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1、空间配置法的塑料注射模冷却系统的设计(何丽林) 空间配置法的塑料注射模冷却系统的设计 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件的冷却系统。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，C-space的计算和存储的特殊技术在三维或低维也被研究。这种新方法是一种改进的先前的启发式方法研究。
2、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。遗传算法的设计实例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MOLDFLOW3， 4Moldex3D在行业中已广泛应用。优化给定的冷却系统的技术研究也有报道 58。最近, 通过使用新形式建立良好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
3、磨槽并且于12提出了一个脚手架结构设计的形冷却。 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个子系统的注塑模具,如顶出针、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项简单的任务。 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
4、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它渠道。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,其导致图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。 本文报告一种新技术用来支持布局
5、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了一个简洁的表达的。通过一种有效的方法即利用的布局设计问题的特殊特点，来建立C-space法。与其使用启发式规则生成布图设计,如在先前的研究中的自动布局设计系统13，14，这个新C-space算法使自动布局设计系统在所有可行的布局设计，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。点在系统阻塞区域对应的有效配置,那里部件之间的相互干扰。 C-spa
6、ce最初是由Lozano-Perez15有效地来解决机器人路径规划问题并且一项调查显示在这一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 1921)。 图3.冷却系统中的自由度 作者研究了C-spacemultiple-state合成机构22,23的自动化设计方法。 2.1 C-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的可行的布图设计。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
7、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。通过运用与其他通道相似参数,可以看出冷却系统有五自由度, 它们是Xi,i?1,2.,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。为了确定在自由地区的非线性C-space冷却系统,第一步就是要构建自由地区的单独C-spaces通道。 2.2 C-space单独冷却通道的构建 当一个单独通道被认为是独立时,它有三个自由度,指定X1
8、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尺寸规格为?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, 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 ?，减少了Ci到直线段Li的距离，保证了其Ci轴的连续
9、性。如果移点O1?, O?，O3 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生成的Oi?。如图4(c)，O?实际上降低直线Li到位于Li 的端部的点Pi的距离。假如点Pi在Oi?的外部，沿着Li钻孔来加工Ci是可行的。通道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
10、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。 （e）Ci的最初自由区域 （f）从Bi?到O?的偏移 （g）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 2.3 C-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式被“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-space
11、s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。首先介绍了下面的符号,也可以用来推测和讨论接下来的文章。 用于描述多维空间的符号 Sn表示一个n-dimensional空间轴的集合n?X1,X2,.,Xn?。 Sm表示一个n-dimensional空间轴的集合m?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?Pn?表示从Sn到Sm
12、的点Pn的投影。 PROJSm?Rn?表示从Sn到Sm的点Rn的投影。 用于描述冷却系统的符号 nc表示冷却系统中的通道。 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SiSi。也就是说,它是单独通道Ci的自由区域。 考虑在Sn上点Pn到Sm上点Pm的投影点。图5(a) 证明使用一维空间投影到三维空间的例子。阐述了三种情况下的推测：(i) m?n； (ii) m?n；和 (iii)n?m,并且n?m?。对于 (i) Pm点的坐标等于一个相应Pn点的坐标,并且在同一轴上。对于(ii) 和(iii)，Pn的投影是在
13、区域Rm上。每一点Pm在Rm上，假如坐标值是Sn和Sm轴的交点，Pm坐标是相等的。对另一坐标值Pm，其值是被指定的。这一现象的原因是投影的特殊定义,尤其是如下(ii)和(iii)。考虑两个相邻通道Cn和Cm。由于它们是邻近的所以他们必须是连接的并且Sn和Sm使用共同的轴。假设对应一个在Sn点Pn的一个配置被分配给Cn，为 Cm的配置必须在Sm选择相应的点，了保持连接，在共同的轴分配相同坐标的Pn。 这意味着在Sm上点Pm是投影内任何点Pn,是上述定义的投影方法。一个区域Rn到Sm的投影,仅仅是每个点在Rn到Sm的投影。图5(b)证明这一区域的投影，下面给出投影的形式定义。 定义1(投射)。 ?
14、，Xi?Xj,xi?xj， 1.1假如m?n，PROJSm?Pn?是一个点Pm?x1?,x2?,.,xm 所有的i?1,m?。为了在随后的讨论中简化符号,这个投影区域被认为是单个低的点Pm组成。也就是，PROJSm?Pm?Pm?。 1.2.假如m?n,PROJSm?Pn?是一个区域Rm?Pm|PROJSn?Pm?Pn?。 1.3.假如m?n,n?m,并且n?m? , PROJSm?Pn?是一个区域 Rm?Pm|PROJS1?Pm?PROJS1?Pn?Pn?, SI是n?m空间集合。假如n?m?,Sm定义PROJSm?Pn?。 ? 1.4. PROJSm?Rn?被用来定义区域Rm?Pm|PROJSn?Pn?,Pn?Rn?。 正如在2.1节讨论的，在FRF中的任何一点PF给定冷却系统中自由度的每一个自由度的价值,以至于通道的几何形状不受其他模具部件干扰，也就是说，PF的投影对每个Si就如在自由区域FRi中的每个Ci，因此如下方法定义FRF。 定义2(C-space冷却系统的的自由地区)。 FRF? ?P| F PRO?JiS ?FP,F?1i,iR ?c n (i) m?n Sn的交集n?X1,X2? Sm的交集m?X1? （ii）m?n Sn的交集n?X1? Sm的交集m? ?X1,X2? （iii）m?n,n?m,并且n?m? Sn的交集n?X1,X2? Sm的交集m?
