（机械制造及其自动化专业论文）基于组件的钣金综合排样子系统的研究与开发.pdfVIP

东南大学硕士学位论文 基于组件的钣金综合排样子系统的研究与开发 摘要 钣金件在工业产品中被广泛应用，排样对提高材料利用率、降低生产成本具有十分重要 的影响，开发钣金排样软件对提高生产率、降低成本具有重要意义。 以往的排样软件只是单纯的以提高材料利用率为目标，没有考虑企业实际生产中多种加 工方法、多种排样要求，不能适应实际生产需要。针对这种现状，本文深入研究了钣金二维 优化排样算法，本着简单实用的原则，提出了钣金综合排样算法。 钣金综合排样算法根据图形特点和数量将排样问题细分为单一矩形零件、单一任意零 件、多种矩形零件和多种任意零件四类进行讨论：针对单一矩形零件，提出了y 优先分步 法，可实现余料管理下的最优；针对单一任意零件，提出了板材整体排样优化算法，可实现 条料和板料的优化排样：针对多种矩形零件，提出了动态寻优法，通过启发和回溯，获得整 体优化，并可实现嵌套排样；针对多种任意零件，采用最小包络矩形法转化为多种矩形排样。 为便于该算法的实现，改进了前置处理算法。提出了图形简化、规则化等过程。该算法能够 满足零件在多种加工条件( 剪冲复合、冲裁、直角剪、切割) 、多种排样要求下( 优先级、 给定零件数、c a d 图形和c a m 图形) 的排样，并可以实现余料的管理。 根据该算法以统一数据库为基础，以组件( c o m ) 技术为平台构建开发了钣金综合排 样子系统( s s n s ) ，该子系统包括排样任务设置模块、排样优化模块、图形后置处理模块， 具有运算快、功能强、易操作、可扩展的特点，并实现了与钣金c a d c a m 系统e a s t c a m 的集成，很好的满足了钣金件排样、生产的需要。 本文最后还探讨了钣金综合排样子系统( s s n s ) 与三维c a d 、p d m 集成的方法，为 进一步开发研究提供了参考思路。 关键词：排样优化钣金c a d c a m组件( c o m ) 东南大学硕士学位论文 a s y n t h e t i cn e s t i n g s o l v e rb a s e do nc o m a b s t r a c t t h es h e e tm e t a l p r o d u c t s a r e w i d e l y u s e di n m a n y f i e l d so fi n d u s t r y e q u i p m e n ta n d c o m m o d i t y i nt h es h e e tm e t a lm a n u f a c t u r i n gt h el a y o u to f t h ep a r t se f f e c t sg r e a t l yo nt h ec o s to f p r o d u c t ss ot h a t i th a sb e e no n eo ft h ek e yr e s e a r c ht o p i c sf o rm a n yy e a r si nt h e a s p e c to f f a b r i c a t i o n b a s e do nt h ei n v e s t l g a t i o r la n da n a l y s i so f t h ee x i s t e dr e s e a r c ha n ds o f t w a r e t h ea u t h o ri nt h e d i s s e r t a t i o np r e s e n t san e w o p t i m a la l g o r i t h mn a m e ds y n t h e t i ca l g o r i t h r u so n s h e e t m e t a ln e s t i n g ， i nw h i c hn o t o n l y c o n s i d e r st h ec o s to fm a t e r i a l b u t a l s oi n v o l v e si nt h ef a c t o r so ft h e t e c h n o l o g i e ss y n t h e t i c a l l y i nt h ea l g o r i t h m ，f o u rn e s t i n gs t r a t e g i e sa r ed e s i g n e d ，w h i c ha r ef o r s i n g l er e c t a n g l ep a r tn e s t i n g ，s i n g l ei r r e g u l a rp a r tn e s t i n g ，m u l t i p a no f r e c t a n g l ep a r t sn e s t i n g ，a n d m u l t i p a r to f i r r e g u l a rn e s t i n g t os o l v et h es i n g l er e c t a n g l ep a r tl a y o u t ，a na l g o r i t h mo f o p t i m i z a t i o nn a m e dy f s s ，y f i r s t s t e p p i n g s e a r c hw a sp r e s e n t e dt o g e t ag l o b a l o p t i m u mn e s t i n g i t a l s oc a nr e a l i z et h e m a n a g e m e n to ft h em a r g i no fs h e e t sd u r i n gt h el a y o u t f o rs i n g l ek i n do fi r r e g u l a rp a r t s ，at o t a l o p t i m a ln e s t i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e di nt h ea p p l i c a t i o no fb l a n ks h e e ta n ds t r i ps h e e t f o r m u l t i - t y p eo fr e c t a n g u l a rp a r t s ，i t i s p r a c t i c a b l et o u s ead y n a m i co p t i m a ls e a r c h s t r a t e g y , b y h e u r i s t i ca n dr b c r u i s i n gt h es y s t e mc a r to b t a i na g l o b a lo p t i m a ls c h e m ew i t ht h ef u n c t i o no fp a r t i n s i d en e s t i n g t h em u l t i 哪p eo fi r r e g u l a rp a r tn e s t i n gi st r a n s f o r m e dt o an e s t i n gp r o b l e mo f m u l t i t y p eo fr e c t a n g l ep a r t sb y t h ea l g o r i t h mo f m e r ，am i n i m u me n c l o s e dr e c t a n g u l a r i no r d e r t om a k et h ea l g o r i t h m se f f e c t i v e l y , t h ea u t h o ra l s op a i dm o r ea t t e n t i o no nt h eo r e p r o c e s s i n gf o r s i m p l i f y i n ga n dn o r m a l i z i n g t h ec o n t o u r so rp r o f i l e so f p a r td r a w i n g s a l lo f t h e s em e t h o d sc a nb e a p p l i e d o nt h ep r o c e s s i n g o f p u n e h ，r i g h ta n g l es h e a r , l a s e rc u t t i n g ，a n dc o m b i n e dp u n c ha n ds h e a r w i t hv a r i e t yo f r e q u i r e m e n t ss u c h a sp a n p r i o r i t y , g i v e np a nq u a m i t y , t h ep r o f i l ew i t ht o o lp a t h ， a n dt h em a l l a g e m e n t so f r e m a i nm a t e r i a l t h e s y s t e mw a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so fc o m m o no b j e c tm o d e l ( c o m ) t e c h n o l o g yw i t ha u n i t e ds y s t e md a t a b a s e i tc o n s i s t so fat a s kc o n f i g u r em o d u l e ，a n e s t i n go p t i m i z e dm o d u l e a n da g r a p h i cp o s t p r o c e s s o rm o d u l e p r a c t i c es h o w st h es o l v e ri ss t r o n gi ni t sa i m e df u n c t i o n e a s yf o r o p e r a t i o n ，a n di n t e g r a t e dw i t he a s t c a mt h a ti sau n d e r d e v e l o p e ds h e e tm e t a lc a d c a ms y s t e m i nt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o nt h em e t h o dt oi n t e g r a t es s n s w i t h3 dc a da n dp d mi sd i s c u s s e d t h a tw o u l d e x p e c t t og i v es o m ev a l u a b l eb e n e f i tf o rf u r t h e r d e v e l o p m e n ta n ds t u d yi nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：o p t i m a ln e s t i n g ，s h e e tm e t a lc a d c a m ，a n dc o m t e c h n o l o g y 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。 签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 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。 签名：导师签名： 日期： 一查堕查兰堡主堂垡丝苎 第一章绪论 1 1 课题背景 在工业生产中，钣金件性能优越，制造工艺相对简单，成本低廉，被广泛应用在机械、 造船、汽车、轻工等行业，钣金加工成为机械制造厂的常见工序。随着工业生产和科学技术 的发展、市场需求的增加、以及产品更新换代速度的加快，产品生产正向复杂、精密、多品 种、高质量和交货期短的方向发展，这就要求机械加工具有更短的周期、更低的成本和更高 的质量。传统钣金设计制造方法受到人为因素和客观环境的限制，己不能满足社会生产的需 求。随着c a d c a m 技术的发展，钣金件的设计、加工也在进行着深刻的改革，钣金加工设备 己大量使用数控冲床、数控剪床等先进设备，钣金件的计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 已成为钣金加工发展的必然趋势，开发钣金c a d c a m 集成系统可极大提高产品质量、降低生 产成本、提高生产效率。 c a d c a m 集成是指在c a d c _ m c a p p 各子系统间信息的提取、交换、共享和处理的集成。 即信息流的整体集成，使c a d c a m c a p p 一开始就从产品信息建模的角度出发，应用特征造 型、变量设计智能化等技术，将产品信息贯穿于设计、制造工艺、装配等各个阶段，将c a d c a m 结合成一体可以很大的提高生产率和加工精度，真正实现设计生产的自动化i ”。钣金c a d c a m 系统的开发使用可大大提高钣金加工的自动化程度，提高产品质量和劳动生产率，降低材料 消耗缩短了生产周期。国外钣金c a d c a m 发展已经比较成熟，出现了像r a d a n ，j e t c k l ， u g s h e e tm e t a ln e s t i n g 等等优秀软件或子系统，而国内同类软件并不多，有必要开发具 有自主版权的钣金c a d c a m 系统，满足国内企业日益增长的需要，课题就是在这样的背景下 产生的。 在钣金加工c a d c a m 系统中，排样子系统又是个十分重要的子系统，优化排样算法的 研究是当前钣金c a d c a m 技术研究的热点，完成该子系统的开发对完成整个钣金c a d c a m 系统具有重要意义。统计资料表明，在钣金零件的成本中材料支出占6 0 以上，对于大批量 生产，即使材料利用率仅提高1 ，其经济效益也相当可观，因而对钣金件排样技术的研究 具有重要意义，排样子系统的好坏很大程度上决定了钣金c a d c a m 系统效益的高低，对降低 生产成本，提高经济效益上有着举足轻重的作用。 排样问题广泛存在于日常生产、生活中。排样问题就是在给定的材料区域内在满足零件 不能互相重叠的条件下找出被排零件的最优布局，使得材料消耗最少。根据材料的几何特征 不同，可以分为一维排样、二维排样和三维排样“1 。建筑工程中钢筋、钢管的裁用，机械加 工棒料的合理剪裁等就属于一维排样；钣金零件加工，服装、制鞋行业各种布料、皮革裁剪， 木材的裁切，书刊的排版，集成电路的排布都是典型的二维排样问题；而运输业中货物的配 载就属于三维排样问题 a 7 l , 排样问题是个复杂的组合优化问题，钣金件的优化排样问题是 个二维平面布局问题。所谓布局问题就是将一些物体按一定要求合理的放置在一个空间内， 且使所占空间尽量地小。它具有很高的计算复杂度“1 ，其复杂程度可以用钣金排样中最简单 的矩形件排样为例说明：假设有n 个矩形零件，可以有n ! 种排列顺序，每个零件有两种排 放方式( 横排或竖排) ，n 个零件按每种顺序排放共有2 “种排法，两个因素组合起来就有n ! 2 “种排法。当n 较大时，通过试排每一种方法来寻求最优解将耗费大量时间，因而缺乏可 行性。对不规则待排零件，每个零件有无数个取向，复杂程度比矩形件排样更高。从理论上 讲排样布局问题属于最高计算复杂性的一类组合优化问题一一n p 完全问题( n p h a r d p r o b l e m ) ，n p 是n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l 的缩写，即非确定型多项式算法的意思。 n p 完全问题是n p 类中最困难的问题。许多研究人员对它进行深入的研究，虽然还没有找到 完全合理的解决算法，但也提出了许多近似算法部分满足了生产中的需要。 查宣查堂堡主堂堡垒奎一 1 2 优化排样的发展和现状 国外是从六十年代中期开始研究计算机辅助排样。开始是研究一维排样问题，如棒料、 型材的切割。一维排样问题一般通过线性规划方法求解，比如工厂需要用长度为l 的线材切 割一批长度为分别l 、l 2 l ，的棒料，每种长度的棒料数量为n t 、n 2 _ 。n ，根。为了使材料利 用率较高，确定优化目标为共需要线材的根数i 最小并且最后一根线材( 第1 根) 上的余料 最多，确定目标函数为： j r a i n x 可l ( 1 - 1 ) j = l 约束条件为： x 口上，l j = i x 0 xf = 胛 ( 卜2 ) 这是一个整数规划模型。有学者为了提高计算规模较大时的求解效率引入遗传算法 解决这一问题，效果显著“”。在生产实践中，二维排样问题更为普遍。由于二维排样涉及 两个方向位置的确定及零件的取向，而且每个零件有无数个取向，排样方法比一维排样要复 杂得多。二维排样中相对比较简单而且应用比较广泛的一类问题是单一零件二维排样，所谓 单一零件二维排样就是在材料上排放同一种零件，金属冲压件、冲裁件排样绝大部分属于单 一零件二维排样问题。除了单一零件排样，二维排样问题中的其它排样都作为多种零件混合 排样。 单一零件排样通常将卷板当作无限长的条料，或将有限长宽的板料裁成若干条等宽的条 料来处理。求板料的最高利用率就转化为求条料的最高利用率。零件在条料上排放的方法有： 图l 一1单一零件二维排样 普通单排、对头单排、普通双排和对头双排“1 。普通单排的一般做法是：将零件g 旋转角度 a 放在条料上，将另一个零件g 也旋转角度a ，然后沿水平方向从远处向g 移动，直到与 g 接触但不相交的位置。记此时g 、g 之间的距离为d ( a ) ，又称为送料步距，第一个零件g 胪胛j 需“) ( 1 _ 3 ) ld ( 口)j l r o ， 的昂大横坐标之差称为初始步距记为d o ，g 的最大纵坐标之差记为h ( a ) ，设材料长度为l ， 则一行可以放n 个零件。 2 东南大学硕士学位论文 所以条料利用率为 叩= 叫嚣+ - ) 赤 其中s 为零件的面积。 ( 1 4 ) 当l 足够大时( 卜4 ) 式可以简化为： s 叩2 z f 孑万了 (卜5)d ( 口) + 日( d ) “ 求m a x7 7 ，等价于求r a i nd ) 十日缸) ，这样单一零件排样就转化为设计变量为a 的 0 s 口s 2 口 优化问题。求n 的一般方法是将a 在t o n 】范围内按一定精度e o 离散化，然后逐一计 算k o ( k = 0 ，1 ，i 1 ，no ) 对应的q ，选择使取得最大值的k 0 作为n 。 目前国内外一些系统对计算机优化排样的处理方法主要有加密点逐步移动判定法、平 行线分割一步平移法、人机交互动画寻优法、函数式优化排样法等。下面是几种典型排样算 法“： ( 1 ) 密点逐步移动判定法 该方法用图形外轮廓上一系列等距密排的坐标点( 称加密点) 近似代表真实图形。求某 - - t 件倾斜角度下的排样进距是依靠等距图逐步平移到刚好相切的位置求得，最佳排样方式 和排样角度的确定是利用计算机快速运算的能力，采用穷举法，将各种排样方案的进距、料 宽全部列出进行比较。该方法的计算精度受加密点及移动步长大小的影响很大，若为提高计 算精度而增加加密点个数及缩小每次移动进距，会引起占用内存过大和计算时间过长。 ( 2 )平行线分割一步平移法 该方法的基本思想是：进行两相邻工件几何图形相互关系的分析，找出其平移量，一次 移动成功。因此，它的速度大大超过加密点逐步移动判定法，而程序的容量也大大缩小。一 步平移法仅能在条料送料方向上作简单的平移运算，它要求平移结果两相邻图形不交错、不 重叠，不能解决两图形套排的排样。 ( 3 )人机交互动画寻优法 该方法首先要输入工件图形，然后再通过键盘操作( 或数字化仪光标操作) ，实现图形 在平面上各方向的平移，移动步长及旋转角度由人工选定，得出初步合适的位置，然后由计 算机运算，做出少量调整，得出精确值。这种排样方法的特点是直观、速度快，但优化效果 受经验限制，不同操作者的判断能力不同，所得排样图不同，排样优化的效果也不一样。 ( 4 )函数式优化排样法 该方法根据图样上的工件在条料上排列时，必须保持各个工件上任意轴线相互平行的信 息，提出影响材料利用率的各参数之间的函数关系式，利用网格法进行优化。其目标函数是 利用材料利用率的极大化函数。函数式优化排样法随着工件几何图形的变化而变化，寻找精 确极大化函数比较困难。 多种零件混合排样由于零件形状多种多样，数量也不确定，复杂度远大于单一零件排样。 由于多种零件的混排在生产中更为普遍，因此成为研究的主要对象，也提出很多实用的算 法和思想。 在多种零件排样中矩形件是最简单的一种，在实际的应用也最为广泛，很多学者对此 深入研究，提出了许多算法模型。其中比较有代表性的有线性规划模型、人工智能优化模型、 背包算法模型。这些模型实施的效果都较好，优化结果材料利用率高达8 5 以上，较理想的 情况下可达到9 5 以上。黄崇斌“”提出的矩形综合法就是用线性规划方法来解决矩形件排 放问题。文军提出的基于c a s e 推理的排样方法“运用人工智能来解决矩形件排样，解决 东南大学硕士学位论文 了排样速度和排样效率之间的矛盾。曹炬“7 1 结合工艺要求直线通割的特点首先将矩形件排 样转化为一维排样问题然后构造背包算法来解决a 对于任意形状的零件的混排，随着待排零件数目的增加，求得最优解所需要的时间急 剧增加，采取一般的优化方法难以解决，只能采取近似优化方法。目前主要采用的近似优化 方法有最小包络矩形法，启发式搜索法和概率优化技术等几种。 ( 1 ) 最小包络矩形法主要是充分利用矩形件排样算法的高效性，将任意形状的图形通 过组合划归成新的矩形，然后根据组合后的矩形进行排样。最小包络矩形法”分两步： 第一步求取零件或零件组合的最小包络矩形，第二步把最小包络矩形放在板材上排样。这种 方法的效率与第一步如何形成最小包络矩形以及第二步矩形在板材上的如何排放均有关。第 一步求零件或零件组的最小包络矩形，分两步完成。首先求最小包络矩形，即根据规则i ( 若 干零件组合起来后，其最小包络矩形的面积小于各零件所对应的最小包络矩形的面积的和) 将若干个零件组织起来，求取其最小包络矩形，对于不符台规则i 的零件，也求其最小包络 矩形。然后求取最小包络矩形内的空余块( 最小包络矩形内未利用的部分) ，并尽可能将矩 形外的零件，特别是单独零件( 矩形内只有一个零件) 往空余块内填塞。第二步将组合好的 最小包络矩形按照矩形排样进行排样。 ( 2 ) 启发式搜索法使用启发式推理方法决定排料方案，搜索过程中模仿人二l 排料方法 定义大量规则，所以又称为基于规则的专家系统或智能系统”“”1 。它通过将每一步排样方 案对应于一个状态，将从第i 步排样到第i + 1 步排样增加的材料浪费作为一个状态到另一 个状态的耗费，把二维排样问题转化为在一个状态空间寻找最小耗费路径的问题。采用启 发式搜索法，排放了第n 个样件后，如何从剩下样件中确定第( n + 1 ) 个样件，和这( n + 1 ) 个样件又如何排放在板料上，这需要事先规定出两大类排样规则。第一大类是选择样件规 则，决定如何选择零件；第二大类是样件排放规则，决定零件的排放。第一大类规则的确 定，主要是对大量的排样样件的形状作调查，归纳出排样样件形状的特点，然后根据这些 特点制定规则。第二大类规则的确定，主要是由材料利用率来控制。就是选择了第n 个样 件后，根据已排的第i 个样件与第n 个样件之间的浪费最小原则来确定第n 个样件的位置， 当这个最小浪费量大于规定值时，另选第( n + 1 ) 个样件，这样就可以通过控制局部浪费量 来达到规定的材料利用率。 在选择下一个零件的规则上，l a m o u s i n ”受拼木玩具启发认为零件与可排区域的互 补性良好时材料浪费较少，通过分析待排零件和可用区域的形状特征来选择零件。每次选 择浪费函数值最小的零件作为当前排放零件“”。p y w a n g 和n i c o sc h r i s t o f i d e s “”通过 控制每步排样的材料最小浪费率来控制搜索过程。为了压缩搜索空间、提高搜索效率，罗 为采用了限制某一状态的后继节点数，试排到一定深度时回溯搜索，保留利用率最高的排 样方式、将其它排样方式删除的方法来简化搜索过程“”。 ( 3 ) 概率优化技术的基础是建立起排样的优化目标( 材料利用率最大) 与概率优化技 术的优化目标之间的映射关系，通过概率优化技术在整个排样空间搜索最优解。目前用来 解决排样问题的概率优化技术有模拟退火算法”1 和遗传算法 1 a l o 三维排样问题不仅涉及材料的面积，还涉及材料的厚度，因此就显得更为复杂。目前 对三维排样问题的研究还处于理论研究阶段，还没有提出一种较为完善的理论和处理方法， 但国内已有学者进行了正交布局问题求解的研究”“”( 正交布局是指布局时需将布局物体 的各个面限制为分别平行布局空间的各个面) 。 在进行理论研究的同时，随着计算机技术、优化技术的飞速发展，已经出现了一些计算 机辅助排样的商用软件包或子系统，成为专业钣金c a d c a m 软件的十分重要的组成部分。国 外的有英国r a d a n 公司的n e s t i n g ，美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n 公司的u g s h e e tm e t a l n e s t i n g 等。英国j e t c a m 公司推出的智能钣金c a d c a m 软件也包括零件排样自动优化子系 - 4 东南大学硕士学位论文 统。r a d a n - n e s t i n g 系统通过零件图形的几何排样来提高材料利用率。用户提供板材的规格 与数量，待排零件信息，零件的优先级及允许旋转的角度等信息，系统根据用户提供的参数 对零件进行排样，用户可以对排样结果进行修改。零件存储在数据库中供查看和排样。j e t c a m 的c a d c a m 系统的钣金排样模块提供了单个零件排样、矩形零件排样和任意形状零件排样这 三种方式，排样策略为单个零件自动旋转排样、矩形多零件自动旋转排样和套排及任意形状 零件自动旋转排样和套排，还提供了多种形式的优先级别，该系统还可以直接将排样结果转 化为n c 代码支持数控加工。国内也有多家高校、科研机构和软件公司所进行过排样软件开 发，清华大学、上海交通大学、华中理工大学等学校一直从事排样算法的研究及软件系统的 开发，如武汉世科公司的优化排样系列产品：线性材料排样系统、冲裁件优化排样系统、矩 形件排样系统和异形件优化排样系统。 1 3 课题研究意义和内容 c a d c a m 集成是现代最具代表性和发展最快的制造技术之一，成为衡量一个国家科技现 代化和工业化发展水平的重要依据。国内外都在此进行了大量的研究，出现了许多专业级的 软件，在设计生产中取得了良好的效益。 国内排样软件的优化目标局限于提高板材的利用率，没有考虑钣金件形状特点、加工工 艺和加工要求，不能满足企业生产中多种加工方法、多种加工要求下的钣金件排样、生产的 需要。鉴于钣金加工的重要性，针对以上存在的不足，本文深入研究了钣金排样子系统，在 借鉴国内外已有的成果和开发实例的基础上，结合钣金行业的特点，开发了适合钣金 c a d c a m 集成的钣金综合排样子系统，主要内容有； ( 1 ) 在研究分析的基础上提出了钣金综合排样算法。充分利用钣金零件图形特点， 将零件排样划分为单一矩形零件排样、单一任意零件排样、多种矩形零件排样、 多种任意零件排样等四种类型来分别研究，提出相应排样优化模型，给出钣金 综合排样算法，在算法先进性、运算速度、排样效率、算法重用上有所提高。 ( 2 ) 实现多种排样目标下的排样满足企业排样中的各种需要。包括根据不同加工 方法的排样、根据零件优先级排样、根据给定零件数目或板材数目排样、以及 根据配模前图形和配模后图形进行排样等。 ( 3 ) 实现余料管理。以余料最多作为算法的一个优化目标，利用板材库可自动实现 余料管理和使用。 ( 4 ) 在图形平台上实现钣金综合排样算法。详细研究排样实现中所涉及的零件图形 信息的提取、排样前置处理等关键技术方法，给出相应算法。 ( 5 ) 开发钣金综合排样子系统。以统一数据库为基础，以组件( c i ) 技术为平台构 建开发钣金综合排样子系统s s n s ( s h e e tm e t a ls y n t h e t i cn e s t i n gs 0 1 v e r ) ， 包括排样任务设置模块、排样优化模块、图形后置处理模块和数据库( 包括板 材库、零件库、图形库) ，并实现与钣金c a d c a m 的集成。该子系统具有良好的 操作性和扩展性。 ( 6 ) 探讨钣金综合排样子系统( s s n s ) 的扩展性。研究与三维c a d 、p d m 集成实现企 业生产数据库共享的方法，为整个钣金c a d c a m 系统的后续开发做了有益的尝 试。 东南大学硕士学位论文 第二章钣金综合排样子系统( s s n s ) 的总体设计 钣金综合排样子系统( s s n s ) 是钣金c a d c 脒系统e a s t c & m 的一个子系统，因此为了更 好与e a s t c a m 相集成并具有较好扩展性，钣金综合排样子系统采用了基于组件技术开发。 2 1 组件技术概述 组件技术化“”是继模块化、结构化、面向对象的软件开发方法后发展起来的又一新的 软件开发方法，它强调真正的软件重用和高度的互操作性，侧重于组件的产生和装配，能够 实现源代码和目标代码的重用和类库、组件的重用。组件是基于面向对象的，支持拖放( d r a g d r o p ) 和即插即用( p l u ga n dp l a y ) 的软件开发概念，是独立于特定的程序设计语言和应用系 统、可重用和自包含的软件成分。基于组件技术的开发方法，具有开放性、易升级、易维护 等优点。它是以组合( 原样重用现存组件) 、继承( 扩展地重用组件) 、设计( 制作领域专用组 件) 组件为基础，按照一定的集成规则，分期、递增式开发应用系统，缩短开发周期。在开发过 程中遵循以组件为核心原则、组件实现透明原则及增量式设计原则。目前，在组件技术标准 化方面，主要有以下三个比较有影响的规范：o m g 起草与颁布的c o r b a ；微软公司推出的c o m ： s u n 发表的j a v a b e a n 。由于钣金c a d c a m 系统是建立在w i n d o w s 操作系统上而且c o m 具有强 大的开发功能，这里我们选择c o m 组件技术作为钣金综台排样子系统( s s n s ) 的开发技术。 c o m 是个开放的组件标准，有很强的扩充和扩展能力。c o m 规定了对象模型和编程要求， 使c o m 对象可以与其他对象相互操作。这些对象可以用不同的语言实现，其结构也可以不同。 c o m 规范包括c o m 核心、结构化存储、统一数据传输、智能命名和系统级的实现( c o m 库) 。 c o m 核心规定了组件对象与客户通过二进制接口标准进行交互的原则，结构化存储定义了复 合文档的存储格式以及创建文档的接口，统一数据传输约定了组件之间数据交换的标准接口 智能命名给予对象一个系统可识别的唯一标识。组件对象模型( c o m ) 提供了组件间进行交 互的规范和实现交互的环境，它的实质就是一个独立的单元，能够完成一套特定的功能，组件 对象通过定义明确的接口与应用程序或组件对象交互信息。“1 。组件对象模型c o m 内容复 杂，主要包括： 接口：c o m 对象间互相调用的一组语义相关的接口，每个接口有一个1 2 8 位的唯一标识 ( u u i d ) 。所有的接口皆直接或间接地从i u n k o w n 接口继承而来，i u n k o w n 接口包括 q u e r y i n t e r f a c e 、a d d r e f 和r e l e a s e 。 c o m 对象：即c o c l a s s 实例，提供接口的具体服务。c o c l a s s 是一个或多个c o m 接口的实 现a 对c 叫对象的调用是通过个指向其接口的指针实现的 c o m 服务器：是一个程序或库，包含c o m 对象，向客户提供服务。 类工厂( c l a s sf a c t o r y ) ：用于创建、注册c o m 对象的特殊对象，为实例化c o c l a s s 提供 一种标准机制。对c o c l a s s 进行实例化是通过调用全局w i n d o w a p i 函数c o g e t c l a s s o b j e c t 或c o c r e a t e i n s t a n c e 实现的。 类型库( t y p e l i b r a r y ) ：个二进制资源文件，包含c o m 服务器中对象与接口的类型信息 可以从m i d l 或o d l 转换而来。a u t o m a t i o n 服务器扩展：a u t o m a t i o n 代表一个应用程序控制 另一个应用程序中对象的能力。a u t o m a t i o n 服务器是指实现i d i s p a t c h 接口的对象， i d i s p a t c h 在i u n k o w n 的基础上增加g e t i d s o f n a m e s ，g e t t y p e i n f o ，g e t t y d e i n f o c o u n t 以 及i n v o k e 接口。 c o m 应用有如下特点：丰富的综合服务，包括事务、安全性、消息队列和数据存取，以支 持最广泛的应用；组件间通过基于指针的a p i 调用实现互操作，调用透明性好；对w i n d o w s 依赖性强，其他操作系统的支持相对不足；供货商可使用多种开发语言开发，如v c 、v b 、c + + b u i i d e r 等；定制应用软件和可重用组件的广泛用户基础；可靠的重用性，充分利用用 - 6 东南大学硕士学位论文 户和开发人员的现有投资 3 。 在c o m 系统中客户对组件对象功能的调用接口一般采用c o mi d l 米描述。c o m 定义了两 类服务器，进程内服务器( i n p r o c e s s ) 和进程外服务器( o u t o f p r o c e s s ) 。进程内服务器即本地 机上的dll ，进程外服务器分为两类，一是本地机上的e x e 可执行程序，二是远程机上的 d l l 或e x e 程序。服务器内部包括组件接口的实现体( i n t e r f a c e i m p l e e n t ) 和类工厂 ( c l a s s f a c t o r y ) ，类工厂生产组件对象，将对象的接口指针返回给客户。组件服务器的定位由 t o m 库完成并返回对象指针。c o m 对象位置的透明性处理由c o m 的服务控制机制保证。进程 外的对象必须先调用服务控制机制提供的代理，代理生成服务对象的远程过程调用 r p c ( r e m o t e p r o c e s s c a l l ) 2 。基于c o m 的系统调用原理如图2 1 所示。 图2 一i 基于c o m 的系统调用原理 利用组件技术开发软件具有许 多优点：( 1 ) 产品可按功能分成许 多组件的集合，减小开发难度。( 2 ) 组件是独立的单元，通过明确定义 的组件接口实现多个组件并行开 发，加快开发进度。( 3 ) 支持组件 的复用，减少开发工作量。( 4 ) 进 行专业化的开发，利于形成具有自 己特色的软件。( 5 ) 具有良好的可 扩展性。只要接口不变，升级时系 统无需改变。从此看出，组件技术比以往的开发方法更具灵活性、重用性、扩展性，是开发 钣金c a d c a m 的首选 1 s 1 2 2s s n s 与e a s t c a m 的关系 2 2 1s s n s 在e a s t c a ! 中的地位 e a s t c a m 是二维的钣金排样系统，它的系统模型如图2 - - 2 ，该模型充分考虑了未来功能 的扩充，具有良好的扩展性 t o l 。 用户图形界面 ili - t c a d u l 接m i ln e 蛐g u i 接口 ic a m u i 接口 iii c a d 组件 n e s t i n g 组件c a m 组件 i 文件袭型转换l i 任务唾置ii 刀具适配 i li i _ _ l 排样算法l i 刀径缔辑仿真i i 图形创建编辑l i i i 图形吾置处理l i 后置处理 l lit - 1 c a d d b 接口 1 n e s t i n gd b 接lc a m d b 接口 - - iii 数据库管理 图2 2 基于c o m 的钣金c a d ，c a m 系统模 该 7 一 查塑查兰堡主兰竺堡壅 系统分为：用户图形界面、c a d 组件、n e s t i n g 组件、c a m 组件、数据库。其中：用户图形界 面是软件与用户交互的接口，负责数据的输入和输出，同时也是软件显示的窗口。c a d 组件 可以绘制、编辑二维图形，并可以与其他格式的图形相互转换。n e s t i n g 组件包括排样任务 设置、智能排样、排样结果编辑等功能。c a m 组件包括刀具适配、刀径编辑和仿真、后置处 理等功能。数据库包括整个系统所使用的零件库、板材库、刀具库和机床库，它管理着整个 系统的产品数据，是整个系统的基础。 该系统模型采用多层结构，将用户界面( 客户层) 、组件( 业务逻辑层) 和数据库( 数据服 务层) 的实现分开，这三层各司其职。客户层提供用户界面，完成数据的输入和输出。业务 逻辑层处理客户层的请求完成商务逻辑的运算并将处理结果返回给用户，它是整个应用的核 心。通过c o m 进行业务处理并由m t s 为各种应用组件提供完善的管理。数据服务层为应用提 供数据来源，可以根据需要选择o r a c l e 、s q ls e r v e r 、s y b a s e 或任何与o l ed b 或o d b c 兼容 的数据源。同时利用组件本身的分布式的特性可将钣金c a d c a m 与企业的e r p 、p d m 和b o m 等生产数据很好的集成。三层间利用客户程序和组件、组件之间、组件与数据库间的接口进 行相互通信。 在该模型中，钣金综合排样子系统( s s n s ) 在钣金c a d c a m 系统是信息处理的关键环节， 它决定着整个系统的效率的高低，图2 3 显示了钣金综合排样子系统和其他子系统的关系。 用户操作界面u i 8 图形支撑子系统c a d 、 o ；反之， 如果第( i 一1 ) 、第i 、第( i + 1 ) 三点顺时针 转向，则第i 点为凹顶点，此时d k o ，如果d = 0 ，则第( i 1 ) 、第i 、第( i + 1 ) 三点在同一 条直线上。内轮廓规定为顺时针方向，因此和 外轮廓恰恰相反。 3 2 4 单流程多边形与多流程多边形的判断 判断图形的单多流程的方法有交互式法和顶点判断法，顶点判断法主要是根据顶点重合 的个数来判断，只有一对顶点重合的为单流程多边形，有三对以上的顶点重合为多流程多边 形。这种方法自动化程度高，但实现比较困难。内外轮廓的判断在图形矢量化、图形多边形 化、图形的嵌套排样等过程中都要涉及，因此它很很重要。本文利用系统数据结构的特点， 新建的了矢量化图形类，在类中添加表征图形内外的属性b b o o l ( t r u e 为外轮廓、f a l s e 为 内轮廓) ，极大的方便了图形矢量化、图形多边形化和嵌套排样的实现过程。 3 3 多边形的等距放大 3 3 1 搭边值的计算 冲裁加工时，工件与工件之间阻及工件与板料边缘之间一般均留有余量，该余量称为搭 - 1 7 少 一 y “叫i一 巩”灿 查塑查兰堡主兰些笙壅 边( 又称余量或废料) 。搭边的作用是补偿送料误差以及保证冲出合格的工件，搭边还可保 持板料有一定的强度和刚度，便于送料。因此在进行排样前，须考虑搭边值的影响，对此我 们可以采取生成零件等距放大图的方法解决。排样的图形是包括了搭边值的等距放大图。假 设搭边值为a ，经过多边形化处理的零件尚需向外等距放大a 2 ，以形成等距图，等距图相 切，自然保证了零件间的搭边为a 。 搭边可分为工件之间的搭边和工件与板料边缘之间的搭边两种，其数值略有差别a 搭边 值的大小应合理确定，过大则材料利用率低，过小在冲裁中将会被拉断，使工件产生毛刺， 还可能拉入凸、凹模间隙中，损坏刃口，降低模具寿命。搭边值可参阅有关冲模设计资料列 出的搭边数值表。 可以根据表3 一i 表示的搭边值简化表，按照数表程序化的方法来编制搭边值的子程序。 l材料厚度t ( m m ) 3 l金属搭边a 1 2 t 1 o to 3 t i非金属搭边a 2 t1 4 t 1 - 2 t 表3 1 冲裁时材料搭边值 其中： t 材料厚度 a 搭边值 该表列出了不同材料板材在几种厚度范围