论数控套裁与材料采购规格之间协调性技术研究

2021-11-24康新梅张雪峰中航西飞物流管控中心

钣金与制作 2021年11期

文／康新梅，张雪峰·中航西飞物流管控中心

导语

在加工中心的机械加工操作中，有大量的内部和外部因素作用于工艺系统。它们会影响制造成本、生产率和加工精度。本论文研究中针对毛坯数控耗材在排样过程中材料尺寸的选择方法，能够结合实际案例，利用计算机排样系统完成分析，进而给出企业采购商合理的采购决策方法，以提升材料利用率。

在机械加工中心(MC)的加工操作中，工艺系统受到许多内部和外部因素的影响。他们产生的错误，影响成本，生产率，最重要的是，加工操作的精度。在生产量较低的情况下，采用基于抽样的统计质量控制是不可能识别和补偿这些缺陷的。由于时间和费用的限制，对技术系统的所有要素进行全面检查并查明所有错误来源是不切实际的。目前，使用三维触发探针(TTP)或其他模型对四轴和五轴 MCs 进行局部尺寸控制是最方便、最广泛的方法之一。这种类型的控制通常包括以下任务: ⑴检查加工表面; ⑵检测空白材料的位置和方向; ⑶设置切削工具并在加工后进行检查。然而，通常没有检查最重要的误差来源之一，即热变形和几何误差，即使使用它们，也是用特殊的测量系统来实现的。例如，使用球杆系统可以在识别机床的大多数几何误差方面提供良好的结果，但其高昂的成本使其不适用于中小型企业。而且，原则上，实时测量热变形是不切实际的。因此，有必要开发一个在准确性、成本和功能之间保持良好平衡的系统。

在实际的数控机床工作过程中，遇到的问题有以下几个方面：

1.板材下料问题是很多机械加工企业面临的现实问题，目前传统的线性规划工艺手段，工艺人员或操作人员往往凭工作经验来设计下料方案，很难降低材料的利用率，造成材料浪费；

2.手工设计下料方案，由于受到生产模式、管理水平、人员素质、工艺手段等多方面因素的制约，很难从全局上考虑，因而成本难以控制。

3.随着市场竞争的需要，单件小批量和试制产品不断增加，零件形式多种多样，生产周期短，设计、工艺和生产并行，传统的套裁排样加工方法很难满足现在从时间到空间的发展要求。

4.材料消耗定额统计不同步。利用计算机辅助裁排样件，不仅可以近似模拟板材的加工过程，而且由于工艺、设计及原料来源等方面的原因，使得传统的定量分析方法在实际消耗与定量分析之间有较大的差距，而且通过计算机辅助裁排样件，不仅可以模拟板材的加工过程，而且还可以控制废料和余料，可以近似统计原材料的利用率。

5.辅助过程。因为冲压工件数量大，形状多样，工艺人员在制作冲压工艺卡时受现场经验的限制，无法对各种材料、板厚的工件进行全面的分析，如果利用计算机辅助裁排样件，利用其直观性、近似性，就可以预先对各种材料、板厚的工件进行模拟、预测。

数控套裁技术概述

众所周知，原材料费用在产品的成本中占有当相大的比例，因此最大限度地节约材料，提高材料利用率，是工厂实际生产中的一个根本原则。而常规的铁塔设计制造是根据各种工况经分析计算后绘制出总装图和段图，再经放样才能在切割机上人工下料。一方面放样花费了大量人力，另一方面人工下料无法达到最优化( 即套裁) ，难以适应生产实际需要，故急需找出利用计算机来解决此问题的方法。本文综合分析研究了从铁塔总装图到角钢工件数控切割下料一体化的过程。通过处理总装图，得到各工件参数，然后调用原材料库，从中得到相应原材料的规格和库存情况，进行优化下料分析计算，得到最合理的下料方案，并生成相应的数控程序。使其下料既满足精度和工艺要求，又能有效地提高原材料的利用率，实现对原材料及余料的科学管理。

数控套裁与采购规格协调性

常见材料排样方法

1.剪切割与非剪切割方法。对于排样方式来说可采用普通剪床切割，也就是剪切割方法，否则为非剪切割方法。普通的数控剪床仅含有一个平直刀刃，每切割一刀时能够将材料分为两块，并且要求切割线与材料长边或宽边保持平行，图1所示为剪切割与非剪切割方式的结构示意图。

图1 剪切割(a)与非剪切割(b)方式的结构示意图

2.直切排样与梯形排样。对于直切排样中要求所有条带方向保持一致，长度一致，如图2所示。

图2 直切排样(a)与梯形排样(b)

而对于梯形排样时，要求材料能够被分为左右两种矩形，各矩形的条带方向和长度是保持一致的，如上图所示。左边矩形中条带与材料长边平行，而右边矩形中条带与材料宽边保持平行，直切排样在一定程度上是梯形排样的特殊案例。

3.整板排样与分段排样，如果材料的长度大于剪床刀刃长度，这种情况下在下料时要求沿平行于材料宽边的直线进行切割，将材料分割成段，同时对于排样时要求实现分段排量，以满足切割工艺的相关要求，其相应排样为分段排样方式，将整张材料作为一段排样时为整板排样方式，图3所示为整板排样与分段排样的结构示意图。

图3 整板排样(a)与分段排样(b)的结构示意图

合理选择材料尺寸的方法

对于数控套裁下料利用率，其重要影响因素是板材尺寸，当企业按照预期计划获取材料的需求数据时如果市场有多家材料供应商，则可以按照计算机采样系统完成分析，进而采购合适尺寸的材料，如下所示为采用矩形数控套材排量时材料尺寸的选择方法：

1.合理确定毛坯材料的需求量以及可供选择材料；

2.确定材料的组合；

3.确定不同组合所需材料总面积；

4.确定所需购买的材料总数以及尺寸和数量。

案例分析

数据分析

在2021年6月份某企业实际生产过程中，需购买材料用于4种毛坯材料的切割，其长宽高需求量的参数分别为800mm×256mm×134mm；2500mm×646mm×335mm；895mm×489mm×249mm；1500mm×988mm×558mm，目前市场中还有三种尺寸材料供应，包括3000mm×1500 mm；2600mm×1300mm以及2000mm×1000mm，要求确定所需购买的数控套裁材料总数和数量。

方法分析

了解所需购买材料总数N之后，利于提升下料利用率，同时由于库存管理复杂性会导致成本提高，基于此，要求材料种数控制在1～3之间，因此需要分析N的每个数值，结合成本核算数据，以确定最终的库存成本，利用计算机排样系统，进而符合毛坯材料的需求，所需要数控套餐材料数量和购买成本能够将库存成本与购买成本相加，以获得总成本，最后结合总成本最小原则，确定所需购买材料总数。根据排样方案确定多种材料购买数量。

1.确定材料组合，比如可按照图4所示购买相应的材料组合。对于任意一组可采用计算机排样系统完成排样，以确定最终所需材料面积，通过比较结合所需材料面积最小原则，选择其中一组材料。

图4 示例材料组合

2.确定不同组合所需材料总面积，能够利用计算机排样系统，以确定不同组合需要的材料面积和利用率，将所得数据填入系统中，图5所示为第1种组合计算结果。

图5 第1种组合计算结果

3.根据结果确定所需购买的材料尺寸和数量，按照所需材料总面积最小原则或最高下料利用率原则，在允许购买总数为2的基础上，购买第1种材料组合，按照上图最终购买208张2600mm×1300mm材料以及434张2000mm×1000mm板材，将第1种组合对应的材料面积和下料利用率填入系统，针对所允许购买材料总数分别为1和3，重复计算后可获得图6中的相关数据。

图6 计算数据

套裁方案拟定

首先，能够适应形状各异的零件加工，满足现在的快速、敏捷制造的要求。其次，能够满足市场需求。满足单件、小批量、试制生产要求，减少利用剪机加工又不能实现，增加模具而成本又高、周期又长等因素;最后，套裁排样效率高。套裁排样辅助软件具有多种复杂算法,灵活的界定条件，专家系统高度集成，使套排方案更具有合理性、可行性、经济性，并具有专家干预功能，使排样方案更具有可实施性。

建立完善、高效的计算机模型是数控加工自动编程研究领域的重要课题。然而，建立面向制造的模型还必须兼顾设计和制造两个方面。模型必须至少包括部分几何信息和制造信息。

近年来有关这方面的工作已经做了很多。如基于轮廓图的自动编程和特征造型技术等。还利用了现场统一数据建模技术。根据这一思想，在 CAD/CAPP/CAM 系统中提出了设计/制造特征的概念 (简称 DM 特征 )。

作为 CAD/CAM 集成系统，不同的设计和制造周期需要不同的设计和制造信息。几何轮廓设计需要局部特征和整体特征的图形信息。另外，在数控加工期间，需要提供几何信息和加工工艺要求信息。最后，根据加工工艺要求和加工操作的具体参数，调用零件和特征层次切割路径算法，将每个切割路径数据写入一个文件，命名为 CLData 文件。依靠不同的数控系统及其指令，经过后置处理后自动生成数控程序。这样就完成了自动编程。

在特征层次中，数控自动编程的任务是完成每一个特征的加工。在实践中，每一种特征加工都按其加工步骤进行了描述。然而在数控自动编程的虚拟加工世界中，每一种特征切削都是用每一种特征路径编程算法来描述的。例如，螺纹切削在实际工作过程中用螺纹加工步骤表示。相应地，它被表示为螺旋切割算法。主题化关系既方便又快捷。在特征层次中只有零件机械的基本轮廓是特征层次，因此特征层次中的算法具有以下特点。

(1)每种特征加工都有一定的加工方式；

(2)加工方法简单；

(3)特征分类是加工的基础，加工算法与细节特征密切相关。

数控自动编程算法包括三个步骤:

(1)扫描工件 DM 特征，提取未来加工特征；

(2)搜索响应算法，修改一些可编辑的参数，自动生成 NC 程序段；

(3)根据零件的整体制造过程，将该程序段放入最终整合程序的合适位置。

以圆弧曲线特征为例，刀具沿圆弧曲线运动。机器路径为等距圆弧。每个循环的偏移距离等于切削深度。工具可以从右向左或从左向右进给。螺旋是旋转工件的典型特征。其切削循环设计为内螺纹循环和外螺纹循环。每个循环都有从左到右和从右到左的切割模式。为了实现恒速切削，需要设计增加速度距离和超速行程。螺旋切削通常需要多次进给。每次切削深度均下降。原材料型号及规格数据文件由材料编码规则支持。用户可以按编码规则对文件中尚没有而本企业又要用的材料进行编码。

工件、材料库存和材料余料数据文件子系统都具有数据库管理功能，可对数据进行分项汇总统计及报表打印。余料数据文件的数据可以由人工输入，批量修改或报废( 删除) ，同时打印相应报表或通知单。但更主要的是它可以在计算结果调整后，根据用户确定的回收长度在打印余料回收通知单的同时，将应回收的余料自动追加在该数据文件中，以便以后再利用。

在零件层次结构中，数控自动编程的任务是完成整个零件或部分轮廓的加工。回转体零件系统中的自动编程算法包括长度方式粗加工周期、横向粗加工周期、等距粗加工周期、凹面型材切削和型材精加工。每个切削周期有两种方式: 一种是侧切，另一种是外切。在数控自动编程中，每个算法对应其加工步骤，由过程管理系统进行调度和管理。

首先，进行纵向和横向粗剪切循环算法的设计。设计了纵向切削周期算法，即在给定切削深度的情况下，沿轴向进行刀具切削。

(1)根据零件的轮廓和空白，给出了零件的起始点。

(2)扫描零件的边界链，得到边界链与平行线的交点。当边界线的最高点在现在的直线时，下一个交点将被选中。这样，部分表面凹将交叉超过。

(3)重复上述步骤，直到扫描完整的边界片段。然后插入工具收缩线。目前已经得到了全程粗加工循环路径。

其次，在等轴测粗加工循环算法的设计过程中。有一些生成的等轴测算法。例如，一种方法是使用集合映射方法弯曲轮廓。另一种方法是插入零半径圆弧，然后进行等距和自己的相交处理。在此创新的一种新方法称为干扰标记方法。它不仅可以实现自由曲线等距偏移，而且对偏移方向也没有限制。它可以完美地用于CNC车床中。以下步骤是实现方法：

(1)根据给定的距离对每个零件轮廓段进行偏移;

(2)插入过渡圆弧以连接每个偏移轮廓段以形成闭合轮廓；

(3)扫描偏置线段，将遵循以下规则给出干涉标志。如果偏移轮廓进入实心侧或与零件的实心区域交叉，则干涉标记加“1”。如果偏移轮廓与实心区域分开，则干涉标记减去“ 1”；

(4)收集每个最小标记段并将它们放入循环中。这就是我们需要的等距轮廓。以下是实现每种算法的示例。使用各种机器程序可以得到有效的过程。位置A，B和C是三个凹面，见图7。位置A显示等距粗加工循环。位置B显示横向粗加工循环。位置C显示纵向切割循环。