掘进机三维套料系统集成应用

2018-01-04 02:32邹佰文
智能制造 2018年6期
关键词:套料下料掘进机

邹佰文

随着掘进机研发过程的三维化及PLM、CAPP的实施,三维套料及其集成应用十分必要。通过对套料软件、CAPP、PLM中流程、工艺数据、工艺模型的集成应用,工序模型厚度方向标识算法的开发,提出了一种新的三维套料系统集成应用方案。应用结果表明:三维套料集成系统可大幅缩短套料环节消耗时间,提高套料准确率。

一、前言

掘进机是一种广泛应用于地下工程施工的高端装备,其产品设计与所应用的施工环境紧密关联,产品生产模式为典型的ETO(Engineering To Order)模式,构成产品的零件种类多,数量大,结构非常复杂。为满足掘进机日益增长的需求、快速缩短的交货周期,掘进机研发正逐渐转向全三维过程,传统的基于二维图纸的工艺研发及制造过程已无法适应三维研发,作为制造的首要环节,下料、套料过程的三维化及其集成应用迫在眉睫。

掘进机的研发过程具有边设计、边生产、BOM分批发放的特点,目前针对掘进机等大型装备的三维套料集成应用研究较少,宋建军等基于二维CAD系统研究了TeklaStructure与FastCAM在钢结构制造中的集成应用,提高了生产效率;吕超、米小珍等将套料系统与定额管理集成,在與PDM、CAPP的集成方面做了尝试,提高了定额计算精度;刘小娟将套料系统与ERP集成,提高了家具企业信息流效率和准确性。在如何充分利用设计三维信息,将套料过程与PLM、CAPP高效集成,满足BOM分批发放特点方面,尚未有较成熟的解决方案。

通过分析掘进机下料零件特点,结合PLM、CAPP数据结构,提出了一种适用于掘进机等大型装备的全三维套料集成方案,在保证套料软件套料效率及材料利用率的同时,大幅缩短套料周期,提高套料准确率。

二、掘进机三维套料集成总体方案

由于掘进机ETO模式的特点,一般采用项目制管理研发生产过程,其MBOM基本重用EBOM结构,因而掘进机套料过程主要涉及到PLM、CAPP、套料软件三方集成。掘进机三维套料集成总体方案图如图1所示。其中,涉及的软件平台包括:PLM为PTC公司的Windchill平台,套料软件为华中科技大学的SmartNest,CAPP为PTC公司的MPMLink模块,其中MPMLink无缝集成于Windchill平台。

工艺人员在CAPP中完成工艺设计后,在PLM通过“MBOM及工艺路线发布流程”发布正式版本的MBOM及工艺路线,提供相应的下料零件下料三维模型,同时触发套料软件开始套料任务,套料软件从CAPP读取MBOM,筛选出下料零件,生成下料BOM,再根据下料零件的工艺路线筛选出下料工序,读取相应的下料工序模型,结合下料BOM及下料工序模型,经模型前处理后,进行套料,生成的套料程序关联至CAPP中的MBOM,同时发送车间设备,完成一个标准的套料周期工作。

三、套料软件与PLM的集成

PLM作为产品研发数据管理平台及研发过程管理平台,通过工作流程规范研发工作,套料软件与PLM的集成主要集中在流程驱动集成上。

工艺设计人员在CAPP中进行产品零部件的工艺研发工作,完成工艺技术文件的设计和下料工序模型的设计后,在PLM中发起“MBOM及工艺路线发布流程”,进行MBOM及工艺路线的发布工作,完成MBOM及工艺路线的审签、定版。结合掘进机产品研发过程BOM分批发放的特点,流程审签完成后,PLM将发布流程中包含本批次发布的MBOM中所有顶级部件物料编码、物料名称、数量等信息推送至套料软件,触发套料软件生成一个新的套料任务。

因掘进机的MBOM数据量大,又是单台非标产品,在设计套料软件与PLM的集成接口时,充分考虑集成数据的验证,确保套料任务信息传递的准确性。

四、套料软件与CAPP的集成

CAPP作为掘进机产品工艺研发的主要平台,管理了所有工艺相关的信息,并使用PLM的研发流程,进行工艺技术文件的有效性管理,是套料软件工作所需基础数据的来源,因而,套料软件与CAPP的集成主要是MBOM、工艺路线、下料工序模型、套料交付物等数据的集成。

CAPP中的MBOM、工艺路线是结构化的数据,结构如图2所示,组件/焊接件由多个物料组成,每个自制物料包含该物料所需的原材料、一条确定的工艺路线,每条工艺路线由多道工序组成结构树,每道工序又包括该工序所需要的下料工序模型、设备、工作中心等。

1、MBOM集成

掘进机产品BOM规模大,整个产品,甚至一级部件的BOM都无法一次性发放完全,普遍存在分批发放的现象,分批发放是指设计完一个一级部件的一批零部件,即正式发布至工艺、生产等下游部门,用于组织生产,以确保部分长周期物料能及时供应,满足产品交付周期,因而发布的一批零部件可能包含多个并列的顶级物料。为契合此特点,在套料软件与PLM的集成中,PLM推送给套料软件的不是单个MBOM顶级物料,而是当前发布批次中所有顶级物料的信息。套料软件接收到PLM的推送后,自动创建一个新的套料任务,并根据推送的顶级物料信息,逐个到CAPP中读取MBOM信息,读取的MBOM信息字段包括父项物料编码、父项物料名称、子项物料编码、子项物料名称、数量、原材料规格、是否定尺等。

掘进机中MBOM中,物料属性包括自制件、外购件、外协件,根据物料结构类型又分为组件、焊接件、零件,零件所用的原材料又包括板材、型材、铸锻件等,其中套料的物料主要为自制件中以板材为原材料的零件。因而,套料软件读取MBOM后,首先根据物料“来源”字段过滤其中的外购件、外协件,再根据“材料规格”字段过滤出其中的以板材为原材料的零件,形成初始下料BOM,作为套料任务的初始输入物料清单。

2、工艺路线集成

工艺路线描述了物料从原材料、半成品到成品的方法和过程,下料工序一般为零件的首道工序。掘进机中板材下料零件一般为板厚40~lOOmm的厚板,下料方法为火焰切割,根据掘进机零件制造车间设备情况及工艺路线设置原则,板材下料的工序在工艺路线的第一道工序,工序名称为“割”。

套料软件基于下料BOM,从CAPP中抓取下料BOM中每一项物料的工艺路线,首先筛选出第一道工序名称,过滤出第一道工序名称为“割”的物料,形成最终的下料BOM。

3、下料工序模型集成

下料BOM是套料任务的生产纲领,描述了需要下料的物料清单、数量,所用原材料的材料规格等信息,下料工序模型则是零件下料毛坯的几何描述,下料BOM和下料工序模型形成完整的套料任务输入。

套料软件根据最终下料清单,从CAPP中找到每一项物料工艺路线的第一道工序,抓取其附件中关联的下料工序模型,作为该物料的下料毛坯。为了满足套料软件套料的准确输入,需要工艺研发人员在工艺设计过程中,为每一道下料工序附上关联的下料工序模型,其中,若下料毛坯与设计零件模型完全一致,则直接引用设计零件模型,建立其与下料工序的关联关系,若下料毛坯需要留加工余量等造成与设计模型不完全一致,则需要工艺研发人员利用设计模型生成所需的下料工序模型,并通过注释标识模型的板厚方向,检入PLM系统后与下料工序关联。在此过程中,若未检测到对应的下料工序模型,则报错,提醒用户错误。

随着掘进机产品研发转换到三维研发,套料软件从CAPP直接读取的下料工序模型为三维模型,而最终的套料过程本质上是一个在二维钢板平面套料的过程,要实现套料,要么全部转化成二维CAD模型,但工作量较大,存在数据源不统一的问题,要么直接利用三维模型,需要准确的识别模型的板厚方向。为吻合全三维设计及工艺设计流程,开发了一种三维下料工序模型板厚方向识别的算法,其流程图如图3所示。

首先,从MBOM中读取物料原材料规格中的厚度,查找下料模型中的第一个拉伸特征,判断拉伸特征高度是否等于原材料厚度,若匹配,则以拉伸方向为厚度方向,这一步主要针对直接引用的没计模型,在建模规范中要求设计人员按此规范设计。在工艺人员制作的下料模型中,因为建模方法为基于设计模型进行柔性建模,一般无法匹配,则查找模型中是否有工艺人员标识的厚度方向,若匹配,则以标识方向为厚度方向,其他特殊的则在套料软件中手工指定厚度方向,确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

经过前述的数据准备,套料软件进行套料工作,套料完成后,生成相应的套料图、套料程序等交付物,为了统一工艺技术文件管理,将此交付物返回CAPP系统与相应的MBOM关联,完成套料任务。

五、应用成果

以某掘进机项目刀盘、盾体作为试点项目,应用三维套料集成方案,作为对比,同型號另一项目采用三维模型转二维再生成下料轮廓、手工处理MBOM的初始方案,在套料相关环节的消耗时间如图4所示。试点项目中共包括387种,总计1854个下料零件,总体来看,应用三维套料集成方案后,下料模型准备环节缩短了2小时,MBOM环节由系统集成,耗时可忽略,前处理环节省去了二维模型封闭性,尺寸是否1:1等检查,缩短了3小时,总体套料环节缩短了6个小时,缩短时间超过50%。同时,因手工处理模型和数据产生的错误大幅减少,提高了套料的准确率。

六、结语

掘进机三维套料集成方案主要涉及套料软件、CAPP、PLM的三方集成。三维模型厚度方向识别算法可有效标识零件厚度方向,用于三维套料前处理。应用三维套料集成方案缩短掘进机套料环节消耗时间50%以上,套料过程准确性大幅提高。

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