基于UG的擠出模具干涉檢查研究與應用

        摘要：針對擠出模具設計過(guò)程中的干涉檢查問(wèn)題，分析了擠出模具設計及其干涉檢查的特點(diǎn)，基于模型的裝配關(guān)系和特征屬性信息，提出了基于實(shí)例名和屬性名的特征獲取方法，并在獲取特征的基礎上，提出了基于最小包容體交叉性的干涉檢查方法，即首先基于包容體判斷特征是否存在交叉，再對存在交叉的特征，根據不同特征的安全間隙進(jìn)行最小間距干涉檢查，從而得到整個(gè)模具的干涉情況。并基于UG NX 機械制圖軟件，采用UG 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和微軟基礎類(lèi)庫(MFC)，開(kāi)發(fā)了擠出模具干涉檢查插件，對檢查對象進(jìn)行批量檢查。實(shí)例證明，該方法能夠快速有效進(jìn)行擠出模具干涉檢查，提高了擠出模具干涉檢查效率，提升了擠出模具設計水平。
        擠出模具結構精密，內腔結構復雜，在設計過(guò)程中，容易出現特征間相互干涉的情況，造成設計不合格。因此，在模具設計結束后，對于模具計算機輔助設計(CAD) 模型的干涉問(wèn)題常常要進(jìn)行嚴格的審核。隨著(zhù)模具設計三維化的趨勢，越來(lái)越多的模具開(kāi)始采用三維CAD 軟件進(jìn)行設計，如UGNX[1–2]，Pro／E[3] 等。然而擠出模具特征多樣，人工干涉檢查不僅僅工作量大，而且也可能造成人為失誤，如何對擠出模具進(jìn)行快速有效的干涉檢查成為擠出模具設計中亟待解決的問(wèn)題。
        當前模具設計方法主要分為靜態(tài)檢查與動(dòng)態(tài)檢查兩大類(lèi)。其中，靜態(tài)檢查主要是基于幾何特征進(jìn)行，如文獻[4] 根據坐標極值進(jìn)行沖壓模的干涉檢查，文獻[5] 根據幾何特征對注塑模冷卻系統進(jìn)行干涉檢查，這些干涉檢查都提高了干涉檢查的工作效率和準確率。而動(dòng)態(tài)檢查則基于運動(dòng)仿真技術(shù)進(jìn)行，如基于裝配仿真技術(shù)對運動(dòng)干涉問(wèn)題進(jìn)行檢查[6]，這些研究圍繞UG NX[7–8]，Pro／E[9]，三維CAD系統(Solid Works)[10–11]，計算機圖形輔助三維交互式應用軟件(CATIA)[12–13] 等三維制圖軟件，采用二次開(kāi)發(fā)技術(shù)展開(kāi)[14–15]。
        以上研究對擠出模具的設計有一定的借鑒意義。然而，擠出模三維設計過(guò)程中，存在裝配、建模等不同環(huán)境，內腔結構復雜，同類(lèi)型特征多等特點(diǎn)，筆者針對這一實(shí)際問(wèn)題，基于UG NX 參數化模型，采用UG 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，對擠出模具進(jìn)行干涉檢查方法研究。
1擠出模具及其干涉檢查的特點(diǎn)
        擠出模具主要包括模頭和定型模，在設計過(guò)程中存在裝配組件間的干涉，同一部件不同特征間的干涉，同類(lèi)特征間進(jìn)行干涉檢查，對擠出模具進(jìn)行干涉檢查，對于提高擠出模具設計的準確性及設計水平有著(zhù)重要意義。圖1 為模頭和定型模的三維圖。

        由上述分析可得，擠出模具的干涉主要存在以下特點(diǎn)：
        (1) 部件間干涉較多。
        在擠出模具中，各板塊均采用獨立子裝配設計，很多干涉出現在不同部件之中，常見(jiàn)的干涉主要出現在流道與緊固件，鑲塊與緊固件，鑲塊與流道，緊固件與緊固件，以及冷卻水路與緊固件之間。因此，這些可能存在的干涉組件必須加以檢查，以確保擠出模具不存在干涉問(wèn)題。
        (2) 同一部件特征間的干涉多。
        在擠出模具中，水路與氣路縱橫排布，極易發(fā)生干涉，水孔氣孔眾多，呈現縱橫分布。因此，部件間的干涉情況也偶有發(fā)生。同時(shí)，同一特征，如水孔與水孔，氣孔與氣孔之間，也存在著(zhù)干涉檢查的可能性，都需要在設計過(guò)程中加以考慮，并在設計后進(jìn)行干涉檢查，或者在設計過(guò)程中根據干涉檢查情況進(jìn)行調整或再設計。
        (3) 不同特征干涉安全間距要求不一樣。
        傳統來(lái)講，只要部件間不相交，即不存在干涉，然而，在模具設計制造過(guò)程中，過(guò)小的壁厚容易引起加工事故，以及板塊強度、模具水路間換熱系數等各方面的變化，造成模具設計精度降低。因此，干涉檢查不僅僅是檢查設計出現的干涉問(wèn)題，仍需要對不同特征根據不同安全間隙進(jìn)行檢查。當實(shí)際間隙H小于安全間隙Hs，則存在干涉，當實(shí)際間隙H 大于等于Hs 時(shí)，則不干涉。特征間間隙如圖2 所示。

        在進(jìn)行干涉檢查過(guò)程中，主要包括獲取干涉檢查對象，干涉檢查，干涉對象顯示等過(guò)程。
        綜上所述，擠出模具的干涉檢查較為復雜，必須考慮上述特點(diǎn)進(jìn)行設計，必須采用合適的方法進(jìn)行快速高效干涉檢查。
2基于UG的擠出模具干涉檢查方法
        前文已經(jīng)對擠出模具及其干涉檢查的特點(diǎn)作了簡(jiǎn)要介紹。然而在實(shí)際操作過(guò)程中，面對眾多的干涉檢查對象，應主要解決下列兩個(gè)問(wèn)題：
        (1) 如何快速準確獲得干涉檢查的對象。
        (2) 如何快速準確進(jìn)行干涉檢查。
        準確快速獲取干涉檢查的對象是進(jìn)行干涉檢查的前提。在擠出模中，包含板塊、流道、緊固件、水路、氣路等各類(lèi)不同特征元素，同時(shí)在同一類(lèi)型特征中，又存在特征差異。在各特征結構上，如板塊中存在不同類(lèi)型板塊，機頸板、壓縮板、成型板等等，緊固件中有螺釘、銷(xiāo)釘等，氣路有氣孔、氣槽等。在整體結構上，螺釘、銷(xiāo)釘分布較為分散，水路、氣路縱橫排布，流道曲面復雜，這些都給獲取特征對象帶來(lái)了一定的難度，并對快速準確進(jìn)行干涉檢查有一定的影響。因此，擠出模具干涉檢查的前提是有效獲取干涉檢查對象。
        快速準確進(jìn)行干涉檢查一方面需要準確進(jìn)行干涉檢查，另一方面需要快速高效將結果檢測出來(lái)。前面提到過(guò)，擠出模具結構復雜，檢查對象成百上千，甚至更多，因此，靠人工操作的方式并不現實(shí)，采用UG 二次開(kāi)發(fā)，借助數字化手段進(jìn)行批量干涉檢查是快速進(jìn)行干涉檢查的必要手段。同時(shí)，在UG 中存在著(zhù)干涉檢查的函數( 如UF_MODL_ask_minimum_dist，求取最小特征間距離)，其主要功能是求出兩個(gè)檢查對象的最小距離，由于底層算法的原因，盡管此函數通用性強，但是速度較慢，如果所有的檢查對象都采用此函數，顯然效率會(huì )很低。對干涉檢查對象進(jìn)行預檢查，縮小干涉檢查范圍成為提高干涉檢查效率的重要手段。
        基于上述分析，基于UG NX 軟件，采用二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，在獲取干涉檢查對象方面，借助參數化模型，在裝配模型中，獲取模型的事例名稱(chēng)，將不同的模型采用不同的事例名稱(chēng)進(jìn)行分類(lèi)并識別，而在建模過(guò)程中，將同一類(lèi)型的特征采用UG 屬性進(jìn)行分類(lèi)，這種方法的便利之處在于，能夠快捷、準確地批量獲取各特征，從而快速獲取干涉檢查對象。
        由于特征間的干涉檢查關(guān)系，為了快速識別出干涉檢查對象間是否都存在干涉，首先要明確特征干涉的情形，如圖3 所示。

        因此，在特征識別中獲取模型的最小包容體(boundingbox)，最小包容體主要是該特征實(shí)體在三維坐標系下的XX，YY，ZZ 最大最小極值，XXmin，Ymin，Zmin，XXmax，YYmax，Zmax。對于兩個(gè)特征feat A，feat B，從XX，YY，ZZ 三個(gè)維度，其包容體均有公式(1) ：

        然而，當最小包容體存在交叉時(shí)，并不意味著(zhù)二者之間一定干涉，需要通過(guò)最小距離求取從而進(jìn)一步求取，從而確定是否有干涉。如圖4，盡管包容體中存在公式 (1) 中，假設，在XX，Y 方向上，有公式(3)，(4) ：

        但是在Y 方向上，有公式(5) ：

        即盡管在X,Y方向上不滿(mǎn)足公式(1)，但在Y方向上滿(mǎn)足公式(1)，因此并不干涉。

        而對于圖5，在任意方向上均有公式(1)，但是由于最小包容體并不能完全代表特征，因此需要進(jìn)一步求取最小距離，實(shí)際證明并不干涉。而在圖5b中，則兩個(gè)螺釘孔實(shí)體存在干涉。

        當存在干涉時(shí)，再將干涉特征加以高亮顯示。上述過(guò)程即為基于最小包容體交叉性的干涉檢查方法。其整個(gè)步驟如圖6 所示。該方法的核心是基于實(shí)例名和屬性名的獲取特征，基于最小包容體進(jìn)行交叉性檢查，再對交叉特征進(jìn)一步干涉檢查，從而提高干涉檢查的效率。

3.干涉檢查實(shí)例應用
        基于前文所提方法，開(kāi)發(fā)了干涉檢查插件。UG二次開(kāi)發(fā)主要有UG 菜單腳本文件、UG 二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，以及UIStyler 操作界面構成，本研究界面主要采用微軟基礎類(lèi)庫(MFC)，如圖7 所示，為菜單欄和操作界面。UG 二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言主要采用UGOpenAPI，NXOpen API(Application ProgrammingInterface)。

        當進(jìn)行干涉檢查時(shí)，首先區分裝配模型與建模模型，然后分別根據事例名、屬性名獲取干涉檢查對象，并根據不同的事例名、屬性名對特征進(jìn)行分類(lèi)，獲取不同的安全間隙。對不同特征或者同一特征進(jìn)行兩兩特征檢查，進(jìn)行交叉檢測，對于任意XX，YY，ZZ存在不重合，即不存在交叉。當XX，YY，ZZ均存在重合之處時(shí)，即最小包容體存在交叉，進(jìn)一步求取最小距離判斷是否干涉。當求取的間隙小于安全間隙時(shí)，即存在干涉，當求取的間隙大于安全間隙時(shí)，則不存在干涉。當存在干涉時(shí)，則將干涉對象高亮顯示。直到將所有對象檢查完畢。圖7、圖8 為干涉檢查結果界面，其中干涉部分已經(jīng)高亮顯示。
4.結論

        分析了擠出模具的干涉檢查特點(diǎn)，提出了一種基于屬性名或事例名的干涉對象獲取方法，準確快速地獲取干涉檢查對象并進(jìn)行檢測。并在此基礎上，提出了一種基于最小包容體交叉性的干涉檢查方法，在檢測交叉性的基礎上進(jìn)一步求取最小間距，根據不同特征的安全間隙，進(jìn)一步判斷干涉情況，從而準確快速進(jìn)行干涉檢查。該干涉檢查方法已經(jīng)得到應用，極大地減輕了設計人員的工作量，并提高了設計的準確性，提高了擠出模具三維設計水平。