鄒佰文

隨著掘進(jìn)機(jī)研發(fā)過程的三維化及PLM、CAPP的實(shí)施，三維套料及其集成應(yīng)用十分必要。通過對套料軟件、CAPP、PLM中流程、工藝數(shù)據(jù)、工藝模型的集成應(yīng)用，工序模型厚度方向標(biāo)識算法的開發(fā)，提出了一種新的三維套料系統(tǒng)集成應(yīng)用方案。應(yīng)用結(jié)果表明：三維套料集成系統(tǒng)可大幅縮短套料環(huán)節(jié)消耗時(shí)間，提高套料準(zhǔn)確率。

一、前言

掘進(jìn)機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于地下工程施工的高端裝備，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)與所應(yīng)用的施工環(huán)境緊密關(guān)聯(lián)，產(chǎn)品生產(chǎn)模式為典型的ETO（Engineering To Order）模式，構(gòu)成產(chǎn)品的零件種類多，數(shù)量大，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。為滿足掘進(jìn)機(jī)日益增長的需求、快速縮短的交貨周期，掘進(jìn)機(jī)研發(fā)正逐漸轉(zhuǎn)向全三維過程，傳統(tǒng)的基于二維圖紙的工藝研發(fā)及制造過程已無法適應(yīng)三維研發(fā)，作為制造的首要環(huán)節(jié)，下料、套料過程的三維化及其集成應(yīng)用迫在眉睫。

掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)過程具有邊設(shè)計(jì)、邊生產(chǎn)、BOM分批發(fā)放的特點(diǎn)，目前針對掘進(jìn)機(jī)等大型裝備的三維套料集成應(yīng)用研究較少，宋建軍等基于二維CAD系統(tǒng)研究了TeklaStructure與FastCAM在鋼結(jié)構(gòu)制造中的集成應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率;呂超、米小珍等將套料系統(tǒng)與定額管理集成，在與PDM、CAPP的集成方面做了嘗試，提高了定額計(jì)算精度;劉小娟將套料系統(tǒng)與ERP集成，提高了家具企業(yè)信息流效率和準(zhǔn)確性。在如何充分利用設(shè)計(jì)三維信息，將套料過程與PLM、CAPP高效集成，滿足BOM分批發(fā)放特點(diǎn)方面，尚未有較成熟的解決方案。

通過分析掘進(jìn)機(jī)下料零件特點(diǎn)，結(jié)合PLM、CAPP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出了一種適用于掘進(jìn)機(jī)等大型裝備的全三維套料集成方案，在保證套料軟件套料效率及材料利用率的同時(shí)，大幅縮短套料周期，提高套料準(zhǔn)確率。

二、掘進(jìn)機(jī)三維套料集成總體方案

由于掘進(jìn)機(jī)ETO模式的特點(diǎn)，一般采用項(xiàng)目制管理研發(fā)生產(chǎn)過程，其MBOM基本重用EBOM結(jié)構(gòu)，因而掘進(jìn)機(jī)套料過程主要涉及到PLM、CAPP、套料軟件三方集成。掘進(jìn)機(jī)三維套料集成總體方案圖如圖1所示。其中，涉及的軟件平臺包括：PLM為PTC公司的Windchill平臺，套料軟件為華中科技大學(xué)的SmartNest，CAPP為PTC公司的MPMLink模塊，其中MPMLink無縫集成于Windchill平臺。

工藝人員在CAPP中完成工藝設(shè)計(jì)后，在PLM通過“MBOM及工藝路線發(fā)布流程”發(fā)布正式版本的MBOM及工藝路線，提供相應(yīng)的下料零件下料三維模型，同時(shí)觸發(fā)套料軟件開始套料任務(wù)，套料軟件從CAPP讀取MBOM，篩選出下料零件，生成下料BOM，再根據(jù)下料零件的工藝路線篩選出下料工序，讀取相應(yīng)的下料工序模型，結(jié)合下料BOM及下料工序模型，經(jīng)模型前處理后，進(jìn)行套料，生成的套料程序關(guān)聯(lián)至CAPP中的MBOM，同時(shí)發(fā)送車間設(shè)備，完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的套料周期工作。

三、套料軟件與PLM的集成

PLM作為產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)管理平臺及研發(fā)過程管理平臺，通過工作流程規(guī)范研發(fā)工作，套料軟件與PLM的集成主要集中在流程驅(qū)動集成上。

工藝設(shè)計(jì)人員在CAPP中進(jìn)行產(chǎn)品零部件的工藝研發(fā)工作，完成工藝技術(shù)文件的設(shè)計(jì)和下料工序模型的設(shè)計(jì)后，在PLM中發(fā)起“MBOM及工藝路線發(fā)布流程”，進(jìn)行MBOM及工藝路線的發(fā)布工作，完成MBOM及工藝路線的審簽、定版。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)過程BOM分批發(fā)放的特點(diǎn)，流程審簽完成后，PLM將發(fā)布流程中包含本批次發(fā)布的MBOM中所有頂級部件物料編碼、物料名稱、數(shù)量等信息推送至套料軟件，觸發(fā)套料軟件生成一個(gè)新的套料任務(wù)。

因掘進(jìn)機(jī)的MBOM數(shù)據(jù)量大，又是單臺非標(biāo)產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)套料軟件與PLM的集成接口時(shí)，充分考慮集成數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，確保套料任務(wù)信息傳遞的準(zhǔn)確性。

四、套料軟件與CAPP的集成

CAPP作為掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品工藝研發(fā)的主要平臺，管理了所有工藝相關(guān)的信息，并使用PLM的研發(fā)流程，進(jìn)行工藝技術(shù)文件的有效性管理，是套料軟件工作所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源，因而，套料軟件與CAPP的集成主要是MBOM、工藝路線、下料工序模型、套料交付物等數(shù)據(jù)的集成。

CAPP中的MBOM、工藝路線是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，組件/焊接件由多個(gè)物料組成，每個(gè)自制物料包含該物料所需的原材料、一條確定的工藝路線，每條工藝路線由多道工序組成結(jié)構(gòu)樹，每道工序又包括該工序所需要的下料工序模型、設(shè)備、工作中心等。

1、MBOM集成

掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品BOM規(guī)模大，整個(gè)產(chǎn)品，甚至一級部件的BOM都無法一次性發(fā)放完全，普遍存在分批發(fā)放的現(xiàn)象，分批發(fā)放是指設(shè)計(jì)完一個(gè)一級部件的一批零部件，即正式發(fā)布至工藝、生產(chǎn)等下游部門，用于組織生產(chǎn)，以確保部分長周期物料能及時(shí)供應(yīng)，滿足產(chǎn)品交付周期，因而發(fā)布的一批零部件可能包含多個(gè)并列的頂級物料。為契合此特點(diǎn)，在套料軟件與PLM的集成中，PLM推送給套料軟件的不是單個(gè)MBOM頂級物料，而是當(dāng)前發(fā)布批次中所有頂級物料的信息。套料軟件接收到PLM的推送后，自動創(chuàng)建一個(gè)新的套料任務(wù)，并根據(jù)推送的頂級物料信息，逐個(gè)到CAPP中讀取MBOM信息，讀取的MBOM信息字段包括父項(xiàng)物料編碼、父項(xiàng)物料名稱、子項(xiàng)物料編碼、子項(xiàng)物料名稱、數(shù)量、原材料規(guī)格、是否定尺等。

掘進(jìn)機(jī)中MBOM中，物料屬性包括自制件、外購件、外協(xié)件，根據(jù)物料結(jié)構(gòu)類型又分為組件、焊接件、零件，零件所用的原材料又包括板材、型材、鑄鍛件等，其中套料的物料主要為自制件中以板材為原材料的零件。因而，套料軟件讀取MBOM后，首先根據(jù)物料“來源”字段過濾其中的外購件、外協(xié)件，再根據(jù)“材料規(guī)格”字段過濾出其中的以板材為原材料的零件，形成初始下料BOM，作為套料任務(wù)的初始輸入物料清單。

2、工藝路線集成

工藝路線描述了物料從原材料、半成品到成品的方法和過程，下料工序一般為零件的首道工序。掘進(jìn)機(jī)中板材下料零件一般為板厚40～lOOmm的厚板，下料方法為火焰切割，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)零件制造車間設(shè)備情況及工藝路線設(shè)置原則，板材下料的工序在工藝路線的第一道工序，工序名稱為“割”。

套料軟件基于下料BOM，從CAPP中抓取下料BOM中每一項(xiàng)物料的工藝路線，首先篩選出第一道工序名稱，過濾出第一道工序名稱為“割”的物料，形成最終的下料BOM。

3、下料工序模型集成

下料BOM是套料任務(wù)的生產(chǎn)綱領(lǐng)，描述了需要下料的物料清單、數(shù)量，所用原材料的材料規(guī)格等信息，下料工序模型則是零件下料毛坯的幾何描述，下料BOM和下料工序模型形成完整的套料任務(wù)輸入。

套料軟件根據(jù)最終下料清單，從CAPP中找到每一項(xiàng)物料工藝路線的第一道工序，抓取其附件中關(guān)聯(lián)的下料工序模型，作為該物料的下料毛坯。為了滿足套料軟件套料的準(zhǔn)確輸入，需要工藝研發(fā)人員在工藝設(shè)計(jì)過程中，為每一道下料工序附上關(guān)聯(lián)的下料工序模型，其中，若下料毛坯與設(shè)計(jì)零件模型完全一致，則直接引用設(shè)計(jì)零件模型，建立其與下料工序的關(guān)聯(lián)關(guān)系，若下料毛坯需要留加工余量等造成與設(shè)計(jì)模型不完全一致，則需要工藝研發(fā)人員利用設(shè)計(jì)模型生成所需的下料工序模型，并通過注釋標(biāo)識模型的板厚方向，檢入PLM系統(tǒng)后與下料工序關(guān)聯(lián)。在此過程中，若未檢測到對應(yīng)的下料工序模型，則報(bào)錯(cuò)，提醒用戶錯(cuò)誤。

隨著掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)轉(zhuǎn)換到三維研發(fā)，套料軟件從CAPP直接讀取的下料工序模型為三維模型，而最終的套料過程本質(zhì)上是一個(gè)在二維鋼板平面套料的過程，要實(shí)現(xiàn)套料，要么全部轉(zhuǎn)化成二維CAD模型，但工作量較大，存在數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一的問題，要么直接利用三維模型，需要準(zhǔn)確的識別模型的板厚方向。為吻合全三維設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)流程，開發(fā)了一種三維下料工序模型板厚方向識別的算法，其流程圖如圖3所示。

首先，從MBOM中讀取物料原材料規(guī)格中的厚度，查找下料模型中的第一個(gè)拉伸特征，判斷拉伸特征高度是否等于原材料厚度，若匹配，則以拉伸方向?yàn)楹穸确较?，這一步主要針對直接引用的沒計(jì)模型，在建模規(guī)范中要求設(shè)計(jì)人員按此規(guī)范設(shè)計(jì)。在工藝人員制作的下料模型中，因?yàn)榻７椒榛谠O(shè)計(jì)模型進(jìn)行柔性建模，一般無法匹配，則查找模型中是否有工藝人員標(biāo)識的厚度方向，若匹配，則以標(biāo)識方向?yàn)楹穸确较?，其他特殊的則在套料軟件中手工指定厚度方向，確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

經(jīng)過前述的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，套料軟件進(jìn)行套料工作，套料完成后，生成相應(yīng)的套料圖、套料程序等交付物，為了統(tǒng)一工藝技術(shù)文件管理，將此交付物返回CAPP系統(tǒng)與相應(yīng)的MBOM關(guān)聯(lián)，完成套料任務(wù)。

五、應(yīng)用成果

以某掘進(jìn)機(jī)項(xiàng)目刀盤、盾體作為試點(diǎn)項(xiàng)目，應(yīng)用三維套料集成方案，作為對比，同型號另一項(xiàng)目采用三維模型轉(zhuǎn)二維再生成下料輪廓、手工處理MBOM的初始方案，在套料相關(guān)環(huán)節(jié)的消耗時(shí)間如圖4所示。試點(diǎn)項(xiàng)目中共包括387種，總計(jì)1854個(gè)下料零件，總體來看，應(yīng)用三維套料集成方案后，下料模型準(zhǔn)備環(huán)節(jié)縮短了2小時(shí)，MBOM環(huán)節(jié)由系統(tǒng)集成，耗時(shí)可忽略，前處理環(huán)節(jié)省去了二維模型封閉性，尺寸是否1：1等檢查，縮短了3小時(shí)，總體套料環(huán)節(jié)縮短了6個(gè)小時(shí)，縮短時(shí)間超過50%。同時(shí)，因手工處理模型和數(shù)據(jù)產(chǎn)生的錯(cuò)誤大幅減少，提高了套料的準(zhǔn)確率。

六、結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)三維套料集成方案主要涉及套料軟件、CAPP、PLM的三方集成。三維模型厚度方向識別算法可有效標(biāo)識零件厚度方向，用于三維套料前處理。應(yīng)用三維套料集成方案縮短掘進(jìn)機(jī)套料環(huán)節(jié)消耗時(shí)間50%以上，套料過程準(zhǔn)確性大幅提高。