柳 明， 寧 濤， 朱增力

（1. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191；2. 煙臺新科鋼結構有限公司，山東 煙臺 264006）

鋼格板（鋼格柵板）是用一定間距的扁鋼和橫桿進行正交排列，并壓焊成平面呈格柵狀的一種鋼鐵制品（如圖1所示）。其主要用做于排水溝蓋板、鋼結構平臺板、鋼梯的踏步等，具有通風、采光、散熱、防爆、防滑、防酸堿腐蝕等性能[1]，相對于同用途的傳統(tǒng)材料具有明顯的優(yōu)越性，在冶金、石油、造船、化工、水利、運動場館等各行業(yè)領域都得到了廣泛的應用。目前我國從事鋼格板生產的企業(yè)有上千家，主要集中在煙臺、寧波、廣州等地及周邊地區(qū)。我國鋼格板年產量大約在40萬噸以上，產品銷往美國、日本、韓國、新加坡、澳大利亞、臺灣等多個國家和地區(qū)[2]。

圖1 鋼格板結構圖

近年來鋼格板需求市場的進一步擴大以及相應的出口貿易摩擦的頻發(fā)，對國內鋼格板生產企業(yè)的設計與生產能力提出了更高的要求。但是，目前絕大部分鋼格板生產企業(yè)普遍面臨3個主要問題：

首先，傳統(tǒng)的設計方法、工具應用于鋼格板行業(yè)缺乏針對性。采用AutoCAD、浩辰、中望等通用CAD軟件進行鋼格板的布置繪圖設計工作量大，存在較多重復繁冗工作；且中小型企業(yè)采用功能齊全的大型CAD軟件投入產出比欠佳。

其次，工藝優(yōu)化效率不高。優(yōu)化排料占據了鋼格板設計、工藝優(yōu)化過程中近40%的工作量，直接影響了鋼格板的生產效率。由于現(xiàn)有CAD軟件和排料系統(tǒng)無法集成應用于鋼格板工藝過程的設計；人工計算排料不僅效率低，正確率也很難保證。因此優(yōu)化排料問題是鋼格板企業(yè)設計生產流程中的一個瓶頸。

最后，設計、生產與管理的信息孤島問題。傳統(tǒng)的設計方法、工具無法應對企業(yè)日益增長的各類數字化需求。企業(yè)內部的設計、生產系統(tǒng)相對孤立，設計信息無法被工藝、打包等生產過程所共享利用。

綜上所述，利用現(xiàn)有數字化技術提高鋼格板的設計、生產效率是整個鋼格板行業(yè)亟需解決的關鍵問題。由于鋼格板的設計要符合國標準，因此其繪圖設計具有較強的規(guī)律性，如同平臺板型號基本一致，間隙基本固定，寬度、長度等可按型號進行選取等等。充分利用這些規(guī)律可大大提高設計效率，為實現(xiàn)設計生產的數字化提供了可行性。本文論述的鋼格板計算機輔助設計與優(yōu)化排料系統(tǒng)集成鋼格板智能化繪圖、交互與自動結合的排料算法、工作量自動統(tǒng)計、自動生成打包發(fā)貨方案等功能，為鋼格板設計、生產提供了完整的解決方案。

1 系統(tǒng)結構與功能

鋼格板計算機輔助設計與優(yōu)化排料系統(tǒng)以自主開發(fā)的二維CAD系統(tǒng)為平臺集成了針對鋼格板的設計及工藝優(yōu)化等諸多功能。其基本功能涵蓋了目前通用CAD軟件的絕大部分常用操作，包括：圖形繪制（各種圖元）、圖形編輯、視圖變換（平移、鏡像、放縮等）、尺寸標注、兼容AutoCAD的圖案填充、陣列、DXF文件讀入、兼容AutoCAD的線型等[3]?？蛇M行復雜圖紙的設計與編輯，滿足鋼格板的鋼梁繪制、間隙標注、板號設置等設計要求。同時，針對鋼格板設計與優(yōu)化的特殊需求，系統(tǒng)增加實現(xiàn)了自動區(qū)域布板、批量尺寸標注、批量間隙調整、工藝優(yōu)化計算、排料圖繪制與交互調整、工作量與工藝方案導出等客制化功能。

圖2 系統(tǒng)功能流程圖

系統(tǒng)功能層面可分為CAD與CAM兩個模塊（如圖2所示）,實現(xiàn)了CAD/CAM集成與信息共享。在設計過程中，設計人員將客戶的鋼梁布置圖導入系統(tǒng)或在系統(tǒng)中手工繪制鋼梁圖（即布板邊界圖），隨后進行自動區(qū)域分割，選定布板區(qū)域自動生成鋼格板，同時系統(tǒng)自動編號并可產生BOM信息表。BOM表為整個系統(tǒng)數據交換處理的核心，是實現(xiàn)CAD/CAM集成的關鍵環(huán)節(jié)。通過BOM表可提取相關信息自動導出Excel工作量統(tǒng)計表，以便企業(yè)對工人進行績效評估。

設計方案完成后，設計信息傳輸至CAM模塊。系統(tǒng)可根據共享信息與排料優(yōu)化算法對下料方案進行多次自動優(yōu)化計算，并生成可視化的排料示意圖以供生產人員參考安排生產計劃。同時產品的幾何、物理信息可被系統(tǒng)利用，計算生成合理的打包發(fā)貨方案，顯著縮短生產交貨周期。

CAD/CAM集成與信息共享的優(yōu)勢同時還體現(xiàn)在本系統(tǒng)與企業(yè)管理信息系統(tǒng)的接口。系統(tǒng)生成的工作量統(tǒng)計表、工藝方案等都可按特定的數據排列格式生成Excel文件并導入管理信息系統(tǒng)。有助于中小型企業(yè)在一定范圍內實現(xiàn)設計、生產、管理的信息共享。

系統(tǒng)CAD模塊的主要圖元類有CRefCur、CRefPt、CDim等，都繼承自CEntity。由這些類實現(xiàn)基本的線、點、標注的繪制。CBlock（圖塊類）定義了一個CEntity對象的聚合，可通過它的子部件調用各自函數實現(xiàn)繪制。而CTable、CSG、CRaw則是系統(tǒng)針對鋼格板設計開發(fā)的圖元類。CSG實現(xiàn)了鋼格板特征的繪制，包括板號、扁鋼方向、橫桿數、扁鋼數等基本信息。設計信息由CTable實現(xiàn)匯總處理后生成材料明細表（BOM），并傳輸至CAM模塊。最終CRaw負責實現(xiàn)優(yōu)化結果的可視化，即排料示意圖的繪制與交互調整等。

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 區(qū)域分割與自動布板

鋼格板的傳統(tǒng)設計流程為：繪制鋼梁圖、設置間隙、分割區(qū)域布板。一般情況下由客戶提供備鋪設區(qū)域的鋼梁布置圖。在邊界（即鋼梁）與間隙（出于產品裝配考慮的預設間隙）約束下進行區(qū)域分割。這個過程可認為是在原材料幾何尺寸或承載應力的限制下將二維信息產品化。最后，在劃分的子區(qū)域中依照形狀尺寸標注產品號（板號）加以區(qū)分[4]。該步驟重復工作量較大，設計效率不佳。

本系統(tǒng)采用區(qū)域分割與自動布板算法對傳統(tǒng)設計流程進行了全程優(yōu)化。在系統(tǒng)中采用自動區(qū)域等距、等角度分割的方法代替了人工方案劃分。分割算法對矩形或扇形區(qū)域進行滿寬度（原材料寬度）等分，從區(qū)域A的始邊界起按順序進行n次切割直至末端邊界，將最后不滿足等分量v的部分置為余量s，得出區(qū)域根據不同的原材料尺寸可對v進行調整并再次計算，因此最大限度的提高了原板的利用率并減少了后續(xù)的加工工序。

系統(tǒng)對設計環(huán)節(jié)優(yōu)化的關鍵在于實現(xiàn)了對選定區(qū)域進行自動批量布板并生成產品板號（如圖3所示）。界面操作流程為框選一個區(qū)域并執(zhí)行功能，該矩形區(qū)域即為自動布板算法的輸入信息。系統(tǒng)會以框選矩形區(qū)域的左下角點（box.min[0]，box.min[1]）為起始點，以step=0.2m為單位步長沿X、Y方向進行掃描。一旦掃描點(x,y)檢測到還未鋪設鋼格板的封閉子區(qū)域便會自動創(chuàng)建板特征。最后確認該板特征的包圍盒是否有超越矩形區(qū)域的情況，并將特征正式加入實體集。該掃描過程的簡化算法如下：

圖3 自動布板算法流程圖

while( y< box.max[1]- 0.5*step )

{

x = box.min[0]+ 0.5*step ;

while( x < box.max[0]- 0.5*step )

{

If (IsInSG(x,y)== FALSE)

//判斷掃描點此時所在區(qū)域是否還未布板

pSG = CreateSG(x, y); //創(chuàng)建鋼格板

……

x += step ;

}

y += step ;

}

2.2 BOM信息提取與工作量統(tǒng)計

鋼格板BOM信息表是連接設計與生產的關鍵。傳統(tǒng)設計流程中鋼格板的板號、幾何尺寸、質量等基本信息不可避免地要經過手工收集、計算。而本系統(tǒng)可以板特征為識別方式對設計信息進行篩選處理。板特征包含全部基本信息，以及由此衍生的扁鋼數、橫桿數、扁鋼厚度、橫桿間距等相關工藝信息。系統(tǒng)確認備選信息源后可自動生成BOM表，從而為模塊間的集成架設了橋梁。

系統(tǒng)的工作量統(tǒng)計以BOM表為直接處理對象，可對設計信息進行二次提?。和ㄟ^板號對異形與矩形板加以分類處理；通過扁鋼方向對橫向隔焊與縱向滿焊進行計算；通過幾何信息對接板料與異形板的切割長度進行計算（如圖4所示）。普通的鋼格板產品為平面矩形，因此可通過計算包圍盒區(qū)分通用與異形設計。板特征輪廓與包圍盒不重合部分即為非規(guī)則邊界，可定性為異形板（如圖5所示）。進而標記輪廓中的該曲線計算出其長度信息。整個過程完全取代了傳統(tǒng)設計流程中的人工計算處理。工作量統(tǒng)計信息匯總完畢后可按指定格式導出Excel文件，以導入企業(yè)管理信息系統(tǒng)。

圖4 工作量統(tǒng)計算法流程圖

圖5 通過包圍盒識別異形板開口

2.3 鋼格板優(yōu)化排料

鋼格板由扁鋼與橫桿壓焊而成，縱向、橫向材料加工工藝不同。這一特殊性質決定了它不同于普通的二維型材。因此，在設計階段就要涉及到生產原板所需的扁鋼、橫桿規(guī)格及數量等相關參數。這不僅增加了設計難度，同時也提出了如何提高鋼格板下料利用率問題。目前大部分企業(yè)采用人工計算下料方案，不僅需要耗費大量的時間精力，同時也對相關人員的設計、生產經驗提出了很高的要求。因此，相當一部分工藝方案無法滿足生產需求，方案可調性、兼顧生產效率等指標不盡如人意。

針對這些問題，本系統(tǒng)提出了基于混合遺傳算法的鋼格板自動優(yōu)化排料解決方案?；旌线z傳算法既有基本遺傳算法概率意義上以隨機方式尋求問題最優(yōu)解的優(yōu)勢，同時又融合了基本優(yōu)化算法較強的局部搜索能力，增加了編碼變化操作過程，提高了優(yōu)化計算的運行效率和求解質量[5-6]。可應用于鋼格板工藝設計中近似線材的大規(guī)模優(yōu)化計算。

系統(tǒng)通過對BOM信息加以提煉篩選后生成排料控制表作為工藝優(yōu)化的界面操作對象?？刂票砜蓪崿F(xiàn)參與排料計算的產品的入口控制并動態(tài)跟蹤其狀態(tài)變化。開始計算后設計信息便會被引入以線材計算為核心并兼顧寬度的下料優(yōu)化算法。具體步驟可歸納如下：

步驟1 參數設置。讀取包括橫桿數、橫桿間距、扁鋼數、扁鋼間距、厚度、本次計算的尺寸控制范圍（最大寬度、最小寬度）等參數信息。

步驟2 讀入已選擇的板信息并篩選。結合排料控制表讀取已選擇的板特征信息，并按先前設置的尺寸控制范圍剔除需求外的板特征。

步驟3 排序與寬度優(yōu)化。將讀入的信息轉化為特定數據類型并按長度進行排序。對排序后數據以寬度為對象進行初步優(yōu)化，即確定并行下料的配對關系。

步驟4 進行線材優(yōu)化。對于已確定并行配對的鋼格板作為單個單位與其他板按長度進行線材優(yōu)化，最終生成優(yōu)化結果文件。

系統(tǒng)可對優(yōu)化完畢的結果文件進行讀取，以可視化的排料圖呈現(xiàn)出優(yōu)化計算結果。此時設計人員也可視情況對排料圖進行交互修改。確認無誤后可根據交互后的結果導出工藝方案發(fā)送生產。

3 應用實例

本系統(tǒng)已在煙臺某鋼結構企業(yè)得到生產應用。以實施本系統(tǒng)后承接的某平臺鋪設項目為例：共有布板平臺8個，總設計面積523.57m2。系統(tǒng)設計結果為：鋼格板326塊、型號（板號）39種，共需6m～7m原板65塊（如圖6所示）。

系統(tǒng)最終試運行評估結果如表1所示。綜合系統(tǒng)初步計算結果與后期人工調整部分，保守估計應用本系統(tǒng)后可節(jié)省35%的工作量。

圖6 某項目的工藝優(yōu)化排料圖

表1 系統(tǒng)應用情況評估

4 結 論

鋼格板計算機輔助設計與優(yōu)化排料系統(tǒng)實現(xiàn)了鋼格板設計與生產制造的信息共享，集成了設計與工藝優(yōu)化等功能。對我國鋼格板生產企業(yè)采用的設計方法、設計工具與生產方式具有一定的借鑒意義。實踐證明采用本系統(tǒng)提出的功能劃分與生產模式可大幅提高生產率，進一步提升了中小型企業(yè)的信息化水平。

另一方面，如何進一步提升產品設計功能的自動化水平是本系統(tǒng)下一步的開發(fā)重點，即將區(qū)域分割與自動布板功能整合，力求實現(xiàn)根據工藝要求對設計區(qū)域進行自動化產品劃分與調整。

[1]施 昱, 葛樂通. 鋼格板切割的現(xiàn)狀與展望分析[J].機械設計與制造, 2008, (12): 239-241.

[2]劉彥奇. 美對我國鋼格板和鋼絞線出口征收反傾銷關稅帶來的影響分析[Z].巨靈信息:http://finance.stockstar.com/JL2009102900001952.shtml, 2009.10.

[3]王 偉. 服裝工藝單系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D]. 北京:北京航空航天大學圖書館, 2005.

[4]朱增力. 計算機輔助鋼格板設計及工藝優(yōu)化系統(tǒng)流程[Z]. 煙臺新科鋼結構有限公司: 技術部設計文檔, 2009.

[5]倪福龍, 王 偉, 寧 濤. 塑料門窗CAD系統(tǒng)WinDoor的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與應用,2005, 28: 110-113.

[6]倪福龍. 計算機輔助門窗設計及型材優(yōu)化下料系統(tǒng)的應用開發(fā)[D]. 北京: 北京航空航天大學圖書館, 2005.