步冲CAPP系统中冲裁模拟的模型建立及实现

HEATS · 发表于 2010-9-12 09:38:52

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阐述了在步冲CAPP系统的开发中，合理选择标准冲头、科学搭配冲头、使冲头满足工艺要求和优化冲裁路径的问题;指出了这些问题的解决首先要对冲压件进行模拟冲裁。通过冲裁模拟，将优化数控冲压工艺方案及数控代码，能有效保证冲裁加工的效率，使冲裁加工工艺更加科学、规范、优化，并在模拟仿真加工方面做了有益的探索。

    前言

    传统的数控步冲压力机加工时，其工艺决策，如冲头的选择是否合理、冲裁结果是否满足生产要求，一般是靠操作者的经验来把握，生产效果也只有通过实际加工来检验。这种方法对一线操作人员的工艺水平要求高，并且耗时长、风险高，所以在实际加工前，通过步冲CAPP系统对冲裁过程进行预先加工模拟就显得很有必要。

    步冲CAPP系统的冲裁模拟主要达到如下目的:1)通过模拟找到最佳的冲裁加工方案。检验步冲方案是否合理一个主要依据是冲裁效率最大化原则，即要选择合理的冲头类型组合，以最优路径在最短时间内完成冲裁件的加工；2)在模拟的基础上，实现对冲裁加工信息的显示、记录、管理及传输，为系统后续的加工数控代码自动生成提供原始数据信息，这也是实现步冲CAPP/NC集成的关键所在。

    1 冲裁模拟的约束条件及原理

    实现冲裁模拟的前提条件是要建立科学的冲裁模拟数学模型，并给出合理的冲裁边界约束条件。冲裁模拟的约束条件从总体上来讲可以分为几何边界约束及工艺约束，由于冲压件厚度相对于长宽尺寸可以忽略，所以其模型可以看作是二维的，其几何边界约束主要有冲裁件几何轮廓、冲头形状、冲头尺寸等。圆冲头冲线轮廓段的几何模型图如图1所示。

图1 圆冲头冲裁直线段轮廓模型

    冲裁模拟的工艺约束主要有冲裁件截面质量、冲头运动步距、运动方向(如本系统规定冲裁内轮廓沿顺时针，冲外轮廓沿逆时针)、冲头运动的边界约束、冲头在不同轮廓段间的跳转约束等。

    要保证模拟的真实性，就要在系统环境下建立科学的冲裁件几何模型。冲裁件模型是根据系统图形窗口的尺寸，将零件的实际尺寸按照一定的比例进行缩小或者放大，在图形窗口中显示出来，关于冲裁件CAD信息如何传入CAPP系统作者在其它文献中已有论述。为了保证模拟的真实性，就要处理好坐标原点变换和图形显示的比例，一方面要确保冲裁件的轮廓元素均要显示出来，另一方面要保证图形在X,Y轴方向比例不失真。设冲裁件有N个轮廓段，令其轮廓的边界点，即左下角及右上角坐标分别为(Xmin, Ymin) , (Xmax, Ymax)，则有

其中X_i，Y_i分别为冲裁件轮廓段的端点横坐标和纵坐标。

当轮廓段为弧段时，由于取的是圆弧的起点与终点，考虑到圆弧的曲率半径R，则在取极值前令Xi= Xi±R,Yi=Yi±R。为了保证图形的横坐标放缩比例与纵坐标放缩比例一致，在极限坐标值上可以做如下修正:

    2 步冲模拟的实现

    系统在冲裁模拟中分别以实心方形、实心圆形、实心三角形等符号分别模拟方形冲头、圆形冲头及三角形冲头，在选择好冲头类型及尺寸后，通过所选冲头尺寸按照冲裁件轮廓的图形显示比例，驱动命令绘制相应边长大小的方形、三角形或圆形来模拟冲头，如绘制方形冲头的命令如下:

图形窗口：Line X_i, Y_i-X_i+1, Y_i+1, vbBlack, BF

其中X_i、Y_i、X_i+1,、Y_i+1,分别表示冲头运动中的左上角及右下角动态坐标，BF表示图形绘制效果为黑色实心。

冲头的模拟还要解决冲头运动位置及轨迹的控制。冲头的运动都是沿冲裁件轮廓进行的，所以起运动轨迹取决于轮廓形状。以圆冲头冲裁圆弧轮廓段为例，如图2圆弧段的起始角及终止角分别为α、β，则冲头运动的总体约束条件如下:

    冲头圆心轨迹:半径为(R-r)的圆弧

    冲头运动的起始及终止位置:起始角度(п-α)，终止角度β

    冲头运动步距:步距S有冲裁截面质量、冲头类型尺寸、冲裁轮廓段尺寸等决定(冲裁步距的具体算法在其它文章已有说明，这里不再赘述)。

    冲头运动速度:为了提高冲裁模拟的真实性，还要控制好冲头运动，即在绘制相临两个运动冲头间加人合理的时间间隔，而且根据情况可以实现对间隔进行手工调整。下面是冲头运动间隔程序，变量"ms"表示间隔时间，单位为ms。

按照上述边界条件逐步画出实心圆就完成了对圆弧轮廓的冲裁模拟。冲裁模拟的核心是按照冲裁件轮廓段的边界条件、冲裁工艺判决条件及冲头轮廓，按照设置的冲头运动速度对冲头实心图形进行动态绘制。其中由冲裁件的边界轮廓、冲头形状及尺寸控制冲头的运动轨迹，冲裁步距控制冲头每动作一次冲头动态绘制前进的距离，并由二者结合控制冲头在轮廓段上不出现过冲及欠冲。

图2 圆冲头冲裁弧线段轮廓模型

    在冲裁加工过程中，冲头的磨损会导致其尺寸随着时间发生变化，在冲裁件截面质量不变的情况下，冲头的磨损会直接影响到冲裁步距的变化，将会影响模拟的真实性。在模拟冲裁中动态调整有两种办法，一是建立冲头尺寸磨损的数学模型，由系统根据冲头加工的时间长短自动调整冲头的尺寸;二是人机交互调整，即根据一段时间内冲头尺寸的变化情况，对冲裁步距参数进行手工调整，本系统采用了前者。

    系统模拟冲裁的流程图见图3。

图3 步冲模拟流程图

    3 轮廓段模拟冲裁中的首末位判决

    在模拟冲裁中，约束冲头运动轨迹的因素主要有冲裁件轮廓、冲裁截面品质、标准冲头类型、冲头尺寸、冲裁件类型(冲孔件、落料件等)。

    在冲裁步距确定后，冲头在冲裁件轮廓段中间部分的模拟运动是沿着轮廓段进行的，一般不会出现问题，重点要注意控制好冲裁件轮廓段的起始和终止位置，才能保证冲头不出现过冲现象(冲头超出轮廓范围，把应该保留的部分冲裁掉)和欠冲现象(冲头运动不到位，使该冲裁掉的部位保留下来)，同时起末位置的准确判决也是实现冲头在不同轮廓段间正确跳转的保证。

    冲裁件的轮廓段冲裁始末位判决有两种方法，一是系统通过控制冲头中心坐标与冲裁件轮廓段末端坐标距离动态监测，以此来控制冲模末位冲裁步距及冲模的正确跳转;二是按冲头步距、轮廓尺寸计算满足不过冲的最大冲裁次数(弧线轮廓按照弧度计算)，在最后的冲裁工位再进行特殊处理，这种方法中间数据量小、效率高，缺点在于冲裁步距、冲裁轮廓线长度等计算时会存在一定的误差，当这些误差累计到一定值时，可能会出现误判。但由于在实际生产前，操作者有机会根据冲裁模拟的情况进行及时调整，就大大提高了这种方法的可靠性叫。系统采用了后者进行判决。

    系统在开发中确定冲裁内轮廓时(冲孔)冲头按顺时针方向运行，即冲头始终沿着轮廓段的右侧运动;冲裁外轮廓时(落料)则按照逆时针运行，冲头始终沿着轮廓线左侧运动。对于同样形状的的封闭轮廓，冲裁内轮廓的轮廓段的起点和终点，恰恰是冲裁外轮廓的终点和起点，在冲裁轮廓段的末位判决时，内外轮廓的判断约束点刚好相反。

    4 步冲模拟的数控代码生成

    数控代码的生成，除要解决和数控系统间的数据传递接口问题，还必须为其提供必要的原始信息，包括冲模类型、冲模尺寸、冲模运动轨迹等工艺信息。在冲头数据信息的传递上，定义了一个自定义结构体及动态数组。

以用圆冲头模拟冲裁圆弧为例，如图2所示，冲头中心动态X,Y坐标信息提取为

其中，R,r分别为轮廓段及冲头的半径尺寸，m为模拟冲裁中冲头运动的次数，draws(i)定义为下面的图形信息数据自定义结构体数据类型:

Public draws() As pic_datas 将数组 draws() 定义为图形信息的数据类型

根据上面的定义，系统的数控代码生成模块通过自定义结构，不断纪录冲头在运动时产生的动态轨迹的模拟数据信息:

            ILength = UBound(Position)
            ReDim Preserve Position(ILength + 1_
            Position(ILength) = punc

通过上述程序，将主要的模拟数据信息传递给数控代码生成模块，为下面进行的数控代码自动生成做好原始的数据准备。

图4 模拟后的数控代码自动生成界面

    冲床控制系统在获取冲头信息及加工轨迹，经过后置处理系统将加工文件转换为数控系统可以接受的数控指令程序送人到数控程序库，由DNC系统将数控程序传输给冲床，控制冲头进行冲裁加工。系统自动生成数控代码的界面如图4所示。系统在处理时主要依据下面几个变量:

    1) MAX_LENGTH一表示连续冲孔的两孔间最大距离，超过这个距离，就要暂停冲孔，待定位正确后再冲;
    2) MIN_LENGTH一表示连续冲孔的两孔间最小距离，小于这个距离，就要暂停冲孔;
    3) NCC STEP一表示连续冲孔的两工位间最大距离。

    5 结束语

    在数控步冲工艺决策中，冲头类型及尺寸选择是否合理、冲头搭配是否科学、冲头运行轨迹是否优化将直接影响到冲裁效率。步冲模拟系统实现了在实际加工前对冲裁过程进行动态模拟，并为加工数控的生产提供了必要的原始数据，在板料的步冲方面做了一点有益的尝试。

【MechNet】

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