基于主模型的注塑模并行設計沖突管理研究

葉福源，秦 松，崔樹標

（1.廣東科龍模具有限公司，廣東佛山 528303；2.華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢430074）

隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代周期迅速縮減，模具的設計加工周期也相應縮短。注塑模并行設計在此背景下開始被廣泛應用且迅速推廣，大大縮短了注塑模具設計加工的周期，給企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

沖突管理作為注塑模并行設計的重要環(huán)節(jié)之一，對模具并行設計周期及模具設計效果起著至關重要的作用。目前，企業(yè)進行并行設計沖突管理的方式為模具設計完成后進行沖突檢查與修改，許多在設計初期便存在的設計沖突隨著并行設計過程的進行被不斷放大，導致后續(xù)需進行大范圍修改。這不僅延誤設計周期，且設計質(zhì)量難以保證。過往研究側(cè)重于注塑模并行設計沖突檢查方法[1-3]，對并行設計模型管理及沖突解決方式涉及很少，缺乏實用性。本文通過搭建主模型對并行設計數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，使用C/S模型服務器與設計師客戶端的通信更新并行設計主模型，在服務器端進行實時設計沖突，將檢查結(jié)果反饋給設計師。設計師之間以服務器為橋梁進行在線協(xié)商，服務器端保存設計沖突解決方案，供后續(xù)注塑模并行設計參考。

1 并行設計沖突管理流程分析

注塑模沖突管理流程主要分為3個部分：一是建立主模型，保存并行設計任務信息及任務模型；二是并行設計沖突檢查模塊，負責更新并行設計主模型并進行實時沖突檢查；三是并行設計在線協(xié)商模塊，負責設計師之間針對設計任務進行的在線協(xié)商。注塑模沖突管理模塊框架見圖1。

2 并行設計主模型的創(chuàng)建

注塑模具主模型技術(shù)是以CAD軟件為中心的一個知識數(shù)據(jù)庫，包含了與產(chǎn)品設計及模具有關的所有幾何與非幾何信息，用于為產(chǎn)品并行設計生命周期中的并行設計各階段提供服務[4-5]。在并行設計過程中，主模型就像一個交通樞紐，協(xié)調(diào)與監(jiān)控各項并行設計過程，是并行設計開發(fā)過程的核心。所有設計師均可在并行設計過程中與主模型進行信息交互，完成其設計任務，從而保證并行設計過程的數(shù)據(jù)一致性及各項并行設計任務的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性。

圖1 注塑模沖突管理模塊

主模型技術(shù)面向產(chǎn)品并行設計的整個生命周期，并行設計各項設計任務所需的全部數(shù)據(jù)均保存在主模型中，以此作為并行設計過程中的核心數(shù)據(jù)樞紐。圍繞主模型活動的并行設計任務均作為主模型的一部分，并行設計過程是分布式工作的。主模型以計算機技術(shù)作為支撐，綜合了建模、數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)，通過研究改善了產(chǎn)品并行設計的總體過程，提高了并行設計的綜合效益。注塑模主模型層次結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 注塑模主模型層次結(jié)構(gòu)

對于注塑模具并行設計來說，產(chǎn)品的主模型實體框架部分建立在以UG作為CAD平臺的工具下。主模型的創(chuàng)建依據(jù)注塑模并行設計任務進行，將注塑模并行設計任務以裝配樹的形式在UG中進行表現(xiàn)。主模型的數(shù)據(jù)信息以XML文件進行保存，XML文件具有與平臺無關的特性，且便于自定義，適合用于主模型數(shù)據(jù)管理。主模型創(chuàng)建完成后，服務器會將主模型設計任務分發(fā)給設計師進行細節(jié)設計，設計師通過客戶端反饋細節(jié)設計進度等信息。

3 并行設計沖突檢查

3.1 沖突檢查原理

設計師通過設計任務反饋工具將實時細節(jié)設計反饋給服務器端，服務器端對主模型進行實時更新，更新完成后即啟動沖突檢查。沖突檢查使用包圍盒算法進行，且逐步縮小檢查范圍，最終確定沖突面對集。沖突檢查完成后，對沖突面對集進行高亮顯示，并將檢查結(jié)果反饋給設計師，設計師針對設計沖突進行后續(xù)處理。

3.2 沖突檢查過程

沖突檢測過程見圖3，包括設計實體傳輸、主模型動態(tài)更新、打開UG裝配主模型、檢查沖突裝配體對集合、檢查沖突零件對集合、檢查沖突面對集合及高亮顯示沖突面對集合。

圖3 沖突檢測過程

對于使用包圍盒算法進行沖突檢查，其沖突集合是逐步縮小的，通過從裝配件、零件、最后到面的方式一步一步縮小范圍，最后找到?jīng)_突面對集合。具體執(zhí)行過程如下：

（1）設計任務集合為 Ti={ti0,ti1,ti2,…,tin}，其中，i為設計任務層次，集合中的每一項代表一項設計任務，設計層次為j。當前判斷設計任務為K，該設計任務從設計任務集合Ti中去掉。

（2）對設計任務集合Ti進行遍歷，對其中的?tij∈Ti生成幾何任務包圍盒，判斷其是否與K的包圍盒相交；如果相交，則將設計任務tij加入沖突設計任務集合A中。

（3）遍歷沖突設計任務集合A，對?ai∈Ti判斷ai是否為裝配體。如果為裝配體，則將ai進行分解，得到零件集合B={b1,b2,b3,…,bn}。對零件集合B中的元素進行再判斷，判斷其是否仍為子裝配體。如果是，則繼續(xù)拆分，直到拆分結(jié)果全部為零部件即可。拆分完成的集合仍為B。

（4）判斷沖突零部件集合B是否為空。如果B為空，則沖突檢查完畢，直接退出，設計任務K與設計任務集合Ti沒有發(fā)生沖突；否則，執(zhí)行下一步，沖突零件集合為B。

（5）判斷設計任務K是否為裝配體。如果不是，則設計任務零件集合C={K}，只包含一個零件；如果K為裝配體，則將設計任務進行分解，分解的設計零件集合為C={c1,c2,c3,…,cn}。對C進行再判斷，將其中仍為子裝配的結(jié)構(gòu)繼續(xù)分解，一直分解到C中的元素全部為零件即可。

（6）遍歷集合C和B中的元素，對?ci∈C，?bi∈B建立其包圍盒。如果包圍盒相交，則ci、bi作為沖突零件對存入集合D中。沖突零件對集合為D={d1,d2,d3,…,dn}，其中，di=(cm,bn)(cm∈C,bn∈B)。

（7）判斷沖突零件對集合D是否為空。如果D為空，則零件集合C和B不存在沖突；如果D不為空，則標記零件對 D={(ci,bj)｜i=1,2,3,…,m，j=1,2,3,…,n}。

（8）將沖突零件對集合中的元素bj分解為面集合 E={e1,e2,e3,…,en}。

（9）遍歷集合 E，對?ei∈E 求面 ei和零件 ci的包圍盒是否相交。如果相交，則將加入到?jīng)_突集Fj={fj1,fj2,fj3,…,fjn}中。

（10）判斷沖突集Fj是否為空。如果Fj為空，則零件bj和ci沒有產(chǎn)生沖突；如果Fj不為空，則進行下一步。

（11）將零件 ci分解為面集合 Gi={g1，g2，g3，…，gn}，對?gi∈G判斷gi是否與bj的包圍盒相交。如果相交，則將G中的元素gi加入到?jīng)_突集Hi={hi1,hi2,hi3,…,hin}中待處理。

（12）判斷沖突集Hi是否為空。如果Hi為空，則零件bj和ci沒有產(chǎn)生沖突；如果Hi不為空，則進行下一步。

（13）對?fjm∈Fj，?hin∈Hi，判斷 fjm和 hin的包圍盒是否相交。如果相交，則將沖突面對fjm和hin加入到?jīng)_突面對集合I中進行后續(xù)操作。沖突面對集合為 I={(fjm,hin)｜m=1,2,3,…,s，n=,1,2,3,…,t}。

（14）判斷集合沖突面對集I是否為空。如果I為空，則零件bj和ci沒有產(chǎn)生沖突；如果I不為空，則輸出沖突面對集供后續(xù)處理。

根據(jù)上述步驟，對設計任務集與當前設計任務進行逐層判斷，確定最終的沖突面對集。生成完成后，需進行2項處理：一是在UG平臺上高亮顯示沖突面對；二是輸出沖突面對集。服務器將處理沖突檢查結(jié)果反饋給設計師，設計師據(jù)此進行下一步修改處理。沖突檢查及信息反饋功能框架見圖4。

4 并行設計在線協(xié)商

4.1 在線協(xié)商原理

圖4 主模型沖突檢查與結(jié)果反饋

并行設計沖突檢查是對細節(jié)設計的評價，服務器將沖突檢查結(jié)果反饋給客戶端，設計師便可根據(jù)反饋結(jié)果對設計進行分析和評價。如果需要與相關設計師進行溝通協(xié)商，共同解決設計沖突，就需由系統(tǒng)對設計師之間的在線協(xié)商提供技術(shù)支持。通過采用相應的功能模塊，就能實現(xiàn)設計師之間良好的溝通與協(xié)商。

建立主模型時采用的框架結(jié)構(gòu)是所有客戶端都與服務器進行數(shù)據(jù)交換和信息往來，在線協(xié)商系統(tǒng)也采用該框架結(jié)構(gòu)，由主模型擔當設計師們相互間溝通的中間人，起到橋梁的作用。同時，主模型對整個溝通協(xié)調(diào)信息進行備份，作為并行設計過程的數(shù)據(jù)資料進行保存。在線協(xié)商功能框架見圖5。

圖5 在線協(xié)商功能框架

4.2 在線協(xié)商過程

依據(jù)主模型及在線協(xié)商原理，在線協(xié)商過程的單向階段主要分為3個階段。

第一階段為設計師A向服務器提交協(xié)商申請，包括沖突代號、沖突信息、沖突原因、沖突發(fā)生時間、協(xié)商方法、協(xié)商建議、申請者、協(xié)商對象及協(xié)商階段。其中，沖突代號標識沖突檢查中檢查出的沖突序列號；沖突信息標識產(chǎn)生沖突的面對集合；沖突原因標識沖突面對集合產(chǎn)生的原因，由工程師分析給出；沖突發(fā)生時間為檢測到?jīng)_突的時間，由沖突檢測指定；協(xié)商方法包含在線協(xié)商和線下協(xié)商，由協(xié)商申請者分析給出；協(xié)商建議包含工程師對沖突提出的解決方案，由沖突設計師分析給出；申請者為申請協(xié)商的工程師；協(xié)商對象為與設計任務產(chǎn)生沖突的任務設計工程師；協(xié)商階段包含初始申請、繼續(xù)協(xié)商和協(xié)商完成等3個協(xié)商階段選項。

第二階段為服務器處理設計師提交的協(xié)商請求，服務器處理設計師請求的方式為更改沖突集合對應沖突代號的沖突狀態(tài)。對應于服務器端的沖突處理模塊，設計沖突未開始協(xié)商時，設計沖突狀態(tài)為未開始協(xié)商；當設計師對設計沖突進行協(xié)商時，狀態(tài)變?yōu)檎趨f(xié)商，并顯示最近一次協(xié)商時間；當設計師之間對設計沖突完成協(xié)商時，其狀態(tài)變?yōu)閰f(xié)商完成，并顯示協(xié)商完成時間。

當協(xié)商請求到達時，設計沖突解決模塊對請求進行響應。修改完成設計沖突狀態(tài)后，對協(xié)商請求信息進行保存，作為沖突解決依據(jù)。設計信息保存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與協(xié)商申請數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似，增加了信息協(xié)商時間與是否完成協(xié)商等兩類信息。協(xié)商信息保存完成后，服務器通過協(xié)商信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的協(xié)商對象信息，將該協(xié)商信息發(fā)送給協(xié)商對象工程師，下一階段工作便由協(xié)商對象工程師完成。

服務器將在線協(xié)商信息發(fā)送到協(xié)商對象后，第三階段正式開始。協(xié)商對象根據(jù)沖突信息、沖突原因及協(xié)商建議等信息，結(jié)合設計任務細節(jié)進行綜合判斷。如果設計師對協(xié)商申請者所提出的協(xié)商建議表示同意，則不需反饋協(xié)商建議，直接將協(xié)商階段信息改為協(xié)商完成即可；如果設計師不同意申請者提出的協(xié)商建議時，則需分析沖突原因并反饋協(xié)商建議，等待協(xié)商申請者處理信息。

如果設計師之間通過線上協(xié)商可解決問題，則沖突處理即可完成；如果線上協(xié)商不能解決問題，設計師就需修改協(xié)商方式為線下協(xié)商，通過線下面對面溝通的方式處理設計沖突。

5 應用實例

以塑料螺紋齒輪產(chǎn)品為例，使用注塑模沖突管理系統(tǒng)，通過對螺紋齒輪進行分析，設定其并行設計任務集為{① 澆注設計方案；② 分型設計方案；③ 產(chǎn)品設計方案；④ 頂出設計方案；⑤ 前模設計方案；⑥ 標準件設計方案；⑦ 后模設計方案；⑧ 冷卻設計方案；⑨旋轉(zhuǎn)脫模方案}，并對該設計任務集建立主模型裝配框架（圖6）。

用注塑模并行設計沖突檢查模塊，對設計任務細節(jié)進行沖突實時檢查，結(jié)果見圖7。通過在線協(xié)商模塊，設計師對設計任務進行在線協(xié)商，服務器對協(xié)商結(jié)果進行保存，以便后續(xù)設計使用。在線協(xié)商過程見圖8。

圖6 主模型裝配框架

圖7 實際沖突實時檢查結(jié)果

圖8 在線協(xié)商過程

沖突解決方案為修改水路走向，使水路避開頂針，沖突由此解決。修改結(jié)果見圖9。

6 結(jié)語

本文研究了注塑模并行設計沖突管理流程，設計了注塑模沖突管理模塊，搭建了主模型，對注塑模數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)一管理，用C/S模式進行服務器與客戶端之間的信息交換。在并行設計階段實時更新主模型，完成了注塑模并行設計沖突的實時檢查。設計師針對產(chǎn)生設計沖突的設計任務進行在線協(xié)商，提出了協(xié)商解決方案。最后，通過塑料齒輪實例對沖突管理模塊的可靠性及實用性進行了驗證。

圖9 協(xié)商解決方案

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