文／康新梅，張雪峰·中航西飛物流管控中心

導(dǎo)語

在加工中心的機械加工操作中，有大量的內(nèi)部和外部因素作用于工藝系統(tǒng)。它們會影響制造成本、生產(chǎn)率和加工精度。本論文研究中針對毛坯數(shù)控耗材在排樣過程中材料尺寸的選擇方法，能夠結(jié)合實際案例，利用計算機排樣系統(tǒng)完成分析，進而給出企業(yè)采購商合理的采購決策方法，以提升材料利用率。

在機械加工中心(MC)的加工操作中，工藝系統(tǒng)受到許多內(nèi)部和外部因素的影響。他們產(chǎn)生的錯誤，影響成本，生產(chǎn)率，最重要的是，加工操作的精度。在生產(chǎn)量較低的情況下，采用基于抽樣的統(tǒng)計質(zhì)量控制是不可能識別和補償這些缺陷的。由于時間和費用的限制，對技術(shù)系統(tǒng)的所有要素進行全面檢查并查明所有錯誤來源是不切實際的。目前，使用三維觸發(fā)探針(TTP)或其他模型對四軸和五軸 MCs 進行局部尺寸控制是最方便、最廣泛的方法之一。這種類型的控制通常包括以下任務(wù): ⑴檢查加工表面; ⑵檢測空白材料的位置和方向; ⑶設(shè)置切削工具并在加工后進行檢查。然而，通常沒有檢查最重要的誤差來源之一，即熱變形和幾何誤差，即使使用它們，也是用特殊的測量系統(tǒng)來實現(xiàn)的。例如，使用球桿系統(tǒng)可以在識別機床的大多數(shù)幾何誤差方面提供良好的結(jié)果，但其高昂的成本使其不適用于中小型企業(yè) 。而且，原則上，實時測量熱變形是不切實際的。因此，有必要開發(fā)一個在準(zhǔn)確性、成本和功能之間保持良好平衡的系統(tǒng)。

在實際的數(shù)控機床工作過程中，遇到的問題有以下幾個方面：

1.板材下料問題是很多機械加工企業(yè)面臨的現(xiàn)實問題，目前傳統(tǒng)的線性規(guī)劃工藝手段，工藝人員或操作人員往往憑工作經(jīng)驗來設(shè)計下料方案，很難降低材料的利用率，造成材料浪費；

2.手工設(shè)計下料方案，由于受到生產(chǎn)模式、管理水平、人員素質(zhì)、工藝手段等多方面因素的制約，很難從全局上考慮，因而成本難以控制。

3.隨著市場競爭的需要，單件小批量和試制產(chǎn)品不斷增加，零件形式多種多樣，生產(chǎn)周期短，設(shè)計、工藝和生產(chǎn)并行，傳統(tǒng)的套裁排樣加工方法很難滿足現(xiàn)在從時間到空間的發(fā)展要求。

4.材料消耗定額統(tǒng)計不同步。利用計算機輔助裁排樣件，不僅可以近似模擬板材的加工過程，而且由于工藝、設(shè)計及原料來源等方面的原因，使得傳統(tǒng)的定量分析方法在實際消耗與定量分析之間有較大的差距，而且通過計算機輔助裁排樣件，不僅可以模擬板材的加工過程，而且還可以控制廢料和余料，可以近似統(tǒng)計原材料的利用率。

5.輔助過程。因為沖壓工件數(shù)量大，形狀多樣，工藝人員在制作沖壓工藝卡時受現(xiàn)場經(jīng)驗的限制，無法對各種材料、板厚的工件進行全面的分析，如果利用計算機輔助裁排樣件，利用其直觀性、近似性，就可以預(yù)先對各種材料、板厚的工件進行模擬、預(yù)測。

數(shù)控套裁技術(shù)概述

眾所周知，原材料費用在產(chǎn)品的成本中占有當(dāng)相大的比例，因此最大限度地節(jié)約材料，提高材料利用率，是工廠實際生產(chǎn)中的一個根本原則。而常規(guī)的鐵塔設(shè)計制造是根據(jù)各種工況經(jīng)分析計算后繪制出總裝圖和段圖，再經(jīng)放樣才能在切割機上人工下料。一方面放樣花費了大量人力，另一方面人工下料無法達到最優(yōu)化( 即套裁) ，難以適應(yīng)生產(chǎn)實際需要，故急需找出利用計算機來解決此問題的方法。本文綜合分析研究了從鐵塔總裝圖到角鋼工件數(shù)控切割下料一體化的過程。通過處理總裝圖，得到各工件參數(shù)，然后調(diào)用原材料庫，從中得到相應(yīng)原材料的規(guī)格和庫存情況，進行優(yōu)化下料分析計算，得到最合理的下料方案，并生成相應(yīng)的數(shù)控程序。使其下料既滿足精度和工藝要求，又能有效地提高原材料的利用率，實現(xiàn)對原材料及余料的科學(xué)管理。

數(shù)控套裁與采購規(guī)格協(xié)調(diào)性

常見材料排樣方法

1.剪切割與非剪切割方法。對于排樣方式來說可采用普通剪床切割，也就是剪切割方法，否則為非剪切割方法。普通的數(shù)控剪床僅含有一個平直刀刃，每切割一刀時能夠?qū)⒉牧戏譃閮蓧K，并且要求切割線與材料長邊或?qū)掃叡３制叫?，圖1所示為剪切割與非剪切割方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 剪切割(a)與非剪切割(b)方式的結(jié)構(gòu)示意圖

2.直切排樣與梯形排樣。對于直切排樣中要求所有條帶方向保持一致，長度一致，如圖2所示。

圖2 直切排樣(a)與梯形排樣(b)

而對于梯形排樣時，要求材料能夠被分為左右兩種矩形，各矩形的條帶方向和長度是保持一致的，如上圖所示。左邊矩形中條帶與材料長邊平行，而右邊矩形中條帶與材料寬邊保持平行，直切排樣在一定程度上是梯形排樣的特殊案例。

3.整板排樣與分段排樣，如果材料的長度大于剪床刀刃長度，這種情況下在下料時要求沿平行于材料寬邊的直線進行切割，將材料分割成段，同時對于排樣時要求實現(xiàn)分段排量，以滿足切割工藝的相關(guān)要求，其相應(yīng)排樣為分段排樣方式，將整張材料作為一段排樣時為整板排樣方式，圖3所示為整板排樣與分段排樣的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 整板排樣(a)與分段排樣(b)的結(jié)構(gòu)示意圖

合理選擇材料尺寸的方法

對于數(shù)控套裁下料利用率，其重要影響因素是板材尺寸，當(dāng)企業(yè)按照預(yù)期計劃獲取材料的需求數(shù)據(jù)時如果市場有多家材料供應(yīng)商，則可以按照計算機采樣系統(tǒng)完成分析，進而采購合適尺寸的材料，如下所示為采用矩形數(shù)控套材排量時材料尺寸的選擇方法：

1.合理確定毛坯材料的需求量以及可供選擇材料；

2.確定材料的組合；

3.確定不同組合所需材料總面積；

4.確定所需購買的材料總數(shù)以及尺寸和數(shù)量。

案例分析

數(shù)據(jù)分析

在2021年6月份某企業(yè)實際生產(chǎn)過程中，需購買材料用于4種毛坯材料的切割，其長寬高需求量的參數(shù)分別為800mm×256mm×134mm；2500mm×646mm×335mm；895mm×489mm×249mm；1500mm×988mm×558mm，目前市場中還有三種尺寸材料供應(yīng)，包括3000mm×1500 mm；2600mm×1300mm以及2000mm×1000mm，要求確定所需購買的數(shù)控套裁材料總數(shù)和數(shù)量。

方法分析

了解所需購買材料總數(shù)N之后，利于提升下料利用率，同時由于庫存管理復(fù)雜性會導(dǎo)致成本提高，基于此，要求材料種數(shù)控制在1～3之間，因此需要分析N的每個數(shù)值，結(jié)合成本核算數(shù)據(jù)，以確定最終的庫存成本，利用計算機排樣系統(tǒng)，進而符合毛坯材料的需求，所需要數(shù)控套餐材料數(shù)量和購買成本能夠?qū)齑娉杀九c購買成本相加，以獲得總成本，最后結(jié)合總成本最小原則，確定所需購買材料總數(shù)。根據(jù)排樣方案確定多種材料購買數(shù)量。

1.確定材料組合，比如可按照圖4所示購買相應(yīng)的材料組合。對于任意一組可采用計算機排樣系統(tǒng)完成排樣，以確定最終所需材料面積，通過比較結(jié)合所需材料面積最小原則，選擇其中一組材料。

圖4 示例材料組合

2.確定不同組合所需材料總面積，能夠利用計算機排樣系統(tǒng)，以確定不同組合需要的材料面積和利用率，將所得數(shù)據(jù)填入系統(tǒng)中，圖5所示為第1種組合計算結(jié)果。

圖5 第1種組合計算結(jié)果

3.根據(jù)結(jié)果確定所需購買的材料尺寸和數(shù)量，按照所需材料總面積最小原則或最高下料利用率原則，在允許購買總數(shù)為2的基礎(chǔ)上，購買第1種材料組合，按照上圖最終購買208張2600mm×1300mm材料以及434張2000mm×1000mm板材，將第1種組合對應(yīng)的材料面積和下料利用率填入系統(tǒng)，針對所允許購買材料總數(shù)分別為1和3，重復(fù)計算后可獲得圖6中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖6 計算數(shù)據(jù)

套裁方案擬定

首先，能夠適應(yīng)形狀各異的零件加工，滿足現(xiàn)在的快速、敏捷制造的要求。其次，能夠滿足市場需求。滿足單件、小批量、試制生產(chǎn)要求，減少利用剪機加工又不能實現(xiàn)，增加模具而成本又高、周期又長等因素;最后，套裁排樣效率高。套裁排樣輔助軟件具有多種復(fù)雜算法,靈活的界定條件，專家系統(tǒng)高度集成，使套排方案更具有合理性、可行性、經(jīng)濟性，并具有專家干預(yù)功能，使排樣方案更具有可實施性。

建立完善、高效的計算機模型是數(shù)控加工自動編程研究領(lǐng)域的重要課題。然而，建立面向制造的模型還必須兼顧設(shè)計和制造兩個方面。模型必須至少包括部分幾何信息和制造信息。

近年來有關(guān)這方面的工作已經(jīng)做了很多。如基于輪廓圖的自動編程和特征造型技術(shù)等。還利用了現(xiàn)場統(tǒng)一數(shù)據(jù)建模技術(shù)。根據(jù)這一思想，在 CAD/CAPP/CAM 系統(tǒng)中提出了設(shè)計/制造特征的概念 (簡稱 DM 特征 )。

作為 CAD/CAM 集成系統(tǒng)，不同的設(shè)計和制造周期需要不同的設(shè)計和制造信息。幾何輪廓設(shè)計需要局部特征和整體特征的圖形信息。另外，在數(shù)控加工期間，需要提供幾何信息和加工工藝要求信息。最后，根據(jù)加工工藝要求和加工操作的具體參數(shù)，調(diào)用零件和特征層次切割路徑算法，將每個切割路徑數(shù)據(jù)寫入一個文件，命名為 CLData 文件。依靠不同的數(shù)控系統(tǒng)及其指令，經(jīng)過后置處理后自動生成數(shù)控程序。這樣就完成了自動編程。

在特征層次中，數(shù)控自動編程的任務(wù)是完成每一個特征的加工。在實踐中，每一種特征加工都按其加工步驟進行了描述。然而在數(shù)控自動編程的虛擬加工世界中，每一種特征切削都是用每一種特征路徑編程算法來描述的。例如，螺紋切削在實際工作過程中用螺紋加工步驟表示。相應(yīng)地，它被表示為螺旋切割算法。主題化關(guān)系既方便又快捷。在特征層次中只有零件機械的基本輪廓是特征層次，因此特征層次中的算法具有以下特點。

(1)每種特征加工都有一定的加工方式；

(2)加工方法簡單；

(3)特征分類是加工的基礎(chǔ)，加工算法與細節(jié)特征密切相關(guān)。

數(shù)控自動編程算法包括三個步驟:

(1)掃描工件 DM 特征，提取未來加工特征；

(2)搜索響應(yīng)算法，修改一些可編輯的參數(shù)，自動生成 NC 程序段；

(3)根據(jù)零件的整體制造過程，將該程序段放入最終整合程序的合適位置。

以圓弧曲線特征為例，刀具沿圓弧曲線運動。機器路徑為等距圓弧。每個循環(huán)的偏移距離等于切削深度。工具可以從右向左或從左向右進給。螺旋是旋轉(zhuǎn)工件的典型特征。其切削循環(huán)設(shè)計為內(nèi)螺紋循環(huán)和外螺紋循環(huán)。每個循環(huán)都有從左到右和從右到左的切割模式。為了實現(xiàn)恒速切削，需要設(shè)計增加速度距離和超速行程 。螺旋切削通常需要多次進給。每次切削深度均下降。原材料型號及規(guī)格數(shù)據(jù)文件由材料編碼規(guī)則支持。用戶可以按編碼規(guī)則對文件中尚沒有而本企業(yè)又要用的材料進行編碼。

工件、材料庫存和材料余料數(shù)據(jù)文件子系統(tǒng)都具有數(shù)據(jù)庫管理功能，可對數(shù)據(jù)進行分項匯總統(tǒng)計及報表打印。余料數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)可以由人工輸入，批量修改或報廢( 刪除) ，同時打印相應(yīng)報表或通知單。但更主要的是它可以在計算結(jié)果調(diào)整后，根據(jù)用戶確定的回收長度在打印余料回收通知單的同時，將應(yīng)回收的余料自動追加在該數(shù)據(jù)文件中，以便以后再利用。

在零件層次結(jié)構(gòu)中，數(shù)控自動編程的任務(wù)是完成整個零件或部分輪廓的加工?；剞D(zhuǎn)體零件系統(tǒng)中的自動編程算法包括長度方式粗加工周期、橫向粗加工周期、等距粗加工周期、凹面型材切削和型材精加工。每個切削周期有兩種方式: 一種是側(cè)切，另一種是外切。在數(shù)控自動編程中，每個算法對應(yīng)其加工步驟，由過程管理系統(tǒng)進行調(diào)度和管理。

首先，進行縱向和橫向粗剪切循環(huán)算法的設(shè)計。設(shè)計了縱向切削周期算法，即在給定切削深度的情況下，沿軸向進行刀具切削。

(1)根據(jù)零件的輪廓和空白，給出了零件的起始點。

(2)掃描零件的邊界鏈，得到邊界鏈與平行線的交點。當(dāng)邊界線的最高點在現(xiàn)在的直線時，下一個交點將被選中。這樣，部分表面凹將交叉超過。

(3)重復(fù)上述步驟，直到掃描完整的邊界片段。然后插入工具收縮線。目前已經(jīng)得到了全程粗加工循環(huán)路徑。

其次，在等軸測粗加工循環(huán)算法的設(shè)計過程中。有一些生成的等軸測算法。例如，一種方法是使用集合映射方法彎曲輪廓。另一種方法是插入零半徑圓弧，然后進行等距和自己的相交處理。在此創(chuàng)新的一種新方法稱為干擾標(biāo)記方法。它不僅可以實現(xiàn)自由曲線等距偏移，而且對偏移方向也沒有限制。它可以完美地用于CNC車床中。以下步驟是實現(xiàn)方法：

(1)根據(jù)給定的距離對每個零件輪廓段進行偏移;

(2)插入過渡圓弧以連接每個偏移輪廓段以形成閉合輪廓；

(3)掃描偏置線段，將遵循以下規(guī)則給出干涉標(biāo)志。如果偏移輪廓進入實心側(cè)或與零件的實心區(qū)域交叉，則干涉標(biāo)記加“1”。如果偏移輪廓與實心區(qū)域分開，則干涉標(biāo)記減去“ 1”；

(4)收集每個最小標(biāo)記段并將它們放入循環(huán)中。這就是我們需要的等距輪廓。以下是實現(xiàn)每種算法的示例。使用各種機器程序可以得到有效的過程。位置A，B和C是三個凹面，見圖7。位置A顯示等距粗加工循環(huán)。位置B顯示橫向粗加工循環(huán)。位置C顯示縱向切割循環(huán)。

圖7 凹形切削模擬通道

結(jié)束語

綜上，本文在材料選擇優(yōu)化方案的設(shè)計過程中首先建立了基于設(shè)計/制造特征的數(shù)控系統(tǒng)自動編程模型。該模型分為特征層次和零件層次，可方便地實現(xiàn)工藝步驟與切割路徑算法之間的映射。其次，將干涉標(biāo)志法應(yīng)用于車削等距算法是一種創(chuàng)新，最后，在計算機上實現(xiàn)了各種給定的回轉(zhuǎn)體算法。