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摘要：船舶套料是船舶制造业中的一个重要环节，它从一定程度上决定原材料的使用数量和生产成本，计算机辅助系统对于船舶套料工艺意义重大，它将套料环节自动化、高精度化，各种越来越先进的套料软件日益更新，大大削减了造船业的生产成本和造船周期。本文主要介绍了套料工艺中的几个重要问题和套料算法软件的应用。
关键词： 船舶套料工艺；套料软件；算法
中图分类号：U671
前言：随着世界贸易的日益密切，造船行业迅猛发展。而作为船舶制造企业来说，要想提高企业利润，在激烈的市场竞争之中生存发展，最大限度地降低生产成本，大大提高生产效率，缩短造船周期是企业成功的前提和根本。社会生产力的不断提高使得船舶生产规模越来越大，零件和所用原材料的数量也越来越多，而生产中会存在产生大量下料的问题，从板材下料上获得零件毛坯来提高材料的利用率是许多大型机电设备制造生产企业的杀手锏。船体零件下料问题是一个二维布局问题，通过对该问题进行数学建模，寻求满意的最优解并将该算法通过程序实现，即我们所说的套料软件，可以帮助我们经过精密计算，合理设计，尽可能地减少下料的产生，或是把既有下料经过再次利用获得零件毛坯来将原料利用最大化，以最大程度上降低生产钢材的使用。而材料利用率的高低往往是由排样决定的，排样效果的好坏直接影响到产品成本和企业的经济效益。在这样的形势要求下，开发出实用方便的计算机辅助优化排样系统是一项非常有现实意义的工作。近年来随着计算机技术不断进步，各国争相将计算机辅助设计技术（CAD）应用于造船的各道工序中。特别是在在重视资源和环境保护的21世纪，如何利用科学技术的发展和新技术新工艺的应用有效来利用资源，提高资源利用率，已成为当今社会瞩目的焦点。
1. 船舶套料研究现状及趋势
套料是机械加工行业常用的方法，以尽可能提高材料的利用率.降低成本，节约资源。通过计算机实现套料是一种快速的套料方法，就是将板材根据图纸尺寸按1：1比列在autocad上画出来，然后用专门的软件将板材的dwg文件处理生成相应的单切程序，然后再把这些单切程序通过专门软件（和火焰切割机或者等离子切割机等配套使用）在固定规格的钢板上排列起来，最后生成一个数切程序，把这个数切程序拷进火焰切割机里就可以自动化切割了。钢板上排版时可以任意调整单切零件的位置，还可以旋转，这样可以提高钢板的利用效率。
板料优化的问题属于布局优化范畴，从数学计算的复杂性来看，布局优化问题是属于具有着很高计算复杂性的一类问题，这类问题没有最优解，只有近似最优解"由于其在算法上的挑战性，自1831年Guass着手研究布局问题以来，众多权威人士也都将其列为研究焦点。另外，随着市场竞争日益残酷，对减少资源消耗量的要求也越来越苛刻，人们也不约而同地将目光投向资源的最优化配置，希望通过对有限资源的优化布局来尽可能地降低原料的消耗，压缩产品的成本，在这种相仿的驱使下，相关的优化算法也就大量涌现，然而，由于问题本身的特点，这些算法都有一定的局限性.国内对于排样问题的研究始于20世纪80年代，主要是边界加密法、人机交互法、不相交判别法等，借助人机交互方式进行图形旋转及平移来达到优化排样目的，对矩形件排样的研究开始于20世纪90年代，主要是采用启发式算法，动态规划，整数规划方法，GA，AS算法进行求解，目前，排样算法研究的趋势主要为多种算法有效综合、多目标多约束条件、从多角度对排样算法来进行研究。
2. 船舶套料的几个重要问题
①人工套料分析：人工套料能够方便地调节零件之间的相对位置及关系，可是它的局限性是排样的结果常要依赖排样人员们的经验，即使是两个非常有经验的工作人员一起来排放同一批零件，其排样结果跟时间也往往会有较大差距，不规则零件排样往往要需要一些模具辅助，这些模具面积周长的统计和制备也需要耗费较长的时间，而且会造成一定程度上的原料浪费，另外，这一部分时间消耗也常常会影响到造船的周期。
②程序套料分析：程序套料是对于现实中人工套料的一种模拟，所以建模的好坏会直接影响到套料的时间和结果。程序套料两个最主要的目的是省料和省时，但是因为套料问题本身的复杂性和被约束的多样性，所以很难去找到一个特别合适的算法模型来解决这个问题，我们只能从省料和省时两者之间去找一个平衡点。
3. 几种套料算法的简介
① 二布法 二维不规则零件的实际形状复杂，因此排样求解的难度非常大，研究的相对较少，在实际排样中，零件几乎很少是矩形的，实际上更多的是二维不规则的零件。目前，对不规则排样的处理方法基本上可以分为两类：基于规则零件的排样处理的矩形近似法及对不规则的零件直接进行处理这两种方法。以目前现有的算法直接来进行二维不规则零件的排样，效果并不好。目前，国内外对于这类问题的比较经典的处理办法是矩形包络法，也称二步法。即首先是要确定组合零件的最佳包络矩形，然后再将这些最佳包络矩形用最优方案排放在矩形（或者是非矩形）板材上。
②遗传算法 遗传算法可以看成是一种全局的数值优化法，它模拟的是基因重组和进化的自然过程，把待解决问题的参数编译成二进制码，进行类似自然选择的配对杂交及变异的运算，经过许多次重复的迭代运算（即世代遗传），一直到得到最后优化的结果。
③BL算法 BL算法主要是用于解决矩形件排样的问题，首先是要设定零件放入顺序及它们的横放竖放的方式，然后是要将待排的零件按照零件预定的顺序及横竖放置的方式依次排入板材，处理的原则为：首先是要将矩形件序列中第一个矩形排入到板材的左下角，然后再依次按照序列的顺序，使矩形从板材右上角再开始排入，尽可能向板材底边及左边排列，如此往复，一直到板材不能再排入下一个矩形为止。
4.常用的船舶版FastCAM自动编程套料软件介绍
众所周知，中国是制造业大国，为了适应国际制造企业形势，采用先进的套料技术，是当务之急。FastCAM公司为了适应中国船舶企业快速发展的需要，而为船舶设计和船舶制造企业专门推出了船舶版的FastCAM自动编程套料软件，重点是要解决船舶设计和制造过程中，在船体设计后的设计图、零件图、包括套料图与数控切割设备之间的快速衔接转换及套料编程工作，解决船体详细设计之后的CAO图纸快速处理的问题，丁RIBON软件转换，自动编程套料，不同切割机切割代码的转换和共边桥接高效切割工艺以及无限回转坡口切割的问题（坡口版），来有效提高CAO零件图的编辑处理的效率，代码转换的效率，编程套料的效率，以提高鋼材套料的利用率和数控切割生产的效率。船舶版FastCAM自动编程套料软件的主要功能和解决的主要问题有：
① TRIBON设计软件和套料图转换的功能（TRIBON套料图文件、TRIBON套料图转换）
② AutoCAD详细设计图和DXFIDWG快速转换的功能（ACAD详细设计图、零件图的自动提取功能、零件切割列表的自动生成、零件优化处理）
③ FastNEST自动套料的功能（自动交互式的套料功能、高效切割套料技术、全自动共边桥接连割）
④ 多控制器的选择和不同切侧机切创代码的转换（多控制器选择、不同切割机的切割代码的转换、成本计算的功能、文件转换的功能）
5.结语
本文主要介绍了船舶套料工艺在船舶制造业中的重要性，以及套料软件对于套料工艺的推进作用。随着先进生产力的大力发展，先进科学技术特别是计算机技术对于船舶套料技术的提高必定起到巨大的推进作用。从目前状况看，对套料算法的深入研究和套料软件的开发必定是提高套料工艺的主要工作。衷心希望我国的套料软件开发能够不断创新，帮助我国船舶制造业能在世界制造企业中屹立于不败之地，为建设资源节约型、环境友好型社会和可持续发展添砖加瓦作出贡献。
参考文献：
[1] 李进安 船体零件套料算法及应用研究，2006.06.
[2] <<船艇ship&Yachts>> 2005第255期.
关键词： 船舶套料工艺；套料软件；算法
中图分类号：U671
前言：随着世界贸易的日益密切，造船行业迅猛发展。而作为船舶制造企业来说，要想提高企业利润，在激烈的市场竞争之中生存发展，最大限度地降低生产成本，大大提高生产效率，缩短造船周期是企业成功的前提和根本。社会生产力的不断提高使得船舶生产规模越来越大，零件和所用原材料的数量也越来越多，而生产中会存在产生大量下料的问题，从板材下料上获得零件毛坯来提高材料的利用率是许多大型机电设备制造生产企业的杀手锏。船体零件下料问题是一个二维布局问题，通过对该问题进行数学建模，寻求满意的最优解并将该算法通过程序实现，即我们所说的套料软件，可以帮助我们经过精密计算，合理设计，尽可能地减少下料的产生，或是把既有下料经过再次利用获得零件毛坯来将原料利用最大化，以最大程度上降低生产钢材的使用。而材料利用率的高低往往是由排样决定的，排样效果的好坏直接影响到产品成本和企业的经济效益。在这样的形势要求下，开发出实用方便的计算机辅助优化排样系统是一项非常有现实意义的工作。近年来随着计算机技术不断进步，各国争相将计算机辅助设计技术（CAD）应用于造船的各道工序中。特别是在在重视资源和环境保护的21世纪，如何利用科学技术的发展和新技术新工艺的应用有效来利用资源，提高资源利用率，已成为当今社会瞩目的焦点。
1. 船舶套料研究现状及趋势
套料是机械加工行业常用的方法，以尽可能提高材料的利用率.降低成本，节约资源。通过计算机实现套料是一种快速的套料方法，就是将板材根据图纸尺寸按1：1比列在autocad上画出来，然后用专门的软件将板材的dwg文件处理生成相应的单切程序，然后再把这些单切程序通过专门软件（和火焰切割机或者等离子切割机等配套使用）在固定规格的钢板上排列起来，最后生成一个数切程序，把这个数切程序拷进火焰切割机里就可以自动化切割了。钢板上排版时可以任意调整单切零件的位置，还可以旋转，这样可以提高钢板的利用效率。
板料优化的问题属于布局优化范畴，从数学计算的复杂性来看，布局优化问题是属于具有着很高计算复杂性的一类问题，这类问题没有最优解，只有近似最优解"由于其在算法上的挑战性，自1831年Guass着手研究布局问题以来，众多权威人士也都将其列为研究焦点。另外，随着市场竞争日益残酷，对减少资源消耗量的要求也越来越苛刻，人们也不约而同地将目光投向资源的最优化配置，希望通过对有限资源的优化布局来尽可能地降低原料的消耗，压缩产品的成本，在这种相仿的驱使下，相关的优化算法也就大量涌现，然而，由于问题本身的特点，这些算法都有一定的局限性.国内对于排样问题的研究始于20世纪80年代，主要是边界加密法、人机交互法、不相交判别法等，借助人机交互方式进行图形旋转及平移来达到优化排样目的，对矩形件排样的研究开始于20世纪90年代，主要是采用启发式算法，动态规划，整数规划方法，GA，AS算法进行求解，目前，排样算法研究的趋势主要为多种算法有效综合、多目标多约束条件、从多角度对排样算法来进行研究。
2. 船舶套料的几个重要问题
①人工套料分析：人工套料能够方便地调节零件之间的相对位置及关系，可是它的局限性是排样的结果常要依赖排样人员们的经验，即使是两个非常有经验的工作人员一起来排放同一批零件，其排样结果跟时间也往往会有较大差距，不规则零件排样往往要需要一些模具辅助，这些模具面积周长的统计和制备也需要耗费较长的时间，而且会造成一定程度上的原料浪费，另外，这一部分时间消耗也常常会影响到造船的周期。
②程序套料分析：程序套料是对于现实中人工套料的一种模拟，所以建模的好坏会直接影响到套料的时间和结果。程序套料两个最主要的目的是省料和省时，但是因为套料问题本身的复杂性和被约束的多样性，所以很难去找到一个特别合适的算法模型来解决这个问题，我们只能从省料和省时两者之间去找一个平衡点。
3. 几种套料算法的简介
① 二布法 二维不规则零件的实际形状复杂，因此排样求解的难度非常大，研究的相对较少，在实际排样中，零件几乎很少是矩形的，实际上更多的是二维不规则的零件。目前，对不规则排样的处理方法基本上可以分为两类：基于规则零件的排样处理的矩形近似法及对不规则的零件直接进行处理这两种方法。以目前现有的算法直接来进行二维不规则零件的排样，效果并不好。目前，国内外对于这类问题的比较经典的处理办法是矩形包络法，也称二步法。即首先是要确定组合零件的最佳包络矩形，然后再将这些最佳包络矩形用最优方案排放在矩形（或者是非矩形）板材上。
②遗传算法 遗传算法可以看成是一种全局的数值优化法，它模拟的是基因重组和进化的自然过程，把待解决问题的参数编译成二进制码，进行类似自然选择的配对杂交及变异的运算，经过许多次重复的迭代运算（即世代遗传），一直到得到最后优化的结果。
③BL算法 BL算法主要是用于解决矩形件排样的问题，首先是要设定零件放入顺序及它们的横放竖放的方式，然后是要将待排的零件按照零件预定的顺序及横竖放置的方式依次排入板材，处理的原则为：首先是要将矩形件序列中第一个矩形排入到板材的左下角，然后再依次按照序列的顺序，使矩形从板材右上角再开始排入，尽可能向板材底边及左边排列，如此往复，一直到板材不能再排入下一个矩形为止。
4.常用的船舶版FastCAM自动编程套料软件介绍
众所周知，中国是制造业大国，为了适应国际制造企业形势，采用先进的套料技术，是当务之急。FastCAM公司为了适应中国船舶企业快速发展的需要，而为船舶设计和船舶制造企业专门推出了船舶版的FastCAM自动编程套料软件，重点是要解决船舶设计和制造过程中，在船体设计后的设计图、零件图、包括套料图与数控切割设备之间的快速衔接转换及套料编程工作，解决船体详细设计之后的CAO图纸快速处理的问题，丁RIBON软件转换，自动编程套料，不同切割机切割代码的转换和共边桥接高效切割工艺以及无限回转坡口切割的问题（坡口版），来有效提高CAO零件图的编辑处理的效率，代码转换的效率，编程套料的效率，以提高鋼材套料的利用率和数控切割生产的效率。船舶版FastCAM自动编程套料软件的主要功能和解决的主要问题有：
① TRIBON设计软件和套料图转换的功能（TRIBON套料图文件、TRIBON套料图转换）
② AutoCAD详细设计图和DXFIDWG快速转换的功能（ACAD详细设计图、零件图的自动提取功能、零件切割列表的自动生成、零件优化处理）
③ FastNEST自动套料的功能（自动交互式的套料功能、高效切割套料技术、全自动共边桥接连割）
④ 多控制器的选择和不同切侧机切创代码的转换（多控制器选择、不同切割机的切割代码的转换、成本计算的功能、文件转换的功能）
5.结语
本文主要介绍了船舶套料工艺在船舶制造业中的重要性，以及套料软件对于套料工艺的推进作用。随着先进生产力的大力发展，先进科学技术特别是计算机技术对于船舶套料技术的提高必定起到巨大的推进作用。从目前状况看，对套料算法的深入研究和套料软件的开发必定是提高套料工艺的主要工作。衷心希望我国的套料软件开发能够不断创新，帮助我国船舶制造业能在世界制造企业中屹立于不败之地，为建设资源节约型、环境友好型社会和可持续发展添砖加瓦作出贡献。
参考文献：
[1] 李进安 船体零件套料算法及应用研究，2006.06.
[2] <<船艇ship&Yachts>> 2005第255期.