（机械设计及理论专业论文）钣金件自动展开cad软件设计及其优化排样.pdf

西北工业大学硕士论文摘要 饭金件 自动展开c a d 软件设计 及其优化排样 摘 要 饭金件是机械产品中的一大类， 从前对它的生产设计， 从展开计算到下料排 样， 都是通过手工完成， 虽然能取得较好的结果， 但需要较长的 周期， 劳动强度 大。 随着c a d 技术的日 益成熟， 论文成功地借助于c a d 技术， 运用软件工程的 方法，针对生产实际中的常见饭金构件，开发出完整的饭金模块。 论文总结了图解法的利弊得失，以计算解析法为途径，运用现代信息技术， 研究解决饭金件的自 动 展开计算、 实 现展开图 绘制。 按照工 程实际经验将饭金 件 进行分类。 选择了最具代表性的相贯饭金件， 应用参数化的技术， 建立数学模型， 研究了 精确绘制展开图的方法。 通过比较各种现有的排样方法，在详细讨论了排样技术的应用和研究现状， 探讨了 相关基本理论和技术的 基础上， 针对饭 金件c a d 模块要求的效率及实用 性， 重点讨论了 矩形件排样算法， 将人工智能领域中的遗传算法和模拟退火算法 相结合， 成功地 应用到l f b 3 0 算法中，利用 遗传模拟退火混合算法的 全局优化 搜索能力，得到了较l f b 算法更优的排样结果。同时，还讨论了任意多边形零件 的排样算法， 并且对混合算法中的几个影响参数进行了简单的讨论， 最终为饭金 件排样系统的开发提供实用的算法。 论文合理架构模块软件结 构， 从底层开发， 同时将o p e n g l 三维图 形程序设 计接口集成在模块中，实现了各种饭金构件的动态显示。 关键词:优化排样;饭金零件;遗传算法;模拟退火算法;c a d 西北下业大学硕上论文 摘要 a u t o m a t i c u n f o l d i n g a n d n e s t i n g o f s h e e t me t a l p a r t i n d e s i g n i n g c a d s o f t w a r e ab s t r a c t s h e e t m e t a l i s a l a r g e b r a n c h o f m e c h a n i c a l p r o d u c t s . i n p a s t d e s i g n i n g a n d m a n u f a c t u r e t o s h e e t m e t a l , f r o m c a l c u l a t i n g a n d u n f o l d i n g t o n e s t i n g , h a d b e e n f i n i s h e d b y h a n d w o r k . t h o u g h m a n u a l n e s t i n g a d o p t e d i n p r o d u c t i o n r e s u l t s i n l e s s t r i m l o s s , i t i s i n e f fi c i e n t a n d m a n p o w e r e x h a u s t i n g . a l o n g w i t h b r o a d a p p l i c a t i o n s o f t h e c a d t e c h n o l o g y , t h e p a p e r m a k e s u s e o f i t t o d e s i g n i n g c a d m o d u l e , u s i n g t h e m e t h o d o f s o ft w a r e e n g i n e e r i n g a n d c o n t r a p o s i n g f r e q u e n t s h e e t m e t a l i n p r a c t i c e b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f s h e e t me t a l t e c h n o l o g y , t h e p a p e r s u m ma r i z e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f d i a g r a m ma t i c me t h o d . t h e p r o b l e m s o f a u t o m a t i c u n f o l d - c a l c u l a t i o n a n d u n f o l d - d r a w i n g a r e a n a l y z e d b y mo d e r n i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y o n t h e b a s i s o f c a l c u l a t i o n m e t h o d . a c c o r d i n g t o p r a c t i c a l p r o d u c t i o n , a l l k i n d s o f s h e e t m e t a l a r e c l a s s i f i e d . we s e l e c t t h e mo s t r e p r e s e n t a t i v e p e n e t r a t i o n c o m p o n e n t a n d e s t a b l i s h i t s m a t h e m a t i c a l m o d e l i n g , u s i n g p a r a m e t e r m e t h o d . t h e s o l v i n g me t h o d i s a l s o p r o v id e d . b a s e d o n t h e r e v i e w o f r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n s t a t u s o f n e s t i n g p r o b l e m, t h e p a p e r d i s c u s s e s t h e r e l a t e d t h e o r y a n d t e c h n o l o g y . t h r o u g h c o m p a r i n g a n d a n a l y z i n g t h e n e e d s o f c a d mo d u l e , i n c l u d i n g e f f i c i e n c y a n d p r a c t i c a b i l it y , p a p e r f o c u s e s o n r e c t a n g u l a r n e s t i n g . i n t h i s p a p e r s i m u l a t e d a n n e a l i n g a l g o r i t h m a n d g e n e t i c a l g o r i t h m a r e c o m b i n e d a n d i n t e g r a t e d , a n d t h e y a r e a p p l i e d i n l f b 3 0 a l g o r i t h m s u c c e s s f u l l y . w h e n t h e i r o p t i m i z i n g a n d s e a r c h i n g a b i l i t i e s i n n e s t i n g a r e a p p l i e d , w e c a n g e t a b e t t e r l a y o u t t h a n l f b a l g o r i t h m . me a n w h i l e , w e d i s c u s s s e v e r a l i n fl u e n t i a l p a r a m e t e r s i n t h e t w o a l g o r i t h m s a n d n e s t i n g a l g o r i t h m o f i r r e g u l a r p a rt s , p r o v i d in g u s e f u l a l g o r i t h m f o r c a d p a c k i n g s y s t e m t h e c a d m o d u l e s s o ft w a r e s t r u c t u r e i s c o n s t r u c t e d r e a s o n a b l y , a n d o p e n g l g r a p h i c s s t a n d a r d i s i n t e g r a t e d i n i t , r e a l i z i n g d y n a mi c d i s p l a y o f s h e e t m e t a l . k e y wo r d s : o p t i ma l n e s t i n g ; s h e e t m e t a l p a r t ; , g e n e t i c a l g o r i t h ms ; s i mu l a t e d a n n e a l i n g a l g o r i t h m; c a d 西北工业大学硕士论文第 一 章绪论 第一章 绪 论 随着我国成功加入wt o 后，全球市场竞争更加激烈，在机械设计、制造信 息化改造领域中 逐渐形成了智能化、 集成化、 并行化和网络化的 发展趋势。 在这 个大趋势下， 研究和开发计算机c a d 软件系统受到了高度重视。 它的开发利用可 以有效地提高企业的劳动生产率， 促 进企业的市场竞争能力， 对加速我国国民 经 济的发展和国 防现代化具有十分重要的 意义。 1 9 6 3 年美国 麻省理工学院的i v a n s u t h e r l a n d 在其博士论文中首次提出了计 算 机图形学、 人机交互设计和符号存储分 层的 概念， 奠定了计算机辅助设计的理 论 基础， 从而揭开了 计算机辅助设计的序幕。 从 六十年代至今， c a d 技术经历了四 代发展， 分别经历了基于绘图、 基于特征、基于过程和基于知识四个阶段，基于 绘图阶段主要是以二维为主的数字绘图， 基于 特征阶段主 要是数字化、 参数化建 模技术， 基于过程阶段主要是数字过程导引技术， 基于知识阶段主要是 将知识技 能、 经验原理等结合到c a d 系统当中。 每一过程在前一过程基础上提高设计自动 化。 在过去三十多年时间内， c a d技术在理论和应用上都取得了飞跃性的发展。 先后推出了 多种应用于大、中、小型计算机和工作站上的c a d软件，如 u g , a u t o c a d , c a t i a , p r o / e n g i n e e r 等， 国内 也出 现了 许多 具有自 主知识版权的c a d 软 件， 如c a x a 、 大雄机电c a d等。 这些c a d软件已 经广泛应用于机械制造、 航空航天、船舶汽车等含行业，加速和促进了工业国防现代化。 我国 机械c a d软件市场中 的软件包含饭金的尚不多见，有的虽包 含了饭金 模块， 但缺乏专业性， 使用效率不高。 我们的目 标是设计出 方便、 实用、 更加专 业的饭余模块。 1 . 1饭金件的作用 饭金件又称板金件，是指用金属薄板或者金属管制造的产品。它的应用范围 包括航天航海、汽车、电器、船舶、食品包装、化工、建筑等许多工业部门，社 会对金属板的需求如此之大， 以 至于把金属坯料加工成板材的 加工企业己成为我 国国民 经济中一个十分重要的部门。 在一些发达国家， 如 美国、日 本， 每年的薄 板产品竟占到全部钢产量的 4 0 %左右。 在汽车、飞# 1 l .船舶等制造业中，大量使用饭1件、冲压件，一般需要先把 西北工业大学硕士论文第 一 章绪论 第一章 绪 论 随着我国成功加入wt o 后，全球市场竞争更加激烈，在机械设计、制造信 息化改造领域中 逐渐形成了智能化、 集成化、 并行化和网络化的 发展趋势。 在这 个大趋势下， 研究和开发计算机c a d 软件系统受到了高度重视。 它的开发利用可 以有效地提高企业的劳动生产率， 促 进企业的市场竞争能力， 对加速我国国民 经 济的发展和国 防现代化具有十分重要的 意义。 1 9 6 3 年美国 麻省理工学院的i v a n s u t h e r l a n d 在其博士论文中首次提出了计 算 机图形学、 人机交互设计和符号存储分 层的 概念， 奠定了计算机辅助设计的理 论 基础， 从而揭开了 计算机辅助设计的序幕。 从 六十年代至今， c a d 技术经历了四 代发展， 分别经历了基于绘图、 基于特征、基于过程和基于知识四个阶段，基于 绘图阶段主要是以二维为主的数字绘图， 基于 特征阶段主 要是数字化、 参数化建 模技术， 基于过程阶段主要是数字过程导引技术， 基于知识阶段主要是 将知识技 能、 经验原理等结合到c a d 系统当中。 每一过程在前一过程基础上提高设计自动 化。 在过去三十多年时间内， c a d技术在理论和应用上都取得了飞跃性的发展。 先后推出了 多种应用于大、中、小型计算机和工作站上的c a d软件，如 u g , a u t o c a d , c a t i a , p r o / e n g i n e e r 等， 国内 也出 现了 许多 具有自 主知识版权的c a d 软 件， 如c a x a 、 大雄机电c a d等。 这些c a d软件已 经广泛应用于机械制造、 航空航天、船舶汽车等含行业，加速和促进了工业国防现代化。 我国 机械c a d软件市场中 的软件包含饭金的尚不多见，有的虽包 含了饭金 模块， 但缺乏专业性， 使用效率不高。 我们的目 标是设计出 方便、 实用、 更加专 业的饭余模块。 1 . 1饭金件的作用 饭金件又称板金件，是指用金属薄板或者金属管制造的产品。它的应用范围 包括航天航海、汽车、电器、船舶、食品包装、化工、建筑等许多工业部门，社 会对金属板的需求如此之大， 以 至于把金属坯料加工成板材的 加工企业己成为我 国国民 经济中一个十分重要的部门。 在一些发达国家， 如 美国、日 本， 每年的薄 板产品竟占到全部钢产量的 4 0 %左右。 在汽车、飞# 1 l .船舶等制造业中，大量使用饭1件、冲压件，一般需要先把 西北丁业大学硕士论文 第 一帝绪论 它们合理地排列布置在矩形板材上再切割下来。在服装生产、玩具制造、制鞋等 轻工行业中，需要从布料上合理地裁出 服装片等等， 还有在印 刷业、报纸排版、 微电子工业中集成电路的排布等等，应用非常广泛。 饭金件之所以能有如此广泛的应用，是由于产品设计时， 如果在可以用饭金 件代替铸件、锻件和机械加工件时，则可以极大地减轻重量，降低成木。 对有些 产品， 如运输工具， 每节约一公斤的 材料， 在其它方面节约的费用则是一公 斤金 属本身价格的几倍甚至十几倍。 对于有些特殊行业， 如航空航天，重量的大小则 成为成败的关键。 1 . 2饭金件c ad的现状 金属板在被加工成饭金件之前，必须先要按照饭金件展开图的大小进行切 割， 展开图的正确与否直接影响饭金件的 最终 精度。 2 0 世纪8 0 年代之前， 饭金 件的 展开一直采用放样的方法， 即采用 i s 1 的比 例对饭金件进行放样， 这样做 既费时费料、 又不精确。 随着科学技术的发 展， 人们渴望能用计 算的方式来作出 展开图， 计算法不受场地限制， 只须画出构件的示意图即可，不要求很高的作图 技巧，且作出的图精度很高， 对于复杂构件， 这种优势更加明显，这些年这方面 的发展很快， 有不少 书籍。 但如果仔细阅读这方面的资料， 就会发现几乎所有的 作者都不谈如何用计算法实现复杂相贯构 件展开图的精确绘制， 这就给 计算法的 应用带来了很大的局限性。 事实上， 恰恰是复杂相贯构件最需要这种方法来完成 展开计算， 如果用图解法，则需要高度的空间想象力和作图技巧，作图人员如果 没有多年的制图 经验， 很难完成工作。 要想充分发挥计算法的 优势， 就 必须想办 法 解决如何用计算法实 现复杂相贯构件 展开图的精确绘制问 题。 排 样是饭金c a d的另外一个主要功能， 在计算机出 现之前，人们只能采用 手工排样。 手工排样依赖排样人员的 经验， 直觉和想象， 进行判断与试验， 受到 人为因素和客观因素的限制，效率低、劳动强度大。因此，人们迫切的需要从繁 重的劳动中解放出来， 开始借助计算机进行计算机辅助人机交互排样和计算机 自 动排样。 1 .3 c a d技术的发展方向 从 c a d 技术的发展历程可以看出 c a d技术目前正朝着开放化、标准化、 集成化和智能化的方向发展。 西北丁业大学硕士论文 第 一帝绪论 它们合理地排列布置在矩形板材上再切割下来。在服装生产、玩具制造、制鞋等 轻工行业中，需要从布料上合理地裁出 服装片等等， 还有在印 刷业、报纸排版、 微电子工业中集成电路的排布等等，应用非常广泛。 饭金件之所以能有如此广泛的应用，是由于产品设计时， 如果在可以用饭金 件代替铸件、锻件和机械加工件时，则可以极大地减轻重量，降低成木。 对有些 产品， 如运输工具， 每节约一公斤的 材料， 在其它方面节约的费用则是一公 斤金 属本身价格的几倍甚至十几倍。 对于有些特殊行业， 如航空航天，重量的大小则 成为成败的关键。 1 . 2饭金件c ad的现状 金属板在被加工成饭金件之前，必须先要按照饭金件展开图的大小进行切 割， 展开图的正确与否直接影响饭金件的 最终 精度。 2 0 世纪8 0 年代之前， 饭金 件的 展开一直采用放样的方法， 即采用 i s 1 的比 例对饭金件进行放样， 这样做 既费时费料、 又不精确。 随着科学技术的发 展， 人们渴望能用计 算的方式来作出 展开图， 计算法不受场地限制， 只须画出构件的示意图即可，不要求很高的作图 技巧，且作出的图精度很高， 对于复杂构件， 这种优势更加明显，这些年这方面 的发展很快， 有不少 书籍。 但如果仔细阅读这方面的资料， 就会发现几乎所有的 作者都不谈如何用计算法实现复杂相贯构 件展开图的精确绘制， 这就给 计算法的 应用带来了很大的局限性。 事实上， 恰恰是复杂相贯构件最需要这种方法来完成 展开计算， 如果用图解法，则需要高度的空间想象力和作图技巧，作图人员如果 没有多年的制图 经验， 很难完成工作。 要想充分发挥计算法的 优势， 就 必须想办 法 解决如何用计算法实 现复杂相贯构件 展开图的精确绘制问 题。 排 样是饭金c a d的另外一个主要功能， 在计算机出 现之前，人们只能采用 手工排样。 手工排样依赖排样人员的 经验， 直觉和想象， 进行判断与试验， 受到 人为因素和客观因素的限制，效率低、劳动强度大。因此，人们迫切的需要从繁 重的劳动中解放出来， 开始借助计算机进行计算机辅助人机交互排样和计算机 自 动排样。 1 .3 c a d技术的发展方向 从 c a d 技术的发展历程可以看出 c a d技术目前正朝着开放化、标准化、 集成化和智能化的方向发展。 西北丁业大学硕士论文 第 一帝绪论 它们合理地排列布置在矩形板材上再切割下来。在服装生产、玩具制造、制鞋等 轻工行业中，需要从布料上合理地裁出 服装片等等， 还有在印 刷业、报纸排版、 微电子工业中集成电路的排布等等，应用非常广泛。 饭金件之所以能有如此广泛的应用，是由于产品设计时， 如果在可以用饭金 件代替铸件、锻件和机械加工件时，则可以极大地减轻重量，降低成木。 对有些 产品， 如运输工具， 每节约一公斤的 材料， 在其它方面节约的费用则是一公 斤金 属本身价格的几倍甚至十几倍。 对于有些特殊行业， 如航空航天，重量的大小则 成为成败的关键。 1 . 2饭金件c ad的现状 金属板在被加工成饭金件之前，必须先要按照饭金件展开图的大小进行切 割， 展开图的正确与否直接影响饭金件的 最终 精度。 2 0 世纪8 0 年代之前， 饭金 件的 展开一直采用放样的方法， 即采用 i s 1 的比 例对饭金件进行放样， 这样做 既费时费料、 又不精确。 随着科学技术的发 展， 人们渴望能用计 算的方式来作出 展开图， 计算法不受场地限制， 只须画出构件的示意图即可，不要求很高的作图 技巧，且作出的图精度很高， 对于复杂构件， 这种优势更加明显，这些年这方面 的发展很快， 有不少 书籍。 但如果仔细阅读这方面的资料， 就会发现几乎所有的 作者都不谈如何用计算法实现复杂相贯构 件展开图的精确绘制， 这就给 计算法的 应用带来了很大的局限性。 事实上， 恰恰是复杂相贯构件最需要这种方法来完成 展开计算， 如果用图解法，则需要高度的空间想象力和作图技巧，作图人员如果 没有多年的制图 经验， 很难完成工作。 要想充分发挥计算法的 优势， 就 必须想办 法 解决如何用计算法实 现复杂相贯构件 展开图的精确绘制问 题。 排 样是饭金c a d的另外一个主要功能， 在计算机出 现之前，人们只能采用 手工排样。 手工排样依赖排样人员的 经验， 直觉和想象， 进行判断与试验， 受到 人为因素和客观因素的限制，效率低、劳动强度大。因此，人们迫切的需要从繁 重的劳动中解放出来， 开始借助计算机进行计算机辅助人机交互排样和计算机 自 动排样。 1 .3 c a d技术的发展方向 从 c a d 技术的发展历程可以看出 c a d技术目前正朝着开放化、标准化、 集成化和智能化的方向发展。 西北下业大学硕十论文第 - j t绪论 1 u 开放化 c a d 技术的开放化是决定能否真正 达到实用化， 能否真正使之转化为现实 生 产力的 基础。 c a d 系统的开 放化主要体现在: 系统的工作平台、 用户 接口 、 应 用 开发环境和其它系统的 信息交换等方面。 ( 2 ) 标准化 标准化是指根据c a d 技术本身的特点， 制定和修订一些标准， 以便更好的与 生产实际 相结合， 满足开发和应用的需要。 制定c a d 标准的主要目 的是为了 增强 c a d 产品的通用性、提高开发和应用的效率。 ( 3 ) 集成化 集 成化是指以 数据库为核心、把各种 功能不同的 软件系统 ( 如设计、 制造、 分析、 工艺规划、 质量控制及生产过程管理等) 有机的结合起来， 使之协调工作， 共享资源，以 发挥单个软件所达不到的 整体效益， 得到最 优化的解决方案。 ( 4 ) 智能化 一般认为智能是指知识和能力的总和， 前者是智能的基础， 而后者是获取和 运用知识求解的能力。具体到c a d技术的智能化是将传统的计算机辅助设计方 法与人工智能技术相结合，从而使 c a d不仅能支持设计师的绘制，减小劳动强 度，而 且还能代替设计师的一部分智力活动。 1 . 4饭金件排样的发展概况 所谓排样，一般是指表示零件二维轮廓的多个相同或不同的几何图形在原 材料平面区域的 合理布置，使得几何图 形之间不出 现重叠并且材料利用率 最高。 排样问题是下料、布局问题的一种。下料、布局问题可以简单的分为一维、 二维和三维情形。 一维情况就是棒料、 管 材、 线材等割断下料并使材料利 用率高; 三维情况就是物体如何在空im摆放合理， 并使得空间利用率最大， 例如卡车、集 装箱装货等。 排样问题属于下料、 布局问 题中的二维情况。 排样方案直接影响材料利用率、 零件的可制造性和加工效率。 在饭金零件制 造中， 金 属板材是消耗的主要原材料之一， 零件的原材料费用在制造成木占 有相 当大的比重， 提高材料利用率和加工效率是降低零件制造成本的重要措施。 因此， 高效、 优良的 排样技术是饭金零 件制 造中的关 键技术之一。 在饭金件的制造费用中，原材料的费用要超过一半， 要想降低产品成本，提 西北下业大学硕十论文第 - j t绪论 1 u 开放化 c a d 技术的开放化是决定能否真正 达到实用化， 能否真正使之转化为现实 生 产力的 基础。 c a d 系统的开 放化主要体现在: 系统的工作平台、 用户 接口 、 应 用 开发环境和其它系统的 信息交换等方面。 ( 2 ) 标准化 标准化是指根据c a d 技术本身的特点， 制定和修订一些标准， 以便更好的与 生产实际 相结合， 满足开发和应用的需要。 制定c a d 标准的主要目 的是为了 增强 c a d 产品的通用性、提高开发和应用的效率。 ( 3 ) 集成化 集 成化是指以 数据库为核心、把各种 功能不同的 软件系统 ( 如设计、 制造、 分析、 工艺规划、 质量控制及生产过程管理等) 有机的结合起来， 使之协调工作， 共享资源，以 发挥单个软件所达不到的 整体效益， 得到最 优化的解决方案。 ( 4 ) 智能化 一般认为智能是指知识和能力的总和， 前者是智能的基础， 而后者是获取和 运用知识求解的能力。具体到c a d技术的智能化是将传统的计算机辅助设计方 法与人工智能技术相结合，从而使 c a d不仅能支持设计师的绘制，减小劳动强 度，而 且还能代替设计师的一部分智力活动。 1 . 4饭金件排样的发展概况 所谓排样，一般是指表示零件二维轮廓的多个相同或不同的几何图形在原 材料平面区域的 合理布置，使得几何图 形之间不出 现重叠并且材料利用率 最高。 排样问题是下料、布局问题的一种。下料、布局问题可以简单的分为一维、 二维和三维情形。 一维情况就是棒料、 管 材、 线材等割断下料并使材料利 用率高; 三维情况就是物体如何在空im摆放合理， 并使得空间利用率最大， 例如卡车、集 装箱装货等。 排样问题属于下料、 布局问 题中的二维情况。 排样方案直接影响材料利用率、 零件的可制造性和加工效率。 在饭金零件制 造中， 金 属板材是消耗的主要原材料之一， 零件的原材料费用在制造成木占 有相 当大的比重， 提高材料利用率和加工效率是降低零件制造成本的重要措施。 因此， 高效、 优良的 排样技术是饭金零 件制 造中的关 键技术之一。 在饭金件的制造费用中，原材料的费用要超过一半， 要想降低产品成本，提 西北工业大学硕士论文第一章绪论 高 材料利用率是 一个非常重要的手段。 饭金件的排样就是按照某种算法合理地 在 板材上排放要切割的冲裁件， 从而达到节约原材料的目的。 传统的排样方法是由 排样者凭借经验采用模板试切的方式进行的， 不仅效 率低下， 而且排样方案的 优 劣完全取决于排样者的经验程度。 把计 算机应用于这一领域， 为饭金件排样问 题 开辟了一条有效的途径。 国 外在将计 算机应用于饭金件的 排样方面起步较早， 在2 0 世纪6 0 年代中期， 就有人开始这方面的研究，日本在这方面的研究处于领先地位。 我国对饭金件的 排样研究 开始于2 0 世纪8 0 年代中 期，目 前主要集中 在算法的 研究方面。 1 .5饭金件的分类 饭金 件种类 繁多、 规格各异、 结构 千变万化， 本 文主要讨论的是非冲压类饭 金件展开图的精确绘制，通过对各种饭金件的结构、功能、用途的分析和总结， 依 据文献 1 2 1 ; 中的 分类进行概括， 按照功能 相近、结构相似的原则， 可以 将 各 种饭金 件抽象 成以 下几个大类: 圆锥构件、 弯头、 三通连接管、 方矩锥管、 螺 旋构 件、 圆异口 管、 型钢与补强圈、 封头、 方圆连接管等等， 然后采取自 顶向下 分 解的方法，每个大类可以 演绎出许多小 类。 以圆锥构件为例说明，它又可分为: 正圆锥台料计算，直角斜圆锥台料，锐 角斜圆锥台料， 钝角锥台料计算， 折边正锥体， 正圆锥管 ， 斜圆锥管，圆管平交 圆锥管， 圆管坚直侧交圆锥管，圆管 斜交圆 锥管， 方管直交圆锥管， 正圆锥管直 交圆管，正圆锥管斜交圆管，圆锥台斜交圆台，正圆锥台与正圆锥台斜交， 斜圆 管， 椭圆 管， 圆顶细长圆底台， 双折边锥体料， 清角 双折边锥体料， 较大 展开半 径圆锥台。 这里一共包含了百余种构件， 所有构件都是生产中的常见构件， 无一例是脱 离实际奇形怪状的 假想构件， 在实例中主视图按照 板厚画出， 俯视图或其 它视图 按照计算基准画出。 1 . 6本文研究的主要内容和意义 本课题来自 于实际生产的需要， 通过本文的研究， 探讨饭金 模块的建立方法， 用计 算法实现饭金件的展开图， 并针对c a d模块提供有效的 排样算法，为实现 饭金件 c a d / c a m一体化打下基础。 本文研究的主要内容分为以下三大部分: 西北工业大学硕士论文第一章绪论 高 材料利用率是 一个非常重要的手段。 饭金件的排样就是按照某种算法合理地 在 板材上排放要切割的冲裁件， 从而达到节约原材料的目的。 传统的排样方法是由 排样者凭借经验采用模板试切的方式进行的， 不仅效 率低下， 而且排样方案的 优 劣完全取决于排样者的经验程度。 把计 算机应用于这一领域， 为饭金件排样问 题 开辟了一条有效的途径。 国 外在将计 算机应用于饭金件的 排样方面起步较早， 在2 0 世纪6 0 年代中期， 就有人开始这方面的研究，日本在这方面的研究处于领先地位。 我国对饭金件的 排样研究 开始于2 0 世纪8 0 年代中 期，目 前主要集中 在算法的 研究方面。 1 .5饭金件的分类 饭金 件种类 繁多、 规格各异、 结构 千变万化， 本 文主要讨论的是非冲压类饭 金件展开图的精确绘制，通过对各种饭金件的结构、功能、用途的分析和总结， 依 据文献 1 2 1 ; 中的 分类进行概括， 按照功能 相近、结构相似的原则， 可以 将 各 种饭金 件抽象 成以 下几个大类: 圆锥构件、 弯头、 三通连接管、 方矩锥管、 螺 旋构 件、 圆异口 管、 型钢与补强圈、 封头、 方圆连接管等等， 然后采取自 顶向下 分 解的方法，每个大类可以 演绎出许多小 类。 以圆锥构件为例说明，它又可分为: 正圆锥台料计算，直角斜圆锥台料，锐 角斜圆锥台料， 钝角锥台料计算， 折边正锥体， 正圆锥管 ， 斜圆锥管，圆管平交 圆锥管， 圆管坚直侧交圆锥管，圆管 斜交圆 锥管， 方管直交圆锥管， 正圆锥管直 交圆管，正圆锥管斜交圆管，圆锥台斜交圆台，正圆锥台与正圆锥台斜交， 斜圆 管， 椭圆 管， 圆顶细长圆底台， 双折边锥体料， 清角 双折边锥体料， 较大 展开半 径圆锥台。 这里一共包含了百余种构件， 所有构件都是生产中的常见构件， 无一例是脱 离实际奇形怪状的 假想构件， 在实例中主视图按照 板厚画出， 俯视图或其 它视图 按照计算基准画出。 1 . 6本文研究的主要内容和意义 本课题来自 于实际生产的需要， 通过本文的研究， 探讨饭金 模块的建立方法， 用计 算法实现饭金件的展开图， 并针对c a d模块提供有效的 排样算法，为实现 饭金件 c a d / c a m一体化打下基础。 本文研究的主要内容分为以下三大部分: 西北工业大学硕士论文第一章绪论 高 材料利用率是 一个非常重要的手段。 饭金件的排样就是按照某种算法合理地 在 板材上排放要切割的冲裁件， 从而达到节约原材料的目的。 传统的排样方法是由 排样者凭借经验采用模板试切的方式进行的， 不仅效 率低下， 而且排样方案的 优 劣完全取决于排样者的经验程度。 把计 算机应用于这一领域， 为饭金件排样问 题 开辟了一条有效的途径。 国 外在将计 算机应用于饭金件的 排样方面起步较早， 在2 0 世纪6 0 年代中期， 就有人开始这方面的研究，日本在这方面的研究处于领先地位。 我国对饭金件的 排样研究 开始于2 0 世纪8 0 年代中 期，目 前主要集中 在算法的 研究方面。 1 .5饭金件的分类 饭金 件种类 繁多、 规格各异、 结构 千变万化， 本 文主要讨论的是非冲压类饭 金件展开图的精确绘制，通过对各种饭金件的结构、功能、用途的分析和总结， 依 据文献 1 2 1 ; 中的 分类进行概括， 按照功能 相近、结构相似的原则， 可以 将 各 种饭金 件抽象 成以 下几个大类: 圆锥构件、 弯头、 三通连接管、 方矩锥管、 螺 旋构 件、 圆异口 管、 型钢与补强圈、 封头、 方圆连接管等等， 然后采取自 顶向下 分 解的方法，每个大类可以 演绎出许多小 类。 以圆锥构件为例说明，它又可分为: 正圆锥台料计算，直角斜圆锥台料，锐 角斜圆锥台料， 钝角锥台料计算， 折边正锥体， 正圆锥管 ， 斜圆锥管，圆管平交 圆锥管， 圆管坚直侧交圆锥管，圆管 斜交圆 锥管， 方管直交圆锥管， 正圆锥管直 交圆管，正圆锥管斜交圆管，圆锥台斜交圆台，正圆锥台与正圆锥台斜交， 斜圆 管， 椭圆 管， 圆顶细长圆底台， 双折边锥体料， 清角 双折边锥体料， 较大 展开半 径圆锥台。 这里一共包含了百余种构件， 所有构件都是生产中的常见构件， 无一例是脱 离实际奇形怪状的 假想构件， 在实例中主视图按照 板厚画出， 俯视图或其 它视图 按照计算基准画出。 1 . 6本文研究的主要内容和意义 本课题来自 于实际生产的需要， 通过本文的研究， 探讨饭金 模块的建立方法， 用计 算法实现饭金件的展开图， 并针对c a d模块提供有效的 排样算法，为实现 饭金件 c a d / c a m一体化打下基础。 本文研究的主要内容分为以下三大部分: 西北一 1 业人学硕士论文 第一章绪论 ( 1 )非冲压类饭金件展开图的精确绘制。 ( 2 ) o p e n g l 在c a d软件设计中的应 用。 ( 3 ) 饭金 件优化排样算法研究。 就饭金件的排样问 题， 在工业生 产实际中， 根据需要一般有两 种情况， 一 类 是同 类零 件的一次排样， 另一 类是不同 类零 件的 混合排样。 在本文的研究中， 主 要讨 论拟用遗传算法和模拟退火算法相结 合， 并应用到某一排放算法中， 解决 不 同类零件的混合排样排样问题。 木课 题所要 做的内 容是机电学院 制图 教研室 廖达雄老师已开 发的机械 c a d 软件的一个模块，是该软件的一个重要组成部分。在机械 c a d领域，国内国外 有的软 件己经做的很好。 从软件发展的角度来看， 软 件的发展是不断的强化它的 功能， 不断提高它的实用性， 不断追求完善。 我们做自己 的产品，目 的也就是为 了 在前人的基础上能开发出更好更实用的软件。 研究开发适合国 人使用的机械 c a d产品， 这样 我们才能逐渐缩小与国 外的 差距， 才谈得上将来赶超过他们。 虽 然我们现在的 整体水平和国外相比 仍有较大的 差距， 但我们却完全有能力在个 别领域做的比他们更优秀。 西北工业大学硕士论文第二章非冲压类饭金件展开图的绘制 第二章 非冲压类饭金件展开图的绘制 在饭金零件的 制造过程中， 要 想把 金属板 加工成所要求的几何形状， 就必须 首先按照一定的 规律， 将该零件的 表面 按实际 尺寸依次毗连的画在平面上， 也 就 是绘制展开图。 绘制展开图有两种方法:图解法和计算法。下面我们分别加以讨 论。 2 . 1用图解法绘制饭金件的展开图 用图解法绘制饭金件的展开图时， 根据零件形状的不同， 图 解法又有三种形 式:平行线法、 放射线法和三角形法。 2 . 1 . 1平行线法 所谓平行线法， 就是用一组平行素线将零件表面 分成若干 个小平面， 然后将 这些小平面依次铺平在同一平面上， 就构成了 该零件的展开图。 这种方法适用于 那些表面具有平行边线或棱线的零件，如圆管和矩形管等。 用平行线法画零件的 展开图时， 各构件在展开前， 要根据构件形体的不同 画 出 投影图，并在投影图 上确定等分点，等分数 越多， 所画出的 展开图就越精确。 要注意的是， 由 于我们常常用圆 弧的 弦长来代替弧长， 因此展开总长与构件实际 周长之间总 存在一定的 误差。 这对一般的构件影响不 大， 但若是构件尺寸要求严 格，则必须 通过周长计算来求得展开圆周的实际长度。 2 . 1 .2放射线法 对于那些轮廓表面的 素线( 或其延长线) 交于一点的构 件， 如圆锥、 棱锥等， 假设沿其中某一条素线切开， 将表面铺 平在一 平面上， 即呈现出 扇面形状， 扇面 的 顶点称为锥顶。 从锥顶看去， 各条素线均呈放射线状， 且又汇交于圆锥的顶点， 故称之为放射线法。放射线法适用于圆锥、棱锥构件的展开。 凡构件需要用放射线法画出展开图时， 通常要画出主视图和俯视图。 将俯视 图若干等分， 由各等分点向主视图作垂线交锥底得到若干个点， 以锥顶点为圆心， 轮廓线的边长为半径画圆 弧， 将圆 弧按俯视图圆 周各等分同 样截取， 再将截点与 锥顶连成放 射线， 即得圆 锥面展开图。 展开图圆弧上所截取的各等分， 是俯 视图 圆 周等分的弦长， 对圆弧的全长会产生一定的误差， 减小误差的方法通常是 增加 圆周的等分点。若要使误差减小到最小限度，需用计算法。 西 北 下 业 火 学 硕 士 论 文 第二章非冲压类饭金件展开图的绘制 2 . 1 .3三角形法 对于那些表面既无平行边， 又无集中一点的素线的构件， 则宜应用三角形法 来绘制其展开图。 三角形法就是采用表面辅助 线， 将构件的 表面分割成若干个三角形， 求出 三 角形的实际边长，以得到三角形的实形， 再将这些实形按照相互位置关系一一毗 连地画出 来，就构成了 该构件的 展开图。 三角形法除可以解决构件表面既无平行边， 又不垂直任何投影面的斜边图形 展开外，还可以对复杂形体以及不可展开曲面作近似展开。 2 .2用计算法绘制饭金件的展开图 所谓 计算法， 就是通过建立饭金零件的数学 模型， 通过计算， 获得展开图中 若干个点的坐j，j 、 ， 再用直线将其依次连接起来， 以得到零件的 展开图。以 前人们 一般是 通过计算器来进行计算， 对一些复杂形状的相贯件， 这种方法计算量很大， 而且无 法实现参数化绘图。 在计算机日 益普 及的今天， 可以 通过编制程序来计算。 这样就可以 将同一类型的问题归纳起来，通过建立一个具有共同 特征的数学模 型， 用参数的形式表示求得的结果。当需要某一具体问题的结果时， 只需将这些 参数由具体数字来代替，就可以实现展开图的自动绘制。 饭金件形式各异， 不同的饭金件参数各不相同， 在模块的 设计中， 对每一种 饭金件 展开计算放在一个函 数中， 根据要求输入参数， 即可完成展开计算。 在我 们研究了一些基本的构件后， 会发 现某几 种基本 构件组合后， 会构成新的构件， 卜 面就是一种类型的饭金件计算实例。 2 .3圆管与圆锥管相贯的展开图的绘制 图 2 . 1圆管与圆 锥管相贯的参数 西 北 下 业 火 学 硕 士 论 文 第二章非冲压类饭金件展开图的绘制 2 . 1 .3三角形法 对于那些表面既无平行边， 又无集中一点的素线的构件， 则宜应用三角形法 来绘制其展开图。 三角形法就是采用表面辅助 线， 将构件的 表面分割成若干个三角形， 求出 三 角形的实际边长，以得到三角形的实形， 再将这些实形按照相互位置关系一一毗 连地画出 来，就构成了 该构件的 展开图。 三角形法除可以解决构件表面既无平行边， 又不垂直任何投影面的斜边图形 展开外，还可以对复杂形体以及不可展开曲面作近似展开。 2 .2用计算法绘制饭金件的展开图 所谓 计算法， 就是通过建立饭金零件的数学 模型， 通过计算， 获得展开图中 若干个点的坐j，j 、 ， 再用直线将其依次连接起来， 以得到零件的 展开图。以 前人们 一般是 通过计算器来进行计算， 对一些复杂形状的相贯件， 这种方法计算量很大， 而且无 法实现参数化绘图。 在计算机日 益普 及的今天， 可以 通过编制程序来计算。 这样就可以 将同一类型的问题归纳起来，通过建立一个具有共同 特征的数学模 型， 用参数的形式表示求得的结果。当需要某一具体问题的结果时， 只需将这些 参数由具体数字来代替，就可以实现展开图的自动绘制。 饭金件形式各异， 不同的饭金件参数各不相同， 在模块的 设计中， 对每一种 饭金件 展开计算放在一个函 数中， 根据要求输入参数， 即可完成展开计算。 在我 们研究了一些基本的构件后， 会发 现某几 种基本 构件组合后， 会构成新的构件， 卜 面就是一种类型的饭金件计算实例。 2 .3圆管与圆锥管相贯的展开图的绘制 图 2 . 1圆管与圆 锥管相贯的参数 西北t业大学硕土论文第二章非冲压类饭金件展开图的绘制 如图2 . 1 所示，对于圆管与圆锥管相贯的展开图计算，它由 两部分组成，一 部分是被斜切圆柱， 另外一部分是被斜切圆锥， 它需要有五个参数， 分别是圆锥 高度h ,圆锥底圆直径d，圆柱直径d，圆柱与圆锥夹角a及bo 在输入参数并展开计算后， 该饭金件展开图由两部分组成， 分别如图 2 .2 ( a ) 和 ( b ) 所示。d i a 为展开扇形半径，a lf 为展开弧心角。 价 、 _ ( a ) ( b ) 图2 . 2展开图实例 首先求出结合线夹角q 和角点矩a ， 然后分别计算各管放样尺寸。 程序设计 时，先设计输入己知语句，然后计算基础数据， 对于圆锥管放样，首先要计算出 图 2 . 3圆 管与圆 锥管相贯的中f il l 参数 圆锥顶点至下口高 度， 展开扇形半径，