基于SPD系統(tǒng)的板材自動(dòng)套料軟件研發(fā)與實(shí)現(xiàn)

許蓉,王素清,張玉超,劉虓

(1.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司-上海東欣軟件工程有限公司 設(shè)計(jì)軟件部,上海 202206;2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣州 510640)

舶制造過(guò)程中的第一道工序是零件下料,板材套料是下料的重要依據(jù),套料問(wèn)題是板材上小零件的二維布局問(wèn)題,也稱(chēng)為排樣問(wèn)題。目前主流的套料方法是基于相關(guān)的自動(dòng)套料軟件,如CADWIN、SigamaNest、Alma等,利用其部分自動(dòng)套料功能并結(jié)合一定的手工方式進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)套料。這種方式需要將設(shè)計(jì)模型傳遞至套料軟件,難以避免零件數(shù)據(jù)丟失及零件坡口信息錯(cuò)漏等問(wèn)題,同時(shí)若發(fā)生設(shè)計(jì)變更則需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致大量的重復(fù)作業(yè)。為此,考慮基于國(guó)產(chǎn)船舶三維設(shè)計(jì)軟件SPD系統(tǒng),采用基于最小勢(shì)能原理的啟發(fā)式算法(heuristic algorithm based on the principle of minimum total potential energy,HAPE)的二維不規(guī)則零件排樣算法[1]開(kāi)展板材的自動(dòng)排樣分析,實(shí)現(xiàn)基于設(shè)計(jì)模型的板材快速高效套料,提升板材利用率,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)與套料功能的無(wú)縫集成及自動(dòng)套料軟件的自主可控。

1 SPD板材自動(dòng)套料軟件架構(gòu)及交互流程設(shè)計(jì)

板材自動(dòng)套料軟件依托于國(guó)產(chǎn)船舶三維設(shè)計(jì)軟件SPD系統(tǒng),其軟件架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)套料軟件架構(gòu)

板材自動(dòng)套料系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要包括:自動(dòng)套料圖形平臺(tái)構(gòu)建、自動(dòng)套料數(shù)據(jù)模型管理、自動(dòng)套料布局模型構(gòu)建、自動(dòng)排樣算法等方面[2]。其中自動(dòng)套料數(shù)據(jù)模型包括板零件模型、整料模型、余料,以及用于自動(dòng)套料交互的布局模型。

1.1 板材自動(dòng)套料圖形平臺(tái)構(gòu)建

板材自動(dòng)套料圖形平臺(tái)構(gòu)建涉及的主要關(guān)鍵點(diǎn)包括初始化圖形平臺(tái)構(gòu)建、自動(dòng)套料臨時(shí)圖冊(cè)創(chuàng)建及自動(dòng)套料圖形信息保存。通過(guò)讀取已有的套料模型數(shù)據(jù),并將其保存在臨時(shí)圖冊(cè)中,系統(tǒng)可基于最后一次保存的視區(qū)位置進(jìn)行初始化,套料環(huán)境的初始化流程見(jiàn)圖2。

圖2 套料環(huán)境初始化

1.2 板材自動(dòng)套料數(shù)據(jù)模型管理技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

1)套料零件建模技術(shù),通過(guò)讀取結(jié)構(gòu)庫(kù)及外部零件庫(kù)相關(guān)信息,在此基礎(chǔ)上通過(guò)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)零件圖形數(shù)據(jù)的創(chuàng)建。

2)基于鋼材預(yù)估單的整板建模技術(shù),通過(guò)讀取板材庫(kù)獲取整板信息,在此基礎(chǔ)上結(jié)合鋼板屬性實(shí)現(xiàn)自動(dòng)套料整板模型的創(chuàng)建。

3)余料建模,通過(guò)讀取余料庫(kù)獲取余料信息,結(jié)合余料屬性創(chuàng)建余料圖形數(shù)據(jù)。

1.3 自動(dòng)套料布局模型

自動(dòng)套料布局是根據(jù)材質(zhì)、板厚等屬性的差異,將零件、板材及余料等信息分類(lèi)顯示在相應(yīng)的布局上,此時(shí)生成的模型稱(chēng)之為布局模型。每個(gè)零件被分配放置于對(duì)應(yīng)的零件區(qū)域,而整料和余料等信息則放置于對(duì)應(yīng)的套料板區(qū)域,此時(shí)可實(shí)現(xiàn)零件、整板和余料模型的實(shí)時(shí)同步更新[3]。布局模型的創(chuàng)建流程見(jiàn)圖3。

圖3 布局模型創(chuàng)建流程

1.4 板材自動(dòng)排樣算法要點(diǎn)

板材零件套料是一種2-D布局問(wèn)題,實(shí)質(zhì)是將若干個(gè)不同形狀的零件,按其互不重疊的布局要求,依次排布在一組矩形鋼板上[4]。采用HAPE進(jìn)行板材自動(dòng)排樣,實(shí)現(xiàn)預(yù)套料、實(shí)套料、局部零件壓縮/擴(kuò)展、局部預(yù)套/實(shí)套。

零件在排樣過(guò)程中盡可能通過(guò)平移或旋轉(zhuǎn)使其形心高度降低[5],即零件通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)確保其重心高度盡可能的降低,從而實(shí)現(xiàn)更緊密的排列,算法流程見(jiàn)圖4。

圖4 單零件HAPE算法實(shí)現(xiàn)流程

1)PPN(Packing Point Number)為排樣點(diǎn)個(gè)數(shù),(x[j],y[j])為第j個(gè)排樣點(diǎn)的坐標(biāo)(j=1,2,…,PPN)。

2)零件旋轉(zhuǎn)操作Part[i].Rotate(),其本質(zhì)是將多邊形頂點(diǎn)基于參考點(diǎn)(xr,yr)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作,如下式:

(1)

式中:xm、ym為零件頂點(diǎn)m的坐標(biāo)(m=1,2,…,n,n為零件頂點(diǎn)個(gè)數(shù));xr、yr為零件參考點(diǎn)坐標(biāo)。

3)CalculateCenter_X(Part [i])是計(jì)算零件形心坐標(biāo)x的函數(shù),零件形心水平坐標(biāo)為

(2)

式中:xi,yi為頂點(diǎn)i的坐標(biāo)。

2 SPD自動(dòng)套料軟件功能模塊研發(fā)

2.1 套料環(huán)境初始化

套料環(huán)境初始化主要包含清空數(shù)據(jù)、更新模型、核對(duì)板材布局、保存當(dāng)前視區(qū),可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的數(shù)據(jù)管理。

2.2 套料數(shù)據(jù)建模功能

套料數(shù)據(jù)模型包括零件模型、整板模型及余料模型。其中零件模型是用于自動(dòng)套料模型文件的對(duì)象,整板模型和余料模型分別是預(yù)套料和實(shí)套料的結(jié)果對(duì)象。套料數(shù)據(jù)建模功能可讀取船體建造系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)一定轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。此時(shí)若SPD船體結(jié)構(gòu)模型發(fā)生變更,通過(guò)刷新功能可實(shí)現(xiàn)套料模型的同步變更,同時(shí)保持其圖形位置和旋轉(zhuǎn)姿態(tài),確保數(shù)據(jù)的聯(lián)通以及實(shí)時(shí)更新。

2.3 自動(dòng)套料功能

SPD板材自動(dòng)套料功能主要有自動(dòng)套料(預(yù)估板)、自動(dòng)套料(導(dǎo)入板)、自動(dòng)壓縮、自動(dòng)擴(kuò)展、局部自動(dòng)套料(預(yù)估板)、局部套料(導(dǎo)入板)等方面。其中對(duì)于首制船而言,前期鋼材預(yù)估的準(zhǔn)確性對(duì)于訂貨至關(guān)重要,因此自動(dòng)套料功能中的預(yù)套功能對(duì)于鋼板的統(tǒng)計(jì)以及板規(guī)的調(diào)整非常方便[6]。配置功能用于對(duì)自動(dòng)套料進(jìn)行算法條件配置,為用戶(hù)提供了豐富的配置項(xiàng)。

基礎(chǔ)配置用于配置自動(dòng)套料算法時(shí)零件擺放方式,以達(dá)到利用率高、切割工藝實(shí)用的零件擺放結(jié)果,板規(guī)配置用于配置套料板的生成方式,可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)板規(guī)與步長(zhǎng)等進(jìn)行預(yù)套料,也可根據(jù)實(shí)際板規(guī)(整料和余料)進(jìn)行實(shí)套料[7]。

程序根據(jù)用戶(hù)自定義的配置信息進(jìn)行套料,套料完成后顯示在自動(dòng)套料圖形平臺(tái)中,用戶(hù)可在圖形平臺(tái)中對(duì)套料結(jié)果交互操作進(jìn)行調(diào)整。套料結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 套料板展示

2.4 套料信息提取功能

自動(dòng)套料完成后,可利用套料信息提取功能讀取套料板模型,用戶(hù)選擇需要待提取的套料板模型,可實(shí)現(xiàn)套料板模型數(shù)據(jù)和零件模型數(shù)據(jù)提取,并生成交互套料數(shù)據(jù)文件(NE**.dat),將該文件導(dǎo)入SPD交互套料模塊,可對(duì)套料結(jié)果進(jìn)行交互套料、引割線(xiàn)添加、切割指令生成、套料圖生成等業(yè)務(wù)工作。

3 板材自動(dòng)套料結(jié)果對(duì)比

將SPD板材自動(dòng)套料模塊與CADWIN自動(dòng)套料軟件進(jìn)行板材套料結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證該模塊的合理性和有效性。

首先利用CADWIN自動(dòng)套料軟件導(dǎo)入SPD系統(tǒng)生成套料圖與切割指令。采用CADWIN自動(dòng)套料,需將SPD系統(tǒng)的零件庫(kù)通過(guò)接口轉(zhuǎn)化為CADWIN接收的格式,即dxf文件,隨后進(jìn)行CADWIN自動(dòng)套料,完成后需將套料結(jié)果再轉(zhuǎn)化成SPD的套料文件格式,進(jìn)行后續(xù)的套料出圖即切割指令生成。

利用SPD與CADWIN對(duì)某一在建工程12個(gè)分段進(jìn)行自動(dòng)套料,對(duì)比同一規(guī)格零件集合的套料結(jié)果。條材零件的CADWIN與SPD套料結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖6,其中圖6a)為條材零件在CADWIN自動(dòng)套料軟件中的套料結(jié)果案例,圖6b)為條材零件在SPD自動(dòng)套料軟件中的套料結(jié)果案例。可見(jiàn)兩者對(duì)于條材零件的排列方式基本保持一致。

圖6 條材零件CADWIN與SPD自動(dòng)套料結(jié)果對(duì)比

T型材腹板零件CADWIN與SPD自動(dòng)套料結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7,其中圖7a)為型材腹板零件在CADWIN自動(dòng)套料軟件中的套料結(jié)果案例,圖7b)為型材腹板零件在SPD自動(dòng)套料軟件中自動(dòng)套料結(jié)果案例,結(jié)果可見(jiàn)兩者整齊度以及緊密度基本保持一致,區(qū)別在于CADWIN分為三塊小板套料,而SPD在同一塊大板中套料,造成此區(qū)別的原因在于兩種軟件的算法原理不一樣。

圖7 型材腹板零件CADWIN與SPD自動(dòng)套料結(jié)果對(duì)比

對(duì)于同一規(guī)格與厚度、相同數(shù)量的零件集合自動(dòng)套料結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖8,其中圖8a)為同一規(guī)格與厚度、相同數(shù)量的零件集合在CADWIN自動(dòng)套料軟件中的套料結(jié)果案例,圖8b)為同一規(guī)格與厚度、相同數(shù)量的零件集合在SPD自動(dòng)套料軟件中的套料結(jié)果案例,兩者結(jié)果排列方式有差異。對(duì)于零件數(shù)量大的情況兩種軟件都沒(méi)有漏套情況,此外兩種軟件排列的整齊度,零件緊密度差異不大。CADWIN套料結(jié)果用了三張板,SPD套料結(jié)果用了兩張板,板的規(guī)格差異較大,主要由于兩種套料軟件的排樣算法風(fēng)格不一所造成,SPD可以通過(guò)配置來(lái)調(diào)整排版效果。

圖8 不同零件集合自動(dòng)套料結(jié)果對(duì)比

某工程12個(gè)分段套料結(jié)果按照套料板樹(shù)、利用率、套料時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 CADWIN自動(dòng)套料與SPD自動(dòng)套料對(duì)比

通過(guò)上述12個(gè)分段的結(jié)果對(duì)比可以看到,兩者的套料排樣方式存在差異,排樣結(jié)果涉及的板規(guī)也有所不同,本功能使用的板材數(shù)量少于CADWIN,而板規(guī)則會(huì)稍大,但是兩者在排樣效果整齊度、板材利用率以及套料耗時(shí)方面基本一致。而相較于CADWIN,本功能具有如下優(yōu)勢(shì)。

1)基于SPD軟件單一數(shù)據(jù)模型直接生成切割指令,不存在數(shù)據(jù)差異的問(wèn)題。

2)零件修改信息自動(dòng)同步至SPD。

3)自動(dòng)套料完成后不需要進(jìn)行二次調(diào)整坡口信息。

4 結(jié)論

提出的板材自動(dòng)套料解決方案,利用SPD系統(tǒng)進(jìn)行了功能模塊的開(kāi)發(fā),突破了SPD系統(tǒng)不能自動(dòng)套料的限制。同時(shí)該軟件可實(shí)現(xiàn)套料模型的管理、不同應(yīng)用場(chǎng)景以及需求下的自動(dòng)套料,并支持交互操作,也可生成SPD格式的套料文件,實(shí)現(xiàn)與SPD交互套料模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。通過(guò)與CADWIN軟件進(jìn)行應(yīng)用對(duì)比,本功能套料效率及板材利用率與其接近,而基于單一數(shù)據(jù)源的解決方案可有效避免異構(gòu)軟件間模型傳遞所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了套料軟件的自主可控。

優(yōu)化排樣問(wèn)題是非常復(fù)雜的問(wèn)題,從計(jì)算復(fù)雜性看,屬于NP-完備問(wèn)題。后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化套料算法提高板材利用率以及套料的排樣方式,提供更多的配置選項(xiàng),優(yōu)化界面業(yè)務(wù)流程,提供更多方便簡(jiǎn)潔人性化的交互操作。該軟件將繼續(xù)研發(fā)新功能如自動(dòng)生成引割線(xiàn),提供更加優(yōu)良的自動(dòng)套料解決方案。