钣金排套料CADCAM系统的设计与开发封边机

钣金排套料CAD/CAM系统的设计与开发

钣金排套料CAD/CAM系统的设计与开发 2011： 摘要：钣金排套料CAD/CAM软件系统在工业上有极其广泛的应用。由于排套算法的不断改进及工业需求的不断变化，对该类软件的完善和发展也成为软件开发的持久课题。文章介绍了一个钣金排套料CAD/CAM软件系统的设计开发原理及一些关键技术。该软件系统主要解决钣金切割中的设计计算、优化排样、数控工艺等问题，在几何与切割特征设计、排套搜索策略方面采用了新的思想和方法，尤其成功解决了切割引线与切割路径优化的实用问题。软件系统已经成功应用于一些造船企业和切割机生产厂家。 关键词：钣金切割；计算机辅助设计与制造；割料问题 1 引言 船舶、压力容器、通风设备等制造业常常需要切割大量的钢板作为其后续制作的材料。如何提高切割过程中原材料的利用率以降低生产成本是企业一直在寻求解决方法的问题之一。利用计算机辅助排样实现高效低耗的钣金切割已经成为企业界的共识。国内外的切割设备生产商及相关的软件开发商也在纷纷研发适合市场需求的软硬件系统。然而由于排样问题本身的难度及国内软件市场的疲软，国内在开发具有国际竞争力的软件产品方面一直力不从心，导致国内切割机生产企业不得不花巨资购买国外软件以配套其产品。此举的直接后果是增加了切割机的成本而降低了产品的市场竞争力。此外，由于国外产品在语言习惯、操作使用等方面的特殊性，终端用户往往需要经过专业的培训才能掌握一般操作使用，并且产品在维护方面缺乏应有的技术保障。因此开发具有自主知识产权和国际竞争力的软件产品，不仅可以降低企业生产成本，也是我国信息化制造技术发展的需要。鉴于此，国防科技大学与广州凯恒程控科技有限公司合作，研制开发出了一套钣金排套料CAD/CAM集成软件系统，主要解决钣金切割中的设计计算、优化排样、数控工艺等问题。本文主要介绍该软件系统的设计开发原理及一些关键技术。 2 系统功能与总体结构设计 依据生产实践的要求，钣金排套料CAD/CAM软件系统的总体功能包括特征处理、排套处理、NC前后置处理三部分。特征是由具有制造意义的一个封闭外轮廓及若干封闭内轮廓组成的几何实体。由于特征包含几何和制造两部分信息，因此特征处理须具备二维图形编辑、加工轮廓生成与二维制造特征生成的功能；排套主要将不同形状的特征排列在坯料上并保证所排列的特征对坯料具有尽可能大的面积利用率和尽可能小的废料率，因此排套处理须具备排套任务管理、自动手动排套及钣料、余料、废料管理的功能；NC前后置处理主要处理排列好特征的数控切割数据，故NC前后置处理须具备数控工艺参数设置、数控设备选型（支持多种切割设备）、切割补偿计算、切割方向规划、切割引线处理、NC指令生成及切割仿真的功能。 基于上述系统功能的要求，设计钣金排套料CAD/CAM软件系统的总体结构如图1所示。 图1 钣金排套料CAD/CAM软件系统总体结构3 系统实现的几个关键技术 由于国际商用CAD/CAM大多数采用VC++作为开发平台，考虑到国际接轨与接口的需要，本系统也选择VC++作为基本开发工具。从图1可以看出，特征处理器是整个系统的源数据模块，排套处理器是实现排套内核算法的关键模块，NC处理器是数控加工的关键模块。图形编辑与特征生成、排套内核算法与NC工艺处理成为整个系统开发的关键技术。以下分别进行介绍。 （1）图形编辑与特征生成 钣金排套料CAD/CAM软件系统将特征定义为具有制造意义的一个封闭外轮廓及若干封闭内轮廓组成的几何实体 ，因此图形编辑是特征生成的基础。尽管国际商用CAD/CAM软件在图形编辑技术方面已经非常成熟，但是采用VC完全从底层进行图形编辑器的开发也是十分具有挑战性的工作。考虑到钣金特征的二维图形结构，图形编辑器应该具备一般二维几何图素的生成、变换与编辑的功能。其中难度最大的是图形编辑暨拉伸、修剪、延长、倒圆、倒角等涉及到不同图形对象间的交点、切点计算与重新参数化计算。图形编辑还涉及到图形拾取以及尺寸标注与测量等交互设计必须具备的操作。为解决上述问题，系统严格采用OOP的程序设计思想，设计了PubTools、GeometryObjects2D、GeometryTrans2D、GeometryMapping2D、ScreenPick2D等几十个类完成这些复杂操作。因篇幅所限本文无法列举每个类的定义与功能，只以两线倒圆操作的流程为例简单说明，见图2。 图2 两线素倒圆的计算流程从几何图形到特征的转换需要经过有理轮廓化。所谓有理轮廓化就是在几何图形中寻找封闭的轮廓并去掉轮廓中的因计算而产生的奇异点。本系统通过交互式选取加自动搜索实现封闭图形链的生成，然后通过分段处理实现有理轮廓化。 依据系统对特征的描述，一条封闭的外轮廓和若干条封闭的内轮廓构成特征的几何数据。因此特征的生

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