船體零件套料的發(fā)展及現(xiàn)狀

劉平革，朱書峰，鄭兵，成 遠(yuǎn)

（金海重工股份有限責(zé)任公司，浙江岱山 316200）

船體零件套料的發(fā)展及現(xiàn)狀

劉平革，朱書峰，鄭兵，成 遠(yuǎn)

（金海重工股份有限責(zé)任公司，浙江岱山 316200）

降低船企生產(chǎn)成本，首先就要提高鋼板利用率。采用套料工藝可以提高材料利用率。介紹了套料工藝的優(yōu)化方案和措施，自動(dòng)套料軟件的原理變遷和研發(fā)進(jìn)展。實(shí)踐證明采用套料自動(dòng)化和人工合理調(diào)節(jié)套料相結(jié)合的方法，是目前能使船廠效益提高的最好方法。

利用率 預(yù)估套料 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 排料算法

0　引言

造船相當(dāng)于做衣服，首先需要原材料：布料（鋼板），在不影響衣服質(zhì)量的前提，哪家的布料用的少，節(jié)約的用料采購(gòu)成本少，那他的收益就比同行業(yè)其他廠家更高，在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)。造船也是一回事，如果能通過提高鋼板的利用率，減少了鋼板的采購(gòu)支出費(fèi)用，也就是提高了公司的收益。那么如何來減少采購(gòu)（鋼板）成本呢，這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)上動(dòng)腦筋，想辦法。在鋼板和型鋼套料上想辦法，提高套料利用率。目前船廠板材套料利用率在92～95%算是高的，一般在87～92%。如果要再把利用率提高1%，對(duì)公司效益都是可觀的。如果一條180000噸的散貨船，鋼板采購(gòu)定額11000噸，按1噸鋼板5000元人民幣計(jì)算，那提高1%利用率節(jié)省支出成本：11000×1%×5000=550000元人民幣（這里僅是鋼板采購(gòu)成本，不包含運(yùn)費(fèi)、加工、涂裝等費(fèi)用）。所以提高板材套料利用率可以給公司帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1　提高套料利用率的研究

以往的鋼板材料預(yù)估是依據(jù)最初的排版圖，基本結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行估算的。這個(gè)跟設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，他們預(yù)估的鋼板規(guī)格的數(shù)量會(huì)有所不同，有可能與實(shí)際需求差距較大，這樣會(huì)出現(xiàn)鋼材規(guī)格和數(shù)量出現(xiàn)多訂，少訂和漏訂現(xiàn)象，從而影響了正常生產(chǎn)秩序，造成了庫(kù)存積壓。甚至到后來發(fā)現(xiàn)鋼板的排列和分割不合理，厚板和薄板的區(qū)域劃分不當(dāng)，分段劃分的位置不合理等，再去改板規(guī)就不可能了，因?yàn)殇摪逡呀?jīng)訂貨，所以只能做少量的修改，這樣就影響了鋼材的利用率，造成浪費(fèi)。如果采用預(yù)套料工藝可以很好的改變這種狀況，能及早發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)中不合理的問題，從而采用靈活的采購(gòu)方法。

1.1預(yù)套料工藝的優(yōu)化方案和措施

1）板材尺寸采用了“不定尺”采購(gòu)方法。傳統(tǒng)的采購(gòu)是采用了”定尺“的常規(guī)尺寸采購(gòu)方法，所謂"定尺“采購(gòu)方法就是常規(guī)的尺寸采購(gòu)，比如：1800×8000×板厚，2000×10000×板厚等這種規(guī)定尺寸的鋼板，這就是使鋼板的規(guī)格受到了限制，也就影響了鋼板的利用率提高。如果采用了不定尺的采購(gòu)方法，既不常規(guī)的鋼板規(guī)格尺寸采購(gòu)，比如：1500×8000×板厚，2600×9000×板厚，3200×10000×板厚等，并按照寬度100 mm的遞增，長(zhǎng)度500 mm的遞增板規(guī)來采購(gòu)，就可以在板縫劃分上充分利用合適的板規(guī)，提高了鋼材的利用率，減少了余料的浪費(fèi)。但前提是要預(yù)先綜合考慮工廠的鋼板設(shè)備加工能力，預(yù)處理線設(shè)備處理最大板寬和起重，運(yùn)輸能力以及減少加價(jià)訂貨等等。例如：工廠的門式切割機(jī)，等離子切割機(jī)，火焰多頭式切割機(jī)等，下表1是我廠對(duì)鋼板的寬度限制數(shù)據(jù)。

表1　切割設(shè)備對(duì)鋼板寬度，長(zhǎng)度的規(guī)定

表2是我廠設(shè)備對(duì)35 mm以上厚度鋼板寬度、噸位的限制數(shù)據(jù)。

表2　預(yù)處理設(shè)備對(duì)鋼板寬度，噸位的規(guī)定 單位：mm

表2是按照5 mm遞增，厚度超過40 mm以上要送至涂裝車間進(jìn)行預(yù)處理，且重量要滿足鋼材堆場(chǎng)、加工車間的起吊能力，因此單張板不得超過15噸。

缺點(diǎn)是對(duì)于單船且不定尺板規(guī)少的話，會(huì)增加采購(gòu)成本，鋼廠也不愿意單獨(dú)制造模具。

2）零件的分割，優(yōu)化了板材套料，在套料時(shí)發(fā)現(xiàn)有的套料不滿意，余料多，利用率上不去，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員同意后，只要對(duì)零件的分割進(jìn)行修改，即增加板縫和結(jié)構(gòu)零件，或修改板縫，使套料更合理。

3）板厚的高一級(jí)替代低一級(jí)的個(gè)別少數(shù)零件，也優(yōu)化了板材套料，減少了板材的規(guī) 格種類和余料數(shù)量。但前提是不影響船體的自重。對(duì)于工廠而言，板材規(guī)格種類越少越好，這樣對(duì)于物質(zhì)、配套、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鲿?huì)減少很多，也節(jié)約了成本，這個(gè)也是設(shè)計(jì)必須事先考慮的。在定額板材規(guī)格時(shí)在不影響船舶質(zhì)量前提下能盡量減少板材的規(guī)格就盡量減少。

4）型材的自制，可以充分利用板材余料，既減少了余料的浪費(fèi)，又減少了去采購(gòu)型材的支出成本。從另一方面講也是提高了板材套料的利用率。

1.2優(yōu)化套料

優(yōu)化套料是在預(yù)套料的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化套料工藝。在優(yōu)化套料前必須做好有關(guān)的套料準(zhǔn)備工作，為后期套料工作的順利開展奠定基礎(chǔ)。

1）預(yù)先考慮板縫及板規(guī)的選?。涸诜侄蔚膭澐诌^程中必須權(quán)衡好主甲板，外板主要結(jié)構(gòu)的板縫布置，對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的板縫，由經(jīng)驗(yàn)豐富的同志規(guī)劃。對(duì)于板縫設(shè)計(jì)不合理的地方，應(yīng)進(jìn)行合理的處理，根據(jù)公司的鋼板預(yù)處理和設(shè)備加工能力，來決定選用合適的板規(guī)。

2）套料批次的規(guī)定：套料批次［1］“也就是將幾個(gè)分段合在一起套料，我們稱之為套料批次（套料單元），并給一個(gè)套料批次命名，如S01”，它是根據(jù)船廠的生產(chǎn)計(jì)劃和工作方式來確定合理的套料批次；比如在我們廠就有一個(gè)專門的工藝部門來確定分段總組方案，總組的分段就和套料批次的分段是緊密聯(lián)系的。把需要總組的分段安排在一個(gè)套料批次里進(jìn)行套料，這樣解決了分段零件分類快速查找難的問題。分段在套料過程中，對(duì)于個(gè)別零件套料造成材料浪費(fèi)的，必須修改模型中板縫布置，再進(jìn)行合理套料，如果零件很小不是關(guān)鍵構(gòu)件，還可以強(qiáng)套到高一級(jí)的板規(guī)材質(zhì)中，來優(yōu)化套料圖。

3）套料前的人員培訓(xùn)：分段零件的套料是一個(gè)技術(shù)性的工作，雖然現(xiàn)在使用軟件自動(dòng)套料，相對(duì)人來說素質(zhì)要求有所降低，但是再先進(jìn)的軟件也不可能將零件套的很好，一般來說自動(dòng)套料利用率在80%～85%，還必須經(jīng)過手工干預(yù)才能進(jìn)一步提高利用率，所以套料培訓(xùn)不單是教會(huì)軟件的功能使用，而且還可以有經(jīng)驗(yàn)豐富的人員把使用軟件的心得和注意事項(xiàng)，以及發(fā)生過的一些錯(cuò)誤套料圖的案例一并傳授給新的套料人員，這樣減少了新套料人員的出錯(cuò)率。另外還要進(jìn)行套料圖的出圖要求及標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)。從而提高新套料人員的出圖質(zhì)量和統(tǒng)一出圖格式。

經(jīng)采取了上述的優(yōu)化套料工藝后，套料利用率取得了很大的提升。

1.3實(shí)際套料工藝

在有了以上的預(yù)套料和優(yōu)化套料工藝后，我們開始實(shí)際套料。實(shí)際套料遵循先套大零件，后套小零件的原則，依次從鋼板左下角調(diào)出零件排版。使用自動(dòng)碰靠，旋轉(zhuǎn)鏡像等功能，使零件緊密排列，一般零件間隙是10 mm，如果個(gè)別零件差幾個(gè)mm還無法套進(jìn)，在考慮零件不是重要構(gòu)件的前提下?？梢赃m當(dāng)修改縮小零件間隙到6～8 mm，強(qiáng)行把零件拉入進(jìn)去。這樣避免個(gè)別零件再找板子套料。節(jié)約了板子。

1） 套料用句俗語說“見縫插針”，只要有縫隙的能套進(jìn)小零件的地方，就可以往里面套。但前提是鋼板允許套最大零件的數(shù)量。

2） 在設(shè)計(jì)人員同意的情況下，適當(dāng)增加板縫，可以提高鋼材利用率。同時(shí)在套料后產(chǎn)生的余料，管理好再利用，也是在減少工廠的支出成本。公司會(huì)借鑒先進(jìn)的船廠并結(jié)合自身的特點(diǎn)，編制出合適的余料管理體系。余料管理體系試圖用切割作業(yè)后發(fā)生的余料，有效地提高鋼材利用率并最大程度地節(jié)減船舶造價(jià)。

余料：是指原材料切割后帶有剩余經(jīng)濟(jì)價(jià)值的可用余料（二次利用的材料）。

我廠的余料種類的分類基準(zhǔn)是按二次利用（再使用）價(jià)值作如下分類，見下表3所示。余料種類的管理基準(zhǔn)是根據(jù)上表3的分類基準(zhǔn)進(jìn)行管理的，見表4所示。

表3　余料種類

表4　余料種類的管理基準(zhǔn)

有了如上的完善，科學(xué)的余料管理。鋼材的使用率會(huì)大大提高，從而降低工廠的成本，取得顯著的經(jīng)濟(jì)收益。

2　自動(dòng)套料軟件的原理變遷和研發(fā)進(jìn)展

雖然優(yōu)化套料能達(dá)到較高的利用率，但是它花費(fèi)了套料人員的大量時(shí)間，逐漸不符合現(xiàn)代造船的節(jié)奏模式。那么怎么能提高套料的效率呢？不言而喻，自動(dòng)套料有利于提高套料速度和企業(yè)信息化的優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，以及優(yōu)化算法的出現(xiàn)，能提高一次套料利用率的自動(dòng)套料軟件在日本IHIMU船廠開始應(yīng)用。為了提高我國(guó)造船的競(jìng)爭(zhēng)能力，迫切需要使用最佳算法的自動(dòng)套料系統(tǒng)。

2.1自動(dòng)套料的原理

自動(dòng)套料就是用計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用合適的排料方法，使零件在排放時(shí)，緊密靠近又互不重疊，從而來提高材料利用率。套料零件的排放就是通過算法，這是自動(dòng)套料軟件的靈魂。近年來國(guó)內(nèi)外不少專家在這個(gè)領(lǐng)域做了很多研究，并取得了一定的成果，比如［2］背包算法、組塊技術(shù)、零件矩形包絡(luò)算法等，都達(dá)到了良好的效果，可是還算上套料的總體最優(yōu)效果。

2.2自動(dòng)套料的排料算法

近來，遺傳算法已成為人工智能領(lǐng)域的熱點(diǎn)。遺傳算法GA是美國(guó)密歇根大學(xué)HOlland教授提出的一種采用進(jìn)化策略在解空間中尋找最優(yōu)解的優(yōu)化方法，它是對(duì)生物進(jìn)化種群過程的模擬，從隨機(jī)生成的種群（即優(yōu)化問題的解集）開始，按照適者生存的原則，經(jīng)過選擇，交叉，變異等遺傳操作，使種群的整體適應(yīng)度（即優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)值）向增大的方向進(jìn)化。

此外，模擬退火算法也在套料優(yōu)化中經(jīng)常使用，這是一種解決組合優(yōu)化問題的隨機(jī)搜索技術(shù)，它利用一個(gè)新解產(chǎn)生裝置和接受準(zhǔn)則，不斷對(duì)當(dāng)前解產(chǎn)生疊代，從而達(dá)到使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化，可以顯著提高板材利用率。但是遺傳算法，模擬退火算法這兩個(gè)缺點(diǎn)是計(jì)算量大，在我國(guó)造船領(lǐng)域引進(jìn)的成功實(shí)例并不多見。日本IHIMU船廠經(jīng)過長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累，開發(fā)了一套基于遺傳算法上的自動(dòng)套料系統(tǒng)FINEST。FINEST系統(tǒng)是把零件重疊和分開的情況定義為高的能量級(jí)，通過控制溫度和范圍，以及隨機(jī)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)沒有重疊的零件排列。

FINEST系統(tǒng)在船廠應(yīng)用的實(shí)例證明，與人工套料相比，該算法能提高套料功效90%，提高一次套料鋼板利用率1%～6%。驗(yàn)證了其可行性。

2.3目前使用的自動(dòng)套料軟件

目前世界造船先進(jìn)國(guó)家韓國(guó)正在使用的CADWI自動(dòng)套料軟件，以及型材自動(dòng)套料軟件INFOGET正在被我國(guó)大型船廠認(rèn)可使用。CADWI板材自動(dòng)套料系統(tǒng)具有快速，較合理的套料利用率。它既彌補(bǔ)了TRIBON套料軟件tribon nesting自動(dòng)套料功能形成利用率不高的缺陷，也彌補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)滬東套料軟件自動(dòng)套料功能零件操作繁瑣復(fù)雜難掌握的不足，同時(shí)它還達(dá)到了可以與日本FINEST自動(dòng)套料系統(tǒng)相媲美的同等效果。它的一次套料利用率達(dá)到了85%左右，經(jīng)過人工稍微調(diào)整可以達(dá)到92～96%的滿意效果。與人工套料相比，減少了套料的時(shí)間，大大提高了套料效率。然后再與tribon nesting軟件相結(jié)合就可以最終導(dǎo)出套料圖和生成切割指令給加工部門生產(chǎn)使用。這套軟件的引用所產(chǎn)生的效果顯而易見，它為公司后續(xù)生產(chǎn)，比如物資部門的所需鋼材定額提供了快速準(zhǔn)確的依據(jù)，為其他生產(chǎn)管理部門的工作安排計(jì)劃的布置和實(shí)施爭(zhēng)取了充足有利的寶貴時(shí)間，也為縮短造船生產(chǎn)進(jìn)度和交付船舶周期提供了可靠的保證。因此目前CADWI自動(dòng)套料軟件還是船廠最受歡迎的自動(dòng)套料軟件。同時(shí)INFOGET型材套料軟件也是利用tribon planne系統(tǒng)零件分離后的又一款可行性的比較好的型材自動(dòng)套料軟件?？梢孕筒淖詣?dòng)排列后給出型材種類和數(shù)量定額，給物質(zhì)部采購(gòu)訂貨。

3　結(jié)束語

目前全球造船經(jīng)濟(jì)并不景氣，如何在低迷的船舶市場(chǎng)中求生存，靠的是什么，就是要依靠先進(jìn)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)力，設(shè)計(jì)軟件就是設(shè)計(jì)人員的必備的工具，作為造船的最初階段，先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件加上卓越的設(shè)計(jì)人員，才是船廠競(jìng)爭(zhēng)中生存的首要條件。從公司引進(jìn)CADWI板材自動(dòng)套料軟件和INFOGET型材自動(dòng)套料軟件后，設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量都領(lǐng)先于同類船舶制造型行業(yè)。

［1］ 王進(jìn)， 徐建， 張新波， 杜曉芳. 優(yōu)化套料方法提高系列船建造材料利用率［J］. 黑龍江科技信息-科技論壇， 2011： 34.

［2］ 龍哲， 羅宇， 陳建波. 板材自動(dòng)套料算法研究的現(xiàn)狀及應(yīng)用實(shí)例［J］. 造船技術(shù)， 2008（1）： 16-19.

Reviews on Hull Parts Nesting

Liu Pingge， Zhushufeng， Zheng Bing， Cheng Yuan
（Jinhai Heavy Industries Company Limited， Daishan 316200， Zhejiang， China）

In order to reduce the production cost ofshipbuilding enterprises， the utilization rate of thesteelshould be improved. Using nesting technology might improved material utilization rate. This paper introduces the optimalscheme and method of nesting technology， principleVariance and development of automatic nestingsoftware. The practice proves that the method of combining the nesting of automatic with manual adjustment is the best way to improve the efficiency of theshipyard at present.

Utilization ratio； estimated nesting； computer aided design； nesting algorithm

U671

A

1003-4862（2015）10-0063-04

2015-08-03

劉平革（1975-），男，工程師。研究方向：船舶船體建造。