塑料注射模冷却系统的自动布局设计外文翻译资料

 2022-07-11 15:30:33

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塑料注射模冷却系统的自动布局设计

C.L. Li*, C.G. Li, A.C.K. Mok

摘要

本研究把初期设计阶段的自动化研究延伸到冷却系统设计过程的布局设计阶段。虽然在初步设计阶段会考虑冷却系统的功能方面，但是此布局设计阶段要同时处理设计的功能和可制造性。设计一个图形结构去捕获一个给定的初步设计，并且开发一个图形遍历算法以从图结构生成候选的冷却水路。使用启发式搜索，将冷却水路发展成通过试探性的制造计划的产生的布局设计。开发了一种用于对布局设计进行大致评价的框架，去比对产生的多种可行的设计方案。开发了一种实验系统去验证此方法的可行性，并且提供了产生自系统的实例，以阐述自动设计过程的主要步骤。

  1. 介绍

一个注塑模具的冷却系统功能是在注塑成型过程中提供热管理。当热塑料熔体进入模型型腔时，它会发生冷却，并且通过冷却系统散热而凝固。因为冷却阶段大概占据注塑成型过程总循环周期的三分之二，有效的冷却方法对生产过程的生产率十分重要。均衡的冷却整个部分的冷却系统通过防止差异收缩、内部应力和模具释放问题来保证产品质量。不仅包括功能方面，冷却系统的设计还应该考虑系统的可制造性来控制模具结构的成本。

冷却系统设计的过程是一个复杂的过程，并且能够把它分成三个阶段:初步设计、布局设计以及细节的设计。虽然CAD/CAM系统在注塑模具设计中被广泛的使用，但是它们主要限制在在具体设计阶段中提供几何的制造模具的工具。特定的自主或另外的软件包能为了设计各种组件或子系统的模具结构来提供交互几何建模工具，同时它们能用于商业。但是，据报道，在自动化工具上的有局限的调查研究工作，在初步和布局设计阶段上可以扮演更活跃的角色。在一个以前的研究项目中，我们发展一种基于特征的方法，并且此方法能够自动创建初始设计[1,2]。给定一个拥有复杂形状的塑料制件，基于特征的方法可以把工件分解成更为简单的形状特征，称之为冷却特性。然后自动产成冷却子回路，它们为每个被认知的特性提供被要求的冷却功能。在目前的研究阶段，把设计过程中的自动化延伸至布局设计阶段。通过考虑冷却系统的功能和制造两个方面，开发了能够自初步设计中自动创建布局设计的技术。

  1. 相关工作

关于塑料注塑模具的冷却系统的研究有四个主要的内容，也就是计算机辅助工程(CAE)分析、设计优化、新制造技术以及自动化设计合成。大多数早期研究工作集中于CAE分析。在二十多年的拓展研究之后，商业CAE程序包比如MOLDFLOW和Moldex3D现在在实践中被广泛应用在分析给定的设计上。这些CAE方法预知出了随冷却时间而变化的温度情况。因此，在实际的模具制造之前，能够估计效率和质量。尽管CAE方法能够分析给定的设计，但是当从分析的结果中发现问题时，他们并不建议更换设计。报告的最佳方案能利用CAE分析结果去优化设计[8 10]。给定一种最初的冷却结构设计，规定目标函数为温度均匀性和冷却效率的测试方法。依照与冷却系统的结构和加工条件相联系的参数来表达目标函数。通过整合优化算法与冷却分析算法，能调整最初的设计以优化冷却系统设计。

近年来，通过使用新的制造工艺来建造更好的冷却系统的方法已经被报道出来。代替传统的的打孔法来产生直流道，Sachs等[11,12]报告了一种采取固体自由制造技术的优点来产生保形的冷却流道的方法。这种流道保持了到模具内腔不变的距离，因此精确地温度控制成为了可能，甚至是一个拥有复杂形状的部件。据报道，能够因此实现更加均衡的的温度分布和更好的模具部件的尺寸控制。Sun等[13]为了冷却流道使用CNC铣削来生成u形的研磨槽。此技术和保形冷却法类似，采用这种方法，流道能够遵循模具内腔的形状。和保形冷却法一样，温度控制的改善也被报告出来。

我们工作的重点是冷却系统的自动设计合成，这是一个还没有完全研究的领域。在我们之前的工作[1,2]中，为了自动初步设计生成，开发了一种基于特征的技术。在本文报告的这工作集中于布局设计的自动化。像启发式的探索过程规划自动布局设计过程。通过启发式的搜索，设计自动化是一种普遍的技术，并且在机械设备的设计自动化中作者一直在研究它[14,15]。指导布局设计过程的启发法是基于对候补设计的冷却性能和可制造性的模糊评价。在多种应用领域的自动化可制造性分析一直在扩展的研究，并且Grupta等[16]报告了一份综合的调查。在这个研究中开发的评价方法启示于Ong and Chew[17]在机械部件的可制造性评价和建立计划中提出的方法。在评价中模糊逻辑的使用启示于模糊逻辑在注塑模具设计研究多个方面中的成功应用，包括分型方向确定[18]和造型性能分析。

  1. 方法概述

在初步设计阶段，要解决的主要问题是功能要求，那就是给定塑料部件的冷却要求。初步设计指定类型(比如u型回路、平行流道、起泡器、冷却塔等)、大小(比如流道长度和直径)，和形成冷却子回路的冷却元件的大概的方位。每个子回路提供了带走部件某区域的热量的冷却功能。我们先前的研究[1,2]表明，初步设计的确定主要依据部件的几何形状，并且为了自动设计开发了一种的特征识别方法。给定初步设计，通过把独立的子回路和冷却元件连接起来以构成了完整的冷却回路。布局设计过程考虑了冷却回路的物理实现的可制造性和可行性。

在目前的研究中，调查集中在不使用平行冷却并且只有一个冷却回路的冷却系统上。要解决的主要问题包括:主要冷却元件的放置、连通冷却元件和子回路的通道以及冷却系统的入口和出口的位置。每个问题的设计是相互关联的，并且布局设计过程被分为四个主要的操作阶段。

  1. 表示图形初步设计和修改以帮助后续操作的图结构的引出。
  2. 从图结构中候补冷却回路的生成。
  3. 通过开发试验性的生产计划从候选冷却回路中布局设计的生成。
  4. 候选布局设计对于冷却性能和可制造性方面的评估。

设计过程的第一个阶段是一种准备步骤，它在一种帮助后续操作的形式中服务于得到初步设计的表示。自第二阶段开始,在布局设计过程中应用了一种控制结构来控制从一个阶段到另一个阶段的过程的转变,和从后一个阶段到前一个阶段的回溯。按照搜索过程来规范设计过程，借此在每个阶段为了加工选择一个候补设计。设计了一个搜索树来表明设计过程，如图1所示。搜索树中的每个节点表明一个操作或者一个操作的一个输出结果。作为在一个阶段中的一个选择可能最终导致在下一个阶段中的死路，回溯在设计过程中是重要的。例如，一种候选的冷却回路可能最终导致一个在冷却性能上十分低级的布局设计。为了寻找一种供选择的解决方法，设计过程回溯到第二阶段来从相同的入口研究(i)一种供选择的冷却回路;或者(ii)一种供选择的入口并且产生一个新的冷却回路，并且接下来重复之后的步骤，以开发一种供选择的设计。图2(a)为例子所示部件的冷却系统的初步设计。为了阐明目的，仅显示模具的核心部分。图2(b)显示了通过设计过程产生的最终布局设计。图2(c)显示了在设计过程的第二阶段中产生的可选择的两种方案。 图1. 表示布局设计过程的搜索树

图2. 自动布局设计过程

  1. 初步设计的图形表示和操作

在一系列冷却元件的各种类型的子回路组成的形式中给定一个初步冷却系统设计,在生成布局设计中的一个基础的问题是在子回路内(例如一系列平行通道之间相互连接)和相邻的子回路之间(例如在两个相邻层之间的两个U形回路的连接)均匀合适的连接,如此能够连接它们以形成一个完整的冷却回路。用一种基于图形的技术解决这个问题，并且这包括三个主要的步骤。

  1. 设计一种初步设计的图形表示。
  2. 在图中添加额外的节点和边以表示子回路之间的多种可能的连接。
  3. 使用特定的图形追踪方法找到对应于候补冷却回路的路径。

在下面的小节中描述步骤1和步骤2，并在下一节中描述步骤3。

    1. 图形表示

表示初步设计的图形最初是用一组杂乱的子图构造的，这样通过一个子图表示在初步设计中指定的每个子回路。子图中的每条边代表一个冷却通道，并且每个节点代表一个入口、出口或相邻通道之间的连接点。图中的边被标记为一个属性:L-edge, C-edge，或X-edge。L-edge用于表示直线冷却通道(L-channel)的边。C-edge用于表示具有复杂形状的冷却通道的边(C-Channel)。X-edge用于表示流道的边，用于在子回路(X-channel)中互连子回路或冷却元件。它们的冷却效果，如果有的话，在初步设计中没有考虑到并且没有说明。只在布局设计过程中才创建X-edge。

每个子回路的冷却元件分别表示为:对于单个冷却通道，使用通过L-edge连接的两个节点;对于平面冷却元件(如u -回路或v -通道)，使用一个由节点和L-edges的交替序列组成的简单路径;对于带有一个入口和出口的元件，它们紧紧挨着彼此(比如喷水式饮水口和挡板)，或者一个带有复杂的三维冷却通道的元素(如冷却塔)，使用通过C-edge连接的两个节点。

    1. 图形修改

一个不使用并行冷却和只有一个冷却回路的冷却系统对应于所提议的图形表示中的一条简单路径。为了寻找一个合适的简单路径的图，它连接了初步设计中指定的所有或大部分冷却元件，此图应该是一个连通图。然而，最初构建的用于表示初步设计的图形是不连通的，因为与单个子回路相对应的子图之间没有连接，并且子回路本身也不能由图中一个连接的组件来表示。因此，为了使图形连接起来，初始图形不得不通过一组操作进行修改。

      1. L-graphs的修改

那些只包含L-edges的子图，它们有由同一平面上的这些L-edges表示的通道，被标记为L-graphs。L-graphs所捕获的典型的冷却元件包括u形回路、v形通道和一系列在同一平面上的平行冷却通道。每一个L-graph都被研究和修改，如果有必要，它将形成一个至少一个周期的连通子图。通过添加连接现有通道端点的额外通道来实现修改。图3(a)表明了由图2(a)中给出的初步设计的简单示例得到的结果图结构。注意，图结构由两个连通子图组成，并且每个子图由表示在初始设计中指定的冷却元件的L-edges和在图形修改过程中添加的X-edges组成。

图3. 冷却系统初步设计的图形表示

      1. 子图的合并

合并子图的目的是连接各个子图以形成连通图。当每个子图表示在初步设计中指定的子回路时，每当需要X-edge来建立连接，合并过程应该(i)避免子图中的任何主要修改;并且(ii)使用最短的可能的X-edge。这些确保了合并过程不会对在单个子图中表示的初始设计产生意义偏差。合并过程包括两个阶段。

在第一阶段，只考虑L-graphs。考虑两个L-graphs LGi和LGj在平面PLi和PLj上。如果(i) PLi和PLj平行且它们之间的几何距离小于界限值;或者(ii) PLi和PLj在同一平面上，并且存在一对平行的通道，一个来自LGi并且另一个来自LGj，这样它们之间的几何距离小于一个界限值，它们会合并。在前一种情况下，通过根据下面描述的方法添加节点和边，LGi和LGj合并成一个子图。在原始L-graphs中表示的对应通道被转变成与PLi和PLj相等的平面。在后一种情况下，LGi和LGj通过两个通道之间的一条通道替换两个通道(以及子图中相应的边)来合并。

在第二阶段，将考虑所有子图。如果两个子图之间的距离是最小的，就会合并。两个子图Gi和Gj之间的距离被定义为Gi边缘和Gj边缘之间距离最小的距离。用ei和ej表示的通道之间的最短的几何距离定义了Gi的边缘ei与Gj的边缘ej之间的距离。迭代地执行合并直到所有子图合并成一个图。

为了合并两个子图Gi和Gj(不需要L-graphs)，增加了X-edge(可能还有一个额外的节点);这相当于添加一个通道，此通道连接由Gi和Gj代表的两个子电路。由于该通道的冷却效果尚未在初步设计阶段考虑，因此应采用最短通道来避免系统冷却效果发生显著变化。因此，这个新通道的两个端点，每个子回路上的一个，应该放置在Gi和Gj之间最小距离的位置。如果最小距离发生在两个平行通道之间，就会产生两个新的通道(也就是两个X-edges)。每个通道的至少一个端点在任一子电路中的一个现有端点。如果在多对并行通道之间存在相同的最小距离，就通过相同的方法将X-edges加到每一对中。

从合并过程中得到的连通图G表示多种方式，通过这种方式连接冷却元件和子回路。图2(a)中初步设计的连通图如图3(b)所示。

  1. 候选冷却回路的产生

为了从上一

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