务ｌ 匐 化 金属结构件优化下料与生产管控系统设计与实现 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ＆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 戚得众。，饶运清。，孙念友 ，刘朝晗 ＱＩ Ｄｅ—ｚｈｏｎｇ。，ＲＡＯ Ｙｕｎ—ｑｉｎｇ’，ＳＵＮ Ｎｉａｎ—ｙｏｕ ，ＬＩＵ Ｃｈａｏ—ｈａｎ （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） 摘要：本文结合工程机械中金属结构件加工特点，分析该类产品数字化制造需求，设计并实现了金 属结构件优化下料与生产管控系统。该系统首先构建了金属结构件产品结构模型，通过结构 树的形式 产品信息予以维护，并根据此模型对订单信息进行管理；建立了优化排样、优化 排产和设备负荷均衡等多目标优化模型，并综合应用零件聚类成组、临界多边形（ＮＦＰ）和遗 传／模拟退火（ＧＡ／ＳＡ）等算法进行求解；最后通过搭建车间生产管控软硬件平台，对金属结 构件生产进行监控。应用该系统可以实现从订单管理、计划调度、优化排料￣Ｕ）３０工成型到构 件焊接的整个生产过程管控一体化，为金属结构件数字化制造提供有力的技术支撑。 关键词：金属结构件；优化下料；数字化加工；生产管控；工程机械 中图分类号：ＴＨ１ ８６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９－０１ ８４（２０１ ２）ｏ７（下）－ｏｏｌ ７－０４ Ｄｏｉ：１ ０，３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４，２０１ ２。７（下），０６ ０引言 工程机械金属结构件大都具有相同的加工工 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； 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 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； 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 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 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 一件优化下料与生产管控系统需要从技术层上采用 种高效实用、操作简单的优化排料编程工具， 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。 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 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： 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）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； 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 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； 单进行成本预测，并将结果反馈给商务部用于订 收稿日期：２０１１－１２－２７ 基金项目：国家自然科学基金青年基金（５１１０５１５７） 作者简介：戚得众（１９８４一），男，山东日照人，博士生，研究方向为数字化制造、车间生产管理￣ＵＭＥＳ。 第３４卷第７期２０１２—７（下） ［１７１ １ 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 匐 ，ｌｆｕ 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。 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。 商务部 ： 技术部 ： 制造部 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 ：保障部 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 ０ Ｉ；余料 按其特征（材质、板厚、加工工艺 １哪 板材 和成套性）归类分组。通过分组下 ｌ 、～ 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 审 蔫 ： ！ｉ库＝存 络、临界多边形（ＮＦＰ）、遗传／模拟 退火（ＧＡ／ＳＡ）等算法求解二维不规 ，入库 则零件图形自动排样问题。其中利 制造规范，质量标准 用基于ＮＦＰ的几何计算实现零件快 图１ 系统业务流程图 速定位，利用遗传／模拟退火算法实 ２系统设计 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 ２．１整体方案 样效果图。 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 图２金属结构件制造下料优化与生产管控示意图 ［１８１ 第３４卷第７期２０１２—７（下） Ｉ生 匐 化 行追踪与查询。 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 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 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ＪａｖａＷｅｂ。 需求提供包括真实形状自动排样、矩形包络自动 ５结束语・ 金属结构件优化下料与生产管控系统构建金 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 属结构件生产过程数字化模型与软硬件平台，实 块具有单板逐一排样、多板自动批量排 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 【２Ｏ】 第３４卷第７期２０１２－７（下） 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。 参考文献： 【ｌ】周林，等．面向现场生产的管理信息系统研究【Ｊ１．成组技 术与生产现代化，２００４（２）：５—８． 【２］李随成，崔献霞，梁工谦．扩展企业管理模式下企业生产 计划的特征【Ｊ】．工业工程，２００５（１）：１－３． 【３】何刚．工程机械企业产品数据管理系统研发［Ｊ１．中国工 程机械学报，２００５（４）：４９０—４９３． ［４］苏用专．工程机械制造企业生产资源计划管理系统研究 【Ｄ】．武汉：武汉大学，２００４ 【５】秦英．工业工程（第九讲）基于ＷＥＢ的车间生产管理信息 系统的开发【Ｊ】．工程机械，２００６（５）：６１—６３． ［６】王正成，田景红，叶良朋，李智．柔性化主生产计划方法 制定及应用研究【Ｊ】．制造业自动化，２００２（１）：４３—４５． 【７】Ｑｉ Ｄ，Ｒａｏ Ａ ｎｅｗ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒｏｕｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｅｍｂｅｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ． Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．２０１１：３１４—３１６： ２２１０—２２１４． ［８１ Ｐａｎ Ｍ，Ｒａｏ Ｙ．Ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｂａｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ—ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ—Ｂａｓｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］，２００９（７）：２２，（５）：３６８—３７５．
