計(jì)算機(jī)輔助管材套料系統(tǒng)的開發(fā)

高 霆， 王炬成， 何 佳

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

計(jì)算機(jī)輔助管材套料系統(tǒng)的開發(fā)

高 霆， 王炬成， 何 佳

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著船廠成本控制意識的不斷加強(qiáng)，船廠管加內(nèi)場車間普遍采用對管材進(jìn)行手工套料的方式來提高材料利用率。為提高套料的效率和質(zhì)量，通過提取Tribon軟件中管系加工數(shù)據(jù)，以定長套料為前提，在綜合考慮加工工藝和余料管理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套管材套料系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以生成套料圖，實(shí)現(xiàn)管材的自動(dòng)套料。本系統(tǒng)面向Tribon平臺，可以在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行管材套料，既提高套料的效率和準(zhǔn)確性，又可以最大限度地使套料加工更加合理。

管材；套料；余料

1 管材內(nèi)場管理的現(xiàn)狀

在船舶制造領(lǐng)域，大部分管理者在進(jìn)行材料控制時(shí)較多地關(guān)注于鋼板，往往要求板材利用率要達(dá)到90%以上，而對于船舶管路制造的材料利用率則不太關(guān)心。目前，常規(guī)的管理方式是生產(chǎn)設(shè)計(jì)根據(jù)開工批次按托盤提供內(nèi)場材料清單，然后倉庫根據(jù)清單上每種管材的所需長度出庫。然而，內(nèi)場在加工時(shí)往往出現(xiàn)管材不足的情況，需要再次出單從倉庫申領(lǐng)。這部分材料是由于加工失誤所造成還是材料漏領(lǐng)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中較難分清，因此，有的內(nèi)場人員在初次領(lǐng)料時(shí)會根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供的材料清單上乘以1.1的系數(shù)。但不論是補(bǔ)領(lǐng)還是按系數(shù)多領(lǐng)，這都造成了對管材實(shí)際利用率不可控的現(xiàn)象，也許一個(gè)批次的加工量不大，但一艘常規(guī)海運(yùn)貨船的管路在1萬根左右，這并不是個(gè)小數(shù)目。在目前造船利潤被不斷壓縮的情況下，各大船廠越來越重視對管系材料利用率的控制[1]。

2 原因分析

通過對船廠的設(shè)計(jì)圖紙和生產(chǎn)過程分析后發(fā)現(xiàn)，造成管材利用率控制困難的原因有2個(gè)。

(1) 現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)計(jì)信息無法進(jìn)行準(zhǔn)確的材料管理。管系內(nèi)場車間從倉庫領(lǐng)料時(shí)依據(jù)的是生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供的管材清冊，如表1所示。

表1 內(nèi)場管材清冊

由表1可知每種規(guī)格的管材總長。對于定長采購的船廠來說，管子標(biāo)準(zhǔn)是1根6m，若從管材清冊中得知某種管子的需求總長度是12m時(shí)，就會出庫2根6m的管子。但是，如果這12m的管子是來源于4根管段，每根長分別為4m，4m，3m，1m時(shí)，實(shí)際出庫的管子會是3根，同時(shí)產(chǎn)生分別為1m，2m，3m的3段余料?？梢姡@種僅憑管材清冊領(lǐng)料的方式是無法對材料進(jìn)行精確管理的[2]。

(2) 管材管理混亂。在上述例子中出現(xiàn)了3段余料，這3段余料可在下一批次再次利用，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中這部分材料通常被內(nèi)場自行消化，沒有作為余料進(jìn)行材料管理，這直接導(dǎo)致利用率的下降。此外，大多數(shù)船廠沒有對管材進(jìn)行單船管理，易出現(xiàn)材料不夠需再次采購的情況發(fā)生。這種傳統(tǒng)的管材管理方法必然會導(dǎo)致材料上的失控。

(3) 人工套料的局限性。有部分船廠意識到了提高管材利用率的重要性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中采用人工套料方法進(jìn)行管子號料，但管子材料、規(guī)格、長度多樣化，使得套料的計(jì)算方法復(fù)雜，余料等參數(shù)還需人工考慮。隨著船廠生產(chǎn)任務(wù)不斷擴(kuò)大，對生產(chǎn)效率的要求越來越高，人工套料必然要被淘汰。

因此，隨著船舶行業(yè)邁入精益造船的時(shí)代，推廣管材計(jì)算機(jī)輔助套料系統(tǒng)已經(jīng)勢在必行。

3 套料系統(tǒng)的應(yīng)用前提

管件號料是管子加工的第一道工序，它與管系放樣、生產(chǎn)計(jì)劃和材料供應(yīng)等環(huán)節(jié)密切相關(guān)。管件是否可以進(jìn)行套料主要取決于以下幾個(gè)條件：

(1) 管件應(yīng)按批次加工。根據(jù)成組技術(shù)的原理，無論管件所屬的項(xiàng)目、區(qū)域和系統(tǒng)有何不同，只要管裝托盤的交付日期相似就可以組織同期加工，以形成較大的批量。因此，管件套料必須以管子加工周計(jì)劃為基礎(chǔ)，此計(jì)劃最好是以車間生產(chǎn)計(jì)劃為主的，而不應(yīng)是單船計(jì)劃。

(2) 管材應(yīng)盡量減少規(guī)格。在滿足性能的前提下管子壁厚應(yīng)按SCH40、SCH80、SCH160選取，盡量減少壁厚等級，以增加同類管的數(shù)量，提高利用率。

(3) 管材應(yīng)定長采購。由于定長采購的成本略高，因此有部分船廠從節(jié)約的角度出發(fā)采取了不定長采購的方式，但這增加了母材庫管理的難度，實(shí)際上采用套料系統(tǒng)后節(jié)約的成本遠(yuǎn)大于定長采購增加的成本。

(4) 加強(qiáng)余料管理。提高利用率就需將余料再次利用，這需要船廠改變現(xiàn)有的管理方式，增加控制節(jié)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)開發(fā)思路

套料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)首先應(yīng)從管系設(shè)計(jì)軟件中逐段提取管段信息，包括長度、規(guī)格等，再將提取的結(jié)果以管段零件為單位統(tǒng)計(jì)成冊。在套料前還需要準(zhǔn)備好母材庫，需特別注意的是前次套料后的余料也應(yīng)屬于下次套料的母材。管材套料時(shí)主要考慮采用最合理的計(jì)算方法以提高材料利用率，由于套料結(jié)果通常不會一次成功，因此需要進(jìn)行評價(jià)。如不合理時(shí)，可通過調(diào)整參數(shù)或者修改模型以進(jìn)一步提高利用率，評價(jià)合理時(shí)就可以繪制套料圖，同時(shí)產(chǎn)生余料清單輸入母材庫。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1Tribon軟件中數(shù)據(jù)的提取

管材套料時(shí)需要3種信息，即體現(xiàn)管段唯一性的零件號、體現(xiàn)管段特征的材質(zhì)和規(guī)格以及反映管件用料情況的下料長度。零件號是管子的件號加上小票圖中的管段序號，如1625P-SH046-3-1；材質(zhì)和規(guī)格是相關(guān)管材在附件庫中的定義內(nèi)容；用料長度就是小票圖中的下料長度，其已經(jīng)考慮了鋼管彎曲時(shí)的延展量、彎曲加工的工藝余量、支管加工的工藝余量。這些信息保存在Tribon軟件中的SB_PPDB數(shù)據(jù)庫里，可以通過Extract.DoDataExtractionDexStr直接提取。

接著進(jìn)行一些簡單的字段處理即可獲得管材清冊，如表2所示。

表2 提取的管材清冊

5.2 母材庫的建立

母材庫是系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)庫，主要內(nèi)容是處理常規(guī)的母材類型、規(guī)格、數(shù)量外還有：余料判斷信息——辨別該母材是否是余料，如果是，即優(yōu)先選用；長度信息——通常為采購長度，如果是余料時(shí)即為余料長度；損失量——管材切割時(shí)的損失長度，采用鋸床時(shí)為3mm，采用火焰切割時(shí)為5mm；備注——體現(xiàn)余料的名稱，由于要求實(shí)現(xiàn)余料的二次套料，因此必須要對余料進(jìn)行編號，可以采用船號-批次號-序號的形式。母材表如表3所示。

表3 母材表

5.3 套料算法

為了提高結(jié)果的優(yōu)化程度，首先應(yīng)確立2條原則。

(1) 優(yōu)先套料原則。如同型材號料一樣，管件套料應(yīng)先考慮長管件，然后根據(jù)余料長度拼湊短管件。區(qū)分管件長短就必須對管件的號料長度進(jìn)行排序，以便查找。

(2) 綜合利用原則。套料的真正目的是綜合利用材料，盡可能減少廢料。需確定合理的余料長度判斷標(biāo)準(zhǔn)，不能再次利用的余料即作為邊角料由管加工內(nèi)場自由處理[3] 。

管件套料時(shí)首先考慮篩選單件管 (1根管子套1個(gè)管件)；其次考慮2根管，此時(shí)需開始考慮切割損失量和余料；接著考慮多根的合套管，此時(shí)的算法應(yīng)和前者有所區(qū)別；最后考慮零散管件。算法思路如圖2所示。

圖2 套料算法

設(shè)管子母材長度為S，余料標(biāo)準(zhǔn)長度為R，最小套料長度為M，則

M=S-R

據(jù)此，管件套料準(zhǔn)則為

M≤L

式中：L為套料管件的總下料長度。按照這一套料準(zhǔn)則，運(yùn)用正、逆向查找法就很容易確定2件套料管和3件套料管。多件套料較為復(fù)雜，其具體做法是先用正向查找法，使

如果

則用逆向查找法選取一根長為L0的管件，使

經(jīng)過上述4步套料后，剩下的則為零散管 ，它們的總下料長度不會超過最小套料長度。

5.4 結(jié)果的體現(xiàn)

套料的結(jié)果分兩步顯示，首先是界面在程序中體現(xiàn)，供設(shè)計(jì)人員查看，如圖3所示。

圖3 套料結(jié)果顯示

選擇相應(yīng)的管材后可以看到該種管材在本次套料中使用的管子根數(shù)和每根的利用率，如需進(jìn)一步提高利用率，就可找到相應(yīng)的管段在模型中適當(dāng)修改連接件位置即可。

當(dāng)認(rèn)可系統(tǒng)套料結(jié)果后可將套料結(jié)果輸出，套料圖比套料表更有直觀性，套料圖如圖4所示。

圖4 套料結(jié)果

圖4中體現(xiàn)了每根管上所套管段的名稱，方便管加工內(nèi)場人員按圖套料，經(jīng)過判斷后，滿足二次套料條件的余料將編號后入庫。

6 應(yīng)用分析

從軟件的實(shí)際應(yīng)用效果來看，有以下幾點(diǎn)需注意。

(1) 余料標(biāo)準(zhǔn)長度的影響。套料結(jié)果受余料標(biāo)準(zhǔn)長度的影響較大，當(dāng)該批次管件中用作支管的管段較多時(shí)，應(yīng)選取較小的余料標(biāo)準(zhǔn)值。反之，當(dāng)作用支管的管段太少時(shí)，則可選較大值。

(2) 切割損失的影響。管件在下料時(shí)對于中小管徑一般采用鋸床，對于大管徑會用火焰切割，不同的切割方式會造成不同的損失量。

(3) 母材長度的影響。就實(shí)際應(yīng)用分析，隨著母材長度的增加整管利用率在提升。船舶的貨艙區(qū)一般較平直，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的管子母材可以適當(dāng)增加，如采用10m、12m定長的管子[4] 。

7 小結(jié)

套料系統(tǒng)的使用雖然增加了一些設(shè)計(jì)時(shí)的工作量，但可以幫助船廠實(shí)現(xiàn)對管材的精確管理并提高管材利用率、節(jié)約成本。就程序的算法而言，雖然不是最優(yōu)化的，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)場的需要。系統(tǒng)的不足之處在于目前還不能實(shí)現(xiàn)交互式套料。由于管件的數(shù)量較大，程序在設(shè)計(jì)時(shí)必然會在計(jì)算時(shí)間和結(jié)果優(yōu)化上進(jìn)行取舍，因此在評價(jià)階段通過人工優(yōu)化方式修改套料結(jié)果是一種補(bǔ)償手段，這是系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善的地方。

[1] 徐宏偉, 王娟. 新模式下的船舶管件生產(chǎn)方法研究[J]. 船海工程，2012(3)：33-36.

[2] 呂波，唐承統(tǒng)，寧汝新，等. 數(shù)控彎管加工過程的計(jì)算機(jī)模擬[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006(10)： 2936-2939.

[3] 李進(jìn)安. 船體零件套料算法及應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[4] 王進(jìn),徐建,張新波,等. 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，2011(36)：34.

DevelopmentofComputerAidedPipeMaterialNestingSystem

GAOTing,WANGJucheng,HEJia

(CollegeofNavalArchitectureandOceanEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang212003,Jiangsu,China)

Astheprogressivelystrengtheningofshipyard'ssenseofcostcontrol,shipyard'spipeprocessingshopsgenerallyadoptpipematerialmanualnestingsoastoimprovematerialutilizationrate.Inordertoimprovenestingefficiencyandquality,onthepremiseoffixed-lengthnestingandonthebasisofcomprehensiveconsiderationofprocessingworkmanshipandexcessmaterialmanagement,asetofpipematerialnestingalgorithmiscreatedwhichisdisplayedinthetypeofnestingdiagrambyextractingthepipingprocessingdatainTribon,realizingtheautomaticnestingofpipematerial.Tribon-oriented,thissystemcanbeappliedtopipematerialnestingduringproductiondesignstage,maximizingthenestingrationality,andimprovingnestingefficiency.

pipematerial;nesting；excessmaterial

高 霆(1979-)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程。

1000-3878(2017)01-0048-05

U

A