（计算机应用技术专业论文）非落料型冲裁件工序排样系统设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 非落料型冲裁件工序排样系统，在目前冲模c a d c a m 的研究中还未深入涉及， 它是针对冲裁级进模中，冲裁件外轮廓分段切除这一类多工位级进模的工序排样问 题而设计的c a d 系统。 系统在进行详细需求分析的基础上，对毛坯排样、冲裁件工艺性、工序排样优 化等关键技术问题的数学模型及算法进行了深入研究。重点讨论了毛坯排样中的普 通单排问题，给出了自动排样和交互式排样两种毛坯排样方法。利用基于平面的区 域划分原理的拾取算法，采用交互设计方法解决冲裁件复杂轮廓的刃口分割和设计 问题。针对各刃口轮廓闯具有高低不同的位置精度关系，采用模糊聚类方法对冲切 刃口轮廓进行分组。结合图论算法建立了凹模的干涉精度关系模型，利用模糊综合 评判对排样分组结果进行了优化处理。 非落料型冲裁件工序排样系统由图形输入、毛坯排样、工艺分析、刃口设计和 工序排样五大模块组成。工序排样过程分刃口分割、刃口轮廓的聚类分析和工序的 排序三个阶段完成。该系统能够根据工件的不同要求对毛坯的排样方式，冲裁件的 工艺方案作出选择。对于冲切刃口形状的设计，由于目前还不能确定种算法对各 种冲裁件自动进行刃口设计，因此非落料型冲裁件工序排样系统根据排样规则确定 排样工位数和各工位的内容采用交互式方法进行刃口设计，以满足实际应用的要求。 关键词：非落料型；多工位级进摸：工序排样；切刃口分割：模糊聚类 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en o n b l a n k i n gt y p ep r o c e s ss t o c kl a y o u ts y s t e mf o rb l a n k i n gp a r t si sac a d s y s t e ms p e c i a l l yd e s i g n e d t os o l v es u c hp r o c e s ss t o c kl a y o u tp r o b l e m sf o rm u l t i s t a t i o n p r o g r e s s i v ed i e s a st h ec o n t o u rs t e pc u t t i n go fb l a n k i n gp a r t si nb l a n k i n gp r o g r e s s i v e d i e s b a s e do nad e t a i l e da n a l y s i so f d e m a n d s ，t h es y s t e mm a k e sa l li n d e p t hr e s e a r c hi n t o t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n da l g o r i t h mo fs u c hk e yt e c h n i c a li s s u e sa sb l a n ks t o c k l a y o u t ，t e c h n i q u e so f b l a n k i n gp a r t s ，a n d t h eo p t i m i z a t i o no f p r o c e s ss t o c kl a y o u t t h e k e y i s s u e sd i s c u s s e di nt h e p a p e r i n c l u d et h es i m p l es i n g l el a y o u ti nb l a n ks t o c kl a y o u t ， a n dt w ob l a n ks t o c kl a y o u tm e t h o d sa r eg i v e n ：a u t o m a t i cl a y o u ta n da l t e r n a t el a y o u t o t h e rk e yi s s u e si n c l u d et h ep i c k a n d t a k ea l g o r i t h m ，u t i l i z i n gt h er e g i o n a ld i v i s i o n p r i n c i p l eb a s e d o nt w o d i m e n s i o n p l a n e ，a n dt h ee d g e - c u t t i n ga n dd e s i g np r o b l e mf o rt h e c o m p l e xc o n t o u r so fb l a n k i n gp a r t s ，u t i l i z i n gt h ea l t e r n a t ed e s i g nm e t h o d t os o l v et h e p r o b l e mo ft h e d i f f e r e n tp r e c i s i o nd e g r e e i nr e l a t i o nt oa l t i t u d eb e t w e e nd i f f e r e n t c u t t i n g e d g ec o n t o u r s ，t h ef u z z yg r o u p i n g m e t h o df o rc u t t i n g e d g i n gc o n t o u ri su s e d ， a n dt h ei n t e r f e r e n c er e l a t i o n s h i pm o d e lf o ra n dp r e c i s i o nr e l a t i o n s h i pm o d e lf o rc o n c a v e d i e sa r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ht h ec o m b i n e du s eo fg r a p ht h e o r ya l g o r i t h m ，a u dt h e s t o c k ；l a y o u tg r o u p i n gr e s u l t i s o p t i m i z e dt h r o u g ht h e u s eo ff u z z yc o m p r e h e n s i v e j u d g e m e n t m e t h o d t h e n o n b l a n k i n gt y p ep r o c e s ss t o c kl a y o u ts y s t e mf o rb l a n k i n gp a r t si sm a d eu po f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o np a r t ，b l a n k i n gl a y o u tp a r t ，t e c h n i q u ea n a l y s i sp a r t ，e d g e c u t t i n g p a r ta n ds t r i pl a y o u tb l a n k i n gp a r t t h es y s t e mc a nc h o o s et h es t y l eo fb l a n k i n gl a y o u t a n dt h ed e s i g n i n gp l a na c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s f o rt h eb l a n k i n gc u t t i n g e d g e d e s i g n ，t h es y s t e mc a r ln o tm a k es u r ea b o u ta na l g o r i t h mt od e s i g nt h ec u t t i n g e d g e s a u t o m a t i c a l l yo fv a r i o u sc u t t i n g d i e s i no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fp r a c t i c a l a p p l y ，t h es y s t e me m p l o y s t h ei n t e r a c t i v em e t h o dt od e s i g nt h ec u t t i n ge d g e ，a c c o r d i n gt o t h en u m b e ra n dt h ec o n t e n to f s t a t i o n sf o l l o w i n gt h er e g u l a t i o no f t h es t r i pl a y o u t k e y w o r d s ：t h en o n b l a n k i n gt y p e ，m u l t i s t a t i o np r o g r e s s i v ed i e s ， s t r i pl a y o u tb l a n k i n g ，c u t t i n g e d g ed e s i g n ， f u z z yc l u s t e r i n g i i 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：碾茌廿 日期：2 0 0 # - 年，月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：取花再 日期：2 p 口阜年岁月p 日 指导教师签名：露尹磅以 f f l 期：二“声年，月乎日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1绪论 随着世界经济的发展，模具设计和制造行业越来越受到人们的重视。模具的设 计与加工水平，直接关系到产品的质量与更新换代。现代工业的发展，人们愈来愈 关注如何缩短模具设计与加工周期，如何提高加工精度。一些先进国家率先将计算 机技术应用于模具行业，并出现了模具c a d c a e c a m 一体化系统，从很大程度上 提高了模具设计效率与加工质量，缩短了模具生产的周期。 国民经济的五大支柱产业一机械、电子、汽车、石化、建筑，都要求模具工业 的发展与之相适应，在工业产品中6 0 8 0 的零部件都要依靠模具成型。目前， 全世界的模具工业年产值约有6 0 0 亿美元【”。日、美等工业发达国家，其模具工业 产值已超过了机床工业 3 。从1 9 9 7 年开始，我国模具工业的产值也已超过机床行 业 4 1 。根据国际生产协会预测到2 0 0 0 年，工业产品零件粗加工类的7 5 ，精 加工类的5 0 将使用成型模具。而冲模又是成型模具中的主要模具，占有极其重 要的地位。 模具的设计过程是一个非常复杂的过程，它包括产品零件工艺性分析、毛坯展 开、工序设计、工艺方法选择、压力中心与压力计算、模具结构设计与绘制模具图 纸等。传统设计方法主要依赖于人的经验和熟练程度，因而设计周期长、成本高、 质量难以保证。而采用计算机辅助设计则具有四个方面的优点：( 1 ) 可以提高模具设计 质量，通过计算机存储大量有关模具设计的综合性技术信息，加上人的交互作用， 有利于发挥人机各自的特长，使模具设计更加合理化。( 2 ) 缩短设计周期，提高生产 效率。( 3 ) 计算机辅助设计方法的使用，可使设计者从繁重的计算和绘图中解放出来， 可以更好地发挥人的创造性，优化实施方案，促进技术进步。( 4 ) 大幅度地降低产品 成本。 上述优点使模具c a d 技术受到普遍重视，得到了迅速发展。目前，整个模且 华中科技大学硕士学位论文 行业正朝着集成化、智能化、最优化、微型化、新型化及网络化方向发展。由于冲 压产品品种繁多，形状复杂，其冲压工艺与模具设计是依据产品图考虑了成形性能 与模具加工条件来进行设计的。手工设计中主要凭借技术人员的经验，在建立冲模 c a d c a m 系统时带来了很多问题。现有的模具c a d c a m 系统的应用有一定的局 限性，目前出售的系统均需用户根据本厂条件进行二次开发，因此冲模c a d c a m 系统的研究急待进一步的发展。 1 _ 2 国内外研究概况 1 2 1国内冲模c a d c a m 的发展概况 我国在8 0 年代才开始模具c a d c a m 的研究，先后有系列的模具c a d c a m 系统通过了国家有关部门的鉴定。例如，华中理工大学1 9 9 0 年开发的精冲模 c a d c a m 系统( h j c ) ，是与成都7 1 5 厂合作开发出级进模c a d c a m 系统【6 。7 】。该 系统可用来设计具有弯曲、拉伸、冲裁等组合工序的级进模。 上海交通大学模具技术研究所在8 0 年代初期开展了大规模的c a d c a m 研究 开发工作，19 8 5 年研究开发了圆筒形及矩形件拉伸模c a d c a m 系统【8 。9 0 年代， 开发了多工位级进模c a d 系统 9 1 。该系统由工件图的输入，工件的实体造型、展开 图生成、交互式排样设计和工步排样图的设计等部分组成，适用于冲裁、弯曲、局 部成形工件的级进模设计。此外，先后有1 9 8 5 年北京机电研究院研制的c a d c a m 系统；1 9 8 6 年上海交通大学、华中理工大学建成的冲裁模c a d 系统；西安交通大 学、上海交通大学、浙江大学等相继开展了拉伸模及弯曲模c a d c a m 研究。另外 还有一些研究单位和模具制造厂还先后引进模具c a d c a m 软件，通过消化吸收， 设计和制造了一批模具，并进行了合作技术鉴定。 传统的排样设计主要是由人工来完成的，在考虑各种因素对工艺的影响时，主 要是根据人的经验，并由人进行大量的数据计算、绘图和修改工作因而人的劳动强 度很大，设计周期长随着c a d 技术的应用，在已经出现的模具c a d c a m 系统中， 都对工序排样作了一定的研究，提出了许多不同的算法。 排样设计的关键是如何对冲压件轮廓作适当的冲切刃口设计，以及刃口的分组 华中科技大学硕士学位论文 排序。针对这两个方面，不同的c a d 系统采用了不同的方法f j o - 1 2 。 对于冲裁件的刃口设计问题，大部分c a d 系统在选择冲裁方法时，是采用落 料型方法，通过对工件内轮廓作分组排序，在最后工位一次落料冲出外轮廓，如果 外轮廓不能一次冲裁，则通过设计废料b 、进行冲裁废料来完成较复杂的外轮廓的 加工，这种方法也可以看作是进行了刃口的分解和设计。如华中理工大学研制的 h p c 2 0 系统就采用了这种方法。这种方法只适用于外形不太复杂的工件。实际生产 中冲压件的结构是千变万化的，其外轮廓形状多种多样，复杂程度也各不相同，对 于外形复杂的冲压件，人们通常采用非落料型的方法来冲切工件，这就存在如何对 工件轮廓各边进行分解、重组以及刃口形状的设计问题。这是人们一直致力研究的 问题，目前还没有找到一种比较完善的自动算法，所以基本上采用的还是交互设计 方法。 刃口分解后的分组排序，是排样设计的另一主要内容。在众多的级进模排样系 统中，人们常用的方法是基于图论的算法和基于专家系统的方法，或者两方面的结 合。 基于图论的算法主要思想是：首先根据图论理论 1 4 j ，把各个刃口轮廓看作一无 向图上的一个结点，轮廓和轮廓之间的相互位置关系可用图中结点的连线表示，即 如果两轮廓之间的距离小于某一极限值，在无向图上对应的两结点之间就没有连线， 否则对应两结点之间有连线。然后通过对无向图上的搜索来确定工位数及个工位的 加工内容。这种算法主要是考虑冲裁时的凹模强度要求，建立凹模的干涉关系模型， 由凹模壁厚控制级进工位数，因而无法体现众多的工艺要求。 冲压工艺设计专家系统【1 51 6 l , t j 是建立了收集初始信息、工艺审核信息、冲压工 艺信息的工艺事实库，用来作为推理的前提；总结了许多成熟的可确定排样的工艺 经验，并把这些经验转化为知识库，作为推理的依据：最后用推理机，依据事实库 和知识库，得出最佳的排样结果。这一系统的建立，是在总结各个不同专家的经验 的基础上建立的，因而具有一定的权威性，且能够体现众多的工艺要求，因而受到 各方的青睐。但是目前专家系统的建立和使用还存在很多的问题，如不能提供多种 知识表达方式以适应设计结果的多样性和可行性；不能解决图形识别；计算功能较 华中科技大学硕士学位论文 弱；不能很好的解决冲压工艺设计的反复修改问题；不能对多种方案进行评判和选 择等。基于专家系统存在以上不足，使它不能被大多数用户所接受。 在众多的模具c a d 系统中，大部分系统是把图论算法和专家系统相结合应用。 如浙江大学研制的级进模c a d c a m 系统一p d c a s 系统，是基于知识和特征的系 统，另外他们完成的机械工业部“八五”攻关项目“模具c a d c a m 系统中的工艺 设计 1 7 ”主要也是采用图论算法和专家系统来完成的；华中理工大学研制的h p c 2 0 系统，是以人工智能和图论为基础的；上海交通大学研制开发的“智能型多工位级 进模工步排样c a d 系统”也是在给予图论建立的干涉关系模型和基于专家优化设 计准则的基础上进行排样的【1 8 】。 1 2 2国外冲模c a d ，c a m 的发展概况 早在6 0 年代，国外就开始模具c a d c 触“的研究。7 0 年代初已投入生产使用 中。例如，美国的d l e c o m p 公司研究成功了p d d c 级进模c a d 系统 1 9 - 2 0 ，该系 统的投入使用，使级进模设计周期由手工设计的8 个星期缩短至2 个星期，整个生 产准备时间由1 8 个星期缩短为6 个星期。1 9 7 7 年捷克斯洛伐克金属加工工业研究 院研制成a k t 冲模c a d 系统，该系统适用冲裁件的简单模、复合模、级进模的设 计。a k t 冲模c a d 系统的使用，使模具生产周期大大缩短，成本也减少一半左右； 此外，英国s a l f o r d 大学、日本旭光工业公司、前苏联科学院综合技术研究所等 都开展了冲模c a d 系统的研究，并取得了一定的成果2 。2 ”。 8 0 年代，日本山本制造公司于1 9 8 0 年开发了精冲模c a d c a m 系统；日本富 士通公司于1 9 8 2 年也研制成功级进模c a d 系统【2 3 】；日本n i s s n 精密机器公司1 9 8 5 年在u n i c 软件基础上开发了冲裁级进模c a d c a m 系统：1 9 8 5 年日本微型模具中 心与日本i b m 公司合作应用d c s d r a w 系统开发了一个冲模c a d c a m 系统 2 4 - 2 5 】。 9 0 年代初期，印度学者y k d v p r a s a d 及s s o m a s u n d a r a m 等，在a u t o c a d 上 开发了普通冲裁模c a d c a m 系统( c a d d s ) t 2 。它采用参数化编程技术建立模具标 准库，模具的设计仍以交互式图形设计为主。a u t o t r o l 技术公司开发了模具设计系 统d i e d e s i g n 2 7 1 ，该系统以交互式设计为主，将三维几何造型技术应用于模具设计， 增强了系统对板金产品及模具结构的表达能力。美国s t r i k e r s y s t e m s 公司1 9 9 9 年推 4 华中科技大学硕士学位论文 出一种冷冲模设计软件系统s s d i ep r o f e s s i o n a ，该系统以三维几何造型技术为基 础，完成简单模、复合模、弯曲模、连续模和拉伸模的设计，具有弯曲件展开自动 计算、冲裁力和模具闭合高度自动计算、零件排样自动化、模具结构的人机交互快 速生成、模具装配图和剖视图的自动生成、蹰细表和零件图的自动生成、拉倬件展 开和拉伸工序自动计算、自动生成零件线切割加工指令等功能模块【2 8 】。 近几年来，实体造型和n c 加工技术迅速发展，随着日益加剧的全球化竞争， 计算机集成制造( c 讵) 己成为强有力的竞争手段。美国a u t o d e s k 公司于1 9 9 8 年发布 了m e c h a n i c a ld e s k t o p ( m d t 30 ) 中文版，该软件基于a u t o c a dr 1 4 ，具有较强的三 维参数化特征造型功能【2 9 3 0 1 。美国s o l i d w o r k s 公司继1 9 9 7 年推出的s o l i dw o r k s 9 7 之后，1 9 9 8 年又推出了s o l i dw o r k s 9 8p l u s ，它具有极强的参数化特征造型功能。同 类软件还有以色列的c i m a t r o n ，美国的p t c 公司p r o e n g i n e e r 、美国的e d s u g 公 司的u g i i 、s d r c 公司的i d e a s 和法国达索公司c a t i a 等。法国m a t r a - d a t a v i s i o n 公司e u c l i d i s 软件等都是当今以实体造型技术为基础的、最先进的面向汽车和模 具行业的一体化系统。它们在曲面设计、实体造型、自适应设计和数控加工方面处 于领先地位 3 1 32 1 。此外，还有法国著名r e n a u l t ，m a t r a 公司，日本n i s s a n 公司，德 国a u d i 、b o s c h 、a l f a 公司以及意大利f i a t 公司等均采用e u c l i d i s 系统，用于汽 车车身造型、模具设计和制造 3 3 3 4 】。 在国外，对工序排样问题研究较多的是新加坡a y c n e e 、b t c h e o k 、k y f o n g 等在早期的研究中，他们主要是采用一种建议启发式算法( t h eh e u r i s t i ca l g o r i t h m ) 着重研究冲裁件的毛坯排样问题 3 5 - 3 7 】，后来研究方向是在用以知识和各种推断规则 为基础的专家系统( k b e s ) 3 8 - 4 0 应用于级进模的各项设计中。 1 3 课题的主要研究工作 纵观现有的级进模工序排样设计系统，都还不尽如人意，存在各种各样的不足 之处，表现在以下几个方面： 1 多数系统是解决冲孔落料这类问题，对非落料型问题没有考虑。 2 系统中很少考虑载体的设计和定位方式的设计和选择。 华中科技大学硕士学位论文 3 多数系统把刃口轮廓间精度问题考虑不足，没有充分考虑精度的高低对排样 分组的影响。 4 排样分组后的优化方法不完善。 针对以上不足，课题主要进行了以下几方面研究： 1 研究并给出了解决非落料型冲裁件工序排样问题的基本算法和实现步骤。 2 对工序排样时的刃口轮廓间的精度问题作了详细的讨论，通过对轮廓间的精 度关系的高低的分析，建立了精度关系的数学模型，并采用模糊聚类方法，对这些 轮廓进行分组处理。另外在图论算法建立排样分组前的数学模型时，把轮廓问的精 度关系同时考虑，减少了分组数目和程序运行时间。 3 排样分组后采用模糊综合评判来进行优化，优化时考虑了影响排样的几个主 要因素，建立了优化的模糊数学模型，并取得了令人满意的评判结果。 1 4 小结 本章节介绍了冲模c a d c a m 在工业生产中的地位和作用，说明了冲模 c a d c a m 的优越性和发展趋势。着重阐述了计算机辅助级进模工序排样研究的目 的、意义及适用的广泛性，同时介绍了该领域的国内外发展概况，指出了目前研究 的不足之处和本人将要完成的工作。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 系统分析 2 1 级进模的工序排样的类型 在进行级进模的工序排样时，根据对外轮廓冲裁方法的不同可以分为落料型和 非落料型两种形式。 2 1 1 落料型 如图2 1 ( a ) 所示，落料型是指冲裁件的外轮廓是在冲裁的最后工位次冲裁成 型的，模具的工作刃口形状和冲裁件的外形是一样的。 根据内轮廓的加工方式的不同又可分为封闭型孔式和内轮廓分段切除式两种。 封闭型孔式的级进模指级进模的各个刃口形状与被冲零件的各个内轮廓孔的形 状一样，并把它们安排在一定的工位上，材料经各工位连续冲压，得到一个冲压零 件。 内轮廓分段切除式是指冲裁件的一些内轮廓形状复杂，不能用一个工作刃口一 次冲裁完成，而是采用分段切除余料的形式完成，因此需要对内轮廓进行刃口形状 的设计，分几次冲出零件的孑l 型。 2 1 2 非落料型 非落料型是指冲裁件的外轮廓是采用分段切除余料的方法进行的。在前一工位 切除部分余料，在以后的工位再逐步切除其他余料，最后形成完整的外轮廓。工 件内轮廓根据其形状的复杂程度可以采用封闭型孔式也可以采用分段切除的方法进 行。 图2 1 ( b ) 、( c ) 表示非落料型冲裁加工示意图。 采用的对工件外形局部废料的设计，如图2 1 ( d ) 所示，也相当于对外形进行了 分段切除，应该属于非落料型。 7 华中科技大学硕士学位论文 ( a ) 聋 卜一 卜l 囫 卜卜 一 ( b ) 2 2 工序排样的内容 瞧匡重 匠 二l 卜 囫 卜一 扔l 矿7 了 ( c ) ( d ) 图2 1 工序排样类型 图2 2 所示为一个典型级进模工序排样图，一个典型的工序排样图应该包含以 下几个方面的内容。 图2 2 工序排样酬 1 毛坯排样的方式 工序排样图中应能反映出排样的样式( 单排、双排、多排) 、步距、条料的宽度 并能反映出材料利用率的高低。因此在对工件工序排样前首先要进行毛坯排样。 2 排样的基本类型 工序排样图要反映出排样的基本类型( 落料型、非落料型) ，排样类型确定后， 华中科技大学硕士学位论文 才能确定工件采用的加工方式，从而确定是否需要进行载体设计、定位设计或分割 刃口的设计。 3 条料的定位方式 在设计工序排样图时，为保证工序件在每加工工位能够准确定位，还应该进 行定位方式的设计。 4 各冲切刃口的形状 确定每个工序刃口的形状是模具设计的基础。工序排样图应该能反映各个工位 的冲切刃口的形状。 5 各冲裁工位的内容 工序排样图能够确定工件加工时的工位数，并确定各工位的加工内容，从而确 定工件各部分在模具中冲制顺序。 2 3 系统的主要功能 工序排样的结果是工序排样图。要设计出工序排样图，所要做的技术工作是多 方面的。如前所述，传统的排样设计主要是由人工来完成的，在考虑各种因素对工 艺的影响时，主要是根据人的经验，通过人工进行大量的数据计算、绘图和修改工 作实现。使采用计算机辅助工序排样时，这些工作必须要反映在系统实施的各个环 节中，因而在已经出现的模具c a d c a m 系统中，都对工序排样系统的功能作了许 多的研究。经综合分析，一个工序排样系统应包括5 项主要功能。 1 冲裁件图形信息的输入。系统能够完成直线，曲线，矩形，多边形，圆等图 形等图形信息的输入，并能调整图形的线型及颜色，实现对坐标系统的生成，变换： 图形的组合，分离，放大，缩小，移动，剪切，删除，复制，及保存等功能。 2 选择毛坯的排样方式。对于多工位级进模，以材料利用率为目标的毛坯排样 的结果不一定适合工序排样的要求，系统能够根据工件的不同要求选择毛坯的排样 方式。 3 选择工艺方案。系统能对冲裁件的工艺方案作出选择，如果采用自动选择的 方法得不到令用户满意的结果，系统能提供人机交互选择。 华中科技大学硕士学位论文 4 冲切刃口形状的设计。冲切刃口形状的设计是非落料型级进模工序排样的重 点，冲裁件的形状千变万化，目前还没有找到一种算法能对各种冲裁件自动进行刃 口的设计，为满足不同用户的设计要求，系统能采用交互式方法进行刃口设计。 5 确定工位数和工位的内容。系统要根据排样规则确定排样工位数，各工位的 内容。因为影响排样的因素有很多，且对不同的工件各规则影响的程度也会不一样， 使得排样的结果不可能满足各种不同的要求，因此系统应该能使用户对排样的内容 进行修改。 2 4 系统总体方案设计 2 4 ，1 模块结构 针对工序排样所涉及的各项内容，设计了基于交互式多工位冲裁级进模工序排 样系统结构框架。如图2 3 所示，系统由五大模块组成，即：图形输入模块，毛坯 排样模块，工艺性分析模块，刃v 1 设计模块，工序排样模块。这里简单地介绍一下 这些模块的功能。 2 4 2 排样处理流程 图23 系统功能模块图 工序排样处理流程如图2 4 所示。这是工序排样系统的总体处理流程，首先将 零件图形输入系统，通过毛坯排样及刃口工艺性分析，和刃口分解环节处理，进行 华中科技大学硕士学位论文 工艺性判定，工艺方案选择等来完成零件冲裁工序排样。 刃口形状设计l 上 工序排样 一 结束 图2 4 工序排样处理流程 注：图中工艺性判定条件为间距d ，当d = d m i 。时为y ，否则为n 。 i 图形输入模块 此模块可以完成一般冲裁零件的图形输入。可以完成冲裁零件上直线、顺逆时 针圆弧和圆孔的输入，可以实现直线间的正交功能，可以实现单步的重画。绘图可 以用鼠标拖动，也可以用坐标值直接输入。输入系统的图形信息可以采用交互输入， 也可以建立图形文件或数据文件由用户选择输入。 2 毛坯排样模块 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = = = ；= = = = = = = = 。= ；= = = = = 一 此模块采用平行线分害0 一步平移法完成冲裁件的毛坯排样，可以采用计算机自 动排样，也可以用户给定排样角度，计算材料利用率，绘制毛坯排样图。若毛坯 由圆弧和直线构成，则首先进行外轮廓的多边形化处理。此模块只能完成凸多边形 的毛坯普通单排，搭边值是由设计者交互输入的。 3 工艺性分析模块 此模块完成对冲裁件的各有关几何元素之间的距离、构成的夹角和连接的圆角 半径等值进行冲压的工艺性分析并与材料的冲裁性能要求进行判定，并根据分析和 判定结果进行冲裁工艺方案的选择。 4 刃口设计模块 此模块完成对冲裁件复杂轮廓的分解和模具刃口形状的重新设计。分解轮廓时 用户可以任意指定分解点、拾取组成刃口的个线段并可以对刃口轮廓修改。 5 工序排样模块 本模块可以拾取刃口轮廓，输入轮廓间的位置精度数据，并对有精度关系的轮 廓进行聚类分析。为了对刃口轮廓进行分组排序，首先根据轮廓的排样的强度和精 度关系相结合的算法模型，形成各种可能的排序分组，然后对各个可行分组用模糊 综合评判进行优化。若用户对排样结果还不满意，可以人机交互进行调整和修改， 包括移动一刃口轮廓到任意工位、添加工位、删除工位。 2 与系统开发环境 硬件环境：c p u ：p 4 2 0g h z r a m ：2 5 6m h d i s k ：8 0 g b v g a 或s v g a 的高分辩率的监视器 软件环境：m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 操作系统之上。本课题采用v i s u a lc + + 6 0 为系统开发工具。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 6 小结 本章在对非落料型冲裁件工序排样系统进行了分析的基础上，进行了系统总体 方案的设计。具体介绍了级进模的工序排样的两种类型，落料型与非落料型的概念： 讨论了工序排样应该包含的内容；分析了系统应实现的基本功能，并将其分为五大 模块，既图形输入模块，毛坯排样模块，工艺性分析模块，刃口设计模块，工序排 样模块。确定了系统的实现目标和开发环境。 华中科技大学硕士学位论文 3 关键技术问题 非落料型冲裁件工序排样系统涉及的关键技术有冲裁件毛坯排样、冲裁件的工 艺性分析、刃口的设计和工序排样的优化。 3 1 毛坯的排样问题 冲裁毛坯排样是指工件在条料上布置的方法。通常冲裁毛坯排样方案取决于材 料利用率、材料的轧制方向、压力中心、模具结构的难易等。其中材料利用率对排 样方案的影响最大，因为在冲压零件的成本中，材料费用占6 0 以上，材料的经济 利用是冲压件工艺设计的一个重要内容。因此我们仅以材料利用率作为评定毛坯排 样最优的标准。 3 1 1 排样的材料利用率 材料利用率就是工件实际面积的f o 与条料面积f 的百分比，即： r l2 f r d f ) + 1 0 0 ( 3 1 ) 在冲裁件排样优化问题中，一般先将长为l 、宽为h 的板材按一定宽度裁成长 为l 的若干等宽的条料，然后在条料上按一定角度冲裁出样件。由此，一般材料的 利用率为： r l = n s h l ，r ti = n i h i l t h l ，1 12 - - - - n 2 s i l l l l ( 32 1 公式中：n ：整张板料可裁零件数： s ：冲裁件的面积： h l ，l l ：条料的宽度和长度； n 1 ：整张板可裁条料数，即n 1 = i n t ( h j h l ) ： n 2 ：每条条料可裁零件数； r t l ：板料利用率； n1 = 1 1 1 h 1 l l i l l n2 ：条料利用率；n2 = 1 1 2 s h l l l 华中科技大学硕士学位论文 显然排样优化的目的就是使n = nln2 达到最大。对一般冲裁件而言，由于零件 尺寸很小，使得条料和板料的面积相差很大，而且同一板料可裁为不同宽度的条料 以加工不同种类的零件，即可使： n 1 h 1 l i 。r n l “h ”l ”h l( 3 _ 3 ) 由于l 1 ”= l r l ，h 1 ，h 1 ”为在同一板料上裁出的两种不同条料宽度，故有： n l + h 1 + n l ”h t ”h( 3 4 1 上式表明：在选择两种以上不同宽度条料的适当数量时，可使得板料利用率n1 接近或等于1 0 0 。由此，冲裁件毛坯排样的寻优问题集中于求条料的材料利用率 n 2 的最大值。 3 1 2 冲裁件的排样方式 根据材料的利用情况，级进模中常用的排样方式有普通单排、对头单排、普通 双排、对头双排等四种。根据工件周边有无搭边情况，又分为有废料排样和无废料 排样。如图3 1 所示排样方式。 排列解圈 悱牡共型 育搭进三e 搭边 辞通单悱 l d d b b 耐乳单排 1 b b p ,厂丁丁阿r 普通理排 i 曲如圊矿 甜_ 疆排 l 回回f 吲刮 3 1 ，3 冲裁件的搭边 图3 ，1 排样方式 排样时的工件之间以及与条料侧边之间留下的余料叫搭边。它的作用是补偿定 位误差，保证冲出合格的零件。另外搭边还可以是条料具有一定的刚度，便于送进。 华中科技大学硕士学位论文 搭边值要合理确定。从节省材料出发，搭边值愈小愈好，但搭边小于一定数值 后，对模具寿命和剪切表面质量不利。搭边的最小宽度可取大约等于毛坯的厚度。 若搭边值小于材料厚度，在冲裁中可能被拉入凹凸模间隙中，使零件产生毛刺，甚 至损坏模具刃口，降低模具寿命。搭边值的大小还与材料的机械性能、工件的形状 和尺寸、材料厚度、送料及挡料方式等因素有关。措边值一般由经验确定的，采用 多工位级进模时的搭边值比简单模的搭边值稍大，其值可根据工件材料厚度t ，排 样图的步距p 和材料宽度w 的比值可查表确定。 当p w 的比值小于1 5 时，查表3 1 确定，当p w 的比值大于1 5 时，查表3 2 确定。 表中a 为工件与条料之间的搭边值，b 为工件间的搭边值，t 为材料厚度。 表3 1p w 的比值小于1 5 一 级进模的搭边a 和b ( m m ) 材料宽度w标准最小 2 5 m m t0 8 7 5 r a m 12 5 t1 2 1 5 0 m m 1 5 i2 5 表3 2p w 的比值大于1 5 级进模的搭边a 和b ( m m ) ab 材料宽度w标准最小标准最小 2 5 r a m 1 2 5 t1 ot1 2 9 0 0 图4 5 ( d ) 图4 5 落料和冲孔的识别 为了判别是落料还是冲孔，是锐角还是钝角，按图4 5 ( e ) 和( d 作四个矢量 a l a 2 a 3 a 4 便可确定。 a 3 a 4 o 为落料a 3 a 4 0则为凸出悬臂 s l 0 ，s2 0则为凹槽 其他均属特殊情况，要做特殊处理，对于中间是直线段的光滑过渡则不考虑。 无论是凸出悬臂还是凹槽，归根结底还是求两线段之间的最小距离是否满足工 艺要求。因此我们首先要建立求任意两线段之最小距离的公式。这里我们采用的是 区域划分法作为建立这一共识的基础。 4 3 凹模刃口的关系模型 4 ，3 1凹模刃口的干涉关系模型 在完成刃口的分解和设计后，为保证级进模凹模壁厚的强度要求。各刃口轮廓 的最小距离应大于允许的极限距离，即氏 d m i 。 ，此极限距离可根据冲裁件的大小、 形状、材料类型、材料厚度等确定。刃口轮廓间的最小距离可根据第五章所述两任 意线段间的最小距离的求法计算。 把每个刃口轮廓看作为封闭的刃口环，每个刃口环都与其它各环节进行最小 距离的计算，得到一系列的最小距离值，设d i j ( i ：g ：j ) 表示i 环与第j 环之间的最小距 离，允许的极限距离为 d 。i 。】。在满足条件d i j “i 。】时，表示i 、j 两孔不发生干涉， 其间距能够满足级进模凹模强度要求和凸模安装间距要求。否则，两孔发生干涉， 工序排样时必须将i 、j 两孔分开。依照这一原则，可以建立如下凹模刃口干涉关系 矩阵：m = m i j n x n ，即： m = m l lm r 2 掰2 l形2 2 im 2 m 1 h m 2 h 似8 1 2 4 华中科技大学硕士学位论文 式h 8 ) 中：n 为冲裁件封闭刃口环的个数；m i j 为任意两刃口的干涉值( i ，j 2 1 ， 2 ，n 、。 定义：当d i j d 。 时，m i j = l ( 玛) 两刃v i g n t n ； 当d i j d 。，。】时，m d = o ( i ：匀) 两刃口不相互干涉； 当i - j 时，m u = o ( i ，j - 1 ，2 ，n ) a 并且：m 。i = m j ( i j ) ，矩阵m 为n 阶对称方阵。 从图论的角度讲，环间位置关系可以用一个无向图表示，图中每个节点对应一 个环：若i 环与j 环不发生干涉，则节点i 与节点j 之间有一条边，若环i 与环j 发 生干涉，则对应的两节点之间就没有连线。如图4 7 的一个干涉关系图。用干涉关 系矩阵表示为m = m i j 7 。7 ： m = ( 4 9 ) 圈4 7 轮廓干涉关系图 4 3 2 建立凹模刃口的精度关系模型 为保证在排样时具有位置精度关系的刃口轮廓应放在同一工位冲切，可以根据 刃口轮廓间的精度关系，建立以下的精度关系矩阵。p = p i j n n ，即： p = p l lp 1 2 p 2 lp 2 2 p ，lp 。2 p l h p 2 ( 4 1o ) 2 5 华中科技大学硕士学位论文 式( 4 t o ) 中：n 为冲裁件封闭刃口环的个数；p 。为任意两刃口的精度关系值。 定义：当i 、j 有位置精度关系，舶= l ( i j ) ； 当i 、j 没有位置精度关系，p i i = 0 ( i j ) ； 当玛时，p i i = 0 ( i ，j _ 1 ，2 ，n ) 。 由式( 4 1 0 ) 可知：p “= p j i ( i 手勺) ，矩阵p 为n 阶对称方阵。 从图论的角度讲，环间位置精度关系也可以用一个无向图表示，图中每个节点对 应一个环；若环i 与环j 有位置精度关系，则节点i 与节点j 之间有条边，若环i 与环i 没有位置精度关系，则对应的两节点之间就没有连线。如4 8 所示精度关系图： 图4 , 8 轮廓精度关系图 表示只有和两轮廓有位置精度关系。用精度关系矩阵式( 4 1 1 ) 建立凹模的干 涉精度关系矩阵 4 4 建立凹模的干涉精度关系矩阵 ( 4 1 1 ) 上面我们分别建立了凹模的干涉精度关系矩阵和精度关系矩阵，因为有位置精 度关系的轮廓要放在同一工位上冲制，这样我们可把这些轮廓组成一个新的轮廓。 它包含这些具有位置精度关系可以在同一工位加工的轮廓，重新建立凹模的干涉关 系模型。如果这些具有位置精度关系的轮廓之间有相干涉的轮廓，n , t n 干涉的轮廓 不组成新轮廓。新轮廓和其他轮廓进行干涉关系判断，若新轮廓的所有包含轮廓与 某一原轮廓相干涉，则认为新轮廓与这一轮廓相干涉。若新轮廓的所包含轮廓与任 华中科技大学硕士学位论文 一其他轮廓都不相干涉，则认为新轮廓与这一轮廓不相干涉。新轮廓编号为组成这 一轮廓的所有原轮廓编号的最小值，没有参与轮廓的重组的轮廓其编号要根据新轮 廓的编号作相应的调整。这样我们就建