外文翻译--钣金在级进模中的工步排样设计自动化 中文版

桂林电子科技大学英文翻译译文 1 钣金 在 级进模 中的工步排样 设计自动化 摘 要 工步排样 设计 在钣金级进模规划进程当中是 一个重要步骤。 它是一种依赖经验执行的工作， 工步排样质量很大程度上取决于模具设计师的知识和技能。本文提出了一种工步排样设计自动化过程 的专业系统 。 该 系统 的 开发 是使用趋向人工智能（ AI）生产规则的专业系统。 它包括 专家向用户建议的六大模块： 识别金属板操作 ， 排序操作 ， 选择适当的 向导 方案 ，工位数，分阶段 对级进模的操作和选择适当 尺寸 的 条状胚料 。最后 ， 工步排样 系统模块自动在 AutoCAD 绘图编辑器 上利 用其他模块的输出数据文件。系统的有效 性通过一个工业组件 的例子 演示 ， 该系统灵活 且成本低。 关键词： 自动化；工步排样设计；钣金加工；级进模；专家系统 1 介绍 工步排样设计在级进模设计规划阶段当中作为一个极具重要性的生产力，模具的精度、成本和质量主要取决于工步排样（ Tor et al ,.2005）。传统的工步排样设计是手工的，且需依靠丰富的经验完成，因此单调乏味，耗时且容易出错（ Li et al.,2002；ridha,2003）。40 年前工步排样的问题都是手工解决的，即通过操作硬纸板切割胚料而获得一个好的排样。这个试错过程获得合适且最大材料利用率 的工步排样，仍然被使用在 全世界的的 大多数规模小、甚至在一些中等规模 钣金行业 中。工步排样的质量通常利用于设计者的经验和知识的传统方法而达到。计算机辅助设计（ CAD）系统的出现大约在三十年前，工步排样设计的过程变得更加容易，更换模具的设计从几天减少到几小时。然而，训练有素和经验丰富的模具设计师仍然需要操作这些 CAD 系统。工步排样设计中的大多数CAD 应用的主要目的是通过旋转和尽可能紧凑地布置胚料余料从而实现更高的材料利用率。然而，最大限度的节省材料的工步排样并不一定是最好的，事实上冲模结构可能会变得更加复杂，这使 得节省材料的经济性有所抵消，除非需要生产大量的零部件。该系统由 Schaffer(1971)于 1971年发表的关于在悬臂式模具测试中由于弯矩产生的压力的计算报告中提出的。如果系统发现应力水平高于模具钢材料的屈服应力，然后系统将会分配几个阶段进行切割操作从而使压力保持在合理的限制范围内。系统的限制之一是， 桂林电子科技大学英文翻译译文 2 它不提供任何重要的复杂模具和冲压机分段操作。 Adachi et al（ 1983）为级进模的设计开发了一个集成化的 CAD 系统。系统输出也包括了一代级进模工步排样。但是用户必须自己指定获得工步排样的操作顺序 。 Nee（ 1984a,b, 1985）发表了 一些关于冲压能力分析的 实验方案 ，盘绕状或带状胚料的使用和成本因素的考虑是为了解决最优设计排样和金属板和冲压件余料间的嵌套问题。他所有的工作集中在通用工步排样设计过程和不涉及其他冲压操作的专家规则，如冲孔、弯曲、成形等。该系统是由 Duffy 和 Sun (1991) 研制的以知识为基础的系统方法来生成用于连续冲压模的工步排样。该系统在 IDL 中实现，是一个以知识为基础的系统语言。该系统有生成工步排样性能；然而，它还没有实现，其功能在现实生活中没有测试。由 Prasad 和 somasundaram（ 1992） 研发的计算机辅助模具设计系统（ CADDS）中同样也有一个的关于级进模工步排样模块。在这个模块中，根据输入的参数选择模具型号。 如果选中的模具是连续的，带料开发是随后根据规定纳入工步排样模块的。 但是系统的主要限制是它支持主要的冲裁和冲孔操作。 Singh和 Sekhon（ 2001） 开发了一种低成本的二维金属冲压排样建模器。该软件是基于AutoCAD 和 AutoLISP 的基础上开发的。该系统可以实现圆形、多边形和有弯曲段组件的建模。 供选择的工步排样也按最优生产及检测。该 系统的主要限制是它只处理单 一操作冲压模具 。 Kim et al .(2002)用 AutoLISP 语言开发了一个系统。系统通过对弯曲几个因素的考虑和采用模糊理论，电器产品确定了复杂冲孔和弯曲操作的工艺顺序。通过构建模糊矩阵，并结合模糊推理的几个规则，计算出模糊关系值和确定最佳弯曲度。该系统的工步排样模块能够进行 3D 电子产品的弯曲和冲孔操作。这个系统的主要限制是它在级进模上只能进行弯曲和冲孔操作。 Venkata Rao （ 2004） 提出了一个工步排样金属模具冲压工作有关的选择过程。 这个过程基于层次分析法（ AHP） 。但是，开发过程只适用于简 单的落料和冲孔模。 Chu et al .（ 2004） 提出了一个在连续冲压模的设计中能够生成一个自动冲压顺序的数学技术。图 1 用于表示一个冲压件并定义其冲压特征之间的关系。该图通过使用聚类算法划分出相互独立的顶点。最后，簇集的进行排序，得到工位数最终序列。该系统的一个标准软件的完善和发展仍在进行中，而且必须针对实际工业中具有不同形状的钣金件进行测试。 上述文章综述显示，只有少数的研究和开发工作在钣金在级进模冲工步排样设计自动化领域得到实现。大部分工作都集中在金属板落料冲孔操作的工艺规划上。一些商业计算机辅助系统 可以协助模具设计师，但这些仅是有限的简单计算，带嵌套、检索目录数据和编制标准模组件的数据库，并没有直接解决工步排样设计的问题。依赖经验再加上模具设计师在冲压行业的流动给世界各地的钣金行业造成很多的不便。 因此，获得一个拥有模具设计师的经验及知识的专业系统是必不可少的，这样的系统可以保留并适当运用于未来的应用和发展。 尽管一些专家系统已经开发了模具设计区域，但是大部分的研究工作都集中在嵌套和金属板料成形和变形的工艺设计上。没有特定的为解决级进模工步排样的设计问题而开发的系统。为提高生产力和建立计算机集成制造环境， 工步排 桂林电子科技大学英文翻译译文 3 样设计自动建模至关重要的。 本文所阐释的开发工作的目的主要专注于使用基本规范的人工智能专家系统的工步排样自动化设计。系统在个人计算机自动化桌面的 AutoCAD 2004 软件中以及和设计在 AutoCAD 的加载区域被应用。 表 1 样品生产规则纳入该系统样品 序列号 如果 那么 1 0.001孔、槽或内部轮廓切线的最小精度及特 性要求 0.2 冲孔 2 0.001外部边界、轮廓切口的最小精度 0.2 开槽 3 0.001完整切割界面最小精度 0.2 切割、 分断 4 要求操作 :开槽、下料 /切断 ,穿刺 操作步骤： 1、冲孔； 2、开槽；3、下料 /切割 5 工件上孔数 2；圆形孔洞直径 1.0mm,孔间距 2 倍薄板厚度 ,孔到工件边缘的距离 2 倍的薄板厚度 ,孔的指定公差 0.05mm,孔位于工件两侧 选择两个最大的孔作为测 导向 6 存在可利用于组件上的合适的孔 第一工位：冲孔、检测 7 滑块内部到边缘的最小距离 2 倍薄板厚度 (但不低于 3.0mm)或由设计决定 不作任何操作 8 工件操作：开槽、冲孔（任意孔数）、剪切；孔 间距及孔到部件边缘的距离 2 倍薄板厚度 5 个工位数。首先，工位一，冲孔；第二工位，开槽、检测；第三工位，冲口加工、检测；第四，切断。 9 薄板厚度 1.4mm； 25毛胚轮廓宽度 75mm；锐边（沿薄板宽度）存在于垂直薄板移动方向 选择板宽等于毛培轮廓宽度 +3.2mm 10 薄板厚度 0.8mm，毛培长度 25mm，锐边（沿薄板长度）存在于平行薄板移动的方向 选择进给量等于毛培长度 +2.0mm 桂林电子科技大学英文翻译译文 4 图 1 提出了执行系统 2 工步排样设计 的 建议 级进模工步排样设计是用来安排操作布局并随后的决定所需的工位数 。对于工步排开始 使用 AutoCAD 命令 进行毛胚的建模 零件的几何特征 特性 结束 操作识别 （模块 OPRPLAN） 操作顺序 （模块 OPRSEQ） 分阶段操作级进模 （模块 OPRSTAGE） 选择板宽和进料距离 （模块 SWLSEL） 选择导向方案 （模块 PLTSEL） 工步排样建模 （模块 STRPLYT） 数据文件 SWLSEL DAT 零件数据文件 COMP.DAT 数据文件 OPRPLAN.DAT 数据文件 OPRSEQ.DAT 数据文件 OPRSTAGE.DAT 桂林电子科技大学英文翻译译文 5 样设计，模具设计师决定零件加工所需的钣金操作部分、操作排序、试验方法的选择、所需的工位数和级进模每个工位的冲压操作。工步排样是由零件的形状及其技术要求决定的。它通常是受零件的几何特征，公差尺寸，尖锐的条料边缘方向和其他技术要求支配。工步排样设计中的如何确定一个合适的冲压操作序列从而使零件能够被正确地有效地冲压是个重要而困难的一个步骤。条料的操作顺序和每一个操作细节的必须精心研制，以确保设计生产出良好的无生产或维修问题的钣金零件。通常情况下工步排样设计的最佳解决方案并不是唯一的，但某些常见的规则可 以用于指导工步排样的设计。一些常用于工步排样设计的重要规则通如下 : （ 1）初始操作如切边或 裁剪 ，不直接影响最终产品的形状的工序应该放在第一阶段。 （ 2）如果有合适的孔可用于钣金零件上，这些孔应该用于向导，否则应根据级数引入外部先导孔。这些导向孔的冲孔加工应在第一阶段或剪裁阶段完成后进行。导向孔的位置应该总是以最大可能的间隙远离带料的两侧。这是为了得到最好的定位和带料的固定，使导向孔在各自的位置导向。 （ 3）在一个工位上冲孔，两个孔之间的距离必须大于某个确定值以确保模具强度。如果他们有密切的定位和功能不相关， 冲孔可以分布在几个不同的阶段 （ 4）位置精度要求高的孔的应该要在一个工位上冲孔。 （ 5）一个模具上不应设计狭窄的槽和凸出部分，以防止模具发生断裂可能。 （ 6）如果坯件的外部轮廓是复杂的，则可以把坯料凸出的所有顶点垂直向上到带材的边缘，使轮廓分成简单的部分。 （ 7）闲置工位可以用来避免拥挤的冲头和模具块一起。另外一个优势是，未来可以用低成本整合工程更改。 （ 8）弯曲最好应该在最后一个工位或分阶段之前完成，并且余下的带料安排也应满足这样的要求。 （ 9）最后，切断或切边工序 (s)和作为半导向的内孔（如果有的话）应 该分阶段进行。 （ 10）为了提供最大强度的桥梁，应该使用足够宽度的桥。 （ 11）最后，以这样的方法设计带料，使组件和擦伤能够不受干扰地被驱逐。 导向定位是级进模在工步排样设计中是一个重要因素。条料必须在每一工位准确定位，这样可以在适当的位置执行操作。选择导向方案的任务在工步排样设计流程中应被视为相互依存的。一个工步排样设计系统应该支持直接导向，半直接导向和间接导向方案。如果一个孔是圆形，指定尺寸公差不高，作为定位孔足够大，不在工件的折叠部分，不太靠近工件的边缘，且不太靠近工件上的另一个孔，那么这个孔被认为适 合做先导孔。从合适的导孔中，最好的引导孔应基于以下的条件优先选择： （ 1）如果只有一个孔是可用的，它必须首先考虑。 （ 2）如果有很多个孔，那么应该检查这些孔的位置。 （ a） 如果孔都位于条料进给方向的同一方向，那么选择最靠近工件几何中心的一 桂林电子科技大学英文翻译译文 6 个孔。 （ b）如果孔都位于条料进给方向的垂直方向，那么选择两个最大的孔（如果直径相等的），且这两个孔的的距离大于两倍的薄板厚度。 （ 3）选择两个最大的孔（其直径在彼此的一个预先设定的百分比），且满足前面的条件。 保持上述基本原则和建议，就能开发出一个金属板在级进模中的工步排 样设计自动化的专家系统，所提出的系统的简要描述如下。 表 2 典型的提示，用户的反应和专家的建议是在专家系统执行例如组件（图 2）的过程中产生的 提示 示例数据输入 对用户的建议 请输入薄板材料 黄铜 毛胚模型使用 AutoCAD 命令 请输入薄板厚度（ mm） 0.6 请输入 OPRPLAN 命令 OPRPLAN 欢迎来到 OPRPLAN 模块，此开发用于识别操作 输入进给类型 自动 带料是否翘曲？ 否 请以问卷的形式输入零件的几 何特征（是 /否） 外部边界或 轮廓是否存在小切口或缺口？ 是 是否存在孔或槽或内部轮廓切割？ 是 薄板边缘是否粗糙？ 否 沿着直线轴是否存在弯曲？ 否 是否存在弯曲或成型？ 否 是否要求在毛胚的任一边完整切割？ 是 以下操作是必需的 开槽，冲孔、切断。请输入 OPRSEQ 命令 OPRSEQ 欢迎来 OPRSEQ 模块，此模块的开发是用于识别操作顺序的正确性。操作顺序如下：第一，冲孔；第二，开槽；第三，切断。请输入 PLTSEL 命令 桂林电子科技大学英文翻译译文 7 PLTSEL 欢迎来到 PLTSEL 模块，此模块是用于选择 导向方案 工件上是否存在任何折叠部分？ 否 输入孔的指定公差 0.05 孔是否位于工件的两侧 是 选择工件两侧上最大的孔作为导向孔，请输入 OPRSTAGE 命令 OPRSTAGE 欢迎来到 OPRSTAGE 模块，此模块用于工位数的确定和级进模的分段操作。请输入 OPRSTAGE1命令 OPRSTAGE1 孔与孔之间的中心距是否在 0.05mm 范围？ 是 在同一工位上冲这些孔 工件上外轮廓是否存在复杂的或薄弱部分 否 内部特征边缘之间的和模块边缘最小距离是否 2.0 倍薄板厚度（但不能小于3.00mm）？ ”R”工件在为来工程中是否有变更的可能？ 否 请输入 OPRSTAGE2 命令 OPRSTAGE2 输入工件上槽的数量 2 输入工件上的孔数 2 所需的工位数 =5。分段操作的首选：第一工位：冲孔；第二工位：冲孔、开槽和导向；第三工位：开槽和导向；第四工位 :开槽和导向；第五工位：切断。请输入 SWLSEL 命令。 SWLSEL 欢迎来到 SWLSEL 模块，此模块用于确定带钢宽度和进给的距离 桂林电子科技大学英文翻译译文 8 输入毛胚轮廓宽度（ mm） 62.0 输入薄片锋利的边缘方 向（沿板宽） 垂直于带材的移动方向 选择带料宽度 =65.2mm 输入毛胚轮廓长度（ mm） 12.7 输入移动薄板的锋利的边缘方向（沿板的长度） 平行于带材的移动方向 选择进给距离（或间距）=14.7mm，命令请输入 STRPLYT STRPLYT 欢迎来到 STRPLYT 模块，此模块是为工步排样自动建模而开发的 选择一个起点 (220,100) 系统工步排样建模在 AutoCAD的绘图编辑器上显示 3 所提出的系统的开发和执行 所提出的系统每一模块的知识的获得有各种来源 (Kumar et al .,2006)，包括经验丰富的模具设计师，车间工程师、模具设计手册、期刊研究、手册和工业手册。从各种来源收集来的设计资料通过 IF-THEN 变化，构造成适合生产规则的有用知识 。为了简便，所提出的系统把成套的生产规则知识库为六个模块 ,即 OPRPLAN, OPRSEQ, PLTSEL, OPRSTAGE, SWLSEL and STRPLYT。每个模块生产规则的制定都会经过其他团队的模具设计专家使用 IF-THEN 规则中的 IF 条件假设进行反复验证。一个样本经过制定和验证；然后纳入该系统各模块的功能是表 1 中给出。所提 出的系统的生产规则的序列是非结构化的，这种安排甚至允许专业知识相对较少的工程师插入新的规则。这些用AutoLISP 语言编码，同样它可以在 AutoCAD 界面上进行工步排样建模。通过推理机制的正向推理把生产规则和系统的知识库联系在一起。系统的知识库中包括 300 多个种类的 IF-THEN 规则。然而，系统是足够灵活的，因为知识库可以更新和修改，如果有必要，在技术上提升和使用车间里的可用的新设备。 系统的执行如流程图 图 1 所示。系统要求用户在模型的空白处使用 AutoCAD 指令。随后用户在 AutoCAD 提示区 输入零件数据信 息，如薄板厚度、薄板材料等。系统会自动将这些零件数据存储在一个零件数据文件上并标记为 COMP.DAT。系统的第一个模块OPRPLAN 确定零件加工所需的金属板操作类型。该模块需要用户输入相关数据，即零件的尺寸公差和几何特征。这个模块的输出是零件制造所需的金属板操作推荐的类型。下一个模块 OPRSEQ 决定钣金操作推荐的顺序。 它直接从 OPRPLAN 模块在 执行过程中生成 出数据文件 OPRPLAN.DAT 获取所需要的输入数据。 PLTSEL 模块的开发是为了 桂林电子科技大学英文翻译译文 9 选择适当的 导向 方案以便级进模在每一个工位上精确定位。下一个模块 OPRSTAGE 的开发是用于获得专家建议的工位数量和对级进模分阶段操作的首选操作。这个模块数据的输入是从 OPRSEQ 模块在执行过程中生成的 输出数据文件 OPRSEQ.DAT 中 获取。并请用户须输入特定的工作数据如作为零件的特征。模块 SWLSEL 决定金属板料合适的尺寸大小。建模模块 STRPLYT 在 AutoCAD 绘图编辑上删除任何以前的存在图以及选择合适的屏幕进行工步排样建模。接下来，它要求用户在 AutoCAD 屏幕上选择起始点。当用户使用光标选择起始点或在 AutoCAD 提示区中键入，模块 STRPLYT 自动在AutoCAD 绘图编辑器中进行工步排样建模。 4 验证所提出的系统 所提出的系统已经测试了不同类型的钣金件工步排样设计的问题。典型的提示，例如用户在组件的系统执行过程中，用户的反应和获得的建议（图 2）是通过表 2 给出的。系统工步排样的生成见图 3。输出的数据是从各种系统模块得到的。这些形式如模块的识别操作，排序操作， 导向 方案的选择，所需工位数，工序的分阶段操作和带料的尺寸与那些这经验丰富的模具设计人员和工艺规划者在工作实践中的得到的数据十分相似且合理，在冲压行业即称为 Indo Asian Fuse Gear Limited，由 Murthal、哈里亚纳邦、印度等组成。工步排样由开发系统生成图纸，同时也和模具设计师丰富经验有密切联系。 5 结论 研究工作已被应用于钣金级进模工步排样设计自动化。生产的基于规则的专家系统方法已被用于所提出的智能系统的开发。生产规则使用 AutoLISP 语言进行编码来构建基本知识系统，因为它可以在 AutoCAD 界面进行工步排样建模。系统能够传授专家建议的零件制造要求所需的钣金操作类型 , 操作排序，选择适当的 导向 方案，需要的工位数和级进模第一分段的操作；以及选择合适大小的带料。最后 ,根据系统生成的输出模块 ,系统能够 在 AutoCAD 绘图编辑器上自动建立工步排样模型。该系统的运行示例使用工业钣金件已经证明了系统的实用性。该系统是灵活的，具有实现成本也可以在 PC 机具有 AutoCAD 软件操作。小型钣金行业使用此系统的费用很容易负担得起的。 桂林电子科技大学英文翻译译文 10 参考文献 1 Adachi,M., Inoue, K., Funayama, T.,1983. 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