转型升级：切割车间数字化与信息化

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：作为焊接制造的重要组成部分，材料的切割加工是数字化技术较早成功应用的领域。提高企业的信息化管理水平，缩短产品交货期，从功能上是介于ERP/MRP企业外部资源管理和数控切割设备之间的车间级生产管理信息化系统，为ERP的实施奠定了坚实的数字化基础，是切割车间数字化构成的重要组成部分。

在压力容器、钢结构、船舶制造等生产中，钢板或零部件及其坡口的加工量非常大，下料与切割工艺复杂，传统的数控坡口切割机依靠手工编程，其生产效率低，不能满足大量焊接坡口的切割生产要求。因此，需要在计算机上对各种焊接坡口进行自动编程和套料，在数控坡口切割机上进行焊接坡口的全时、自动和高效的切割加工。作为焊接制造的重要组成部分，材料的切割加工是数字化技术较早成功应用的领域。

自动套料软件是针对工程下料而设计的计算机辅助排样（CAN—Computer Aided Nesting）优化系统，是计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术的重要分支之一。它利用数学建模方法及启发式算法求解排样问题，能在几分钟甚至几秒钟内完成零件优化排样以及切割效率和工艺的优化，可最大限度地提高板料利用率（见图12-12）。目前在焊接制造中应用较多的自动套料软件有FastCAM、IBE（德国）、SigmaNEST（美国）以及国产的CutLeader、SmartNest、AutoCut等。其中，FastCAM在国内具有较大的市场应用率，在开发创新的坡口切割制造装备和信息化管理系统，实现智能切割和智慧工厂等方面具有行业引领特色。

当前的FastCAM套料软件模块包括：FastCAM绘图模块、FastNEST套料模块、FastPATH编程模块和FastPLOT校验模块，主要功能涵盖了CAD画图、DXF/DWG优化处理、交互式套料、自动编程，以及切割模拟校验和成本计算，在FastPATH自动编程和FastNEST自动套料模块中增加了全自动共边套料和桥接连割套料方式，以有效提高数控切割效率。FastCAM套料软件适用于各种火焰、等离子、激光和水射流等数控切割机，支持BURNY、EDGE、HYPERTHERM、LYNX、FastCNC、ANCA、NUM、FAGOR、SIEMENS、SYSTEM32、PDF32在内的近40种数控系统，以及ESAB、MESSER、CIGWELD、FARLEY、KOIKE、TANAKA、FLOW、3000 GROUP等世界著名数控切割机。该软件的特色表现在：

1）该软件专门开发有CAD提取和打散排序功能，在设计图样中，可以方便快捷地任意提取其中的零件图形，保存为DXF/DWG/CAM文件，或是使用自动打散排序功能，把所有零件图打散，并按顺序排列保存下来。然后，对提取和排序好的零件图，使用FastCAM软件提供的CAD清除压缩拟合功能，清除零件图中不适合数控切割的多余的点、重叠的线，压缩拟合小线段实体曲线，封闭零件图，为后续的数控编程、套料和切割做好准备。最后，把使用FastCAM软件优化处理好的DXF/DWG/CAM零件图在FastNEST套料软件中快速进行自动与手动交互式套料和自动编程，快速生成NC切割文件，进行数控切割。

图12-12 计算机辅助排样

2）FastCAM套料软件能自动识别零件的切割层、喷粉划线层、文字标注层，直接转换输出为各种数控切割机可以接受的NC切割代码或切割程序。使用该套料软件进行套料编程，除了套料率高，套料速度快，更重要的是通过高效切割编程，实现零件间的共边、借边、桥接等功能，可以有效减少预热穿孔，提高切割效率。适合于所有数控火焰和等离子弧切割机，可以有效减少预热穿孔70%以上，每年节省割嘴，特别是等离子割嘴以及切割氧等耗材50%，同时有效提高切割效率。

3）可以同时对带坡口和不带坡口的零件进行混合套料，坡口类型从简单的一次切割成形的V形通用坡口，到复杂的需要进行二次和三次切割成形的X、Y、K形坡口，不必在数控坡口切割机的数控系统上进行手工坡口编程，从而有效地提高了数控坡口切割机的切割效率。

4）FastMES敏捷制造执行系统，使企业建立起从生产设计、生产准备、编程套料、数控切割到钢材存储自动集成起来的多用户自动化下料生产数据管理系统。该系统根据制造企业的生产流程和部门设置，将技术设计、生产计划、生产准备、切割生产、钢材存储等多个部门，通过FastMES敏捷制造执行系统有机地连接起来，为相应的技术、生产和职能管理部门提供了相应的管理模块和手段。主要由切割零件图形数据库、部件组件数据库、生产计划列表、套料切割数据库、钢材管理数据库，以及FastCAM绘图软件、FastCAM套料软件、零件切割列表、板材切割列表等一系列生产管理列表报表组成。

FastMES制造执行系统是围绕钢材仓储管理、钢材采购预算、编程套料、剩余钢材管理、数控切割生产管理，基于数据库系统，结合条码管理、互联网应用，建立起钢材物流与切割生产管理的信息化系统。从而将企业技术部、采购预算部、钢材仓储部、套料部和生产部统一建立在数据库与信息化管理平台上，实现无纸化数据共享，切割生产环节的信息化，钢材仓储管理的立体可视化，剩余钢材的有效管理和再利用。提高企业的信息化管理水平，缩短产品交货期，从功能上是介于ERP/MRP企业外部资源管理和数控切割设备之间的车间级生产管理信息化系统，为ERP的实施奠定了坚实的数字化基础，是切割车间数字化构成的重要组成部分。

FastCAM切割套料软件与先进的切割电源和多轴联动数控机构相结合，衍生了一批系列专用软件和硬件产品，如平板坡口编程套料软件、管子相贯线和管架钢结构切割制造软件、管子和平板五轴联动数控系统和坡口切割装置等。图12-13是采用第三代等离子电源，对K形内角坡口和外角坡口三次连续切割，实现坡口切割系统技术集成的一个例子，解决了坡口数控切割中的三大技术难题，即K形坡口的精准切割、内角坡口的切割、坡口拐角处切割不带鼠耳，解决了坡口零件的套料问题，使坡口零件的整板套料、切割成为可能，同时也促进了切割装备在数字化、智能化方面的发展。

图12-13 对内角K形坡口和外角K形坡口的连续切割

例如，高精度等离子弧切割装备具有的基本功能有：初始自动定位、开机穿孔与断弧提升、割炬防撞、给定与实际弧压显示监控、割炬的再次穿孔能力、手动与自动操作等。CNC控制系统中的智能逻辑不仅节约时间，并改善性能，通过CNC内置专家系统使割炬高度调节控制更为便捷、快速；对高速、高精度曲面轮廓精加工、微小轮廓线段的处理能力和伺服驱动性能更好。在信息应用方面，将专家的经验和切削加工的一般规律和特殊规律整理存入计算机，以加工工艺数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，模仿人类专家的推理过程提供优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而提高编程效率、降低对操作人员的技术要求，缩短生产准备时间，同时轻松实现精细圆孔一键切割。此外，故障诊断专家系统为数控设备提供了一个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。随着计算机及数字控制技术的迅速发展，数字化和智能化切割技术在改善加工精度、节约材料、提高劳动生产率等方面已显示出巨大的优势。

转型升级：切割车间数字化与信息化

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