一种基于UG NX系统的塑件几何可模塑性分析的方法

技术领域

本发明属于注塑模具领域，更具体地，涉及一种基于UG NX系统的塑件几何可模塑性分析的方法。

背景技术

近几年来随着注塑制件的复杂化，模具自动设计技术的研究已成为当前模具工业发展的重要课题之一。在产品设计的同时，要考虑模具设计制造因素，建立制件设计同模具设计的关联，以避免生成导致复杂模具结构设计的制件设计结果。侧凹特征的存在，侧抽芯的数量和体积、脱模方向的选择是决定模具结构和生产成本的重要因素。在概念设计阶段，客户经常会对零件的几何形状有大量修改。因此对注塑产品的几何可模塑性分析是相当有必要的。此外，进行快速准确的几何可模塑性分析有助于塑件生产制造的报价，甚至可以成为实现交易的决定性因素。

塑件可模塑性是指在塑料满足可模塑性的生产条件下，塑件在模具中模制成型的能力,可模塑性强的塑件结构可通过注射、模压和挤出等成型各种形状的模塑制品，不需要设置过多的侧抽芯机构等辅助机构，可大大节省生产成本。目前，在注塑模具的设计过程中，对塑件的几何可模塑性分析大多凭借设计师的经验确定，结果包含的主观因素多，准确性差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于UG NX系统的塑件几何可模塑性分析的方法，通过将模型简化后的模型转化为最小三维凸包模型，然后获得潜在侧凹特征，通过该潜在侧凹特征获得脱模方向和对应的侧凹特征，最后由脱模方向确定每个面的拔模角度，由此解决模具设计过程中依靠设计师的经验确定塑件的几何可模塑性分析的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于UG NX系统的塑件几何可模塑性分析的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将塑件的三维实体模型导入UG NX系统中，并识别该三维实体模型中塑件的几何信息，针对该几何信息中的倒角特征，在所述三维实体模型中将该倒角特征移除，针对所述几何信息中的曲面，在所述三维实体模型中采用有限元网格划分的方法将其划分为多个平面，实现将曲面转化平面，由此完成所述三维实体模型的简化处理，并获得简化后的模型；

(b)采用包裹几何体的方法计算所述简化后的模型的最小三维凸包模型，由此获得包裹该简化后的模型的凸包，将所述简化后的模型离散为n个平面，形成离散模型B，每个面由num个点表示，判断每个平面上的每个点是否在所述凸包上，若一个平面上至少有一个点不在所述凸包上，该不在所述凸包上的点所在的平面为潜在侧凹特征面，由此获得多个潜在侧凹特征面；

(c)将所述多个潜在侧凹特征面按照连接关系划分为多组，相连的潜在侧凹特征面为一组，每组潜在侧凹特征面构成一个潜在侧凹特征，对该潜在侧凹特征进行可视性脱模分析获得其对应的脱模方向，由脱模方向与侧凹特征的关系获得该脱模方向对应的侧凹特征，由此获得多个脱模方向以及与该脱模方向对应的侧凹特征；

(d)所述多个脱模方向构成脱模方向集，从该脱模方向集中选取一个脱模方向作为最优脱模方向，根据该最优脱模方向确定所述塑件的三维实体模型每个面的拔模角度，由此完成塑件的几何可模塑性分析过程。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述每个面由num个点表示，num＝3,即采用3n个点表示所述简化后的模型。

进一步优选地，所述判断每个平面上的每个点是否在所述凸包上，若一个平面上至少有一个点不在所述凸包上，该点所在的平面为潜在侧凹特征面，优选采用下列表达式，

其中，N为离散模型B上所有点的集合，P_i1，P_i2和P_i3是离散模型B的第i个面的三个点，B'是凸包，{F'}是潜在侧凹特征面集合，F'_q是第q个潜在侧凹特征面，P_q1，P_q2和P_q3是组成潜在侧凹特征面F'_q的三个点。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述选取一个脱模方向作为最优脱模方向按照下列评价标准，脱模方向的评价分数G最高即为所需的最优脱模方向，

其中，G为脱模方向评价分数，f_i为评价项目，包括侧凹特征的数目，侧凹特征体积和注塑产品投影面积；w_i为评价项目所对应的权系数，其根据实际需求设定。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述对该潜在侧凹特征进行可视性脱模分析获得其对应的脱模方向，具体按照下列步骤：

(c1)根据每个潜在特征包含的潜在侧凹特征面对应的可视图，求解每个潜在侧凹特征的可视图，优选按照下列表达式，

其中，VMap是可视图，g是潜在侧凹特征的序号，h为潜在侧凹特征的集合{T}中潜在侧凹特征的总数量，T_g为所有潜在侧凹特征的集合{T}中的第g个潜在侧凹特征，m为第T_g个潜在侧凹特征中包含的潜在侧凹特征面的序号，m＝1,2,3,…l，l为第T_g个潜在侧凹特征中包含的潜在侧凹特征面的总数量，F'_m为潜在侧凹特征T_g的第m个潜在侧凹特征面；

(c2)根据步骤(c1)获得的潜在侧凹特征的可视图，求解塑件的三维实体模型的可视图集合，即脱模方向的集合，优选按照下列表达式，

当时，

否则，

其中，S为塑件的三维实体模型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明基于UG NX系统，利用其处理复杂三维模型和复杂曲面的能力，完成塑件模型自动简化及模型凸包自动求解，基于模块化编程思想，分解几何可模塑性分析流程，提高代码编写的灵活性，实现各模块的快速动态调整；

2、本发明通过利用程序可得出塑件的几何可模塑性分析结果，不需要过多的人为干预，只需要将需要分析的塑件产品导入到UG NX系统中，结合实际的生产需要设置XML程序参数的配置模板，因此具有通用型，可以适应任何结构的塑件产品；

3、本发明采用的UG NX，功能强大，轻松实现各种复杂实体及造型的建构，并且向用户提供了二次开发功能，对提高产品设计效率，缩短产品设计周期，使设计符合国家标准等，具有重大意义。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的塑件几何可模塑性分析的方法流程图；

图2是是按照本发明的优选实施例所构建的采用本发明的方法分析的塑料产品示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的基于可视性脱模方法的潜在侧凹特征的可视性分析示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的塑料产品的最优拔模方向示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的获取每个面的拔模角度方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的一种基于UG NX系统的塑件几何可模塑性分析的方法，是利用NX/OpenMenuScript开发几何可模塑性分析软件菜单；使用基于XML进行程序参数的统一配置模板；利用UG NX/API、C#语言对塑件可几何模塑性分析的整体系统进行编程，建立动态链接库文件；利用UG NX便捷开发的交互界面及强大的图形显示能力，直观地显示最终的塑件几何可模塑性分析结果。

图2是是按照本发明的优选实施例所构建的采用本发明的方法分析的塑料产品示意图，如图2所示，以该塑料产品为例，本发明的一种基于UG NX系统的塑件几何可模塑性分析的方法具体按照下列步骤进行，图1是按照本发明的优选实施例所构建的塑件几何可模塑性分析的方法流程图；如图1所示，

步骤1：将塑件的三维实体模型导入UG NX系统，以绝对坐标系为参考，读取三维实体模型相关数据，主要是该三维实体模型中的几何信息，即该模型中塑件表面的面类型及面上的节点坐标；

步骤2：进行塑件模型的简化。一方面，识别其CAD模型上的倒角特征并自动移除；另一方面，分解曲面，有限元网格划分将其划分为多个小平面，实现将任意形状曲面转换为平面来处理，保证后续求解的顺利进行，由此获得简化后的模型，解决了无规则的复杂曲面难以进行可模塑性分析的问题；实施例上有着众多倒角特征，应当先识别后自动移除。

步骤3：基于UG CAD与塑件模型数据，UG软件中的包裹几何体方法进行塑件的最小三维凸包模型快速计算获得简化后的模型对应的凸包，凸包为凸多面体，是一种简单多面体；

步骤4：凸包具备良好的脱模性，基于凸包的几何特性，将简化后的模型与凸包进行布尔差获得多个潜在侧凹特征面；此步骤具体操作如下：

(1)先将简化后的模型离散为n个面，形成离散模型B，每个面采用由三个点表示，即采用3n个点表示简化后的模型，将离散模型B上所有的节点及面片数据进行记录，B上的每个面可由三个不共线的点表示为：

其中，F_i为离散模型B上的第i个面，i＝1,2,3…n，面的总数目为n；P_ij为第i个面F_i上的第j个点，j＝1,2,3，故节点数目为3n。P_ij表示如下：

其中，N为离散模型B上所有点的集合；x_ij,y_ij,z_ij为点P_ij在UG>

(2)将凸多面体模型(记为B')与离散模型B进行运算，具体如下，组成离散模型B的第i个面的三个点P_i1，P_i2和P_i3，只要有一个点不在凸多面体模型B'上，那么由这三个点组成的面F_i为潜在侧凹特征面，记为潜在侧凹特征面集合{F'}中的第q个潜在侧凹特征面F'_q，具体求解表达式如下：

步骤5：将上一步骤已找到的多个潜在侧凹特征面按几何连接关系进行分组，相连的潜在侧凹特征面分为一组，一组潜在侧凹特征面为一个潜在测凹特征，所有潜在侧凹特征的集合为{T}，将每个潜在侧凹特征高亮显示；

步骤6：基于可视图的可视性脱模分析方法，对该潜在侧凹特征进行可视性脱模分析获得所有潜在侧凹特征各自对应的脱模方向，所有脱模方向的集合构成注塑产品可行的脱模方向集合。

可视图(Visibility Map，记为VMap)概念已经广泛应用于确定分型方向，并提供了注塑产品几何可模塑性的标准。使用VMap是进行可视性脱模分析中最常用的方法之一。曲面在VMap上的映射集合中的任一点表示一个使得整个曲面外表面可视的方向。可视图脱模分析映射的示意图如图3所示，特征Feature由三个面Face₀，Face₁，Face₂构成，分别对这三个面进行可视图映射，再将三个面的可视图映射结果进行求交，得到特征Feature的可视图映射结果。

本发明采用可视性脱模分析求解注塑产品的可行脱模方向，首先需要确定各个潜在侧凹特征的可视性方向。潜在侧凹特征的VMap可以通过构成该特征的所有离散面片VMap做布尔交运算得到，即潜在侧凹特征T_g的可视图等于组成潜在侧凹特征的各个面的可视图结果求交集

其中，g是潜在侧凹特征的序号，h为潜在侧凹特征的集合{T}中潜在侧凹特征的总数量，T_g为所有潜在侧凹特征的集合{T}中的第g个潜在侧凹特征，m为第T_g个潜在侧凹特征中包含的潜在侧凹特征面的序号，m＝1,2,3,…l，l为第T_g个潜在侧凹特征中包含的潜在侧凹特征面的总数量，F'_m为潜在侧凹特征T_g的第m个潜在侧凹特征面。

而注塑产品的可行脱模方向集合可以由潜在侧凹特征的可视性方向进行布尔并运算得到，即塑件的三维实体模型的可视图集合”等于各个潜在侧凹特征的各个面的可视图结果求并集

其中，S为塑件的三维实体模型。

当注塑产品有直接可脱模方向时，即不存在侧凹特征和侧抽芯机构，即

则有

本发明实施例没有直接的可脱模方向，需要对可行脱模方向集进行再处理。

步骤7：对可行脱模方向集进行评估，筛选出最优脱模方向。

最优脱模方向的评价标准，通过以下公式对脱模方向进行判定。

其中，G为脱模方向评价分数，a是评价项目的序号，k为评价项目的总数量，f_a为第a个评价项目；w_a为第a个评价项目所对应的权系数，其根据实际需求设定。

为实现对最优脱模方向的自动判定，需要选取恰当的评价项目并由设计人员按照各个评价项目匹配相应的权系数，对多因素的综合考虑而不仅是使用单因素筛选，适用于实际工程中的多种情况。采用的评价项目以及相应的程序计算方法如下：

(1)侧凹特征数目

每个潜在侧凹特征对应一个脱模方向，对每个脱模方向进行分析，得到在各个脱模方向下的阻碍塑件脱模的侧凹特征。侧凹特征是注塑产品上存在的阻止型腔或型芯沿脱模方向移动的凸起或凹陷特征，侧凹特征是对沿着指定脱模方向下，影响直接脱模的最重要因素。模具结构设计中应保证内外侧凹特征的数据尽可能少，减少抽芯机构的使用，从而达到简化模具设计结构，提升模具设计效率，注塑生产效率以及降低模具加工成本。因此使得侧凹特征数目最少的脱模方向，将优先作为注塑件的脱模方向。

根据侧凹特征定义，对步骤6构建的可行脱模方向集合中的脱模方向分别与侧凹特征的可视性分析结果进行对比计算，即可确定在指定脱模方向下所存在的侧凹特征情况。具体计算方法为：

假设步骤6构建的可行脱模方向集合为{Q}＝{Q₁,Q₂,...,Q_r}，对于集合中任意一个脱模方向Q_u，u＝1,2，...，r，对潜在侧凹特征集合{T}中的元素进行一一判定，对于任意一个潜在侧凹特征T_g∈{T}，若脱模方向不是T_g的可视性方向，则潜在侧凹特征T_g为在指定脱模方向Q_u下的一个侧凹特征；反之，潜在侧凹特征T_g不是在指定脱模方向Q_u下的侧凹特征。

(2)侧凹特征体积

在侧凹特征数量相同或相近情况下，应当优先选择使得所有的侧凹特征的体积总和最小的脱模方向。

(3)注塑产品投影面积

注塑产品的投影面积是指产品沿着脱模方向向垂直该方向的平面进行投影，所获得的产品轮廓面积，在注塑产品体积一定时，当沿着脱模方向，注塑产品投影面积较大时，有利于提高产品的注塑加工性，可以减少塑料熔体在型腔中的流动路径，同时，具有较大投影面积的脱模方向有利于从模具中取出产品，减少所需拔摸斜度，减少模具加工时的切削深度。因此将注塑产品投影面积作为脱模方向的评价项目。

根据脱模方向，首先将注塑产品上的投影有效面片进行筛选，然后对筛选出的离散面片进行投影，通过对投影结果的内外轮廓的区分与计算，求解出相应的投影面积。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的塑料产品的最优拔模方向示意图，如图4所示，在脱模方向评价标准下，实施例在图中指定脱模方向(1)下，仅有两个侧凹孔特征(2)与(3)，且塑件投影面积最大，即为最优脱模方向。

步骤8：在最优脱模方向下，对塑件进行拔模分析；在交互界面上显示最终的塑件几何可模塑性分析结果，用户可参考结果修改塑件结构特征，其中，塑件几何可模塑性分析结果包括塑件每个面的拔模角度以及最优脱模方向。

在注塑成型过程中，注塑产品脱模时会产生模具空腔与产品之间的摩擦力而难以脱模，导致产品的变形或损坏。

在产品设计中，由于产品形状要求或某些不适当的模具设计结构，可能会在产品上产生与分型面垂直的表面，而这样一个正常的表面却对产品脱模有一定的影响。相比具有合适拔模角的产品表面，这种表面在脱模过程中会更长时间地接触模具表面。随着摩擦时间的延长，脱模更加困难，并且可能损坏产品表面，从而影响模制成品率。因此，在模具概念设计中必须考虑产品拔模角度。设计人员应该在产品的部分几何表面上增加一个平行于脱模方向的拔模角度，以帮助产品顺利脱模。因此，应当尽量选取有足够拔模角度的脱模方向。

当已经选定脱模方向后，分阶段进行拔模斜度分析，图5是按照本发明的优选实施例所构建的获取每个面的拔模角度方法流程图，如图5所示，具体步骤如下：(1)首先是在脱模方向，对塑件进行斜度分析，确定CAD模型中的拔模角度不足的几何特征面；

(2)将识别出的几何特征分为加胶与减胶两种类别；

(3)根据用户输入的最小拔模斜度，对已分类的几何特征自动添加拔模角度；

(4)自动创建拔模角的约束；

(5)在对脱模方向完成拔模斜度分析工作后，对存在的侧凹特征进行拔模斜度分析，避免因侧向抽芯难以脱模而造成生产效率降低甚至产品损坏。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。