（机械制造及其自动化专业论文）计算机辅助数控冲床编程系统的高级功能研究及其实现.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。 研究生签名： 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j 饽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( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 签名弘师签译 研究生签名兰缈师签各召兰f 互复 研究生：晏韵 导师：许超教授 学校：东南大学 摘要 随着控制技术、信息技术与制造技术的发展，数控转塔冲床的柔性化、智能化程度越来越高，显著改 善了产品质量的可靠性与稳定性，降低了劳动强度。这种进步与数控转塔冲床编程软件的发展和完善息息 相关。本论文从系统数据接口、模具自动匹配、自动重定位、夹钳避让和b o m 集成等方面，对数控 转塔冲床编程关键技术进行了探讨和研究，主要：r 作如下： ( 1 ) 重定位对冲压加工范围的扩展具有重要作用。通过研究，确定了重定位的数学模型，并对 混合整数规划求解方法进行了探讨。在研究的基础上，提出一种基丁解答树广度优先的重定位策略， 对比不同可行路径的换模次数，可以得到较优解。与整数规划方法相比，参数和计算量明显减少， 算法效率高。 ( 2 ) 智能夹钳避让对提高板材利用率和加工安全性意义重大。夹钳避让问题的关键在于图元与 夹钳安全区的判交，在对点、直线、圆、圆弧四种刀具路径的夹钳干涉检查方法探讨的基础上，给 出了刀具路径修止方法。实例证明本文所述夹钳避让方法简单有效。 ( 3 ) 深入研究了d w g 文件的存储数据格式，对文件各部分功能进行了讨论。经过多种接口开 发方式的对比分析，综合易用性和易维护性，结合d w g d i r e c tc h 函数库进行了接口开发，并对直 线、圆弧、多义线、圆等信息提取进行了研究。论文研究采用的方法简单方便，开发周期短，对其 他软件接口开发具有重要借鉴意义。 ( 4 ) 从冲压模具的设计参数、类型和模具匹配中需要注意的工艺特点出发，重点研究了知识库 和专家系统在数控转塔冲床模具自动匹配上的应用，通过分析案例，证明了该配模方法的可行性。 ( 5 ) 在深入了解b o m 的基础上，重点研究了在冲压编程软件中实现b o m 集成的方法，以提升 冲压加_ 企业的编程效率与信息集成度。 关键词：自动重定位，夹钳避让，d w g d i r e c t ，模具自动匹配，排样b o m a b s t r a c t a d v a n c e df u n c t i o nw i t hi t sr e a l i z a t i o n i nac o m p u t e r - a i d e dc n cp u n c h p r o g r a m m i n gs y s t e m b y y a n y u n s u p e r v i s e db yp r o f x uc h a o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o l ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , f l e x i b l ea n di n t e l l e c t u a l i z e dn u m e r i c a lc o n t r o lt u r r e tp u n c hp r e s si sw i d e l yu s e d w i t hh i g h e rq u a l i t y r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya n dl o w e rl a b o ri n t e n s i t y , w h i c hs u r e l yh a ss o m e t h i n gt od ow i t l lt h ei m p r o v e m e n t o fa u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e m t h o s ea s p e c t s ，s u c ha s d a t ai n t e r f a c e ，a u t o m a t i ct o o l s e l e c t i o n ， a u t o m a t i cr e p o s i t i o n i n g ，t o o lc o l l i s i o np r e v e n t i o na n db o m ( b i l lo fm a t e r i a l ) i n t e g r a t i o na r ep r e s e n t e di n t h i sp a p e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp r o g r a m m i n gs y s t e m t h em a i nc o n t e n t so ft h i sw o r ka r el i s t e da s f o l l o w i n g ( 1 ) r e p o s i t i o np l a y sak e yr o l ei ne x t e n d i n gw o r k i n gr a n g eo fp u n c h i n gm a c h i n e s m a t h e m a t i cm o d e l o fr e p o s i t i o n i n gi sf o r m u l a t e da n dam i x e di n t e g e rp r o g r a m m i n gm e t h o di sd i s c u s s e dt os o l v et h i sp r o b l e m t oo v e r c o m et h ei n c o n v e n i e n c e so ft h ef o r m e rm e t h o d ，as i m p l eo n eb a s e do nb r e a d t h f i r s t - s e a r c h a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oo b t a i na na p p r o x i m a t e l yo p t i m a lp l a nb yc o m p a r i n gt h et o o lc h a n g i n gt i m e si n d i f f e r e n tf e a s i b l er e p o s i t i o n i n gs t r a t e g i e s c o m p a r e d 晰mt h em i x e di n t e g e rp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h i s m e t h o di sp r o v e dt ob em o r ee f f i c i e n tw i ml e s sp a r a m e t e r sa n dc a l c u l a t i n gt i m e ( 2 ) t o o lc o l l i s i o np r e v e n t i o ni si m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gb l a n ku t i l i z a t i o na n dp r o c e s s i n gs a f e t y d i f f e r e n tm e t h o d sa r ep r o p o s e dt od e t e r m i n i n gw h e t h e rt h et o o lp a t hi nt e r m so fp o i n t ，l i n e ，c i r c l ea n da r c i n t e r f e r e s 诵t ht h ec l a m p s d e a dz o n e s w h i c hi st h ek e yp a r to fi m p l e m e n t i n gt o o lc o l l i s i o np r e v e n t i o n i f i n t e r f e r e n c eh a p p e n sb e t w e e nt h ec l a m pa n dt h et o o l ，h o wt h et o o lp a t hs h a l lb ee d i t e di ss t u d i e d s u b s e q u e n t l y , a ne x a m p l ei sp r o v i d e dt oi l l u s t r a t et h ef e a s i b i l i t ya n ds i m p l i c i t yo ft o o lc o l l i s i o np r e v e n t i o n s t r a t e g y ( 3 ) d a t af o r m a to fd w gf i l ea n dt h ef u n c t i o no fe a c hp a r ta r ei n t r o d u c e d d u et oa d v a n t a g e si n c o n v e n i e n c ea n dm a i n t a i n a b i l i t yo v e ro t h e rt o o l sa c c o r d i n gt oa no v e r a l lc o m p a r i s o n d w g d i r e c tl i b r a r yi s c h o s e nt od e v e l o pd w gd a t ai n t e r f a c e 1 1 1 es t e p so fc r e a t i n gc u s t o ms c i v i c ee s p e c i a l l yt h ee n t i t y i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o no fl i n e s ，a r c s ，p o l y l i n e sa n dc i r c l e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h em e t h o da d o p t e dh e r e i se a s y , c o n v e n i e n ta n dc o s t - e f f i c i e n ta n dm a yb er e f e r r e dt od e v e l o po t h e rd a t ai n t e r f a c e s ( 4 ) d e s i g np a r a m e t e r s ，t o o lp a a e r n sa n dt e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft o o ls e l e c t i o na r ei n v e s t i g a t e d a n dt h ea p p l i c a t i o n so fa u t o m a t i ct o o ls e l e c t i o nb a s e do nr e p o s i t o r ya n de x p e r ts y s t e ma r ep r o v i d e di nt h i s p a p e r e x a m p l e sa r ef o l l o w e dt oi l l u s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d ( 5 ) t h ei n t e g r a t i o no fb o mi np u n c hp r o g r a m m i n gs y s t e me n v i r o n m e n ti sd i s c u s s e db a s e do na n i n s i g h ti n t oi m p o r t a n c ea n dm u l t i - f u n c t i o no fb o mi no r d e rt oi n c r e a s et h ep r o g r a m m i n ge f f i c i e n c ya n d i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nl e v e lo fs h e e tm e t a lp a r tm a n u f a c t u r e r s k e yw o r d s ：a u t o m a t i cr e p o s i t i o n i n g ，t o o lc o l l i s i o np r e v e n t i o n ，d w g d i r e c t , a u t o m a t i ct o o ls e l e c t i o n ， n e s t i n gb o m i i i i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 数控转塔冲床发展概述1 1 2 1 主传动方式的发展1 1 2 2 国内外发展现状2 1 3 国内外冲压自动编程软件发展现状3 1 3 1 国内发展现状3 1 3 2 国外发展现状3 1 4 课题背景、意义及研究内容4 第二章数控转塔冲床的功能扩展6 2 1 数控转塔冲床概述6 2 2 数控转塔冲床的组成原理7 2 3 数控转塔冲床功能扩展7 2 3 1 板料夹持与送进7 2 3 2 功能扩展方法9 2 4 本章小结1 0 第三章自动重定位与夹钳避让j l l 3 1 板料重定位数学模型1 1 3 2 自动重定位策略1 3 3 2 1 最短路径方法1 3 3 2 2 基丁广度优先的重定位策略1 4 3 3 夹钳避让方法1 5 3 3 1 轮廓的夹钳干涉检查1 5 3 3 2 刀具路径的夹钳避让1 6 3 4 自动重定位与夹钳避让实例分析1 7 3 4 1 自动重定位实例1 7 3 4 2 夹钳避让实例1 8 3 5 本章小结1 9 第四章冲压c a m 软件的图形交换接口研究2 0 4 1d w g 文件的存储格式2 0 4 2 实现方法研究2 l 4 2 1 不同实现方法分析2 1 4 2 2 开发环境与资源库介绍2 2 4 3 接口开发流程与步骤2 2 4 3 1d w g d i r e c t 数据库结构2 2 4 3 2 接口开发流程与实现步骤2 3 4 3 3 块信息的读取2 5 4 4 图形信息提取实例2 7 4 5 本章小结2 9 第五章数控转塔冲床模具自动匹配3 0 i i l 东南火学硕 ：学位论文 5 1 模具匹配基础3 0 5 1 1 模具的参数3 0 5 1 2 模具匹配应注意的工艺特点3 1 5 2 数控转塔冲床模具系统3 4 5 2 1 常见模具类型3 4 5 2 2 模具分布与旋转工位3 4 5 3 模具自动匹配方法3 5 5 3 1 模具自动匹配流程3 5 5 3 2 基于知识库和专家系统的自动配模方法3 5 5 3 3 数控转塔冲床自动配模的实现3 7 5 4 本章小结3 9 第六章冲压编程软件的b o m 集成方法研究4 0 6 1 基于b 0 8 的信息集成概述4 0 6 2 冲压编程软件b 0 8 集成方法4 1 6 3 冲压编程软件的b o m 集成实现4 2 6 3 1 基于生产b o m 的多零件导入4 2 6 3 2 模具匹配与排样处理4 3 6 3 3 排样b o m 的产生与利用4 4 6 3 4 后置处理4 5 6 4 本章小结4 6 第七章结论与展望4 7 致i 射4 8 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表论文情况5 1 i v 在当今的制造业中，钣金零件具有重量轻、易成型、生产效率高和成本低的特点，在家用电器、纺织 机械、航空航天、开关电源、电子电器、汽车等行业中已占据举足轻重的地位。就制造手段而言，钣金件 通过冲压、拉伸、剪切、折弯、焊接等j j j 艺制作而成，属于成型j ：艺。随着科学技术的发展、市场需求的 增加以及产品更新换代速度的加快，产品生产止向复杂、精密、多品种、高质量和短交货期的方向发展， 这就要求机械加一j ：具有更短的周期、更低的成本和更高的质量。冈此，方面，精度高、速度快的先进数 控板材加r 设备越米越多地投入生产；另一方面，与机床配套的加上辅助软件也更加完善和强大，为进一 步提高机床的柔性化、智能化提供强有力的支持。 1 2 数控转塔冲床发展概述 1 2 1 主传动方式的发展 数控转塔冲床作为金属板材数控加：i 折、剪、冲三人设备中冲压加工的关键设备，至今已应用 和发展了近四十年，在电力开关柜、家用电器、汽车等行业作出了重要贡献。以主传动方式为标志， 数控转塔冲床主要经历了三个发展阶段i i z j ： 第一阶段，机械式数控转塔冲床。最初的机械式数控转塔冲床由电机、飞轮、离合器、制动开 关、曲轴、连杆和滑块等组成主传动机构，在冲压时，离合器闭合，飞轮带动曲轴，通过曲柄一滑 块机构产生冲压动作，如图1 所示l z l 。机械式主传动部件中，离合器与制动器的性能直接影响到主 传动部件的工作效率和使用寿命。气动式离合器与制动器结构简单，但是损耗大，污染性强，工作 效率低，到9 0 年代被性能稳定，噪声低的液压式离合器与制动器所代替。 图l 机械式转塔冲床主传动方式 第二阶段，液压式数控转塔冲床。2 0 世纪9 0 年代中期以后，液压主传动被广泛应用，至今已 成为数控转塔冲床的主流配置。与机械式传动相比，液压油缸代替了曲轴连杆机构，由液压泵提供 动力，配有专门的伺服阀控制系统的动作，并通过传感器进行闭环控制，最终实现对冲头位置、行 东南人学硕士学位论文 程和速度的精确控制。液压式土传动优点明显：( 1 ) 可根据板厚、孔型、送料速度和距离设定需要的 行程，提高冲压频率；( 2 ) 冲头速度可控，降低接触板料时的初速度，可减轻冲击和振动，从而降低 噪音；( 3 ) 不仅可实现高速打标、快速冲孔，而且可完成拉伸、滚压等特殊成型工艺。 第三阶段，伺服电机式数控转塔冲床。这种类型冲床的传动方式有两种，可以在传统机械式传 动基础上，将伺服电机直接与曲轴相连接，省去飞轮及离合器与制动器，也可以让伺服电机通过减 速器与曲柄肘杆机构相连接。伺服电机驱动式主传动，不仅保留了机械式主传动结构成熟可靠的优 点，而且具备了液压式主传动的诸多特性，如节省能量，减低噪音，提高效率，优化工艺等。日本 a m a d a 、m u & a t e c 等公司已将伺服电机驱动主传动方式应用到其产品中。 目前，三种主传动形式的数控转塔冲床都在生产，但从大体趋势来看，机械式转塔冲床市场持 续萎缩，液压式转塔冲床市场不断扩大并占据主导地位，而伺服电机驱动式转塔冲床也以其高效、 节能、环保等优势日益得剑企业认可，成为未来的发展新趋势。 1 2 2 国内外发展现状 1 9 5 2 年，麻省理工学院研制出第一台数控冲床，其控制系统采用硬件连接，板料进给机构通过 电液脉冲马达驱动。随着步进电机的高速化和高功率化，步进电机驱动的开环控制系统得到运用。 7 0 年代，由于大规模集成电路的发展与j “泛应用，微机逐步走向工业应用，开始出现用微机控制代 替硬件控制的数控冲床，同时改用由直流伺服电机驱动的半闭环控制系统代替开环控制系统l j l 。1 9 7 7 年美国s t r i p p t 公司研制出最早的数控转塔冲床【4 j 。此后，随着数控技术、液压气动技术、运动元 件以及计算机控制技术的相关技术的发展，数控转塔冲床发展迅速。各个厂家不断推陈出新，床身 结构、控制技术、模具库、主传动方式等方面不断进步。目前比较优秀的数控转塔冲床制造商有日 本天田( a m a d a ) 公司、小松( k o m a t s u ) 公司、意大利s a l v a g n i n i 公司、德国t r u m p f 公司、 芬兰f i n n p o w e r 公司和比利时l v d 公司、h a c o 公司等。 数控转塔冲床在我国起步较晚，早期均从国外进口，如芬兰f i n - p o w e r 、美国s t r i p p t 以及英国 p i e r e - a l l 等公司的产晶，控制方式都为气动或液压机械式主传动控制。1 9 8 4 年，济南铸锻所研制出中国 第一台机械式主传动数控转塔冲床。1 9 9 7 年，中国第一台液压式主传动数控转塔冲床诞生”j 。现在，国内 多家单位都在积极研制具有自主知识产权的伺服电机主传动数控转塔冲床，但开发大扭矩伺服电机成为技 术瓶颈。 我国的数控转塔冲床经历了缓慢起步、趋丁成熟、快速发展和日臻完善四个阶段，通过二十多年的发 展，取得了长足进步，在生产数量、控制方式、综合性能等方面，与国外同类产品技术水平大体相当1 4 1 。 以扬力e p 2 0 数控转塔冲床为例，该机床采用先进的交流伺服电动机主传动方式，具有节能和环保等优点， 冲孔频率6 0 0 次分钟，板材移动速度达剑1 0 6 米分钟，技术水平接近世界先进水平。国内其他较有实力 的厂家还有有济南捷迈数控、江苏咂威、江苏金方圆以及台湾台励福等公司。 数控转塔冲床及辅助设备的快速发展，促使板材加工技术与设备发生了根本性的变化。随着数控冲床、 数控剪板机以及数控折弯机被广泛使用，柔性制造单元( f m c ) 和柔性制造系统( f m s ) 开始出现。1 9 7 9 年，意人利萨瓦尼尼( s a l v a g n i n i ) 公司在汉诺威( m n n o v e r ) 展览会上，推出了世界上第一条金属板材 柔性加i t 生产线$ 4 + p 4 。1 9 9 1 年，我国第一条自主开发的板材加工f m s 研制成功，在长城开关厂投入使用 【5 】。1 9 9 2 年，我国第二条白行研制的板材加工f k s 在上海机床附件三厂投入运行6 i 。但是，上述两条f 璐 均是以国外主机为基础，针对特定的板材产品生产厂家而研制，没有形成批量化生产。目前，济南铸锻所 的c l c 2 c 3 板材柔i 生制造系统和金方圆的w s s 型数控冲剪复合板材柔性加j 二线都是中小型生产线，其 电液控制系统、数控系统等关键技术大多依赖进口。 近十年来，机床装备借助于微电子、计算机技术、控制技术的飞速发展，正朝着高精度、多功 能化、高速化、智能化、高效率和复合加工功能等方向迈进。数控转塔冲床的发展历程同样明显地 体现了时代特征，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 高速度 9 0 年代以来，欧、美、日各国争相开发新一代高速数控冲床，加快冲压高速化发展步伐。随着 2 第一章绪论 高速、大功率主轴单元( 目前电主轴转速可达1 0 0 0 0 0 r m i n ) 、高速且高加速进给驱动部件( 如直线 电机) 、防护装置、高性能数控系统和伺服系统等领域的关键技术的突破，冲压速度将达到一个新的 技术水平i 讨。目前，天田公司的e m n t 系列数控转塔冲床采用新型交流伺服电动机直接双驱动，每 分钟行程可高达1 8 0 0 次( 对应于冲程1 4 r a m ) ，能实现对应板厚的最适当行程控制渖j 。 ( 2 ) 高柔性化 数控转塔冲床本身就是普通冲床柔性化要求的产物，用以应对多晶种小批量的现代生产模式。 机床转盘上可以安装不同尺寸及形状的模具，最多可达7 2 副，采用单排、双排或者三排的方式。同 时，一般还具有2 q 个旋转工位，可以通过调整模具旋转角度实现对不同角度轮廓的加工任务。 ( 3 ) 网络化 通过t c p i p 通信协议进行网络通信，可以使不同的c n c 控制程序、编程加- 丁位置及刀具定位 点等数据信息得以统一，数据传递的速度比通过介质( 数控带、磁带等) 传输提高数千倍。通过连 接调解器和通信软件，还可以对c n c 机床进行远程故障诊断。目前，国内已经有网络化数控转塔冲 床问世，但仍未成为主流产品v j 。 此外，数控转塔冲床还早现了高可靠性、环保节能、工艺多样化等特征。随着网络化数控转塔 冲床和伺服电机直接驱动数控转塔冲床等第四代产晶的出现，中国数控转塔冲床的整体水平已经达 到或接近国际先进水平。 1 3 国内外冲压自动编程软件发展现状 1 3 1 国内发展现状 国内的c h d c a m 系统的开发还处于起步阶段，商业化产品主要是一些通用性软件，比如北航海尔软件 有限公司开发的c p f f , a 、北京高华计算机有限公司推出的高华c a d 、国家科委8 6 3 c i 煅主题在“九五” 期间科技攻关的研究成果金银花系统等。 针对板材冲压加t 要求，很多科研院校、企业单位都在自身需求下对国外的软件平台进行了二 次开发。这些自动编程软件大多基于v c 和o p e n g l 开发，符合自身的使用习惯和标准，对提高企 业的工作效率和优秀国外软件本十化具有重要意义。李颖哲，秦鹏l s 拶针对上海第二纺织机械股份 有限公司的板材生产线配套软件c a m p a t hf d m 一i 存在的一些问题进行了改进，在a u t o c a d 环境下采 用o b j e c t a r x 提供的命令和函数，实现对d x f 文件中轮廓信息( 如直线、圆、圆弧等) 的读取；在 自动模具匹配模块中引入产生式知识库的概念，建立相关数据库和知识库，实现系统的自动配模； 利用a u t o c h d 窗口和绘图环境，成功开发模具轨迹图形显示、优化排料结果显示、钣金加工动态仿 真等功能。温小明，曾红i lo j 通过对数控冲床编程系统的研究，以a u t o c a d 为图形支持软件，v b a 为 开发语言，编写了一套集模具自动选择功能、加工代码自动生成功能，加上模拟功能于一体的钣金 件加工c a d c a m 系统，并以v i p r o s - 3 5 8 型数控冲床为试验机床进行检验，取得良好效果。王赞川 研究了a c i s 几何造型内核的数据结构、h o o p s 图形显示引擎的数据结构与d x f 数据格式，开发出接 口程序，将d x f 文件中实体段几何数据和绘制命令存入列表，a c i s 调用a p i 函数绘制出这些几何元 素，并通过h o o p s 显示出来。另外，通过对h o o p s m v o 的x m l 生成器与解析器的扩展，实现了输出 础l 格式的刀位文件和仿真模拟文件，进而对刀位文件进行解析获得n c 程序文件。 可见，国内学者和企业都在积极探索本土化的冲压自动编程软件，虽然与国外同类成熟产品还 存在差距，但从企业的实际应用来看，还是取得了不错的经济效益。 1 3 2 国外发展现状 国外冲压加工c a d c a m 软件有很多优秀的商业化产品，不论是c a d 的二三维建模、图形接口、加工方 3 东南人学硕： 学位论文 式多样性还是数控代码的生成，都具有相当成熟的技术。这类产品人致有：德国通快( t r u 胛f ) 公司的 t r u t o p s ，意大利c o m p u t e s 公司的彻5 ，西班牙l a n t e ks y s t 脒s 公司的l a n t e ke x p e r t ，比利时l v ds t r i p p i t 公司的c a d m a n 等。以通快( t r u 肝f ) 公司的t r u t o p sp u n c h 为例，该软件具有较强的c a d 建模功能和多样 化的标准接口，支持冲裁与激光切害u 2 n ：e ，能实现高效的自动排样，走刀路径的可靠优化以及通过编程实 现上下料设备的r 作策略。t r u p u n c h5 0 0 0 冲床以t r u t o p s 为配套支持软件，加之本身先进的硬件系统， 使得其冲裁速率达到每分钟1 2 0 0 次，打标时每分钟2 8 0 0 次，c 轴每分钟旋转3 3 0 转，更换模具只需2 8 秒；使用多子模的情况下，换模时间只需0 3 秒。可见，一款优秀的冲压臼动编程软件能最大程度地提 升机床的加工潜能，提高加! r 精度，获得更快加j ：速度和更稳定的加1 二质量。 国外学者在冲压路径规划、刀具管理、夹钳位置规划、数值仿真等方面做了较多的研究。冲压、激光 切割和等离子切割等加r 方式的路径规划是研究的热点之一，启发式算法、遗传算法、蚁群算法等都被广 泛应用到求解此类问题3 “h 。特别地，f a r h a dk o l a h a n ，m i n gl i a n f f 泊1 将冲压加二时间分为配模时间、冲 孔时间、空行程时间和换模时间，并建立了综合考虑这四种冈素的数学模型，尝试使用禁忌搜索算法来探 索冲孔加t 时间的最小化。在案例中，利用邻居点算法获取加i ：路径，对比分析了不同加 i 起点的禁忌搜 索链表的计算规模，获得优化的刀具路径方案、模具使h j 方案、切削速度和模具设置，使成本相比优化前 降低了4 7 0 o 。g i l b e r tl a p o r t e 等1 1 7 针对冲孔和钻孔两种加t 方式，建立时间需求模型，分别利用m a n h a t t a n 度量和c h e b y c h e v 度量探寻基于启发式算法的板材进给最优宽度和刀具在转塔中的分布情况。经过实例证 明，m a n h a t t a n 度量方法可以在o ( n 2 ) ( n 为刀具数量) 时间内得到问题的解，而c h e b y c h e v 度量方法在 o ( n 3 ) 时间获得的方案比前者更为优化。冲压加工的数值仿真也是研究的热点之一，许多学者冲压过程进行 了有限元分析研究l l 2 0 o 尤其是s km a i t i ，a a a m b e k a r 等利用弹塑性有限元方法分析了不同模具 间隙、板材厚度、图元分布等参数下薄板( 0 1 - 1 m ) 的变形情况，证明减小模具间隙、增加摩擦系数均导致 冲裁载荷的加大，从而为优化e 述冲压参数提供了条件。 国外冲压自动编程软件大多是冲压设备制造商利 j 技术优势自主开发或与软件提供商联合开发，并作 为自身产品的配套控制软件，使得高端的制造机床与完善的软件产品相得益彰。这种方式值得国内同行学 习和借鉴。 1 4 课题背景、意义及研究内容 课题研究来自企业对钣金c a m 软件p r o c a m 进行功能改进的需求。p r o c a m 曾作为a m a d a 数控机 床的配套软件，其加工可支持2l 2 轴到5 轴铣削，多轴车削，冲加1 = ，等离子激光切割，及电火 花加工等。课题研究的目标是完善p r o c a m 的d w g 图形接口，并就软件的高级功能进行探讨和实 现。冲压编程系统的高级功能一般包括机床功能扩展、模具自动匹配、排样系统、路径规划和信息 集成等方面的内容。本课题主要关注p r o c a m 的二维冲压支持模块，以数控转塔冲床为服务对象， 主要考虑以下几个方面： 1 ) 图形数据接口。在冲压行业内，零件图的绘制大多采用a u t o c a d ，d w g 文件已经成为事实 上的行业标准。不少板材冲压企业选择冲压c a m 软件的前提便是该软件是否兼容d w g 文件，能否 从现有的电子图纸中快速准确地提取具有冲压特征的轮廓信息。因此，完善d w g 图形数据接口是 p r o c a m 赢得更广泛市场的前提。但是，d w g 文件的内部数据结构属于a u t o d e s k 公司的商业机密， 不对外公开。因此在脱离a u t o c a d 平台条件下直接读取d w g 文件图形信息成为接口开发的难点。 2 ) 在多品种小批量的现代生产模式下，提升现有设备加j ：能力成为企业应对挑战的新要求。冲 压加工企业常遇到以下两个问题：若数控转塔冲床上作台大小为1 2 7 2 5 m ，而板材规格为1 0 x 3 0 m ，该机床如何顺利完成加工? 若夹钳位置和板材上孔位重叠，该如何处理? 解决上述问题，需 要利用板材重定位和夹钳避让方法对数控转塔冲床进行功能扩展。夹钳重定位是指在板材冲压加工 过程中，根据工艺要求移动夹钳，进行重新定位，从而扩展了冲压设备一r 作范嗣的1 ：艺方法。夹钳 避让是指在冲压加工中，为避免模具的冲压动作和移动引起夹钳和模具的干涉而采取的修正模具移 动路径的做法。但是，新的问题产生了：如何确定重定位时夹钳移动的位置? 考虑到重定位对加工 4 第一章绪论 精度和加工时间影响较大，如何使重定位次数最少? 如何实现夹钳避让，并且确保因避让而增加的 模具空行程路径最短? 目前，国内外的研究较少。 3 ) 模具自动匹配。研究表明，冲乐加r 中模具匹配时间与空行程时间占据了总加工时间的7 0 左右瞄j 。模具匹配是指为了加丁特定几何形状的零件从模具库中挑选合适的模具。模具匹配一般包 括手动和自动两种。传统手上编程的模具匹配主要是根据j 【人的经验，经验丰富的人员可以配出比 较优化的模具方案，而经验不足的人员就很难配出符合加工要求和高效率的模具方案。国内有学者 研究了冲压模具的自动匹配方法，但是，数控转塔冲床的模具匹配与普通冲床有所不同，如何实现 转塔冲床的模具自动匹配有待深入研究。 4 ) 在制造业信息化被广泛接受的今天，研究冲压编程软件的b o m 集成具有重要意义。在冲压 加r t 中实现b o m 集成，不仅可以按批量处理方式生成多零件加t 的n c 代码，还可以得剑排样b o m ， 便于企业对生产活动进行成本核算和物料统计。本课题从信息集成的角度研究冲压编程软件的b o m 集成方法。 综上所述，为完善p r o c a m 的图形接口和提升冲压加：【的智能化、柔性化水平，本课题将从下 面儿个方面着手，做一些有意义的探讨。 ( 1 ) 在详细分析d w g 文件数据格式的基础上，研究如何从d w g 文件中提取具有冲压特征的 几何信息，并应用到接口程序的开发上来。 ( 2 ) 建立重定位数学模型，探讨重定位方案求解算法，最终获取优化的重定位方案，并基于 p r o c a m 开发出自动重定位功能。 ( 3 ) 研究夹钳干涉检查判断方法，通过修正刀具路径的方式实现夹钳避让。 ( 4 ) 数控转塔冲床模具自动匹配方法研究。 ( 5 ) 探讨冲压编程软件的b o m 集成方法。 5 第二章数控转塔冲床的功能扩展 第二章数控转塔冲床的功能扩展 数控转塔冲床义称为数控冲模同转头压力机，特点是在冲裁滑块与上作台之间，有一对可存储 几十套模具的同转转盘。换模时，上、下转盘同步旋转，保证上下模具的匹配，旋转剑的具体位置 通过计算机精确控制。本章对数控转塔冲床基本原理和结构特点作简要介绍，重点就功能扩展实现 方法展开讨论。 2 1 数控转塔冲床概述 传统的冲压成形对于不同的工件需要不同的模具，工件设计改变，原模具就得报废，需要设计 制作新的模具。这种冲压生产方式缺乏柔性，不能适应小批量、多品种的现代生产模式。数控转塔 冲床就是从普通数控冲床基础上发展起来的柔性冲压装备，其冲压方式与传统冲压绝然不同，以图 2 1 的冲压件为例，该工件需要冲压多种不同形状的孔。在普通冲压机床上，首先安装一副模具，在 一批板料的每一张板材上冲压完与模具相应的孔，然后再换另- - n 模具，再冲其他的孔型。因此， 需要频繁地上下料，并且换模时间较长，工作效率低。而数控转塔冲床加丁此工件，一张板材只需 装夹一次，就能实现板材上所有孔型的加工。当冲完一种孔型后，上、下转盘同步转动，把另外一 副模具定位到滑块下方，r t 作台移动板料到对应的冲压位置，即可继续冲压。利用组合冲裁，可以 加工( 如图2 1 中孔1 ) 复杂孔型，或超过压力机公称压力的大孔( 如图2 1 中孔2 ) 。 图2 l 多孔冲胜件 冲孔顺序和模具使用方案均通过数控系统编程控制，数控转塔冲床按照程序自动操作，直至完 成全部加工任务。这些孔型可以是方孔、圆孔、矩形孔、异型孔、圆周分布孔、栅格孔、直线或圆 弧阵列孔、圆头槽孔等。数控转塔冲床能完成的加工轮廓形状与模具形状、冲压方式、机床工位等 相关f 8 l 。 数控转塔冲床在加- 丁中经常采用连续步冲的方式来冲压复杂孔型和尺寸较人的孔型以及外轮 廓。步冲是指采用简单小尺寸模具快速、连续地依次冲压轮廓，以代替原来的整体冲压。随着数控 转塔冲床冲压频率的人幅提高，步冲上艺被较广泛应用，有厂家生产了专门的数控步冲压力机，步 冲频率可高达1 8 0 0 次分钟，工件移动速度可达1 0 0 米分钟以上1 2 3 】。步冲工艺具有诸多优点1 8 】： ( 1 ) 可冲裁尺寸规格较大、轮廓较复杂的工件： ( 2 ) 对于复杂孔型，一次成型冲裁需要花费大量时间和成本来制造相应的模具，而步冲只需要 较简单的小尺寸模具； ( 3 ) 大大减少所需的模具数量和换模的时间。 数控转塔冲床一般具有几十个模具工位，设有2 - - , 4 个旋转分度模位，该模位的模具可以绕轴线 自转，冲压编程软件根据图形角度编制程序，精确控制该模位模具的旋转角度，从而可加工出更为 复杂的孔型而不需要更换模具。 6 塔冲床的传动系统简图。主电动l 通过带2 将动力传至匕轮3 ，飞轮不断旋转积蓄能量，离合器制 动器4 闭合时，运动传到由偏心轴5 、滑块6 组成的曲柄滑块机构，从而推动打击器7 完成冲压动 作。 上、下转盘1 4 、1 3 均装有3 2 副模具，分外、中、内三层分布。选择不同层模具依靠气缸2 2 来 实现。直流伺服电机1 0 为上、下转盘转动提供驱动，经减速箱9 、离合器l l 和传动链8 ，上、下转 盘同时同步转动，选择相配套的上下模。为保证上下转盘的同轴度和模具的精确定位，在转盘圆柱 面上设有2 0 对锥形定位套，由定位气缸1 2 插入定位。 板料在工作台上经定位销定位之后，由夹钳1 9 夹持进行x 、y 两方向的进给运动。x 轴直流伺 服电机2 l 提供动力，经滚珠丝杠，实现夹钳和活动工作台上溜板的x 向运动。y 轴方向的运动由y 轴直流伺服电机1 7 、传动带1 8 和滚珠丝杠1 6 共同实现。溜板上装有两幅夹钳，由气缸2 0 推动， 实现夹紧和放松板料捧l 。 2 3 数控转塔冲床功能扩展 为扩展数控转塔冲床加工范