塑料模具冷卻系統(tǒng)的自動設計

.塑料注射模具冷卻系統(tǒng)的自動設計 摘 要 本研究擴展了我們以前對初步設計階段的自動化調查冷卻系統(tǒng)設計的工藝布局設計階段。而在功能方面冷卻系統(tǒng)的初步設計階段考慮，布局設計階段涉及的設計的功能性和可制造性。圖形結構捕捉一個給定的初步設計圖的遍歷算法，從圖形結構產生候選的冷卻回路。啟發(fā)式搜索技術開發(fā)的冷卻回路的布局設計的初步生產計劃生成。對布圖設計的模糊評價框架開發(fā)的各種設計方案的生成率。一個實驗實驗系統(tǒng)來驗證該方法的可行性，并從系統(tǒng)生成的例子來說明設計過程自動化的主要步驟。Q 2004 Elsevier公司保留所有權利。關鍵詞：設計自動化；自動化設計合成；塑料注射模冷卻系統(tǒng)的設計1、簡介 對塑料注射模冷卻系統(tǒng)的作用是在注射成型過程中提供的熱調節(jié)。當熱塑料熔體進入模具的型腔，它通過冷卻系統(tǒng)冷卻并凝固散熱。在冷卻階段一般約占注射成型過程的總周期時間的三分之二，高效冷卻的過程是非常重要的生產力。冷卻系統(tǒng)在產品的質量也起著重要的作用。冷卻系統(tǒng)提供整個部分均勻冷卻防止收縮，內部應力，保證了產品的質量，和脫模的問題。除了功能方面，冷卻系統(tǒng)的設計還應考慮系統(tǒng)的可制造性來控制模具的建設成本。 冷卻系統(tǒng)的設計是個復雜的過程，可以分為三個階段：初步設計、布局設計和詳細設計。雖然，CADCAM系統(tǒng)廣泛應用于注塑模具的設計，它們主要局限在詳細設計階段提供的幾何建模工具。專業(yè)獨立的或附加的軟件包，為模具結構各部件或子系統(tǒng)的設計提供了交互式幾何建模工具也可售。然而，有限的研究工作的自動化工具，可以發(fā)揮更積極的作用，在初步設計階段的報道。在以前的研究項目中，我們開發(fā)了一個基于特征的方法創(chuàng)建初步設計自動和給定一個塑件形狀復雜，基于特征的方法分解成更簡單的部分的形狀特征，稱為冷卻特點。冷子流程，然后自動生成每個確認功能提供所需的冷卻功能。在目前的研究中，在設計過程的自動化擴展到規(guī)劃設計階段。技術的發(fā)展而產生的設計自動從初步設計考慮到冷卻系統(tǒng)的功能和制造方面。2、相關工作 有四個主要的研究領域為塑料注射模具冷卻系統(tǒng)，相關即計算機輔助工程（CAE）分析，優(yōu)化設計，新的制造技術，和自動化的設計合成。大多數(shù)早期的研究工作專注于CAE分析。經過二十多年的廣泛研究，商業(yè)CAE軟件包如MoldFlow軟件Moldex3D目前已經廣泛的應用于實踐，分析一個給定的設計。這些CAE方法預測的溫度分布和冷卻時間的變化。效率和質量可以實際模具制造之前估計。而CAE方法能夠分析一個給定的設計，他們不建議改變設計的問題時，從分析檢測結果。優(yōu)化方法報告利用CAE分析結果優(yōu)化設計。給定一個初始的冷卻結構設計，目標函數(shù)轉化為一個測量溫度的均勻性和冷卻效率。目標函數(shù)表示的參數(shù)與配置的冷卻系統(tǒng)和工藝條件。通過優(yōu)化算法與冷卻分析算法相結合，初步設計可以微調優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設計。 最近，方法，建立更好的冷卻系統(tǒng)，采用新的制造技術已被報道。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆孔方法產生的直線通道，Sachs等人。報道了一個方法，利用實體自由成形制造技術生產的隨形冷卻水道。這樣的渠道從模具中的印象，保持一定的距離，因此，精確的溫度控制是可能的，即使是一個具有復雜形狀的零件。據(jù)報道，溫度分布更加均勻，塑件的尺寸控制，從而可以實現(xiàn)更好的。Sun等人。用數(shù)控銑床銑槽產生的U形冷卻通道。這種技術類似于形冷卻的方法，在渠道能夠按照模具形狀的印象。隨形冷卻方法，在溫度控制的改進也有報道。 我們的工作重點是在冷卻系統(tǒng)的自動設計合成，這是一個方面，沒有得到很好的研究。在我們以前的工作基于特征的技術，初步設計了自動生成。本文報道的工作集中在版圖設計自動化。自動布局設計過程轉化為一個啟發(fā)式搜索過程。通過啟發(fā)式搜索設計自動化是一種常用的技術，并已在機械設備自動化設計研究。啟發(fā)式引導的設計過程是基于冷卻性能和候選設計可制造性模糊評價。在各種應用領域的自動可制造性分析已經被廣泛的研究，并grupta等人。報告全面調查。評價方法研究的靈感來自于報道的方法在可制造性評價機械零件和安裝計劃。模糊邏輯在評估使用的靈感來自于模糊邏輯在注射模設計中的各方面研究中的成功應用，包括分模方向的確定和可塑性分析。3、該方法的概述 在初步設計階段，主要要解決的問題是，功能要求，冷卻要求，一個給定的塑料部分。初步設計指定的類型（例如u-circuit，平行通道，鼓泡器、冷卻塔等），大?。ɡ缤ǖ篱L度和直徑），和冷卻元件的冷卻形式的子流程的大致位置。每個子流程提供冷卻功能，帶走的部分區(qū)域的熱。我們以前的研究表明，初步設計主要可以從零件的幾何形狀決定的，和一個自動化的設計特征識別方法。給出的初步設計，完成冷卻流程的開發(fā)在布局設計階段通過連接各個子流程和冷卻的元素結合在一起。版圖設計過程中考慮可制造性和對冷卻流程物理實現(xiàn)的可行性。 在目前的研究中，調查的重點是冷卻不使用并行冷卻系統(tǒng)或者只有一個冷卻回路系統(tǒng)。要處理包括的主要項目：主要的冷卻單元的位置，通道連接冷卻通路和流程，以及冷卻系統(tǒng)的入口和出口的位置。每個項目的設計是相互關聯(lián)的，設計過程分為四個主要階段的操作。（a）一個圖結構推導表示圖的初步設計和修改，便于后續(xù)操作。（b）冷卻回路圖結構的生成。（c）候選的冷卻回路，通過發(fā)展初步的生產計劃對布圖設計的一代。（d）對冷卻性能和可制造性的候選布局設計的評價。 設計過程的第一階段是準備階段，從而導出以利于后續(xù)操作形成初步的設計表現(xiàn)。從第二階段，控制結構在設計過程中用來控制進程從一個階段過渡到下一個，和回溯從后期到前一階段。設計過程轉化為一個搜索過程，即在每一個階段的候選設計選擇處理。一個搜索樹來表示設計過程，如圖所示圖1，在搜索樹的每個節(jié)點代表一個操作或操作輸出。作為一個選擇在某個階段，最終可能會導致在后期一個死胡同，回溯法是重要的設計過程。例如，一個候選人的冷卻回路，最終可能導致布局設計，冷卻性能具有非常低的評級。為了尋找一種替代方案，設計過程的回溯到調查第二階段（a）從相同的進口替代的冷卻回路；或（b）替代進口并生成一個新的冷卻回路，然后重復后續(xù)階段的開發(fā)方案設計。（圖2）（1）對一部分冷卻系統(tǒng)的初步設計。為便于說明，只有模具的一半顯示核心。顯示了設計過程中產生的最終的布局設計。（2）顯示了兩個在設計過程的第二階段產生的替代品。 圖1表示設計過程的搜索樹 圖2自動布局設計過程 3.1、圖的表示和操作的初步設計 一組子流程組成的各種類型的冷卻元件形成一個初步的冷卻系統(tǒng)設計，生成的布局設計的一個基本問題是身份適當?shù)倪B接子流程內（例如一組平行通道之間的互連）和相鄰的子流程（如連接在兩u-circuits相鄰兩層）使他們可以連接到形成一個完整的冷卻回路。 基于圖形的技術來解決這個問題，這包括三個主要步驟。（a）設計的初步設計圖。（b）在圖中添加額外的節(jié)點和邊為代表的各種可能的聯(lián)系和子流程中。（c）用一個具體的圖的遍歷的方法找到對應的候選冷卻回路的路徑。步驟1和2是在下面的小節(jié)描述的步驟3，并將在下一節(jié)中描述的。3.2、圖表示這是初步設計圖最初是一套相互獨立的子圖的構造，使得每個子流程的初步設計規(guī)定的子圖表示。在子圖中的每條邊代表一個冷卻通道，每個節(jié)點表示一個入口，出口，或連接點之間的相鄰通路。在圖的邊上都標有一個屬性：L，C的邊緣或x-edge。L用于表示直線邊緣冷卻通道（L）。C-EDGE用于表示冷卻通道的邊緣形狀復雜（C型）。x-edge用于邊表示通道，從而起到互連的子流程或子流程內（冷卻元件X通道）。冷卻元件在每個子流程如下：一個人的冷卻通道，兩節(jié)點連接的L的使用；對平面冷卻元件（如u-circuit或V-channel），一個簡單的路徑的節(jié)點組成的交替序列L型邊使用；具有一個入口和出口，在彼此接近的元素（如鼓泡器和擋板），或一個元素與三維復雜的冷卻通道（如冷卻塔），兩節(jié)點連接的C-EDGE使用。3.2.1圖改性 冷卻系統(tǒng)不使用并聯(lián)冷卻只有一個冷卻回路對應于該圖表示一個簡單的路徑。搜索圖的一個適當?shù)暮唵温窂竭B接所有或大部分的冷卻元件在初步設計規(guī)定的，應是一個連通圖的圖。然而，圖初步建成代表初步設計是沒有關系的，因為有子圖對應的各個子流程之間沒有連接，和子流程本身可能不通過連接組件的圖形表示。因此，最初的圖要修改的一組操作，成為連接圖。3.2.2改性的運算 這些子圖只包含L型邊，這為代表的渠道L型邊躺在同一平面上，被稱為運算。典型的冷卻元件被運算包括u-circuits，v-channels，以及并聯(lián)冷卻通道位于同一平面集。每個L-圖進行了修改，如果有必要，形成至少一個周期的一個連通子圖。改性是通過添加額外的通道，連接現(xiàn)有渠道的終點了。顯示結果圖結構源于一個簡單的例子，初步設計了圖2。注意，圖的結構是由兩個連通子圖，并且每個子圖是由L型邊這代表了冷卻元件在初步設計規(guī)定的，和X邊這是在圖形修改補充。 圖3冷卻系統(tǒng)的初步設計圖3.2.3子圖融合 合并的子圖的目的是將個體形成連通圖的子圖。由于每個子圖代表一個初步設計中指定的子通路，合并過程應（i）避免在子圖的任何重大修改；和（ii）使用盡可能短的x-edge每當一個x-edge需要建立一個連接。這些確保合并過程中不造成的初步設計是在單獨的子圖表示的意義偏差。合并的過程包括兩個階段。 在第一階段，只運算被認為是?？紤]兩運算LGI和LGJ躺在飛機的PLI和PLJ。他們合并，如果（我）PLI和PLJ他們之間是平行的幾何距離小于閾值；或（ii）PLI和PLJ在同一平面上，并有一對平行的通道，一個來自LGI和其他從LGJ這樣，他們之間的幾何距離小于閾值。在前一種情況下，LGI和LGJ合并成一個單一的子圖，按照下面的方法添加節(jié)點和邊。在原代表相應的渠道運算翻譯是從PL等距離的平面I和PLJ。在后者的家，LGI和LGJ通過將通路對合并（因此在子圖對應邊）由一個單一的通道，兩通道之間的謊言。 在第二階段，所有子圖被考慮進去。任何兩個子圖的合并如果距離他們之間是最小的。這個距離兩個子圖之間GI和GJ是指之間的最小距離距離邊緣之間的GI和一個邊緣GJ。這個距離之間的邊緣EI對GI和邊緣EJ對GJ是指由通道之間的最短距離EI和EJ。合并執(zhí)行迭代，直到所有的子圖合并成一個單一的圖。 合并兩個子圖GI和GJ（沒有必要運算），一個x-edge（可能是一個額外的節(jié)點）添加；這相當于增加一個通道連接兩個子流程為代表的GI和GJ。該通道的冷卻效應沒有在初步設計階段考慮，最短的渠道應該是用來避免在冷卻系統(tǒng)的冷卻效果有明顯的變化。因此，這個新通道的兩端點，對每一個子流程，應放置的位置處的最小距離GI和GJ得到了。如果出現(xiàn)兩平行通道之間的最小距離，兩個新的渠道（這兩X邊）的構建。在每個通道的結束點至少有一個是在子流程存在的終點。如果相同的最小距離發(fā)生平行通路多間，X邊用相同的方法添加到每一對。連通圖G從合并過程中獲得的是代表不同的方式冷卻元件和子流程可以連接。連通圖的初步設計圖2。4、候選冷卻回路的生成從連接圖找到候選人的冷卻回路G從上一步得到的，入口是第一選擇的節(jié)點間的G。啟發(fā)式算法可以根據(jù)一個特定的成型條件的具體要求，這個選擇。一個簡單的啟發(fā)式，對應的冷卻系統(tǒng)設計的一個常見的做法是選擇節(jié)點，靠近門的位置。從選定的入口節(jié)點，一組簡單的路徑是從G通過遍歷G使用一個特定的遞歸的深度優(yōu)先搜索算法。在搜索樹，捕捉所有簡單路徑對應的候選冷卻回路選用進口的搜索結果。對設計過程的要求是，冷卻回路產生應盡可能多的冷卻元件的連接。這就要求簡單的路徑應盡可能長。的概念最大路徑因此，介紹。給定一個節(jié)點n零進入G一開始，路徑n零最大如果終止于一個結點nn這樣，所有節(jié)點相鄰nn包括在路徑。換句話說，一個最大的路徑不能進一步擴展的長度沒有創(chuàng)建一個環(huán)。圖4 從節(jié)點2開始冷卻回路的產生。4.1、路徑搜索算法最初，一個搜索樹T是用一根對應于給定的開始節(jié)點構造n0。的搜索算法，然后調用圖G開始結n0。搜索算法首先檢索所有節(jié)點n1這是相鄰的輸入節(jié)點n0進入G。如果n0沒有一個相鄰節(jié)點，然后搜索算法終止。否則，相鄰節(jié)點nI存儲到樹T作為兒童n0。圖G然后復制到一個新的圖G-輸入圖，n0n1和它的所有相鄰節(jié)點n1）是從G。搜索算法是遞歸調用每個n1和一個新的圖G。遞歸搜索算法最終終止與一棵樹T包含所有的最大路徑G從那開始n0。下面進一步說明算法的偽代碼。算法的路徑搜索（G，N0）輸入：輸入圖Gn0輸入節(jié)點全局變量：這個搜索樹開始檢索節(jié)點n1這是鄰近N0先生；如果沒有節(jié)點檢索，去結束其他的存儲每個n0；刪除所有的邊緣n0n1在G一對于每個n1路徑搜索（G，n0）終點。4.2、該算法的證明這是證明搜索樹的重要T所產生的路徑搜索（G，n0）實際上包含了所有可以從一個給定的節(jié)點的最大路徑檢索n0進入G。更具體地說，它是證明任何最大路徑從n0進入G，有一個對應的路徑圖?？紤]一個最大的路徑P進入G隨著節(jié)點序列n0，n1，n2,nK，。很明顯，n0在任何路徑T從起點到節(jié)點T。假設有一個路徑PT進入T對應于該段n0，n1，n2,nK的最大路徑P。考慮節(jié)點nK這是相鄰的nK進入G。結nK不等于n1，I=0,K。否則，最大的路徑P不是一個簡單的路徑。因此，邊緣從圖形中刪除G（G1，n1）I=0,K1，構建路徑PT進入T。因此，當路徑搜索調用一個G1與起始節(jié)點nK，G1必須包含的邊緣nknk-1。作為一個結果，執(zhí)行搜索路徑（G1，nK）nK一并將其保存為子節(jié)點nK進入T。路徑段n0，n1，n2,nK因此存在T。使用感應，路徑n0，n1，n2,nK存在T。顯示的最后一個節(jié)點nn最大的路徑P存儲為一個葉節(jié)點T考慮到所有的節(jié)點，n1進入G這是鄰近nn。根據(jù)最大路徑的定義，所有相鄰節(jié)點nI的最后一個節(jié)點nn在最大的路徑?？紤]執(zhí)行路徑搜索（G1，nI）處理相鄰節(jié)點nI。作為nn相鄰鄰nI。因此，當路徑搜索（G1，nn）時，相鄰的節(jié)點nI將檢索到的因為所有的邊上nn進入G已刪除G一由以前的處決路徑搜索（G1，nI）。路徑搜索（G1，nn）從而終止不創(chuàng)建子節(jié)點nn，離開nn作為一個葉節(jié)點T。5.布圖設計 給定一個候選的冷卻回路，接下來的任務是通過開發(fā)一個初步的生產計劃生成的布局設計生產的冷卻回路模具中插入，和（ii）連接流程的入口和出口通過模架的模座的側壁。（一）顯示了一個簡單的流程和模具鑲件。（b）顯示孔的模具，實現(xiàn)流程的鉆。流程中的每一個通道被鉆了一個洞從墻的模具插入形成的，和一個插頭插入密封孔進入。該流程的進出口連接到沿鑲件的安裝方向鉆模座。這確保密封膠（如O形圈）可以正常安裝在模具和模具基體之間的界面。通道垂直于模座的側壁然后加連接進水口和出水口。圖5實現(xiàn)冷卻回路的鉆孔方法。5.1、鉆孔方向有參與布局設計生成的兩個主要的任務：（一）每一通道的鉆孔方向的選擇（ii）通道位置的調整時，有一個通道和其他模具零件之間的干涉。確定一個通道鉆孔方向，想象的通道從一端到延伸部分與模具插入邊墻。一般來說，有兩個方向，一個從每個底部，拓展水道。平行水道，有更多的選擇。一套R共線性的通道，該通道可分為兩組R1種不同的方法，從而有R1鉆通道的方法。因此，一個流程n共線性通道集M獨立的渠道已超過2m n在選擇鉆井方向的選擇。選擇的數(shù)量的通道數(shù)是指數(shù)級的，啟發(fā)式搜索來找到每個通道一個適當?shù)难由旆较?。顯示兩例如冷卻回路可能的選擇。所示的替代的圖6（b）要求在三個方向上鉆孔（C）需要在五個方向鉆。前者是可取的，因為它需要更少的機器設置。啟發(fā)式是用來選擇需要更少的機器設備和更短的加工時間。啟發(fā)式搜索是由兩個主要的操作階段：圖6 對于不同的布局設計，同樣的冷卻回路不同鉆孔方向。從一個流程的第一通道，每個通道依次檢查是否是唯一可行的方向延伸。在這種情況下，通道是可行的方向延伸。一個通道只有一個可行的延伸方向在另一個方向，結果延伸通道（包括延伸部分）在不相鄰的通路的路徑；終止于制品的表面（即成型品的表面）或與其他模具零件。已使用的渠道延伸標記為方向優(yōu)先方向。這些優(yōu)先方向作為啟發(fā)式，引導方向的選擇對剩余的通道階段2。從第一個通路尚未延伸階段1再次開始，每個通道依次為可行方向。這是必要的因為階段1一些渠道已經擴展，這可能會影響其他渠道的可行的延伸方向。如果有一個通道的兩個可行方向，一個方向是基于以下的啟發(fā)式選擇。選定的方向是唯一的方向，是一個優(yōu)先方向。如果可行方向的優(yōu)先方向，或是沒有一個方向，然后方向，結果在一個較短的長度是。一次，是不是一個優(yōu)先方向是選擇的擴展，它被標記為優(yōu)先方向。優(yōu)先方向的使用會降低鉆井方向的數(shù)量，以便在機器設置的時間可以減少。使用方向較短的延伸部分，減少了加工時間和避免深孔鉆所需要的額外的努力。一個簡單的例子說明圖7。（a）和（b）顯示階段1在渠道操作L一和L五只有一個可行方向延伸。（CE）顯示在主要的步驟階段2運營（C）顯示剩余的通道，沒有擴展的可行方向。（d）顯示擴展L二在一個方向，結果在一個較短的延伸部分。三優(yōu)先方向后延伸L二顯示。（E）顯示的最終結果后的首選方向延伸的其它所有通道。圖7 鉆孔方向的測定 在一定的冷卻回路，它可能的情況是，有在運作階段的渠道不可行方向。當這種情況發(fā)生時，手術終止和設計過程的回溯工作的另一個冷卻回路。如果所有的冷卻回路，來自選定的入口節(jié)點已經用盡，設計過程的回溯到選擇另一個入口，產生一組新的候選人的冷卻回路。5.2、通道位置的調整保持模具結構的強度，這是必需的，一個通路不能鉆孔太靠近模具組件。因此，它被認為是一個通道，如果任何面對模具插入鉆孔之間的最小距離小于閾值的干擾Tint。當干擾發(fā)生時，有必要調整通道的位置。從第一個通道，每個通道的檢查的干擾，和調整方法的選擇和應用，如果有必要的通道。如果所有的適用的調整方法不能去除干擾，調整過程結束和設計過程的回溯。盡量減少對冷卻回路的整體散熱性能的影響，只有一個小的調整的通道的位置是不允許的。讓Tint可允許的最大調整，X是沿特定方向的渠道調整量，F(xiàn)I表示面定義模具鑲套，和D（X，F(xiàn)I）的最小距離FI和渠道的調整位置X。沿給定方向的優(yōu)化調整是最小的X為冷卻回路的連接序列形成的通道，一個通道的調整可能需要與相鄰通路保持連接的相鄰通道的調整