CN110083932A - 一种在卷料上加工圆形件的排样方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述在卷料上加工圆形件的排样方法，包括：将圆形件沿卷料的长度方向排列成多个倾斜的斜排周期；根据圆形件直径和卷料的尺寸参数，确定出单个斜排周期的最大圆个数与其倾斜角度的第一关系式，并根据单个斜排周期的最大圆个数，确定出最大材料利用率与所述倾斜角度的第二关系式；等分倾斜角度，并根据第一关系式和第二关系式得到与等分的倾斜角度分别对应的最大材料利用率，再从中筛选出最优材料利用率并得到与之相对应的单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度，然后确定出圆形件的排样周期。所述排样方法，通过确定在材料利用率最优时的单个斜排周期的排样方法，得到圆形件在卷料上的最优排样周期，提升了材料利用率，降低了制造成本。

Description

一种在卷料上加工圆形件的排样方法

技术领域

本发明涉及卷料加工技术领域，具体涉及一种在卷料上加工圆形件的排样方法。

背景技术

随着人们对资源与能源浪费的重视程度越来越高，最小化浪费成为了企业追求的目标。在实际生产中，需要对矩形卷料采用冲、剪、切的加工方式来获取圆形毛坯，所述圆形毛坯可广泛的应用于机械制造行业。

据统计，圆形毛坯件通常占到最终产品总成本的60％左右。因此，在满足加工工艺且留有一定的加工余量的前提条件下，用加工范围有限的加工设备，在无限长的卷料上加工单一尺寸的圆形毛坯件时，为获得较高的板材利用率，就需要先在矩形卷料中进行圆形件的排样。现有的排样方式：

1.采用单张板排样，且排样没有一定的规则，很大程度上凭经验，导致材料利用率低，制造成本高，严重浪费原材料和企业资源。

2.采用直排方式排样。直排作为一种最简单、最普遍的排样方法，其排样周期很容易找到，在加工过程中，只需保持第一列或者多列重复加工即可，如图1所示。但是，显然，板材利用率也较低，主要原因有：1)直排相邻4个圆形件包围的部分为四边形，所包围的面积较大；2)最上面的圆形件与卷料的加工上边缘的距离Y4较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术的不足，提供一种在卷料上加工单一圆形件的最优排样方法，克服现有排样方式中材料利用率底，制造成本高等问题。

并解决为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种在卷料上加工圆形件的排样方法，包括步骤：

将圆形件沿卷料的长度方向排列成多个倾斜的斜排周期；

根据圆形件直径和卷料的尺寸参数，确定出单个斜排周期的最大圆个数与其倾斜角度的第一关系式，并根据单个斜排周期的最大圆个数，确定出最大材料利用率与所述倾斜角度的第二关系式；

等分倾斜角度，并根据第一关系式和第二关系式得到与等分的倾斜角度分别对应的最大材料利用率，再从中筛选出最优材料利用率并得到与之相对应的单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度，然后确定出圆形件的排样周期。

本发明的更进一步优选方案是:所述卷料的尺寸参数包括卷料的长度和宽度、卷料上边缘加工余量和卷料下边缘加工余量。

本发明的更进一步优选方案是:所述多个倾斜的斜排周期沿卷料的长度方向为循环排布且相互平行。

本发明的更进一步优选方案是:所述在卷料上加工的圆形件的尺寸相同。

本发明的更进一步优选方案是:所述确定圆形件在卷料上的排样周期的方法通过确定单个斜排周期的排样方法来实现。

本发明的更进一步优选方案是:所述第一关系式为：

其中，n_max为单个斜排周期的最大圆个数，θ为单个斜排周期的倾斜角度，W为卷料宽度，y₁为卷料上边缘加工余量，y₂为卷料下边缘加工余量，d为圆形件直径。

本发明的更进一步优选方案是:所述第二关系式为：

其中，P_max为最大材料利用率，为沿卷料长度方向最大的可排样圆形件个数，W为卷料宽度。

本发明的更进一步优选方案是:所述倾斜角度θ为30°～90°。

本发明还提供一种一种在卷料上加工圆形件的排样***，所述排样***包括：

斜排周期建立单元，用于将圆形件沿卷料的长度方向排列成多个倾斜的斜排周期；

数学模型建立单元，用于根据圆形件直径和卷料的尺寸参数，确定出单个斜排周期的最大圆个数与其倾斜角度的第一关系式，并根据单个斜排周期的最大圆个数，确定出最大材料利用率与所述倾斜角度的第二关系式；

最优排样周期确定单元，用于等分倾斜角度，并根据第一关系式和第二关系式得到与等分的倾斜角度分别对应的最大材料利用率，再从中筛选出最优材料利用率并得到与之相对应的单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度，然后确定出圆形件的排样周期。

本发明的有益效果在于，通过建立单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度之间的数学模型，以及最大材料利用率和倾斜角度之间的数学模型，将倾斜角度等分后，可以根据建立的数学模型得到与等分的倾斜角度分别对应的最大材料利用率，再从中筛选出最优材料利用率并得到与之相对应的单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度，即可确定出圆形件在卷料上的最优排样周期。该排样方法，通过确定在材料利用率最优时的单个斜排周期的排样方法，得到圆形件在卷料上的最优排样周期。在无限长的卷料上加工单一尺寸的圆形件时，可以得到循环、单一的斜排周期，使得材料利用率达到最优，相比现有技术，不仅提升了材料利用率，而且降低了制造成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中的直排排样方法示意图；

图2是本发明的在卷料上加工圆形件的排样方法的流程示意图；

图3是图4中的斜排周期未旋转前的直排排样方法示意图；

图4是本发明的斜排排样方法示意图；

图5是本发明的单个斜排周期中圆形件的圆心到底边距离示意图；

图6是本发明的确定最优材料利用率的斜排周期模型示意图；

图7是本发明的最佳实施例的倾斜角度-最大材料利用率分布示意图；

图8是本发明的最佳实施例的最优排样周期示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图2所示，所述在卷料上加工圆形件的排样方法，包括：

步骤S100、将圆形件沿卷料的长度方向排列成多个倾斜的斜排周期；

步骤S200、根据圆形件直径和卷料的尺寸参数，确定出单个斜排周期的最大圆个数与其倾斜角度的第一关系式，并根据单个斜排周期的最大圆个数，确定出最大材料利用率与所述倾斜角度的第二关系式；

步骤S300、等分倾斜角度，并根据第一关系式和第二关系式得到与等分的倾斜角度分别对应的最大材料利用率，再从中筛选出最优材料利用率并得到与之相对应的单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度，然后确定出圆形件的排样周期。

参考图4，所述圆形件沿卷料的长度方向排列成多个倾斜的斜排周期，所述斜排周期的倾斜角度为θ。结合参考图2，每一列为单个直排周期，沿卷料长度方向排布有多列单个直排周期。所述单个斜排周期是指将单个直排周期以左下角圆形件的中心点为轴心，统一旋转使单个直排周期与卷料长度方向所呈角度为θ，也即单个斜排周期的倾斜角度为θ。

其中，所述卷料的尺寸参数包括卷料的长度L和宽度W、卷料上边缘加工余量y₁和卷料下边缘加工余量y₂。

以及，所述在卷料上加工的圆形件的尺寸相同，即本发明适用于在卷料上加工单一尺寸的圆形件，每一个圆形件的直径d相同。当卷料的材料利用率为最优时，即为圆形件的最优排样方法，也就是说，确定在卷料上加工圆形件的最优排样方法的过程，实际上是寻找当材料利用率为最优时，圆形件在卷料上的最优排样周期。

进一步的，所述多个倾斜的斜排周期沿卷料的长度方向为循环排布且相互平行。即沿卷料的长度方向排布有多个相同的、相互平行的倾斜角度均为θ的单个斜排周期。更进一步的，所述确定圆形件在卷料上的最优排样周期的方法通过确定单个斜排周期的排样方法来实现。在卷料的长度L和圆形件的直径d已知的情况下，沿卷料长度方向最大的可排样圆形件个数n₁也是确定的，由n₁＝L/d可得。因此，要确定圆形件在卷料上的最优排样周期，只需确定出当材料利用率为最优时的单个斜排周期的排样方法即可。

参考图3到图4，图3中的直排统一向右旋转形成倾斜角度为θ的斜排的过程中，会产生两个变化：一是相邻4个圆形件包围的四边形面积将减小，有利于提升材料利用率；二是最上面的圆形件与卷料上边缘的距离y₁将变大，有弊于提升材料利用率。在排样中也可以发现，在单个斜排周期中，随着θ角度的变化，所能排下来的圆的个数也会变化。因此，要找到一个合适的倾斜角度θ，使材料利用率P最大，同时，对应单个斜排周期最多能排下来的圆的个数也为最大。

综上，要确定出当材料利用率为最优时的单个斜排周期的排样方法，只需确定出单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度θ即可。确定最大圆个数的单个斜排周期按照倾斜角度θ沿卷料长度方向依次、循环排布即可。

由图4中可知，当单个斜排周期的最上边点与卷料的加工上边缘重合时，此时的材料利用率P最大。

首先，需建立单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度之间的数学模型，即确定出单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度之间的关系式。进一步的，所述确定单个斜排周期的最大圆个数与其倾斜角度之间关系的第一关系式为：

其中，n_max为单个斜排周期的最大圆个数，θ为单个斜排周期的倾斜角度，W为卷料宽度，y₁为卷料上边缘加工余量，y₂为卷料下边缘加工余量，d为圆形件直径。

在本实施例中，由前面论述可知，所述圆形件直径d、卷料宽度W、卷料长度L(L＝+∞)、卷料上边缘加工余量y₁、卷料下边缘加工余量y₂和沿卷料长度方向最大的可排样圆形件个数n₁均为已知参数。

参考图5，具体分析确定过程如下：

显然，当θ<30°时，周期与周期之间的横向间距大，利用率始终小于θ≥30°的情况，因此，分析时只考虑30°≤θ≤90°的情况。

选取单个斜排周期，得到每个圆形件的圆心到底边的距离为：

h₂＝h₁+d*sinθ

h₃＝h₂+d*sinθ

......

可知，其一般形式为：

h_n＝h₁+(n-1)d*sinθ

要使得斜排单个周期的最上边点与卷料的加工上边缘重合，则：

即：

从而得到单个斜排周期的最大圆个数n_max和倾斜角度θ之间关系式：

其次，还需建立最大材料利用率P_max和倾斜角度θ之间的数学模型。进一步的，所述确定最大材料利用率P_max和倾斜角度θ之间关系的第二关系式为：

其中，P_max为最大材料利用率，为沿卷料长度方向最大的可排样圆形件个数，W为卷料宽度。

参考图6，具体分析确定过程如下：

在本实施例中，所述单个斜排周期的倾斜角度θ为30°～90°。

图6中的平行四边形的底边及面积为：

L₁＝(n₁-1)*2dcosθ

则，最大材料利用率P_max为；

最后，将倾斜角度θ以相同的间隔角度等分，得到N个确定圆形件数量的斜排周期以及对应的最大材料利用率P_max，再在这N组数据中筛选最优材料利用率P_max′，最后得出与P_max′对应的单个斜排周期的最大圆个数n_max′和倾斜角度θ′，即确定出单个斜排周期的最优排样周期。再结合沿卷料长度方向最大的可排样圆形件个数n₁，最终确定出圆形件在卷料上的最优排样周期。例如，将倾斜角度θ以0.01°等分，则得到6000个确定圆形件数量的斜排周期以及对应的最大材料利用率P_max，然后再在这6000个数据中筛选出最优材料利用率P_max′。

进一步的，将倾斜角度θ等分，筛选出最优材料利用率P_max′，得到与之对应的单个斜排周期的最大圆个数n_max′和倾斜角度θ′可以通过计算机或其它智能设备来实现。通过利用计算机的强大计算功能，可根据实际要求将倾斜角度θ等分或者进一步再细分，得到更准确的数据。

另外，在实际生产中，圆形件之间通常也会留有一定的间距，在本实施例中，所述间距忽略不计。需要说明的是，本发明所述最优排样方法同样适用于圆形件之间有间距的情况，只需在建立的数学模型中将此间距的参数对应增加上即可。

以下提供一种在卷料上加工圆形件的排样方法的最佳实施例。

以直径d为435mm的圆形件在卷料宽度W为1219mm的卷料上排样为例。其中，加工余量为：卷料上边缘加工余量y₁为3mm，卷料下边缘加工余量y₂为3mm。在30°≤θ≤90°时，以0.01°为等分，利用公式(1)、(2)，分别计算得到不同倾斜角度的最大材料利用率分布图，如图7所示，横坐标表示倾斜角度θ，纵坐标表示最大材料利用率P_max。

从中筛选出最优材料利用率P_max′，及对应的倾斜角度θ′，由公式(1)、(2)可得，单个斜排周期的排样参数：

1)单个斜排周期的最大圆个数n_max′为3个；

2)单个斜排周期的倾斜角度θ′为63.33°。

由此，可以确定出圆形件在卷料上的最优排样周期，如图8所示。

本发明所述在卷料上加工圆形件的排样方法，通过确定在材料利用率最优时的单个斜排周期的排样方法，得到圆形件在卷料上的最优排样周期。在满足加工工艺留有一定的加工余量的前提条件下，使用加工范围有限的加工设备，在无限长的卷料上加工单一尺寸的圆形件，可以得到循环、单一的斜排周期，使得材料利用率达到最优，相比现有技术，不仅提升了材料利用率，而且降低了制造成本；同时，此排样方法可应用于冲、剪、切等工艺，可在不同宽度的卷料上针对不同尺寸的圆形件进行排样，实用性强。在实际生产应用时，只需在计算机中输入圆形件直径、卷料宽度和加工余量参数，即可马上得到最优材料利用率的排样周期，方便快捷，自动化程度高，极大地提高了生产效率。

本发明还提供一种在卷料上加工圆形件的排样***，包括：

斜排周期建立单元，用于将圆形件沿卷料的长度方向排列成多个倾斜的斜排周期；

数学模型建立单元，用于根据圆形件直径和卷料的尺寸参数，确定出单个斜排周期的最大圆个数与其倾斜角度的第一关系式，并根据单个斜排周期的最大圆个数，确定出最大材料利用率与所述倾斜角度的第二关系式；

最优排样周期确定单元，用于等分倾斜角度，并根据第一关系式和第二关系式得到与等分的倾斜角度分别对应的最大材料利用率，再从中筛选出最优材料利用率并得到与之相对应的单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度，然后确定出圆形件的排样周期。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种在卷料上加工圆形件的排样方法，其特征在于,包括步骤：

将圆形件沿卷料的长度方向排列成多个倾斜的斜排周期；

根据圆形件直径和卷料的尺寸参数，确定出单个斜排周期的最大圆个数与其倾斜角度的第一关系式，并根据单个斜排周期的最大圆个数，确定出最大材料利用率与所述倾斜角度的第二关系式；

等分倾斜角度，并根据第一关系式和第二关系式得到与等分的倾斜角度分别对应的最大材料利用率，再从中筛选出最优材料利用率并得到与之相对应的单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度，然后确定出圆形件的排样周期。

2.根据权利要求1所述的在卷料上加工圆形件的排样方法，其特征在于,所述卷料的尺寸参数包括卷料的长度和宽度、卷料上边缘加工余量和卷料下边缘加工余量。

3.根据权利要求1所述的在卷料上加工圆形件的排样方法，其特征在于,所述多个倾斜的斜排周期沿卷料的长度方向为循环排布且相互平行。

4.根据权利要求1所述的在卷料上加工圆形件的排样方法，其特征在于,所述在卷料上加工的圆形件的尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的在卷料上加工圆形件的排样方法，其特征在于,所述确定圆形件在卷料上的排样周期的方法通过确定单个斜排周期的排样方法来实现。

6.根据权利要求1所述的在卷料上加工圆形件的排样方法，其特征在于,所述第一关系式为：

其中，n_max为单个斜排周期的最大圆个数，θ为单个斜排周期的倾斜角度，W为卷料宽度，y₁为卷料上边缘加工余量，y₂为卷料下边缘加工余量，d为圆形件直径。

7.根据权利要求1所述的在卷料上加工圆形件的排样方法，其特征在于,所述第二关系式为：

其中，P_max为最大材料利用率，为沿卷料长度方向最大的可排样圆形件个数，W为卷料宽度。

8.根据权利要求1所述的在卷料上加工圆形件的排样方法，其特征在于,所述倾斜角度为30°～90°。

9.一种在卷料上加工圆形件的排样***，其特征在于，包括：

斜排周期建立单元，用于将圆形件沿卷料的长度方向排列成多个倾斜的斜排周期；

数学模型建立单元，用于根据圆形件直径和卷料的尺寸参数，确定出单个斜排周期的最大圆个数与其倾斜角度的第一关系式，并根据单个斜排周期的最大圆个数，确定出最大材料利用率与所述倾斜角度的第二关系式；

最优排样周期确定单元，用于等分倾斜角度，并根据第一关系式和第二关系式得到与等分的倾斜角度分别对应的最大材料利用率，再从中筛选出最优材料利用率并得到与之相对应的单个斜排周期的最大圆个数和倾斜角度，然后确定出圆形件的排样周期。