桂林電子科技大學英文翻譯譯文 1 鈑金 在 級進模 中的工步排樣 設計自動化 摘 要 工步排樣 設計 在鈑金級進模規劃進程當中是 一個重要步驟。 它是一種依賴經驗執行的工作， 工步排樣質量很大程度上取決于模具設計師的知識和技能。本文提出了一種工步排樣設計自動化過程 的專業系統 。 該 系統 的 開發 是使用趨向人工智能（ AI）生產規則的專業系統。 它包括 專家向用戶建議的六大模塊： 識別金屬板操作 ， 排序操作 ， 選擇適當的 向導 方案 ，工位數，分階段 對級進模的操作和選擇適當 尺寸 的 條狀胚料 。最后 ， 工步排樣 系統模塊自動在 AutoCAD 繪圖編輯器 上利 用其他模塊的輸出數據文件。系統的有效 性通過一個工業組件 的例子 演示 ， 該系統靈活 且成本低。 關鍵詞： 自動化；工步排樣設計；鈑金加工；級進模；專家系統 1 介紹 工步排樣設計在級進模設計規劃階段當中作為一個極具重要性的生產力，模具的精度、成本和質量主要取決于工步排樣（ Tor et al ,.2005）。傳統的工步排樣設計是手工的，且需依靠豐富的經驗完成，因此單調乏味，耗時且容易出錯（ Li et al.,2002；ridha,2003）。40 年前工步排樣的問題都是手工解決的，即通過操作硬紙板切割胚料而獲得一個好的排樣。這個試錯過程獲得合適且最大材料利用率 的工步排樣，仍然被使用在 全世界的的 大多數規模小、甚至在一些中等規模 鈑金行業 中。工步排樣的質量通常利用于設計者的經驗和知識的傳統方法而達到。計算機輔助設計（ CAD）系統的出現大約在三十年前，工步排樣設計的過程變得更加容易，更換模具的設計從幾天減少到幾小時。然而，訓練有素和經驗豐富的模具設計師仍然需要操作這些 CAD 系統。工步排樣設計中的大多數CAD 應用的主要目的是通過旋轉和盡可能緊湊地布置胚料余料從而實現更高的材料利用率。然而，最大限度的節省材料的工步排樣并不一定是最好的，事實上沖模結構可能會變得更加復雜，這使 得節省材料的經濟性有所抵消，除非需要生產大量的零部件。該系統由 Schaffer(1971)于 1971年發表的關于在懸臂式模具測試中由于彎矩產生的壓力的計算報告中提出的。如果系統發現應力水平高于模具鋼材料的屈服應力，然后系統將會分配幾個階段進行切割操作從而使壓力保持在合理的限制范圍內。系統的限制之一是， 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 2 它不提供任何重要的復雜模具和沖壓機分段操作。 Adachi et al（ 1983）為級進模的設計開發了一個集成化的 CAD 系統。系統輸出也包括了一代級進模工步排樣。但是用戶必須自己指定獲得工步排樣的操作順序 。 Nee（ 1984a,b, 1985）發表了 一些關于沖壓能力分析的 實驗方案 ，盤繞狀或帶狀胚料的使用和成本因素的考慮是為了解決最優設計排樣和金屬板和沖壓件余料間的嵌套問題。他所有的工作集中在通用工步排樣設計過程和不涉及其他沖壓操作的專家規則，如沖孔、彎曲、成形等。該系統是由 Duffy 和 Sun (1991) 研制的以知識為基礎的系統方法來生成用于連續沖壓模的工步排樣。該系統在 IDL 中實現，是一個以知識為基礎的系統語言。該系統有生成工步排樣性能；然而，它還沒有實現，其功能在現實生活中沒有測試。由 Prasad 和 somasundaram（ 1992） 研發的計算機輔助模具設計系統（ CADDS）中同樣也有一個的關于級進模工步排樣模塊。在這個模塊中，根據輸入的參數選擇模具型號。 如果選中的模具是連續的，帶料開發是隨后根據規定納入工步排樣模塊的。 但是系統的主要限制是它支持主要的沖裁和沖孔操作。 Singh和 Sekhon（ 2001） 開發了一種低成本的二維金屬沖壓排樣建模器。該軟件是基于AutoCAD 和 AutoLISP 的基礎上開發的。該系統可以實現圓形、多邊形和有彎曲段組件的建模。 供選擇的工步排樣也按最優生產及檢測。該 系統的主要限制是它只處理單 一操作沖壓模具 。 Kim et al .(2002)用 AutoLISP 語言開發了一個系統。系統通過對彎曲幾個因素的考慮和采用模糊理論，電器產品確定了復雜沖孔和彎曲操作的工藝順序。通過構建模糊矩陣，并結合模糊推理的幾個規則，計算出模糊關系值和確定最佳彎曲度。該系統的工步排樣模塊能夠進行 3D 電子產品的彎曲和沖孔操作。這個系統的主要限制是它在級進模上只能進行彎曲和沖孔操作。 Venkata Rao （ 2004） 提出了一個工步排樣金屬模具沖壓工作有關的選擇過程。 這個過程基于層次分析法（ AHP） 。但是，開發過程只適用于簡 單的落料和沖孔模。 Chu et al .（ 2004） 提出了一個在連續沖壓模的設計中能夠生成一個自動沖壓順序的數學技術。圖 1 用于表示一個沖壓件并定義其沖壓特征之間的關系。該圖通過使用聚類算法劃分出相互獨立的頂點。最后，簇集的進行排序，得到工位數最終序列。該系統的一個標準軟件的完善和發展仍在進行中，而且必須針對實際工業中具有不同形狀的鈑金件進行測試。 上述文章綜述顯示，只有少數的研究和開發工作在鈑金在級進模沖工步排樣設計自動化領域得到實現。大部分工作都集中在金屬板落料沖孔操作的工藝規劃上。一些商業計算機輔助系統 可以協助模具設計師，但這些僅是有限的簡單計算，帶嵌套、檢索目錄數據和編制標準模組件的數據庫，并沒有直接解決工步排樣設計的問題。依賴經驗再加上模具設計師在沖壓行業的流動給世界各地的鈑金行業造成很多的不便。 因此，獲得一個擁有模具設計師的經驗及知識的專業系統是必不可少的，這樣的系統可以保留并適當運用于未來的應用和發展。 盡管一些專家系統已經開發了模具設計區域，但是大部分的研究工作都集中在嵌套和金屬板料成形和變形的工藝設計上。沒有特定的為解決級進模工步排樣的設計問題而開發的系統。為提高生產力和建立計算機集成制造環境， 工步排 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 3 樣設計自動建模至關重要的。 本文所闡釋的開發工作的目的主要專注于使用基本規范的人工智能專家系統的工步排樣自動化設計。系統在個人計算機自動化桌面的 AutoCAD 2004 軟件中以及和設計在 AutoCAD 的加載區域被應用。 表 1 樣品生產規則納入該系統樣品 序列號 如果 那么 1 0.001孔、槽或內部輪廓切線的最小精度及特 性要求 0.2 沖孔 2 0.001外部邊界、輪廓切口的最小精度 0.2 開槽 3 0.001完整切割界面最小精度 0.2 切割、 分斷 4 要求操作 :開槽、下料 /切斷 ,穿刺 操作步驟： 1、沖孔； 2、開槽；3、下料 /切割 5 工件上孔數 2；圓形孔洞直徑 1.0mm,孔間距 2 倍薄板厚度 ,孔到工件邊緣的距離 2 倍的薄板厚度 ,孔的指定公差 0.05mm,孔位于工件兩側 選擇兩個最大的孔作為測 導向 6 存在可利用于組件上的合適的孔 第一工位：沖孔、檢測 7 滑塊內部到邊緣的最小距離 2 倍薄板厚度 (但不低于 3.0mm)或由設計決定 不作任何操作 8 工件操作：開槽、沖孔（任意孔數）、剪切；孔 間距及孔到部件邊緣的距離 2 倍薄板厚度 5 個工位數。首先，工位一，沖孔；第二工位，開槽、檢測；第三工位，沖口加工、檢測；第四，切斷。 9 薄板厚度 1.4mm； 25毛胚輪廓寬度 75mm；銳邊（沿薄板寬度）存在于垂直薄板移動方向 選擇板寬等于毛培輪廓寬度 +3.2mm 10 薄板厚度 0.8mm，毛培長度 25mm，銳邊（沿薄板長度）存在于平行薄板移動的方向 選擇進給量等于毛培長度 +2.0mm 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 4 圖 1 提出了執行系統 2 工步排樣設計 的 建議 級進模工步排樣設計是用來安排操作布局并隨后的決定所需的工位數 。對于工步排開始 使用 AutoCAD 命令 進行毛胚的建模 零件的幾何特征 特性 結束 操作識別 （模塊 OPRPLAN） 操作順序 （模塊 OPRSEQ） 分階段操作級進模 （模塊 OPRSTAGE） 選擇板寬和進料距離 （模塊 SWLSEL） 選擇導向方案 （模塊 PLTSEL） 工步排樣建模 （模塊 STRPLYT） 數據文件 SWLSEL DAT 零件數據文件 COMP.DAT 數據文件 OPRPLAN.DAT 數據文件 OPRSEQ.DAT 數據文件 OPRSTAGE.DAT 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 5 樣設計，模具設計師決定零件加工所需的鈑金操作部分、操作排序、試驗方法的選擇、所需的工位數和級進模每個工位的沖壓操作。工步排樣是由零件的形狀及其技術要求決定的。它通常是受零件的幾何特征，公差尺寸，尖銳的條料邊緣方向和其他技術要求支配。工步排樣設計中的如何確定一個合適的沖壓操作序列從而使零件能夠被正確地有效地沖壓是個重要而困難的一個步驟。條料的操作順序和每一個操作細節的必須精心研制，以確保設計生產出良好的無生產或維修問題的鈑金零件。通常情況下工步排樣設計的最佳解決方案并不是唯一的，但某些常見的規則可 以用于指導工步排樣的設計。一些常用于工步排樣設計的重要規則通如下 : （ 1）初始操作如切邊或 裁剪 ，不直接影響最終產品的形狀的工序應該放在第一階段。 （ 2）如果有合適的孔可用于鈑金零件上，這些孔應該用于向導，否則應根據級數引入外部先導孔。這些導向孔的沖孔加工應在第一階段或剪裁階段完成后進行。導向孔的位置應該總是以最大可能的間隙遠離帶料的兩側。這是為了得到最好的定位和帶料的固定，使導向孔在各自的位置導向。 （ 3）在一個工位上沖孔，兩個孔之間的距離必須大于某個確定值以確保模具強度。如果他們有密切的定位和功能不相關， 沖孔可以分布在幾個不同的階段 （ 4）位置精度要求高的孔的應該要在一個工位上沖孔。 （ 5）一個模具上不應設計狹窄的槽和凸出部分，以防止模具發生斷裂可能。 （ 6）如果坯件的外部輪廓是復雜的，則可以把坯料凸出的所有頂點垂直向上到帶材的邊緣，使輪廓分成簡單的部分。 （ 7）閑置工位可以用來避免擁擠的沖頭和模具塊一起。另外一個優勢是，未來可以用低成本整合工程更改。 （ 8）彎曲最好應該在最后一個工位或分階段之前完成，并且余下的帶料安排也應滿足這樣的要求。 （ 9）最后，切斷或切邊工序 (s)和作為半導向的內孔（如果有的話）應 該分階段進行。 （ 10）為了提供最大強度的橋梁，應該使用足夠寬度的橋。 （ 11）最后，以這樣的方法設計帶料，使組件和擦傷能夠不受干擾地被驅逐。 導向定位是級進模在工步排樣設計中是一個重要因素。條料必須在每一工位準確定位，這樣可以在適當的位置執行操作。選擇導向方案的任務在工步排樣設計流程中應被視為相互依存的。一個工步排樣設計系統應該支持直接導向，半直接導向和間接導向方案。如果一個孔是圓形，指定尺寸公差不高，作為定位孔足夠大，不在工件的折疊部分，不太靠近工件的邊緣，且不太靠近工件上的另一個孔，那么這個孔被認為適 合做先導孔。從合適的導孔中，最好的引導孔應基于以下的條件優先選擇： （ 1）如果只有一個孔是可用的，它必須首先考慮。 （ 2）如果有很多個孔，那么應該檢查這些孔的位置。 （ a） 如果孔都位于條料進給方向的同一方向，那么選擇最靠近工件幾何中心的一 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 6 個孔。 （ b）如果孔都位于條料進給方向的垂直方向，那么選擇兩個最大的孔（如果直徑相等的），且這兩個孔的的距離大于兩倍的薄板厚度。 （ 3）選擇兩個最大的孔（其直徑在彼此的一個預先設定的百分比），且滿足前面的條件。 保持上述基本原則和建議，就能開發出一個金屬板在級進模中的工步排 樣設計自動化的專家系統，所提出的系統的簡要描述如下。 表 2 典型的提示，用戶的反應和專家的建議是在專家系統執行例如組件（圖 2）的過程中產生的 提示 示例數據輸入 對用戶的建議 請輸入薄板材料 黃銅 毛胚模型使用 AutoCAD 命令 請輸入薄板厚度（ mm） 0.6 請輸入 OPRPLAN 命令 OPRPLAN 歡迎來到 OPRPLAN 模塊，此開發用于識別操作 輸入進給類型 自動 帶料是否翹曲？ 否 請以問卷的形式輸入零件的幾 何特征（是 /否） 外部邊界或 輪廓是否存在小切口或缺口？ 是 是否存在孔或槽或內部輪廓切割？ 是 薄板邊緣是否粗糙？ 否 沿著直線軸是否存在彎曲？ 否 是否存在彎曲或成型？ 否 是否要求在毛胚的任一邊完整切割？ 是 以下操作是必需的 開槽，沖孔、切斷。請輸入 OPRSEQ 命令 OPRSEQ 歡迎來 OPRSEQ 模塊，此模塊的開發是用于識別操作順序的正確性。操作順序如下：第一，沖孔；第二，開槽；第三，切斷。請輸入 PLTSEL 命令 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 7 PLTSEL 歡迎來到 PLTSEL 模塊，此模塊是用于選擇 導向方案 工件上是否存在任何折疊部分？ 否 輸入孔的指定公差 0.05 孔是否位于工件的兩側 是 選擇工件兩側上最大的孔作為導向孔，請輸入 OPRSTAGE 命令 OPRSTAGE 歡迎來到 OPRSTAGE 模塊，此模塊用于工位數的確定和級進模的分段操作。請輸入 OPRSTAGE1命令 OPRSTAGE1 孔與孔之間的中心距是否在 0.05mm 范圍？ 是 在同一工位上沖這些孔 工件上外輪廓是否存在復雜的或薄弱部分 否 內部特征邊緣之間的和模塊邊緣最小距離是否 2.0 倍薄板厚度（但不能小于3.00mm）？ ”R”工件在為來工程中是否有變更的可能？ 否 請輸入 OPRSTAGE2 命令 OPRSTAGE2 輸入工件上槽的數量 2 輸入工件上的孔數 2 所需的工位數 =5。分段操作的首選：第一工位：沖孔；第二工位：沖孔、開槽和導向；第三工位：開槽和導向；第四工位 :開槽和導向；第五工位：切斷。請輸入 SWLSEL 命令。 SWLSEL 歡迎來到 SWLSEL 模塊，此模塊用于確定帶鋼寬度和進給的距離 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 8 輸入毛胚輪廓寬度（ mm） 62.0 輸入薄片鋒利的邊緣方 向（沿板寬） 垂直于帶材的移動方向 選擇帶料寬度 =65.2mm 輸入毛胚輪廓長度（ mm） 12.7 輸入移動薄板的鋒利的邊緣方向（沿板的長度） 平行于帶材的移動方向 選擇進給距離（或間距）=14.7mm，命令請輸入 STRPLYT STRPLYT 歡迎來到 STRPLYT 模塊，此模塊是為工步排樣自動建模而開發的 選擇一個起點 (220,100) 系統工步排樣建模在 AutoCAD的繪圖編輯器上顯示 3 所提出的系統的開發和執行 所提出的系統每一模塊的知識的獲得有各種來源 (Kumar et al .,2006)，包括經驗豐富的模具設計師，車間工程師、模具設計手冊、期刊研究、手冊和工業手冊。從各種來源收集來的設計資料通過 IF-THEN 變化，構造成適合生產規則的有用知識 。為了簡便，所提出的系統把成套的生產規則知識庫為六個模塊 ,即 OPRPLAN, OPRSEQ, PLTSEL, OPRSTAGE, SWLSEL and STRPLYT。每個模塊生產規則的制定都會經過其他團隊的模具設計專家使用 IF-THEN 規則中的 IF 條件假設進行反復驗證。一個樣本經過制定和驗證；然后納入該系統各模塊的功能是表 1 中給出。所提 出的系統的生產規則的序列是非結構化的，這種安排甚至允許專業知識相對較少的工程師插入新的規則。這些用AutoLISP 語言編碼，同樣它可以在 AutoCAD 界面上進行工步排樣建模。通過推理機制的正向推理把生產規則和系統的知識庫聯系在一起。系統的知識庫中包括 300 多個種類的 IF-THEN 規則。然而，系統是足夠靈活的，因為知識庫可以更新和修改，如果有必要，在技術上提升和使用車間里的可用的新設備。 系統的執行如流程圖 圖 1 所示。系統要求用戶在模型的空白處使用 AutoCAD 指令。隨后用戶在 AutoCAD 提示區 輸入零件數據信 息，如薄板厚度、薄板材料等。系統會自動將這些零件數據存儲在一個零件數據文件上并標記為 COMP.DAT。系統的第一個模塊OPRPLAN 確定零件加工所需的金屬板操作類型。該模塊需要用戶輸入相關數據，即零件的尺寸公差和幾何特征。這個模塊的輸出是零件制造所需的金屬板操作推薦的類型。下一個模塊 OPRSEQ 決定鈑金操作推薦的順序。 它直接從 OPRPLAN 模塊在 執行過程中生成 出數據文件 OPRPLAN.DAT 獲取所需要的輸入數據。 PLTSEL 模塊的開發是為了 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 9 選擇適當的 導向 方案以便級進模在每一個工位上精確定位。下一個模塊 OPRSTAGE 的開發是用于獲得專家建議的工位數量和對級進模分階段操作的首選操作。這個模塊數據的輸入是從 OPRSEQ 模塊在執行過程中生成的 輸出數據文件 OPRSEQ.DAT 中 獲取。并請用戶須輸入特定的工作數據如作為零件的特征。模塊 SWLSEL 決定金屬板料合適的尺寸大小。建模模塊 STRPLYT 在 AutoCAD 繪圖編輯上刪除任何以前的存在圖以及選擇合適的屏幕進行工步排樣建模。接下來，它要求用戶在 AutoCAD 屏幕上選擇起始點。當用戶使用光標選擇起始點或在 AutoCAD 提示區中鍵入，模塊 STRPLYT 自動在AutoCAD 繪圖編輯器中進行工步排樣建模。 4 驗證所提出的系統 所提出的系統已經測試了不同類型的鈑金件工步排樣設計的問題。典型的提示，例如用戶在組件的系統執行過程中，用戶的反應和獲得的建議（圖 2）是通過表 2 給出的。系統工步排樣的生成見圖 3。輸出的數據是從各種系統模塊得到的。這些形式如模塊的識別操作，排序操作， 導向 方案的選擇，所需工位數，工序的分階段操作和帶料的尺寸與那些這經驗豐富的模具設計人員和工藝規劃者在工作實踐中的得到的數據十分相似且合理，在沖壓行業即稱為 Indo Asian Fuse Gear Limited，由 Murthal、哈里亞納邦、印度等組成。工步排樣由開發系統生成圖紙，同時也和模具設計師豐富經驗有密切聯系。 5 結論 研究工作已被應用于鈑金級進模工步排樣設計自動化。生產的基于規則的專家系統方法已被用于所提出的智能系統的開發。生產規則使用 AutoLISP 語言進行編碼來構建基本知識系統，因為它可以在 AutoCAD 界面進行工步排樣建模。系統能夠傳授專家建議的零件制造要求所需的鈑金操作類型 , 操作排序，選擇適當的 導向 方案，需要的工位數和級進模第一分段的操作；以及選擇合適大小的帶料。最后 ,根據系統生成的輸出模塊 ,系統能夠 在 AutoCAD 繪圖編輯器上自動建立工步排樣模型。該系統的運行示例使用工業鈑金件已經證明了系統的實用性。該系統是靈活的，具有實現成本也可以在 PC 機具有 AutoCAD 軟件操作。小型鈑金行業使用此系統的費用很容易負擔得起的。 桂林電子科技大學英文翻譯譯文 10 參考文獻 1 Adachi,M., Inoue, K., Funayama, T.,1983. 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