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基于相似性的汽车内饰注塑模具设计再利用系统
摘要：汽车内饰注塑模具设计是一项知识密集、耗时长的工作，因此，重新利用以前的设计而不是从头开始设计是非常重要的。本文提出了一种基于系统相似性的设计资源再利用方法。通过将本地CAD格式转换为全局和局部检索的步骤，复用过程包括五个步骤：（i）候选零件的初始检索，（ii）基于典型表面检索的相似案例的精确检索，（iii）基于模架等相似案例的适配，（iv）基于局部RET的复用形成机制。详细特征相似度的里瓦尔，（v）基于局部相似度的成形机构实例检测与自动定位。虽然我们之前工作中提出的CAD模型的层次化表示是检索的核心，但是在步骤（iii）中，参数化装配建模和基于视觉的自动化测试集成在模架的再利用过程中。以汽车内饰行业的反馈为例，验证了该方法的可行性。
关键字：模具设计；设计再利用；CAD模具检索
1.介绍
汽车内饰注塑模具设计是一项知识密集、耗时的工作。设计师总是回顾以前成功案例的经验，或者在开始新任务之前浏览现有的设计示例。同时，也有许多类似或重复的设计活动，需要花费时间和精力。例如，在设计汽车内饰注射模时，在模具设计规划中采用了产品的特征分布和边界尺寸，如模架设计等；此外，汽车内饰产品还具有许多详细的特征，需要选择相应的成型机构，如导销、滑块和滑块等。对于缺乏经验的新设计人员来说，选择兼容类型、计算建模的相关参数、装配等很容易出错。
随着设计的长期积累，重新利用以前的设计来提高效率而不是从头开始设计是很重要的。传统模具设计主要依靠设计人员的经验。很难从存储库中找到类似的案例供参考。也很难使参考案例适应新的任务。检索相似的产品CAD模型，并重新利用相关的模具规划，将有助于设计师专注于型腔和型芯设计的创新，减少其他重复性任务。基于所讨论的需求，本文开发了一个基于相似性的汽车内饰注射模设计再利用系统。
本文的其余部分组织如下：“相关工作”部分回顾了相似性评估和设计再利用领域的相关工作。“概述”部分提供了开发规范、功能模块、用户界面和建议的再利用工作流框架。
“相似性评估”部分介绍了我们之前工作中提出的相似性评估算法。“再利用过程”部分研究了实现系统在设计再利用中的应用。“结论”部分总结了本文，并讨论了可能的研究方向。
2.相关作品
2.1相似性评估
在一般模型的基于内容的检索领域，如全局形状属性[1，2]、形状分布[3]、空间映射[4–6]、局部特征[7]、基于拓扑的[8，9]、基于视觉的[10，11]和加权点集[12]，已经提出了广泛的研究。虽然一般模型都是以多边形SOAP为研究对象，但这些方法在三角剖分后仍适用于CAD模型。例如，D2形状分布以其高效性和鲁棒性在粗聚类中得到了广泛的应用。随着特征复杂度的增加，d2曲线趋于正态分布[13]。由于最常用的CAD模型是边界表示形式的精确拓扑关系，因此该拓扑结构对相似性评估至关重要。由于图匹配的复杂性是NP难的，以往的工作主要是基于模型的面邻接图（FAG）直接研究图匹配优化[14，15]或不精确匹配[16]。虽然这些方法侧重于匹配阶段，但是拓扑方法骨架[17]和Reeb图[18]研究了表示阶段。虽然模型的拓扑结构是直观的，但它对局部特征是敏感的。为了降低FAG的复杂性，提出了基于特征的方法。例如，Cheng等人[19]在细节层次上代表了诸如孔和槽等负面特征。[20]提取基于特征的CAD模型，建立特征相关性有向无环图。白等。[21]将多个功能分类，以多分辨率组织模型。基于特征的方法是直观的，面向设计再利用的，但是需要准备或定义特征类别，这在不同的CAD平台中是不同的。但是，粗到细的表示有利于匹配和部分再利用。如何建立基于FAG的层次化表示，以及如何定义多分辨率下的相似性评价标准，尚待研究。
2.2设计再利用
在积累了大量类似的设计资源后，当设计任务重复时，设计再利用是一种有效的方法。在基于案例推理（CBR）的工作流中，有4R包括检索、修改、再利用和保留，其中检索是第一步[22]。在文学中有许多相似的重复使用。朱、徐[23]和洪等。[24]回收类似的机械部件，以重新利用现有设计。Deshmukh等人[25]和Chen等人[26]评估了可再利用的组件相似性。李等。[20]，Bai等人[27]和You和Tsai[14]使用部分检索来再利用本地特性。这些工作主要集中在产品的设计再利用或模具规划参考。如何提取模具设计与整体/局部特征之间的内在联系，以及如何在新的模具设计任务中系统地调整检索结果，有待进一步研究。
3.概述
3.1系统规范
系统规格如表1所示。在采用与设计人员相同的原生CAD平台确保一致性的同时，STEP格式通过数据交换API从原生CAD平台转换而来。基于几何核pythonoc和pythonxy科学包实现了相似性比较模块。
3.2功能模块
图1提供了设计再利用系统的框架，主要由用户交互层、相似内核层、资源层和本地CAD层组成。它支持设计案例和设计存储库之间的双向通信。虽然可以检索和修改设计案例以在新设计中再利用，但成功的新设计可以保留回设计存储库，以丰富设计案例。
3.3用户界面
用户界面如图所示。2和3，包括两种功能：
1. 查询曲面模型、实体模型和部件设计资源。在大型机中，可以通过选择“表面模型设计存储库”、“实体模型存储库”或“相关模架存储库”来激活存储库浏览器。
图1设计复用系统框架
2. 根据设计工作流程配置模具设计参数。在设计任务的工作流中提供了再利用工具，如“表面提取”（图3a）、“相似的局部特征”（图3b）、“模架再利用”（图3b）、“机构再利用和自动装配”（图3c），可以从主机的下拉菜单中激活。通过单击主机“应用”，可以在检索模块和NX会话之间传递参数。
3.4工作流
在室内模具设计过程中，以轿车门板为例，从设计库中选择合适的模具规划和模架。该工艺是在考虑车门面板典型表面特征的基础上进行的。加强筋、安装孔、槽特征等具体特征与成形机理有关，在再利用工作流程中也考虑了这一点。
基于相似性的再利用系统的工作流程如图4所示。该过程主要由五个步骤组成：
1.对产品进行粗相似性过滤，获得可再利用的设计资源。
2.精确检索典型表面特征，以获得适当的实例供参考。
3.参考再利用模具规划和模架更新产品边界框驱动的参数和尺寸。
4.从参考案例中部分检索产品的详细特征，找出相似特征及其形成机理。
5.对产品的特征实例进行局部检索，以定位合适的成形机构到相对位置。
4.相似性评估
为了支持全局和局部检索，我们在之前的工作[34]中提出了层次表示和相似性评估算法，本节简要引用了这些算法。
4.1层次表示
三维模型的层次划分图（hpg）由类树结构的特征划分图（tr）和特征间的邻接图（adj）组成。如图5a所示，分辨率为0级的根节点代表整个模型，可以是整个实体、表面或组件。高分辨率级别的方形节点表示一组部分特征，其中
图2基于相似性再利用的系统主机
图3基于相似性再利用的原型系统子面板。表面模块。B实心模块。C组装模块
图4基于相似性的设计再利用系统工作流程
图5最小示例的层次表示拓扑。拓扑结构。
B最小例子的特征对应可以是实体模型的特征组、曲面区域或部件。圆叶节点代表了最详细的特征，可以是实体模型的面、表面最详细的划分，也可以是装配中的单个零件。实线表示要素之间的相邻关系，虚线表示包含的关系。相邻关系和包含关系的区别在于，前者在单分辨率级别上描述，后者在不同分辨率级别上描述粗糙和更精确。每个ADJ都由tr的非叶节点引用。图5b以实体模型为例，其中灰色的面对应于hpg中相对分辨率级别的节点。
层次结构是基于内在属性的优先驱动的特征组织。对于实体模型，种子线用作几何推理的提示，其中子特征视为从父特征的单个面上的线生长而来，兄弟特征通过多个面上的线相邻。对于曲面模型，首先通过平均采样主曲率的计算，识别出多个单曲面的复合曲面，并将其分为平面型和弯曲型。平面组和弯曲组之间的形态关系用于构建层次。例如，当弯板中的平面表示包含关系时，弯板相邻是兄弟关系。对于装配模型，装配结构是ADJ的传递边缘属性，它捕捉零件之间的运动副，包括CSpace（配置空间）函数中描述的高副和六种类型的低副（平面、棱柱、旋转、球面、圆柱和螺钉）。
4.2相似性评价
图6轿门面板特征。
典型的复合表面特征。B螺丝装配特点。C插槽特性
基于层次表示，匹配过程由粗到细。给定两个hpg，默认情况下，最低分辨率的根节点是匹配的。然后调用根节点的ADJ进行图匹配。子图同构中采用了改进的VF2算法[35]，其鲁棒性和有效性较好，匹配条件要求边缘性质相同。例如，凹凸种子线是不同的，它们的相关特征对不适合匹配。由于子图同构的匹配结果是多场景的，所以在迭代到子分辨率级别之前，选择与父分辨率最相似的最佳匹配。如果没有匹配可用或达到叶节点，则深度第一次迭代将停止。
图7基于全局相似性的可再利用候选对象
匹配层次的相似性计算采用积分法计算。虽然层次表示是对多分辨率匹配的描述，但每个分辨率表示相似性度量。因此，总的相似性是：
其中，惩罚因子sigma;是所有分辨率级别中不匹配区域和总区域之间的比率。权重omega;iout第i分辨率级匹配面积与所有分辨率级匹配面积之比，满足1。Si对于i分辨率级别中匹配节点的相似性：
式中，omega;为iResolution级别中jMatched对的面积与第i分辨率级别中所有匹配面积的比值。d2sim是匹配对d2形状分布的相似性，其中d2计算参考[3]。在里面J钍钍
上述相似性公式与实体模型有关。它们可以直接用于复合表面，也可以集成到装配模型中。对于具有相似装配结构的装配，功能等效被设置为相似性的优先级：
图8相似性搜索的曲面模型提取。提取的表面模型。
B最佳匹配零件的表面。C通过相似性搜索返回汽车面板（例如，棱柱对与螺旋对不相等，sigma;=0）。取最简单的运动副组。
图9参数化装配系统框架
以两部分为例，完全匹配的两对的层次结构由两个分辨率级别组成，即根部件和叶部件。装配相似性公式如下：
因为运动副的面积等于它的两部分面积，表示每个分辨率中的匹配面积与所有分辨率中的面积之比。同时分辨率0匹配组件的S1相似性，分辨率1匹配部件的S1相似性：
其中，d2sim是形状分布曲线的相似性。单对零件之间的SIS相似性，遵循公式。omega;k是单个零件对的匹配面积与整个零件的总匹配面积之比。
5.再利用过程
5.1筛选类似候选人
图6显示了一家模具公司的车门面板。其结构特点是：典型的复合曲面特征，以及螺杆装配特征、槽特征等许多详细特征。
由于存储库中存在多种模型，这些模型可能与车门面板无关，因此需要预先进行粗过滤，以提高检索效率。根据KNN算法对六类典型模型进行分类，包括梁型、块型、圆型、盖型、箱型和框架型[36]。采用有效的形状分布算法对粗相似性进行评价，参数k取6，局部权重函数设为投票与k的比值，其中投票数是同类最佳匹配的最大数。系统将车门面板的类别作为盖类型返回，并从255个车型中返回53个零件（图7），作为进一步精确检索的候选。
5.2检索参考案例
考虑到车门面板具有复杂的特征，提取典型的表面特征（图8a），基于粗过滤候选模型进行精确检索。系统返回了图8b中的最佳匹配（相似性0.816），与图8c中的车门面板相对应。
在精确检索阶段，采用了分层的方法。检索结果表明，目标车门板和最佳匹配具有最高的相似性，其中全局形状、左下角的切口特征、中心的复合特征和弯曲是主要区别。返回的典型表面的等级表明其与人类感知的一致性。因此，利用典型曲面的精确检索来搜索车门面板是可行的。在最佳匹配的基础上，可以修改相关的模具规划和模具库，以便再利用。
图10模架装配的区别。车门板。B Bumper。C螺丝变化
图11模架储存库。门板预览和参数。B仪器。C控制台。D规则。E Bumper。F门槛
5.3模架的适应
5.3.1参数化装配再利用准备
典型表面特征检索的目的是确定一个合适的现有案例和适应的模架。
图12自动化测试工作流程和基于图像匹配的定位。逻辑工作流。B相对定位
通常，大型组件（如模架）由许多组件组成。虽然这些部件大部分是标准件，但不同类型的模架的尺寸和排列不同，模架的类型与产品的特性有关。考虑到现有的几个设计案例都在分散参数空间中，类似的案例可能
图13自动化测试框架记录的错误
不符合新要求。调整每个部分的所有参数是很复杂的。随着知识库资源的积累，需要对相似的模架进行分类，建立连续的参数化模板，以便快速适应。
分类是基于装配的相似性和KNN算法。流程如下：从105个典型模架中抽取20%的培训实例，根据设计经验分为六大类，包括车门板、仪表、控制台、普通型、保险杠、门槛。knn用于对其余80%的情况进行分类，其中参数k设置为类别号6，局部权重函数为投票与类别号的比值，投票是在六个最相似的情况中对某一类别进行排序的重复时间。
对于每个分类的模架，其分类信息都标记为在适应阶段再利用。
参数模板方法是按照图9中的框架实现的。共享相似主结构的每一类部件汇总到一个参数模块中。
图14模架参数更新。门板（B、C、D）的边框。基于调整参数的模架更新
在模型层，装配建模采用自上而下的结构，零件特征由粗到细实现。在同一产品族中，主结构体积较大，变化不大。对于汽车内饰的模架，与功能相关的主要结构和零件的典型特征，如固定板、支撑
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资料编号：[1035]
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