空調鈑金外殼計算機輔助工藝規劃的研究

顏志剛，閆棟，洪浩洋

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

鈑金件加工是金屬成形加工的重要組成部分，廣泛應用于電子電器、航空航天、汽車等領域。鈑金件的加工工藝規劃主要有人工和計算機輔助2 種方式。人工方式的工藝設計依賴于加工師傅或者工藝設計人員的經驗；計算機輔助工藝規劃由計算機對零件工藝規程進行編制，通過向計算機輸入被加工零件信息,包括幾何信息（形狀、尺寸等）和工藝信息（精度、表面處理等），由計算機根據系統規則生成工藝文件。目前，鈑金件的計算機輔助設計主要在于數控或激光加工的路徑優化問題、鈑金的展開等。王拴繪[1]對鈑金件的Pro/E 三維模型進行展開，集合天河輔助工藝設計系統，實現對鈑金件的工藝規劃；丁靜[2]等人研究了CNC 連續折彎鈑金件的工藝路線規劃的問題；李世紅[3]等人將鈑金件的激光切割工藝路線規劃問題轉化為帶約束的旅行商問題，運用蟻群算法進行設計模型求解；蔣麒麟[4]等人運用蟻群算法建模求解數控加工路線的問題。在以上鈑金的加工路線求解過程中，太多都是相同加工工藝的工藝路線規劃。因此，在處理復雜鈑金件的工藝規劃時，不能準確地進行鈑金的工藝規劃。本文以空調鈑金外殼作為研究對象，重點研究不同鈑金工藝的加工的約束與順序和相同工藝加工路徑規劃，旨在解決復雜空調外殼鈑金加工工藝的工藝規劃問題。

1 空調鈑金設計特征和工藝分析

特征是一組具有可加工外形且攜帶加工信息的信息集合[5]?？照{鈑金外殼在設計時，擁有各種各樣的特征，這些特征決定了鈑金外殼的加工工藝以及加工工序。空調鈑金外殼由多個零件組成，主要包括出風口鈑金、上下蓋板、左右側鈑金。鈑金零件加工特征繁多，但相互之間有一定的聯系，可以歸納為以下幾類基本的加工特征：

（1）凹凸面特征：主要包括上凸面和下凹面，凹凸面的形狀各異。在空調外殼中凹凸特征主要有圓形凹凸面、矩形凹凸面以及異形凹凸面等。這類特征一般采用沖壓的方式進行加工；

（2）折彎特征：是折彎特征鈑金零件中最常見的特征之一；

（3）孔類特征：包括圓柱孔、腰孔等。在空調鈑金件中，圓柱孔非常常見，用于和其他零件之間的連接和管道以及線纜的出入口。腰孔主要是用于和其他零件的連接，增大與其他零件連接尺寸誤差的容錯性；

（4）沖壓切除特征：在鈑金零件上還有很多形狀的切割特征，這類特征擁有對應的功能。這類特征主要包括拉伸切除特征和成型切除特征。普通切除特征一般采用機加工方法，在切割后，切割表面工整，三維設計時只需拉伸切除即可；成型切割特征需要設計成型模具，且在成型之后沖壓面會向內部凸出。成型切割特征主要有3 種：矩形沖壓切除特征、圓形沖壓切除特征和異形沖壓切除特征。

（5）放樣特征：是按一定順序連接兩個以上不斷變化的界面或輪廓形成的特征，這類特征在鈑金零件中常用于設計一些不規則的鈑金外殼，類似于天圓地方的鈑金外殼，這類特征一般采用模具成型的方法加工；

（6）倒角與倒圓特征：倒角為倒直角，以距離或距離+角度為條件；圓角為倒圓角以半徑為條件，生成二維或三維的圖形。倒圓與倒角一般是在鈑金下料時切割而成；

（7）抽殼特征：指的是將實體變成薄殼件，薄壁件零件設計時常用此功能。在鈑金零件設計時，一般用抽殼形成箱體的外殼、凸臺等。

在鈑金的工藝規劃中，有一些特征需要組合進行考慮設計，這些特征往往具有相同的加工工藝，在工藝設計時被當做一個特征進行考慮。鈑金中考慮的組合特征如下：

（1）陣列特征：陣列特征是對已有特征的復制。在設計中，陣列特征加工完的所有特征均與被復制特征在同一個平面。陣列特征是相同的，所以在加工設計模具時，會形成組合進行加工，而非單個特征依次加工，以提高加工的效率；

（2）在小批量生產中，同一平面的切割特征和孔特征。鈑金加工中，一般小批量生產不會采用模具沖壓的方式進行生產，大部分是采用數控切割和激光切割的方法加工。這2 種加工方法現在能依據平面圖形進行自動加工，可以整合在一個工序中進行處理。

在鈑金加工時，鈑金生產的批量大小會影響加工方法的選擇。在小批量加工時，整個加工過程會盡量減少模具的使用，減少鈑金產品加工的加工周期；在大批量加工時，采用模具生產方式效率高、成本低，能夠保證產品的生產效益。加工方法的不同，直接影響加工設備的選擇、工序的劃分和加工設備的數量等。因此，在鈑金工藝規劃問題的解決中應遵守如下規則：

（1）加工時，應當保證加工的精度。在加工時，優先選擇容易保證加工精度的方案。零件的加工精度是零件加工生產的基本要求，選擇易保證加工精度的加工方案，可以保證零件的生成質量和降低生產的成本。

（2）對同一個特征，加工方法數量較少的特征應當優先選取，這樣可使鈑金零件的加工方案中包含的加工方法數最少，減少加工設備的投入成本。

3 鈑金工藝決策模型

一個鈑金零件的工藝規劃包括工序內容和工序排序2 個方面的信息，工序排序是在優先關系的約束條件下，在解空間求最優的工序順序。鈑金工序排序是基于鈑金零件的每一個特征信息給出對應特征的加工工序，再對工序進行組合排序得到最優解。為了對鈑金特征進行建模和數學分析，提出加工單元的概念。加工單元包括特征編號、加工參數、特征、加工方法、加工刀具和模具等信息，即

式中：ID——特征編號；F——零件特征；T——加工刀具或模具；M——加工設備；Pr——加工方法；D——加工方向；N——單個特征的加工數量。

在鈑金零件加工時，遵循一些機械零件加工的通用準則，來保證生產的零件的質量。例如“非破壞性約束”、“先平面加工，后立體加工”等。因此，在零件加工中，加工方法中有特殊的優先關系，可以用函數G（X）表示：

其中，f（x1，x2）的關系如下：

待加工集合為C={MU1，MU2，MU3，…，MUn}，是無序的集合。將零件特征集合按相互的依賴關系和成本最低的原則進行排序，形成新的集合Cb={MUx1，MUx2，MUx3，…，MUxn}。在實際加工中，加工工序的評判主要標準有2 個：加工時間和加工成本。因此鈑金零件的工藝規程評價目標函數為：

式中：f（C）——鈑金加工的總成本；EMC——設備更換成本；ECP——零件翻面成本；ETC——刀具或模具切換成本。

在進行鈑金工藝規劃得到最優的加工路線，就是求f（C）的最小值時，生成的工藝規程。

遺傳算法（Genetic Algorithms，GA）是一種基于自然選擇原理和自然遺傳機制的搜索尋優算法，它是模擬自然界中的生命進化機制，在人工系統中實現特殊目標的優化[6-8]。遺傳算法與傳統的優化方法（枚舉，啟發式等）相比較，以生物進化為原型，具有很好的收斂性，在計算精度要求時，計算時間少、魯棒性高等都是它的優點。此外，遺傳算法具有良好的全局搜索能力，可以快速地將解空間中的全體解搜索出，而不會陷入局部最優解的快速下降陷阱，適合鈑金工藝規程的最優工序順序求解，能夠快速得出結果。

采用遺傳算法解決鈑金工藝規程問題需要對鈑金零件上的特征進行編碼，代碼格式如表1 所示。

表1 鈑金特征參數編碼Tab.1 Coding of sheet metal feature parameters

目標函數為加工所有特征需要的成本，適應度函數就取為目標函數，即

EMC的計算公式為

式中：CMC——設備切換成本，元/次；NMC——加工設備切換次數。

ECP的計算公式為

式中：CCP——切換加工面成本，元/次；NCP——加工面切換次數。

ETC的計算公式為

式中：CTC——刀具和模具切換成本，元/次；NTC——刀具和模具切換次數。

在進行工藝規劃時，鈑金數控切割的成本受切割路徑的影響，在遺傳算法和約束矩陣工藝規劃模型中求解的是組合特征在整個工藝規劃中流程，無法求解最優的實際數控切割和激光切割的路徑。蟻群算法在求解運動路徑時，通過模擬蟻群群體在尋找食物中所體現的尋優能力，解決現實中尋求最優路徑的問題。通過蟻群算法，模擬實際加工中刀具的走刀和激光切割運動軌跡，尋求最短的路徑，降低鈑金工藝規劃系統的成本。

每一只螞蟻在尋找特征的過程中都會在路徑上釋放信息素，每只螞蟻尋找下一個特征的概率為：

式中：α——信息素啟發式因子，它體現的是信息素對螞蟻特征路徑選擇的作用；β——期望啟發式因子，它體現的是信息素在螞蟻路徑選擇時的重視程度；ηij（t）——啟發函數，表達式為

式中：dij——特征i，j 之間的距離。

Uk為禁忌表，表中記錄第k 個螞蟻到達過的特征；τij表示的是特征i 到特征j 的路徑上螞蟻產生的信息素的量[9]。螞蟻在尋找這些特征留下的信息素，其本質是化學物質，會隨著時間的推移以一定的速率揮發。當螞蟻在所經過的路徑上行走時，會更新路徑上信息素的含量，信息素的更新規則為

式中：ρ——信息素揮發系數。

4 模型驗證

以圖1 所示的空調鈑金外殼零件驗證鈑金工藝決策模型。該零件材料為冷軋鋼板，小批量加工。特征參數和選擇加工方案如表1 所示。

表1 空調鈑金外殼特征表Tab.1 Characteristics of sheet metal shell of air conditioner

圖1 空調外殼Fig.1 Sheet metal shell of air conditioner

在鈑金外殼特征中，特征 1 中的加工方式和加工方向一致，故可考慮為組合特征。依據目前市場和文獻參考，制造資源的變換成本[10]如表2 所示。

表2 制造資源的變換成本表Tab.2 Transformation cost of manufacturing resources

在鈑金的特征加工時，具有相互約束和優先關系，可得G（X）：

由圖2 可知，隨著不斷迭代，鈑金外殼加工成本逐漸趨于230 左右，此時鈑金外殼的加工路線為2 →3 →5 →4 →1 →6 →7 →8。加工時，沖壓形成的表面深度低，對激光加工的影響較小，因此先對表面進行沖壓加工，然后再進行激光切割，最后折彎成型。因此，方案符合加工的合理性。

圖2 加工成本曲線Fig.2 Processing cost curve

由蟻群算法優化后的鈑金激光切割軌跡和最短距離曲線如圖3 所示。可以看出，經過蟻群算法的優化，鈑金路徑減少23.5%，為鈑金激光加工提供了對應的加工路線。

5 結語

本文針對傳統鈑金的工藝規劃下的單一特征規劃的問題，建立了復雜鈑金特征和工藝情況下的鈑金工藝規劃的模型，采用遺傳算法對模型進行求解。在此基礎上，采用蟻群算法對組合特征的加工路線進行優化，減少加工過程中空行程。利用模型對空調鈑金外殼進行工藝規劃，得到的結果符合實際的情況，提高了鈑金外殼的加工效率，對鈑金的工藝規劃具有一定的意義。