基于數(shù)字化、模數(shù)化的PC構(gòu)件組合模具制作技術(shù)分析

劉雙飛 （安徽水利開(kāi)發(fā)有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 前言

傳統(tǒng)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)，因PC 構(gòu)件種類(lèi)多樣、形狀復(fù)雜，不同工程中PC 構(gòu)件的拆分和設(shè)計(jì)尚無(wú)成熟的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致模具適用工程單一、周轉(zhuǎn)次數(shù)少、損耗嚴(yán)重，不能達(dá)到單一模具多次使用的目的，是預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)成本居高不下的重要原因[1-2]。為實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)向自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，亟需改變傳統(tǒng)的模具制作工藝[3]。李合光等[4]采用拼塊式通用模具，實(shí)現(xiàn)模具批量化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化組裝，提高模具生產(chǎn)速度，降低預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)成本。陳金濤[5]研究發(fā)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、組合設(shè)計(jì)可以有效提高模具的通用性和適用性。學(xué)者們從問(wèn)題出發(fā)，提出了降低模具成本的設(shè)計(jì)理念，但并未建立有效的模具設(shè)計(jì)體系，也未通過(guò)生產(chǎn)進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行推廣應(yīng)用。

因此，針對(duì)不同種類(lèi)、類(lèi)型、規(guī)格尺寸預(yù)制構(gòu)件，某公司積極探索可以減少構(gòu)件種類(lèi)、降低制造成本的設(shè)計(jì)方案，配套設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的構(gòu)件模具，建立預(yù)制構(gòu)件數(shù)字模具庫(kù)，提供預(yù)制構(gòu)件模具設(shè)計(jì)解決方案。配套模具設(shè)計(jì)可直接調(diào)用數(shù)字模具庫(kù)中的加工圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化，導(dǎo)入PC 智慧工廠管理系統(tǒng)形成模具數(shù)字化加工數(shù)據(jù)。模具生產(chǎn)線(xiàn)配備智能化設(shè)備，配套PC智慧工廠管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備單機(jī)智能控制、多機(jī)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)模具的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、自動(dòng)化、高效化加工。

2 基于數(shù)字化、模數(shù)化的PC構(gòu)件組合模具制作技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 運(yùn)用智慧工廠管理系統(tǒng)，提高生產(chǎn)管理效率

應(yīng)用裝配式智能建造PC 智慧工廠管理系統(tǒng)，集成信息化、數(shù)字化、BIM 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打通裝配式項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流等階段信息共享，實(shí)現(xiàn)多部門(mén)全流程的高效協(xié)同和生產(chǎn)可視化管理，有效提高生產(chǎn)管理效率，降低生產(chǎn)成本。

2.2 建立預(yù)制構(gòu)件數(shù)字模具庫(kù)，提供模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)解決方案

利用BIM 軟件對(duì)預(yù)制構(gòu)件模具進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對(duì)存在的問(wèn)題，從源頭出發(fā)，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)預(yù)制構(gòu)件模具型式設(shè)計(jì)。通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的生產(chǎn)應(yīng)用，形成多方案的模具設(shè)計(jì)體系，建立獨(dú)有的數(shù)字模具庫(kù)，為后續(xù)項(xiàng)目開(kāi)展提供模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案，并在后續(xù)應(yīng)用中不斷豐富和發(fā)展數(shù)字模具庫(kù)。

2.3 采用智能化生產(chǎn)設(shè)備，大幅減少人工數(shù)量

模具生產(chǎn)線(xiàn)配備智能化設(shè)備，配套PC 智慧工廠管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備單機(jī)智能控制、多機(jī)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制，自動(dòng)完成構(gòu)件切割、搬運(yùn)、焊接、劃線(xiàn)組模等核心工序，實(shí)現(xiàn)模具的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、自動(dòng)化、高效化加工，自動(dòng)化、智能化程度明顯提升，大幅減少人工數(shù)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了模具精度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的降本增效。

2.4 采用數(shù)字化、模數(shù)化的PC構(gòu)件組合模具，降低模具攤銷(xiāo)成本

采用數(shù)字化、模數(shù)化組合模具，縮短模具設(shè)計(jì)、加工時(shí)間，縮短總工期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，消除安全隱患，提高生產(chǎn)效率。模具設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)使用更加快速、便捷，鋼材損耗降低，模具周轉(zhuǎn)率提高，攤銷(xiāo)成本降低，模具綜合使用成本降低，充分發(fā)揮裝配式建筑的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3 工藝流程

3.1 施工工藝流程

基于數(shù)字化、模數(shù)化的PC 構(gòu)件組合模具制作工藝流程如圖1。

圖1 施工工藝流程圖

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 施工準(zhǔn)備

項(xiàng)目中標(biāo)后，設(shè)計(jì)人員對(duì)圖紙進(jìn)行分析，按照設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、甲方、設(shè)計(jì)院的要求進(jìn)行拆分方案的設(shè)計(jì)，運(yùn)用PC智慧工廠管理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)模塊的BIMBase 軟件對(duì)圖紙進(jìn)行BIM 三維建模，通過(guò)三維模型對(duì)預(yù)制構(gòu)件拆分方案、鋼筋和預(yù)埋件定位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免管線(xiàn)、預(yù)埋件、工裝碰撞，同時(shí)考慮建筑、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝、施工等各環(huán)節(jié)的綜合影響。拆分方案應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)等要求，同時(shí)便于生產(chǎn)與安裝，臺(tái)班工作效率高，有效降低開(kāi)模和生產(chǎn)成本等。圖紙深化設(shè)計(jì)文件完成校核后，應(yīng)經(jīng)原設(shè)計(jì)單位簽章認(rèn)可。將已簽認(rèn)的圖紙輸入PC智慧工廠管理系統(tǒng)，以智能化系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行管控。深化設(shè)計(jì)人員在生產(chǎn)前對(duì)預(yù)制構(gòu)件施工預(yù)留和預(yù)埋進(jìn)行圖紙交底。

3.2.2 模具設(shè)計(jì)

①模具設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

模具設(shè)計(jì)人員通過(guò)PC 智慧工廠管理系統(tǒng)對(duì)接設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，初步分析預(yù)制構(gòu)件類(lèi)型、種類(lèi)、數(shù)量、預(yù)埋布置等情況，確定初步設(shè)計(jì)方案。通過(guò)PC 智慧工廠管理系統(tǒng)—專(zhuān)用模具管理板塊—數(shù)字模具庫(kù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性、便利性、通用性等方面的比較，優(yōu)選模具設(shè)計(jì)方案。

②組合式模具設(shè)計(jì)、優(yōu)化

分析預(yù)制構(gòu)件，深化設(shè)計(jì)圖紙，配套模具設(shè)計(jì)可直接調(diào)用數(shù)字模具庫(kù)中的加工圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化，完成該項(xiàng)目模具設(shè)計(jì)。當(dāng)數(shù)字模具庫(kù)中未建立相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)方案時(shí)，利用BIM 軟件對(duì)預(yù)制構(gòu)件模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)存在的問(wèn)題，從源頭出發(fā)，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，對(duì)具體設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行模具設(shè)計(jì)優(yōu)化，形成模具加工圖紙，并將該方案導(dǎo)入數(shù)字模具庫(kù)，不斷豐富和發(fā)展數(shù)字模具庫(kù)。將模具圖紙轉(zhuǎn)化導(dǎo)入PC 智慧工廠管理系統(tǒng)形成模具數(shù)字化加工數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行管控。

3.2.3 形成數(shù)字化加工數(shù)據(jù)

模具圖紙轉(zhuǎn)化導(dǎo)入PC 智慧工廠管理系統(tǒng)形成模具數(shù)字化加工數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同構(gòu)件種類(lèi)建立不同任務(wù)、進(jìn)程的命令，利用PC智慧工廠管理系統(tǒng)的設(shè)備單機(jī)智能控制、多機(jī)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制等功能控制數(shù)字化加工數(shù)據(jù)分時(shí)、分段地分配至智能化光纖激光切割機(jī)、智能化光纖激光切管機(jī)、機(jī)械切斷機(jī)、套絲機(jī)、數(shù)控液壓閘式剪板機(jī)、電液伺服數(shù)控折彎?rùn)C(jī)等智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的智能化控制，流程管控更加高效。

3.2.4 自動(dòng)化切割下料

模具加工前應(yīng)先進(jìn)行技術(shù)交底。交底后，模具制作人員按照組合模具設(shè)計(jì)方案和模具加工排產(chǎn)計(jì)劃，同上節(jié)一樣利用PC智慧工廠管理系統(tǒng)進(jìn)行操作。

切割下料工作開(kāi)始前，操作人員進(jìn)入智能化光纖激光切割機(jī)、智能化光纖激光切管機(jī)的操作系統(tǒng)，接收PC智慧工廠管理系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)字化加工數(shù)據(jù)，按照加工數(shù)據(jù)編寫(xiě)加工程序。板材切割下料時(shí)，工作人員首先核準(zhǔn)加工程序、板材信息、工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)文件、加工數(shù)量等信息，利用設(shè)備“自動(dòng)尋邊”功能完成機(jī)床的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，保證切割方向與板材的直邊方向平行，選擇“自動(dòng)模式”，完成板材自動(dòng)切割下料。管材下料時(shí)，工作人員首先核準(zhǔn)加工程序、管材信息、工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)文件、加工數(shù)量等信息，檢查無(wú)誤后，選擇“自動(dòng)模式”，完成板材自動(dòng)切割下料。

3.2.5 數(shù)控彎折、高效焊接

①數(shù)控彎折

針對(duì)部分需要彎折模具構(gòu)件部品如企口等，采用電液伺服數(shù)控折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行板材彎折處理。操作人員進(jìn)入電液伺服數(shù)控折彎?rùn)C(jī)操作系統(tǒng)，接收PC智慧工廠管理系統(tǒng)發(fā)送的需要彎折構(gòu)件的數(shù)字化加工數(shù)據(jù)，根據(jù)模具構(gòu)件的材質(zhì)、厚度、長(zhǎng)度和所需形成的形狀和角度等信息，配以不同高度、形狀、V 幅大小的上下模以及特殊形狀的異形模具。工作人員按照加工數(shù)據(jù)編寫(xiě)程序、設(shè)定相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行模具構(gòu)件彎折作業(yè)。

②高效焊接

車(chē)間配備智能焊接機(jī)器人，同時(shí)定制配套夾具，可大幅面空間焊接，機(jī)器人智能化操作，靈活可靠，六軸聯(lián)動(dòng)，可任意空間焊接，不局限于平面焊接，焊接更加高效便利，可實(shí)現(xiàn)雙工位或多工位焊接操作，節(jié)省產(chǎn)品安裝夾具時(shí)間。焊縫表面較為平整、美觀，焊接質(zhì)量好。焊接前，操作人員根據(jù)焊接構(gòu)件種類(lèi)選擇不同夾具，將模具構(gòu)件拼裝成形，然后進(jìn)行焊接工作。智能焊接機(jī)器人采用自動(dòng)尋邊、自動(dòng)掃描、自動(dòng)編程、焊縫跟蹤等技術(shù)，以3D 視覺(jué)識(shí)別和測(cè)量為核心手段，可智能識(shí)別作業(yè)對(duì)象及結(jié)構(gòu)特征對(duì)象，快速生成自動(dòng)化焊接任務(wù)，自主規(guī)劃作業(yè)路徑與焊接工藝，通過(guò)傳感器測(cè)量焊縫偏移，避免因工件位置偏差造成焊接缺陷，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，跟蹤精度可達(dá)0.1～0.3mm，操作人員無(wú)需專(zhuān)業(yè)焊接能力及編程知識(shí)就可直接上手，節(jié)省高達(dá)60%的時(shí)間和75%的成本，大大減輕焊工工作負(fù)擔(dān)，提高生產(chǎn)效率。

3.2.6 試拼裝組模

模具加工完成后，重點(diǎn)檢查模具的尺寸及各面的垂直度和平整度，其質(zhì)量應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。檢查無(wú)誤后，在模具生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行試拼裝組模，重點(diǎn)檢查模具的開(kāi)槽、開(kāi)孔、整體性、可操作性等相關(guān)性能參數(shù)，拼裝組模后進(jìn)入下一工序。

3.2.7 模具上線(xiàn)

使用自動(dòng)擺模設(shè)備將各部件模具擺放至模臺(tái)，進(jìn)行劃線(xiàn)組模作業(yè)，PC 智慧工廠管理系統(tǒng)控制模臺(tái)清掃機(jī)，實(shí)現(xiàn)模臺(tái)自動(dòng)化快速清理，必要時(shí)進(jìn)行人工補(bǔ)充清理。模具清理干凈后進(jìn)行劃線(xiàn)、布模，劃線(xiàn)機(jī)接收系統(tǒng)構(gòu)件幾何形狀數(shù)據(jù)，自動(dòng)繪制構(gòu)件、門(mén)、窗等輪廓線(xiàn)和預(yù)埋件位置線(xiàn)，布模機(jī)器人根據(jù)布模信息，自動(dòng)取模、布模，按照設(shè)計(jì)要求依次進(jìn)行拼裝，模具拼接處應(yīng)拼接嚴(yán)密、無(wú)間隙，以免漏漿。先將一側(cè)模具與模臺(tái)固定，再將其他模具與其連接，確保模具節(jié)點(diǎn)連接牢固。若沒(méi)有與模臺(tái)固定的模具則用磁盒固定，每側(cè)不得少于兩個(gè)磁盒，拼裝完成后應(yīng)進(jìn)行質(zhì)檢，其模具尺寸及允許偏差需滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)范及設(shè)計(jì)圖紙的要求。

4 應(yīng)用實(shí)例與經(jīng)濟(jì)效益分析

以印山樾項(xiàng)目和蚌埠市公安局“三個(gè)基地”項(xiàng)目為例，將PC 構(gòu)件組合模具制作技術(shù)與傳統(tǒng)模具制作方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

由表1 可知，印山樾項(xiàng)目采用PC 構(gòu)件組合模具制作技術(shù)比傳統(tǒng)方法節(jié)省成本9.84%，工期加快6 天，直接成本降低4.699 萬(wàn)元；由表2 可知，蚌埠市公安局“三個(gè)基地”項(xiàng)目采用PC 構(gòu)件組合模具制作技術(shù)比傳統(tǒng)方法節(jié)省成本12.27%，工期加快7 天，直接成本降低2.944 萬(wàn)元。

表1 印山樾項(xiàng)目效益分析

表2 三個(gè)基地項(xiàng)目

兩個(gè)項(xiàng)目共有預(yù)制構(gòu)件5300m3，基于數(shù)字化、模數(shù)化的PC構(gòu)件組合模具制作技術(shù)比傳統(tǒng)施工方法降低成本7.643萬(wàn)元，平均降低14.42 元/m3，以年產(chǎn)量10 萬(wàn)m3PC 構(gòu)件裝配式建筑生產(chǎn)企業(yè)為例，測(cè)算年均效益為144.28 萬(wàn)元。隨著智能化模具加工設(shè)備的運(yùn)行，年均效益會(huì)進(jìn)一步提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用裝配式智能建造PC 智慧工廠管理系統(tǒng)開(kāi)展基于數(shù)字化、模數(shù)化的PC 構(gòu)件組合模具制作技術(shù)研究。運(yùn)用PC 智慧工廠管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊的BIMBase 軟件完成預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)，構(gòu)建數(shù)字模具庫(kù)并優(yōu)選模具設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)優(yōu)化，形成模具加工圖紙。模具圖紙轉(zhuǎn)化導(dǎo)入PC 智慧工廠管理系統(tǒng)形成模具數(shù)字化加工數(shù)據(jù)，根據(jù)不同任務(wù)、進(jìn)程利用PC智慧工廠管理系統(tǒng)的設(shè)備單機(jī)智能控制、多機(jī)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制等功能控制數(shù)字化加工數(shù)據(jù)分時(shí)、分段的分配至車(chē)間智能化設(shè)備，通過(guò)“無(wú)人”切割下料、機(jī)器人高效焊接、自動(dòng)尋邊、離線(xiàn)編程、焊縫跟蹤等技術(shù)應(yīng)用，自動(dòng)完成構(gòu)件切割、搬運(yùn)、焊接、劃線(xiàn)組模等核心工序，實(shí)現(xiàn)模具的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、自動(dòng)化、高效化加工。