基于SPD系統的板材自動套料軟件研發與實現

許蓉,王素清,張玉超,劉虓

(1.滬東中華造船(集團)有限公司-上海東欣軟件工程有限公司 設計軟件部,上海 202206;2.華南理工大學 土木與交通學院,廣州 510640)

舶制造過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,套料問題是板材上小零件的二維布局問題,也稱為排樣問題。目前主流的套料方法是基于相關的自動套料軟件,如CADWIN、SigamaNest、Alma等,利用其部分自動套料功能并結合一定的手工方式進行調整,實現半自動套料。這種方式需要將設計模型傳遞至套料軟件,難以避免零件數據丟失及零件坡口信息錯漏等問題,同時若發生設計變更則需要重新進行數據轉化,導致大量的重復作業。為此,考慮基于國產船舶三維設計軟件SPD系統,采用基于最小勢能原理的啟發式算法(heuristic algorithm based on the principle of minimum total potential energy,HAPE)的二維不規則零件排樣算法[1]開展板材的自動排樣分析,實現基于設計模型的板材快速高效套料,提升板材利用率,實現設計平臺與套料功能的無縫集成及自動套料軟件的自主可控。

1 SPD板材自動套料軟件架構及交互流程設計

板材自動套料軟件依托于國產船舶三維設計軟件SPD系統,其軟件架構見圖1。

圖1 自動套料軟件架構

板材自動套料系統開發主要包括:自動套料圖形平臺構建、自動套料數據模型管理、自動套料布局模型構建、自動排樣算法等方面[2]。其中自動套料數據模型包括板零件模型、整料模型、余料,以及用于自動套料交互的布局模型。

1.1 板材自動套料圖形平臺構建

板材自動套料圖形平臺構建涉及的主要關鍵點包括初始化圖形平臺構建、自動套料臨時圖冊創建及自動套料圖形信息保存。通過讀取已有的套料模型數據,并將其保存在臨時圖冊中,系統可基于最后一次保存的視區位置進行初始化,套料環境的初始化流程見圖2。

圖2 套料環境初始化

1.2 板材自動套料數據模型管理技術關鍵點

1)套料零件建模技術,通過讀取結構庫及外部零件庫相關信息,在此基礎上通過轉換實現零件圖形數據的創建。

2)基于鋼材預估單的整板建模技術,通過讀取板材庫獲取整板信息,在此基礎上結合鋼板屬性實現自動套料整板模型的創建。

3)余料建模,通過讀取余料庫獲取余料信息,結合余料屬性創建余料圖形數據。

1.3 自動套料布局模型

自動套料布局是根據材質、板厚等屬性的差異,將零件、板材及余料等信息分類顯示在相應的布局上,此時生成的模型稱之為布局模型。每個零件被分配放置于對應的零件區域,而整料和余料等信息則放置于對應的套料板區域,此時可實現零件、整板和余料模型的實時同步更新[3]。布局模型的創建流程見圖3。

圖3 布局模型創建流程

1.4 板材自動排樣算法要點

板材零件套料是一種2-D布局問題,實質是將若干個不同形狀的零件,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進行板材自動排樣,實現預套料、實套料、局部零件壓縮/擴展、局部預套/實套。

零件在排樣過程中盡可能通過平移或旋轉使其形心高度降低[5],即零件通過平移和旋轉運動確保其重心高度盡可能的降低,從而實現更緊密的排列,算法流程見圖4。

圖4 單零件HAPE算法實現流程

1)PPN(Packing Point Number)為排樣點個數,(x[j],y[j])為第j個排樣點的坐標(j=1,2,…,PPN)。

2)零件旋轉操作Part[i].Rotate(),其本質是將多邊形頂點基于參考點(xr,yr)進行旋轉操作,如下式:

(1)

式中:xm、ym為零件頂點m的坐標(m=1,2,…,n,n為零件頂點個數);xr、yr為零件參考點坐標。

3)CalculateCenter_X(Part [i])是計算零件形心坐標x的函數,零件形心水平坐標為

(2)

式中:xi,yi為頂點i的坐標。

2 SPD自動套料軟件功能模塊研發

2.1 套料環境初始化

套料環境初始化主要包含清空數據、更新模型、核對板材布局、保存當前視區,可實現對模型的數據管理。

2.2 套料數據建模功能

套料數據模型包括零件模型、整板模型及余料模型。其中零件模型是用于自動套料模型文件的對象,整板模型和余料模型分別是預套料和實套料的結果對象。套料數據建模功能可讀取船體建造系統數據庫,根據一定轉換規則進行數據轉換。此時若SPD船體結構模型發生變更,通過刷新功能可實現套料模型的同步變更,同時保持其圖形位置和旋轉姿態,確保數據的聯通以及實時更新。

2.3 自動套料功能

SPD板材自動套料功能主要有自動套料(預估板)、自動套料(導入板)、自動壓縮、自動擴展、局部自動套料(預估板)、局部套料(導入板)等方面。其中對于首制船而言,前期鋼材預估的準確性對于訂貨至關重要,因此自動套料功能中的預套功能對于鋼板的統計以及板規的調整非常方便[6]。配置功能用于對自動套料進行算法條件配置,為用戶提供了豐富的配置項。

基礎配置用于配置自動套料算法時零件擺放方式,以達到利用率高、切割工藝實用的零件擺放結果,板規配置用于配置套料板的生成方式,可根據標準板規與步長等進行預套料,也可根據實際板規(整料和余料)進行實套料[7]。

程序根據用戶自定義的配置信息進行套料,套料完成后顯示在自動套料圖形平臺中,用戶可在圖形平臺中對套料結果交互操作進行調整。套料結果見圖5。

圖5 套料板展示

2.4 套料信息提取功能

自動套料完成后,可利用套料信息提取功能讀取套料板模型,用戶選擇需要待提取的套料板模型,可實現套料板模型數據和零件模型數據提取,并生成交互套料數據文件(NE**.dat),將該文件導入SPD交互套料模塊,可對套料結果進行交互套料、引割線添加、切割指令生成、套料圖生成等業務工作。

3 板材自動套料結果對比

將SPD板材自動套料模塊與CADWIN自動套料軟件進行板材套料結果對比,驗證該模塊的合理性和有效性。

首先利用CADWIN自動套料軟件導入SPD系統生成套料圖與切割指令。采用CADWIN自動套料,需將SPD系統的零件庫通過接口轉化為CADWIN接收的格式,即dxf文件,隨后進行CADWIN自動套料,完成后需將套料結果再轉化成SPD的套料文件格式,進行后續的套料出圖即切割指令生成。

利用SPD與CADWIN對某一在建工程12個分段進行自動套料,對比同一規格零件集合的套料結果。條材零件的CADWIN與SPD套料結果對比見圖6,其中圖6a)為條材零件在CADWIN自動套料軟件中的套料結果案例,圖6b)為條材零件在SPD自動套料軟件中的套料結果案例?？梢妰烧邔τ跅l材零件的排列方式基本保持一致。

圖6 條材零件CADWIN與SPD自動套料結果對比

T型材腹板零件CADWIN與SPD自動套料結果對比見圖7,其中圖7a)為型材腹板零件在CADWIN自動套料軟件中的套料結果案例,圖7b)為型材腹板零件在SPD自動套料軟件中自動套料結果案例,結果可見兩者整齊度以及緊密度基本保持一致,區別在于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自動套料結果對比

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

圖8 不同零件集合自動套料結果對比

某工程12個分段套料結果按照套料板樹、利用率、套料時間對比見表1。

表1 CADWIN自動套料與SPD自動套料對比

通過上述12個分段的結果對比可以看到,兩者的套料排樣方式存在差異,排樣結果涉及的板規也有所不同,本功能使用的板材數量少于CADWIN,而板規則會稍大,但是兩者在排樣效果整齊度、板材利用率以及套料耗時方面基本一致。而相較于CADWIN,本功能具有如下優勢。

1)基于SPD軟件單一數據模型直接生成切割指令,不存在數據差異的問題。

2)零件修改信息自動同步至SPD。

3)自動套料完成后不需要進行二次調整坡口信息。

4 結論

提出的板材自動套料解決方案,利用SPD系統進行了功能模塊的開發,突破了SPD系統不能自動套料的限制。同時該軟件可實現套料模型的管理、不同應用場景以及需求下的自動套料,并支持交互操作,也可生成SPD格式的套料文件,實現與SPD交互套料模塊進行數據傳遞。通過與CADWIN軟件進行應用對比,本功能套料效率及板材利用率與其接近,而基于單一數據源的解決方案可有效避免異構軟件間模型傳遞所導致的數據丟失問題,同時實現了套料軟件的自主可控。

優化排樣問題是非常復雜的問題,從計算復雜性看,屬于NP-完備問題。后續將繼續優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,優化界面業務流程,提供更多方便簡潔人性化的交互操作。該軟件將繼續研發新功能如自動生成引割線,提供更加優良的自動套料解決方案。