人造板材優化下料方案研究

 

      下料問題(Cutting Stock Problem)是一個應用范圍很廣的熱門研究問題，它的特殊情況是裝箱問題。

      人造板材下料方案影響著產品生產成本、報價和和材料采購。特別對于同規格、大批量的產品來說，企業總要花大量人力核算下料方案，微小的調整就有可能節約可觀的原材料費用。無論是人工經驗排料，還是計算機輔助排料都難以達到一個最優的程度，小批量生產中需要多種規格家具混合計算，加之下料存在的主要問題是計算時間和空間呈指數增長，并且假定供排料的矩形件總數是無限的，這使市場上現有行業軟件也黯然失色。

     如何結合板式家具的結構和加工工藝，通過計算機輔助得到更優解呢？本文針對這個展開論述。

     1板式家具的結構分析

 

     下料中難度最大的為實心壓板部件和覆面空心結構板等異形部件，對于骨料、尺寸過小的部件在下料時往往要經過尺寸上的合并處理。下面按實際生產中各種因素進一步細分，討論家具結構對下料方案的影響。

      1.1 板材分類

      排料方案所需數據是根據板材的規格分批處理的，不能將不同材料的零件放在一起排序，每個零件必須標明所用材料規格。排料前首先要對不同品種、不同規格的板材進行分類，然后按各個不同類別單獨計算用量。

      中密度纖維板常用作骨架材料，由于其沒有方向性，細小板條都可以用來做骨架，故中纖板的利用率極高。

      有紋理的膠合板和二次加工板價格較貴，用于外表顯著的部位，其利用率相對較低，這是板材下料中需要重點解決的問題。

       對于沒有紋理的加工板，常用于隱蔽的零部件。由于大多二次加工板表面有光滑的保麗紙或者華麗紙，其在厚度方面上是不能用來壓板的，一般情況下，用作骨架的中纖板允許存在一定偏差，飾面板和普夾板則視其加工工藝而定。

      1.2 紋理定向

      指有紋理的板材在排料時需要考慮零件的方向性，分為定向和非定向兩種。定向要求紋理與零件某一長度方向一致。一般情況下，家具高度方向上為順紋理，具體到各個部件也不盡相同。如大班臺的側板高度方向為順紋理；抽屜面板同樣如此，但對于抽屜面板本身來說，自身長度方向是與順紋理方向垂直的；抽屜底板在深度方向紋理要與面板紋理相呼應?？傊?，紋理方向不能單獨按零件自身的長寬比來確定。

      1.3實心壓板部件

      對于較厚的實心壓板部件，按厚度要求對板材規格進行結合。下料時對壓板部件厚度尺寸上進行分解后，合理選擇相應規格板材。

       用模具對其加壓彎曲的時候，選用相對較薄的板材，如彎曲的床屏側腳最好采用5mm的中纖板來壓板；若彎曲度較大，則芯部要采用狹長的板條；當然應該盡量減少膠合的層數，如對厚重的腳，25mm的中纖板是最佳選擇。

       1.4 覆面空心結構板

       表面常用加工板或膠合板，內部骨料用各種規格的中纖板。

       對該結構板材的處理，中纖板的厚度選擇則是一個相當復雜的過程，這也是下料軟件的一個重要性能指標。一方面骨料尺寸較小常常從余料中選擇，另一方面其厚度尺寸可能利用本來寬度方向的尺寸。

       1.5 連開處理

       連開處理常常用于下面兩種情形：

      1. 面積較小零件：這是因為較小的零件在較小的板材尺寸允許范圍就可以產生太多的組合，若不處理則大幅降低開料速度。

      2. 封邊尺寸較小的方向：后序工藝要對其進行封邊，若該尺寸較小，不處理則降低了封邊效率。

      這樣，開料時可對一定數量組合的零件整體參與排料，包括鋸路寬度和邊工余量。

     

      2針對板式家具下料軟件的開發思路

       和常規軟件一樣，要有完善的功能體系，如下料清單生成、庫存處理、局部調整、圖紙打印、產品數據庫等。下面僅對其核心技術模塊的開發進行討論。

      2.1 數據初始化 主要對其基本工藝參數進行確定，基本要點如下：

      1. 項目分解

     將各部件按組合方式和板材規格分解為單個零件，并生成凈尺寸的清單，重新編號。

     2. 板材選擇 選用各零件所用板材種類、規格和余料情況。排料時將按不同規格的板材分類優化。

     3. 尺寸確定 結合各個零件的結構和加工工藝，確定其凈尺寸、毛料尺寸。

     4. 紋理定向 選擇紋理是否需要定向。若定向，是否允許一定比例或數量內的零件可以不定向。

     5. 鋸路寬度 精確到0.5mm，亦可據刀片壽命和板材類別略作調整。

     6. 批量 上面分析僅僅是對單件而言，成本預算時批量將影響成本，此項單列可用于不同批量下的快速報價。

     2.2 數據庫建立

     能夠兼容Excel，Access，DBF等格式的文檔，并可以相互導入和導出。

     對常用設計圖紙的軟件可以進行智能選擇。

     2.3 算法設計 下料屬于裝箱問題的特殊情況，目前實際應用中常用的求解方法有：

     1. 近似圓整法。即不作整數規劃，在得出實數最優解后就終止最優解搜索，然后進行近似取整，這種方法在下料數量大時還可以，但數量少時，誤差較大。

     2. 人工整數規劃。這種方法的優化效果比近似圓整好，但這種方法對人的知識要求增高，操作復雜，同時所得解并非是理想的最優解。

     3. 采取時間判別終止法，即在整數規劃允許到一定時間后仍不收斂，程序自動終止。

     算法設計中，并非一味追求高利用率，還要考慮工藝上的現實性，這樣才有實際意義。例如，一般情況下，一塊完整的板材允許有兩到三塊的零件參與排料，其鋸路也要規整，過多的零件組合和繁瑣鋸路降低了開料的速度，生產中往往是不可行的，這也是目前市場上軟件最為欠缺的。

     2.4 數據重組

     一個下料任務中，可能包括多個家具產品，并且每個產品的數量不同。好的開料軟件可以方便快捷的對數據進行重組，不需要直接修改原數據。這是一些CAD二次開發軟件需要進一步突破的。

     2.5 輔助功能

     在滿足下料任務的前提下，為盡量提供生產效率，降低成本，有如下需求：

     1. 基于標準零件庫，自動生成下料清單，進行利用率和利用量的計算，并對相關信息進行計算。

     2. 對應于自動生成下料清單，同時也應具有手工輸入下料數據的功能。以適應小批量臨時性的加工任務。

     3. 下料時充分利用現有余料，達到減少廢料，節約成本的目的。

     4. 根據排料結果，確定板材原材料的需求，由庫房根據需求定制采購計劃。避免庫存資金的占用。

     5. 根據下料清單和單位加工工時定額，估算加工工時，制定詳細的生產計劃下發車間，嚴格控制生產周期，保證按合同期限交貨

     6. 預備下料任務的安排。生產較空閑時，安排常用標準板材零件的加工。

     2.6 拓展功能

     主要是通過允許存在偏差進行合理優化。

     對機械加工來說，對板材的下料要求極為嚴格，可以說是分毫不差。但在家具設計中，允許板材尺寸存在偏差，且不影響整體結構和力學性能。如文件柜的活動擱板，若假設寬度允許存在1~2mm的偏差，完全不影響文件柜的結構性能。其實在實際生產中，假設的偏差范圍往往在允許的誤差范圍之內，但正是這個假定，借助計算機就有可能算出更優的排料方案。

     進一步講，若家具各部件尺寸已定，在已得較優方案下，能否計算出某個零件若允許存在一定偏差時能使整體用料顯著下降，再回頭設計圖紙，將與此相關的尺寸下調1~2mm，可能降低幾個百分點的板材利用率，這也是快速報價必須考慮的問題；另一方面，在不影響板材有效利用率時權衡邊料回收與鋸路工序成本，必要時增加毛邊尺寸，來提高生產效率，這是生產管理所要考慮的問題

     更多的情況是下料方案設計中，零件尺寸多為含有加工余量的毛料尺寸。其加工余量在一定范圍內如何確定，可以有效通過計算機輔助得到更優解。

     大批量生產的情況下，下料方案的優化對節約成本有極其重要的意義，目前靠人工和計算機交互計算難以達到最優。通過討論，將家具方面相關的專業知識，同數學建模和計算機輔助計算結合起來，為計算機輔助工藝設計軟件的開發成為一種可能。相信在不久的將來，智能的下料軟件將更好的服務于家具設計，為節約型社會的建設貢獻力量。

     摘自木工機械網（惠州市永業機械設備有限公司）專業銷售：精密裁板鋸，全自動封邊機，榫槽機、雕刻機、推臺鋸、立銑、雙面刨、四面刨等，轉載請保留，謝謝合作