基于數字化、模數化的PC構件組合模具制作技術分析

劉雙飛 （安徽水利開發有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 前言

傳統預制構件生產，因PC 構件種類多樣、形狀復雜，不同工程中PC 構件的拆分和設計尚無成熟的統一標準，導致模具適用工程單一、周轉次數少、損耗嚴重，不能達到單一模具多次使用的目的，是預制構件生產成本居高不下的重要原因[1-2]。為實現預制構件預制生產向自動化、智能化生產轉變，亟需改變傳統的模具制作工藝[3]。李合光等[4]采用拼塊式通用模具，實現模具批量化生產、標準化組裝，提高模具生產速度，降低預制構件生產成本。陳金濤[5]研究發現模塊化設計、組合設計可以有效提高模具的通用性和適用性。學者們從問題出發，提出了降低模具成本的設計理念，但并未建立有效的模具設計體系，也未通過生產進行相關檢驗，無法進行推廣應用。

因此，針對不同種類、類型、規格尺寸預制構件，某公司積極探索可以減少構件種類、降低制造成本的設計方案，配套設計對應的構件模具，建立預制構件數字模具庫，提供預制構件模具設計解決方案。配套模具設計可直接調用數字模具庫中的加工圖紙進行設計并優化，導入PC 智慧工廠管理系統形成模具數字化加工數據。模具生產線配備智能化設備，配套PC智慧工廠管理系統實現設備單機智能控制、多機協調聯動控制，實現模具的標準化、數字化、自動化、高效化加工。

2 基于數字化、模數化的PC構件組合模具制作技術優勢

2.1 運用智慧工廠管理系統，提高生產管理效率

應用裝配式智能建造PC 智慧工廠管理系統，集成信息化、數字化、BIM 和物聯網技術，打通裝配式項目的設計、生產、物流等階段信息共享，實現多部門全流程的高效協同和生產可視化管理，有效提高生產管理效率，降低生產成本。

2.2 建立預制構件數字模具庫，提供模具標準化設計解決方案

利用BIM 軟件對預制構件模具進行方案設計，對存在的問題，從源頭出發，優化模具結構和生產工藝，實現各類預制構件模具型式設計。通過多個項目的生產應用，形成多方案的模具設計體系，建立獨有的數字模具庫，為后續項目開展提供模具標準化設計方案，并在后續應用中不斷豐富和發展數字模具庫。

2.3 采用智能化生產設備，大幅減少人工數量

模具生產線配備智能化設備，配套PC 智慧工廠管理系統，實現設備單機智能控制、多機協調聯動控制，自動完成構件切割、搬運、焊接、劃線組模等核心工序，實現模具的標準化、數字化、自動化、高效化加工，自動化、智能化程度明顯提升，大幅減少人工數量，降低勞動強度，提高了模具精度和質量，實現預制構件生產的降本增效。

2.4 采用數字化、模數化的PC構件組合模具，降低模具攤銷成本

采用數字化、模數化組合模具，縮短模具設計、加工時間，縮短總工期，降低勞動強度，消除安全隱患，提高生產效率。模具設計、加工、生產使用更加快速、便捷，鋼材損耗降低，模具周轉率提高，攤銷成本降低，模具綜合使用成本降低，充分發揮裝配式建筑的技術優勢。

3 工藝流程

3.1 施工工藝流程

基于數字化、模數化的PC 構件組合模具制作工藝流程如圖1。

圖1 施工工藝流程圖

3.2 操作要點

3.2.1 施工準備

項目中標后，設計人員對圖紙進行分析，按照設計規范標準、甲方、設計院的要求進行拆分方案的設計，運用PC智慧工廠管理系統中設計模塊的BIMBase 軟件對圖紙進行BIM 三維建模，通過三維模型對預制構件拆分方案、鋼筋和預埋件定位進行優化設計，避免管線、預埋件、工裝碰撞，同時考慮建筑、結構、生產、運輸、吊裝、施工等各環節的綜合影響。拆分方案應滿足規范、標準、設計等要求，同時便于生產與安裝，臺班工作效率高，有效降低開模和生產成本等。圖紙深化設計文件完成校核后，應經原設計單位簽章認可。將已簽認的圖紙輸入PC智慧工廠管理系統，以智能化系統對生產全過程進行管控。深化設計人員在生產前對預制構件施工預留和預埋進行圖紙交底。

3.2.2 模具設計

①模具設計方案優選

模具設計人員通過PC 智慧工廠管理系統對接設計數據，初步分析預制構件類型、種類、數量、預埋布置等情況，確定初步設計方案。通過PC 智慧工廠管理系統—專用模具管理板塊—數字模具庫進行模具設計方案經濟性、便利性、通用性等方面的比較，優選模具設計方案。

②組合式模具設計、優化

分析預制構件，深化設計圖紙，配套模具設計可直接調用數字模具庫中的加工圖紙進行設計并優化，完成該項目模具設計。當數字模具庫中未建立相應的模具設計方案時，利用BIM 軟件對預制構件模具進行設計，對存在的問題，從源頭出發，優化模具結構和生產工藝，對具體設計圖紙進行模具設計優化，形成模具加工圖紙，并將該方案導入數字模具庫，不斷豐富和發展數字模具庫。將模具圖紙轉化導入PC 智慧工廠管理系統形成模具數字化加工數據，對生產全過程進行管控。

3.2.3 形成數字化加工數據

模具圖紙轉化導入PC 智慧工廠管理系統形成模具數字化加工數據后，根據不同構件種類建立不同任務、進程的命令，利用PC智慧工廠管理系統的設備單機智能控制、多機協調聯動控制等功能控制數字化加工數據分時、分段地分配至智能化光纖激光切割機、智能化光纖激光切管機、機械切斷機、套絲機、數控液壓閘式剪板機、電液伺服數控折彎機等智能化設備，實現進程的智能化控制，流程管控更加高效。

3.2.4 自動化切割下料

模具加工前應先進行技術交底。交底后，模具制作人員按照組合模具設計方案和模具加工排產計劃，同上節一樣利用PC智慧工廠管理系統進行操作。

切割下料工作開始前，操作人員進入智能化光纖激光切割機、智能化光纖激光切管機的操作系統，接收PC智慧工廠管理系統發送的數字化加工數據，按照加工數據編寫加工程序。板材切割下料時，工作人員首先核準加工程序、板材信息、工藝參數關聯文件、加工數量等信息，利用設備“自動尋邊”功能完成機床的坐標系旋轉，保證切割方向與板材的直邊方向平行，選擇“自動模式”，完成板材自動切割下料。管材下料時，工作人員首先核準加工程序、管材信息、工藝參數關聯文件、加工數量等信息，檢查無誤后，選擇“自動模式”，完成板材自動切割下料。

3.2.5 數控彎折、高效焊接

①數控彎折

針對部分需要彎折模具構件部品如企口等，采用電液伺服數控折彎機進行板材彎折處理。操作人員進入電液伺服數控折彎機操作系統，接收PC智慧工廠管理系統發送的需要彎折構件的數字化加工數據，根據模具構件的材質、厚度、長度和所需形成的形狀和角度等信息，配以不同高度、形狀、V 幅大小的上下模以及特殊形狀的異形模具。工作人員按照加工數據編寫程序、設定相應參數進行模具構件彎折作業。

②高效焊接

車間配備智能焊接機器人，同時定制配套夾具，可大幅面空間焊接，機器人智能化操作，靈活可靠，六軸聯動，可任意空間焊接，不局限于平面焊接，焊接更加高效便利，可實現雙工位或多工位焊接操作，節省產品安裝夾具時間。焊縫表面較為平整、美觀，焊接質量好。焊接前，操作人員根據焊接構件種類選擇不同夾具，將模具構件拼裝成形，然后進行焊接工作。智能焊接機器人采用自動尋邊、自動掃描、自動編程、焊縫跟蹤等技術，以3D 視覺識別和測量為核心手段，可智能識別作業對象及結構特征對象，快速生成自動化焊接任務，自主規劃作業路徑與焊接工藝，通過傳感器測量焊縫偏移，避免因工件位置偏差造成焊接缺陷，提高生產效率及產品質量，跟蹤精度可達0.1～0.3mm，操作人員無需專業焊接能力及編程知識就可直接上手，節省高達60%的時間和75%的成本，大大減輕焊工工作負擔，提高生產效率。

3.2.6 試拼裝組模

模具加工完成后，重點檢查模具的尺寸及各面的垂直度和平整度，其質量應滿足設計和規范的要求。檢查無誤后，在模具生產線進行試拼裝組模，重點檢查模具的開槽、開孔、整體性、可操作性等相關性能參數，拼裝組模后進入下一工序。

3.2.7 模具上線

使用自動擺模設備將各部件模具擺放至模臺，進行劃線組模作業，PC 智慧工廠管理系統控制模臺清掃機，實現模臺自動化快速清理，必要時進行人工補充清理。模具清理干凈后進行劃線、布模，劃線機接收系統構件幾何形狀數據，自動繪制構件、門、窗等輪廓線和預埋件位置線，布模機器人根據布模信息，自動取模、布模，按照設計要求依次進行拼裝，模具拼接處應拼接嚴密、無間隙，以免漏漿。先將一側模具與模臺固定，再將其他模具與其連接，確保模具節點連接牢固。若沒有與模臺固定的模具則用磁盒固定，每側不得少于兩個磁盒，拼裝完成后應進行質檢，其模具尺寸及允許偏差需滿足國家規范及設計圖紙的要求。

4 應用實例與經濟效益分析

以印山樾項目和蚌埠市公安局“三個基地”項目為例，將PC 構件組合模具制作技術與傳統模具制作方法進行經濟性比較。

由表1 可知，印山樾項目采用PC 構件組合模具制作技術比傳統方法節省成本9.84%，工期加快6 天，直接成本降低4.699 萬元；由表2 可知，蚌埠市公安局“三個基地”項目采用PC 構件組合模具制作技術比傳統方法節省成本12.27%，工期加快7 天，直接成本降低2.944 萬元。

表1 印山樾項目效益分析

表2 三個基地項目

兩個項目共有預制構件5300m3，基于數字化、模數化的PC構件組合模具制作技術比傳統施工方法降低成本7.643萬元，平均降低14.42 元/m3，以年產量10 萬m3PC 構件裝配式建筑生產企業為例，測算年均效益為144.28 萬元。隨著智能化模具加工設備的運行，年均效益會進一步提升。

5 結束語

本文利用裝配式智能建造PC 智慧工廠管理系統開展基于數字化、模數化的PC 構件組合模具制作技術研究。運用PC 智慧工廠管理系統設計模塊的BIMBase 軟件完成預制構件深化設計，構建數字模具庫并優選模具設計方案，進行模具設計優化，形成模具加工圖紙。模具圖紙轉化導入PC 智慧工廠管理系統形成模具數字化加工數據，根據不同任務、進程利用PC智慧工廠管理系統的設備單機智能控制、多機協調聯動控制等功能控制數字化加工數據分時、分段的分配至車間智能化設備，通過“無人”切割下料、機器人高效焊接、自動尋邊、離線編程、焊縫跟蹤等技術應用，自動完成構件切割、搬運、焊接、劃線組模等核心工序，實現模具的標準化、數字化、自動化、高效化加工。