（测试计量技术及仪器专业论文）数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 冲裁加工广泛应用于金属薄板件的加工。论文根据敏捷制造的先进制造技术 理念，以制造单元一冲裁加工为研究对象，通过对二维数控冲裁薄板工件的工艺 过程和加工特点分析，基于a u t o c a d 图形信息，研发了一套适合冲裁加工制造 单元的数控冲床自动编程软件系统( p u n c h c a m ) 。本系统的开发有助于通过对 传统冲床的数字化改造，实施多品种、小批量产品的敏捷制造，从而为薄板工件 冲裁加工的数字化和网络化制造奠定了一定基础。通过自动编程和动态仿真的实 现，大大提高了数控编程的效率，降低了编程难度和劳动量；提高了生产效率和 安全性，避免了加工中的误操作，完全避免了编程中的误操作；有助于生产过程 中的自动化。论文通过对工件常有的几何特征和现有手动编程的特点分析，在自 动编程系统开发中，进行了参数化处理、几何要素分类、排序等规划；在加工工 艺环节，对所选冲床设备吨位、喉颈深度、输入的模具几何特征参数进行了选定， 最后完成了冲裁件的自动编程系统的开发。具体的主要丁：作如下： 围绕传统冲床的数字化改造，建立了实现敏捷冲裁加工制造单元的系统结构 模型。 建立了自动获取零件图形的几何信息的理论方法。论文通过分析工程中现有 的所有版本a u t o c a d 商用绘图软件，结合加工工件的特征，确定以反映二维几 何信息的d x f 图形交换文件作为系统数据输入格式，设计了系统与a u t o c a d 的 接口程序，产生了有利于后置处理的图形数据交换文件，通过图形数据交换文件， 实现了c a d 与c a m 的数据信息共享。 建立了与工件几何要素和工艺过程紧密相关的数控冲裁加工代码的生成理 论模型。论文通过对图形数据的读取和处理，根据加工工艺参数的输入，生成刀 位轨迹，按照数控代码的格式要求，自动生成了数控冲裁加工的代码。该软件是 在w i n d o w s 环境下，能够实现绘图验证、加工顺序优化、自动生成标准通用的 i s o 数控冲床加工代码、加工过程刀具轨迹仿真、代码传输等功能。以目前先进 的开放式数控系统为连接主体，配以高性能步进电机和驱动器，驱动运动平台实 现数控冲裁加工。论文也对数控冲裁加工中的制造误差进行了系统的分析。 数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究 最后分别通过计算机动念仿真和实际加工实验，对以上理论模型和开发的软 件进行了验证，证明了所建立的模型是正确可靠和行之有效的。 关键词：冲裁加工；d x f 文件；数控 i i a b s t r a c t a b s t r a c t m a c h i n i n go fp u n c h i n ga n ds h e a r i n ga sam a n u f a c t u r i n gc e l li sw i d e l yu s e df o r t h em e t a ls h e e tm a n u f a c t u r i n g a c c o r d i n gt oo n eo ft h ea d v a n c e dm a n f a c t u r i n g t e c h n o l o g yt h e o r y 一t h o u g h to fa g i l em a n u f a c t u r i n g ，t h e t h e s i s d e v e l o p s a l l a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e ds y s t e m ( n a m e da sp u n c h c a m ) f o rn cm a c h i n i n go f p u n c h i n ga n ds h e a r i n g t h es y s t e ma n a l y s e st h et e c h n i c a lp r o c e s sa n d t h em a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i co f2 d p a r ti ns h e e t ，a n d o nt h eb a s i so fa u t o c a di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n dt r a n s f o r m t h er e s e a r c h i n gw o r ki sh e l p f u lt on cr e b u i l d i n go f t r a d i t i o n a lp u n c h i n ge q u i p m e n t ，r e a l i z ea g i l em a n u f a c t u r i n gw i t hv a r i e t ya n ds m a l l p r o d u c t i o n , a n de s t a b l i s had e f i n i t ef o u n d a t i o nf o rd i g i t a la n dn e t w o r km a c h i n i n go f m e t a ls h e e t a u t o m a t e dp r o g r a m m i n gf u n c t i o na n dd y n a m i cs i m u l a t i o nf u n c t i o no f t h i ss y s t e mi s t op r o m o t et h ep r o g r a m m i n ge f f i c i e n c y , r e d u c et h ep r o g r a m m i n g d i f f i c u l t y , r a i s et h ep r o d u c t i v i t ya n ds e c u r i t y , a n da v o i dt h ew r o n go p e r a t i o ni n p r o c e s s i ti su s e f u lt or e a l i z ep r o d u c i n gp r o c e s sa u t o m a t i z a t i o n t h r o u g ha n a l y z i n g t h eg e o m e t r i c a lp r o p e r t i e so fg e n e r a lw o r k p i e c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm a n u a l p r o g r a m m i n g , t h et h e s i sa p p l i e ss u c hl a y o u t sa sp a r a m e t e ri n p u t t i n g 、g e o m e t r i c a l e l e m e n ts o r t i n ga n da r r a n g i n ga n ds oo ni nt h ed e v e l o p e ds y s t e m a tt h es a m et i m e ， t h et h e s i sc a nc h o o s et h et o nc a p a c i t ya n dt h ed e p t ho ft h r o a t n e c ko fp u n c hd e v i c e ， a n di n p u t t e dg e o m e t r yp a r a m e t e r so fd i ei np r o c e s s i n g f i n a l l y , t h et h e s i sf i n i s h s d e v e l o p i n ga u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e ds y s t e m t h ep r i m a r yr e s e a r c hw o r k s i nt h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w s o nt h eb a s i so f n cr e b u i l d i n go f t r a d i t i o n a lp u n c h ，as y s t e m i cf r a m e w o r ka n di t s c o m p o n e n t s o fd e s c r i b i n ga g i l ep u n c h i n ga n ds h e a r i n gm a n u f a c t u r i n gc e l li s p r o p o s e d o n et h e o r ym e t h o do fo b t a i n i n gg e o m e t r yi n f o r m a t i o no fw o r k p i e c eg r a p h i c si s e s t a b l i s h e d a f t e ra n a l y z i n gav a r i e t yo fa u t o c a dv e r s i o na n dc o m b i n i n gw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co f p r o c e s s e dp a r t s ，t h ed x ff i l ei ss e l e c t e df o rt h ed a t ai n p u tf o r m a to f s y s t e m b yt h ed e s i g n e dp o r tp r o g r a m ，t h eg e o m e t r yi n f o r m a t i o no ft h ep r o si s a c h i e v e d ，t h eg r a p h i c sd a t ae x c h a n g ef i l ec a nb ee a s i l yd e a l e dw i t h t h i ss y s t e m 1 1 1 数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究 r e a l i z e st h ed a t ai n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nb e t w e e nc a ds y s t e ma n dn c p r o g r a m t h et h e o r ym o d e lo fg e n e r a t i n gn cp u n c h i n ga n ds h e a r i n gm a c h i n i n gc o d e si s e s t a b l i s h e d ，w h i c hc o m b i n ec l o s e l yw i t ht h eg e o m e t r i c a lf a c t o r so fw o r k p i e c ea n d t e c l m o l o g i c a lp r o c e s s t h r o u g hp r o c e s s i n ga n dp i c k i n gu pt h eg r a p h i c sd a t af i l e ，a n d a c c o r d i n gt ot h ei n p u t t e dp a r a m e t e r so fp r o c e s st e c h n i c s ，t h es y s t e mp r o d u c e st h e c u t t i n gl o c a t i o nf i l e , a n da u t o m a t i c a l l yp r o d u c e st h en cp r o c e s sp r o g r a mi n a c c o r d a n c ew i t ht h en cc o d ef o r m a t t h es y s t e mw h i c ha p p l i e st or u n n i n gt h e w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ，c a nr e a l i z em a n yi m p o r t a n tf u n c t i o n ss u c ha sv a l i d a t i n g t h ed r a w i n g , o p t i m i z i n gp r o c e s s i n g s e q u e n c e ，p r o d u c i n ga u t o m a t i c a l l ys t a n d a r d g e n e r a li s on cp u n c h i n ga n ds h e a r i n gp r o c e s s i n gp r o g r a mc o d e s i m u l a t i o nf o rt o o l m o t i o nd u r i n gt h em a c h i n i n gp r o c e s s ，a n dt r a n s m i t t i n gn cc o d e s u s i n ga d v a n c e d o p e n n i n gn cs y s t e ma tp r e s e n t a n de q u i p p e dw i mt h es t e pe l e c t r o m o t o ro fh i g h p e r f o r m a n c ea n dt h ed r i v e r sw h i c hd r i v e st h em o t i o np l a t f o r m ，t h i ss y s t e mr e a l i z e s n cm a c h i n i n go fp u n c h i n ga n ds h e a f i n g i na d d i t i o n ，t h et h e s i sm a k e ss y s t e m i c a n a l y s i so fa l lk i n d so f m a n u f a c t u r i n ge r r o r sr e s u l t i n gf r o mn cm a c h i n i n g f i n a l l y , b ym e a n so fd y n a m i cs i m u l a t i o no nt h ec o m p u t e ra n de x p e r i m e n ti n p r a c t i c ev e r i f i e st h e o r ym o d e l sa b o v e m e n t i o n e d w 1 1 i d lp r o v e st h a te s t a b l i s h e d m o u l d sa r ef i g h t ，r e l i a b l e ，a n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：p u n c h i n ga n ds h e a r i n g ；d x ff i l e ；n u m e r i c a lc o n t r o l 1 v 第一章绪论 1 1 敏捷制造 第一章绪论 1 1 1 敏捷制造的概述 敏捷制造( a g n em a n u f a c t u r i n g ) 这一概念是1 9 9 1 年美国亚柯卡( ( i a c o c c a ) 研究 所主持的2 l 世纪发展战略讨论会，历时半年形成的一份著名报告中总结经济发 展现状、展示未来而提出来的一种先进制造技术，敏捷制造研究首先开展在美国。 但实际上，在“敏捷制造”这一概念提出之前，f i 本已有了敏捷制造的雏形。日 本制造业的振兴与发展并逐渐占有很多市场，这给美国企业界施加了很大压力。 美国企业界在分析总结日本制造业的成功因素后，才提出敏捷制造的概念。可见， 敏捷制造起源于日本，诞生于美国，同时也说明敏捷制造先有成果后有理论，这 与其它制造模式是不同的 1 。提出敏捷制造的直接原因是市场的需求。随着中国 进入w t o ，国内企业必将面临着来自全世界的竞争压力，提高自身的综合竞争 能力是当务之急。中国要提高我国制造业的竞争力，在国际市场占有一席之地， 必须采用先进的制造技术一敏捷制造来改造传统产业，这是摆在我国制造业面前 的一项十分紧迫的课题。 1 1 2 敏捷制造的组成、关键技术及其发展趋势 ( 1 ) 敏捷制造的组成 敏捷制造是指制造企业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源( 包括技 术、管理和人) ，以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造的敏捷性，敏捷 性是核心，它是企业在不断变化、不可预测的经营环境中善于应交的能力，是企 业在市场中生存和领先能力的综合表现，具体表现在产品的需求、设计和制造上 具有敏捷性。作为制造系统的基本组织管理单位和制造过程的执行单位一一即制 造单元必须满足敏捷制造模式的需求。现有的有关制造单元的概念，如成组制造 单元、柔性制造单元、智能制造单元、虚拟制造单元和独立制造岛等，在应用于 敏捷制造时都存在一定的局限性，因此，有必要对敏捷制造模式下底层的制造单 元进行研究。敏捷制造单元可以定义为根据某一阶段的生产任务聚合起的制造 数控冲裁加丁自动编程系统的设计发其关键技术的研究 资源集合，这种聚合必须响应生产组织和管理上的快速重构。 由此可见，“实施敏捷制造的技术”课题组是能够依据企业经验、产品模型、 制造工艺和企业资源等数据，为顾客、供应商和企业提供解决问题的方案。整个 模型描述是围绕着开发和执行一系列“电子文本”的过程，见图1 - 1 所示2 1 。 图1 - 1 敏捷制造系统的组成 ( 2 ) 敏捷制造的关键技术【】 敏捷制造是继c i m s 后的制造模式，敏捷制造的关键技术在某种意义上继承 了c i m s 的大部分内容，主要包括： a 现代设计方法。并行工程和虚拟制造是现代设计方法的主要发展方向。并 行工程是将产品的市场分析、设计、工艺设计、生产计划与加工、质量保证、检 测等环节同步规划，并行开展，以缩短产品的开发周期。虚拟制造技术是利用计 算机虚拟现实技术和多媒体技术，建模虚拟制造，免去样机的生产过程，降低成 本，缩短设计制造周期。上述两项技术都是以计算机作为工具，大力发展这两项 2 第一章绪论 技术是近十年各国制造业竞争的焦点。 b 先进制造工艺。它主要包括：少( 无) 余量精密成型技术；精密、超精密加 工技术；新型材料的成型和加工技术；构件或材料问的联接技术；表面新技术。 先进制造工艺是任何种制造模式实现产品的基础，开展先进生产工艺方面的研 究一直是企业界最为关心的课题。 c 自动控制技术。它主要包括：传感及控制技术；测量检测技术；机器人技 术。 d 信息技术和综合自动化。它主要包括：管理技术和培养高素质的人员。 ( 3 ) 敏捷制造技术的发展趋势 敏捷制造涉及多种技术和应用领域，其发展趋势体现在以下几个方面5 1 ： a 面向知识和信息网络，建立一套支持敏捷制造数字化、并行化、智能化、 集成化的多模态人机交互信息处理与应用理论及方法，根据用户的个性化需求和 市场的竞争趋势，以有效地组织敏捷制造动态联盟，充分利用各种资源进行多模 念人机协同的敏捷制造，尽快响应市场需求。 b 基于知识和信息网络，对定制产品的外观形念、方案布局和多模态环境下 人机交互等环节的支持加强，以提高敏捷制造系统的可塑性及定制产品在美观 性、宜人性等方面运作过程的可视化。 c 利用多模态人机交互技术改变企业以试制、试验和改进为主的传统制造开 发过程，使之转变为市场需求下以设计、分析和评估为主并基于知识和信息网络 迅速组成动态联盟的可视化敏捷制造，从而缩短产品开发时间，提高市场竞争能 力。 1 2 传统冲裁j q - r 的敏捷制造实现 伴随先进制造技术、现代化生产管理模式与市场驱动相结合的敏捷制造模式 的发展，对现代制造业提出了新的要求。在企业之间，通过动态灵活的虚拟组织 集成不同企业的优势构建动态联盟；在企业内部，采用柔性化、模块化的产品设 计方法和可重组的设各工艺技术对制造中的制造单元提出了一种新的制造理念， 即：以小批量多品种生产方式满足用户要求的高度制造系统柔性 6 】。为此，作为 制造单元之一的传统冲裁模具结构已不能满足现代制造系统的灵活和快速要求。 数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究 如何将快速柔性制造理念移植到传统制造设备的改造上? 敏捷冲裁模具正是为 了适应快速反应制造要求针对制造单元产生的一种新的模具理念和成形系统尝 试，是为现有普通冲床进行数控改造而设计的，是数控技术和传统设备及模具成 形工艺的集成延伸和发展。敏捷模具技术对提高制造系统快速响应产品变化的能 力，缩短产品设计制造周期，增加制造系统的柔性，降低成本，提高机械产品质 量均具有十分重要的意义。因此，论文对敏捷冲裁加工制造单元的系统构成设想 进行了探讨。 1 3 本课题的提出及其研究的目的、意义和内容 在现代制造业中，为了提高产品的技术性能，增强其可靠性，适应小批量、 多品种、更新换代快、形状复杂等特点，引入了数控加工技术。数控加工技术是 制造业实现自动化、柔性化集成化生产的技术基础，现代c a d c a m 、f m s 、 c i m s 、并行工程、敏捷制造等都是以制造单元的数控技术为基础。因此，离开 了数控技术，先进制造技术就成了无本之木，无源之水，有专家预言：“机械制 造的竞争，实质上是数控技术的竞争”。因此，数控机床作为一种高效自动化的 制造单元越来越受到人们的重视。 数控加工程序的编制是数控加工中重要的一环，编程的效率和质量对缩短制 造周期，保证加工质量有重要的意义。国内外数控加工的实践证明：数控加工的 停机大约有2 0 一3 0 是由于数控编程不及时造成的【7 1 。这严重影响了数控加工 的效率，阻碍了数控技术的推广应用，进而影响未来工厂的自动化、集成化、柔 性化和敏捷化。因此，开发效率高，质量好的编程系统是数控系统开发技术人员 一直追求的目标。 随着数控技术的发展，数控加工在机械制造业的应用日趋广泛，使数控加工 方法的先进性和高效性与冗长复杂、效率低下的数控编程之间的矛盾更加尖锐， 数控编程能力与生产不匹配的矛盾日益明显。如何有效地表达、高效地输入零件 信息，实现数控编程的自动化，已成为数控加工亟待解决的问题。计算机技术的 逐步完善和发展，给数控技术带来了新的发展契机，其强大的计算功能，完善的 图形处理能力都为数控编程的高效化、智能化提供了良好的开发平台。数控自动 编程软件在强大的市场需求驱动下和软件业的激烈竞争中得到了很大的发展，功 4 第一章绪论 能不断得到更新与拓展，性能不断完善提高，作为高科技转化为现实生产力的直 接体现，数控自动编程已替代手工编程在数控机床使用中发挥着越来越大的作 用。 近年来，数控机床在我国机械制造企业中的应用增长很快，已逐渐成为提高 产品质量、提高生产效率、增强企业应变能力的主要设备。我国目前机床总量 3 8 0 余万台，而其中数控机床总数只有1 1 3 4 万台【g 】，即我国机床数控化不到3 ， 对于迈向制造强国仍有很长的路程。推动国内数控机床占有率提高的路径不外乎 有两条：一条是在政策鼓励下增加设备生产厂家的数控机床生产，并鼓励用户采 购使用；另一条就是加快对现有传统设备的数控改造步伐。 为了充分发挥先进机床的潜力和效率，如何提高n c 编程质量与效率已越来 越表现为一个突出的问题。根据国外资料报道，一般手工编程时间与机械加工时 间之比为3 0 ：1 t 。在数控冲床的使用中，我国引进了不少各种型号的数控冲床， 虽然它们都配有自己的数控系统，但大部分属于手动编程系统，编程效率不是很 高；另一方面，数控冲床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有余而力 不足。由于设备专用性强，对于国产数控冲床，基本上还是以手工编程为主，不 但编程时间较长，而且准确性还很差，需要反复修改代码，对于非专门人员使用 很不方便。曲轴式压力机( 亦称为冲床) 在国内拥有量较大、应用面又较广，对 其进行数字化改造，不仅能提高生产率，保障生产安全，而且能最大限度地发挥 传统设备的作用【1 。由此可见，为了适应敏捷制造的发展趋势，并结合我国数控 冲床的行情，开发一个界面友好、直观形象、容易操作、效率高的数控冲床自动 编程系统，对传统设备吸纳现代制造理念，促进传统设备的改造，推动国内装备 制造业的水平提高有着重要的现实意义。 综上所述，本课题结合深圳市艾确数控技术有限公司数控冲床开发的实际要 求，并从软件实际应用的角度出发，开发了一套基于a u t o c a d 图形信息的数控 冲床自动编程系统，是围绕自动编程系统的开发，论文主要研究内容如下： ( 1 ) 建立获取零件图形的几何信息的理论方法。通过分析工程中常用的现 有所有版本a u t o c a d 商用绘图软件，确定以反映二维几何信息的d x f 交换文件 作为系统数据输入格式，设计了系统与a u t o c a d 的接口程序，产生了有利于后 置处理的数据交换文件。这种数据交换文件的采用实现了c a d 与c a m 的数据 数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究 信息集成。 ( 2 ) 提出了敏捷冲裁加工的制造单元结构模型，构建了系统的组成模块， 并介绍了各模块的功能结构。它对于提高制造系统快速响应产品变化的能力，缩 短产品设计制造周期，增加制造系统的柔性，降低成本，提高机械产品质量以及 传统机床数控化改造均具有十分重要的意义。 ( 3 ) 建立与工件几何要素和工艺过程紧密相关的生成数控代码的理论模型。 通过对数据文件的处理，根据输入的加工参数，生成刀具中心轨迹，按照数控代 码的格式要求，自动生成了数控加工程序。以冲裁件为研究对象，利用零件的图 形信息和必要的加工参数，通过计算处理生成刀具中心轨迹文件，然后根据数控 机床指令格式，自动生成数控加工程序。同时，还对刀位轨迹进行了优化处理及 计算。 ( 4 ) 在所开发的系统的绘图屏幕上实现冲裁轨迹动态仿真和实际加工实验， 对以上理论模型进行验证。 ( 5 ) 对数控加工中的制造误差进行系统的分析。 论文的创新点主要体现在： ( 1 ) 从c a d 到c a m 的数据自动转化和g 代码的自动编程。在系统运行中， 图形数据的提取、结点数据的计算、刀位轨迹的优化及数控加工代码的生成等 都能通过本系统自动完成，因而实现了c a d 阶段平面造型的数据流直接流入到 c a m 阶段，在一定程度上实现了c a d c a m 的一体化。因此，对整个生产来说， 可节省时间、减少错误发生、降低成本、增加生产效率及提高生产质量，因而 可大大提高企业的竞争力。 ( 2 ) 针对给定的冲床喉颈深度，考虑了工件旋转后的g 代码生成和在冲床 上的应用，从而实现了用小喉颈深度的冲床去加工一些大尺寸板料的周边孔，提 高冲床的加工能力。 6 第二章数控冲裁加工的几何基础 第二章数控冲裁加工的几何基础 在数控冲裁加工软件的编制中，由于须考虑到冲床的行程受到冲床喉口深度 的限制、冲头的选取受现有模具冲头库的有无限制、冲头的大小选取受机床吨位 限制，以及加工效率的高低问题等等。所以，从加工工艺考虑，在设计软件时， 对被加工零件的图形进行几何变换是十分必要的，对被加工工件的刀位轨迹进行 优化处理也是十分必要的。因此，实体的几何变换和刀位轨迹优化计算方法是本 系统开发与研究的重要理论基础。 2 1 图形的几何变换1 1 】 2 1 1 构成图形的基本要素及其表示方法 三维实体由若干面构成，而面则由线组成，点的运动轨迹便是线。因此构成 图形的最基本要素是点。在解析几何中，点就可以用矢量表示，若用齐次坐标表 示，则可以用一个行向量ky1 表示一个二维点的坐标。对于一个二维空间中 的图形可用一个点集来表示，而每一个点对应一个矢量，将这些矢量集合成一个 n 3 矩阵的形式： x 1 x 2 ： z n y 1 y2 ： y 。 这样便可建立二维图形的数学模型，对于三维空间中的图形也可以依次类推。 这些图形变换的实质是改变图形的各点坐标。需注意的是，图形变换既可看 做是坐标系不动而图形变动，变动后的图形在坐标系中的值发生变化；也可看作 是图形不动而坐标系变动，变动后，该图形在新的坐标系下具有新的坐标值。这 两种情况齐本质是相同的。 2 1 2 点的变换 已知二维坐标系中一点p ( x ，y ) ，要求将它变换到点尸( x ，y 。) 则必存在 数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究 憾d 扣川 1 1 f ；m 小工_ y 1 | 由此可见，变换后点的坐标有矩阵丁= i 兰； 中的元素口、6 、c 、d 、，、 r t l 、p 、小s 决定。于是，称t 为变换矩阵，t 中元素取值不同，可实现二维图 点的变换可以通过矩阵运算来实现，令r = ： ，我们把它称为变换矩阵， ，r n6 ， ud j = 一 k + 别= x y 这里，【xy 】为变换前点的坐标，l 。y j 为变换后点的坐标。变换矩阵中n 、b 、 c 、d 的不同取值，可以实现各种不同变换，从而达到对图形进行变换的目的。 2 1 3 二维变换 ( 1 ) l ：k 例变换 在变换矩阵，= ：匆中，令b = c - 。，则为比例变换矩阵 t = ： c 盯。，d 。， 孙“计 z y 1 其中a 、d 分别为x 、y 方向上的比例因子( 口，d 0 ) 。 讨论： a 若a = d = l ，为恒等变换，即变换后点的坐标不变。 b 若口= d l ，则为等比变换，变换结果式图形等比放大= 办1 ) 或等比缩 ) l2 ( ， 卅 + + 掣咖 + +“如 i f 1 i x y ，：l 第= 章数控冲裁加工的几何基础 小0 = d 0 ，若( i ，j ) 芒e ，则c i j = 0 ( 3 。令t v l = n ，并假定n l 。g 的一 条周游路线是包含v 中每个节点的一个有向环。周游路线的成本是此路线上所 有边的成本和。货郎担问题( t r a v d i n gs a l e s p e r s o n p r o b l e m ) 是求取具有最小成本的 周游路线 1 2 - 1 3 】。 有很多实际问题都可以归结为货郎担问题。就本系统模块中的图形排序问题 就是一个货郎担问题。出于a u t o c a d 绘图顺序的随意性，因此，对提取出来的 图形顺序需要进行重新排序，以使得数控冲床在冲裁刀位轨迹中的总路线最短， 加工时间最少。这就是货郎担问题。下面是货郎担问题的几种求解方法。 2 2 1 用动态规划法求解货郎担问题 1 2 - 1 3 i ( 1 ) 动态规划法的一般原理 解决货郎担问题看似最简单的一个方法是枚举法，但是求解的工作量巨大。 假设有n 个村庄，则工作量位n n ! 。贝尔曼认为，利用最优性原理_ ( p r i n e i p l eo f o p t i m a l i t y ) 及所获得的递推关系式去求取最优序列可以使枚举量急剧下降。最 优性原理：无论过程递初始状态和初始决策是什么，其余的决策必须相对初始决 策所产生的状态构成一个最优决策序列。若货郎担的问题最优性原理成立，则可 用动态规划法求解该问题。 ( 2 ) 货郎担问题的动态规划法求解 为了不失一般性，假设周游路线是开始于结点l 并终止于节点1 的一条简 单路径。每一条周游路线都由一条边( 1 ，纠和一条由结点i 到结点1 的路径所组 成，其中l j k ；而这条由结点k 到结点l 的路径通过昨以，彬的每个结点各 一次。容易看出，如果这条周游路线是最优的，那么这条由k 到1 的路径必定是 通过v - i ，留中所有结点的由k 到1 的最短路径，因此最优性原理成立。设甙t 研 数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究 是由结点i 开始，通过s 中的所有结点，在结点1 终止的一条最短路径长度。g ( 1 ， 弘 1 ) ) 是一条最优的周游路线长度。于是可以得出： g ( 1 ，v 一 1 ) ) = m i n q + g ( 尼，v 一 1 ，尼) ) ) ( 2 2 ) 2 e t e 月 将( 2 2 ) 式一般化可得： g ( t s ) = m i n c “+ g ( ，s 一 ， ) ( 2 3 ) e j 如果对于k 的所有选择，知道了g ( k ，v - 1 ，七 ) 的值，由( 2 2 ) 式就可求解出 g ( 1 ，弘 1 ) 。而这些g 值则可通过2 3 式得到。显然，g ( i ，中) = c m1 i n 。于是， 可应用( 2 3 ) 式获得元素个数位1 的所有s 的g ( i ，固。然后，可对阎= 2 的s 得到 g ( i ，两等等。当i s l n - 1 时，g o ，回所需要的i 和s 的值薛1 ，l s 且拒s 的那些 值。 ( 3 ) 用动态规划法求解货郎担问题的难度 设n 是用( 2 2 ) 式计算烈1 ，昨 1 ) ) 以前需要计算的g ( i ，j s ) 的数目。i s l 的取值 在不同的决策阶段分别对应位0 ，1 ，”一2 。对于蚓的每一种取值，i 都有一一1 种选择。不包含1 和i 在内的大小位k 的不同s 的个数是( ：。2 ) 。因此 n - 2 = ( ”一1 ) ( 一= ( n - 1 ) 2 ”2 k = o 又因为在勘时，由( 2 3 ) 式求g ( i ，印的值要进行肛1 次比较，所以用( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式求最优周游路线的算法要求的计算时间为o ( n 2 2 ”) 。即n 的复杂度为 o ( n 2 2 “) 。 ( 4 ) 在数控冲床自动编程系统中用货郎担问题的动态规划法求解 在本系统中，一般是已知入点i 和出点，即i 是待加工的第一个孔，是最 后一个待加工工的孔，祷。即从i 遍历所有的点，- 至- i j j 出来。这看似与货郎担问 题从i 点* u j 点不同。实际上，只要令q 斟m ，驴0 即可。 2 2 2 用分支定界法求解货郎担问题1 1 3 - 1 5 i ( 1 ) 分支定界法求解的一般原理 在图的检索方法中，b f s ( 广度优化) 和d f s ( 深度优化) 都是对当前e 一结点( 活 动结点) 检测完毕之后才检测以队或栈的形式存放在活结点表中的其它结点。将 这两种方法一般化就成为分支限界策略。分支限界法是在生成当前e 一结点全部 1 4 第二章数控冲裁加工的几何基础 儿子之后再生成其它活结点的儿子且用限界函数帮助避免生成不包含答案结点 子树的状态空间的检索方法。根据队状态空间树中结点检索次序的不同又可分为 数种不同的检索方法，其中与b f s 类似的状态空间检索称为f i f o 检索f f i r s ti n f i r s to u t ) ，它的活结点表采用一张先进先出表( 即队) ：与d f s 类似的状态空间检 索称为l i f o 检索( l a s ti nf i r s to u t ) ，它的活结点表采用一张后进先出表( 即栈) 。 ( 2 ) 货郎担问题的分支定界法求解 上节给出了货郎担问题的一种动态规划算法，它的计算复杂度为o ( n 2 2 1 ) 。 本节讨论货郎担问题的分支一限界算法，它的最坏情况的复杂度虽然也是 o ( n 2 2 ”) ，但对于许多具体实例而言，却比动态规划算法快得多。 设6 b ( 以司是代表货郎担问题某个实例的有向图，j 川= n ，叼表示边( f ，j ) 的 成本。若( f ，力鲑b 则有日i = 。o 。为不失一般性，假定每一次周游均从结点l 开始 并在结点1 结束，于是解空间s 可表示成：肛 1 ，z ，1 i x 是 2 ，3 ，h ) 的 一种排列) ，i s l = ( - - 1 ) ! 。为减小s 的大小，可将s 限制为：只有在0 9 9 - l ，( 0 ，i ，+ j ) e 且i o = i 。= 1 的情况下，( 1 ，i l ，如，一，) e s 。可以将这样的s 构成一颗 状态空间树。 为了用分支限界法检索货郎担问题的状态空间树，需要定义成本函数c c 的， 下界函数c l 和上界函数碘砷，使他们对于每个结点卫有a ( 习! c ( 的s 矾砷。 “可以定义为： = 在揽鬣嚣黧融茹煞 其中：o c 的一般定义为g 图的归约成本矩阵。 归约矩阵：如果矩阵的一行( 列) 至少包含一个零且其余元素均非负，则此行 ( 列) 称为已归约行( 歹0 ) 。所有行和列均为已归约行和列的矩阵称为归约矩阵。 通过对一行( 列) 中每个元素都减去同一个常数t ( 称为约数) 将该行( 列) 编程 已归约行( 列) 。逐行逐列施行归约就可得到原矩阵的归约矩阵。假设第f 行的约 数为t i ，第，列第约数为r j ，l i ，_ ，如，则矩阵约数为： l = 勺+ 0 i = 1 j = l 。 为了定义函数c i ( 砷，在货郎担问题的状态空间树中对每个结点都附以一个 数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究 归约成本矩阵。设爿是结点r 的归约成本矩阵，s 是r 的儿子且树边僻，研对应 这条周游路线中的边( f ，力。第一种情况：s 为非叶结点，s 的归约成本矩阵可按 以下步骤求得： a 为保证这条周游路线采用边( f ，力，而不采用其它由i 出发或者进入- ，的边， 将4 中f 行和，列的元素置为0 0 ： b 为防止采用边仃，1 ) ( 因为在已选定的路线上加入( f ，力之后，若再采用边 i ：，1 ) 就会构成一个环，从而得不到这条周游路线) ，将4 ( ，1 ) 置为0 0 ； c 对于那些不全为o o 的行和列施行归约，则得到s 的归约成本矩阵，令其为 占，矩阵约数为r 。非叶结点s 的o 值可定义为： c ：( s ) = q ( r ) + 彳o ，j ) + r 第二种情况：s 为叶结点，由于一个叶结点确定一条唯一的周游路线，因此 可用这条周游路线的成本作为s 的o ( 矽值，即o = c f 铆。 至于上界函数u 0 0 可将其定义为： _ 留茹篇 2 3 本章小结 本章首先讨论了图形的几何变换，并给出了各种基本几何变换的变换公式，同 时，对由基本变换组合而成的组合变换顺序对变换后的图形的影响进行了分析； 然后，又讨论了易于描述但难于解决的著名难题一货郎担问题，并给出了货郎担 问题的求解方法：动态规划法和分支定界法，以及其在冲裁刀位轨迹优化中的应 用，为后面设计自动编程系统的图形的平移旋转和图形分类排序提供了理论基础。 第三章冲裁加工的理论基础 第三章冲裁加工的理论基础 冲裁加工是利用冲模使板料的一部分沿一定的轮廓形状与另一部分分离的 工序。经过冲裁以后，板料被分为带孔的部分和落料的部分。若冲裁的目的在于 获得一定形状和尺寸的内孔，这种冲裁称为冲孔；若冲裁的目的在于获得一定外 形轮廓和尺寸的零件，这种冲裁称为落料。落料和冲孔的性质完全相同，但冲裁 的目的不同，设计模具工作部分尺寸时，应分别加以考虑。冲裁既可以直接冲制 出成品零件，又可以为其它成形工序，如弯曲、拉延课成形等工序准备毛坯。还 可以在已成形的冲压件上进行修边和冲孔等【1 。 冲裁工艺力是使材料在冲裁工序中完成其分离所必需的作用力和其它附加 力的总称，它包括冲裁力、卸料力、推出力和顶件力。这里计算冲裁力的目的是 为了判断所选用压力机的吨位是否合理匹配，以便选择工艺参数和加工方法，进 一步确定冲裁的工艺方法是采用一次性冲压加工还是采用多步骤的步冲加工。对 于卸料力、推出力和顶件力的确定，不作为本论文的研究内容。 3 1 冲裁力 1 6 1 ( 1 ) 冲裁力的定义：冲裁力是凸模与凹模相对运动使工件与板料分离所要 的力，它与材料厚度、工件周边长度、材料的力学性能等参数有关。它是设计模 具、选择压力机的重要参数。 ( 2 ) 计算冲裁力的目的：是为了合理地选用冲压设备、设计模具以及制定 冲压工艺。选用冲压设备的标称压力必须大于所计算的冲裁力；所设计的模具必 须能传递和承受所计算的冲裁力，以适应冲裁的要求；所制定的冲压工艺必须满 足冲裁工件的工艺性。 ( 3 ) 影响冲裁力的因素：影响冲裁力的因素很多，主要有材料力学性能、 厚度、冲裁件周边长度、模具间隙大小及锋利程度等。 ( 4 ) 冲裁力的计算公式：一般平刃刀口模具冲裁时，其冲裁力p o 可按下式 计算，即 p o = a r = l t r 7 数控冲裁加工自动编程系统的设计及其关键技术的研究 式中： a 一剪切断面面积，r n l n 2 ； t _ 一材料厚度，m r f l ； l 广一冲裁周长，m m ： r 一材料的抗剪强度，m p a 。 也可按下式计算，即 昂= f , l t 式中： f 1 一系数，取决于材料的屈强比，可从图3 1 求得，一般取0 6 o 9 t - 喇- 料厚度，i n l n ： 裁周长，m y l ； r 一材料的抗剪强度，m p a 。 图3 - 1f ，与材料的屈强比o - s o - b 的关系 3 2 在给定设备上降低冲裁力的方法 在用平刃冲模进行冲模时，其剪切作用是沿着整个零件的外形轮廓同时发生 的，因而所需的冲裁力较大，冲压设备的工作负荷加大，并在很大的冲击力作用 下，将直接影响冲压设备各部件的寿命。为了冲裁工作能顺利进行，使冲压设备 在比较柔和而平稳的条件下工作，以及实现用小设备冲裁大零件的可能，故降低 冲裁力是必要的。特别是对一些汽车、拖拉机等大型零件或高强度及厚度大的材 料冲裁，当所需的