與進口樁腿齒條 在成形質量上是致的鋼板切

　　基于切割工藝的鋼板下料套料算法及實現哈爾濱天元數控設制造有限（１５００７８） 摘要針對數控切割下料行業中任意形狀零件套排的優化問題，依據離散數學的掃描線算法，在套排過程中融入了數控切割下料的特殊工藝技術，并根據局部的原則不斷地將零件進行動態套排，直至套排結束。實際 計算結果表明，該算法實用性強、速度快、效率高，獲得了滿意的套排結果。 關鍵詞：數控切割切割工藝套排排樣掃描線算法 中圖分類號：ＴＰ３９１．７３ 在機械產品制造業，板材下料是重要的制造工藝過程之一。因此，采用有效的鋼板套料算法，提高板材 利用率，降低生產成本，對企業的經濟發展具有十分重 要的意義。按照人們對排樣問題（Ｃｕｔｔｉｎｇ ＳｔｏｃｋＰｒｏｂ— ｌｅｍ，ＣＳＰ）的劃分，實際生產中的大多數情況是任意形 狀零件排樣問題，因而它可以說是ＣＳＰ問題中重要 的一類。目前國內外學者對任意形狀零件套排問題研 究較多，主要算法有掃描線算法、平行線分割算法 等ｑＪ。通常情況下，鋼板零件的套排算法如前述情 況一樣，僅僅考慮的是數學算法，而沒有考慮數控切割 零件套排過程中的特殊工藝技術，因而其套排結果往 往存在缺陷，板材利用率不高。文中在總結任意形狀 零件優化套排算法的基礎上，提出套排前預處理、排樣 與套排相融合的計算方法。這種新的套排算法，加入 了零件共邊及零件連割的特殊工藝技術，使套排結果 的板材利用率得到有效提高。實際計算結果表明，該 算法速度快、效率高、實用性強，獲得了滿意的套排結 果，已經應用于實際生產。 工藝技術１．１零件的幾何描述 任何一個復雜的不規則形狀的零件都是由一個外 部輪廓和若干個內部輪廓構成，輪廓線圖段是由直線、 圓弧及任意曲線組成。對于任意離散點的曲線，采用 曲線擬合算法分解為小直線段或圓弧段，這樣所有輪 廓線圖段終歸結為直線零件共邊 在零件切割下料時，如果兩個零件有相同的直邊， 收稿日期：２０１３—１１—０１ 如圖１所示，切割時就只需切割一次，很明顯這樣既可以 節省板料，又可以節約耗材，并提高生產效率。對于相同 的零件，如果該零件有直邊，那么這些相同零件就可以套 排成共邊形式。對于不相同的零件，如果零件有直邊， 同樣可以搜尋其它零件的直邊，用于共邊切割。 兩三角形零件共邊圖不零件共邊的排樣在鋼板套排的預處理算法中進 行，將相互共邊的零件排成一個零件進行整體套排。 １．３零件連割 多個零件套排時，條件允許可以把幾個零件的切 割起點連在一起，如圖２所示三個零件套排時，將這三 個零件的切割起點設置在一起，就減少了火焰切割的 穿孔點，節省了能源并減少了切割時間。 ２數學算法 ２．１掃描線 萬方數據 向進行掃描，掃描增量為ｄ＝ｄｘ＝ｄｙ，圖３所示為對一個零件進行掃描。 圖３掃描線圖不設第ｋ個零件圖為Ｇ（ｋ），ｋ＝１，２，…，ｎ。對于零件 圖Ｇ（ｋ），每一方向的掃描線與零件輪廓線外側只有 兩個交點，兩個方向共計４個交點，根據此４個交點值 建立零件輪廓交點表如下： 由零件輪廓交點表Ｂ，（ｋ）和Ｂ，（ｋ），可計算出兩個零件間在ｘ方向及ｙ方向上的小間距，根據此間距 值，確定零件的移動距離。 零件的幾何描述已經說明，零件輪廓線是由直線 和圓弧組成，所以零件輪廓交點表的計算實際上就是 直線與直線的交點計算及直線與圓弧的交點計算，但 零件邊緣應由其外接矩形確定，設外接矩形的坐標為 ２．２套排預處理２．２．１單件預處理 單件預處理算法為單件利用率原則，計算方 法為，以零件中心（ｘ。，Ｙｏ）為圓心，角度６為增量，旋轉 零件后計算零件面積Ｐ．ｊ與其外接矩形面積尺。；之比叩， 求單件利用率值，即 Ｍａｘ（．２東Ｊ根據刀一來確定零件初始方位。 ２．２．２共邊預處理 單件選擇結束后，首先選擇具有直邊的相同零件， 這種零件可以共邊，而且還可以多邊公用，尤其是矩形 ２４ ２０１４年第６期 零件的情況，如圖４所示。 圖４矩形零件共邊圖不 對于共邊后組合在一起的零件，在后續套排中按 單件處理。 ２．２．３兩件預處理 在進行零件套排前，首先選擇相同零件或面積相 近零件進行組合。組合算法為，先固定一個零件，第二 個零件按００，９０。，１８００及２７００方位按掃描線算法進行 組合，以面積利用率為目標，組合成功后按一個零 件處理，如圖５所示。 圖５兩零件組合圖示 按此方法可進行３個、４個等多個零件的有效組 ２．３零件套排原則２．３．１ 起始位置 通常情況下，零件排料從矩形鋼板的左下角開始 作為個零件的放置位置，對于特殊要求，也可以從 鋼板的其它位置開始排料，對程序算法無影響。 ２．３．２零件面積 一般情況是從面積的零件開始排料，遵循此 原則，零件在鋼板上進行排料之前，先按零件面積的大 小開始排序，然后以此順序進行排料。 ２．３．３內輪廓套排 當個零件按起始位置要求及面積原則放 置到鋼板上之后，要首先對該零件的內輪廓區域進行 零件套排，實際上，此處是一種遞歸算法。 ２．４套排后處理 整張鋼板套排結束后，進行鋼板未利用的空隙搜 索，找到零件間的空隙，設置切割引入線。如存在 兩個或多個零件引入線可設置在一起的情況，便將這 些零件設置成連割。 萬方數據 ２．５程序流程程序流程如圖６所示。 在上述套排流程的內輪 廓套排和外部排料的過程，不 僅僅是單個零件進行套排，還 包含了作為單件處理的共邊 過程。３運行實例 ＱｕｉｃｋＮＥＳＴ計算機自動 套料系統即是應用上述套排 方法開發的實用高效型套排 零件預處理 鋼板后處理圖６程序流程 軟件，該系統能有效地解決任意二維不規則零件的 優套料問題，并在生產實際應用中得到了用戶好評。 舉例中用７０個任意形狀的零件套排在寬度為 １６００ｍｍ、長度為６ ０００ ｍｍ的矩形鋼板上，套排結果 如圖７所示，此套排結果的板材利用率達到了８０％，如 ｍＩ椰／Ｈ 圖７零件套排圖示果零件大小匹配適當，套排利用率可達９０％以上。 （１）使用基于切割工藝的套排算法，可以實現任意復雜零件在矩形板材上的優化套排，整張鋼板的套 排結果更加符合實際生產需要。 （２）套料過程更快速、套料結果實用。 （３）可以大輻度地減少加工時間、降低耗材使用 量、提高板材利用率。 （４）為鋼結構制造業下料工序提高生產效率、降 低生產成本提供了有效途徑。 參考文獻 ［１］Ｆｏｌｅｙ ＪＤ，ＳｔｅｖｅｎＫＦｅｉｎｅｒ，ＪｏｌＩｌｌＦ Ｈｕｇｈｅｓ．ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈ— ｉｔｓ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ８ Ｐｒａｃｔｉｃｅ［Ｍ］．２ｎｄｅｄ．Ａｄｄｉｓｏｎ—Ｗｅｓｌｅｙ，ＵＳＡ，１９９０． ［２］孫立鐫．計算機圖形學［Ｍ］．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版 社。１９９９：１８—２６． ［３］林好轉．平行線分割一步平移法抖排樣算法的研究［Ｊ］． 鍛壓技術，１９９４（５）：３３—３５． ［４］賈志欣．二維不規則零件排樣問題的遺傳算法求解［Ｊ］． 計算機輔助設計與圖形學學報，２００２，１４（５）：４６７—４７０． ［５］楊彩，顧海明，史俊友，等．不規則件排放布局的實 現［Ｊ］．青島科技大學學報，２００５，２６（２）：１４６—１４９． 作者簡介： 王卉，１９６３年出生，工程師，主要研究方向為機 電一體化技術與設，已發表論文２篇。 ［上接第１８頁］ 包括切割斷面精度、幾何形狀精度均符合其設計制造 標準要求，達到其標準規定的上限值，與進口樁腿齒條 在成形質量上是一致的，屬于優質品。 采用雙割炬同步對稱氧氣切割方法，完成了ＣＪ４６、ＪＵ２０００兩種國際主流型號的自升式鉆井平臺樁腿齒條 的精密切割成形，并按照設計提供的制造標準進 行了質量檢測，樁腿齒條１：１試驗件的成形質量與國 際產品一致，驗證了切割工藝的可行性以及配套工藝 裝加工自升式鉆井平臺樁腿齒條的能力，為自升式 鉆井平臺樁腿齒條的自主化生產奠定了試驗基礎。 開發中的應用和發展［Ｊ］．船舶，２００８，２（１）：１０—１５． ［２］孫永泰．自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統的研究［Ｊ］． 石油機械，２００４，３２（１０）：２３—２６． ＢｅｎｎｅｔｔＷＴ．Ｌｅｇｌｏａｄｉｎｇ ｕｎｌｏａｄｉｎｇ．１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ａ］．ＴｈｅＪａｃｋ—ｕｐＤｒｉｌｌｉｎｇＰｌａｔｆｏｒｍ［Ｃ］．Ｃｉｔｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９８５，９：２５—２７． ［４］孫景海．自升式平臺升降系統研究與設計［Ｄ］．哈爾濱： 哈爾濱工程大學碩士學位論文，２０１０． ［５］喬雪濤，李鉅，路明．超大模數齒輪齒條加工現狀及 分析［Ｊ］．成組技術與生產現代化，２００６（３）：４１—４３． 梁桂芳．切割技術手冊［Ｍ］．北京：機械工業出版社，１９９７：２７５—２７７． 作者簡介：王智新，１９８６年出生，碩士，主要從事熱切割工藝 汪張棠，趙建亭．自升式鉆井平臺在我國海洋油氣勘探及氧氣切割機具的研究工作。 ２０１４年第６期 ２５ 萬方數據
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