空间配置法的塑料注射模冷却系统的设计前5幅图

空间配置法的塑料注射模冷却系统的设计C.G.Li,C.L.Li摘要注塑模具的冷却系统对注塑生产工艺和塑造部件质量是至关重要的，尽管不同的研究成果已经指向分析、优化和制造的冷却系统，但支持布局设计的冷却系统尚未得到很好的发展。在规划设计阶段的一个重大问题是建设的可行性模腔内插入不干扰其他模具部分的冷却系统。本文报告一个空间配置（C-space）方法来解决这个重要问题。而一个多维C-space需要处理一个复杂的系统，如冷却系统，冷却系统的特殊特点在目前的研究中被开发，同时在三维或低维也研究了C-space的计算和存储的特殊技术。这种新方法是一种改进的先前的启发式方法研究。因为C-space使自动布局设计系统在所有可行的设计进行更系统的研究，一个简单的遗传算法已被应用，并且结合C-space来自动生成候选布局设计。遗传算法的设计是验证了该方法的可行性。1.介绍注塑模具的冷却系统对注塑生产工艺和塑造部件质量是至关重要的。冷却系统的分析已经进行了广泛的研究[1,2]，并且商业CAE系统，如MOLDFLOW[3,4]moldex3D在行业中已经广泛应用。优化给定的冷却系统的技术研究也有报道[5-8]，最近，通过使用新形式建立的冷却系统的制造技术的方法已经被报道，徐等人[9]报道了设计与施工中随形冷却通道通过模具的压痕来保持距离，孙等人[10,11]使用数控铣槽加工冷却通道U型研磨槽并且[12]提出了一个脚手架结构设计的随形冷却。尽管有各种各样的研究成果主要集中于初步设计阶段的冷却系统设计过程，其主要关心的是系统冷却功能的性能，但是支持的设计阶段的可行性及可加工性的冷却系统设计问题没有得到很好的发展。在布局设计阶段的一个主要关注的是建设的可行性模具内插入不干扰其他模具部件的冷却系统，考虑如图1的例子。可以看出，许多不同的零件的各种子系统的注塑模具，如推杆，滑梯，sub-inserts,等等，不得不挤进模腔。寻找最佳地点为每个通道的水冷系统来优化冷却系统的冷却性能并且避免干扰其他组件不是一个简单的任务。图1.冷却系统模腔插入其他模具部件另一个问题进一步复杂化了布局设计问题是单独冷却通道需要被连接到一个路径连接其进口和出口。因此，改变位置的管道可能需要改变其他渠道。考虑下面图2例子，每个通道的理想位置优化冷却系统性能，如图2（a）。假设当冷却系统与其他模具部件内置模腔时，模具组件O1被发现干扰通道C1。当C1不能移动到附近的一个位置，由于可能其他组件的干扰，它被缩短，结果C2移动，C3保持连接性被拉长，如图2（b）。由于其新的长度，发现C3干扰另一个模具组件O2，并且需要进一步的改进，导致图2（c）的最终设计。考虑到一个典型的注塑模具可能超过十道冷却通道，每一个通道可能潜在干扰其他模具部件，手动发现优化的布局设计是很乏味的。(a)在理想位置冷却通道C1和模具O1发生干涉(b)通道C1被缩短了，C2被移动，C3被拉长(c)最终的设计C3被移动，C2被缩短。图2.显示的设计过程的例子本文报告一种新技术用来支持布局设计工艺的自动化。在这个新技术，空间配置（C-space）法被用来在所有可行的规划设计提供一个简洁的表达。通过一种有效的方法即利用布局设计问题的特殊特点，来建立C-space。与其使用启发式规划生成布局设计，不如用在先前的研究中的自动布局设计系统[13,14]，这个新C-space算法使自动布局在所有可行的布局设计中进行较为系统的搜索。2.配置空间方法一般来说，C-space系统的空间是系统每一个自由度当作一维的空间。在配置空间区域被称为堵塞地区或自由区域。点在系统自由区域对应的有效配置，那里没有部件之间的相互干扰。点在系统阻塞区对应的有效配置，那里的部件之间相互干扰。C-space最初是由Lozano-Perez[15]有效的解决机器人路径规划问题，并且一项调查显示在这个领域的研究已经被各类报道[16]。C-space方法被用来解决定性推理技术的问题（如图[17,18])和运动学设备的自动化设计和分析（如图[19-21]）。作者研究了多重C-space合成机构[22，23]的自动化设计方法。2.1C-space的冷却系统一个多维C-space可以用来代表冷却系统的初步设计的所有可行的布图设计。如图3例子。初步设计的冷却系统由四个冷却通道组成。为了从初步设计生成一个布局设计，可以调整通道的中心和长度。如图3所示，通道C1中心可以沿着X1、X2方向移动，它的长度沿着X3的方向调整。同样，C2的长度可以沿着X4方向调整，而它的中心通过调整X1、X3，从而必须与C1的调整一致来保证连续性。通道运用与其他通道相似的参数，可以看出冷却系统有5自由度，它们是Xi，i=1，2，3，4，5。在原则上，C-space是一个五维空间并且在空间自由区域的任何一点在Xi轴上给定一系列坐标值，可以用来定义通道的几何位置而不引起其他模具部件干扰。为了确定在自由区域的非线性C-space冷却系统，第一步就是要构建自由区域的单独C-space通道。图3.冷却系统的自由度2.2C-space单独冷却通道的构建当一个单独通道被认为是独立的，他有三个自由度，指定X1和X2为它的中心位置和X3为其长度方向。在初步设计中已经指定理想的中心位置和长度，我们有理由假定在X1，X2，X3上有固定最大允许偏差值△C。在最初的C-space自由区域通道Ci，是一个三维立方体Bi尺寸规格△C×△C×△C。当通道Ci通过钻孔固定在模腔，为了避免模具组件Oi任何可能干扰，必须考虑钻孔直径D和钻孔深度。为了说明直径D，Oi到Oi，的偏移量是D/2+M，M是内壁与部件正面最小允许距离。Oi的增加实际上是减少通道Ci到Li的直线距离。考虑如图4例子。图4（a）给定通道Ci和可能干扰Ci三个部件O1，O2，O3。图4（b）给定部件的偏移点O1’，O2’，O3’,减少了Ci直线段Li的距离，保证了其Ci轴的连续性。如果Li和接触模具构件没有交叉，然而最初通道Ci不干扰模具组件。在C-space方法中增长或接触障碍是一个标准技术。通道的成型加工是从模腔正面钻孔，并且钻孔深度中的障碍Oi将影响通道的结构。为了解释钻孔深度，Oi的偏移点Oi，是沿着钻孔方向偏移直到模腔的反面来征程的Oi’’。Oi’实际上降低直线Li到位于Li的端部的点Pi的距离。如图4（c），假如点Pi在Oi，，的外部，沿着Li钻孔来加工Ci是可行的。用到Ci的自由区域PRi，是由如下方法得到的。首先，最初的自由地区Bi是在其中心Pi建立的，如图4（d），Bi然后与模腔的相交得到Bi，。当只有模腔的几何形状被考虑时，Bi，代表Ci所有的可能变化量。然后，PRi是从所有的障碍O，，中减少Bi获得的，如4（e）和（f）所示的结构和举例中的PRi的结果。(a)通道Ci和三个模具组件插入模腔(b)模具零部件和Ci的直线度Li相抵消(c)模具零部件和Ci表示点Pi的抵消(d)Ci的最初自由度(e)从Bi‘’到O‘’的偏移(f)Ci的自由区域FRi图4.建立在自由区域FRi的管道Ci的主要步骤2.3C-space冷却系统的基本方法的建设确定在C-space中自由地区FRf的冷却系统，每一个自由地区的冷却通道不得不用适当的方法被“相交”以至于对所有通道障碍的影响都由FRf适当的表示。然而两种不同通道的自由区域的标准的布尔交集不能执行，因为C-spaces相交不同的轴。参考图3的例子，C1和C2的C-spaces空间的交集｛X1，X2，X3｝和｛X1，X3，X4｝。为了便于交集在不同的C-spaces自由地区，从C-space的一个通道到另一个通道的区域的规划是必要的。首先介绍下面的符号，也可以用来推测和讨论接下来的文章。用来描述多维空间的符号Sn表示一个n维空间轴的集合¯=｛X1，X2，...，Xn｝Sm表示一个m维空间轴的集合¯=｛X1，X2，...，Xm｝Pn表示点在Sn上并且Pn=(x1，x2，....,xn)，xi表示在Xi轴上的第i坐标Rn表示在Sn上的区域（Rn⊆Sn），Rn是Sn上一系列点的集合。PROJsm（Pm）表示从Sn到Sm的点Pn的投影PROJsm（Rm）表示从Sn到Sm的点Rn的投影用来描述冷却系统的符号nc表示冷却系统的通道。nf表示冷却系统中的总的自由度。Ci表示冷却系统中的第i通道。Si表示C-space空间的Ci通道。FRi表示自由区域上的Si，也就是说，它是单独通道Ci的自由区域。2.4C-空间的表示和计算为了表示FRf自由区域以及促进高位空间的布尔交集运算简化计算。我们可以运用类似于[21，24]中用到的细胞计数法，基本想法是用一套高维盒来近似表示一个SF中的高维域Rf。每个箱子被定义为指定的一个间隔在SF的每一个轴上。两个区域的交运算可以通过两个盒子的交运算得到的。两套高维盒之间的交运算就是每个轴线上每个盒子之间的间隔的交运算。假设每个FRf都接近于米三维盒，那么PROJsf（FRi）的投影就接近于mnf维盒。用原理1对FRf的解释要求mnc和一个nf维盒的交叉，并且FRf代表nf维盒的最大量mnc。尽管用来表示布尔交集的盒子和FRf可以用特殊技术减少，但是有人预测说，内存和计算的要求还是这种分析的方法的主要问题。在下一部分，一个改进了的方法被开发出来。2.5用于C空间建设的有效技术为了避免FRf的表示和解释中所用到太多的内存和计算，我们选择不去明白的表示和计算FRf，反而我们集中精力在一个使得计算过程的工作对每一个个体C-spaces通道的技术。首先，考虑简化设计实例。如图6。为了说明，人们猜测在这个例子里，FRi没有沿Z方向的插入变化因此模具冷却系统有四个自由度，如图6（a）。每个凹槽Ci的Si是二维的，这个假设的FRi如图6(b)。一个考虑设计渠道C1简单的方法。首先，一个点P1可以从FR1内选出从而C1与任何的障碍毫无干涉，然而S1是X1和X2的交集，X2在S2上。因此，必须同样考虑到这些在S2上的障碍限制。为了找出所有的可行的设计要点C1，FR1和FR2布尔求交。因为自由域FR2，X2∈[6,10]，通过限制X2＜6在FR1上的区域而得到的求交结果如图6（c）。现在，如图6（c）中显示的在自由域内的任何点产生的一个通道C1扫清任何障碍，而且还有一个C2的设计因此它可以和C1相连。（即它们有一个共同的X2值）而且没有任何障碍。(a)4凹槽4自由度的简单冷却系统(b)FRi自由区域在其结构空间Si中的每一个凹槽图6.冷却系统设计的简单例子讨论与结论在C-space的实施方法中，细胞计数方案是用这样的方法。在当前的实施中，C-space的使用在每一尺寸是0.15毫米，应该使用冷却系统的设计，因为一个非常细微调整。就0.01毫米来说，制冷性能的变化并不明显。然而，他们的方法和定理在研究上的发展不局限于某一具体方案。事实上，因为方法基于定理2，所有C-space计算和存储被做在三维，因此标准几何建模技术都可以使用。本研究的一个重大贡献是发展支持一个特定的C-space的设计方法过程。采用C-space方法，可以适当的代表所有可行的布局设计。我们已经证明，C-space方法可用于支持不仅制冷性能最佳外观设计的生成，而且可以支持产品的设计。这种新方法可以克服我们之前的方法，依靠特定的启发式方法产生的局限性。这C-space也可作为一个独立的系统以支持交互式版图设计。它允许一个设计师不用检查冷却系统与其他模具部件的相互干扰。本研究的重点是冷却系统几何方面的设计。据悉，当设计一个冷却系统时，其他参数，如冷却剂流量、冷却时间、包装时间，注射时间等需要考虑。一个可能的方法，用一种更加复杂的遗传算法把这些参数整合到C-space中。参考文献：[1]KwonTH,ShenSF,WangKK.Computer-aidedcooling-systemdesignforinjectionmolding.In:ANTEC’86;1986.p.110–5.[2]WangKK.TwentyyearsofCIMPresearchto