钣金下料系统的工业需求及解决方案

【导读】
本章介绍下料优化系统的需求及解决方案。主要从以下四个方面展开论述,其一是企业的产品及生产现状,介绍企业当前的生产情况;其二是软件的功能性需求,从企业当前的状况来分
本章介绍下料优化系统的需求及解决方案。主要从以下四个方面展开论述,其一是企业的产品及生产现状,介绍企业当前的生产情况;其二是软件的功能性需求,从企业当前的状况来分析系统需求;其三是下料系统解决方案设计,根据系统的需求来总体设计下料优化系统;最后是下料系统开发所需的相关技术,通过系统的功能需求分析系统所需的相关技术。

2.1 企业的产品及生产现状
2.1.1 企业的产品现状
本文以某公司的工业机柜制造下料工艺为背景,针对公司实际生产过程中的问题加以分析并改进。目前该公司的主营产品为铁路信号产品,包括铁路列车运行控制系统、车站计算机联锁系统、自动闭塞系统等,产品的外壳即为工业机柜,这些机柜一般是冷轧钢或合金制作的,可以提供对存放设备的保护,屏蔽电磁干扰等,如图1所示为列控中心设备以及继电器测试台。 
企业产品样例  
图 1 企业产品样例 
 
机柜按使用功能主要分为服务器机柜和网络机柜,根据产品类型的不同,机柜的尺寸大小及加工工艺也不同。例如服务器机柜主要用来安装服务器,其承重比网络机柜要重一些,因其内部设备散热量大,前后门均带通风孔,因此在生产过程中需要更多的冲孔加工,而网络机柜主要用于存放路由器、交换机等网络设备,对于散热等要求不高,但需要方便观察其内部设备状态,前门一般为透明化玻璃门,因此在加工过程中需要更多的冲裁落料,如图2所示为钣金原材料经过冲裁、折弯、焊接及涂覆等加工为半成品。 
原材料与半成品 
图2 原材料与半成品 
 
该企业生产的产品批量大部分都是1000以下,对于这样的多品种中小批量,企业按照其各类先进的生产设备的功能布置进行加工,使钣金材料经过数控剪床、数控冲床、数控折弯机等加工设备,再对其进行装配、铆接、焊接以及螺栓连接。


2.1.2 企业的生产环境
企业在生产过程中就有各种先进的数控设备引入机柜加工中,如数控剪床、数控冲床、数控折弯机等,这些制造设备在机柜制造中的广泛应用使得产品的加工质量、自动化水平以及生产效率有了很大的提高。企业的生产设备按照工艺原则进行布置,将同类设备布置在一个地方。在加工不同类型的产品时,按照其工艺需求在各个设备上对钣材进行加工。


数控剪床在加工时要按所剪钣料厚度调节刀片间隙以及剪切角,根据需要调节剪切行程并根据需要调节后挡料位置,将钣金原材料剪切为所需要的尺寸大小;根据产品的设计,剪切后的钣料在数控冲床上进行冲裁,在冲裁之前需要选择合适的冲压上下模;冲裁后的钣料要在折弯机上进行折弯,使得二维的钣料塑成所需的三维结构;折弯后还要对机柜的边缘连接处进行铆接以及螺栓连接等。


在进行数控冲床加工时,操作员首先充分阅读零件的图纸,了解零件的技术要求,如尺寸精度、零件的材料、表面粗糙度以及工件的加工数量;接着根据零件的要求进行合理的工艺分析以及制定工艺加工步骤;根据制定的工艺步骤制定加工工艺信息,如加工工艺路线、加工刀具的路径轨迹并确定机床辅助功能的开闭;根据制定的工艺以及零件图信息将其导入到钣金下料软件中,按照数控系统的编程格式制定加工数控代码;将制定好的数控代码通过传输接口传到指定的机床数控装置中,通过机床操作面板调用加工程序进行目标零件的加工。该企业使用的数控冲床为AMADA数控转塔冲床,其配套使用APl00钣金下料软件,如图3所示。 
AMADA数控冲床  
图3 AMADA数控冲床 
 
2.1.3 企业生产存在的问题 
当前企业的钣金加工后余料剩余较多,加工效率较低,同时也没有进行合理的余料管理及再利用,存在原材料上的较大浪费。企业目前使用的钣金下料软件APl00为半自动的钣金下料软件,加工前的钣金排样只能进行规则排样而不能优化排样,而且需要手动排样,主要通过操作人员主观视觉判断进行排样,排样效果较差,这是造成余料浪费的主要原因。如图4所示的下料排样图,操作人员利用现有的下料软件只能将十字型零件按照矩形件进行排样。 
当前的下料排样  
图4 当前的下料排样 
 
企业的下料排样操作员在每次下料时都要通过手动反复进行排放,进行对比并通过主观判断确定相对较好的排样方案,不仅使得工人劳动强度增高,同时由于目标零件形状多种多样,并且有较多的零件都是不规则形状,这样工人排样的难度都将极大的增加,由此可知当前企业的排样方式已经不能适应企业的实际需求。在计算机技术高速发展的今天,计算机辅助制造已经在钣金加工中得到了大力的应用推广。通过对当前下料排样算法进行更深层次的研究,能够开发出使得下料排样更加方便的优化系统,该系统在对图4中的十字型零件进行排样时能够提高钣金材料的利用率,如图5所示为预期的下料排样效果。 
预期的下料排样  
图5 预期的下料排样 
 
除了零件在钣材上排样的问题外,企业在数控冲床开始加工时,冲床加工的刀具轨迹也只是机械的沿着零件图进行冲裁加工,而没有对刀具路径进行优化。在加工过程中有些刀具轨迹是重复无用的,当加工的零件数量较多时,这样的空载路径占据了大量的时间。因此在完成零件的排样优化后,还要考虑如何能提高冲裁效率,对数控加工的刀具路径进行优化。


2.2 下料系统的需求分析
本文的下料优化系统是一个用于解决企业钣金优化排样以及下料的计算机辅助原型系统,具有较好的自动优化排样功能以及自动数控编程的功能。该软件在开发过程中通过与企业工程技术人员的交流以及操作工人的沟通,软件的性能得到了一定的改进,在帮助企业节约钣金原材料方面有较强的实用性,同时能够帮助企业节约生产成本,提高经济效益。不规则钣金零件的下料优化系统主要具有五大功能模块,分别是软件的数据交互功能、下料数据的工艺预处理功能、零件图形的显示功能、零件的自动排样功能以及排样的自动数控编程功能。


2.2.1 软件的数据交互功能 
一个完整的下料系统应该具备数据的输入与输出功能,这样操作人员才能更加直观的与软件进行交互,进而完成所需的作业。企业一般的下料软件输入和输出的图形文件都是DXF格式,这也是考虑到文件的通用性以保证在其它系统使用时的可转移性,除了图形文件外,零件排样后的加工路径数据以及数控加工代码也要在软件的后台进行存储。


本文的下料优化系统具有如下的数据交互功能:
(1)DXF格式文件的输入,零件信息的获取;
(2)零件图形的显示,所需排样零件的选取;
(3)零件排样结果的显示以及排样文件以DXF格式存储;
(4)零件的加工路径信息的存储与获取;
(5)排样结果的数控程序代码生成并存储。


2.2.2 数据的工艺预处理功能
企业在进行零件的下料之前,必须要完成的一个操作就是对下料零件的数据进行工艺性预处理,零件在机床上实际加工过程需要留出一定的工艺间隙, 即下料系统要实现对零件尺寸的调整功能,使得下料零件之间保持一定的工艺间隙,满足加工需求。本文可以实现如下的数据工艺预处理功能:

(1)实现下料原始数据格式的转换预处理;
(2)在数据格式转换完成的基础上,实现下料数据的预留工艺间隙功能。


2.2.3 零件图形的显示功能
下料系统中零件的图形显示是其中一个重要的功能,在用户进行下料优化软件的操作时,能够直观的看到所要排样零件的形状,以确定下料操作的正确性,在用户完成下料加工路径规划时能够根据路径仿真图确定加工路径的正确性,帮助用户更快的发现问题并改进下料过程。


本文的零件图形显示采用OpenGL(Open Graphics Library,开放图形库)技术。OpenGL是一个跨编程语言以及跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口,同时也是一个三维和二维的计算机图形和模型库,OpenGL作为一个行业领域中应用广泛的图形应用程序设计界面(API),它是独立于视窗操作系统,运行在Windows、类Unix、Linux以及MacOS等各种操作系统的计算机上都可用,它是是游戏开发、虚拟现实、超级计算等应用领域的标准图形库。

OpenGL不是一种编程语言,而是一种API,它提供图形软件包以及一些内置的图形算法。 在应用中OpenGL可以与Visual C++紧密连接,使用简便且效率高。它的功能主要包括建模、变换、颜色模式设置、光照和材质设置、纹理映射、位图、双缓存动画等七大功能。基于OpenGL的特点,本文的下料优化系统可以实现如下的零件图形的显示功能:

(1)在完成下料数据预处理后能够对零件图形进行预览,同时能够对零件的显示进行缩放操作;
(2)在下料系统进行零件的自动排样后,显示排样结果;
(3)零件的加工路径规划完成后,显示路径加工轨迹。


2.2.4 零件的自动排样功能
下料优化系统要解决的一个重要问题就是零件的自动排样,自动排样的实现可以使得企业的操作人员不再通过手动拖动的方式去进行排样,而只需根据零件的复杂程度以及下料规模选择合适的下料方法进行排样。

本文的下料系统可以实现如下的自动排样功能:
(1)将几种下料算法封装为下料算法库;
(2)选择适合的下料排样算法进行排样。

 
2.2.5 下料的自动数控编码功能
数控编码功能的实现可以使得车间的操作人员在操作允许的情况下直接将排样结果转为数控代码,这样可以更加便捷的进行数控机床的加工,提高工作的效率,本文的下料系统的数控编码是在数控冲床上实现的。

本文的下料系统可以实现如下的数控编码功能:
(1)首先确定工件的夹钳位置;
(2)确认使用模具以及模具的位置编号;
(3)根据加工路径优化算法确定最优的加工路径;
(4)进行数控代码自动编码。


2.3 下料系统解决方案设计
2.3.1 系统的总体设计 
下料优化系统围绕钣金下料的整个过程,从输入的零件文件开始到最终生成数控加工代码需要多个模块协同进行才能完成,每个模块又包括大量的图形展示以及图形计算等,每一次的计算都对应不同的输入数据与输出数据。整个系统的不同模块可以看作一个框架,如图6所示为系统的框架图。 
下料优化系统的框架  
图6 下料优化系统的框架 
 
上图中将下料优化系统设计分为三大模块,分别是下料数据的预处理模块、下料排样的算法库模块以及下料优化系统的后处理模块,这三大模块在功能细节的表现上可以通过系统的输入、处理运算以及输出三个下料流程阶段来实现。下料优化系统的流程图如图7所示。 
下料优化系统的流程图 
图7 下料优化系统的流程图

在系统的输入阶段,将需要排样的零件文件进行导入,同时对零件进行预处理使其满足实际的加工需求,同时要输入钣材原材料的尺寸数据以确定排样空间; 在系统的处理阶段,根据零件的形状以及排样的规模选择算法库中适合的算法进行零件的自动排样,并将排样效果进行展示,然后根据排样的数据对加工路径进行优化确定,根据加工路径数据进行数控程序的编写;在系统的输出阶段,将数控加工程序以文本文件的格式输出,同时将系统的排样结果文件以及路径加工文件以DXF的文件格式输出。


2.3.2 系统的开发环境
基于目前的技术发展情况,Windows 7操作系统是运行下料优化系统比较理想的平台,该操作系统的稳定性、实时性以及多任务特性比较好,且图形界面标准,因此本文的下料优化系统的开发是在该操作系统下完成的。本文的下料系统选用的是Visual Studio 2010软件开发平台,该平台是由微软公司研发的一套基于组件的开发工具构成,其具有集成开发环境IDE和代码编辑器,且该平台提供的窗口系统能够让操作人员使用起来比较方便高效。在系统的代码实现上,本文采用C++编程语言,C++语言的面向对象特点以及强大的类、封装特性使得程序的结构以及功能的实现更加清晰。


2.4 下料系统开发所需的相关技术
下料优化系统由于涵盖的模块较多,在进行系统开发的过程中所需要的技术也比较繁多,按照系统从输入、处理、输出的流程可以将相关的技术归为三类,如图8所示。 
系统所需的技术  
图8 系统所需的技术 
 
其中工作文件定义以及进行存储技术在输入、处理以及输出的三个阶段中都被需要,通过合理的对工作文件进行定义以及存储设计可以使得整个下料优化系统的数据连接更加清晰明了;在系统输入阶段还需要DXF技术对输入的零件文件进行读取并获取零件的几何信息,通过计算几何技术对零件文件进行加工余量的预处理;在处理运算阶段,排样算法的设计以及加工路径的规划都需要组合与最优化技术来进行优化运算,图形显示技术被用来进行零件图形的预览、排样结果的显示以及加工路径轨迹的显示;数控程序的自动生成则需要数控编码技术来支持,这些技术的融合再加上计算机编程技术的协作,下料优化系统的开发才能得以逐渐完成。


本文在系统的实现上采用的是命令交互界面,通过命令行的交互命令来操作软件的运行,因此在技术层面需要命令交互设计技术。编译系统如Windows的VC以及Linux的GCC都是交互命令界面与窗体乔面并存的,而本文之所以采用命令交互界面有如下四点原因:

(1)交互方式可以回避因软件环境不同而必须进行的界面开发,从而集中精力进行软件的核心开发,是软件原型开发的一种较好方法。

(2)交互方式移植性好,是几乎所有高级软件系统的必带功能。在软件原型开发完毕后保持图形界面和交互命令界面的软件系统非常常见:例如Micrsoft的Visual C++,IBM的ILOG Cplex,目前公认最佳优化工具Gurobi等。

(3)交互方式是软件的高级操作方式,其比图形界面具有简洁和更接近底层的特性,是技术层(非用户层)人员的首选,适合在软件原型开发及评测、维护、升级时使用。

(4)交互方式下软件的模块化较强,利于复杂系统的开发。


2.5 本章小结
本章结合企业实际应用,充分分析企业所生产的产品以及生产环境情况,并在此基础上挖掘企业对下料优化系统的需求,对系统的功能性需求进行展开分析,对下料系统的几大功能进行阐述,并设计系统的解决方案,通过三大模块进行系统设计,同时对各个模块的细节流程图进行展开,并阐述了下料优化系统开发所需要的技术。 





  • 2019-11-07 10:16
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