掘进机三维套料系统集成应用

邹佰文

随着掘进机研发过程的三维化及PLM、CAPP的实施，三维套料及其集成应用十分必要。通过对套料软件、CAPP、PLM中流程、工艺数据、工艺模型的集成应用，工序模型厚度方向标识算法的开发，提出了一种新的三维套料系统集成应用方案。应用结果表明：三维套料集成系统可大幅缩短套料环节消耗时间，提高套料准确率。

一、前言

掘进机是一种广泛应用于地下工程施工的高端装备，其产品设计与所应用的施工环境紧密关联，产品生产模式为典型的ETO（Engineering To Order）模式，构成产品的零件种类多，数量大，结构非常复杂。为满足掘进机日益增长的需求、快速缩短的交货周期，掘进机研发正逐渐转向全三维过程，传统的基于二维图纸的工艺研发及制造过程已无法适应三维研发，作为制造的首要环节，下料、套料过程的三维化及其集成应用迫在眉睫。

掘进机的研发过程具有边设计、边生产、BOM分批发放的特点，目前针对掘进机等大型装备的三维套料集成应用研究较少，宋建军等基于二维CAD系统研究了TeklaStructure与FastCAM在钢结构制造中的集成应用，提高了生产效率;吕超、米小珍等将套料系统与定额管理集成，在與PDM、CAPP的集成方面做了尝试，提高了定额计算精度;刘小娟将套料系统与ERP集成，提高了家具企业信息流效率和准确性。在如何充分利用设计三维信息，将套料过程与PLM、CAPP高效集成，满足BOM分批发放特点方面，尚未有较成熟的解决方案。

通过分析掘进机下料零件特点，结合PLM、CAPP数据结构，提出了一种适用于掘进机等大型装备的全三维套料集成方案，在保证套料软件套料效率及材料利用率的同时，大幅缩短套料周期，提高套料准确率。

二、掘进机三维套料集成总体方案

由于掘进机ETO模式的特点，一般采用项目制管理研发生产过程，其MBOM基本重用EBOM结构，因而掘进机套料过程主要涉及到PLM、CAPP、套料软件三方集成。掘进机三维套料集成总体方案图如图1所示。其中，涉及的软件平台包括：PLM为PTC公司的Windchill平台，套料软件为华中科技大学的SmartNest，CAPP为PTC公司的MPMLink模块，其中MPMLink无缝集成于Windchill平台。

工艺人员在CAPP中完成工艺设计后，在PLM通过“MBOM及工艺路线发布流程”发布正式版本的MBOM及工艺路线，提供相应的下料零件下料三维模型，同时触发套料软件开始套料任务，套料软件从CAPP读取MBOM，筛选出下料零件，生成下料BOM，再根据下料零件的工艺路线筛选出下料工序，读取相应的下料工序模型，结合下料BOM及下料工序模型，经模型前处理后，进行套料，生成的套料程序关联至CAPP中的MBOM，同时发送车间设备，完成一个标准的套料周期工作。

三、套料软件与PLM的集成

PLM作为产品研发数据管理平台及研发过程管理平台，通过工作流程规范研发工作，套料软件与PLM的集成主要集中在流程驱动集成上。

工艺设计人员在CAPP中进行产品零部件的工艺研发工作，完成工艺技术文件的设计和下料工序模型的设计后，在PLM中发起“MBOM及工艺路线发布流程”，进行MBOM及工艺路线的发布工作，完成MBOM及工艺路线的审签、定版。结合掘进机产品研发过程BOM分批发放的特点，流程审签完成后，PLM将发布流程中包含本批次发布的MBOM中所有顶级部件物料编码、物料名称、数量等信息推送至套料软件，触发套料软件生成一个新的套料任务。

因掘进机的MBOM数据量大，又是单台非标产品，在设计套料软件与PLM的集成接口时，充分考虑集成数据的验证，确保套料任务信息传递的准确性。

四、套料软件与CAPP的集成

CAPP作为掘进机产品工艺研发的主要平台，管理了所有工艺相关的信息，并使用PLM的研发流程，进行工艺技术文件的有效性管理，是套料软件工作所需基础数据的来源，因而，套料软件与CAPP的集成主要是MBOM、工艺路线、下料工序模型、套料交付物等数据的集成。

CAPP中的MBOM、工艺路线是结构化的数据，结构如图2所示，组件/焊接件由多个物料组成，每个自制物料包含该物料所需的原材料、一条确定的工艺路线，每条工艺路线由多道工序组成结构树，每道工序又包括该工序所需要的下料工序模型、设备、工作中心等。

1、MBOM集成

掘进机产品BOM规模大，整个产品，甚至一级部件的BOM都无法一次性发放完全，普遍存在分批发放的现象，分批发放是指设计完一个一级部件的一批零部件，即正式发布至工艺、生产等下游部门，用于组织生产，以确保部分长周期物料能及时供应，满足产品交付周期，因而发布的一批零部件可能包含多个并列的顶级物料。为契合此特点，在套料软件与PLM的集成中，PLM推送给套料软件的不是单个MBOM顶级物料，而是当前发布批次中所有顶级物料的信息。套料软件接收到PLM的推送后，自动创建一个新的套料任务，并根据推送的顶级物料信息，逐个到CAPP中读取MBOM信息，读取的MBOM信息字段包括父项物料编码、父项物料名称、子项物料编码、子项物料名称、数量、原材料规格、是否定尺等。

掘进机中MBOM中，物料属性包括自制件、外购件、外协件，根据物料结构类型又分为组件、焊接件、零件，零件所用的原材料又包括板材、型材、铸锻件等，其中套料的物料主要为自制件中以板材为原材料的零件。因而，套料软件读取MBOM后，首先根据物料“来源”字段过滤其中的外购件、外协件，再根据“材料规格”字段过滤出其中的以板材为原材料的零件，形成初始下料BOM，作为套料任务的初始输入物料清单。

2、工艺路线集成

工艺路线描述了物料从原材料、半成品到成品的方法和过程，下料工序一般为零件的首道工序。掘进机中板材下料零件一般为板厚40～lOOmm的厚板，下料方法为火焰切割，根据掘进机零件制造车间设备情况及工艺路线设置原则，板材下料的工序在工艺路线的第一道工序，工序名称为“割”。

套料软件基于下料BOM，从CAPP中抓取下料BOM中每一项物料的工艺路线，首先筛选出第一道工序名称，过滤出第一道工序名称为“割”的物料，形成最终的下料BOM。

3、下料工序模型集成

下料BOM是套料任务的生产纲领，描述了需要下料的物料清单、数量，所用原材料的材料规格等信息，下料工序模型则是零件下料毛坯的几何描述，下料BOM和下料工序模型形成完整的套料任务输入。

套料软件根据最终下料清单，从CAPP中找到每一项物料工艺路线的第一道工序，抓取其附件中关联的下料工序模型，作为该物料的下料毛坯。为了满足套料软件套料的准确输入，需要工艺研发人员在工艺设计过程中，为每一道下料工序附上关联的下料工序模型，其中，若下料毛坯与设计零件模型完全一致，则直接引用设计零件模型，建立其与下料工序的关联关系，若下料毛坯需要留加工余量等造成与设计模型不完全一致，则需要工艺研发人员利用设计模型生成所需的下料工序模型，并通过注释标识模型的板厚方向，检入PLM系统后与下料工序关联。在此过程中，若未检测到对应的下料工序模型，则报错，提醒用户错误。

随着掘进机产品研发转换到三维研发，套料软件从CAPP直接读取的下料工序模型为三维模型，而最终的套料过程本质上是一个在二维钢板平面套料的过程，要实现套料，要么全部转化成二维CAD模型，但工作量较大，存在数据源不统一的问题，要么直接利用三维模型，需要准确的识别模型的板厚方向。为吻合全三维设计及工艺设计流程，开发了一种三维下料工序模型板厚方向识别的算法，其流程图如图3所示。

首先，从MBOM中读取物料原材料规格中的厚度，查找下料模型中的第一个拉伸特征，判断拉伸特征高度是否等于原材料厚度，若匹配，则以拉伸方向为厚度方向，这一步主要针对直接引用的没计模型，在建模规范中要求设计人员按此规范设计。在工艺人员制作的下料模型中，因为建模方法为基于设计模型进行柔性建模，一般无法匹配，则查找模型中是否有工艺人员标识的厚度方向，若匹配，则以标识方向为厚度方向，其他特殊的则在套料软件中手工指定厚度方向，确保所有下料模型均已指定下料厚度方向。

4、套料交付物的集成

经过前述的数据准备，套料软件进行套料工作，套料完成后，生成相应的套料图、套料程序等交付物，为了统一工艺技术文件管理，将此交付物返回CAPP系统与相应的MBOM关联，完成套料任务。

五、应用成果

以某掘进机项目刀盘、盾体作为试点项目，应用三维套料集成方案，作为对比，同型號另一项目采用三维模型转二维再生成下料轮廓、手工处理MBOM的初始方案，在套料相关环节的消耗时间如图4所示。试点项目中共包括387种，总计1854个下料零件，总体来看，应用三维套料集成方案后，下料模型准备环节缩短了2小时，MBOM环节由系统集成，耗时可忽略，前处理环节省去了二维模型封闭性，尺寸是否1：1等检查，缩短了3小时，总体套料环节缩短了6个小时，缩短时间超过50%。同时，因手工处理模型和数据产生的错误大幅减少，提高了套料的准确率。

六、结语

掘进机三维套料集成方案主要涉及套料软件、CAPP、PLM的三方集成。三维模型厚度方向识别算法可有效标识零件厚度方向，用于三维套料前处理。应用三维套料集成方案缩短掘进机套料环节消耗时间50%以上，套料过程准确性大幅提高。