CAPP在激光切管工艺的应用分析研究

CAPP在激光切管工艺的应用分析研究

蒋林森¹ 骆佳光¹ 张志刚¹ 刘本学² 邱桂喜³ 张彦杰⁴

1宇通客车股份有限公司，河南郑州 450016

2. 郑州大学，河南郑州 450001

3 上海甲佳智能科技有限公司，上海201206

4 大族激光智能装备集团有限公司，深圳518103

摘 要：本文结合激光切管工艺在某大型客车厂长期、大量、系统化的管材切割实际应用，总结出了影响激光切管工艺大批量推广需要解决的核心问题，即：定制化的需求导致生产模式往小批量多批次的方向发展，而现有的激光切管机编程效率低下又无法适应这种生产模式。本文分析了CAPP在管材激光切割工艺应用的必要性和可行性，论述了激光切割机工艺CAPP开发的流程及需要解决的两个核心问题。两个核心问题为：激光切管机厂商缺乏有效的系统需求分析，用户端没有专业的工艺人员开展系统化的工艺设计标准化。针对此两个核心问题，本文详细探讨了系统的解决方案，该方案经过充分的实际生产验证，证明切实有效。

关键词：激光切管机、小批量多批次、CAPP、工艺设计标准化、自动编程

引言

据国家发改委网站消息，2010年全国焊管的产量为3237万吨，到2021年全国焊管产量增加到了5883.2万吨。随着焊管产量的大幅增加，焊管的加工工艺有了质的改变，加工装备的自动化程度也有显著提升。加工工艺方面，由原先的：锯床下料--机加成型（或手工等离子切割成型），升级为：数控激光切管机下料、成型一起完成。装备自动化方面，由原先的人工上料、送料、下料和码垛，升级为自动化上料、送料、下料和码垛。焊管的加工工艺和装备的升级历程，是在2010年之后随着光纤激光发生器的推广而进行的。因为推广的时间比较短，所以CAPP(计算机辅助工艺设计）在焊管加工方面的应用很薄弱。针对这一问题，目前仅某激光切管机厂家结合某客车企业进行了初步尝试，取得了一定成果。在此，笔者结合实际生产情况，以CAPP在客车管材加工的开发应用为例进行分析。

1CAPP在激光切管工艺的应用现状及存在问题

目前CAPP在激光切管工艺的应用现状为：人工建立工件的3D模型----导入设备编程软件----由编程软件自动形成机代码----设备识别机代码并执行操作。

存在的核心问题是:数控激光切管机的编程效率极其低下，随便一个简单的零件编程需要1个多小时，对激光切割工艺的进一步推广形成了一定的障碍。特别是针对小批量多批次的加工场景，因为编程时间远大于加工时间，导致激光切管机根本无法使用。同时，随着客户定制化越来越高，企业需要提升工厂自动化、智能化以应对行业的发展趋势。从而CAPP缺失引起的编程效率低的问题，被逐渐放大，成为广大客户关注的核心问题之一，迫切需要设备厂家进行解决。

2CAPP在激光切管工艺的适用范围

2.1对生产批量的适用性

本文提到的解决方案，主要针对小批量多批次的生产模式，以解决编程效率低下的问题。而针对大批量生产的模式，一次编程长时间生产，不存在大量编程和频繁切换的问题，因此，对CAPP的需求没有那么迫切。

2.2对加工产品自身的适用性

2.2.1适用于工件的加工特征，可以用标准的工程语言进行描述的产品。比如客车骨架常用零件如下，工件的长度、角度和电泳孔的形状和位置均有一定固定的规律。

2.2.2工件的加工特征无规律，不能用标准的工程语言进行描述的产品，不合适。比如客车大梁，加工参数太多，没有什么规律，不适合参数化设计，如下图1所示：

图1 无法用标准语言描述的无规律产品

3开发CAPP的工作方法

CAPP（Computer Aided Process Planning）是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。CAPP系统设计的步骤为：1、系统的需求分析；2、工艺设计标准化；3、系统的功能设计；4、系统详细设计；5、硬件及软件的选择；6、人机接口的设计；7、数据结构和文件设计；8、编制系统规格说明；9、编写程序；10、编写程序文档；11、程序测试。

针对常规的CNC机床来讲，经过几十年的开发与迭代，CAPP与NC编程早就融为一体，可以实现工艺设计自动生产和数控程序自动生成，从而使工艺设计与数控编程实现一体化。随着3D设计盛行，CAPP的应用由简单的回转体类零件和箱体类零件，覆盖到结构更为复杂的零件，应用范围越来越广。

在笔者看来，针对激光切管机的CAPP，开发难度并不大。其最大的问题在于针对步骤系统的需求分析（步骤1）和工艺设计标准化（步骤2），客户的工艺工程师没有进行系统的分析和总结，而设备厂商对工艺又不了解，而一些专门从事CAPP开发的公司又不了解客户需求。从而出现激光切管机的市场规模快速膨胀，但是CAPP和NC编程的发展跟不上需求的窘迫局面。基于以上的分析，笔者主要从系统的需求分析和工艺设计标准化进行阐述。

3.1系统的需求分析

需求分析就是确定系统的设计目标，确定所设计的系统要求成哪些工作。对CAPP系统来讲，就是要确定零件的种类、工艺类型以及用户的特殊要求等。例如：CAPP系统零件对象是箱体零件还是回转体零件；工艺是常规工艺还是数控工艺；对工序图和工艺规程输出的要求；是否要CAPP和NC集成；对系统的适用性、通用性和操作方便性要求以及对系统易维护要求等等。以下以客车骨架常用零件为例进行说明，具体的系统需求如下：

3.1.1加工产品所用原材料为为矩形或者方形钢管，工件两端为直角或带一定角度。

3.1.2关于型材两端U型缺口：U型缺口分三种类型：Ф8.5*10、Ф12.5*15、Ф17*25。U型缺口可以选择在两端的任意一条边上，一端一个。

3.1.3关于工艺孔：管材中间可选择有工艺孔，工艺孔可以选择为圆孔、长圆孔、正方形孔、矩形孔等标准形状的孔。可以选择位于管材任意面上，可以选择是单面孔或者是通孔。孔一般位于管材的中心位置，孔间距为500mm(该间距要求为可变参数,可在系统中统一设置)，如果管材长度大于500mm，可增加工艺孔数量。

3.1.4管材四面任意开孔功能:在型材四面均可设置孔（默认圆孔，孔心位于型材中心线上）,输入距离型材一端的坐标值位置,即在该位置生成相应的孔，孔可以输入为圆孔、长圆孔、正方形孔、矩形孔等标准形状的孔特征值。提供单独的建模软件安装于用户编程电脑中，用于新模型的数据处理和订单任务排版；生成的文件信息（NC程序）通过网络或者USB传输到机床PC数据库中保存或者直接加工。

3.1.5人机对话界面友好，提供中文语言模式，操作面板及软件的用户界面均为中文，方便用户使用。

3.1.6数据建模：编程软件带有模块化的数据库，将常规管材切割图形存储其中，新建零件时方便调出，对相关参数修改即可，不需专业3D建模；也可以导入已经创建好的3D模型，igs、stp格式文件，能与甲方现用CATIA软件兼容。

3.1.7数据存储量：可满足0000-0000000000000～9999-9999999999999种数据量存储，如有产品升级，可对数据库中数据更新替换或者更改。

3.1.8用户加工数据输入：输入采用excel电子表格方式，使用固定模板格式输入加工物料的产品代号、加工数量、制作人和加工优先级别等信息。

3.1.9报表功能：排版结束后，系统可根据设定的工艺参数计算出当批次任务需要的母材总数，总的材料利用率，预计加工时间等数据，并可生成excel格式文件保存，表格中应同时包含母材原材料号、母材物料描述等信息（在编程软件里头建立原材料数据库，调用数据库里头的原材料就可以关联输出原材料信息）。

3.1.10编程软件具有切割路径模拟仿真功能，同步显示图形模拟位置和相应的切割程序执行位置。

3.1.11软件编程功能，软件编程中需保证能够在三维设计软件中建立模型的常规复杂形状（如第5页3.3中的图形）的工件都可以进行自动识别、编程并正常加工，增加某些位置约束（例如U型工件的壁厚处理、打标功能、截面轮廓复杂不容易掉料的工件）。

3.1.12数据量：单个表格，最少输入100种以上，加工数量小于2000个。

3.1.13排版利用率最大化原则：符合排版逻辑下，长度至少3700mm以上的原材料（并非工件），材料整体利用率要大于95%以上（与实际加工零件有关，但余料长度不得低于该批次任务中最短零件尺寸为主要衡量指标）；材料利用率是指一根原材料上所有的套裁零件的总长度除以这一根原材料的长度。

3.1.14共边切割原则：同一批任务中，角度相等的零件排版时优先共边切割，当相等角度的零件种类和数量较多时，需要依据工件长度进行套料，保证材料利用率最高，因种类或者数量较少没有相同角度无法共边切割时，允许切除一段余料过渡，但保证切除余料的方法是合理、节省材料的方法。

3.1.15两个相等倾斜角度共边切割时，直边处无法共边，需要程序自动计算出直边的两条切割路径，圆角处处理方法合适，保证两个切面所有棱边都处于一个平面内（如下图2）。

图2 共边切割示意图

3.1.16数据统计功能：可对一个月内加工的历史数据进行统计，输出日志和报表，包括加工批次、加工数量、开关机时间、有效产出的运行时间、材料利用率等信息。

3.1.17加工过程信息可视化功能：设备自动加工过程中，可以自动统计目前加工进度，以便操作人员随时了解加工任务进度,主要信息有所加工工件物料号、已加工数量、剩余未加工数量。

3.2工艺设计标准化

要实现工艺设计的自动化，首先要对工艺进行优化，然后对优化后的工艺进行标准化设计。工艺设计标准化的目的，是为了使同类型的零件能够在一致的生产条件下采用一致的标准工艺，并且用统一的工艺语言来描述这一过程。这不仅可以防止工艺不统一，而且能够对加工效率和质量有一定的提升。这里主要运用到成组技术（GT—Group Technology）和零件分类编码技术。

3.2.1对零件进行分族

成组技术（GT）是一门生产技术科学和管理科学，研究如何识别和发展生产活动中有关事务的相似性，并充分利用它把各种问题按照它们之间的相似性归类成组，并需求解决这一组问题相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益。

将成组技术（GT）应用在管材加工方面，则是将各种各样的零件放在一起，对所有零件的加工工艺进行分析，将加工工艺相似的零件划分为一个零件族，并对一个零件族赋予一种加工方法或工艺路线，保证该零件族中的零件能够用统一的工艺方法和路线加工完成。具体的来说，就是将客车上所有的激光切管机加工的产品，汇总在一起，按照使用功能相似性和产品结构相似性进行零件族进行划分。如下图3所示，客车上使用的主要型钢类可以分为三个零件族。

图3 客车骨架常用零件类别示意图

零件族一：两端为直头的零件。

零件族二：两端为斜头的零件，该族零件又包含平行四边形和梯形的两种类别。

零件族三：两端为尖头的零件，该种零件在产品设计时，要尽可能保证两个尖角在零件的中心线上，以便于进行建模和数字化的描述。

3.2.2对加工工艺信息进行标准化

首先对零件所用的原材料进行标准化的描述，以便于系统进行自动识别和归类。原材料的命名方式为：□□□□-□□□□□□□□□□□□□。以9101-030040050001为例，9101代表是矩形钢管，030代表钢管的壁厚为3mm，040050代表钢管的截面为40mm*50mm，001代表具体的材质和定尺等。通过以上可以将原材料的规格，全部转化数字化代码。

然后对工艺信息进行标准化。因为在这里暂不考虑锯切等工艺，仅以激光切割为例进行描述。所谓工艺信息的标准化，实际是将工件外轮廓的二维图纸或三维图纸转化为数字化来描述。零件族一仅需要长度即可。以下对零件族二和零件族三进行描述，如下图4所示，原材料截面为15mm*20mm、壁厚1.5mm：

图4 常用零件示意图

零件族二：51.12  15  56  124。

零件族三：58.16  15  44  136 两端尖角90度。

通过以上标准化的描述，操作工人可以不看图纸就能想象出工件的形状，并按照具体的长度和角度对工件进行加工。同理，CAPP软件也可以据此形成机代码，完成自动化编程工作。

注：对于客车上的管材类零件，涉及整车电泳工艺，零件上还需要开电泳孔。针对电泳孔工艺标准化，首先要统一产品的设计思路，统一电泳孔的位置和大小等，然后再把工艺信息转化为标准化的语言进行数字化的描述，在此不在赘述。

4结论与建议

综上所述，管材激光加工CAPP的开发，首先需要基于自动化、智能化加工的需求，将CAPP开发的功能需求给定义清楚。然后就是对产品设计进行通用化和标准化的整合，找出产品的规律并固化，最终采用数字化的语言将零件的原材料信息和加工信息给表达出来，从而为后续的系统开发奠定基础。

参考文献：

[1] 赵良才，张胜文，戴建人，王波，潘宝俊编著，计算机辅助工艺设计---CAPP系统设计。北京：机械工业出版社，1999

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