一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法
一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工艺顺序规划方法，具体涉及一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺 序规划方法。
【背景技术】
[0002] 从上世纪70年代起，计算机辅助冲压工艺规划研究就开始了，Schaffer(1971)与 Nakahara等（1978)可能是最早研究料条规划与连续冲模设计的问题，他们主要是运用CAD/ CAM技术以解决冲模设计自动化的问题，后来陆续有更多研究将其他方法结合于CAD/CAM环 境中，如Bergstrom等（1988)研究板件自动展开及剪切与弯曲所须冲压力计算，Choi等 (1999)运用知识库规则，获得一定的效果。在商业化软件方面有Pr 0/ENGINEER的Pr0/ SHEETMETAL、NX Progressive Die Wizard等均提供更好的使用者接口，但仍然不能进行广 泛适用于具有典型特征冲压件自动推理排样，冲头分割与配置仍然需要设计者对大多数重 要决定进行交互式选择，不能实现自动化设计。
[0003] 为了解决庞大搜寻空间及降低计算时间，近年来运用AI及搜寻技术使得料条规划 研究发展有更大幅度进展，Inui等（1999)利用拓朴限制（topological constraints)的筛 选及再利用先前完成之计算结果来加速折弯规划，Thanapandi等(2001)则运用基因算法做 类似的尝试，Tor等（2005)结合面向对象技术与Blackboard Architecture，Zhang等（2005) 则进一步结合Case-Based Reasoning，0ng等（1997)运用Fuzzy Set Theory，综观各种研究 主要在验证该技术运用的可行性，其有效性的应用只限于该案例(Cheok和Nee，1998)，再者 各种AI及搜寻技术除未涉及冲头分割议题，且可能忽略更优解（Kannan和Shunmugam， 2009b)。
[0004] 台湾科技大学林清安多年来对该领域不断深入研究，主要以3D CAD软件环境，结 合知识库与搜寻技巧能自动化产生所有可行的料条规划与板料布置，同时能执行干涉检查 及模具重心计算功能，以自动产生所需要的冲头及模座设计。林柏村则以设计软件CATIA， 并应用VB程序语言进行客制化，二次开发出"级进模自动化设计系统"，该系统能依照用户 所输入包括型面外型、产品分割线、冲头、弯缘刀、凸轮切刀及数字与文字信息，即会依照输 入之信息自动执行连续冲压模具结构设计及组件组立。
[0005] 为了降低人为操作与加速料条规划设计效率，Li等人，Tang和Gao通过CAD模型中 直接识别其特征并将各个特征映像至加工规划程序中，但这种作法存在两个不足之处，首 先是CAD模型中常缺乏加工信息，其次已可识别的特征仍须有良好规划才能将各个特征妥 善分配至各工位中。到目前为止，特征识别方面已吸引很多的学者进行研究，例如Kannan和 Shunmugam采用板件交换格式为输入，已知他们的系统可识别出很多的板件特征，如:压印 (embossing)、凸缘（flanging)、百叶孔（louvering)等。
[0006] 料条顺序规划就是在以确定的众多方案中搜寻出最优解。为了提高搜索效率及降 低计算时间，近年来通过运用AI及搜寻技术使得料条规划研究发展有更大幅度进展，Inui 等利用拓朴限制（topological constraints)的筛选及再利用先前完成之计算结果来加速 折弯规划，Thanapandi等则运用基因算法做类似的尝试，Tor等结合面向对象技术与 Blackboard Architecture，Zhang等则进一步结合Case-Based Reasoning，0ng等运用模糊 集理论Fuzzy Set Theory进行筛选。目前，各种方法的研究主要在于验证该技术运用的可 行性，其应用的有效性只限于部分案例(Cheok和Nee)，各种AI及搜寻技术除未涉及冲头分 割问题，存在可能忽略掉全局最优解(Kannan和Shunmugam) lin与Sheu尝试结合迭层法与 穷举法展开各种可能，再利用各种规帅选掉不可行方案，找出所有可行解，但该方法的计算 非常繁琐。
[0007] 多工位级进模是一种高效率、高精度、长寿命的冲压模具，在汽车结构件、五金家 电和电子仪器等领域应用非常广泛由于级进模可以在压力机的-次行程中宪成拉深、成形、 弯曲以及冲裁等多个工序，因此，可以非常显著地提高机床的利用率，实现产品的自动化生 产，减少人工操作和降低生产安全风险然而，采用多工位级进模进行加工的零件，具有工序 多、工艺设计复杂等特点，模具结构一般很复杂而且，前后工序之问都是关联的，在产品、条 料和模具设计的过程中需要考虑非常多的因素，忽视其中任何一个很小的环节都有可能导 致产品质量不合格、模具返修甚至完全报废，这些都大大地提高了级进模工艺和模具设计 的难度，通常需要由具有多年级进模设计经验的工程技术人员才能胜任。
[0008] 级进模加工薄板材的金属零件时，主要的冲压工艺有剪切、冲孔、折弯、成形、拉伸 等。在生产过程中，钣金成品的展开外型确定后，接着工程师绘制钣金产品展开图，然后依 照设计原则及经验法则，将产品中须要冲压加工的部分平均分布在连续冲模的每一道工位 上，原则上先思考如何进行剪边区域、冲孔区域的冲切后，再做后续折弯与成形加工安排， 最后再依据设计图制作冲模。由于零件工序较多，使得冲压加工的流程变得异常复杂，要求 设计人员掌握冲压加工的原理、冲压加工的种类，以及冲压加工的方法等，还需要具备充分 的知识与经验，才能做出正确的工位排样。
【发明内容】
[0009] 本发明目的是：提供一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，不仅方法简 单，而且通过数据得出最优方案，不需要设计人员掌握充分的冲压加工知识与经验，就可以 做出正确的工位排样，从而摆脱依靠设计者经验，实现了真正意义上的智能设计，实现标准 化生产加工。
[0010] 本发明的技术方案是:一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，包括以下 步骤：
[0011] 步骤1:钣金件特征识别，折弯展开、生成排样特征，制定排样规则；
[0012] 步骤2:采用先后顺序规划矩阵、同步顺序规划矩阵、空工位规划矩阵，列出所有可 行排样方案；
[0013] 步骤3:建立影响因子集U= {ui，U2，U3, · · ·，un}和其对应权重集A= {wi，W2，W3,…， Wn}，其中Wl+W2+W3+...+Wn=l，且0 < W1，W2，W3,…，Wn < 1，根据影响因子和其对应权重，计算 出多准则决策的总分Ev，
[0014]
Εν取最大值 时，即为最优方案。
[0015] 作为优选的技术方案，步骤1)中所述的钣金件特征包括冲孔、弯曲、拉伸、翻边、凸 包、压扁、切口。
[0016] 作为优选的技术方案，参照图6所示，步骤1)中所述的钣金件折弯展开具体方法如 下：以钣金件的其中一个平面为基准面，搜索其余面，找出所有折弯面和折弯面对应的折弯 特征，然后将折弯特征展平。
[0017] 作为优选的技术方案，步骤2)中所述的先后顺序规划矩阵的具体方法如下：
[0018] 根据工艺排样规则生成mXn个元素的先后顺序规划矩阵，并且在不同的排样规则 上定义不同大小的权重，权重大的排在前面，权重小的排在后面，在先后顺序规划矩阵中的 元素值为1、_1或0，并存在以下关系：
[0020] 作为优选的技术方案，步骤2)中所述的同步顺序规划矩阵的具体方法如下：
[0021] 根据距离约束关系生成mXn个元素的同步顺序规划矩阵来表示各特征之间是否 安排在同一工步上，在同步顺序规划矩阵中的元素值1?为1、_1或0,并存在以下关系：
[0023]作为优选的技术方案，步骤2)中所述的空工位规划矩阵的具体方法如下：
[0024]当相邻两工步距离存在凸凹模安装重叠、干涉问题时，相邻两工步间增加空工步， 在空工位规划矩阵中的元素值1?为1或0，并存在以下关系：
[0026] 作为优选的技术方案，步骤3)中所述的影响因子包括工位数因子m、负荷平衡因 子U2、条料稳定因子U3，其对应权重分别为W1，W2，W3， 且W1 = 0 · 5~0.6，W2 = 0.2~0.3，W3 = 0.18 ~0·23〇
[0027] 作为优选的技术方案，所述工位数因子m的具体计算方法如下：
[0028] 根据排样规则，工位数N的最小值为2、最大值为η;
[0029] 设定当N=2，m取最大值100;当Ν=η时，m取最小值10;当2<Ν<η时，m = 100-90 X(N-2)/(n-2)，参照图7所示，从制造的角度考虑，工位数N越多，模具的体积越大，成本越 高，所需要冲床安装面积越大，因此工位数越少，越具有优势。
[0030] 作为优选的技术方案，所述负荷平衡因子u2的具体计算方法如下：
[0031]级进模连续的均衡性，要求冲头负荷尽可能均匀，合作用力点尽可能接近模具形 状中心，负荷平衡因子是比较等效力作用点与模具形状中心一致性，Pi对模具作用力作用 点(Xi，h)，通过力矩平衡公式计算。
[0032]冲裁力和弯曲力的计算按下列公式计算，其中1为弯曲或剪切长度，t为材料的厚 度，Sb为材料的强度极限，Cs，a，Cu分别为材料系数，从工程材料手册中查得。
[0033] 冲裁力:Fs = CsXlXtXSb
[0034] U 形弯曲力:Fu=(Cu/3)XlXtXSb
[0035] L 形弯曲力:FL=(CL/6)XlXtXSb
[0036] 参照图8所示，设定模具坐标的中心原点为0,在η步工序中，U形弯曲数量为i，L形 弯曲数量为j，冲裁数量为k。沿着X轴位置依次进行定义，U形弯曲SPi，位置坐标为( Xl，yi); L形弯曲为Pj，位置坐标为(xj，yj);冲裁为Pk，位置坐标为(xk，yk)。
[0037] 总冲压力F可以按下列公式计算：
[0039] 第η步冲压力中心（；？，歹)通过下列公式计算：
[0042]实际冲压中心距离模具中心0点的距离d为
[0044] 实践表明d所允许的最大偏移量_____ _ γ、
, 、_ ,
[0045] 当d = 0，u2取最大值100;当d = Dmax，u2取最小值10 ;当0<d<Dmax时， V "
ma x / 〇
[0046] 作为优选的技术方案，所述条料稳定因子u3的具体计算方法如下：
[0047] 条料在送进过程中，冲裁冲头将带料上废料冲切掉，钣金零件与条料连接面积不 断减少。当连接部分过少时，条料在送进过程中容易产生晃动或摆动，这会影响到产品加工 精度。
[0048] 根据连接长度减小的趋势不同，将钣金零件与条料连接长度分为直线Lline3、曲线 上Lup、曲线下Ld_、波浪线Lwave，如图9所示。对应的条料稳定因子分别定义为Uli ne、Uup、Ud_、 Uwave3,每种曲线下在所有工步下对应钣金零件与条料的连接长度总和分别为Lline3、L up、Ldmm、 Lwave，长度总和越大，代表条料稳定性越好。通过直观比较，可得出Ud_〈Uline〈Uup。
[0049] 以钣金零件的工位数为X轴、条料连接长度为Y轴建立直角坐标系，
[0051] 其中
为所有工位数下钣金零件与条料连接长度总和 I线性减少时的
钣金零件与条料连接长度总和。
[0052] 操作顺序关联矩阵是根据几何特征及约束规则而生成的，具体的规则参照设计手 册、塑性成形原理及相应的专家经验，制定17条规则。
[0053] 规则1(附属规则）：若钣金件特征为弯曲特征，则首先对弯曲周围的废料进行切 除；
[0054]规则2(定位精度要求）：冲导正销孔安排在刚开始的第一步，确保带料输送的精 度；
[0055] 规则3(基准特征）：若某一冲压特征依据某一参考特征，则参考特征优先；
[0056] 规则4:(外轮廓精度要求)若有大孔和小孔挨着太近，则先冲大孔后冲小孔，否则 先充的小孔在冲大孔时会发生变形；
[0057] 规则5 :(成本规则Μ则面方向的孔，尽可能安排在弯曲、拉伸前冲，在弯曲后冲孔需 增加斜楔传动，增加成本；
[0058]规则6:(小距离规则）冲件上孔壁、孔边小于料厚t或不足2mm，应分步在两个工位 上冲出，以增强凹模强度及扩大凸模在其固定板上的安装位置；
[0059] 规则7:(凹模强度规则)若冲孔和废料切除不能安排在同一步，则冲孔安排在切除 废料前；
[0060] 规则8:(精度要求规则)若孔间的距离足够，且有精度要求，公差值小于0.01mm，这 些孔需安排在一个工位上冲出；
[0061] 规则9:(分离规则)带料分离工序安排在最后一步；
[0062] 规则10:(顺序折弯规则）如果一个面存在多处折弯，则需要按照由外往里的顺序 进行折弯。
[0063] 规则11:(同步折弯规则)在同一轴线上的弯曲，两平面有同轴度要求的弯曲，以及 对于弯曲深度小于5倍料厚的Z形弯曲，应安排在同步折弯。
[0064] 规则12:(弯曲顺序规则）为了减少弯曲形状的影响，远离母平面的弯曲，其要求 尚，应早点进彳丁弯曲。
[0065] 规则13:(弯曲数量规则）同一步中弯曲数量越多，对母平面的冲击越多，对整体精 度影响越大。
[0066] 规则14:(弯曲角度规则)母平面和各旋转平面之间的弯曲角度大于90°时，弯曲应 分成一个或多个弯曲进行。
[0067] 规则15:(孔先后规则）内部孔要位于外部冲切之前进行。
[0068] 规则16:(同步冲裁面积规则）同一工步上，不宜冲裁面积相差太大的工件，避免模 具的损坏。
[0069] 规则17:(送进抬料规则)条料送进过程中，抬料高度底者为优。
[0070] 本发明的优点是:本发明采用先后顺序规划矩阵、同步顺序规划矩阵、空工位规划 矩阵，列出所有可行排布方案，最后运用多准则决策方法对合理方案进行评估，选出最优方 案，不仅方法简单，而且通过数据得出最优方案，不需要设计人员掌握充分的冲压加工知识 与经验，就可以做出正确的工位排样，从而摆脱依靠设计者经验，实现了真正意义上的智能 设计，进而实现标准化生产加工。
【附图说明】
[0071] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0072] 图1为本发明钣金零件示意图；
[0073] 图2为本发明钣金零件展开示意图；
[0074]图3为本发明废料设计图；
[0075] 图4为本发明最优排样方案示意图；
[0076] 图5为本发明级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法的流程图；
[0077] 图6为本发明钣金件折弯展开流程图；
[0078]图7为工位数因子影响示意图；
[0079] 图8为负荷平衡因子冲头作用点示意图；
[0080] 图9为钣金零件与条料连接长度关系示意图；
【具体实施方式】 [0081 ] 实施例：
[0082] 1、识别钣金零件特征：
[0083]钣金件典型的特征有冲孔、剪切、弯曲、拉伸、局部成形等，如图1所示钣金零件，基 本特征有:4处折弯特征81、82、83、84,2处冲孔?1、？2、1处局部成形特征11。
[0084] 2、折弯展开、生成排样特征：
[0085]参照图2所示，将钣金零件展开，在带料上进行布局，进行废料设计，其中冲孔类： 冲孔P1，冲孔P2，冲孔P3，冲孔P4;落料类:落料P5，落料P6，落料P7;弯曲类:弯曲B1，弯曲B2， 弯曲B3，弯曲Μ;成形类:F1，所有特征的位置如图3所示。
[0086] 3、生成先后顺序规划矩阵
[0087]根据工艺排样规则生成操作优先顺序矩阵，并且在不同的排样规则上定义不同大 小的权重，权重大的排在前面，权重小的排在后面，如表1所示，当特征值为1时，i操作在j操 作之前;当特征值为-1时，i操作在j操作之后；当特征值为〇时，i操作在j操作无关联。
[0088]表1先后操作顺序规划矩阵表：
[0089]
[0090] 4、生成同步顺序规划矩阵
[0091]操作先后顺序规划矩阵 是根据制造和几何体间约束来定义先后顺序的，确定同步 操作顺序规划矩阵，如表2所示，当特征值为1时，两个操作能安排在同一工步上；当特征值 为0时，两个操作不能安排在同一工步上。
[0092]表2同步操作顺序规划矩阵表：
[0093]
[0094] 从表2中可得出同步操作:冲孔类同步：（？1，？2)，（？3，？4);弯曲类同步：（81，82)。
[0095] 5、生成空工位规划矩阵
[0096]操作先后顺序规划矩阵是根据制造和几何体间约束来定义先后顺序的，按照空工 位规则生成空工位操作顺序规划矩阵，如表3所示。当特征值为1时，需要插入空位，当特征 值为〇时则不需要，空工位用字母I表示。
[0097]表3空工位操作顺序规划矩阵表 [0098] ^ ftfl s>4 +,J υ ι/
^ I u 'Ll I w
[00"] 6、排样方案生成
[0100] 根据顺序关联矩阵、顺序同步矩阵、空工位联接矩阵，列出所有可能的排布情况， 如表4所示。其中8工步4种:Gs-hGs-2、G 8-3、G8-4,9工步 12种:69+69-249-349-449-549-649-71 G9-8、G9-9、G9- 1Q、G9-n、G9-12;10 工步 4 种:G10-l、G10-2、G10-3、G10-4, 一共 21 种排列方式。
[0101] 表4所有排列方案
[0102]
[0103] 7、计算评价影响因子
[0104] 根据设计准则对这些方案进行评判，选出最优结果。
[0?05]根据评价模具结果性能好坏指标，建立影响因子集:U= {ui，U2，U3}，其中：U1:工位 数因子;u2:负荷平衡因子;U3:条料稳定因子；
[0106] (1)工位数因子(m)
[0107] (2)负荷平衡因子(U2)
[0108]根据负荷的大小及作用点位置，计算出每种方案的工艺力、压边力、压力中心坐标 及负载平衡因子，如表5所示。
[0109] 表5负荷平衡因子计算表
[0110]
[0111]
[0112] (3)条料稳定因子(u3)
[0113] 计算零件与条料连接长度的大小及条料稳定因子列于表6中。
[0114] 表7条料连接长度及稳定因子
[0115]
[0116] 8、建立权重集
[0117] 各因子赋予一定的权重值，本案例取:￥1 = 0.5，￥2 = 0.3，￥3 = 0.2，其中￥1+￥2+界3 = 1〇
[0118] 9、计算总得分并选出最优方案
[0119] 按照
计算出每种 方案的得分。
[0120] 表9方案总评分
[0121]
[0122] 从表中得出G8-4的63.74为最高分，为最优方案，如图4所示。
[0123] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因 此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:钣金件特征识别，折弯展开、生成排样特征，制定排样规则； 步骤2:采用先后顺序规划矩阵、同步顺序规划矩阵、空工位规划矩阵，列出所有可行排 样方案； 步骤3:建立影响因子集U= {ui，U2，U3, . . .，Un}和其对应权重集A= {wi，W2，W3, . . .，Wn}， 其中Wl+W2+W3+...+Wn= I，且O < W1，W2，W3,…，Wn < I，根据影响因子和其对应权重，计算出多 准则决策的总分Ev，当Ev取最大值时，BP 为最优方案。2. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 1)中所述的钣金件特征包括冲孔、弯曲、拉伸、翻边、凸包、压扁、切口。3. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 1) 中所述的钣金件折弯展开具体方法如下：以钣金件的其中一个平面为基准面，搜索其余 面，找出所有折弯面和折弯面对应的折弯特征，然后将折弯特征展平。4. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 2) 中所述的先后顺序规划矩阵的具体方法如下： 根据工艺排样规则生成mXn个元素的先后顺序规划矩阵，并且在不同的排样规则上定 义不同大小的权重，权重大的排在前面，权重小的排在后面，在先后顺序规划矩阵中的元素 值aij为1、-1或O，并存在以下关系：5. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 2)中所述的同步顺序规划矩阵的具体方法如下： 根据距离约束关系生成mXn个元素的同步顺序规划矩阵来表示各特征之间是否安排 在同一工步上，在同步顺序规划矩阵中的元素值by为1、_1或0,并存在以下关系：6. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 2)中所述的空工位规划矩阵的具体方法如下： 当相邻两工步距离存在凸凹模安装重叠、干涉问题时，相邻两工步间增加空工步，在空 工位规划矩阵中的元素值1?为1或0，并存在以下关系：7. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 3)中所述的影响因子包括工位数因子m、负荷平衡因子u2、条料稳定因子u3,其对应权重分 别为Wi，W2，W3，且Wi = O · 5~O · 6，W2 = 0 · 2~O · 3，W3 = 0 · 18~O · 23。8. 根据权利要求7所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，所述 工位数因子Ui的具体计算方法如下： 根据排样规则，工位数N的最小值为2、最大值为η; 设定当N=2，m取最大值100;当Ν = η时，m取最小值10;当2<Ν<η时，u1 = 100-90X(N-2)/(n-2)o9. 根据权利要求7所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，所述 负荷平衡因子U2的具体计算方法如下： 设定模具坐标的中心原点为〇，d为实际冲压中心距离模具中心O点的距离，所允许的最 大偏移量为Dmax; 当d = 0，U2取最大值100;当d = Dmax，U2取最小值10;当0<d<DmaJ寸，10. 根据权利要求7所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，所 述条料稳定因子U3的具体计算方法如下： 以钣金件的工位数为X轴、条料连接长度为Y轴建立直角坐标系，其中SL1为所有工位数下的钣金件与条料连接长度总和，SLline3为线性减少时的钣金 件与条料连接长度总和。
【专利摘要】本发明公开了一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，包括以下步骤：步骤1：钣金件特征识别，折弯展开、生成排样特征，制定排样规则；步骤2：采用先后顺序规划矩阵、同步顺序规划矩阵、空工位规划矩阵，列出所有可行排样方案；步骤3：建立影响因子集U＝{u1,u2,u3,...,un}和其对应权重集A＝{w1,w2,w3,...,wn}，其中w1+w2+w3+...+wn＝1，且0≤w1,w2,w3,...,wn≤1，根据影响因子和其对应权重，计算出多准则决策的总分Ev，<maths num="0001"></maths>当Ev取最大值时，即为最优方案，本发明的优点在于，不仅方法简单，而且通过数据得出最优方案，不需要设计人员掌握充分的冲压加工知识与经验，就可以做出正确的工位排样，从而摆脱依靠设计者经验，实现了真正意义上的智能设计，进而实现标准化生产加工。
【IPC分类】G05B19/4097
【公开号】CN105487488
【申请号】CN201510988385
【发明人】夏建生, 窦沙沙, 袁斌, 刘军, 张红蕾, 张本国
【申请人】盐城工学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月24日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工艺顺序规划方法，具体涉及一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺 序规划方法。
【背景技术】
[0002] 从上世纪70年代起，计算机辅助冲压工艺规划研究就开始了，Schaffer(1971)与 Nakahara等（1978)可能是最早研究料条规划与连续冲模设计的问题，他们主要是运用CAD/ CAM技术以解决冲模设计自动化的问题，后来陆续有更多研究将其他方法结合于CAD/CAM环 境中，如Bergstrom等（1988)研究板件自动展开及剪切与弯曲所须冲压力计算，Choi等 (1999)运用知识库规则，获得一定的效果。在商业化软件方面有Pr 0/ENGINEER的Pr0/ SHEETMETAL、NX Progressive Die Wizard等均提供更好的使用者接口，但仍然不能进行广 泛适用于具有典型特征冲压件自动推理排样，冲头分割与配置仍然需要设计者对大多数重 要决定进行交互式选择，不能实现自动化设计。
[0003] 为了解决庞大搜寻空间及降低计算时间，近年来运用AI及搜寻技术使得料条规划 研究发展有更大幅度进展，Inui等（1999)利用拓朴限制（topological constraints)的筛 选及再利用先前完成之计算结果来加速折弯规划，Thanapandi等(2001)则运用基因算法做 类似的尝试，Tor等（2005)结合面向对象技术与Blackboard Architecture，Zhang等（2005) 则进一步结合Case-Based Reasoning，0ng等（1997)运用Fuzzy Set Theory，综观各种研究 主要在验证该技术运用的可行性，其有效性的应用只限于该案例(Cheok和Nee，1998)，再者 各种AI及搜寻技术除未涉及冲头分割议题，且可能忽略更优解（Kannan和Shunmugam， 2009b)。
[0004] 台湾科技大学林清安多年来对该领域不断深入研究，主要以3D CAD软件环境，结 合知识库与搜寻技巧能自动化产生所有可行的料条规划与板料布置，同时能执行干涉检查 及模具重心计算功能，以自动产生所需要的冲头及模座设计。林柏村则以设计软件CATIA， 并应用VB程序语言进行客制化，二次开发出"级进模自动化设计系统"，该系统能依照用户 所输入包括型面外型、产品分割线、冲头、弯缘刀、凸轮切刀及数字与文字信息，即会依照输 入之信息自动执行连续冲压模具结构设计及组件组立。
[0005] 为了降低人为操作与加速料条规划设计效率，Li等人，Tang和Gao通过CAD模型中 直接识别其特征并将各个特征映像至加工规划程序中，但这种作法存在两个不足之处，首 先是CAD模型中常缺乏加工信息，其次已可识别的特征仍须有良好规划才能将各个特征妥 善分配至各工位中。到目前为止，特征识别方面已吸引很多的学者进行研究，例如Kannan和 Shunmugam采用板件交换格式为输入，已知他们的系统可识别出很多的板件特征，如:压印 (embossing)、凸缘（flanging)、百叶孔（louvering)等。
[0006] 料条顺序规划就是在以确定的众多方案中搜寻出最优解。为了提高搜索效率及降 低计算时间，近年来通过运用AI及搜寻技术使得料条规划研究发展有更大幅度进展，Inui 等利用拓朴限制（topological constraints)的筛选及再利用先前完成之计算结果来加速 折弯规划，Thanapandi等则运用基因算法做类似的尝试，Tor等结合面向对象技术与 Blackboard Architecture，Zhang等则进一步结合Case-Based Reasoning，0ng等运用模糊 集理论Fuzzy Set Theory进行筛选。目前，各种方法的研究主要在于验证该技术运用的可 行性，其应用的有效性只限于部分案例(Cheok和Nee)，各种AI及搜寻技术除未涉及冲头分 割问题，存在可能忽略掉全局最优解(Kannan和Shunmugam) lin与Sheu尝试结合迭层法与 穷举法展开各种可能，再利用各种规帅选掉不可行方案，找出所有可行解，但该方法的计算 非常繁琐。
[0007] 多工位级进模是一种高效率、高精度、长寿命的冲压模具，在汽车结构件、五金家 电和电子仪器等领域应用非常广泛由于级进模可以在压力机的-次行程中宪成拉深、成形、 弯曲以及冲裁等多个工序，因此，可以非常显著地提高机床的利用率，实现产品的自动化生 产，减少人工操作和降低生产安全风险然而，采用多工位级进模进行加工的零件，具有工序 多、工艺设计复杂等特点，模具结构一般很复杂而且，前后工序之问都是关联的，在产品、条 料和模具设计的过程中需要考虑非常多的因素，忽视其中任何一个很小的环节都有可能导 致产品质量不合格、模具返修甚至完全报废，这些都大大地提高了级进模工艺和模具设计 的难度，通常需要由具有多年级进模设计经验的工程技术人员才能胜任。
[0008] 级进模加工薄板材的金属零件时，主要的冲压工艺有剪切、冲孔、折弯、成形、拉伸 等。在生产过程中，钣金成品的展开外型确定后，接着工程师绘制钣金产品展开图，然后依 照设计原则及经验法则，将产品中须要冲压加工的部分平均分布在连续冲模的每一道工位 上，原则上先思考如何进行剪边区域、冲孔区域的冲切后，再做后续折弯与成形加工安排， 最后再依据设计图制作冲模。由于零件工序较多，使得冲压加工的流程变得异常复杂，要求 设计人员掌握冲压加工的原理、冲压加工的种类，以及冲压加工的方法等，还需要具备充分 的知识与经验，才能做出正确的工位排样。
【发明内容】
[0009] 本发明目的是：提供一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，不仅方法简 单，而且通过数据得出最优方案，不需要设计人员掌握充分的冲压加工知识与经验，就可以 做出正确的工位排样，从而摆脱依靠设计者经验，实现了真正意义上的智能设计，实现标准 化生产加工。
[0010] 本发明的技术方案是:一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，包括以下 步骤：
[0011] 步骤1:钣金件特征识别，折弯展开、生成排样特征，制定排样规则；
[0012] 步骤2:采用先后顺序规划矩阵、同步顺序规划矩阵、空工位规划矩阵，列出所有可 行排样方案；
[0013] 步骤3:建立影响因子集U= {ui，U2，U3, · · ·，un}和其对应权重集A= {wi，W2，W3,…， Wn}，其中Wl+W2+W3+...+Wn=l，且0 < W1，W2，W3,…，Wn < 1，根据影响因子和其对应权重，计算 出多准则决策的总分Ev，
[0014]
Εν取最大值 时，即为最优方案。
[0015] 作为优选的技术方案，步骤1)中所述的钣金件特征包括冲孔、弯曲、拉伸、翻边、凸 包、压扁、切口。
[0016] 作为优选的技术方案，参照图6所示，步骤1)中所述的钣金件折弯展开具体方法如 下：以钣金件的其中一个平面为基准面，搜索其余面，找出所有折弯面和折弯面对应的折弯 特征，然后将折弯特征展平。
[0017] 作为优选的技术方案，步骤2)中所述的先后顺序规划矩阵的具体方法如下：
[0018] 根据工艺排样规则生成mXn个元素的先后顺序规划矩阵，并且在不同的排样规则 上定义不同大小的权重，权重大的排在前面，权重小的排在后面，在先后顺序规划矩阵中的 元素值为1、_1或0，并存在以下关系：
[0020] 作为优选的技术方案，步骤2)中所述的同步顺序规划矩阵的具体方法如下：
[0021] 根据距离约束关系生成mXn个元素的同步顺序规划矩阵来表示各特征之间是否 安排在同一工步上，在同步顺序规划矩阵中的元素值1?为1、_1或0,并存在以下关系：
[0023]作为优选的技术方案，步骤2)中所述的空工位规划矩阵的具体方法如下：
[0024]当相邻两工步距离存在凸凹模安装重叠、干涉问题时，相邻两工步间增加空工步， 在空工位规划矩阵中的元素值1?为1或0，并存在以下关系：
[0026] 作为优选的技术方案，步骤3)中所述的影响因子包括工位数因子m、负荷平衡因 子U2、条料稳定因子U3，其对应权重分别为W1，W2，W3， 且W1 = 0 · 5~0.6，W2 = 0.2~0.3，W3 = 0.18 ~0·23〇
[0027] 作为优选的技术方案，所述工位数因子m的具体计算方法如下：
[0028] 根据排样规则，工位数N的最小值为2、最大值为η;
[0029] 设定当N=2，m取最大值100;当Ν=η时，m取最小值10;当2<Ν<η时，m = 100-90 X(N-2)/(n-2)，参照图7所示，从制造的角度考虑，工位数N越多，模具的体积越大，成本越 高，所需要冲床安装面积越大，因此工位数越少，越具有优势。
[0030] 作为优选的技术方案，所述负荷平衡因子u2的具体计算方法如下：
[0031]级进模连续的均衡性，要求冲头负荷尽可能均匀，合作用力点尽可能接近模具形 状中心，负荷平衡因子是比较等效力作用点与模具形状中心一致性，Pi对模具作用力作用 点(Xi，h)，通过力矩平衡公式计算。
[0032]冲裁力和弯曲力的计算按下列公式计算，其中1为弯曲或剪切长度，t为材料的厚 度，Sb为材料的强度极限，Cs，a，Cu分别为材料系数，从工程材料手册中查得。
[0033] 冲裁力:Fs = CsXlXtXSb
[0034] U 形弯曲力:Fu=(Cu/3)XlXtXSb
[0035] L 形弯曲力:FL=(CL/6)XlXtXSb
[0036] 参照图8所示，设定模具坐标的中心原点为0,在η步工序中，U形弯曲数量为i，L形 弯曲数量为j，冲裁数量为k。沿着X轴位置依次进行定义，U形弯曲SPi，位置坐标为( Xl，yi); L形弯曲为Pj，位置坐标为(xj，yj);冲裁为Pk，位置坐标为(xk，yk)。
[0037] 总冲压力F可以按下列公式计算：
[0039] 第η步冲压力中心（；？，歹)通过下列公式计算：
[0042]实际冲压中心距离模具中心0点的距离d为
[0044] 实践表明d所允许的最大偏移量_____ _ γ、
, 、_ ,
[0045] 当d = 0，u2取最大值100;当d = Dmax，u2取最小值10 ;当0<d<Dmax时， V "
ma x / 〇
[0046] 作为优选的技术方案，所述条料稳定因子u3的具体计算方法如下：
[0047] 条料在送进过程中，冲裁冲头将带料上废料冲切掉，钣金零件与条料连接面积不 断减少。当连接部分过少时，条料在送进过程中容易产生晃动或摆动，这会影响到产品加工 精度。
[0048] 根据连接长度减小的趋势不同，将钣金零件与条料连接长度分为直线Lline3、曲线 上Lup、曲线下Ld_、波浪线Lwave，如图9所示。对应的条料稳定因子分别定义为Uli ne、Uup、Ud_、 Uwave3,每种曲线下在所有工步下对应钣金零件与条料的连接长度总和分别为Lline3、L up、Ldmm、 Lwave，长度总和越大，代表条料稳定性越好。通过直观比较，可得出Ud_〈Uline〈Uup。
[0049] 以钣金零件的工位数为X轴、条料连接长度为Y轴建立直角坐标系，
[0051] 其中
为所有工位数下钣金零件与条料连接长度总和 I线性减少时的
钣金零件与条料连接长度总和。
[0052] 操作顺序关联矩阵是根据几何特征及约束规则而生成的，具体的规则参照设计手 册、塑性成形原理及相应的专家经验，制定17条规则。
[0053] 规则1(附属规则）：若钣金件特征为弯曲特征，则首先对弯曲周围的废料进行切 除；
[0054]规则2(定位精度要求）：冲导正销孔安排在刚开始的第一步，确保带料输送的精 度；
[0055] 规则3(基准特征）：若某一冲压特征依据某一参考特征，则参考特征优先；
[0056] 规则4:(外轮廓精度要求)若有大孔和小孔挨着太近，则先冲大孔后冲小孔，否则 先充的小孔在冲大孔时会发生变形；
[0057] 规则5 :(成本规则Μ则面方向的孔，尽可能安排在弯曲、拉伸前冲，在弯曲后冲孔需 增加斜楔传动，增加成本；
[0058]规则6:(小距离规则）冲件上孔壁、孔边小于料厚t或不足2mm，应分步在两个工位 上冲出，以增强凹模强度及扩大凸模在其固定板上的安装位置；
[0059] 规则7:(凹模强度规则)若冲孔和废料切除不能安排在同一步，则冲孔安排在切除 废料前；
[0060] 规则8:(精度要求规则)若孔间的距离足够，且有精度要求，公差值小于0.01mm，这 些孔需安排在一个工位上冲出；
[0061] 规则9:(分离规则)带料分离工序安排在最后一步；
[0062] 规则10:(顺序折弯规则）如果一个面存在多处折弯，则需要按照由外往里的顺序 进行折弯。
[0063] 规则11:(同步折弯规则)在同一轴线上的弯曲，两平面有同轴度要求的弯曲，以及 对于弯曲深度小于5倍料厚的Z形弯曲，应安排在同步折弯。
[0064] 规则12:(弯曲顺序规则）为了减少弯曲形状的影响，远离母平面的弯曲，其要求 尚，应早点进彳丁弯曲。
[0065] 规则13:(弯曲数量规则）同一步中弯曲数量越多，对母平面的冲击越多，对整体精 度影响越大。
[0066] 规则14:(弯曲角度规则)母平面和各旋转平面之间的弯曲角度大于90°时，弯曲应 分成一个或多个弯曲进行。
[0067] 规则15:(孔先后规则）内部孔要位于外部冲切之前进行。
[0068] 规则16:(同步冲裁面积规则）同一工步上，不宜冲裁面积相差太大的工件，避免模 具的损坏。
[0069] 规则17:(送进抬料规则)条料送进过程中，抬料高度底者为优。
[0070] 本发明的优点是:本发明采用先后顺序规划矩阵、同步顺序规划矩阵、空工位规划 矩阵，列出所有可行排布方案，最后运用多准则决策方法对合理方案进行评估，选出最优方 案，不仅方法简单，而且通过数据得出最优方案，不需要设计人员掌握充分的冲压加工知识 与经验，就可以做出正确的工位排样，从而摆脱依靠设计者经验，实现了真正意义上的智能 设计，进而实现标准化生产加工。
【附图说明】
[0071] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0072] 图1为本发明钣金零件示意图；
[0073] 图2为本发明钣金零件展开示意图；
[0074]图3为本发明废料设计图；
[0075] 图4为本发明最优排样方案示意图；
[0076] 图5为本发明级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法的流程图；
[0077] 图6为本发明钣金件折弯展开流程图；
[0078]图7为工位数因子影响示意图；
[0079] 图8为负荷平衡因子冲头作用点示意图；
[0080] 图9为钣金零件与条料连接长度关系示意图；
【具体实施方式】 [0081 ] 实施例：
[0082] 1、识别钣金零件特征：
[0083]钣金件典型的特征有冲孔、剪切、弯曲、拉伸、局部成形等，如图1所示钣金零件，基 本特征有:4处折弯特征81、82、83、84,2处冲孔?1、？2、1处局部成形特征11。
[0084] 2、折弯展开、生成排样特征：
[0085]参照图2所示，将钣金零件展开，在带料上进行布局，进行废料设计，其中冲孔类： 冲孔P1，冲孔P2，冲孔P3，冲孔P4;落料类:落料P5，落料P6，落料P7;弯曲类:弯曲B1，弯曲B2， 弯曲B3，弯曲Μ;成形类:F1，所有特征的位置如图3所示。
[0086] 3、生成先后顺序规划矩阵
[0087]根据工艺排样规则生成操作优先顺序矩阵，并且在不同的排样规则上定义不同大 小的权重，权重大的排在前面，权重小的排在后面，如表1所示，当特征值为1时，i操作在j操 作之前;当特征值为-1时，i操作在j操作之后；当特征值为〇时，i操作在j操作无关联。
[0088]表1先后操作顺序规划矩阵表：
[0089]
[0090] 4、生成同步顺序规划矩阵
[0091]操作先后顺序规划矩阵 是根据制造和几何体间约束来定义先后顺序的，确定同步 操作顺序规划矩阵，如表2所示，当特征值为1时，两个操作能安排在同一工步上；当特征值 为0时，两个操作不能安排在同一工步上。
[0092]表2同步操作顺序规划矩阵表：
[0093]
[0094] 从表2中可得出同步操作:冲孔类同步：（？1，？2)，（？3，？4);弯曲类同步：（81，82)。
[0095] 5、生成空工位规划矩阵
[0096]操作先后顺序规划矩阵是根据制造和几何体间约束来定义先后顺序的，按照空工 位规则生成空工位操作顺序规划矩阵，如表3所示。当特征值为1时，需要插入空位，当特征 值为〇时则不需要，空工位用字母I表示。
[0097]表3空工位操作顺序规划矩阵表 [0098] ^ ftfl s>4 +,J υ ι/
^ I u 'Ll I w
[00"] 6、排样方案生成
[0100] 根据顺序关联矩阵、顺序同步矩阵、空工位联接矩阵，列出所有可能的排布情况， 如表4所示。其中8工步4种:Gs-hGs-2、G 8-3、G8-4,9工步 12种:69+69-249-349-449-549-649-71 G9-8、G9-9、G9- 1Q、G9-n、G9-12;10 工步 4 种:G10-l、G10-2、G10-3、G10-4, 一共 21 种排列方式。
[0101] 表4所有排列方案
[0102]
[0103] 7、计算评价影响因子
[0104] 根据设计准则对这些方案进行评判，选出最优结果。
[0?05]根据评价模具结果性能好坏指标，建立影响因子集:U= {ui，U2，U3}，其中：U1:工位 数因子;u2:负荷平衡因子;U3:条料稳定因子；
[0106] (1)工位数因子(m)
[0107] (2)负荷平衡因子(U2)
[0108]根据负荷的大小及作用点位置，计算出每种方案的工艺力、压边力、压力中心坐标 及负载平衡因子，如表5所示。
[0109] 表5负荷平衡因子计算表
[0110]
[0111]
[0112] (3)条料稳定因子(u3)
[0113] 计算零件与条料连接长度的大小及条料稳定因子列于表6中。
[0114] 表7条料连接长度及稳定因子
[0115]
[0116] 8、建立权重集
[0117] 各因子赋予一定的权重值，本案例取:￥1 = 0.5，￥2 = 0.3，￥3 = 0.2，其中￥1+￥2+界3 = 1〇
[0118] 9、计算总得分并选出最优方案
[0119] 按照
计算出每种 方案的得分。
[0120] 表9方案总评分
[0121]
[0122] 从表中得出G8-4的63.74为最高分，为最优方案，如图4所示。
[0123] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因 此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:钣金件特征识别，折弯展开、生成排样特征，制定排样规则； 步骤2:采用先后顺序规划矩阵、同步顺序规划矩阵、空工位规划矩阵，列出所有可行排 样方案； 步骤3:建立影响因子集U= {ui，U2，U3, . . .，Un}和其对应权重集A= {wi，W2，W3, . . .，Wn}， 其中Wl+W2+W3+...+Wn= I，且O < W1，W2，W3,…，Wn < I，根据影响因子和其对应权重，计算出多 准则决策的总分Ev，当Ev取最大值时，BP 为最优方案。2. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 1)中所述的钣金件特征包括冲孔、弯曲、拉伸、翻边、凸包、压扁、切口。3. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 1) 中所述的钣金件折弯展开具体方法如下：以钣金件的其中一个平面为基准面，搜索其余 面，找出所有折弯面和折弯面对应的折弯特征，然后将折弯特征展平。4. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 2) 中所述的先后顺序规划矩阵的具体方法如下： 根据工艺排样规则生成mXn个元素的先后顺序规划矩阵，并且在不同的排样规则上定 义不同大小的权重，权重大的排在前面，权重小的排在后面，在先后顺序规划矩阵中的元素 值aij为1、-1或O，并存在以下关系：5. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 2)中所述的同步顺序规划矩阵的具体方法如下： 根据距离约束关系生成mXn个元素的同步顺序规划矩阵来表示各特征之间是否安排 在同一工步上，在同步顺序规划矩阵中的元素值by为1、_1或0,并存在以下关系：6. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 2)中所述的空工位规划矩阵的具体方法如下： 当相邻两工步距离存在凸凹模安装重叠、干涉问题时，相邻两工步间增加空工步，在空 工位规划矩阵中的元素值1?为1或0，并存在以下关系：7. 根据权利要求1所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，步骤 3)中所述的影响因子包括工位数因子m、负荷平衡因子u2、条料稳定因子u3,其对应权重分 别为Wi，W2，W3，且Wi = O · 5~O · 6，W2 = 0 · 2~O · 3，W3 = 0 · 18~O · 23。8. 根据权利要求7所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，所述 工位数因子Ui的具体计算方法如下： 根据排样规则，工位数N的最小值为2、最大值为η; 设定当N=2，m取最大值100;当Ν = η时，m取最小值10;当2<Ν<η时，u1 = 100-90X(N-2)/(n-2)o9. 根据权利要求7所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，所述 负荷平衡因子U2的具体计算方法如下： 设定模具坐标的中心原点为〇，d为实际冲压中心距离模具中心O点的距离，所允许的最 大偏移量为Dmax; 当d = 0，U2取最大值100;当d = Dmax，U2取最小值10;当0<d<DmaJ寸，10. 根据权利要求7所述的级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，其特征在于，所 述条料稳定因子U3的具体计算方法如下： 以钣金件的工位数为X轴、条料连接长度为Y轴建立直角坐标系，其中SL1为所有工位数下的钣金件与条料连接长度总和，SLline3为线性减少时的钣金 件与条料连接长度总和。
【专利摘要】本发明公开了一种级进模复杂钣金件冲压工艺顺序规划方法，包括以下步骤：步骤1：钣金件特征识别，折弯展开、生成排样特征，制定排样规则；步骤2：采用先后顺序规划矩阵、同步顺序规划矩阵、空工位规划矩阵，列出所有可行排样方案；步骤3：建立影响因子集U＝{u1,u2,u3,...,un}和其对应权重集A＝{w1,w2,w3,...,wn}，其中w1+w2+w3+...+wn＝1，且0≤w1,w2,w3,...,wn≤1，根据影响因子和其对应权重，计算出多准则决策的总分Ev，<maths num="0001"></maths>当Ev取最大值时，即为最优方案，本发明的优点在于，不仅方法简单，而且通过数据得出最优方案，不需要设计人员掌握充分的冲压加工知识与经验，就可以做出正确的工位排样，从而摆脱依靠设计者经验，实现了真正意义上的智能设计，进而实现标准化生产加工。
【IPC分类】G05B19/4097
【公开号】CN105487488
【申请号】CN201510988385
【发明人】夏建生, 窦沙沙, 袁斌, 刘军, 张红蕾, 张本国
【申请人】盐城工学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月24日
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