基于矩形件套裁排样技术的板材规格优化研究

矩形件排样的合理性直接影响着板材的利用率。考虑到板材下料中纤维方向和一刀切等工艺约束，结合实际生产中切割锯的刀缝限制，建立了板材原料利用率最大的矩形件优化排样模型。本文结合实际案例，通过套裁排样方法对不同数量、不同尺寸的矩形零件进行排样分析，得到最优的原材料规格。通过选择尺寸适宜的板材，原材料整板利用率平均提升5%左右。长期以来，在工程应用领域中，型材和棒材下料、异形件套裁排样、玻璃切割、报刊排版、服装裁剪、造船、设备生产等都存在大量的下料工艺，作为多数零件生产加工的第一道工序，如何进行合理的选材，如何完成最佳套裁布局，应该是我们不断研究的课题。现状分析众所周知，原材料费用在产品总成本中占比极大，因此最大限度地提高材料利用率，是零件制造企业实际生产中的一个根本原则。目前传统的线性规划工艺手段，工艺人员或操作人员往往凭工作经验来设计与实施下料方案，很难降低材料的利用率，容易造成材料浪费；而手工设计下料方案，由于受到生产模式、管理水平、人员素质、工艺技能等多方面因素的制约，很难从全局上考虑，因而成本难以控制。随着计算机技术的快速发展和深入应用，矩形件优化排样软件相继问世，排样更快速、更精确，弥补了人工设计下料的不足。并且，为提高排样效率和材料利用率，国内外许多学者通过计算机编程技术提出了多种排样算法。在原材料上切割不同大小的矩形毛坯称为套裁排样，否则为单一矩形排样。与单一矩形排样相比，套裁排样虽然切割工艺较复杂，但生产效率更高，能显著地提高材料利用率，因此，在机械制造行业中得到了越来越广泛的应用。套裁排样工作原理是指在矩形原材料板上排放多种不同尺寸的矩形件，要求既不相互重叠，又不超出板材边界，使原材料的利用率达到最高。并且，在排版过程中，还要满足设备程序“一刀切”要求。材料切割时由于板材和毛坯尺寸不成倍数关系，产生边料损耗，所以排样结果直接影响着原材料的利用率。除此之外，原材料规格与矩形件下料联系紧密，深入研究矩形件套裁排样对于提高原材料利用率、降低产品成本具有十分重要的意义。板材尺寸是影响材料利用率的因素之一。对于固定批次毛坯尺寸需求，采用新型套裁排样技术，如何选择尺寸适宜的原材料板材是我们要研究的主要内容。本文采用计算机排样系统对多规格矩形毛坯进行套裁排样，通过对板材尺寸与材料利用率的关系进行分析，说明尺寸适宜的板材可以明显提高材料利用率，节约企业的原材料费用。前期准备⑴固定批次毛坯尺寸、毛坯数量与毛坯面积。⑵确定可供选择的原材料板材范围，考虑成本核算及原材料成品率等因素，确定同等价格标准板材规格范围：厚度在30～95mm，长度在2000～4000mm、宽度在1000～1300mm。⑶确定现场使用设备切割原则，通常要满足“一刀切”，即从板材的一端，沿直线方向切割到另一端。⑷确定现场余料回收原则。最优标准板材规格分析分析用数据本文重点选用7000系列预拉伸铝板、厚度为95mm的矩形零件进行排样分析，选取43个矩形零件验证板材尺寸及数量，见表1，通过对比分析确定板材用量。表1矩形零件需求量及其详细尺寸分析方法与结果在不加价的板材尺寸范围内，选取典型材料进行排样分析，通过对比材料利用率、使用板材数量、板材需求面积及成本价格，综合选用较为合理的板材规格。目前预拉伸板材常规板材尺寸为3000mm×1200mm，考虑到每张板材放置零件数量占比，在板材尺寸范围内以100mm为长、宽尺寸变化量调整板材规格，完成所需零件套裁排版，记录板材利用率、板材所需数量及其总面积需求，对排样结果进行分析对比。部分不同板材尺寸零件套裁排样图如图1所示，其中绿色区域为板材节余，这里省略了已满排图样。选取典型材料套裁结果见表2。图1不同板材尺寸零件套裁排样图表27000系列厚度为95mm矩形零件套裁结果统计根据表2所列数据，很容易分析得出：选择不同板材尺寸，材料利用率及板材面积需求存在差异，具体对比图如图2所示（其中1～30分别表示板材尺寸从3000mm×1300mm～3900mm×1100mm）。按照所需板材面积最小、材料利用率最高的原则，在不加价的尺寸范围内，初步确定板材尺寸3300mm×1300mm、3400mm×1300mm、3500mm×1300mm、3700mm×1200mm、3000mm×1100mm五种规格板材利用率较高、成本较低。图2材料利用率及板材面积对比由于不同规格材料对应的图号数量不同，总下料面积不同，初步选定的五种规格不一定具有普适性，需要选择不同规格材料进行排样验证。考虑到库存管理的复杂程度及其成本，逐项验证每种材料规格在所选板材尺寸套裁排样下的利用率及总面积需求并进行记录，见表3。表37000系列其他规格矩形零件套裁结果统计通过从板材需求量及材料利用率两个维度综合确定板材尺寸。在使用板材数量最少的情况下，选择材料利用率最高，板材面积最小的规格作为最优板材规格，如表中标绿部分所示。板材使用面积小于30m2

时，3300mm×1300mm为最优板材尺寸；板材使用面积大于30m2

且小于100m2

时，3400mm×1300mm为最优板材尺寸；板材使用面积大于100m2

时，3500mm×1300mm为最优板材尺寸。考虑大部分材料排样情况，其中3400mm×1300mm板材整体利用率较高，材料总面积即成本较低，故作为标准板材推荐尺寸。定尺板材规格分析部分大型零件尺寸接近于标准板材，一次性投产数量很多，采用标准板材下料时，容易出现材料利用率不高、余料产生较多的现象，为解决这种问题，结合投产策略，在不加价的范围内，进行套裁排样分析，从而得出最优的定尺板材规格。分析方法与结果按照前期分析结果，矩形零件材料总面积小于30m2

时，3300mm×1300mm为最优选择规格，选取7000系列厚度为65mm矩形零件，总面积需求10.8m2，见表4，以此板材尺寸进行套裁排样，得出材料利用率为86.4%，板材数量需4张。排样方案如图3所示，其中红色框出区域为板材节余。图37000系列厚度为65mm矩形零件套裁排样图表4矩形零件需求量及其详细尺寸结果分析从图3可以看出，图3（b）～图3（d）产生余料较多但余料太窄无法回收再利用。结合投产策略，对两张板材上零件数量及其尺寸进行分析，建议增加定尺板材和定倍尺板材，对应零件固定采用定倍尺下料。经过再次套裁验证，确定65mm矩形零件选择三种板材尺寸：3300mm×1300mm标准板材需1张，材料利用率87.3%；3250mm×1200mm定尺板材需1张，材料利用率95%；3125mm×1180mm定倍尺板材需2张，材料利用率100%。若三种板材同时使用材料平均利用率可达94.1%，这比单一选择标准板材利用率高，降低了成本，减少了工艺员排样及操作工人的工作量。结束语矩形件套裁排样对