数控转塔冲床的智能CAD/CAM集成系统设计

0 引言

    提高效率是技术革新的一个最主要的原动力。近年来钣金行业因其高加工效率而得到迅速的发展，几乎涉及到所有的制造业。冲床是钣金行业中使用最多的一种设备，研究其CAD/CAM集成系统对工业生产具有重要意义。此外，国内数控冲床的CAD/CAM系统都是依靠进口产品，难以进行二次开发，因此拥有自主知识产权的数控冲床的CAD/CAM系统是加速我国现代化建设的迫切要求。基于以上情况，笔者自主设计一套针对数控转塔冲床的智能CAD/CAM集成系统，该系统基于Visual C++语言和面向对象技术开发，能自动生产数控(Numerical Control，NC)代码控制数控冲床加工，目前已经进入调试阶段。该系统的出现，必然使生产实现高精度、高效率、高度自动化和智能化。

1 系统的设计

1.1 系统的设计原则

    在软件设计开发过程中，需要有一定的指导准则，在整个设计过程中提供方向指导作用，软件的设计准则是整个软件在设计中需自始至终贯彻的指导思想。本系统的主要设计原则：

    (1)集成化。在我国CAD与CAM技术发展不并行而且长期处于单独发展和使用的状态，2个系统之间无法共享信息资源，只能通过专门开发的数据接口实现信息的传递。集成化把CAD、CAM系统连接成为一个有机的整体，使之互相支持，互相调用，信息共同占有，数据共同享用，可以发挥单个系统所达不到的整体效益，使应用成果能作综合性的优化处理。

    (2)智能化。设计是一项创造性活动，很多工作是非数据、非算法的。把人工智能技术、专家系统应用于CAD/CAM系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断功能，从而解决一些以前必须由人类专家才能解决的概念设计问题，在更高的创造性思维活动层次上，给予设计人员有效的辅助。

    (3)并行化。由于传统的开发模式不能在设计早期很好地考虑产品生命周期中的各个因素，致使设计更改频繁，延误开发时间，增加产品成本，并且用户需求得不到很好的满足。并行化要求设计人员在设计阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、成本、进度、用户要求等，以便最大限度地提高产品开发效率及一次成功率。

1.2 系统模块化技术

    目前，系统模块化技术已为所有工程领域所接受。模块化带来了很多好处：一方面，模块化设计降低了系统的复杂性，使得系统容易修改；另一方面，推动了系统各个部分的并行开发，从而提高了软件的生产效率[1]。在本系统的设计过程中，分为3个模块，每个模块都有独立的窗口，其结构如图1所示。

    (1)图纸CAD模块。进行图纸的绘制和编辑，图形数据转换和管理。

    (2)加工设置模块。进行转塔设置，加工模式设置，干涉检验，刀具路径文件建立和数控代码的生成等。

    (3)程序模拟模块。进行NC代码仿真和程序的传输。

图1系统结构图

2 系统的关键技术
 
2.1 Dxf文件的读取

    AutoCAD提供一种数据交换文件(Data Exchange File)，即Dxf文件，它包含了对应的DWG文件所有信息，是一种ASCII文本格式或二进制格式的文件，易于被其它程序处理，进行图形信息交换，有良好的数据可读性。一个完整的Dxf文件由6个段和1个文件结尾组成，分别是标题段(Header)、类段(Classes)、表段(Tables)、块段(Blocks)、实体段(Entities)、对象区段(Objects)和以字符串“EOF”标识文件结束的结束段。其中，实体段记录了图形中所有几何实体的几何信息，因此，要进行Dxf文件的数据提取，关键是读取实体段的信息。每个实体的格式是固定的，且都有与它相关的参数。Dxf文件的数据提取流程如图2所示。

图2 Dxf文件的数据提取流程图分页

2.2 智能CAD系统

    现有的冲压工艺设计通过长期的理论研究与工程实践，不仅在工艺安排上积累了丰富的设计经验和规则，而且通过各类工艺标准的指定，冲压工艺已在一定程度上得到了标准化。在CAD系统中，通过引入人工智能设计技术和智能算法，将设计经验、规则及标准等设计知识加以结构化，并从实际工程出发建立符合工艺设计过程的设计向导系统，完成设计的目的。

    2.2.1 基于知识的工艺设计模型

    基于知识的工艺设计是设计过程中的主要依据。在CAD系统，建立一个工艺设计模型，把冲压件特征分为形状特征、材料特征、精度粗糙度特征，并且在此基础上集成冲压工艺特征，从而构建出产品的特征模型。通过系统的工程设计接口，用户可方便地定义、评判、修正直至符合工程实际的工艺方案。

    2.2.2 基于遗传算法的自动套裁

    由于冲压加工中材料的费用占生产成本绝大部分，故材料的经济利用率是冲压工艺的首要问题。套裁的问题就是将一系列形状各异的零件排放在给定的板材上，按最优方式找出零件的最优排布。要求零件排放在板材内，各个零件互不重叠，并满足一定的工艺要求，使得板材的利用率最高，以达到节约材料、提高效益的目的。过去的CAD系统仅采用简单的套裁方式，难以获得较高的材料利用率。在智能CAD系统中加入基于知识的自动套裁，是合理的算法与生产实际的集合，系统除了提供几种常用的套裁方式(普通单双排和对头单双排)外，还提供一种针对不规则形状零件的套裁方式。

    过去通常把不规则形状零件近似为矩形件来处理，从而简化为矩形件套裁问题，但没有充分考虑零件的形状特征，有可能导致材料利用率的降低。因此，充分考虑零件的形状特征，合理构造矩形套裁单元是至关重要的。在系统中，对不规则形状零件的矩形套裁单元构造过程做了一些改进策略：先设定一矩形包络率，对满足要求的零件用最佳包络矩形代替，对于不满足要求的则进行对排组合或与其它多边形进行优化组合，然后作为一个整体来套裁；在确定包络矩形的位置后，再以被排零件代替矩形包络，对零件的拓扑关系不作调整，只改变零件之间的位置和零件的姿态，此时用局部状态搜索法进行局部优化，比较各种零件姿态的材料利用率，求得材料利用率最高时的姿态和位置。

    在进行套裁的过程中，结合遗传算法来实现最优的套裁。把参与套裁的不同类型的零件按面积大小排列并加以编号，染色体的长度与套裁件的类型数相同。编码方式是基于一种排列顺序的基因编码方式，即所有排样类型的一个排列顺序作为一个染色体。编码设计的关键是在染色体中如何产生不同编号的遗传算子，相应的解码方法则根据所采用的解码方法把具体的板材定位在不同的板材及其在板材上的具体位置。因为在套裁过程中，零件的旋转、移动都可以得到新的套裁结果。为了有效地减少解的数量，还引入了BLF(Bottom Left Filling，优先填充左下角)条件[2]，即任何一个零件在不干涉或不超过板材边界的条件下，尽可能向下、向左移动，尽可能将零件放在可能被填充的空白区域内。根据这一条件，在采用遗传算法、通过全局优化概率搜索来产生最佳的套裁次序及每个零件的旋转角度后，采用基于“最低水线法与填充算法结合”策略的解码方法来实现零件自动套裁。套裁过程的流程如图3所示。

图3 套裁过程

    系统还集成了一些常用的套裁优化知识，并建立了一些设计准则。这样面向工程实际的套裁优化方案结合系统集成的套裁知识和算法以及设计人员的经验，就可以提高材料的利用率，还可以得到基于工程实际的排样优化方案。分页

2.3 刀具的路径优化

    刀具路径优化问题，也就是旅行商问题即TSP(Traveling Salesman Problem)，是一个经典的组合最优化问题，计算途经n个城市的最短距离。希望最终的路径选择是所有路径之中的最小值。近年来，研究人员尝试采用各种算法来解决TSP，如贪心算法、蚁群算法、模拟退化算法、遗传算法等，都获得一定的成果。但是随着问题规模和复杂度的不断提升，单一的算法在其收敛性和求解速度等方面已经表现出局限性。因此，多种算法相结合使用的混合优化策略已经成为研究的热点。

    目前，遗传算法理论上能从概率意义上以随机的方式寻求到最优解，但在实际应用中一般不是成功的最优化算法。一方面，在进化群体中会由于少数个体的适应函数值远大于其它个体占据整个群体，容易导致早熟收敛现象、局部寻优能力较差等，这样有可能遗失最优解，同时由初始种群的随机选取方式有时会导致算法不收敛；另一方面，遗传算法的局部搜索能力较差，但把握搜索过程的能力较强。在本系统，以遗传算法为基础，引入模拟退火算法和知识库，改善单一算法的局限性。

    (1)遗传模拟退火算法。模拟退火算法的基本思想是跳出局部最优解，通过研究解和邻域结构从理论上保证算法以概率1收敛到全局最优解的特点，因此具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优解。因此，在遗传算法的基础上加入模拟退火算子，可以提高遗传算法的局部搜索能力。遗传算法的的基本运算步骤：①选择初始种群；②计算适应度函数；③交叉；④变异；⑤用新的种群替代初始种群，直到出现满意解。在计算适应度函数前引入模拟退化算法的接受准则并进行迭代运算，重新建立一个新的种群，然后计算适应度函数，按照遗传算法的基本操作顺序继续操作，从而获得最优解。在这个算法中，还引入了记忆算子，保证在一定终止条件下所得到的解至少是搜索过程中曾得到所有解中的最优解。

    (2)基于知识库的改进遗传算法。利用知识库中所保存的相似性问题的经验值来解决当前所求的问题，以缩短解决问题的周期，提高效率，达到知识共享的目的。把相似的问题的优秀个体存入知识库，最后采用基本遗传算法求解，然后在知识库里搜索与所得解相似的个体替代当前群体的最差个体，得到的新的群体再作为下一代的父群体进行遗传算法。这样可以充分利用知识库存储记忆能力强和遗传算法全局搜索能力强的优点，实现用更短的时间收敛至全局最优解。

2.4 NC代码的编译解释

    NC代码是由定义了一定功能的大写字母附上数据后组合而成的，每行NC数据程序段代表一个加工步骤。因此，对NC程序的模拟仿真可以检查出数控代码的正确性。

    要实现NC代码的仿真，必须先从NC程序中提取有效的加工信息，这就需要对NC代码进行编译解释。首先，要对NC程序进行词法与语法分析，这一过程的实质就是按照NC程序的书写规格进行NC程序的规则和匹配检查。在检查正确后，建立一个临时的数据缓冲区，将程序中的加工信息读出，经解释变换后写入NC信息文件中，作为仿真加工的指令和数据。

图4 系统人机界面图

3 小结

    智能化是本系统的一大创新点，把人工智能技术和优化算法应用在系统中，给设计人员提供了有效的辅助，缩短了生产周期。系统还实现了NC代码的自动生成，从而控制数控转塔冲床，使生产达到高度的自动化。实用化、商业化这一设计指导思想一直贯穿在整个系统的开发过程，系统现已进入调试阶段，目前只支持SIEMENS数控系统和代码，通用性还有待提高，还需进一步的改进。

参考文献
[1]郑人杰，殷人昆，陶永雷．实用软件工程[M]．北京：清华大学出版社，1997．
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[5]叶建华．基于DXF文件的自动编程系统研究[J]．机械设计与制造，2005(8)．
[6]张焱，华斌．求旅行商(TSP)问题的几种改进遗传算法的比较分析[J]．科技广场，2007(1)．