王齊東,仲梁維

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院）

0 引言

模具的分模設(shè)計就是將工件分為型芯型腔的過程，型芯型腔的質(zhì)量取決于分型面的設(shè)計。通常分型面設(shè)計依賴設(shè)計師的經(jīng)驗，利用NX 等三維軟件通過拉伸、曲線網(wǎng)格、修剪與延伸等命令手動完成，效率較低。為提高生產(chǎn)效率，方向盤模具分型面設(shè)計的自動化、智能化勢在必行。

在模具設(shè)計自動化方面，學(xué)者們在確定拔模方向和分型線的自動提取等方面均進行了研究[1-3]。在自動生成分型面方面，涂小文等[4]根據(jù)分型線的凸凹性，將組成分型線的線段按類型分組，對不同組按不同規(guī)則生成連續(xù)面片，但是該方法在空間曲線較為復(fù)雜時效率低，難以準確生成面片；王靜等[5]提出了一種根據(jù)分模線不同類型、采用對應(yīng)的模具體積塊生成的方法，該實體分模方法的缺點是布爾運算有時無法生成型腔，導(dǎo)致無法分模。

本文針對上述方法的不足，結(jié)合企業(yè)模具設(shè)計經(jīng)驗，在給定方向盤拔模方向及分型線的前提下，提出一種基于規(guī)則與實例推理生成壓鑄模分型面的方法。分型面是基于分型線的形狀設(shè)計的，分型線先分割離散為基本曲線，然后進行重組，形成拐角實例，通過匹配數(shù)據(jù)庫已有的實例，找到對應(yīng)的設(shè)計方案，形成該拐角的分型面，最后將各個拐角的分型面進行縫合，形成整個分型面。

1 基本方法

分型面的設(shè)計是一個“經(jīng)驗性強，理論性弱”的復(fù)雜過程[6]，而采用基于規(guī)則與實例推理的方法能仿照手動制作分型面，可以通過借鑒和總結(jié)現(xiàn)有案例，解決分型面的設(shè)計困難問題。

壓鑄模的分型面是根據(jù)分型線具體形狀進行設(shè)計的，利用曲線自身的切線信息（撓曲率等）將其離散分割重組后，一般可分為平面型分型線和空間混合型分型線。圖1 所示為方向盤骨架壓鑄模型及其完整的分型線。

圖1 方向盤骨架和分型線Fig.1 Steering wheel frame and parting line

平面型分型面根據(jù)平面分型線直接拉伸生成，因此按基于規(guī)則的方式設(shè)計，其原理是找到一個垂直于該分型線所附著實體表面的矢量，將分型線沿著該矢量進行拉伸。

復(fù)雜分型面形狀變化很大，設(shè)計時無法遵循單一的規(guī)則，還需借助基于實例推理的設(shè)計方法。其過程是將成功的設(shè)計方案以實例的形式存儲在實例庫，然后在實例庫匹配，設(shè)計時調(diào)用對應(yīng)的分型面方案，若未檢索到相似案例，則需手動完成設(shè)計。

基于規(guī)則與實例推理的分型面設(shè)計流程如圖2 所示，步驟為：（1）將完成的設(shè)計案例存儲在實例庫中，提取這一類分型線的形狀特征；（2）依據(jù)曲線自身形狀，結(jié)合實例庫常見的形狀特征，離散分割分型線；（3）借助NX 二次開發(fā)技術(shù)，將不同形狀特征的分型線與設(shè)計方案一一對應(yīng)，分別設(shè)計不同的分型面方案；（4）識別分型線是否為平面型分型線，是則基于規(guī)則進行分型面設(shè)計；否則基于實例推理進行分型面設(shè)計，根據(jù)形狀特征在實例庫中匹配實例設(shè)計方案；（5）若匹配不到對應(yīng)方案，則需要人工設(shè)計分型面。

圖2 基于規(guī)則和實例推理的分型面設(shè)計流程圖Fig.2 Flow chart of parting surface design based on rule and case reasoning

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 NX 二次開發(fā)技術(shù)簡介

Siemens NX 具有強大的CAD/CAM 功能，在模具行業(yè)運用廣泛，NX 提供了NXOpenC（UG Open API）、NXOpenC++、NXOpen Python、NXOpen.Net 等多種開發(fā)方式，如圖3 所示。

圖3 NX 二次開發(fā)架構(gòu)圖Fig.3 NX secondary development architecture

UG Open API 是一系列庫函數(shù)的集合，API 的核心包含約2 000 個C 函數(shù)，通過調(diào)用這些函數(shù)，用戶可以建立、編輯、查詢、修改UG 的各種實體對象；開發(fā)者通過調(diào)用這些函數(shù)實現(xiàn)特定的需要；通過UG Open API 編程幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)所有的造型功能。NXOpenC++面向?qū)ο箝_發(fā)、支持編輯等屬性行為，幾乎支持NX 所有的功能。NXOpen Python、NXOpen.Net 通過共享UG Open API 實現(xiàn)基本功能[7]。

NX 提供UIStyler 用戶界面設(shè)計、MenuScript菜單腳本語言作為工具。UI Styler 是UG 自帶的對話框界面編輯器，根據(jù)開發(fā)需求快速建立合適的對話框。本文使用NXOpenC 和NXOpenC++結(jié)合的方式開發(fā)。完整的NX 開發(fā)流程如圖4 所示。

圖4 NX 二次開發(fā)流程圖Fig.4 Flow chart of NX secondary development

2.2 分割分型線

在分型線上進行點采樣，根據(jù)分型線上采樣點的特征信息，將曲線離散為由基本曲線段構(gòu)成的多段線，進而得到由多個基本曲線組成的實例。

曲線點采樣運用到了API 函數(shù)UF_MODL_ask_curve_props，該函數(shù)輸入曲線的TAG(對象唯一標識符)，以及點位于曲線的弧長百分比，輸出曲線在該點的坐標、切線、主法線、副法線、撓率、曲率等數(shù)據(jù)。對這些點提供的數(shù)據(jù)進行參數(shù)分析，采用分割曲線構(gòu)造器（Divide Curve Builder）進行曲線分割。分型線是連續(xù)的無參空間曲線，通過這種方法可以把曲線離散為樣條、直線、圓弧等基本曲線，如圖5 所示。

圖5 分型線離散為基本曲線Fig.5 Parting line discretized into basic curves

曲線上的點采樣UF_MODL_ask_curve_props 定義如表1 所示。

表1 曲線上的點采樣函數(shù)定義Tab.1 Definition of point-on-curve sampling function

分割曲線構(gòu)造器的偽代碼如下：

曲線分割后，將基本曲線組合成實例。圖6 所示為基本曲線組合成實例的簡圖（俯視圖），其實例主要包括輪廓形狀及其特征點信息。

圖6 基本曲線組合的實例(俯視圖)Fig.6 Example of basic curves combination (top view)

2.3 實例匹配

基本曲線組合成實例后，需要將其與已有實例進行匹配，這是一個曲線相似度問題[8]。本文采用實例已有特征結(jié)合曲線相似距離度量的方式[9]，計算待匹配實例與現(xiàn)有實例的相似度，選出相似度最高的實例，并調(diào)用對應(yīng)的分型面設(shè)計方案。

已有特征指的是在基本曲線組合成實例過程中，具體是幾個數(shù)目的圓弧和直線組合成的實例，在實例都有記錄，通過比對這些特征，衡量實例之間的匹配程度。

相似距離度量的策略是：實例是沒有解析式的曲線，通過采樣獲得各自離散點集，再將分別代表不同實例的點集歸一化處理，計算相似度則為計算經(jīng)過處理后兩個點集中對應(yīng)點的距離問題。

待匹配實例曲線記為

同樣的，已有實例曲線記為

則定義待匹配曲線和現(xiàn)有實例的相似度為

2 種方法各自占比權(quán)重為50%，最后計算得到最佳匹配實例。

2.4 分型面生成方案的設(shè)計

分型面的設(shè)計主要圍繞以下經(jīng)驗原則進行：（1）盡可能減少不規(guī)則曲面；（2）避免薄鐵；（3）有足夠的平面承擔分模壓力。

在設(shè)計方向盤分型面時，并非所有的準則都能得到滿足，在實際設(shè)計中，經(jīng)常是采用拉伸的方式進行分型面的設(shè)計。表2 是部分實例及其對應(yīng)的設(shè)計方案。

表2 部分實例及其設(shè)計方案Tab.2 Some examples and their design schemes

基于NX 二次開發(fā)技術(shù)，提供各種實例需要的設(shè)計方案，逐一將組合好的單個分型線段在實例庫中匹配，選用合適的設(shè)計方案，然后將所有生成的單個分型面進行相應(yīng)的修剪縫合，最后完成分型面的設(shè)計。

3 運用實例

基于本文所提出的方案，以C++為開發(fā)語言，NX10.0 為平臺，借助VS2012 開發(fā)了一個方向盤壓鑄模分型面設(shè)計系統(tǒng)。圖7 所示是利用菜單腳本（MenuScript）自定義的菜單，不僅與NX 無縫集成，而且可以方便調(diào)用所開發(fā)的程序。

圖7 自定義菜單Fig.7 Custom menu

對于圖8 的方向盤壓鑄模分型面設(shè)計，模型為方向盤骨架，具有較大的高度落差，且有多個凸臺夾雜在上部分型線，按照傳統(tǒng)設(shè)計需要對其進行逐一拉伸修剪操作。

圖8 方向盤骨架圖Fig.8 Steering wheel skeleton

借助本設(shè)計系統(tǒng)，在自定義菜單調(diào)用開發(fā)好的dll 程序，選擇分型線就能完成分型面的設(shè)計。程序設(shè)計好的分型面如圖9（a）所示，手動制作的分型面如圖9（b）所示。

圖9 2 種方式的分型面對比Fig.9 Comparison of two types of parting planes

4 結(jié)論

本文基于NX 二次開發(fā)，設(shè)計了一套方向盤壓鑄模分型面設(shè)計系統(tǒng)，可以提高方向盤壓鑄模模具設(shè)計的效率，有利于實現(xiàn)模具CAD 智能化設(shè)計。針對壓鑄模分型面自動化的設(shè)計有了一定進步，但實例庫只能儲存已有實例類型，對沒有的實例類型還不能自我學(xué)習(xí)，加之壓鑄模形狀的復(fù)雜性，使得本設(shè)計程序仍存在局限性，因此實現(xiàn)壓鑄模自動化設(shè)計還需不斷完善。