模具鋼材模擬切割系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

周 茂 軍， 曹 幼 紅， 趙 秀 君， 程 雄

（1.大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034；2.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

近年來，對矩形件優(yōu)化排樣問題的研究主要集中在近似算法的構造上［1］，但這些算法只局限于對板材進行二維優(yōu)化排樣，并不考慮對第三維的有效利用，同時僅通過算法不能直觀地表現(xiàn)對立體板材的切割過程和利用。

企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，就要盡可能提高材料的利用率。相比普通鋼材，模具鋼材的價格較高，這就要求模具鋼材銷售企業(yè)在下料切割過程中需要合理選料同時盡量減少余料的數(shù)量和避免廢料的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的模具鋼材銷售企業(yè)的下料環(huán)節(jié)完全依靠車間工人的經(jīng)驗進行原料的選擇和切割方案的設計，同時將余料的尺寸、編號等信息返回給辦公室有關部門進行手工存檔。該下料管理方式有很大的缺陷：在眾多的庫存中選料耗費大量的時間；容易出現(xiàn)選料不合理現(xiàn)象；沒有科學統(tǒng)一的下料依據(jù)，容易產(chǎn)生不合理的余料和廢料。因此，有必要應用信息技術開發(fā)模具鋼材下料方案設計系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)自動匹配選料，用三維圖顯示模擬切割，提供多種合理的切割方案，輔助工作人員科學快速的決策下料方案，避免因考慮或設計不周造成鋼材的浪費，提高對鋼材的有效利用率，降低成本，解決企業(yè)實質性的問題。

1 系統(tǒng)分析

1.1 需求分析

通過對模具鋼材銷售企業(yè)的實際調查，模具鋼材模擬切割系統(tǒng)應該具有以下功能：①生產(chǎn)計劃的管理，車間嚴格按照合同要求滿足客戶需求；②自動匹配篩選功能，通過對庫存的管理，按照合同要求對庫存按材質、長度、寬度、厚度三個方向及庫存狀態(tài)進行搜索匹配，列出可使用的母料；③可以進行模擬切割并打印具體設計方案圖，能顯示工件與余料尺寸及切割步驟；④一個母料可以同時切割多個不同尺寸，不同數(shù)量的工件，可以運用Ctrl鍵對待切工件多選；⑤由于車間實際下料結果和方案可能存在尺寸誤差，因此按實際尺寸為準必須可以修改工件及余料的尺寸；⑥自動生成余料編號，方便庫存管理。

1.2 開發(fā)工具

本系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)量大，所以后臺數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server2000，該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在安全性、準確性、運行速度方面有絕對的優(yōu)勢，并且處理數(shù)據(jù)庫量大、效率高［2］；前臺采用.NET開發(fā)平臺，Microsoft.NET 是創(chuàng)建可互操作的分布式應用程序的新平臺［3］；系統(tǒng)運用C＃開發(fā)語言；在實際開發(fā)編程過程中采用了ADO.NET 技術。服務器采用Windows Server 2003。

2 總體設計

2.1 系統(tǒng)總體結構

因為系統(tǒng)數(shù)值計算量大，而C／S模式處理大量信息的能力是B／S（瀏覽器／服務器）模式無法比擬的，該模式具有高性能和高可靠性等優(yōu)點，所以系統(tǒng)采用C／S模式。。

系統(tǒng)開發(fā)模式采用三層C／S 結構，即界面層、中間業(yè)務處理層、后端數(shù)據(jù)服務層；①客戶端人機界面的開發(fā)，使得開發(fā)大大簡化，只注重人機界面的設計，不必關心業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)庫的訪問；②中間業(yè)務邏輯層處理界面層傳遞的任務以及為數(shù)據(jù)服務層提供SQL語句，客戶端程序調用中間層的業(yè)務邏輯規(guī)則，以完成其業(yè)務操作，業(yè)務邏輯改變時，客戶端界面可以不做變化；③數(shù)據(jù)庫服務層提供對數(shù)據(jù)庫進行各種操作的方法，即對數(shù)據(jù)庫進行直接的訪問，該層被中間業(yè)務邏輯層調用完成業(yè)務邏輯。三層C／S 結構的優(yōu)點是允許合理地劃分三層結構的功能，使之在邏輯上保持相對獨立性，從而使整個系統(tǒng)的邏輯結構更為清晰，能提高系統(tǒng)和軟件的可維護性和可擴展性。從圖1 中可以看出，層與層之間是有著嚴格的訪問級別約定的：Form 界面不可以越級直接訪問數(shù)據(jù)庫，只需要界面內部寫相應代碼，不需要改變業(yè)務邏輯；數(shù)據(jù)服務層改變數(shù)據(jù)庫或升級數(shù)據(jù)庫，只需要改變數(shù)據(jù)服務層對應代碼，不需要改變界面層和業(yè)務層。

圖1 三層結構Fig.1 Three-layer structure

系統(tǒng)總體功能結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構Fig.2 System structure

2.2 業(yè)務流程

如圖2所示，用戶登入系統(tǒng)并進行操作，系統(tǒng)列出所有下料信息庫的數(shù)據(jù)（即需要下料切割的訂單），當用戶選擇一條下料信息庫的數(shù)據(jù)時，鎖定匹配條件，結合材料信息庫數(shù)據(jù)進行自動匹配，列出符合條件（可提供切割的母料）的材料信息數(shù)據(jù)，用戶選擇了下料信息和材料信息，進入人機模塊進行切割方案設計過程，通過模擬切割確定合理方案，當確定下料方案時，保存并打印模擬切割的過程、尺寸、步驟、圖形等信息，即進入到下料方案輸出階段，并將該切割方案提供給下料車間，同時記錄所使用的材料信息，用來查詢母料去向及計算損耗，并將切割所剩余料保存返回材料信息庫，供下次使用；若下料車間按方案圖切割的實際尺寸與系統(tǒng)設計的尺寸存在誤差，則將設計的余料尺寸等信息進行修改，即進入到編輯模塊。

2.3 數(shù)據(jù)管理

主要針對用戶和數(shù)據(jù)庫的備份管理。本系統(tǒng)采用SQL Server事物日志方式進行數(shù)據(jù)的自動備份，把數(shù)據(jù)備份到服務器磁盤上，這種備份方式比數(shù)據(jù)庫的完整備份占用空間小，所用時間少，備份效率高，從而保證了數(shù)據(jù)庫的安全性［4］；服務器磁盤采用RAID（Redundant Array of Independent Disk磁盤陣列），為存儲系統(tǒng)（或者服務器的內置存儲）帶來巨大利益，提高傳輸速率和提供容錯功能，同時也保證了數(shù)據(jù)的安全性。

3 關鍵技術

3.1 泛型的使用

系統(tǒng)程序中定義了多個類文件，由于數(shù)組的長度是動態(tài)的，所以在每個類文件中使用泛型List＜T＞，指定了T 的類型，其集合可以直接作為DataGridView 的數(shù)據(jù)源。使用泛型集合編譯器會在編譯期間檢查要放入集合對象的數(shù)據(jù)類型，如果發(fā)現(xiàn)不是某種特定的類型就會報錯，這樣就可以避免發(fā)生許多運行時錯誤，實現(xiàn)類型安全；由于明確了數(shù)據(jù)類型，所以在存取數(shù)據(jù)不會發(fā)生類型的轉換，特別是存取值類型是不會發(fā)生裝箱和拆箱操作，同時可以最大限度地重用代碼。在本系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，將所有對象類型例如母料對象、訂單對象、下料設計對象都用泛型表示，這樣可以獲得該對象的所有屬性集合。

3.2 優(yōu)化數(shù)據(jù)庫操作

由于程序中涉及了大量的數(shù)據(jù)庫操作，在數(shù)據(jù)庫中建立多個視圖，實現(xiàn)對多表進行關聯(lián)，在數(shù)據(jù)服務層的實現(xiàn)過程中，采用了直接訪問視圖優(yōu)化數(shù)據(jù)庫操作，在數(shù)據(jù)服務層生成的數(shù)據(jù)直接填充在Dataset，由于Dataset是一種無連接的數(shù)據(jù)集，填充之后可以馬上釋放數(shù)據(jù)庫的連接，這也減輕了數(shù)據(jù)庫的負擔，而且Dataset緩存于內存中，再次訪問速度非?？?。

3.3 組件的使用

該部分使用了.NET 組件技術，.NET 組件提供了更為方便的編寫平臺和更為豐富的類庫資源［5］。開發(fā)人員可自定義用戶界面、功能、屬性、方法、事件等特征，該技術提高了系統(tǒng)的重用性，靈活性，修改局部不會對整體有影響，使系統(tǒng)具有更好的可維護性和可擴展性。本系統(tǒng)通過這一特性，編寫了繪圖的屬性，首先確定圖形相對于瀏覽器坐標的原點，每切割一次，通過切割的尺寸計算各個圖形塊的各方向的尺寸，然后依照該尺寸以及確定的原點，利用C＃中的DrawLine（）函數(shù)，繪制圖形。當鼠標點擊圖形塊時，該圖形就變成所設定的顏色，因此編寫鼠標MouseClick事件來顯示所選定的圖形塊。

3.4 繪圖算法

繪制三維圖形時必須確定8個頂點的坐標，因此必須根據(jù)切割尺寸及圖形旋轉角度獲得的三維坐標點轉換為平面坐標點。在實現(xiàn)繪圖時，實現(xiàn)關鍵步驟如下：

（1）計算各邊的投影比例。為了更好顯示圖像效果，設圖像繞X 軸旋轉angelx=30°，再繞Z軸旋轉angelz=30°。如圖3所示，分別計算出旋轉后Y 軸在X 軸和Z 軸方向的投影比例，及X和Z 軸的投影比例，代碼如下：／／設定角度默認

軸在水平方向的投影比例

軸在垂直方向的投影比例

（2）設定矩形塊的原點坐標。取計算機坐標原點為Q（0，0），在本系統(tǒng)中，設矩形塊的原點為O 點，要確定該點的屏幕坐標，必須先獲得該點距離屏幕坐標原點的長度，即OQ 的長度，通過該長度就可獲得O 點的屏幕坐標點。如圖3所示，OQ=OA+AQ，AQ 為圖形離屏幕坐標原點的最近距離，在系統(tǒng)中已設定AQ 為25，又由于OA 為切割寬度為已知，由步驟（1）已知Y 軸在垂直方向的投影比例syv，在水平方向的投影比例syh，即可確定OQ 在屏幕坐標X 軸和Y 軸的投影，即可確定O 點的坐標，代碼如下：

olocation=newPointF（（msizew+25）＊syh，（msizew+25）＊syv）；／／msizew 為OA 的長度。

圖3 算法參考圖Fig.3 Algorithm reference diagram

（3）確定8個頂點的坐標。在該步驟中使用在二維平面中表示浮點坐標的x 和y 的有序對的PointF［］數(shù)組存放8個頂點坐標值，代碼為

確定了8個頂點的坐標就可以確定圖形的各條邊，通過C＃語言自帶的DrawLine（）函數(shù)繪出各條邊，即繪出了圖形。

3.5 系統(tǒng)示例

3.5.1 方案設計圖示例

如圖4所示，選定了用來切割的母料和切割尺寸，在圖右側的設定需要切割的尺寸、切割刀數(shù)及鉅厚等參數(shù)后，點擊“切割”按鈕，就可實現(xiàn)圖4所示效果。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)算法中只對板材的二維排樣的不足，實現(xiàn)了對板材三維的有效利用，用戶可更直觀的了解材料的利用情況。

圖4 方案設計圖Fig.4 Project design

3.5.2 自動匹配篩選

如圖5所示，在所列出的下料信息庫數(shù)據(jù)中，單擊將要切割的一條數(shù)據(jù)或按住Ctrl多選，通過對材質、厚度、寬度、長度等條件的匹配，列出所有滿足匹配條件的材料信息庫數(shù)據(jù)，并按尺寸由小到大排序，方便選擇，避免人工選料造成的時間浪費和選料的不合理。

圖5 自動篩選匹配效果圖Fig.5 Automatic selection matching rendering

4 結 論

本文根據(jù)對模具鋼材銷售企業(yè)調研的實際情況，設計并實現(xiàn)了基于三層C／S結構的模具鋼材模擬切割系統(tǒng)，實現(xiàn)了鋼材下料的模擬立體切割，形象模擬了車間的下料切割過程，方便企業(yè)決策出最優(yōu)的下料方案，完善生產(chǎn)流程，為企業(yè)減少余料和廢料的產(chǎn)生，提高經(jīng)濟效益；實現(xiàn)了完善的庫存管理，同時可以打印設計方案的切割步驟和最終效果圖，為下料車間提供參考。經(jīng)過系統(tǒng)測試和在大連某企業(yè)實際運行，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。由于本系統(tǒng)的特色，為企業(yè)提供強有力的工具，具有廣泛的市場價值。

［1］趙暉，席平.矩形件優(yōu)化排樣算法與系統(tǒng)的研究［J］.鍛壓技術，2005，30（1）：19-20.

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［3］胡迎松，彭利文，池楚兵.基于.NET 的Web應用三層結構設計技術［J］.計算機工程，2003，29（8）：173-174.

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