钢板数控切割排序优化研究与应用

钢板数控切割排序优化研究与应用

袁美

上海振华重工(集团)股份有限公司       邮编：201913

摘要：从钢板数控切割排程问题在实际生产中的应用出发，提出了钢板切割排程优化问题是生产调度在实际生产领域的新问题，针对当前制造业钢结构件加工厂的信息化和智能化程度较低的特点，指出了研究钢板切割排程优化问题研究的原因。

关键词：钢板切割；排序优化；信息化

引言

在钢构件制造厂商中，多数调度依然由人工经验或使用简单软件来完成。在整个加工生产业务流程中，采用传统生产调度所消耗的时间和成本是巨大的。因此优化数控切割下料的业务流程的各个环节，包括生产计划制定、按零件和板材需求生成排样方案、数控切割加工、零件的加工和生产装配、产品交付等。

在接到订单并将其中的零件汇总并形成排样图之后，接下来就要按照排样图内的零件数量和所属板材等信息，结合切割机的型号、数量和工作情况，来制定板材在满足其加工约束的切割设备上切割加工的排程操作。钢板的切割排程，就是确定零件所排的钢板在切割加工中的设备分配以及在各切割机上进行切割加工的顺序，并优化切割工序的完工时间。不同的设备切割能力不一样，适用的板材种类也不一样；在数控切割加工中，等离子切割机，火焰切割机和激光切割机等所适用的板材厚度有差异，因此在分配切割任务的环节做到信息化和智能化对整个切割下料流程的顺利运行有着积极的影响，可以减少生产调整时间，提高生产效率并节约生产成本。

对切割工序进行排程的原因是，排程不仅能够得到优化的切割排序，明确具体设备的操作时间给底层车间等，还能够保证产品在交货期内完工，在不延期交货的前提下合理分配设备资源，提高切割机的利用率。

钢板在切割机上的排程问题与上文中介绍的并行机调度（PMS）问题类似，但在对并行机调度问题的众多研究中，单独就钢板切割排程优化问题进行的研究数量相对少且没有特别深入的研究。本文的钢板切割排程优化问题和并行机调度问题的不同点有以下几个方面：切割排程问题中要求每张待加工板材上需有具体的零件排样，在排样方案确定之后可确定每张板材上的切割加工信息，有了每张钢板上准确的加工信息后，才能依照加工信息进行切割排程优化。同时，由于排样方案需要节省原材料提高板材利用率的原因，每个订单中的零件往往会被排在不同的钢板上。因此本文在切割排程优化过程中，将每张钢板看作为工件，借鉴并行机调度问题的优化研究，以生产成本、库存成本和延期交货成本等影响因素为目标展开对钢板切割的排程优化。

1国内外研究现状

1.1现有数控切割技术导致的问题分析

国内经济状况的发展伴随的是钢铁产业规模以及产量的不断提升，钢铁的需求呈现逐年上升的趋势，国内对数控切割钢板技术的研究成本不断增加，且不断应用到各个领域之中，在钢铁的加工生产过程中，因为多种因素的影响，导致钢铁在加工过程中的利用率较低，无法达到预计的标准数值，因此会导致铸坯的质量以及使用效能变低。其次专业化人员的不足，加上操作熟练度和经验的不足，严重影响着钢板加工的利用率以及成本值，最终生产钢铁的产量和所获的经济效益也会被影响。因此提高数控切割钢板利用率和提高切割效率，是企业降本增效、提高竞争力的重要手段。

图1 数控切割现场

1.2排程问题的研究现状概述

生产排程问题，其概念是在制造系统中存在着有限个可加工设备的设备集，以及此设备集中的设备对制造系统中各待生产部件的单件加工时间，在这两个条件给定的情况下，对此系统中的具有特定制造工艺约束的一批待加工部件在给定设备集的设备中给出工件加工时间顺序和加工部件所用的机器分配，从而达到制造系统所要求达到的排程目标的问题。

通常情况下排程问题也可以称为作业计划或生产调度问题，即对一个可用的加工设备集，在时间上把有限的资源分配给需要进行加工的若干任务，并通过这样的分配在能够满足问题约束条件的前提下，达到满足或优化一个性能指标集的目的。排程问题也可以表达为数学形式，即在使用若干等式和不等式所表达的约束条件下，对目标函数的解进行优化的模型。在复杂的制造系统中，排程也是通过实现提高生产效率、柔性和可靠性的关键。能否制定良好的排程方案关系到企业的资源是否被合理利用，进而降低生产成本并给企业带来巨大的经济效益。在企业的生产运营中，若采取高效快速的优化调度方案则能在提高生产设备的利用率和降低成本的同时依然在交货期之前交货，从而最大化企业现有生产能力下的盈利能力并维护企业信誉。在全球市场竞争环境越加激烈的环境下，来自全球客户的需求比以往更加多样化，因此企业生产系统的柔性和在有限生产资源下的盈利能力收到了更大的挑战，因此作为制造系统中最关键的环节之一的调度问题在新环境下越来越受到多方广泛重视。

生产排程是企业生产管理中的关键环节，从生产计划控制的角度看，生产排程是一个在制造系统中起到承上启下的将作业任务进行具体化和精细化的过程。即负责生产计划职能部门将其所拟定的生产计划下达给加工车间时，根据此系统所制造产品的工艺流程，进行对系统内可用的加工资源的合理调度，以期在有限的加工设备上，实现用较低成本或较短时间完成加工任务。一般的调度问题都包含三个基本的要素：待完成的任务、可使用的资源和需要满足的性能指标。生产调度的具体操作内容是在空间和时间两个维度上通过一系列方法确定每道生产加工工序所占用的资源和时间，通过确定在满足某些约束条件下的制造活动的先后顺序或加工路径来提高制造系统的某些性能指标，如前文提到的产品制造时间和成本的控制等。调度问题在编制作业计划、交通运输、企业管理等各个领域都有着广泛的应用。在实际生产中，凡是有系统中有一定数量任务的加工或操作，则一定存在与之相对应的排程问题，因此有些情况下调度问题也被称作是排序问题或者资源分配问题。

2钢板数控切割排程优化问题建模与分析

2.1切割排程优化问题类型的描述及问题分析

钢板数控切割排程优化问题属于并行机调度（ParallelMachineShop，PMS）问题中的一种，并行机调度优化问题指n个工件在m台机器上的加工过程，问题中每个工件只有一道工序。在并行机调度问题中，调度解主要考虑各个工件在满足加工约束的设备上的分配及加工排序问题，并要对同一台机器上所加工的工件进行合理的排序以达到优化目标。即如何将n个工件合理分配到m台机器上加工，以最少完工时间为优化目标。

2.2切割排程优化问题的计算复杂性

按照计算复杂性理论和研究问题求解的难易程度，可以把问题分为P、NP和NP完全（NP-C）类。P类（Polynomial）问题指的是具有多项式时间求解算法的问题类。但至今仍有许多优化问题没有找到能够求得最优解的多项式时间算法，这种比P类问题更广泛的问题为非多项式确定问题（Non-DeterministicPolynomial），此类问题指是对应一个非确定型的计算模型，且这类问题的计算方式可以使用多项式时间算法进行求解，即NP问题。NP完全（NPComplete，NPC）问题，前面介绍的NP问题中，若某NP问题中其中一个问题可以在多项式时间内计算，那么可知此类问题全部都可以在多项式内计算；若此类问题中任意一个问题不满足此条件，则不能在多项式时间内计算。有判定问题A属于NP完全类（NP-complete），若如果NP类问题中的任何一个问题都可以多项式时间规约到某个问题，则此问题就称为NP−hard问题。由以上定义和前文可知，本文研究的钢板数控切割排程优化问题属于NP-C（NP完全）问题，此类问题的求解非常困难，因此若要对问题进行有效计算并求解，必须结合这一类问题的结构特点提出有效的优化方法。根据前文的叙述，钢板数控切割排程问题是属于并行机调度问题的一种，因此，并行机调度问题的求解思路是钢板数控切割排程优化问题求解的理论基础，在本文研究所问题中，对并行机问题的求解方法有着很大的参考意义。

3.改进措施

3.1传统数控下料过程中材料过度浪费

传统数控下料切割方式是在钢板初始点上直接预热穿孔，再按照图形进行切割。当切割第二件料时，在二次起始点进行二次预热穿孔，然后切割，如此往复循环。按照传统方式切割的缺点在于，矩形件，尤其是批量件，材料没有得到充分利用，造成了不必要的浪费。为更好地解决上述问题，我公司结合现有设备激光/火焰/等离子切割机控制系统，购买了sinoCAM 共边套料软件，将传统切割方式改进为共边切割方式，即矩形零件由原来切割多条边到现在只需切割三条边甚至是两条边，并同时使用边缘预热切割的方式减少预热穿孔.而且sinoCAM 软件利用硬件资源进行迭代计算，可以自己控制套料时间和套料利用率，支持产生智能产线所需信息。包括套料图、分拣重心位置点、自动分拣数据等信息。

3.2数控切割批量矩形有孔件

在软件编程中，命令M07（预热穿孔固定循环）为编程软件默认的穿孔命令，此命令在编程软件中无法进行修改、拆解。对于火焰切割来说，钢板预热穿孔的时间与钢板的厚度成正比，而编程软件中命令M07无法控制不同厚度钢板预热穿孔的时间。但对于一般数控机床来说，命令M07均可以单独设置预热时间，预热时间一旦被设定，同时也随之被固定，直至再次设置命令M07时预热时间才可以被调整。此种方式增加了操作者的工作量，同时阻断了工作的连续性。以火焰切割20mm厚的钢板为：3件工件，第一处穿孔命令为M07，机床上预热时间设定为80s；第二处及以后的穿孔命令仍为M07，但公共边的切割方式使边缘预热代替预热穿孔，且边缘预热的时间仅为5s。此时便可以更改机床上M07的预热时间为5s，此种方式在批量矩形切割时只需两次更改机床的命令。对于3件工件，每件零件需要两次穿孔，从第二件零件至以后零件的穿孔形式完全相同，即：除第一件零件的外框需要预热穿孔，其余外框均改为边缘预热。因预热穿孔与边缘预热同为命令M07，若均在机床上修改M07预热时间，则需要对每次的预热时间进行修改。此种方式大大制约了工作效率，且随着边缘预热时间的不同，批量矩形切割的质量及其外观也会存在差异，势必促使取消公共边切割。针对命令M07存在的缺陷，为最大限度地降低操作者的工作量及提升工作的连贯性，我公司利用相对坐标编程环境，对第二件图形命令进行了单独提出、编辑，将其中边缘预热命令M07进行分解、替换为：（1）M71割枪降固定循环（受“控制”界面的时间控制）（2）M24开预热氧阀开关G04L5程序延时5s（3）M70割枪上升固定循环（受“控制”界面的时间控制）（4）M12开切割氧阀开关（5）M71割枪降固定循环（受“控制”界面的时间控制）经过上述调整后，边缘切割时间受程序命令控制，命令M07预热穿孔时间则受机床时间控制，并以第二件零件程序为集合循环，用于后续件程序的承接。如此分解、替换之后，编程得到优化，大大降低了工作量，也极大地提升了工作的连贯性，同时也解决了批量矩形有孔的公共边下料问题。

3.3系统实现

切割工序是对钢板进行的第一道工序，因此本系统仅需关注从切割加工开始的相关信息，输出合理排程方案指导生产。

钢板数控切割排程软件是运用C语言开发的排程优化系统，主要有生产管理、设备管理和排程管理三大部分。在排程模块采用混合编程的方式，将Matlab编写的算法利用mcc命令进行编译，输出.dll文件，在C中调用加入该文件以实现排程模块对切割工序的排程功能。

此系统的典型流程是待板材数据输出到板材管理模块经过确认后，在切割信息中导出下料零件，进入排样管理模块，等待排样完成后，将排样方案输出至排程模块，排程模块根据板材、设备和排样方案进行排程。

图2 数控切割机控制器

3.4排程管理模块

从套料编程模块中所导出的排样图和其他模块中提供的各方面的加工信息一起，集中在排程管理模块查看。此模块还提供切割机设备管理等功能。在获得了板材信息、零件信息、下料信息和排样图后，可以在此模块内选择切割机，设定完工期，软件将执行本文中的算法对切割加工进行排程。

结束语

在我国经济发展新形势下，各产业都加快了转变经济发展方式的脚步，作为国家战略重要组成部分的制造业的发展受到越来越多的重视。提高钢材生产加工效率和质量，并在大型工程中节省大量成本，具有重要的现实意义。针对目前国内多数钢结构加工企业切割排程的自动化和信息化程度较低等关键问题，本文对钢板切割排程的优化方法进行了研究，并应用于指导实际生产。

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