直接讀取三維數(shù)據(jù)的套料方法應(yīng)用

李東浩，嚴磊，周日圣

揚州中集通華專用車有限公司 江蘇揚州 225105

1 序言

全球資源短缺，國際原油和鋼材價格持續(xù)飛漲，這是我們國家和企業(yè)將要長期面臨的國際大環(huán)境，也是一個重大的課題和難題。國家和企業(yè)要生存、發(fā)展，就必須倡導(dǎo)和堅持“節(jié)約為先，效益為本”的原則。切割與焊接是一對孿生兄弟，要焊接，就必須先切割，要焊接質(zhì)量好，就必須先切割好焊接坡口。切割過程不可避免地要造成鋼板的各種浪費，除了剩余鋼板和邊角余料的浪費外，各種割縫余量、坡口余量，以及機加工和變形等余量的浪費同樣非常嚴重。因此，我們通常說：“焊接技術(shù)決定產(chǎn)品質(zhì)量，切割技術(shù)決定產(chǎn)品成本”。特別是專用車企業(yè)，產(chǎn)品的成本主要是鋼材成本，而鋼材成本則取決于鋼材切割過程的利用率和鋼材浪費的多少。因此，企業(yè)要生存并發(fā)展，就要在提高焊接質(zhì)量的同時，必須先從鋼材切割技術(shù)下手，節(jié)省鋼材，降低成本，提高鋼材切割生產(chǎn)效率和效益。根據(jù)世界銀行鋼鐵統(tǒng)計年鑒可知，美國、日本等發(fā)達國家在切割過程中被燒蝕、加工和浪費掉的鋼材是30%。中國、印度等發(fā)展中國家，由于缺乏先進的切割技術(shù)，鋼材在切割過程中的損耗和浪費達到40%。2015年，我國的鋼產(chǎn)量和消費量是3億t，按照鋼帶比40%計算，用于切割焊接的鋼材有1.2億t，比發(fā)達國家多浪費10%，就意味著中國在切割生產(chǎn)中多浪費了1200萬t鋼，按每噸鋼材5000元計算，我國每年鋼材多浪費的金額高達600億元。

目前，我國大中型專用車企業(yè)年鋼材切割焊接量一般都要超過1萬t，特別是大型專用車企業(yè)，年鋼材切割焊接量要達到5～10萬t。以年切割鋼材1～2萬t的專用車企業(yè)為例，如果能夠使用好套料切割軟件，提高1%的鋼材利用率，每年就可節(jié)省200t鋼材，按照每噸5000元計算，每年就可增加利潤100萬元。如果鋼材利用率能夠提高3%～5%，每年就可增加利潤500萬元。對于年鋼材使用量在5～10萬t的大型專用車企業(yè)，使用好套料切割軟件，每年可增加利潤達上千萬元。

2 套料軟件的定義和基本功能

2.1 套料軟件的定義

通過計算機，用專門的軟件將所需加工工件的CAD圖樣處理生成相應(yīng)的單體加工程序，然后再把這些單體程序在一定規(guī)格的板材上排列起來，最后生成一個數(shù)控加工程序，以提供給數(shù)控機床進行加工。這個專門的軟件，通常叫作套料軟件。

套料軟件應(yīng)屬于一種CAM軟件，主要用于二維平面切割，如數(shù)控火焰切割、數(shù)控等離子切割、數(shù)控激光切割及數(shù)控機械銑等。

2.2 套料軟件的基本功能

通過對目前市面上多款套料軟件的調(diào)研，并結(jié)合過往的使用經(jīng)驗，對套料軟件具備的功能進行了分類，并將數(shù)字化應(yīng)用各階段需求下套料軟件需對應(yīng)的各類功能進行了定義，見表1。

表1 套料軟件的基本功能

3 套料軟件的業(yè)務(wù)流程

過去的數(shù)控切割機床往往都是以作業(yè)孤島的形式存在，套料軟件也基本都是數(shù)據(jù)孤島。而面向數(shù)字化的生產(chǎn)制造，必須消除這樣的孤島，實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)互聯(lián)、設(shè)備與軟件互聯(lián)、軟件與系統(tǒng)互聯(lián)。

針對上述目標，梳理了數(shù)字化轉(zhuǎn)型后的套料軟件業(yè)務(wù)流程，并分析了各流程之間的相互關(guān)系和實現(xiàn)方式。

3.1 總體流程

套料軟件業(yè)務(wù)總體流程如圖1所示。

圖1 套料軟件業(yè)務(wù)總體流程

用文字可以表述如下。

1）MES系統(tǒng)派發(fā)下料計劃給套料軟件。

2）套料軟件與PLM系統(tǒng)取得聯(lián)系，獲取套料所需要的圖樣文檔進行套料。

3）將套料所得的NC程序傳遞給數(shù)控切割設(shè)備，同時將套料結(jié)果（排版圖等）反饋給MES系統(tǒng)。

套料軟件處于數(shù)字化架構(gòu)的中間位置，扮演著三方互聯(lián)的角色，其作用承上啟下，至關(guān)重要。對總體流程進行拆分，可以得到3個子工作流程：PLM-套料軟件工作流程、MES-套料軟件工作流程、套料軟件-設(shè)備工作流程。下面對這3個子工作流程分別進行分析。

3.2 PLM-套料軟件工作流程

以往的套料經(jīng)驗需要將三維模型轉(zhuǎn)成二維展開圖后才能進行套料，這種方式在目前數(shù)字化信息流的應(yīng)用方式下，很大程度上阻礙了效率的提升。而XSuperNEST直接讀取三維模型的方式大幅提升了套料效率及準確性。

目前，使用的PLM系統(tǒng)為西門子的Teamcenter（以下簡稱TC），使用的三維設(shè)計軟件為NX。PLM-套料軟件工作流程應(yīng)為：TC將接口開放給套料軟件，套料軟件直接接入TC的數(shù)據(jù)庫，讀取*.prt三維格式圖樣，并對于鈑金模式下建模需展開的圖樣可直接調(diào)用NX的展開命令自動展開，這樣可使圖樣的流轉(zhuǎn)全部在系統(tǒng)內(nèi)完成，實時讀取圖樣，整個過程無需人工干預(yù)，安全可靠。PLM-套料軟件工作流程如圖2所示。

圖2 PLM-套料軟件工作流程

3.3 MES-套料軟件工作流程

MES-套料軟件工作流程如圖3所示。MES系統(tǒng)與套料軟件的交互主要為中間數(shù)據(jù)庫表。交互的重點在于數(shù)據(jù)字段的定義，現(xiàn)列舉一個MES系統(tǒng)和套料軟件交互時，采用中間數(shù)據(jù)庫表所推薦的定義字段，見表2、表3。

表2 MES系統(tǒng)計劃數(shù)據(jù)中間表結(jié)構(gòu)

表3 套料軟件數(shù)據(jù)中間表結(jié)構(gòu)

圖3 MES-套料軟件工作流程

同時，套料軟件需要反饋報表和排版圖給MES系統(tǒng)，以指導(dǎo)后續(xù)的分揀工作，并實現(xiàn)不同條件下的排版圖輸出，如同車零件同色，或者同批次零件同色、同工藝路線同色等高亮方式。

3.4 套料軟件-設(shè)備工作流程

套料軟件和設(shè)備的數(shù)據(jù)交互方式主要有以下3種。

1）通過U盤將套料后生成的切割程序拷貝至切割機床上。

2）通過DNC系統(tǒng)將套料軟件與切割機床交互，獲取實時數(shù)據(jù)。

3）不直接與數(shù)控切割機床進行數(shù)據(jù)交互，而是通過機床的中控系統(tǒng)與其進行數(shù)據(jù)交互。

現(xiàn)有激光切割機設(shè)備都配有中控系統(tǒng)。套料軟件與切割設(shè)備中控系統(tǒng)直接進行集成，進行套料程序下發(fā)。

4 三維讀取方法研究

（1）二維圖樣套料軟件對圖樣處理的方法應(yīng)用 對CAD內(nèi)需折彎的零件進行展開圖繪制，再進行套料。此方式需工藝人員對二維圖樣進行展開圖繪制的二次加工，費時且對應(yīng)出錯率較高。

（2）XSuperNEST三維圖樣導(dǎo)入方法應(yīng)用 通過直接讀取PLM系統(tǒng)內(nèi)三維模型，套料軟件自動展開，納入零件庫進行套料，如圖4所示。

圖4 XSuperNEST三維圖樣導(dǎo)入方法

批量導(dǎo)入三維模型，大大減少了展開圖繪制工作，同時可消除圖樣二次加工的出錯率。

5 XSuperNEST套料效率及成本對比

為了實際驗證XSuperNEST的效率，分別針對材料利用率、工作效率，將其與原套料軟件進行了算法測試對比。

5.1 材料利用率（套料算法）

依據(jù)對真實車型套料算法測算并對比原有軟件，其超級算法可提高1%～5%材料利用率，平均值為1.7%，見表4。

表4 材料利用率對比

（續(xù)）

5.2 工作效率（人工工時）

由于生產(chǎn)線升級，采用激光切割機以取消剪、沖、鉆工序，故排版套料人員工作量相對于以往增加約1倍以上的工作量。

原套料算法沒有達到“不需人工干預(yù)”的程度，也會使套料人員工作量有所增加。

采用XSuperNEST高級算法可有效提高套料人員對零件套料方面的工作效率，將工作重點放到“工單合并”“激光切割工藝優(yōu)化”等方面。待后續(xù)操作熟練，可減少0.5～1名套料人員，每年節(jié)約費用8～10萬元。

6 結(jié)束語

新型切割設(shè)備及套料軟件的應(yīng)用，經(jīng)在半掛車制造業(yè)中進一步驗證，并對比了數(shù)字化技術(shù)在提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率上的作用，打通了數(shù)字化設(shè)計到生產(chǎn)的全鏈條通路。