金属结构件优化下料与生产管控系统设计与实现

戚得众，饶运清 ，孙念友，刘朝晗

（1.华中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉 430074；2.山推工程机械股份有限公司 材料成型事业部，济宁 272023）

0 引言

工程机械金属结构件大都具有相同的加工工艺（订单、图纸审核→工艺设计→制定生产作业计划→优化排料→钢板切割→校平→机械加工→折弯成型→构件焊合→入库）。在金属结构件制造过程中，如何在提高板材利用率的同时，提高车间生产制造管理水，降低企业的生产成本，是所有工程机械金属结构件制造厂家所面临的一个重要挑战。目前，国内工程机械金属结构件制造企业只有板材排料编程软件，从而缺乏对整个生产过程的优化与有效管控，并且它们无法同时满足结构件成组加工、零部件集配管理、设备产能均衡分配和材料利用率的要求，为此设计并开发金属结构件优化下料与生产管控系统具有重要意义。

1 系统分析

1.1 系统需求分析

目前，工程机械金属结构件制造存在以下六个问题：

1）缺乏实用的优化排料编程软件，生产效率低，材料利用率不高；

2）物料管理信息化水平低下，管理方式落后，大多都采用手工记账的方式；3）生产数据人工管理，工作繁重，工作效率低；4）无法实时监控每一个订单的生产运行情况，从而无法做到实时控制；

5）无法及时监控和统计产品质量信息，以及无法及时控制出现质量异常的产品；

6）缺乏生产信息管理平台，不能对包括下料、加工、成型及焊合在内整个生产过程信息化管理。

综上所述问题以及结合现有技术，金属结构件优化下料与生产管控系统需要从技术层上采用一种高效实用、操作简单的优化排料编程工具，取代人工排料，提高工作效率和材料利用率；从管理层上规范下料及加工生产管理流程，构建涵盖板材下料、机械加工、成型与焊合工段的金属结构件生产过程数字化模型与软硬件平台，实现从订单管理、计划调度、优化下料、加工成型到构件焊接的整个生产过程管控一体化；从设备层上搭建数控设备DNC系统，实时获取车间现场制造信息，消除信息壁垒和信息孤岛，实现所有生产信息共享，为相关部门决策提供参考依据。

1.2 业务流程分析

企业商务部接收订单后，技术部对该订单产品进行图纸评审和制造工艺设计；管理部对该订单进行成本预测，并将结果反馈给商务部用于订单评估和报价。商务部将接受的生产订单下达给制造部，制造部根据车间实际生产情况来制定生产计划、安排各工段（包括下料、加工、成型和焊接等工段）的生产。在生产过程中由保障部负责设备维护管理和板材等物品供应，以保障生产过程的正常进行。技术部对产品及其制造过程进行质量管理，以保证产品质量。金属结构件优化下料与生产管理系统业务流程图如图1所示。

图1 系统业务流程图

2 系统设计

2.1 整体方案

金属结构件优化下料与生产管控系统基于数据库网络技术，采用C/S分布式系统架构和模块化设计方法。根据企业需求分析、系统业务流程分析以及各职能部门之间关系，将系统分为产品管理、订单管理、计划管理、排料管理、排样编程、车间管理（MES系统）、板材库管理和统计报表等功能模块。各个模块之间既是独立存在的，又是相互联系的，如图2所示，企业接到订单后，由订单管理模块对订单信息进行管理和维护，同时由产品管理模块对该订单产品的零件信息进行维护（如图纸的审核与修订、制定加工工艺等）。计划管理模块则根据订单内容、订单优先级、产品工艺流程、车间设备产能与负荷、库房物品情况等信息综合制定生产作业计划。排料员则根据生产计划和钢板信息通过排料管理模块和优化排样模块对生产任务进行优化排料，然后由车间根据生产作业计划和排料图及NC程序组织生产，同时又由车间管理模块对其进行生产管控。

不同模块功能不同，面向的对像也不同，例如订单管理面向的是商务部，产品管理和质量管理面向技术部。系统的详细功能组织结构如图3所示，其中产品管理模块可与已有的PDM系统对接，分享零件信息；订单管理模块和计划管理模块与已有的ERP系统对接；设备管理和车间管理与DNC系统对接分享生产信息。

2.2 关键技术

1）多品种大批量不规则零件智能自动排样技术针对工程机械金属结构件成组加工、零部件集配管理和板材利用率等方面的需求，利用类聚算法, 将待下料的零件按其特征（材质、板厚、加工工艺和成套性）归类分组。通过分组下料，实现成组加工,解决零部件集配管理的难题。建立二维排料问题数学模型，综合应用广义最小矩形包络、临界多边形(NFP)、遗传/模拟退火(GA/SA)等算法求解二维不规则零件图形自动排样问题。其中利用基于 NFP的几何计算实现零件快速定位，利用遗传/模拟退火算法实现解空间的高效搜索。通过自动排样技术加快排样时间和提高板材利用率。图4是本系统自动排样效果图。

图2 金属结构件制造下料优化与生产管控示意图

图3 系统功能组织结构图

其中：

n—零件种类数；

ni—零件i的数量；

si—零件 i的面积 ；

S—钢板的面积。

图4 自动排样效果图

2）基于几何/物理混合建模的切割工艺优化

建立了包括切割长度、空行程、穿孔次数、温度分布与材料变形等切割工艺多目标优化模型，提出采用基于欧拉图论的“一笔画”共边切割算法和基于矩形阵列的“阶梯形”共边切割算法对几何切割工艺进行优化，实现共边切割。与其它常规共边切割方法相比，该方法在打孔点数和空行程方面得到很大优化。另外，根据板材的受热特点建立了板材的物理模型，分析该模型得出板材的温度分布情况，提出了防变形微链接切割工艺。通过基于几何/物理混合建模的方法，从割嘴的加工路径、空行程等几何方面和零件的变形、温度场的变化和切割速度等物理方面对切割工艺进行优化，提高了切割效率和切割质量。

3）生产管控一体化技术

采用C/S分布式系统架构，将优化下料、板材管理、设备管理、产品管理、订单管理、计划管理和车间管理等功能模块与已有的ERP、PDM、CAPP等系统集成，简化工作流程。系统构建了金属结构件生产过程数字化模型与软硬件平台，实现生产数据采集、生产过程监控、物料跟踪、质量管理和文档管理等功能。同时，系统通过利用DNC技术将所有数控设备联网，采用混合GA/TS算法求解车间作业调度问题，实现作业任务在各设备之间的均衡分配，提高设备的利用率。

3 系统功能

系统通过不同功能模块有机协作，实现了从订单管理、计划调度、优化排料、加工成型到构件焊接的整个生产过程管控一体化。其中每个模块具体功能如下。

1）产品管理：产品管理以结构树方式管理所有产品信息（包括产品结构信息、图形信息和工艺信息等）。可通过Excel表导入/导出方式将ERP或PDM数据库的产品信息导入系统中，亦可通过人工输入方式创建、修改和维护产品信息。

2）订单管理：订单管理对订单信息的进行科学有效管理，其中包括客户信息、订单内容、交货日期和订单优先级等，以及对订单状态的全程追踪与查询等。订单内容可从产品管理中动态生成，亦可以通过Excel表导入/导出方式将ERP数据库的订单信息导入。另外，订单状态可通过不同的颜色进行标示。

3）计划管理：计划管理模块能够根据订单内容、订单优先级、产品工艺流程、车间设备产能与负荷、库房物品情况等信息综合制定各工段的生产计划，并且可以对各个生产计划执行情况进行追踪与查询。

4）排料管理：排料管理模块采用聚类技术对生产计划中需要下料的零件将其按材质板厚、加工工艺特征等进行归类分组，形成排料分组和排料任务，并且以可对排料任务进行指派、追踪与查询。

5）优化排样：优化排样模块具有自动排样和切割工艺优化两大功能。首先该模块针对不同的需求提供包括真实形状自动排样、矩形包络自动排样、矩形件通裁通剪自动排样、同种零件阵列式自动排样在内的多种自动排样方法，同时该模块具有单张钢板逐一排样、多张钢板自动批量排样、多割炬自动排样、大批量零件可复制式排样、余料钢板排样等多种排样方法。

另外，为了提高切割效率和质量，优化排样模块提供零件轮廓切割轨迹全自动优化以及人机交互设计功能，可实现轮廓切割顺序、切割起点、切割方向和切割引线的自动/交互式设计，以及多零件连接、搭桥、共边、轮廓微连接等切割工艺优化。

6）设备管理：设备管理模块管理各数控设备的工艺性能、生产能力、在制负荷以及设备利用率统计等，实现作业任务在各数控设备均衡分配，并且能够以甘特图形式对各数控设备的工作任务进行监控。

7）板材管理：板材管理模块对板材及其余料进行有效科学管理。对板材可实现分类统计与查询、出/入库台账管理等功能，对钢板余料实现保存、修改、查询与自动调用功能，同时能够自动生成“L”形、矩形余料和精确边界余料。

8）车间管理：车间管理主要实现数据采集、生产过程监控、物料跟踪、质量管理和文档管理等功能。车间管理通过控制和利用准确的制造信息，对车间生产活动中的实时事件做出快速响应，同时为企业做决策提供相关车间生产数据。

9）报表管理：针对企业实际需求，系统提供近20种下料数据汇总统计与报表。例如可以查看生产信息总览报表、计划订单报表、生产进度报表、各工段工作量统计报表、各工段物料到达报表、质量工作总汇报表等。

4 系统实现

本文结合山推股份材料成型事业部金属结构件的生产实际情况以及现有技术，设计开发了金属结构件优化下料与生产管控系统（SmartNest企业版），该系统采用C/S分布式系统架构，数据库采用SQL Server 2008，前端开发平台采用Visual C++，报表管理（可提供网上浏览功能，支持远程访问）开发采用Java Web。

5 结束语

金属结构件优化下料与生产管控系统构建金属结构件生产过程数字化模型与软硬件平台，实现了从订单管理、计划调度、优化排料、加工成型到构件焊接的整个生产过程管控一体化。通过建立和求解优化排料与生产优化排产等多目标优化模型，实现了材料优化利用、订单按期交付、设备负荷均衡的多目标协调优化与运行管控，为金属结构件数字化制造提供有力的技术支撑。该系统已在我国最大的工程机械生产厂商之一山推工程机械股份有限公司成功应用，其材料成型事业部已初步实现金属结构件数字化制造，从而产生了重大的经济和社会效益。

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