基于NX 二次开发的方向盘分型面自动设计

王齐东,仲梁维

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

模具的分模设计就是将工件分为型芯型腔的过程，型芯型腔的质量取决于分型面的设计。通常分型面设计依赖设计师的经验，利用NX 等三维软件通过拉伸、曲线网格、修剪与延伸等命令手动完成，效率较低。为提高生产效率，方向盘模具分型面设计的自动化、智能化势在必行。

在模具设计自动化方面，学者们在确定拔模方向和分型线的自动提取等方面均进行了研究[1-3]。在自动生成分型面方面，涂小文等[4]根据分型线的凸凹性，将组成分型线的线段按类型分组，对不同组按不同规则生成连续面片，但是该方法在空间曲线较为复杂时效率低，难以准确生成面片；王静等[5]提出了一种根据分模线不同类型、采用对应的模具体积块生成的方法，该实体分模方法的缺点是布尔运算有时无法生成型腔，导致无法分模。

本文针对上述方法的不足，结合企业模具设计经验，在给定方向盘拔模方向及分型线的前提下，提出一种基于规则与实例推理生成压铸模分型面的方法。分型面是基于分型线的形状设计的，分型线先分割离散为基本曲线，然后进行重组，形成拐角实例，通过匹配数据库已有的实例，找到对应的设计方案，形成该拐角的分型面，最后将各个拐角的分型面进行缝合，形成整个分型面。

1 基本方法

分型面的设计是一个“经验性强，理论性弱”的复杂过程[6]，而采用基于规则与实例推理的方法能仿照手动制作分型面，可以通过借鉴和总结现有案例，解决分型面的设计困难问题。

压铸模的分型面是根据分型线具体形状进行设计的，利用曲线自身的切线信息（挠曲率等）将其离散分割重组后，一般可分为平面型分型线和空间混合型分型线。图1 所示为方向盘骨架压铸模型及其完整的分型线。

图1 方向盘骨架和分型线Fig.1 Steering wheel frame and parting line

平面型分型面根据平面分型线直接拉伸生成，因此按基于规则的方式设计，其原理是找到一个垂直于该分型线所附着实体表面的矢量，将分型线沿着该矢量进行拉伸。

复杂分型面形状变化很大，设计时无法遵循单一的规则，还需借助基于实例推理的设计方法。其过程是将成功的设计方案以实例的形式存储在实例库，然后在实例库匹配，设计时调用对应的分型面方案，若未检索到相似案例，则需手动完成设计。

基于规则与实例推理的分型面设计流程如图2 所示，步骤为：（1）将完成的设计案例存储在实例库中，提取这一类分型线的形状特征；（2）依据曲线自身形状，结合实例库常见的形状特征，离散分割分型线；（3）借助NX 二次开发技术，将不同形状特征的分型线与设计方案一一对应，分别设计不同的分型面方案；（4）识别分型线是否为平面型分型线，是则基于规则进行分型面设计；否则基于实例推理进行分型面设计，根据形状特征在实例库中匹配实例设计方案；（5）若匹配不到对应方案，则需要人工设计分型面。

图2 基于规则和实例推理的分型面设计流程图Fig.2 Flow chart of parting surface design based on rule and case reasoning

2 关键技术

2.1 NX 二次开发技术简介

Siemens NX 具有强大的CAD/CAM 功能，在模具行业运用广泛，NX 提供了NXOpenC（UG Open API）、NXOpenC++、NXOpen Python、NXOpen.Net 等多种开发方式，如图3 所示。

图3 NX 二次开发架构图Fig.3 NX secondary development architecture

UG Open API 是一系列库函数的集合，API 的核心包含约2 000 个C 函数，通过调用这些函数，用户可以建立、编辑、查询、修改UG 的各种实体对象；开发者通过调用这些函数实现特定的需要；通过UG Open API 编程几乎能够实现所有的造型功能。NXOpenC++面向对象开发、支持编辑等属性行为，几乎支持NX 所有的功能。NXOpen Python、NXOpen.Net 通过共享UG Open API 实现基本功能[7]。

NX 提供UIStyler 用户界面设计、MenuScript菜单脚本语言作为工具。UI Styler 是UG 自带的对话框界面编辑器，根据开发需求快速建立合适的对话框。本文使用NXOpenC 和NXOpenC++结合的方式开发。完整的NX 开发流程如图4 所示。

图4 NX 二次开发流程图Fig.4 Flow chart of NX secondary development

2.2 分割分型线

在分型线上进行点采样，根据分型线上采样点的特征信息，将曲线离散为由基本曲线段构成的多段线，进而得到由多个基本曲线组成的实例。

曲线点采样运用到了API 函数UF_MODL_ask_curve_props，该函数输入曲线的TAG(对象唯一标识符)，以及点位于曲线的弧长百分比，输出曲线在该点的坐标、切线、主法线、副法线、挠率、曲率等数据。对这些点提供的数据进行参数分析，采用分割曲线构造器（Divide Curve Builder）进行曲线分割。分型线是连续的无参空间曲线，通过这种方法可以把曲线离散为样条、直线、圆弧等基本曲线，如图5 所示。

图5 分型线离散为基本曲线Fig.5 Parting line discretized into basic curves

曲线上的点采样UF_MODL_ask_curve_props 定义如表1 所示。

表1 曲线上的点采样函数定义Tab.1 Definition of point-on-curve sampling function

分割曲线构造器的伪代码如下：

曲线分割后，将基本曲线组合成实例。图6 所示为基本曲线组合成实例的简图（俯视图），其实例主要包括轮廓形状及其特征点信息。

图6 基本曲线组合的实例(俯视图)Fig.6 Example of basic curves combination (top view)

2.3 实例匹配

基本曲线组合成实例后，需要将其与已有实例进行匹配，这是一个曲线相似度问题[8]。本文采用实例已有特征结合曲线相似距离度量的方式[9]，计算待匹配实例与现有实例的相似度，选出相似度最高的实例，并调用对应的分型面设计方案。

已有特征指的是在基本曲线组合成实例过程中，具体是几个数目的圆弧和直线组合成的实例，在实例都有记录，通过比对这些特征，衡量实例之间的匹配程度。

相似距离度量的策略是：实例是没有解析式的曲线，通过采样获得各自离散点集，再将分别代表不同实例的点集归一化处理，计算相似度则为计算经过处理后两个点集中对应点的距离问题。

待匹配实例曲线记为

同样的，已有实例曲线记为

则定义待匹配曲线和现有实例的相似度为

2 种方法各自占比权重为50%，最后计算得到最佳匹配实例。

2.4 分型面生成方案的设计

分型面的设计主要围绕以下经验原则进行：（1）尽可能减少不规则曲面；（2）避免薄铁；（3）有足够的平面承担分模压力。

在设计方向盘分型面时，并非所有的准则都能得到满足，在实际设计中，经常是采用拉伸的方式进行分型面的设计。表2 是部分实例及其对应的设计方案。

表2 部分实例及其设计方案Tab.2 Some examples and their design schemes

基于NX 二次开发技术，提供各种实例需要的设计方案，逐一将组合好的单个分型线段在实例库中匹配，选用合适的设计方案，然后将所有生成的单个分型面进行相应的修剪缝合，最后完成分型面的设计。

3 运用实例

基于本文所提出的方案，以C++为开发语言，NX10.0 为平台，借助VS2012 开发了一个方向盘压铸模分型面设计系统。图7 所示是利用菜单脚本（MenuScript）自定义的菜单，不仅与NX 无缝集成，而且可以方便调用所开发的程序。

图7 自定义菜单Fig.7 Custom menu

对于图8 的方向盘压铸模分型面设计，模型为方向盘骨架，具有较大的高度落差，且有多个凸台夹杂在上部分型线，按照传统设计需要对其进行逐一拉伸修剪操作。

图8 方向盘骨架图Fig.8 Steering wheel skeleton

借助本设计系统，在自定义菜单调用开发好的dll 程序，选择分型线就能完成分型面的设计。程序设计好的分型面如图9（a）所示，手动制作的分型面如图9（b）所示。

图9 2 种方式的分型面对比Fig.9 Comparison of two types of parting planes

4 结论

本文基于NX 二次开发，设计了一套方向盘压铸模分型面设计系统，可以提高方向盘压铸模模具设计的效率，有利于实现模具CAD 智能化设计。针对压铸模分型面自动化的设计有了一定进步，但实例库只能储存已有实例类型，对没有的实例类型还不能自我学习，加之压铸模形状的复杂性，使得本设计程序仍存在局限性，因此实现压铸模自动化设计还需不断完善。