钣金折弯工序编排算法解决方案

【导读】
钣金折弯工艺是将钣金进行个系列的连续折弯以生成工件的制造工艺。其中折弯设备的调整时闻和工件的操作时间是影响制造成本的关键因素。钣金件的折弯工艺规划要考虑一系列的因

钣金折弯工艺是将钣金进行个系列的连续折弯以生成工件的制造工艺。其中折弯设备的调整时闻和工件的操作时间是影响制造成本的关键因素。钣金件的折弯工艺规划要考虑一系列的因素,其中最重要的是干涉问题。在避免干涉的基础上,考虑模具更换次数、工件翻面和掉头次数的冈素,找到最佳的折弯次序,降低制造成本,提高上作效率。


折弯加工的工艺设计,由于受到产品品种多样性、制造过程离散性、生产环境复杂性和系统状态模糊性的综合影响,使得工序编排成为一种极其复杂的决策过程。事实证明,折弯工艺优化在很大程度上楚一个多强标的最优化过程。工艺设计楚特征技术、逻辑决策昶缝合优化等多种过程的复合体,不可能采用简单的数学模型来实现所有功能。


组合优化是一个离散的最优化问题,在规划、调度、资源分配、决策等问题中有着非常广泛的应用,由于组合优化问题的计算复杂度高,属于NP(Nondeterminstic Polynomial-bounded)“难”一类问题。折弯工序优化问题就属于NP问题。当排序的规模较小时,可采用传统的逻辑决策方式,一般能得到较好的可行性,也可采用运筹学的经典算法求解。当排序规模较大时,由于组合的可行解数目呈指数函数增长,要全部枚举这些节并找到最优解,实际上已不太可能。


由于NP问题的这些特点,启发式方法被用来解决这类问题。这种方法是建立在经验和判断的基础之上,尽量消减解的搜索范围,避免盲目搜索,同时也能得到较好的近似最优解。对于折弯工艺的优化问题,使用不同的启发式规则加上AI(人工智能)技术加以解决。在许多研究中均采用启发式规则来生成弯曲工序并为每道工序选择最适模具,并以此来减少搜索空间。


钣金零件FE拓扑图的建立
钣金折弯件的折弯工序编排问题可以用特征树状图搜索加以描述,下面就以一个典型的钣金零件实例来阐述折弯工序的编排过程。针对钣金零件折弯工艺的特点,将钣金件视为是由若干面特征和折弯特征组合而成。其中面特征包括基板特征和一般板特征。将面特征设为“面节点F(FACE)”,折弯特征设为“边节点E(EDGE)”,根据以下规则构建钣金的FE拓扑图:

1)定义钣企零件的基板特征为Fo,作为特征树形图的根节点,一般设置一个基板特征;

2)定义基扳特征FO的折弯特征为Ei(i=1,2…),佟为特薤树形图播弯节点;

3)分别以四条边为折弯线的平板特征为Fi(i=1,2…),作为特征树形图的面节点;

4)面节点之间不存在相邻关系,折弯节点之间可能存在虚相邻关系,如图1中的钣金零件拓扑图中所示;

5)定义面节点的蒸本属性,包括折弯线长度(F-lentil)和折弯高度(F-height);

6)定义折弯节点的基本属性,包括折弯角度(E-angle)、折弯半径(E-radius)和折弯方向(E-orientation)。 

 
图1 钣金零件实例


这里以图1所示钣金零件的二维展开图为例,提取钣金的面特征和折弯特征,根据上述定义规则构建钣金零件的FE拓扑图(图2)。基于钣金件结构的FE拓扑图可以自然体现钣金零件拆弯边与面特征的拓扑结构关系。其中基板特征、平板特征和折弯特征之间的关联信息,以及节点中提取的节点几何信息如边长,对于后续折弯工序的编排提供启发式信息。 
钣金零件FE拓扑图  
图2 钣金零件FE拓扑图 
 
 钣金零件特征树的建立
FE拓扑图只是一种零件结构的映像,直接进行折弯工序的编排效率不高。分析钣金折弯正艺,在FE拓扑图的基础上可以进一步将一些工艺特征相同的信息属性的节点进行简化。比如折弯对称、折弯共线、折弯同向等。由此根据钣企零件特征信息,提取钣金折弯特征中的对称特征、共线特征、同向特征,进行特征合并处理,并去除虚相邻关系,简化得到零件二叉特征树。

1)共线的特征可以同时折弯,根据折弯特征信息属性提取共线特征,合并处理为一个特征。如折弯E7、E9合并为折弯E7-9,折弯E8、E10合并为E8-10,相应的面特征也合并处理为F7-9、F8-10。

2)关于基板特征对称的一组折弯特征,折弯方向相同、折弯角度相等,在折弯过程中的可以以先后相邻顺序绑定,如E1-E2、E3-E4、E5-E6三组对称特征。

3)合并后的折弯特征E7-9、E8-10关于钣金折弯对称,绑定E7-9——E8-10特征作为一个折弯节点。

4)去掉拓扑图中的虚相邻连接,简化钣金零件FE拓扑图得到如图3的特征二叉树,与FE拓扑图相比,处理后的特征二叉树中的节点数目要少很多,这样便于减少后续的优化搜索空间。
工艺处理后特征二叉树  
图3 工艺处理后特征二叉树 
 
启发式规则
这里采用工艺知识库中的启发式信息制定一系列的启发式规则,依据深度优先搜索的原则,考虑干涉约束的回溯条件,对特征二叉树中的节点进行搜索,确定折弯次序的方法。


启发式搜索是一种针对具体问题,事先对搜索路径进行“预测”,避免盲目搜索,达到快速搜索目标的搜索方法。启发式信息是一些简单规则的集合,利用这些规则使搜索朝着正确的方向进行,而这些规则是从搜索求解中所受到的某些限制中提取总结出来的,即从约束条件中提取总结出来的。为了减少搜索空间,加速可行折弯路径的搜索,根据前文拟定的启发式信息,转化成以下嚣对多叉犍孛的搜索规则来减少搜索的时间:

1)在同一子树中,叶节点的信息属性受到枝节点的关联影响,所以先对叶节点对应的折弯特征的进行折弯,可以减少后续工序的干涉几率;

2)先进行同方向的折弯能减少折弯工件的翻转次数,可按照由外向内的顺序,搜索同方向的同侧的节点依次进行折弯,直到子树中的所有节点搜索完成;

3)采取深度优先搜索的原则搜索特征子树,从最左侧的子树的叶节点开始搜索直到根节点,再回溯到右边的子树进行搜索,直至搜索完所有子树;

4)按照以上规则完成所有折弯节点的搜索,得到可行的折弯次序。


算法流程和方案优化
在折弯工序算法设计中,以干涉约束条件作为回溯条件,以上述启发式规则作为启发查找依据,其算法流程如图4所示。
正序算法设计流程图  
图4 正序算法设计流程图 

遍历搜索完整个特征树,得到可行的折弯工序树,为了提高生产效率,需要从这些可行的折弯工序中找到最优的折弯工序,也就是消耗时间最少的折弯工序。工件的折弯工序优化标准是:使用最少的模具、最少的工步、在最短的时间内生成钣金零件的工序。以下考虑模具的更换、模具的配置、折弯工步、翻面次数和工件掉头等影响加工时间的因素,根据其相对的重要性赋给一定的比值。


折弯工序优化结果
以图4.9中的钣金零件为例来说明折弯工序的可行方案和优化选择的过程及优化得到的结果。根据钣金零件的特征多叉树,依据启发式算法搜索所有的折弯节点,得到以下可行的折弯次序:

1)E5-E6-E7-9-E8-10-E3-E4-El-E2

2)E7-9-E8-10-E5-E6-E3-E4

3)E5-E6-E7-9-E8-10-E1-E2-E3-E4

4)E7-9.E8-10-E5-E6-E1-E2-E3-E4


对上述可行折弯工序进行优优选择,根据前面的馅算公式,根据实际生产情况对k1、k2、k3、k4分别赋值0.3、O.3、0.2.、0.2,计算得到最小代价为1)、2)两种排序方案,可作为该钣金零件的折弯次序。


表2所示的是该工件第一种可行折弯工序方案的加工数据,该工件分为8个工步,折弯角均为90°,折弯半径均为r,加工过程工件翻转1次,掉头8次,更换2次模具,需要配置三套模具缀合,这里只标明上模规格,下模均为单口,滑决值(冲模下行位移)均为工件的折弯深度。依据这个折弯工序表,通过系统的后置处理模块可以输出机床代码,直至完成钣金零件的加工。 
折弯工序的加工数据表 
 
小结
本章首先介绍了自由折弯工艺要求,然后研究了折弯过程中的干涉约束、精度约束和翻转约束条件,最后根据钣金零俘的结构特征,构建特征FE拓扑图,依据工艺进行特征合并处理,可以得到钣金的特征二叉树。在此基础上采髑扇发式的规则进行搜索,从而获得钣金折弯工序的可行方案,并通过约束检查,取得优化结果,应用证明本文所提出的方法可以大幅提裹折弯工序编撰效率。 

  • 2019-11-01 14:55
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