掘進機三維套料系統集成應用

鄒佰文

隨著掘進機研發過程的三維化及PLM、CAPP的實施，三維套料及其集成應用十分必要。通過對套料軟件、CAPP、PLM中流程、工藝數據、工藝模型的集成應用，工序模型厚度方向標識算法的開發，提出了一種新的三維套料系統集成應用方案。應用結果表明：三維套料集成系統可大幅縮短套料環節消耗時間，提高套料準確率。

一、前言

掘進機是一種廣泛應用于地下工程施工的高端裝備，其產品設計與所應用的施工環境緊密關聯，產品生產模式為典型的ETO（Engineering To Order）模式，構成產品的零件種類多，數量大，結構非常復雜。為滿足掘進機日益增長的需求、快速縮短的交貨周期，掘進機研發正逐漸轉向全三維過程，傳統的基于二維圖紙的工藝研發及制造過程已無法適應三維研發，作為制造的首要環節，下料、套料過程的三維化及其集成應用迫在眉睫。

掘進機的研發過程具有邊設計、邊生產、BOM分批發放的特點，目前針對掘進機等大型裝備的三維套料集成應用研究較少，宋建軍等基于二維CAD系統研究了TeklaStructure與FastCAM在鋼結構制造中的集成應用，提高了生產效率;呂超、米小珍等將套料系統與定額管理集成，在與PDM、CAPP的集成方面做了嘗試，提高了定額計算精度;劉小娟將套料系統與ERP集成，提高了家具企業信息流效率和準確性。在如何充分利用設計三維信息，將套料過程與PLM、CAPP高效集成，滿足BOM分批發放特點方面，尚未有較成熟的解決方案。

通過分析掘進機下料零件特點，結合PLM、CAPP數據結構，提出了一種適用于掘進機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，大幅縮短套料周期，提高套料準確率。

二、掘進機三維套料集成總體方案

由于掘進機ETO模式的特點，一般采用項目制管理研發生產過程，其MBOM基本重用EBOM結構，因而掘進機套料過程主要涉及到PLM、CAPP、套料軟件三方集成。掘進機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中完成工藝設計后，在PLM通過“MBOM及工藝路線發布流程”發布正式版本的MBOM及工藝路線，提供相應的下料零件下料三維模型，同時觸發套料軟件開始套料任務，套料軟件從CAPP讀取MBOM，篩選出下料零件，生成下料BOM，再根據下料零件的工藝路線篩選出下料工序，讀取相應的下料工序模型，結合下料BOM及下料工序模型，經模型前處理后，進行套料，生成的套料程序關聯至CAPP中的MBOM，同時發送車間設備，完成一個標準的套料周期工作。

三、套料軟件與PLM的集成

PLM作為產品研發數據管理平臺及研發過程管理平臺，通過工作流程規范研發工作，套料軟件與PLM的集成主要集中在流程驅動集成上。

工藝設計人員在CAPP中進行產品零部件的工藝研發工作，完成工藝技術文件的設計和下料工序模型的設計后，在PLM中發起“MBOM及工藝路線發布流程”，進行MBOM及工藝路線的發布工作，完成MBOM及工藝路線的審簽、定版。結合掘進機產品研發過程BOM分批發放的特點，流程審簽完成后，PLM將發布流程中包含本批次發布的MBOM中所有頂級部件物料編碼、物料名稱、數量等信息推送至套料軟件，觸發套料軟件生成一個新的套料任務。

因掘進機的MBOM數據量大，又是單臺非標產品，在設計套料軟件與PLM的集成接口時，充分考慮集成數據的驗證，確保套料任務信息傳遞的準確性。

四、套料軟件與CAPP的集成

CAPP作為掘進機產品工藝研發的主要平臺，管理了所有工藝相關的信息，并使用PLM的研發流程，進行工藝技術文件的有效性管理，是套料軟件工作所需基礎數據的來源，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、套料交付物等數據的集成。

CAPP中的MBOM、工藝路線是結構化的數據，結構如圖2所示，組件/焊接件由多個物料組成，每個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構樹，每道工序又包括該工序所需要的下料工序模型、設備、工作中心等。

1、MBOM集成

掘進機產品BOM規模大，整個產品，甚至一級部件的BOM都無法一次性發放完全，普遍存在分批發放的現象，分批發放是指設計完一個一級部件的一批零部件，即正式發布至工藝、生產等下游部門，用于組織生產，以確保部分長周期物料能及時供應，滿足產品交付周期，因而發布的一批零部件可能包含多個并列的頂級物料。為契合此特點，在套料軟件與PLM的集成中，PLM推送給套料軟件的不是單個MBOM頂級物料，而是當前發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，自動創建一個新的套料任務，并根據推送的頂級物料信息，逐個到CAPP中讀取MBOM信息，讀取的MBOM信息字段包括父項物料編碼、父項物料名稱、子項物料編碼、子項物料名稱、數量、原材料規格、是否定尺等。

掘進機中MBOM中，物料屬性包括自制件、外購件、外協件，根據物料結構類型又分為組件、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，首先根據物料“來源”字段過濾其中的外購件、外協件，再根據“材料規格”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。掘進機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，根據掘進機零件制造車間設備情況及工藝路線設置原則，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是套料任務的生產綱領，描述了需要下料的物料清單、數量，所用原材料的材料規格等信息，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輸入。

套料軟件根據最終下料清單，從CAPP中找到每一項物料工藝路線的第一道工序，抓取其附件中關聯的下料工序模型，作為該物料的下料毛坯。為了滿足套料軟件套料的準確輸入，需要工藝研發人員在工藝設計過程中，為每一道下料工序附上關聯的下料工序模型，其中，若下料毛坯與設計零件模型完全一致，則直接引用設計零件模型，建立其與下料工序的關聯關系，若下料毛坯需要留加工余量等造成與設計模型不完全一致，則需要工藝研發人員利用設計模型生成所需的下料工序模型，并通過注釋標識模型的板厚方向，檢入PLM系統后與下料工序關聯。在此過程中，若未檢測到對應的下料工序模型，則報錯，提醒用戶錯誤。

隨著掘進機產品研發轉換到三維研發，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上是一個在二維鋼板平面套料的過程，要實現套料，要么全部轉化成二維CAD模型，但工作量較大，存在數據源不統一的問題，要么直接利用三維模型，需要準確的識別模型的板厚方向。為吻合全三維設計及工藝設計流程，開發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格中的厚度，查找下料模型中的第一個拉伸特征，判斷拉伸特征高度是否等于原材料厚度，若匹配，則以拉伸方向為厚度方向，這一步主要針對直接引用的沒計模型，在建模規范中要求設計人員按此規范設計。在工藝人員制作的下料模型中，因為建模方法為基于設計模型進行柔性建模，一般無法匹配，則查找模型中是否有工藝人員標識的厚度方向，若匹配，則以標識方向為厚度方向，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

經過前述的數據準備，套料軟件進行套料工作，套料完成后，生成相應的套料圖、套料程序等交付物，為了統一工藝技術文件管理，將此交付物返回CAPP系統與相應的MBOM關聯，完成套料任務。

五、應用成果

以某掘進機項目刀盤、盾體作為試點項目，應用三維套料集成方案，作為對比，同型號另一項目采用三維模型轉二維再生成下料輪廓、手工處理MBOM的初始方案，在套料相關環節的消耗時間如圖4所示。試點項目中共包括387種，總計1854個下料零件，總體來看，應用三維套料集成方案后，下料模型準備環節縮短了2小時，MBOM環節由系統集成，耗時可忽略，前處理環節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，總體套料環節縮短了6個小時，縮短時間超過50%。同時，因手工處理模型和數據產生的錯誤大幅減少，提高了套料的準確率。

六、結語

掘進機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識零件厚度方向，用于三維套料前處理。應用三維套料集成方案縮短掘進機套料環節消耗時間50%以上，套料過程準確性大幅提高。