些研究。Chansri和Koomsap应用图像处理技术来生成关于草图的更多信息，例如线条的数量、它们的起点和终点[17]。提出了草图检查的方法，以消除曲线的不连续或重叠。检查草图的具体过程如图3所示：首先，根据草图名称获取指定草图中的曲线对象。

其次，自动获取直线的端点坐标，并用等式计算圆弧的端点坐标。(1)

其中(x，y，z)是圆弧的端点，(a，b，c)是圆弧的圆心，theta;是点相对于圆弧半径的角度，T3times;3是由公式计算的相对坐标系的九元矢量组。(2)。

局部坐标系中零件的x、y、z轴方向矢量为(1，0，0)、(0，1，0)、(0，0，1)。其中(xx，yx，zx)，(xy，yy，zy)，(xz，yz，zz)是全球坐标系中的x，y，z轴位置矢量。

第三，通过计算两条曲线中端点的距离将检查曲线的端点与其他曲线匹配。端点和线匹配是否成功由等式判断。 （3）。

其中是端点之间的最小距离，（x，y）是检查曲线的一个端点，（x1，y1），（x2，y2）是匹配曲线的两个端点。匹配结果主要分为以下三类。（1）如果当前检查曲线的两个端点都可以与其他曲线成功匹配，并且匹配的曲线不属于同一条曲线，则该检查曲线属于连接的曲线。（2）如果当前检查曲线的端点中的至少一个不能与其他曲线成功匹配，则该检查曲线属于断开的曲线。（3）如果当前检查曲线的两个端点都可以与其他曲线成功匹配，并且匹配的曲线属于同一条曲线，则检查曲线属于重叠曲线。最后，多余的重叠曲线将被自动删除，并且通过人与计算机之间的交互作用，可以消除检查草图组中不连续的曲线。通过草图检查的方法，可以有效地纠正草图中的误差，可以减少断开和重叠的曲线对3D设计过程的不良影响，从而大大提高了设计效率。

3.3基于闭环识别算法的曲面设计

挤出模的流道有很多变化，导致表面设计的复杂性。一些学者对流道表面的数值形状优化进行了很多研究[18]，它优化了表面边界曲线之间的对应关系，但是这些研究并未优化初始表面设计的方法。通过使用计算机数控机床（CNC）和电火花加工（EDM）[19]，设计出了具有规则表面的流线型模具。根据挤压模具表面的加工方法和加工精度，通过UG中的Ruled对表面进行设计。但是，需要在曲面设计过程中手动选择两个草图中的曲面边界曲线。由于流道的复杂性，许多功能块需要对功能块进行完整的模制。两个草图之间的对应关系非常复杂，导致操作繁琐且

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