空間配置法的塑料注射模冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前5幅圖

1、空間配置法的塑料注射模冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)C.G.Li,C.L.Li摘要注塑模具的冷卻系統(tǒng)對(duì)注塑生產(chǎn)工藝和塑造部件質(zhì)量是至關(guān)重要的，盡管不同的研究成果已經(jīng)指向分析、優(yōu)化和制造的冷卻系統(tǒng)，但支持布局設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)尚未得到很好的發(fā)展。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重大問(wèn)題是建設(shè)的可行性模腔內(nèi)插入不干擾其他模具部分的冷卻系統(tǒng)。本文報(bào)告一個(gè)空間配置（C-space）方法來(lái)解決這個(gè)重要問(wèn)題。而一個(gè)多維C-space需要處理一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，如冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)的特殊特點(diǎn)在目前的研究中被開(kāi)發(fā)，同時(shí)在三維或低維也研究了C-space的計(jì)算和存儲(chǔ)的特殊技術(shù)。這種新方法是一種改進(jìn)的先前的啟發(fā)式方法研究。因?yàn)镃-space使自動(dòng)布

2、局設(shè)計(jì)系統(tǒng)在所有可行的設(shè)計(jì)進(jìn)行更系統(tǒng)的研究，一個(gè)簡(jiǎn)單的遺傳算法已被應(yīng)用，并且結(jié)合C-space來(lái)自動(dòng)生成候選布局設(shè)計(jì)。遺傳算法的設(shè)計(jì)是驗(yàn)證了該方法的可行性。1. 介紹注塑模具的冷卻系統(tǒng)對(duì)注塑生產(chǎn)工藝和塑造部件質(zhì)量是至關(guān)重要的。冷卻系統(tǒng)的分析已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究1,2，并且商業(yè)CAE系統(tǒng)，如MOLDFLOW3,4moldex3D在行業(yè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。優(yōu)化給定的冷卻系統(tǒng)的技術(shù)研究也有報(bào)道5-8，最近，通過(guò)使用新形式建立的冷卻系統(tǒng)的制造技術(shù)的方法已經(jīng)被報(bào)道，徐等人9報(bào)道了設(shè)計(jì)與施工中隨形冷卻通道通過(guò)模具的壓痕來(lái)保持距離，孫等人10,11使用數(shù)控銑槽加工冷卻通道U型研磨槽并且12提出了一個(gè)腳手架結(jié)構(gòu)設(shè)

3、計(jì)的隨形冷卻。盡管有各種各樣的研究成果主要集中于初步設(shè)計(jì)階段的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，其主要關(guān)心的是系統(tǒng)冷卻功能的性能，但是支持的設(shè)計(jì)階段的可行性及可加工性的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題沒(méi)有得到很好的發(fā)展。在布局設(shè)計(jì)階段的一個(gè)主要關(guān)注的是建設(shè)的可行性模具內(nèi)插入不干擾其他模具部件的冷卻系統(tǒng)，考慮如圖1的例子?？梢钥闯觯S多不同的零件的各種子系統(tǒng)的注塑模具，如推桿，滑梯，sub-inserts,等等，不得不擠進(jìn)模腔。尋找最佳地點(diǎn)為每個(gè)通道的水冷系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的冷卻性能并且避免干擾其他組件不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。圖1.冷卻系統(tǒng)模腔插入其他模具部件另一個(gè)問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化了布局設(shè)計(jì)問(wèn)題是單獨(dú)冷卻通道需要被連接到一個(gè)路徑連

4、接其進(jìn)口和出口。因此，改變位置的管道可能需要改變其他渠道?？紤]下面圖2例子，每個(gè)通道的理想位置優(yōu)化冷卻系統(tǒng)性能，如圖2（a）。假設(shè)當(dāng)冷卻系統(tǒng)與其他模具部件內(nèi)置模腔時(shí)，模具組件O1 被發(fā)現(xiàn)干擾通道C1。當(dāng)C1不能移動(dòng)到附近的一個(gè)位置，由于可能其他組件的干擾，它被縮短，結(jié)果C2移動(dòng)，C3保持連接性被拉長(zhǎng)，如圖2（b）。由于其新的長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)C3干擾另一個(gè)模具組件O2，并且需要進(jìn)一步的改進(jìn)，導(dǎo)致圖2（c）的最終設(shè)計(jì)。考慮到一個(gè)典型的注塑模具可能超過(guò)十道冷卻通道，每一個(gè)通道可能潛在干擾其他模具部件，手動(dòng)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的布局設(shè)計(jì)是很乏味的。(a)在理想位置冷卻通道C1和模具O1 發(fā)生干涉 (b)通道C1被縮短了

5、，C2被移動(dòng)，C3被拉長(zhǎng)(c)最終的設(shè)計(jì)C3被移動(dòng)，C2被縮短。圖2.顯示的設(shè)計(jì)過(guò)程的例子本文報(bào)告一種新技術(shù)用來(lái)支持布局設(shè)計(jì)工藝的自動(dòng)化。在這個(gè)新技術(shù)，空間配置（C-space）法被用來(lái)在所有可行的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供一個(gè)簡(jiǎn)潔的表達(dá)。通過(guò)一種有效的方法即利用布局設(shè)計(jì)問(wèn)題的特殊特點(diǎn)，來(lái)建立C-space。與其使用啟發(fā)式規(guī)劃生成布局設(shè)計(jì)，不如用在先前的研究中的自動(dòng)布局設(shè)計(jì)系統(tǒng)13,14，這個(gè)新C-space算法使自動(dòng)布局在所有可行的布局設(shè)計(jì)中進(jìn)行較為系統(tǒng)的搜索。2. 配置空間方法 一般來(lái)說(shuō)，C-space系統(tǒng)的空間是系統(tǒng)每一個(gè)自由度當(dāng)作一維的空間。在配置空間區(qū)域被稱為堵塞地區(qū)或自由區(qū)域。點(diǎn)在系統(tǒng)自由區(qū)域?qū)?/p>

6、應(yīng)的有效配置，那里沒(méi)有部件之間的相互干擾。點(diǎn)在系統(tǒng)阻塞區(qū)對(duì)應(yīng)的有效配置，那里的部件之間相互干擾。C-space最初是由Lozano-Perez15有效的解決機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題，并且一項(xiàng)調(diào)查顯示在這個(gè)領(lǐng)域的研究已經(jīng)被各類(lèi)報(bào)道16。C-space方法被用來(lái)解決定性推理技術(shù)的問(wèn)題（如圖17,18)和運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)備的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和分析（如圖19-21）。作者研究了多重C-space 合成機(jī)構(gòu)22，23的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法。2.1 C-space的冷卻系統(tǒng)一個(gè)多維C-space可以用來(lái)代表冷卻系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)的所有可行的布圖設(shè)計(jì)。如圖3例子。初步設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)由四個(gè)冷卻通道組成。為了從初步設(shè)計(jì)生成一個(gè)布局設(shè)計(jì)，可以

7、調(diào)整通道的中心和長(zhǎng)度。如圖3所示，通道C1中心可以沿著X1、X2方向移動(dòng)，它的長(zhǎng)度沿著X3的方向調(diào)整。同樣，C2的長(zhǎng)度可以沿著X4方向調(diào)整，而它的中心通過(guò)調(diào)整X1、X3，從而必須與C1的調(diào)整一致來(lái)保證連續(xù)性。通道運(yùn)用與其他通道相似的參數(shù)，可以看出冷卻系統(tǒng)有5自由度，它們是Xi，i=1，2，3，4，5。在原則上，C-space是一個(gè)五維空間并且在空間自由區(qū)域的任何一點(diǎn)在Xi軸上給定一系列坐標(biāo)值，可以用來(lái)定義通道的幾何位置而不引起其他模具部件干擾。為了確定在自由區(qū)域的非線性C-space冷卻系統(tǒng)，第一步就是要構(gòu)建自由區(qū)域的單獨(dú)C-space通道。圖3.冷卻系統(tǒng)的自由度2.2 C-space單獨(dú)冷卻

8、通道的構(gòu)建當(dāng)一個(gè)單獨(dú)通道被認(rèn)為是獨(dú)立的，他有三個(gè)自由度，指定X1和X2為它的中心位置和X3為其長(zhǎng)度方向。在初步設(shè)計(jì)中已經(jīng)指定理想的中心位置和長(zhǎng)度，我們有理由假定在X1，X2，X3上有固定最大允許偏差值C。在最初的C-space自由區(qū)域通道Ci，是一個(gè)三維立方體Bi尺寸規(guī)格CCC。當(dāng)通道Ci通過(guò)鉆孔固定在模腔，為了避免模具組件Oi任何可能干擾，必須考慮鉆孔直徑D和鉆孔深度。為了說(shuō)明直徑D，Oi到Oi，的偏移量是D/2+M，M是內(nèi)壁與部件正面最小允許距離。Oi的增加實(shí)際上是減少通道Ci到Li的直線距離?？紤]如圖4例子。圖4（a）給定通道Ci和可能干擾Ci三個(gè)部件O1，O2，O3。圖4（b）給定部件

9、的偏移點(diǎn)O1，O2，O3,減少了Ci直線段Li的距離，保證了其Ci軸的連續(xù)性。如果Li和接觸模具構(gòu)件沒(méi)有交叉，然而最初通道Ci不干擾模具組件。在C-space方法中增長(zhǎng)或接觸障礙是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。通道的成型加工是從模腔正面鉆孔，并且鉆孔深度中的障礙Oi將影響通道的結(jié)構(gòu)。為了解釋鉆孔深度，Oi的偏移點(diǎn)Oi，是沿著鉆孔方向偏移直到模腔的反面來(lái)征程的Oi。Oi實(shí)際上降低直線Li到位于Li的端部的點(diǎn)Pi的距離。如圖4（c），假如點(diǎn)Pi在Oi，的外部，沿著Li鉆孔來(lái)加工Ci是可行的。用到Ci的自由區(qū)域PRi，是由如下方法得到的。首先，最初的自由地區(qū)Bi是在其中心Pi建立的，如圖4（d），Bi然后與模腔的相

10、交得到Bi，。當(dāng)只有模腔的幾何形狀被考慮時(shí)，Bi，代表Ci所有的可能變化量。然后，PRi是從所有的障礙O，中減少Bi獲得的，如4（e）和（f）所示的結(jié)構(gòu)和舉例中的PRi的結(jié)果。(a)通道Ci和三個(gè)模具組件插入模腔 (b)模具零部件和Ci的直線度Li相抵消 (c)模具零部件和Ci 表示點(diǎn)Pi的抵消(d)Ci的最初自由度 (e)從Bi到O的偏移 (f)Ci的自由區(qū)域FRi圖4.建立在自由區(qū)域FRi的管道Ci的主要步驟2.3 C-space冷卻系統(tǒng)的基本方法的建設(shè)確定在C-space中自由地區(qū)FRf的冷卻系統(tǒng)，每一個(gè)自由地區(qū)的冷卻通道不得不用適當(dāng)?shù)姆椒ū弧跋嘟弧币灾劣趯?duì)所有通道障礙的影響都由FRf適

11、當(dāng)?shù)谋硎?。然而兩種不同通道的自由區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)的布爾交集不能執(zhí)行，因?yàn)镃-spaces相交不同的軸。參考圖3的例子，C1和C2的C-spaces空間的交集X1，X2，X3和X1，X3，X4。為了便于交集在不同的C-spaces自由地區(qū)，從C-space的一個(gè)通道到另一個(gè)通道的區(qū)域的規(guī)劃是必要的。首先介紹下面的符號(hào)，也可以用來(lái)推測(cè)和討論接下來(lái)的文章。用來(lái)描述多維空間的符號(hào)Sn表示一個(gè)n維空間軸的集合=X1，X2，.，XnSm表示一個(gè)m維空間軸的集合=X1，X2，.，XmPn表示點(diǎn)在Sn上并且Pn=(x1，x2，.,xn)，xi表示在Xi軸上的第i坐標(biāo)Rn表示在Sn上的區(qū)域（RnSn），Rn是Sn上一

12、系列點(diǎn)的集合。PROJsm（Pm）表示從Sn到Sm的點(diǎn)Pn的投影PROJsm（Rm）表示從Sn到Sm的點(diǎn)Rn的投影用來(lái)描述冷卻系統(tǒng)的符號(hào)nc表示冷卻系統(tǒng)的通道。nf表示冷卻系統(tǒng)中的總的自由度。Ci表示冷卻系統(tǒng)中的第i通道。Si表示C-space空間的Ci通道。FRi表示自由區(qū)域上的Si，也就是說(shuō)，它是單獨(dú)通道Ci的自由區(qū)域。2.4 C-空間的表示和計(jì)算為了表示FRf 自由區(qū)域以及促進(jìn)高位空間的布爾交集運(yùn)算簡(jiǎn)化計(jì)算。我們可以運(yùn)用類(lèi)似于21，24中用到的細(xì)胞計(jì)數(shù)法，基本想法是用一套高維盒來(lái)近似表示一個(gè)SF中的高維域Rf。每個(gè)箱子被定義為指定的一個(gè)間隔在SF的每一個(gè)軸上。兩個(gè)區(qū)域的交運(yùn)算可以通過(guò)兩個(gè)

13、盒子的交運(yùn)算得到的。兩套高維盒之間的交運(yùn)算就是每個(gè)軸線上每個(gè)盒子之間的間隔的交運(yùn)算。假設(shè)每個(gè)FRf都接近于米三維盒，那么PROJsf（FRi）的投影就接近于mnf維盒。用原理1對(duì)FRf 的解釋要求mnc和一個(gè)nf維盒的交叉，并且FRf代表nf維盒的最大量mnc。盡管用來(lái)表示布爾交集的盒子和FRf可以用特殊技術(shù)減少，但是有人預(yù)測(cè)說(shuō)，內(nèi)存和計(jì)算的要求還是這種分析的方法的主要問(wèn)題。在下一部分，一個(gè)改進(jìn)了的方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)。2.5用于C空間建設(shè)的有效技術(shù)為了避免FRf的表示和解釋中所用到太多的內(nèi)存和計(jì)算，我們選擇不去明白的表示和計(jì)算FRf，反而我們集中精力在一個(gè)使得計(jì)算過(guò)程的工作對(duì)每一個(gè)個(gè)體C-spac

14、es通道的技術(shù)。首先，考慮簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)實(shí)例。如圖6。為了說(shuō)明，人們猜測(cè)在這個(gè)例子里，F(xiàn)Ri沒(méi)有沿Z方向的插入變化因此模具冷卻系統(tǒng)有四個(gè)自由度，如圖6（a）。每個(gè)凹槽Ci的Si是二維的，這個(gè)假設(shè)的FRi如圖6(b)。一個(gè)考慮設(shè)計(jì)渠道C1簡(jiǎn)單的方法。首先，一個(gè)點(diǎn)P1可以從FR1內(nèi)選出從而C1與任何的障礙毫無(wú)干涉，然而S1是X1和X2的交集，X2在S2上。因此，必須同樣考慮到這些在S2上的障礙限制。為了找出所有的可行的設(shè)計(jì)要點(diǎn)C1，F(xiàn)R1和FR2布爾求交。因?yàn)樽杂捎騀R2，X26,10，通過(guò)限制X26在FR1上的區(qū)域而得到的求交結(jié)果如圖6（c）?，F(xiàn)在，如圖6（c）中顯示的在自由域內(nèi)的任何點(diǎn)產(chǎn)生的一個(gè)通道

15、C1掃清任何障礙，而且還有一個(gè)C2的設(shè)計(jì)因此它可以和C1相連。（即它們有一個(gè)共同的X2值）而且沒(méi)有任何障礙。(a)4凹槽4自由度的簡(jiǎn)單冷卻系統(tǒng)(b)FRi自由區(qū)域在其結(jié)構(gòu)空間Si中的每一個(gè)凹槽圖6.冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單例子討論與結(jié)論在C-space 的實(shí)施方法中，細(xì)胞計(jì)數(shù)方案是用這樣的方法。在當(dāng)前的實(shí)施中，C-space的使用在每一尺寸是0.15毫米，應(yīng)該使用冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因?yàn)橐粋€(gè)非常細(xì)微調(diào)整。就0.01毫米來(lái)說(shuō)，制冷性能的變化并不明顯。然而，他們的方法和定理在研究上的發(fā)展不局限于某一具體方案。事實(shí)上，因?yàn)榉椒ɑ诙ɡ?，所有C-space計(jì)算和存儲(chǔ)被做在三維，因此標(biāo)準(zhǔn)幾何建模技術(shù)都可以使用。

16、本研究的一個(gè)重大貢獻(xiàn)是發(fā)展支持一個(gè)特定的C-space的設(shè)計(jì)方法過(guò)程。采用C-space方法，可以適當(dāng)?shù)拇硭锌尚械牟季衷O(shè)計(jì)。我們已經(jīng)證明，C-space方法可用于支持不僅制冷性能最佳外觀設(shè)計(jì)的生成，而且可以支持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。這種新方法可以克服我們之前的方法，依靠特定的啟發(fā)式方法產(chǎn)生的局限性。這C-space也可作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)以支持交互式版圖設(shè)計(jì)。它允許一個(gè)設(shè)計(jì)師不用檢查冷卻系統(tǒng)與其他模具部件的相互干擾。本研究的重點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)幾何方面的設(shè)計(jì)。據(jù)悉，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻系統(tǒng)時(shí)，其他參數(shù)，如冷卻劑流量、冷卻時(shí)間、包裝時(shí)間，注射時(shí)間等需要考慮。一個(gè)可能的方法，用一種更加復(fù)雜的遺傳算法把這些參數(shù)整合到C

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