钢格板计算机辅助设计与优化排料系统研究与开发

２ Ｃｔ Ｃ ｌｇ ｈ ｎ ｎｖｒ ｔ ， ａ ｇ ｈ ｕ３ ０ １ ， ｈｎ ） ． ｉ ｏ ｅｅＺ ａ ｇ Ｕ ｉ ｓ ｙ Ｈ ｎ ｚ ｏ １ ０ ５ Ｃ ｉ ｙ ｌ ｅｉ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａｉ ｎ ｔｔｅ ａ ｔ ａｉ ｆ ｏ ｓ ａ ｎｓ ｉ ＡＮ ｆ ｌ ａ ｍａｈ ｍａ ｉａ ｍｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｌ ｅ ｒｐ ｏ ｒｍｍｉ ｇｔ ｅ ｓｒ ｃ ： ｍｉ ｇ ａ ｈ ｃｕ ｌ ｙｏ ｎ ｔ ｉ ｔ ｎ Ｃ ｉ ｄ， ｔ ｅ ｔ ｌ ｄ ｌｂ ｓ ｄ ｏ ｉ ａ ｒ ｇ ａ ｔ ｃ ｒ ｅ ｃ ｎ ｎ － ｈ
维普资讯
谭清锰 ， 徐
立 ， 永 刚 ， ．钢 板 加 工 中 计算 机排 样 技 术 研 究 及 应 用 石 等
・５ ３・
钢板加工 中计算机排样技术研究及应用
谭 清锰 。 徐 ， 立 石永 刚 宋晓虹 ， ，
（． １０ ７２ 浙江大学城市学 院 ， 浙江 杭州 ３０ １ ） １０ ５
ｏ ｉ ｚ ｈｅ ｎ ｓｉ ｒｃｅ ｓｏ ａ ｇ ｔｅ ｏ ｐｔｍｉｅ ｔ ｅ ｔｎｇ ｐ ｏ ｓ ｆｌｒ ｅ ｓｅ ｌｃ ｍｐｏ ｎ ｓ ｎｅ ｔ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｃ ｍｐｕ ｅ ｄ ｄ ｎ ｓｉｇ；ｌｎ ａ ｒ ｇ ａ ｏ ｔｒａｉｅ ｅ ｔ ｎ ｉ ｅ ｒｐ ｏ ｒ ｍｍｉ ｇ； ｃ ｎｓｒｌ ｔ ｄ ｌ ｎ ｏ ｔａ ｎｓ ｍｏ ｅ
高其利 用率 就有 很大 意 义 。利 用计 算机 辅助进 行优
化排样 能 有效 的克 服 上 述这 些 不 利 因素 ， 高 原材 提 料的利 用 率和排 样效 率 。 此 类钢 构 件 排 样 问 题 ， 于 最 优 化 问题 范 畴 。 属 最 优化 的主要 目标 就 是 在 各 种约 束 条 件 的 限制 下 ，

一
２设计思路
基 于 京唐 公 司炼 钢 厂 生 产 组 织 现 状 ， 完 全基 于 算 法规 则 、 无 人 工 干预 的全 自动 炉 次计 划 至 少 在 现 阶段 是 不 现 实 的 。 因 此应 从 手 工 操 作 加 系 统 支 持 的 半 自动 炼 钢 炉 次 计 划 来 满 足 当 前 的 业 务模 式 需 求。 为 满 足 这 一 功能 ， 需 要对 现 有 炼 钢 执 行 系 统 进 行 进 一 步 的 扩 充 与修改 ， 新 建一套炼钢调度 系统 ， 实 现数 据对 接 。 针对京唐公司炼钢作业部 自身特点， 定制开发 的炼钢调度系统 与公司的一体化计划系统建立接 口， 并同时与炼钢执行系统建立接 口。 一方面从公 司钢 轧一体化体 系建设上形成 了闭环管理 ， 从合 同 ４实 施效 果 反推到炼钢的计划 ， 钢 轧 计 划 进 行 有 效 的衔 接 ， 另 一 方 面 从 岗位 操 （ １ ） 降低冶炼周期 ， 提高生产节奏 ， 产量相应增加 。 （ ２ ） 炼 钢 生 产 作上得 到了简化 ， 利用调度 人员熟悉的表格方式对炉次计划手动编 组 织能力提高 ， 计 划兑现率提高 ， 协议 品减少 。 （ ３ ） 系统 能够 根据模 排， 所 以新开 发的炼钢调度系统作为调度人员操 作的前端 系统 ， 把 并能结合调度员 的实际要求进行人性化的调 这个 系统接入炼钢执行系统 中， 将调度人员在炼钢调度系统中编排 型算法进行 炉次排产 ， 灵活的排产模式非常贴近用户的使用需要 ， 大 大 提 升 了炉 次 排 的炉次计划通过炼钢执行系统和二级系统 的接 口直接下发到二级 整 ， 产 的业务效率 。 （ ４ ） 实时刷新采集炉次事件并更新前端界面显示 ， 大 系统中来指导炼钢生产 。 二级系统生产实绩实时的反馈到炼钢调度 （ ５ ） 按 照生产计划 系统 ， 各 岗位 都 能通 过三 级 终 端 查 看 ， 并 将 实 际 板 坯 信 息 附带 生 产 大提升 了生产信息传递 的效率和生产组织效率 。 合理的组织生产 ， 尽 可能按照计划时间保铸机连浇 ， 减 少 故 障的 发 订单号传给热轧工序 ， 从 而实 现 了 炼 钢 一 体 化 闭环 管 理 。 生。 （ ６ ） 数据得到了有效的组织和整合 ， 为用户直观便捷地对炼钢生

个数 , i ( 1) 结果。
B
为了求得当前排样方案 P, 设 N = [ n1, n 2, n 2m ] , n i 为钢板中第 i种一维直条带的个数, i
T
其中: C = [ c1, c2K, cn ] ; X = [ x 1, x 2K, xn ] ; a11 A= M am 1 K aij L a 1n M am n
谭清锰 , 徐
பைடு நூலகம்
立 , 石永刚, 等 . 钢板加工中计算机排样技术研究及应用
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钢板加工中计算机排样技术研究及应用
谭清锰
1, 2
,徐
立 , 石永刚 , 宋晓虹
2
2
2
( 1. 浙江大学 机械与能源学院 , 浙江 杭州 310027; 2. 浙江大 学城市学院 , 浙江 杭州 310015)
摘
要 : 对于实际计算机辅助排样中多种约束情况进行分析 , 基于线性规划理论, 建立了多约
包括梯形件组合规则和异型件矩形包络规则, 满足 相应规则的构件将自动近似转化为矩形件。 ( 2 ) 尺寸分组规则。 尺寸约束, 是一种排样中一 类重要的约束条件 , 一次排样过程中会遇到的大量 尺寸相近的构件, 如果将它们作为单独构件进行排 样处理, 会大大影响系统的求解速度。 通过定义尺寸 的分组规则, 根据规则将构件分组排列 , 减少约束的 冗余 , 这将大大提高排样的效率。 ( 3 ) 优先级规则。 系统中构件输入数据作为一个 队列存储 , 在排样之前需要对队进行排序, 构件排样 的顺序的先后对于优化后的结果影响较大, 合理的排 序规则能够有效提高排样的利用率。 优先级规则主要 指经验规则和自定义规则, 其中又包括大尺寸优先规 则, 重要构件优先规则等, 优先级规则通过对待排构 件进行加权的方式对于确定排样求解顺序。 对于不同的排样情况 , 各类规则的适用条件不 一样 , 可以预先根据不同排样条件调整预处理规则 的配置, 以尽量提高排样的利用率。 系统预处理流 程, 如图 2 所示。

件 ＭＡＧＭＡｓ ｆ 完成 了对法 兰铸钢 件铸造 过程 的计 算机 数值 模拟 ， ｏｔ 对铸 件
可能产 生的缺 陷进 行 了预测 分析 ， 过对 可视化 结果 的判 断分析 ， 化 了铸 造 工艺 ， 导铸件 的 实际生产 。 通 优 指 模 拟结果表 明， 用 ＭＡＧＭＡｓ ￣铸 造 Ｃ 应 ｏｔ ＡＥ软件 进行 指导 生产 ， 缩短 工艺 开发 周期 ， 高产 品 良品率 ， 对 提 节约 生产 成本 ， 有着显 著的 效果 。
１ １ 控 制 方 程 ．
Ｋ ｏ ＋旦 （ ） Ｆ 一０
Ｄｔ Ｄ ．一 Ｊ ｘ 一
（ ４）
式 中， Ｆ为 体 积 函 数 ， 化 范 围 为 ［ ～ １ 的连 续 函 变 ０ ］ 数 ， ｘ， ， ，）＝ Ｆ（ ｙ ｚ ｆ ＝０表 示在 ｔ ＝ 时刻该 单 元为 空 ， 既没
有被充 型 ，０ ＜Ｆ＜ １表示 正 处 于充 型 状 态 中 ， Ｆ一 １
ｄＴ
ｃｐ —
（ ２ ）
式 中 ： 为 重力在 方 向上 的分量 ； ｇ Ｐ为压 力 ； Ｐ为
ｄｆ
＋
ｇｒ 丁 一 ａ
７ ａ ｇｒ 丁）＋ ｓ （ ） ３
要求分 别录入 铸 件 、 浇道 及 冒 口冷 铁 等 。然后 对 铸 件进行包 括材 料选 择 、 料物 理 性 能 以及 热 物性 参 材 数 的设 置 。计 算 分 析 可 根 据 要 求 模 拟 铸 造 中 的充 型 、 固 、 处理等 工艺过程 。后 处理模 块对模 拟结 凝 热 果进行 Ｃ Ｔ式可 视 化 的 观察 ， 铸 造 结 果 和缺 陷提 对 前 预测 ， 改进铸造 工艺提 供可靠 的依 据 ’ 为 。
为零 。 １ １ ２ 运 动 方 程 （ Ｓ方 程 ） ．． Ｎ—

的优点 ， 并达到提高型钢轧制经济效益的目的。对于简单断面型钢的优化孔型设计 ， 目前已取得一些成果。 但 是对 复 杂断面 型 材 ， 由于 孑 型 及 轧 件 的 变 形 复 杂 ， 化 孔 型设 计 的 工 作 还 不 太 成 熟 ， 要 更 深 人 的研 Ｌ 优 需
究 引。
最早的孔型设计者很少甚至没有制图技术、 数学方法以及轧制时金属在轧辊间的流动等方面的知识 ， 在 设计 中他们只有完全依靠人工的个人技术 ， 通过不断试验后才能达到产品所需要 的断面尺寸要求。随着制 图技术及数学建模 的发展， 设计人员通过对各种设计变量的分析 ， 凭经验进行产 品设计 。由于轧制条件 Ｊ
关键 词 ： 型 ； 算机技 术 ； 助设计 ； 孔 计 辅 发展
摘
要： 结合 实际介绍了目前国内外计算机辅助孔型设计的技术现状及发展 。通过认识计算
机辅助孔型设计的诸多显著特点和其在生产 实际中发挥的重要作用， 明了孔型设计今后发 指
展 的 主要 方向 。
中图分 类 号 ： Ｇ ０ 文献标 志码 ： Ｔ ３２ Ａ
错法 过渡 到 Ｃ Ｄ Ｃ Ｅ， Ａ ／ Ａ 对塑 性加工业 是一 次重要 的进步 。
根据世界各主要工业 国家钢材品种构成可知 ， 今后在我 国的型材生产 中， Ｈ型钢将成为重点发展的品 种 。探讨 并研 究 Ｈ型 钢孔 型的优化设 计 ， 我 国未来 的 Ｈ型钢 生产和 产业建设 具有重 要意 义 。 对
辅助工 程 （ Ａ ） 继 出现 ， 们利用 计算 机 的各 种 辅助 功 能进行 设 计及 过 程模 拟 、 品检 验 。这 种技 术 可 Ｃ Ｅ相 它 产 以解决 试错 法耗 时 、 费力及 其他众 多 因素造成 的难 以解决 的问题 ， 并且 可 以克 服不能进 行试 验 的困难 。 由试

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：２ １－１－ ７ ０ １ ２ ２ 基金项目：国家 自然科学基金青年 基金 （ １０ １ ７ ５ １５ ５ ） 作者简介：戚得众 （９ ４ １ ８ 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￣ ＭＥ 。 Ｕ Ｓ
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
Ｄ ｉ １ ， ９ ９ Ｊ ｉｓ ．０ ９ ０ ， ０ 。 （ ） ０ ｏ ： ３ ６ ／ ． ｎ １ ０ － １ ４ ２ １ ７ 下 ， ６ ０ ｓ ３ ２
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 ，
摘
２ 山推工程机械股份有 限公司 材料成型事业部 。济宁 ２ ２ ２ ） ． ７ ０ ３ 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 （ Ｆ ） Ｎ Ｐ 和遗 传／ 模拟退 火（ Ａ Ｓ ） Ｇ ／ Ａ 等算法 进行求解 ； 后通过搭建 车间生产管控 软硬 件平台 ，对金 属结 最 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￣ ） 工成 型到构 Ｕ３ ０ 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 ：Ｔ １ ６ Ｈ ８ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ － １ ４ ２ １ ） ７下 ） ｏ ｌ －０ ９ ０ （ ０ ｏ （ － ｏ ７ ４ ０ ８ ２

关键词 ： 角钢排料 系统 ； 模块； 设计 １研究背景 统， 它不仅能够提高原材料的利用率（ 通常能保证原材料平均利用率大 随着建筑行业的迅猛发展， 建筑机械的需求量越来越大。 这就使角 于 ９ ７ ％） ， 而且能够保证其计算速度。 经过大量的实际运作， 有效地降低 钢制品类企业越来越多。而 人工排料效率较低 ， 且角钢使用率低 ， 易出 了原材料的损耗， 减少了繁琐 的手工重复劳动， 从而使企业能够实现利 错。目前 ， 国内很少有能够高效应用于企实际业制造 的角钢下料系统 。 润的增长。 通过 Ｄ ｅ ｌ ｐ ｈ ｉ 软件对智能角钢排料系统进行创新设计， 应用运 在塔 吊制造行业 能进行完全高速 自动化 的计算机 下料 的企业少之又 筹学中的背包算法， 通过计算机实现 自动排料。 少， 同时 ， 角钢下料这一模块却又是整个企业主要 的利润来源 。如何有 系统对角钢采购及库存优先 问题进行的创新设计 ，解决钢材市场 效地提高原材料的利用率 ， 降低原材料损耗 ， 减少大量 的人力操作 ， 同 价格波动问题 ， 如果钢材处于涨价周期 ， 现在大量采购 比今后采购更节 时又能保证整个下料系统高速稳定的运作，成为很多铁塔制造类企业 约 ， 则采取采 句 优先策略 ， 反之则采取库存优先策略。系统能够实现整 目前所急需解决的问题。 个车间的排料管理 ， 是首先使用历史余料还是先使用整件原材料 ， 先是 我国 目前对角钢排料 系统的硼究 较少，目前的角钢排料系统主要 用余料的好处是可以减少 当期原材料的采购量， 节约当 期资金 ， 也可减 以人工安排为主 ，主要是用角钢生产基础材料的企业使用较多，如塔 ！ ≯ 余料库存的占地和管理负荷， 但是否必须 ， 视企业实际 隋况而异。 吊、 高压塔塔体等。而人工完成角钢排料会带来很多问题 ， 如钢材利用 ４ 研制成 果 率低、 易出错等。也有一些企业简单利尉计算机记录存储排料数据等 ， ４ ． １ 本文开发的智能角钢排料系统进行模块化设计 ， 由数据产品录 不过这些应用 自动化程度低 ， 反应速度 熳， 容易出现错误。塔 吊生产企 入、 库存数据录入 、 采购原则 、 加工原则 、 优化计算 、 利用率统计等模块 业在角钢排料中大多采用手工排料的方式 ， 生产效率低下 ， 且角钢浪费 组成 ， 可以安装在生产流水线上提高生产效率。由于采用模块化设计 ， 惊人、 令人瘠 陆。日 前， 在两家我校企合作单位调研得知 ， 目前部分企 业 由多人同时推进设计进程 ， 软件谢 十 难度小 ， 代码编写有较强的可移植 将智能化控制技术引用到角钢排料系统中，利用智能控制器进行角钢 性 。 排料， 功能单一 ， 效率较低。也有企业采用人工加计算机的方法进行排 ４ ． ２特殊设计的数据产品录入模块除了录入真实材料数据外还可 料安排 ， 结果也不太理想 ， 造成较大的钢材浪费。国外对角钢排料系统 以产生随机数据供程序测试用 ， 以验证软件适应性。 的研究比国内要早很多 ， 有相应 的软件出现 ， 不过功能比较单一。因此 ， ４ ． ３ 采购原则模块 中可以 设置节约原则（ 例如大于 ｌ Ｏ ０ ０ ｍ ｍ的余料 智能化、 实用型的计算机角钢排料系统将有较大的市场需求。 可以再入库利用 ， 小于 ｌ Ｏ Ｏ ｍｍ的余料就做为废料处理 ） 、 剔除原则 ， 最 Ｄ ｅ ｌ ｐ ｈ ｉ 是由美国 Ｂ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ 公司推出的可视化软件开发工具 ， 它不仅 大程度上提高角钢利用率。 剔除原则用来剔除市场 匕 无法采购的产品， 功能强大 ， 开发应用程序迅速且易于使用。 特别是它的数据库处理技术 比如产品长度超过标准长度 的， 其产品输 出到“ 超长材料表” ， 供企业另 和 Ｗｅ ｂ上的 Ｃ ｌ ｉ ｅ ｎ ｔ ／ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｒ 技术值得称赞。本程序计划选用其 Ｄ ｅ ｌ ｐ ｈ ｉ ７ 行 处理 。 为开发软件， 它除了可 以有效帮助开发者 陕速建立 Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｓ 应用程序 ， ４ ＿ ４ 加工原则模块中可以设置工程优先级 、 塔型优先级 、 组合优先级 还可以全面支持主要工业标准 ， 同时也支持基于 Ｗｅ ｂ服务 的 Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｏ ｆ ｔ ． 等功能， 实现最优下料 ， 使得角钢废料的尺寸最小 ， 最大 限度的节约材 ｎ ｅ ｔ 和Ｓ ｕ ｎ Ｏ Ｎ Ｅ体系。这一切都是通过这一套高度集成的可视化开发 料。工程优先级： — 一 寸 ｆ Ｅ 生产计划涉及多个 工程项 目 是， 视交货期的不同、 工具、 先进的编译技术和可重用的组件完成的。因此 ， 与其他可视化应 批量大小不 同、 后道工序的分包协作企业不 同等因素 ， 企业可 以选择不 用程序相 比， Ｄ ｅ ｌ ｐ ｈ ｉ ７ 具有编译速度快 、 执行效率高 、 更稳定等优点 ， 故 同工程是否同期生产 ； 塔型优先级 ： 对使用 同一原材料的不 同产品， 是 选用该软件作为开发软件。 否安排混合排产 ， 也视采购进度 、 交货期远近等因素而异 ； 组合优先级 ： 目前 ， 机械设计及加工技术 、 自动控制技术 日 趋成熟 ， 计算机及软 即考虑后道工序是否相 同，是否采用同一根原材料而尽量生产同一型 件技术飞速发展。Ｄ ｅ ｌ ｐ ｈ ｉ 软件、 运筹学发展迅猛 ， 这使得智能角钢排料 工件的“ 同工件连续加工” 策略， 还是不同工件混合Ｔ￥ ４ 策略； 数量相同 系统的研究与开发有了充分的理论和技术保障。 则优先下料策略 ： 多个产品如果最终的加工数量相同， 可以将其长度及 ２研 究 目的 加工 间隙相加而在理论上 “ 等 同于一件产品” ， 在配料组合式始终绑定 目 前各个相关企业中的角钢排料都是通过 ＾ 、 工来完成 ，工 人 要不 在一起， 以避免 同—个产品与多种不同产品进行相互混搭配料， 减少质 分批等后道工序的复杂度。 断的核对库存 ， 及 时进行记录 ， 劳动强度高 ， 生产效率低 ， 而且 出错率 检、 高， 造成不必要的浪费， 生产成本较高。 针对人工排料诸多缺点 ， 本课题 ４ ． ５开发 的智能化角钢排料系统在实际应用中能够实现角钢利用 研究的智能角钢排料系统 ，能够大大提高角钢制造生产企业的生产效 率达到 ９ ６ ％以上 ， 比人工排料高 ５ 个百允 以上。 率， 降低工人的劳动强度 ， 节约钢材和成本 ， 促进角钢生产企业的发展 ， ５ 测试 结果 该系统的应用将会产生较大的经济和社会效益。该系统是—个专 门针 软件开发完成之后 ， 随机选取数据测试 ， 经多次压力测试后 ， 系统 对塔 吊等角钢制造行业在角钢（ 线卡 才 １ 下料 中的材料利用率控制 问题而 运行表现 良好。测试结果该智能化角钢排料系统在实际应用中能够实 开发的软件。 它的输 人数据是放样后的零件清乾 以及可用原材料数据 现角钢平均利用率达到 ９ ８ ％以上 ， 最低利用率 ９ ７ ． １ ３ ％， 达到了预期水 （ 根据库存和市场供应情况确定） 。优化后的输出数据是下料清单。智能 平。 该系统在企业中的使用将会有效地降低了原材料的损耗 ， 减少了繁 角钢排料系统应具有以下特｜ ： 琐的手工重复劳动， 从而使企业能够实珊 ０ 润的增长。 ２ ． １ 系统的优化算法采用运筹学中背包问题的解决思路， 可处理多 参考文献 种复杂优化 问题， 如多塔型优化 、 多种原材料优选 、 原材料的有 限使用 【 １ ］ ｇ￣ ｇ ｇ ￥ ， 赵刚彬 ， 周春光． 求解 ｏ － １ 背包问题的动态规划法分析 南阳 等。 理工学院学报 ， ２ ０ １ １ （ ２ ） ．