（机械电子工程专业论文）基于柔性冲裁装置的步冲capp系统开发.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 2 期： 基于柔性冲裁装置的步冲c a p p 系统开发 随着现代工业的发展，冲裁产品向着多样化、小批量、高精度等方向发展，以小成本 对普通冲床进行柔性化改造很有现实意义。在冲压设备的柔性化改造中，必须解决步冲工 艺的自动决策问题，即开发步冲c a p p 系统。本文在分析国内相关c a p p 系统的开发、应用 基础上，给出了步冲c a p p 系统的开发思路。对步冲c a p p 系统的开发原理、总体结构及开 发流程等做了较为详细的探讨。所开发的步冲c a p p 系统主要解决了冲裁零件的信息描述与 输入、冲裁工艺部分决策、冲裁数控代码的自动生成及系统数据管理等技术问题。 本系统采用v b 语言为开发平台，直接从a u t o c a d 绘图系统读取冲裁零件的几何拓扑信 息，同时自动从工艺数据库中提取必要的冲裁工艺信息；在获取这些必要信息后，系统工 _ 、 1， _ 艺决策模块将根据工艺基础理论并结合实际工程经验，完成冲裁步距的自动确定、部分轮 廓冲头的自动确定、轮廓冲裁次序的判定等工艺决策；对冲裁过程进行仿真模拟以检验冲 裁过程及选取的冲头是否合理，同时为生成n c 指令提供冲头类型、冲头尺寸及冲头运动轨 迹坐标等信息；最终，根据模拟产生的冲头数据信息，自动生成并输出特定数控系统下的 n c 指令代码。 本系统的开发完成，解决了冲床柔性化改造中的工艺信息自动决策问题，对普通冲床 柔性化改造技术作了一定的有益探索。 关键词：柔性化步冲c a p p冲裁工艺数控代码数据接口 d e v e l o p m e n to fc a p ps y s t e mo nt h eb a s i so ft h ef l e x i b l ep u n c h i n gd e v i c e a b s t r a c t ： i - h en e c e s s i t yt od e v e l o pc a p ps y s t e mi nt h ef l e x i b l ei n n o v m i o no fc o m m o np u n c h i n gd e v i c e s i sd e s c r i b e di nt h ep a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i st or e l e v a n td o m e s t i cd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f c a p ps y s t e m ，h o wt od e s i g nan e wc a p p s y s t e mo fp u n c h i n gi sd e m o n s t r a t e di nt h i sp a p e r t h e p 印e ra l s op r o b e si n t ot h ed e v e l o p m e n tp r i n c i p l e ，恤eo v e r a l ls t r u c t u r e ，a n dt h ed e v e l o p m e n t p r o c e d u r eo fc a p ps y s t e m t 1 1 i ss y s t e mm a i n l yd e a l sw i t hs u c ht e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sa s i n f o r m a t i o nd e s c r i p t i o na n di n p u to fp u n c h i n gp a r t s ，p a r td e c i s i o no np u n c h i n gp r o c e s s ，a u t o m a t i c f o r m a t i o no f p u n c h i n gn u m e r i c a lc o n t r o 】c o d e ，a n dm a n a g e m e n to fs y s t e md a t e e t c t h es y s t e mi sd e v e l o p e db ym e a n so fv bl a n g u a g e t h eg e o m e t r ya n dt o p o l o g yi n f o r m a t i o no f p u n c h i n g p a r tl sg o td i r e c t l yf r o ma u t o c a di nt h ec a p ps y s t e m t h en e c e s s a r yi n f o r m a t i o na b o u t p u n c h i n gp r o c e s si sg o tf r o n lt h et e c h n o l o g i c a ld a t a b a s eo nt h ec r a f td e c i s i o n t e c h n o l o g i c a l d e c i s i o np a r to ft h es y s t e m ，s u p p o r t e db yr i p e t e c h n o l o g i c a lt h e o r i e sa n di _ e l e , v a n t _ p r a c t i c a l e x p e r i e n c eo fp r o j e c t ，c a l lf u l f i l ls u c ht e c h n o l o g i c a ld e c i s i o n sa sa u t o m a t i cc o n f i r m a t i o no f p u n c h i n g s t e pa n dp u n c ht y p ea sw e l la ss i z e ，a n do r d e rd e t e r m i n a t i o no f c o n t o u rl i n ep u n c h i n g e t c b e f o r et h ep a r tb e i n gm a c h i n e d ，t h ep r o c e s so f p u n c h i n gc a nb e s i m u l a t e di nt h ec a p ps y s t e mi n o r d e rt o t e s tw h e t h e rt h ep u n c h i n gp r o c e s sa n dt h ec h o s c np u n c h sa r er e a s o n a b l eo rn o t t h e l n f o r m a t i o na b o u tt h es i z e ，t h et y p ea n dt h em o v e m e n tt r a c ko ft h ep u n c h si s p r o v i d e df o rt h e p u r p o s eo ff o r m i n gn ci n s t r u c t i o n f i n a l l y , t h ec o d eo fn u m b e r - c o n t r o l l i n gi n s t r u c t i o ni nc a p p s y s t e mw i l la u t o m a t i c a l l yb ef o r m e d t h en cc o d eb ed i v i d e df i n a l l yt h en u m b e r - c o n t r o l l i n g s y s t e m n l ec a p ps y s t e mi sd e v e l o p e ds u c c e s s 砌l y 1 1 1 ep r o b l e mo fh o wt h ea u t o m a t i cd e c i s i o n a b o u tt e c h n o l o g i c a li n f o r m a t i o nc a nb er e s o l v e di nt h ef l e x i b l es y s t e m ，w h i c hi sa l s oa m e a n i n g f u l a t t e m p ti nt h ef l e x i b l ei n n o v a t i o no fc o m m o np u n c h k e y w o r d s ： f l e x i b l ep u n c h i n g s t e p - p u n c h i n gc a p pp u n c h i n gp r o c e s s n u m b e r - c o n t r o l l i n gi n s t r u c t i o n t h ei n t e r f a c eo f d a t a 4 第一章绪言 1 1 课题背景 冲裁加工是利用冲模在压力机上实现板料分离的种冲压工艺，包括切断、落料、冲孔、修边、切 口等多种工序，但一般来说主要是落料与冲孔工序。冲裁加工具有生产率高，操作简便等特点，也便于 实现机械化与自动化，已经深入到制造业的方方面面。近年来冲压加工的大力发展应归功于汽车、飞机 及日用品的发展，冲压件在电子、轻工、汽车、飞机、仪表等产品的零件总量中占有很大比重。 从目前情况看，冲压件市场的发展还不完善、不健全，总体上看主要存在存在下列问题： 1 ) 一些主机厂冲压生产能力供过于求，放了不行，拿着不能。一年大部分时间生产任务不足，无市 场行为，基本是计划经济下的产物。 2 ) 家电、电器冲压件行业市场竞争激烈。但成气候的有国际竞争力的企业不多。 3 ) 认真研究冲压件市场的事无人进行，冲压件市场杂乱无章。 处于上述市场状况，导致冲压技术发展受到限制，整个行业也落后，表现在： 1 ) 总体水平低，许多行业生产能力过剩，缺少高档次技术。技术进步缓慢。 2 ) 材料技术、模具技术、润滑技术和设备水平都处于较低水平，远远不能满足国内生产发展的需 要。 目前国内专业从事冲压的大型企业很少，如果有也是一些小厂，其主要是加工一些零部件或部件厂， 这也是冲压行业不同于其它毛坯制造厂的主要特征。目前，随着信息技术的发展和新技术、新工艺的出 现，冲压行业将面临着下面的挑战： 1 ) 汽车、飞机行业的发展和环保要求的提高，给冲压生产带来了压力。产品集约化生产、个性化发 展、节能性要求、环保性要求，将促使冲压行业进行新一轮的技术革新和改造： 2 ) 仿真技术的发展和应用是冲压生产发展必须借助的手段； 3 ) 自动化和灵活性要求是冲压生产发展必须考虑的因素； 4 ) 复合材料应用将推动冲压生产向前进步： 5 ) 新工艺的出现带动行业进步，这些新工艺是复合材料成形工艺、多种厚度激光拼焊板坯的冲压技 术、内高压胀管技术、轻合金成型技术等。 一直以来冲压生产是依赖于模具的一种大批量生产的工艺方法，随着现代工业的发展，个性化产品 越来越多、生产批量越来越小、产品精度越来越高、响应时间越来越短。对多品种、小批量、大尺寸的 冲压件，如果采用刚性的冲压方式，就需要根据零件设计制造出大的冲压模具，这样不但产品生产周期 长，也大大增加了产品成本。所以，传统的刚性冲压生产方式在新时期市场条件下面临着巨大的挑战。 冲压生产技术在未来的发展方向上将呈现出如下特征： 1 ) 突出“精、省和净”； 2 ) 冲压成型更加“科学化、数字化和可控化”； 3 ) 冲压成型可以实现全过程控制； 7 4 ) 产品从设计开始即进入控制，考虑工艺： 5 ) 冲压生产的灵活性和柔性： 6 ) 复合技术的应用等。 国内外常规冲压设备的品种已基本发展齐全，规格完整，结构成熟。自2 0 世纪8 0 年代中期以来， 数控技术已经开始全面改造冲压机械和冲压生产。应用计算机、数控自动化等技术对传统的冲压设备及 工艺进行改造，以满足现代工业对产品个性化的需要，冲压机械正向高度自动化、人工智能化的方向发 展，并将会和各种辅机有机的结台成柔性制造单元( f m c ) 或柔性制造系统( f m s ) 。 图1 1 冲模回转头压力机工作原理 目前在生产中实际应用的自动化程度比较高也比较成熟的冲压设备主要有数控冲模回转头压力机和 数控步冲压力机。 数控冲模回转头压力机是应用数控技术对扳材进行冲孔和步冲的一种设备，其工作原理如图1 1 。主 电机1 通过小带传动带动飞轮3 转动，再通过离合器制动器4 和偏心轴，使滑块6 上、下往复运动， 冲击上转盘1 3 上所选定的凸模即上模而对板材进行冲孔。上转盘1 3 、下转盘1 2 上配置有若干付模具。 上转盘、下转盘由伺服电机9 驱动，经过链传动或齿形皮带传动，两转盘同时同向旋转，以选择所需模 位。为使上转盘、下转盘定位准确，在转盘侧面设有锥形定位套，由气缸1 1 推动锥形销插入定位套内， 板料的移动可由活动拖架( y 轴方向) 和滑动夹钳1 8 ( x 轴方向) 来完成，x 轴方向和扩轴方向的返动由伺服 电机2 0 、滚珠丝杠副1 5 等驱动而实现。 工作时按规定的程序选择所需要的模具，并由滑块冲击模具，从而冲出所需尺寸和形状的孔来。这 些孔可以是圆孔、方孔、异形孔、直线或圆弧排孔等，其是一种通用、高效、精密的锻压机械，也是板 材加工中的主要设备。在回转头压力机上只要装夹一次，就能把一块板上所有的孔全部冲完。当一种孔 冲好后，需要换模时，回转头把另一副模具转至滑块下，工作台带动板材移至需要位置，就可冲另一种 孔。 数控步冲压力机是另一种应用数控技术实施冲裁加工的设备。步冲加工实质上就是使一个尺寸大或 8 形状复杂的工件，由原来利用大模具一次性完成整体冲压变成用简单的小模具作快速、连续的小部分冲 压的j 二艺方法。其主要具有如下的优点： ( 1 ) 简化了模具形状。冲头在一次冲压行程中冲切一些形状不规则的工件，需要用大量的时间和成 本制造形状不规则的模具，而采用步冲加工只要用形状简单的小模具； ( 2 ) 扩大了设备加工范围。由于受到机器冲压力的限制，对一些尺寸规格和轮廓形状较大的工件， 难以用单次行程操作使冲头仅作一次冲压所能完成的，在步冲加工时却能够完成： 2 3 图1 2 普通冲裁示意图 ( 3 ) 减少了模具数量。有很多孔形的工件采用步冲加工可以减少所需模具的数量，不但降低了加工模 具的成本，还能减少冲压加工的换模时间。 如图1 2 冲裁零件中封闭轮廓1 、2 、3 ，采用传统冲裁工艺采用特定冲模一次完成时，需要专门设 计制造相应的模具；图1 3 是采用标准冲头组合完成冲裁加工，即使用矩形冲头1 1 组合完成轮廓1 的冲 裁，用圆形冲头2 1 及方形冲头2 2 组合完成轮廓2 的加工，用圆形冲头3 1 及矩形冲头3 2 组合完成轮廓 3 的加工，其核心是确定冲头的科学组合及选择合理的冲裁路线。这种加工方式就不需要为加工冲裁件 设计制造专用模具，可以大大的降低生产成本及缩短产品生产周期。 _ 。 【。一 厂 i一 广 【。j 图1 3 用标准冲头组合完成冲裁示意图 9 。目一 口口o o 口口o o 步冲加工虽有上述优点，但只有在应用数控技术的条件下这种加工方法才切实可行，在一般电气控制 的压力机上用手工操作是难以实现的。因为在步冲加工时，压力机处在连续工作行程状态，冲头随着滑 块作上下稳定运动，而工件按要求的送料方向逐步移动，并使工件在冲头移动到其表面之前停住，然后 冲头进行一次冲压：当冲头抬起离开工件表面时送料动作立即又开始，把工件需要下一步加工的表面又 移到冲头下等待加工。这种循环的连续运动需要数控系统保证其动作协调一致。当加工的板件被冲切掉 很多单个小块废屑后，余下部分就是工件所需的尺寸和形状。 数控步冲压力机与冲模回转头压力机相比较，在结构上主要有以下区别：数控步冲压力机的滑块与 工作台之间在垂直方向上只能容纳一套模具，一般手动换模的数控步冲压力机都配置了专用工具，也有 一些数控步冲压力机实现了自动换模；数控冲模回转头压力机的滑块与工作台之间，有一个能安装若干 套模具的转盘装置( 即回转头) ，其功能是一个既可贮存模具并能自动换模的模具库，在换模方面显得比 数控步冲压力机优越，但相对来讲设备价格也更高。 目前我国从发达国家进口了一些类似的冲压设备，国内也有一些公司在进行这方面的生产，但这些 设备不但价格昂贵( 一百万左右) ，而且维护、检修困难，配件难以解决，所以限制了国内企业( 特别是 面广量大的中小企业) 采用这种数控设各，目前这类企业主要还是依靠传统的设备在进行生产，显然难 以适应现代生产的需要。 我国目前有数量众多的普通冲床，对这些现有设备进行数控化、信息化改造将有着非常重要的意义， 将会大大改善目前的传统冲压生产现状，同时还具有成本低、技术可操作性强、维护方便等特点。综合 考虑改造的复杂性及价格等因素，将普通冲压设备改造成数控步冲压力机具有成本低、容易实现等特点。 普通冲床改造主要包含下面几个方面的内容：对设备进行数控化改造，改善及添加设备的附属装置， 增加自动取送料机构、对设备进行自动控制的改造等。目前，国内对普通机床的数控化改造已经很成功， 冲压设备的自动化附属装置也有不少厂家在开发生产。 本课题将在普通冲床硬件改造的基础上，开发出相应的工艺自动决策系统，实现冲裁工艺的自动确 定；最终杂软硬件改造的基础上，实现普通冲床的自动化改造。 1 2 冲压设备柔性化改造的意义和内容 冲压生产的柔性化，是通过一定的控制系统和附属装置，提高冲压设各的自动化、智能化，使操作 者能实现在时间、空间上的柔性，把人从简单、重复、机械而又危险的作业方式中解放出来，同时提高 冲压件产品的精度，彻底改变冲压件笨重粗糙的面貌，提高冲压生产效率，克服冲压生产模具制造周期 长，反应速度慢等缺点，降低产品制造成本，还可以充分挖掘冲压设备潜力，提升设备使用空间。 与一般的数控冲压相比较，柔性化冲裁也是使用标准系列冲模，但在冲裁工艺决策上不再完全依赖 操作者手工输入，而是更具柔性，由工艺决策软件自动制定冲裁工艺方案，并按照最佳的配合方式、冲 裁路径连续冲裁来完成大尺寸、复杂轮廓的冲压零件的加工，其核心是实现冲裁加工在时间、空间上的 柔性，即操作者只需要输入冲裁零件及其加工所需的基本信息，由系统自动生成冲裁加工的n c 代码，进 而控制冲压设备自动完成冲裁加工。 进行柔性化改造，除了要对设备进行数控化、自动化改造以外，还需要开发通用冲裁模具。为了提高 1 0 改造后设备的柔性，冲裁模具必须具各以下特点：形状标准化、尺寸系列化、冲头易于更换、冲头与凹 模应能自动完成冲裁间隙调整等，为此必须研制通用模架及模具自动对中装置来保证快速高效地更换标 准冲头。同时，为了完成复杂形状的冲裁零件加工，还必须保证冲裁件在二l 二作台上能沿x 、y 方向自由移 动，这就要对原有的工作台进行改造，开发出能移动的工作台面。 1 3 步冲c a p p 系统在设备柔性化改造中的作用 在完成上述的硬件改造后，要实现冲裁时间、空间上的柔性化，还必须解决冲裁工艺的自动决策问 题。传统的数控冲裁加工中，冲裁工艺的数控信息由操作者手工编写，即采用人工干涉完成冲裁工艺的 编制和数控代码的编写。这种方式不利于操作者在时间、空间上实现柔性，同时存在效率低、劳动强度 大、对操作者专业水平要求高、冲裁工艺制订标准化程度低等不足。所毗要想在对普通冲床进行改造后 达到柔性化的目的，就必须解决冲裁工艺的自动决策问题，即开发出步冲c a p p 系统。所开发的步冲c a p p 系统需满足以下的要求：具有通用性、能完成冲裁工艺的自动决策、自动生成冲裁数控代码、与冲压设 备问能方便地进行数据交换等因此，步冲c a p p 系统的开发是普通冲床柔性化改造工程的一个重要工作内 容。 1 4c a p p 系统的基本原理、发展现状及主要类型 1 4 1c a p p 系统的基本原理 传统的工艺设计由工艺师手工逐件设计，所生成的工艺文件内容、质量及编制时间主要取决于工艺 师的经验和熟练程度，这种方式将会导致工艺文件的多样性、设计时间长、质量不容易保证等问题。 c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 的基本原理，是将经过标准化或优化的工艺或编制工 艺的逻辑思想( 长期以来工艺人员集累的知识和经验) ，通过c a p p 系统存入计算机，利用计算机高效率 的计算速度，由计算机代替人工，按照一定的规则及格式生成零件工艺规程。 用c a p p 代替传统的工艺设计将会克服上述不足，其意义主要体现在如下几个方面： 1 ) 可以将工艺设计人员从大量繁重、重复性的手工劳动中解放出来； 2 ) 可以大大缩短工艺设计周期，保证工艺设计质量，提高产品的市场竞争力： 3 ) 可以继承工艺设计人员的经验，提高企业工艺的继承性： 4 ) 可以提高企业工艺设计的标准化程度，并有利于工艺设计的最优化工作。 1 4 2c a p p 的发展与典型c a p p 软件 世界上最早研究c a p p 的国家是挪威，始于1 9 6 9 年，并于同年正式推出世界上第一个c a p p 系统 a u t o p r o s ；1 9 7 3 年正式推出商品化的a u t o p r o s 系统。在c a p p 发展史上具有里程碑意义的是于1 9 7 6 年 推出的c a i i sa u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统。取其字首的第一个字母，称为c a p p 系统。 我国对c a p p 的研究始于8 0 年代初，起步较晚，而且由于国内生产技术水平与世界先进水平还有一 段差距，所以c a p p 的发展并不成熟。迄今为止，在国内学术会议、刊物上发表的c a p p 系统已有5 0 多个， 1 1 但由于多数系统价格昂贵，难以适应国内企业的需求标准，所以被工厂、企业正式应用的系统只是少数， 真正形成商品化的c a p p 系统尚不多。 为推动中国c a p p 技术的发展，国内有不少专业公司也在进行着c a w 方面的研究开发工作。比较 有影响的如大恒c a p p 、天喻c a p p 、武汉开目c a p p 、华特软件的集成化工艺设计与工艺管理系统 w i t c a p p 、利星c a p p 等。 图1 4 为大恒c a p p 系统界面。大恒c a p p 系统是基于网络数据库、c s 结构，采用v c + + 及面向对 象的技术开发的大型工艺设计管理系统。该系统的主要特点：支持动态产品树的设计模式；支持工艺借 用件的管理；提供了大量的工艺专业设计功能：提供了大量的工艺知识库及工艺参数手册表；提供1 0 0 多个a p i ( 增强了支持复杂业务管理的定制能力) ：支持任何定义的公式计算及个性化的汇总要求；支持 全工艺工作周期的协同设计，具有强大协同管理能力：与a u t o c a d 紧密集成，支持对a u t o c a d 图形线 图1 4 大恒c a p p 系统界面 型的转换设置；所见即所得，支持批量打印及拼图打印等。图1 5 为天喻c a p p 系统界面。天喻计算机 图1 5 天喻c a p p 系统界面 辅助工艺规划系统( i n t e c a p pf o r a u t o c a d ) 采用先进的w i n d o w s 编程技术，充分利用a u t o c a d 的图 1 2 形平台，并在国内率先实现网络共享和工作组方式，该软件系统具有符合工程实际、自动化程度比较高、 方便实用、充分集成、扩展性好等特点。 1 4 3c a p p 的主要类型 与传统的手工编制工艺规程相比较，c a p p 具有效率高、工艺制订周期短、可继承性好、制订的工艺 标准化程度高、工艺信息可集成共享等优点。 目前，通常将c a p p 系统分为如下几种基本类型：派生式( v a r i a n t ) c a p p 、创成式( g e n e r a t i v e ) c a p p 、 综合型c a p p 及智能型c a p p 。 1 ) 派生式c a p p 系统 利用成组技术原理将零件按照几何形状及工艺的相似性分类、归簇，每簇有一个典型样件，并为此 样件设计相应的典型工艺文件，保存在工艺文件库中。当设计零件的工艺规程时，输入零件信息，对零 件进行分类编码，按照编码在工艺库中检索相应的零件簇的典型工艺，并根据零件的实际要求，对典型 工艺进行修改，得到所需的工艺规程。 2 ) 创成式c a p p 系统 由系统中的工艺决策逻辑与算法对加工工艺进行决策，自动地生成零件的工艺规程。本类型的系统 基本排除了人工干预，使工艺规程的编制不会因人而异，易于保证零件工艺规程的一致性。由于零件结 构的多样性，影响零件实际加工生产的约束条件情况复杂，且具有不确定性，所以真正的纯创成性c a p p 系统用于实际生产尚有一定的难度。 3 ) 综合型c a p p 系统 又称为半创成型c a p p ，将派生式和创成型结合起来利用二者各自的优点，克服缺点，具有比较强 的可操作性，是目前使用较多的c a p p 类型。 4 ) 智能型c a p p 系统 将人工智能技术应用在c a p p 系统中所形成的c a p p 专家系统。本类型c a p p 系统重点在于开发出包含 知识库、推理机等内容的工艺决策专家系统，这也是目前c a p p 系统发展的难点和方向。与刨成型的主要 区别在于，本类型以推理加知识为特征，而创成型c a p p 以逻辑算法加决策表为特征。 目前，c a p p 的发展趋势主要体现在下面几个方面：由派生式向创成式系统发展：由传统c a p p 系统 向智能型c a p p 系统发展：由回转体类典型零件向复杂的非回转体类零件c a p p 系统发展：由孤立的c a p p 系统向c a p p n c 和c a d c a p p c a m 集成方向发展；从研究性质和专用c a p p 系统开发进展到c a p p 系统和专 家系统工具的开发，由此，使c a p p 系统的开发应用逐步普及并提高到一个新的水平。 1 - 4 4c a p p 系统应用存在的问题 c a p p 系统的研究开发始终以克服传统工艺设计缺点和推进工艺设计自动化为主要目标，是制造行 业集成化、信息化、智能化发展必须解决的关键，在工业界推广使用c a p p 将会产生很好的经济效益和 1 3 社会效益。国内c a p p 系统开发应用虽然起步较晚，但目前随着制造行业的信息化改造的推广，已经形 成了一定的规模，有不少专业公司在进行着c a p p 系统的开发、研究工作，并在企业的实际推广应用上 做出了可喜的探索。 通过对国内部分设计院、企业所做的调研，目前在c a p p 系统的推广应用方面还存在如下问题： 1 ) 大部分企业的工艺设计仍然采用手工设计的方式，c a p p 的应用仍是空白。这里面较偏远地区的 中小企业，c a p p 系统的应用状况尤其不容乐观，其中有技术支撑环节方面的薄弱，也与经营者的技术 理念落后有关： 2 ) 部分企业在普及c a d 技术后，工艺设计自动化并未及时跟进。典型的情况是在w o r d 、e x c e l 或 a u t o c a d 上绘制出工艺卡片的空白表格，然后在此基础上进行工艺规程的设计，实际上是对工艺空白模 扳进行填写。这种设计方式也是利用计算机进行辅助工艺设计，但所生成的工艺规程是以文本文件的形 式存在的，对设计人员的专业水平要求较高；同时，因为生成的是文本文件，工艺数据没有得到有效的 管理，这样在企业内部工艺数据无法得到共享，不能满足企业信息集成的要求； 3 ) 部分企业购买或与科研院所联合开发出了c a p p 系统，但由于企业在c a p p 系统认识上的局限性 和系统在部分工艺上缺乏通用性，使得所开发的系统难以发挥应有的作用。 目前大部分企业在c a p p 系统的选择和应用上还存在较多的误区和较大的盲目性，主要表现在盲目 追求设计自动化、最优化，而不注重基础数据的准备，基础技术的稳固发展和人员素质的提高。 对c a p p 系统的认识上存在的误区主要包括： 1 ) 认为c a p p 就是由计算机自动生成工艺规程。工艺设计涉及的因素错综复杂，涉及到零件信息( 含 几何信息、工艺信息等) 、制造资源、工艺专家知识等数据信息的组织和管理，不仅有数值运算，还要 处理图象、字符、表格等复杂数据，c a p p 系统的核心和难点就是对数据进行科学的处理。同时，工艺 设计对实际工作环境有着很大的依赖性，工艺设计中许多工艺知识不具备精确的定义和严密的数学模 型，许多问题具有非确定性，至今工艺设计仍处于经验决策阶段，这就导致工艺设计的动态性和经验性。 正是由于以上原因，通用性好、自动化程度高的c a p p 系统还只能处于研究阶段。目前c a p p 当中的a 是辅助( a i d e d ) 而不是自动化( a u t o m a t i c ) 。 2 ) 认为c a p p 基于零件即可，而不必基于产品结构。在企业中，产品的生产过程实际上就是这个产 品所有属性的生成过程。工艺文件虽然是针对一个具体的零部件，但作为产品的属性之一，工艺文件也 应在工艺设计计划的指导下，围绕着产品结构展开，这样就可以清晰地描述产品的装配关系，并可直接 读取产品的明细表数据文件将c a d 中的产品设计数据自动带入到c a p p 系统中。因此，基于产品结构的 c a p p 系统更适应企业的生产环境。 3 ) 认为c a p p 只需解决工艺卡片的填写和生成，不注重工艺数据的生成和管理。但在c a d c a m 集成 制造系统中，c a p p 是连接c a d 与c a m 之间的桥梁与纽带即c a d c a p p c a m 的集成，其核心是数据库。 因此，c a p p 系统必须能够生成工艺数据并进行管理而不只是完成工艺卡片的填写。 c a p p 系统实施后主要应该达到如下目标：提高工艺设计质量和效率、缩短生产准备周期、工艺制 订更加标准化、科学化等。 1 4 从目前企业的实际应用情况看，好的c a p p 系统应具备如下特点： 1 ) 工艺设计应该建立在基丁数据库的数据平台上，使其它系统共享产品数据库和权限数据库，而 不是仅仅着眼工艺卡片的生成： 2 ) 工艺设计不仅着眼于解决工艺本身，还应能智能化地利用企业制造资源，解决工艺数据的利 用和管理，而且应从企业设计、制造、管理等方厩统筹考虑； 3 ) 系统最好采用开放的体系结构，方便用户根据企业实际情况进行二次开发。 1 _ 4 4c a p p 系统的基本结构 c a p p 系统的整体构成，视其工作原理、产品对象、规模大小、企业实际情况等不同而有比较大的 差异，但一般情况下主要由以下模块组成： 1 ) 控制模块：其主要任务是协调各模块的运行，是人机交换窗口，实现人机之间的信息交流，控 制零件信息的获取方式； 2 ) 零件信息输入模块：解决后期工艺决策所需要的零件信息的获取问题： 3 ) 工艺过程设计模块：进行加工流程的决策，产生工艺过程卡，供加工及生产管理部门使用； 4 ) 工步决策模块：对工步内容进行设计，提供生成n c 加工指令所需要的刀位文件； 5 ) n c 代码生成模块：依据工步决策模块提供的文件信息，产生n c 加工指令； 6 ) 输出模块：可以输出工艺流程卡片、工序及工步卡、n c 指令代码等信息，具体情况要看实际加 工的需要： 7 ) 加工过程动态仿真模块：对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性和合理性等。 企业在选择开发c a p p 系统时，不仅应考虑系统所具备的功能，还应考虑到企业的具体情况统一规 划、分步实施，确保资金的有效利用。 1 5 本课题的意义及主要研究内容 本课题基于江苏省教育厅科研基金项目柔性冲压装置研究。 步冲c a p p 系统是实现普通冲压设备柔性化改造必须解决的一个问题，系统开发的基本思路是直接从 c a d 系统获取冲压件的几何拓扑信息，同时按照需要自动从工艺数据库中提取必要的冲裁工艺信息，在 相关冲压工艺理论的基础上结合实际冲裁生产经验，完成相关的步冲工艺决策，并通过冲裁模拟检验冲 裁工艺的合理性，最终生成步冲n c 指令代码。 冲压加工目前正向着自动化、信息化的方向发展，而中国大多数企业生产现状是：一方面对于普通 的数控冲压设备，其工艺决策主要由操作者手工完成，对操作者的专业水平要求比较高，工艺的制定随 机性比较大；另一方面，数控冲压设备普遍价格比较高，维护、检修复杂t 在中小企业中难以得到广泛 的推广应用。 柔性化冲裁在冲裁工艺决策上不再完全依赖操作者手工输入，而是更具柔性，由工艺决策软件自动 制定冲裁工艺方案，并按照最佳的配合方式、冲裁路径连续冲裁来完成大尺寸、复杂轮廓的冲压零件的 15 加工，其核心是实现冲裁加丁在时间、空间上的柔性。目前，国内普通压力机数量很多，对这些现有设 备进行柔性化改造有很大的现实意义和很强可操作性，可以很好地提高冲压生产效率，降低设备的投资 成本。步冲c a p p 系统是进行冲压设备柔性化改造的重要部分，将解决冲压工艺的自动决策问题，将大大 降低操作者的劳动强度，有效提高工艺决策的科学性、连续性和统一性，在冲压设备的信息化改造上有 很强的理论意义，而且具有很高的实用价值。 综上所述，本课题将主要研究以下内容： 1 ) 在分析冲裁件特点的基础上，科学表达冲压件信息，并以一定的方式表达出来，即建立科学的冲 压件数学模型： 2 ) 选择步冲c a p p 系统获取零件信息的方式，并解决必要的数据传递接口问题，这也是本c a p p 系统 的关键： 3 ) 在获取的冲压件信息的基础上完成冲头选取、冲裁步距自动确定、冲裁路径优化等必要的工艺决 策，并在此基础上实现冲裁加工的模拟，同时还应完成对冲裁n c 代码的保存及传递等； 4 ) 实际冲裁加工涉及到大量数据信息，未了提高系统的工作效率及系统安全，应选择合理的方式对 系统所需数据进行科学有效的管理。 6 第二章系统总体分析 2 1 系统总体结构体系 要实现冲裁生产的柔性化，就必须实现在控制系统的作用下，用系列标准冲模组合后，自动按照最 佳工艺路径做出快速、连续的冲裁，完成尺寸较大、形状复杂零件的加工，来替代传统的一次性整体冲 裁。这样可有效提高设备的) j n i 范围、降低模具成本、缩短产品响应市场的时间。要实现上述目标，除 须研制上述柔性冲裁装置等硬件外，还必须要开发出冲裁c a p p 来替代传统的手工工艺设计。 步冲c a p p 系统作为连接设计( c a d ) 与加工( c a m ) 的桥梁，一方面要能高效、方便的获取冲压 件的信息，另一方面要能自动输出相关的加工信息。为此， 系统的总体框架结构如图2 1 所示，主要包括零件信息的 描述与输入、冲压工艺决策、冲裁模拟、数控代码生成等 模块。其中零件信息获取模块将主要获取冲压零件的几何 信息及提取必要的冲裁工艺信息，为系统后续的工艺决策 做好准备：工艺决策模块将在相关冲压工艺理论的基础上， 结合冲裁实际生产情况，给出科学合理的冲裁工艺决策方 案；冲裁模拟模块将检验冲裁方案的合理性，同时为生成 n c 指令提供的冲头运动轨迹信息：n c 指令生成模块将实 现按照冲头运动轨迹，自动生成特定数控系统下的n c 指 令代码，并以一定的方式传递给设备。 图2 1 步冲c a p p 系统结构框架 2 2 本课题开发应重点解决的问题 由于步冲c a p p 系统是用于对普通冲压设备进行改造，因此要想满足不同厂家、不同冲压设备、不同 数控系统等的使用要求，首先要解决系统的通用性问题。而要做到这一点就要重点解决好零件信息描 述与输入的通用性、系统工艺决策的科学性、系统输出n c 代码的通用性等问题。为了实现上述目标，本 系统需重点解决如下问题： 1 ) 解决c a d 系统与c a p p 系统问的数据交换接口。考虑到冲裁零件形状及尺寸的多样性，要提高系 统的通用性，就要解决零件信息描述与输入的通用平台，即要由c a d 系统直接获取冲裁件的几何拓扑信 息。直接c a d 获取零件信息，使系统决策基本不受零件的形状及尺寸限制，将能够大大提高了系统的通 用性和灵活性。要实现上述目标，就要重点解决c a p p 系统如何由c a d 系统获取零件信息的通道问题，即 系统间的数据交换接口； 2 ) 建立科学的冲裁工艺决策模型。在对冲裁零件进行科学抽象、归类、分析基础上，确立组成零 件的基本几何元素，要很好地解决对零件基本元素的判断识别、信息提取等，并能在冲裁加工的成熟理 论的基础上并结台实际冲裁；0 h i 经验，在人机交互环境下，自动完成冲裁工艺的自动决策，这也是系统 17 开发的关键； 3 ) 实现冲裁过程的动态仿真模拟。在传统压力机上进行加工时，冲头的选择是否合理、冲裁结果 是否能满足实际加工要求，都是通过操作者的实际经验来把握，并只能在设备上进行实际生产来验证。 这种破坏性的硬检验耗时长、成本高、风险大，所以系统在实际加工前对冲裁过程进行动态仿真模拟就 显得很有必要。 在冲裁加工模拟中，要重点解决冲裁零件及冲头的几何模型，以及如何逼真的实现冲裁过程的模拟。 在模拟效果上，要保证冲裁件轮廓及冲头的形状及尺寸不失真，并要做到冲头模拟的运行方向及加工速 度贴近真实，要保证模拟过程是可控的： 4 ) 解决c a p p n c 的有效集成，即步冲c a p p 系统要为设各提供控制冲裁的数控代码。在c a p p 系统的 输出上，一般为工艺规程文件，是专用的表格文件，即工艺卡片。但是卡片上的信息冲裁设备无法有效 地利用，操作者还要根据工艺卡片上的信息，手工编制冲裁数控代码完成加工。同时，这种系统数据信 息无法共享不能很好地做到c a d c a p p n c 的集成。 要实现系统输出信息直接完成对冲裁设备的控制，就要实现c a p p n c 的有效集成。系统要解决如何 利用模拟冲裁过程的数据信息，自动生成相应的n c 代码，最后通过一定的数据传递接口直接传给相关的 冲压设备，控制设备完成加工。这里的关键是完成对加工数据的有效管理，以及在此基础上对数据的梳 理及自动生成n c 代码： ， 本系统将采用模块化结构，这样有利于系统的维护及升级，但要妥善解决好系统各组成模块之间的 数据传递接口。 2 3 系统开发环境 在综合比较了一些开发语言后，最终选择了v b ( v i s u a lb a s i c ) 语言作为系统的开发平台。 在v b 中引入了空间的概念，所以用v i s u a l 方法无需大量代码去描述界面元素的外观和位置， 而只要把预先建立的控件加到屏幕上。 v b 作为程序设计语言，有如下的特点： i ) 可视化的设计平台。用传统程序设计语言编程时，需要通过程序计算来设计程序的界面，在设计 过程中看不到程序的实际显示效果，必须在运行程序的时候才能观察。如果对程序的界面不满意，还要 回到程序中去修改，这一过程常常需要反复多次，大大影响了编程的效率。v b 提供的可视化设计平台， 把w i n d o w s 界面设计的复杂性“封装”起来。程序员不必再为界面的设计而编写大量的程序代码，只要 按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上“画出”各种对象，v b 自动产生界面设计代码，程序员所需 要编写的只是实现程序功能的那部分代码，从而大大提高了编程的效率。 2 ) 面向对象的设计方法。v b 采用面向对象的编程方法( 0 0 p ) ，把程序和数据封装起来作为一个对 象赋予相应的属性。在设计对象时，不必编写建立和描述每个对象的程序代码，而是用工具“画”在界 面上，由v b 自动生成对象的程序代码并封装起来。 3 ) 事件驱动的编程机制。v b 通过事件执行对象的操作。在设计应用程序时，不必建立具有明显开 1 8 始和结束的程序，而是编写若干个微小的子程序，即过程。这些过程分别面向不同的对象，由用户操作 引发某个事件来驱动完成某种特定功能，或由事件驱动程序调用通用过程执行指定的操作。 4 ) 结构化的设计语言。v b 是在结构化的b a s i c 语言基础上发展起来的，加上了面向对象的设计方 法，因此更具有结构化的程序设计语言。 5 ) 可充分利用w i n d o w s 资源。v b 提供的动态数据交换( d d e ) 编程技术，可以在应用策划 功能需种实现与其他w i n d o w s 应用程序建立动态数据交换、在不同的应用程序之间进行通信的 功能。v b 提供的对象链接与嵌入( o l e ) 技术则是将每个应用程序都看作一个对象，将不同的对象链接 起来，嵌入到某个应用程序中，从而可以得到具有声音、影像、图象、动画、文字等各种信息的集合式 文件。 6 ) 可视化编程。传统的编程方法使用的视面向过程、按顺序进行的机制，其缺点是程序员 始终要关心是么时候发生什么事情，处理w i n d o w s 环境下的事件驱动方式工作量太大。v b 采用 的是面向对象、事件驱动编程机制，程序员只需编写响应用户动作的程序，如移动鼠标、单击 事件等，而不必考虑按精