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青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 通過識別功能的自動分割表面一代注塑模具 K Chung1 ，K Lee2 *和T Kim3 1R&D的研發(fā)團隊， INUS科技，韓國 2School的機械航空工程系，漢城國立大學，韓國 3Department的數(shù)字內容，世宗大學，韓國 摘要 本文提出了一種拓撲結構為基礎的識別算法通道功能使用概念多面孔環(huán)。該多面孔環(huán)是一個概念是循環(huán)形成幾個連接面孔和充當入口或出口的通道。因此一個通道功能由兩個多面孔環(huán)相應的入口和出口所確定認識到。至創(chuàng)造的型芯和腔的注塑模具的部分通道的功能，無論是入口或出口的每個通道必須涵蓋的面，這面構成分型面。該算法，本文提出了檢查連接兩個多面孔環(huán)承認通道特征。在一個零件上通道特征的數(shù)量是通過Euler方程計算的，并且驗證程序一直在運行直到驗證通道特征等于這個數(shù)字。為了找到某一零件所有多面洞環(huán)，該提出的方法考慮了所有的組合連接的面。凸邊使用用來判斷多面洞環(huán)的正確性。利用本文所提出的算法，通道特征會被有效地識別出來。提出的方法被很多實例所驗證。 關鍵詞：通道特征，特征識別，多面洞環(huán)，注塑模具 一、引言 注塑成型是生產熱塑性聚合物部分最普遍的進程。在這過程中，熱塑性聚合物注入腔所形成的型芯和腔。這模具腔的形狀確定的塑料零件。 一般注塑模具的構造如圖1所示。 圖1展現(xiàn)了一個簡化的注塑模具和顯示板，型芯和腔。除了上面展示的那些，實際注塑模具有許多標準件，噴射器，流動和冷卻系統(tǒng)。從歷史上看，模具設計師使用二維計算機輔助設計（ CAD ）系統(tǒng)在二維圖紙畫出一個模具。然而，最近企圖注塑模具的設計使用三維CAD系統(tǒng)在個人電腦上廣泛使用。 利用三維CAD系統(tǒng)進行模具設計，許多設計任務可以自動或便利。 特別是，分型面可以自動生成或至少更方便[ 1 - 4 ] 。 分型面是用來切斷外部塊內附部分被塑造成兩塊，即型芯和腔。當這部分有通道，無論其入口或出口都必須被表面所覆蓋。即使零件表面通過延長零件到外面而非常容易產生，對于復雜零件來說驗證所有的通道特征和用恰當表面覆蓋它們是有錯誤傾向的任務。在本文中，提出了通過多面分析通道特征的算法。如圖2所示。 二、背景和動機 圖1 鑄造模型的基本配置 在注塑模具設計系統(tǒng)，是基于三維CAD系統(tǒng)，設計過程開始于零件的三維CAD模型。型芯區(qū)塊分為型芯的腔。這個過程如圖3所示。型芯和腔的生成如圖4所示。 首先，設計師設計一個能包含零件模型的立方塊，在圖 5中表示 。這個矩形塊被稱為型芯區(qū)塊，這將最終成為型芯的腔。其次，分型面， 而分裂的型芯區(qū)塊的型芯和空腔，會產生沿外邊界部分模型如圖6a所示。在分型面，如果要求，也可以產生的一端通道特征如圖 6b所示。 圖2 貫穿多面的通道特征 圖3 制作型芯和空腔的流程 型芯塊通過零件和模型的表面被分離出型芯和空腔。型芯在型芯塊的較低部分，空腔在上部。型芯和空腔的制造過程如圖7所示。 如圖6b所顯示的，分型面應產生的一端每個通道功能分裂型芯區(qū)塊完全變成兩件，即型芯和腔。范例中所示，對于一個簡單的通道特征，在分型面的通道特征是很容易產生。但是在復雜通道特征形成多個面的例子中如圖8所示，識別環(huán)路包圍的兩端通道特征和表面是非常困難和費時的任務。 圖9顯示零件表面帶有通行特征的一個零件模型。以及圖 10 顯示通過覆蓋通道特征所形成的表面。如圖10所示 ， 這些表面分離通過區(qū)域包括許多復雜的面。 圖4，具有一個通道特征的典型零件上表面和下表面 圖5 型芯快 圖6 產生分型面 圖7 型芯和空腔的形成 圖8 聽力裝置外殼的簡化圖 大多數(shù)通過注塑成型的塑料零件在很多面孔上具有通道特征。 這使自動識別通道特征和創(chuàng)建零件表面變得困難。在本文中，一種檢測通道特征的方法在自動生成零件表面的基礎上被提出來。 2.1相關工作 自基普里亞努在CAD系統(tǒng)在他的博士論文[ 5 ]指出形狀分類的必要性， 特征識別中實體模型一直是熱門研究課題。到現(xiàn)在為止，從CAD數(shù)據提取加工特征一直是主要研究議題，而且特征識別技術已被衍生提取加工功能，如孔， 插槽和口袋特征[ 6 ] 。有四種不同的特征識別的方法： （a）在圖形模式匹配的方法[ 7 ] ， （b）凸包分解方法[ 8 ， 9 ] ， （c）基于細胞的分解方法[ 10 ] ， （d）在暗示為基礎的推理方法[ 11 ] 。 Joshi和 Chang所發(fā)現(xiàn)的圖形模式匹配方法在特征識別領域已被證明是最流行的。這種的做法，在一個零件的B -Rep數(shù)據結構的被映射到一個節(jié)點代表面孔 其分支機構代表邊緣的圖上。該圖被稱為面對鄰接圖（ FAG ） 。然后，一個子圖同構是用來搜索匹配的子圖功能模板。然而，在具有交叉功能的例子中，子圖部分的變形，這使特征識別是不可能的。 Woo[9]提出了凸包分解方法.這種方法確認特征之間的布爾運算的一部分模型和凸包周邊零件模型。布爾部分之間的運作模式和凸包是采用遞歸。當輸出布爾操作是空的，行動是終止。不幸地是， 分解過程不一定收斂。為克服這一問題，Kim提出了交替之卷分區(qū)（ ASVP ） 分解[ 9 ] ，其中確認功能比較 零件模型面臨的凸包的面。 圖9 構成分型面的通道特征所形成表面 圖10 覆蓋通道特征的表面 Sakurai 和 Chin ［?。保啊。萏岢隽嘶诩毎纸夥椒?， 這種方法確認 特征分解三角洲量到最低限度細胞，然后將這些細胞結合。三角洲量同股票和零件模型是不同的。 使用這種方法，由分解三角洲量所產生的細胞數(shù)量很大。因此，大量的組合必須識別相結合的細胞的特征。 Vandenbrande [ 11 ]提出了暗示推理的方法。這種做法，提出了是為了識別交叉特征，這是圖形模式匹配的方法主要問題。 這種技術識別特征源于傳統(tǒng)的軌跡特征。例如，一個插槽提示生成，當一對平面平行相交時， 對應于槽壁。有了這樣的提示， 該算法識別槽特征通過搜索槽壁之間的縫隙。 正如所建議的上述情況，研究加工特征識別目前正在積極進行。一些研究也已完成對特別與模具有關特征識別，例如削弱特征[ 13 ] 。然而，就目前作者所知，沒有識別分型面產生的通道特征數(shù)據的研究。 三、概述 一個通道特征由一對孔環(huán)和連接孔環(huán)的面組成的，從而通道特征識別是一個尋找配對孔環(huán)的程序。由于通道特征可以通過幾個連接的面孔，孔環(huán)附著的連接面應該首先被識別出來。 當一個洞環(huán)被發(fā)現(xiàn)，其配對孔環(huán)會被搜查。如果這對孔環(huán)滿足構成一個通道條件，它將被記為一個通道特征。 3.1定義 由于通道特征通過的連接面是被識別的目標特征，一個特別孔環(huán)，稱為多面孔環(huán)，形成多個面，在本文中定義如下： 對于任何一對連接的面，兩面所有共享的邊緣被消除，擴展面生成。如果內部環(huán)的擴展面邊緣存在，這些內部環(huán)被定義為多面孔環(huán)。 一個說明多面孔環(huán)的例子如圖11所示。 圖11 多面孔環(huán)的一個例子 3.2基本概念 一個通道特征由兩個孔環(huán)組成包括多面孔環(huán)和與其相連的面。這些面被稱為內面。因此，尋找通行特征的過程，可以在概念上 簡化尋找兩個相連接孔環(huán)。詳細過程的解釋請看第4節(jié)。 四、算法 在本節(jié)中提出的算法將詳細說明解釋 。識別簡單的通道特征詳細的算法將首先被解釋，然后識別多連接面孔環(huán)所采用的辦法將被敘述。一個通道特征被簡單定義如果其入口和出口位于在單一的面。最后，多面孔環(huán)組成通道必要的條件以及找到結合的連接面方法，將加以解釋。 4.1通過特征識別算法 如前所述，一個通道特征由兩個孔環(huán)通過連接面互相結合組成。 將使用下面的例子描述通道特征識別詳細的程序。 在圖12中顯示的樣本零件擁有一個通道特征，每個對象定義如下： 圖12 應用簡單通道特征的例子 a=樣本的上表面 b=連接上下表面的面 c=樣本的下表面 e1=a、b面共有的邊 e2=b、c面共有的邊 L1=a面上的孔環(huán) L2=b面上的孔環(huán) 在這個樣本零件中，由環(huán)組成通道特征是L1和L2 ，和面，如b面 ，連接這些環(huán)。一般來說，面（面b）組成一個擁有相鄰面（a面和c面）共同邊的通道特征，而且這些邊在相鄰面（a面和c面）上形成了孔環(huán)。也就是說，b面是組成通道特征的面并命名為側面。a面和c面分別被命名為入口面和出口面。尋找通道特征的程序如下： 1 ．在一個面內搜索孔環(huán)（通道入口面） 。 2 ．搜索組成孔環(huán)的邊，在第1步中搜索。 3 ．搜索分享的邊緣面（側面），在第2步中搜索。 4 ．如果在第3步中所尋找面（側面）的邊緣形成了一個孔環(huán)內另一面（出口面），這孔環(huán)和在第1步中的孔環(huán)形成一個通道特征。 上面對算法的解釋是在一個單獨的面上識別通道特征。 為了在多個面上識別通道特征，就必須用到多面孔環(huán)的概念。 4.2多連接面孔環(huán)的識別 如前所述，一個多面孔環(huán)形成一個通過消除連接面共同邊緣形成擴展的面。在多個連接面識別孔環(huán)需要三個步驟： （a）消除連接面共有的邊 （b ）用余下的邊建造環(huán) （c ）驗證內部環(huán)。 識別多面孔環(huán)的程序描述如下。用于多面孔環(huán)的樣本零件如圖13，灰色面的連接面在調查中?；疑婀蚕磉卐1和e2 。如果兩面共享邊被刪除并且兩面被認為是一個面對如圖 13b所示，兩個環(huán)形成，即L1和L2 。環(huán)L1對應內環(huán)和環(huán)L2對應于外環(huán)。因此，在這個例子中多面孔是環(huán)L1。同樣，內部環(huán)形成多個隨意連接面被定義為多面孔環(huán)如果當連接面共享邊被消除后內環(huán)存在。一旦多面孔環(huán)被驗證，先前已描述的尋找簡單通道的程序就能用來識別多面中的通道特征。 4.3．多面孔環(huán)形成通道的必要條件 多面孔環(huán)形成通道特征有兩個必需條件。首先，組成多面孔環(huán)所有的邊必須是凸的。例如，對于零件如圖 14 說明，在面F1中環(huán)L1是一個孔環(huán)，但組成的邊孔環(huán)L1并不是通道特征，因為它們是凹。這可能是一個自然的結論考慮到多面孔環(huán)的邊成為無論是入口或出口的通道，唯有凸邊可以形成入口或出口。因此，一個程序來判斷凸邊是必要的。Kyprianou對邊的分類如圖15 [ 14 ]所示 。邊通過兩個面共享邊所組成的夾角分類，例如， 如果測量內部角度小于180 ，邊是凸的。同樣，如果大于180 ，邊是凹的。如果兩面連接順利如圖中c或d ，邊通過實際的曲率來分類[ 14 ] 。通過判斷邊的凹凸，組成多面孔環(huán)的凹面或順利凹邊緣在程序識別通道特征中被排除。 圖13 識別通道特征的例子 圖14 不能構成通道特征的孔環(huán) 圖15 Kyprianou角的分類 即使所有的邊滿足第一條件，有的情況下，通道特征因為組成模型的多面孔環(huán)和其他面的關系而不能組成。在這里，第二條件下發(fā)揮作用。該多面孔環(huán)可以被看作是一個邊的集合，將約束后來的分型面的相應通道特征。由于表面生成臨別不得重疊的面的一部分，其多面孔環(huán)內部重疊區(qū)域表面必須考慮排除。 一個多面孔環(huán)滿足這樣的條件如圖16，圖17所顯示多面孔環(huán)違反條件。換言之，多面孔環(huán)L2生成的零件表面如圖16b所示， 這是從復合面衍化出來如圖16a，組成零件的面沒有任何重疊的。 圖16 可用多面孔環(huán)舉例 圖17 不可用多面孔環(huán)舉例 在復合面是一組連接的面孔，其中多面孔環(huán)被搜查。但是， 多面孔環(huán)L2生成的零件表面如圖17b，這是在復合面尋找圖17a，重疊的部分面孔。 因此，圖17這種情況必須在尋找通道特征中排除考慮。不可用的多面體環(huán)具有詳細條件如下。讀者可能會問為什么考慮這樣奇怪的例子。所有可能的多面孔環(huán)必須考慮，因為它們是由復合連接的面自動生成的。 共邊的面組成了多面孔環(huán)和不參加的復合過程的是側面。如果邊的起點和終點 被多面孔環(huán)中兩個側面共有，這條邊可以和多面孔環(huán)的其他邊組成環(huán)。使用此環(huán)生成的分型面應該是側面中的一個，這使分型面的重疊零件表面。 圖18b代表18a零件二維布局圖。面F1、F2、F3和F4對應復合面，面S1、S2、S3、S4、S5對應側面。多面孔環(huán)的邊界邊用粗線表示。 圖18b所示邊a一條是側面所共有的邊，a的起點和終點都在多面孔環(huán)上。因此，邊a 形成一個回路連同其他邊S5，也屬于多面孔環(huán)。由這一回路產生成的分型面因為S5的存在也屬于多面孔環(huán)。因此，分型面重疊S5。通過這種方式，識別多面孔環(huán)屈服無效分型面，可避免調查多面孔環(huán)與側面共有邊的終點的關系。 4.4找到所有連接面組合的程序 為了在一個零件中尋找多面孔環(huán)，驗證并復合連接面是需要。有二種方法可用于生成一組連接面。 第一種方法涉及到通過判斷面組中面的連接性選取一組用來復合的面。然而，這一做法，當總數(shù)是很大的隨意生成的組合面數(shù)量增加了可能性。 在此 X=結合的數(shù)量 n=面的總數(shù) r=將要復合的面的數(shù)量 例如，如果面的總數(shù)是200 ， 當四個面被復合時待定面組合數(shù)量是64 684 950 因此，這種做法在一組連接面復合時是低效的。 圖8 Planar組成面展示 第二種方法涉及產生通過已經驗證過設定一個可行的面組的連接面面組。 在此方法中，已記錄的面組中各成員面都存儲在堆棧。然后，它搜索能連接最新登記面的面。如果沒有面連接到最新記錄面，那么最后記錄的面將被從堆棧中移除和繼續(xù)搜索與移除面下面的記錄面。這種方法可以有效地縮短生成僅僅通過結合面找面組時間，而第一辦法搜尋所有可能的組合和檢查連接性。 所產生用來復合的面組被用于尋找模型中的多面孔環(huán)。 五、執(zhí)行 5.1程序結構 提出算法的基本概念如下。到現(xiàn)在被搜索到的通道特征等于一個模型中通道特征的數(shù)量，用于復合的面增加到表2.用Euler方程得到通道特征的總數(shù)。每一步，通過搜索相連接的多面孔環(huán)，多面孔環(huán)和通道特征被找到并識別。因此，執(zhí)行程序有四個子程序，即找到通道特征總數(shù)的路徑 ， 尋找所有組合面的結合，識別多面孔環(huán)和通道特征。這個項目是在Windows NT上用Unigraphics V15.0 API開發(fā)的。 5.2運行時間分析 本文中提出的算法搜索擁有越來越多的結合面通道特征。因此，模型中識別通道特征運行時間由連接面最大數(shù)量確定。因此，運行時間可由最大復合面數(shù)表示。 如前所述，產生用于復合的面組程序涉及到多面與一面和再次進行搜尋面與已搜查面，直至連接面組所有成員等于給定連接的面數(shù)。如果在一個零件中的面數(shù)是n，平均連接面的數(shù)量是m,用于復合的面數(shù)是r，那么隨意組合的面組是數(shù)列n ￠mr?1: X ≈O(n ￠mr?1) 一般而言，一個零件中平均連接面數(shù)到遠小于面的總數(shù)。 圖8所示這個零件，總面數(shù)是286平均連接面數(shù)是5 。在這種情況下，預計用于復合的面數(shù)在表1中顯示 。 六、舉例 6.1樣本部分 樣本零件如圖19a條有很多凹臺面， 孔和通道特征邊界的孔環(huán)形成一個面。圖19b顯示6個通道特征識別。 圖19 擁有環(huán)槽和通孔的典型零件 6.2 L形部分 圖20a顯示的樣本零件中是L形，有一個通過特征組成孔環(huán)形成多面加上樣本特征通道。在這種情況下，形成多面孔環(huán)的面數(shù)是4 。被識別的通道特征如圖20b。 圖20 L型零件 6.3套管的手機 圖21a顯示樣本零件是一個手機封面并擁有14個通道特征。識別的通道特征如圖21b。 圖21 典型手機表面 6.4 小型組成封面 樣本零件如圖 22a的是一個小型部分封面 ，并擁有多面通道特征。這部分有15個通道特征。識別的通道特征如圖22b。 上述4例的運行時間在表2中列出。 圖22 聽力裝置表面 七、結論 本文提出了一種算法，使用多面孔環(huán)概念自動識別通道特征。分型面的自動產生是用三維CAD系統(tǒng)設計模具最自然的目標任務。當零件的邊界產生之后分型面很容易生成。但是，如果被制造零件具有通道特征，其入口和出口應該被分型面覆蓋。有時，當零件有一個復雜的形狀時驗證所有通道特征是一個乏味和容易出錯的任務。在本文該算法通過自動識別多面的通道特征縮短設計時間。 本文中該算法提出了識別通道特征，增加可復合面數(shù)量。因此，識別通道特征時間受多面孔環(huán)形成通道特征的面的最大數(shù)量影響。隨著復合面的增多，選擇用于復合面的時間也因為面組數(shù)量的增加隨之增加。因此，該算法生成復合的面組需要首先通過排除不實際的情況。此外，基于通道特征自動生成分型面算法需要開發(fā)。分型面位于入口和出口的通道時生成分型面會更加困難。當通道的側面有一個凸曲率這種情況就會發(fā)生。 21