基于数字化、模数化的PC构件组合模具制作技术分析

刘双飞 （安徽水利开发有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 前言

传统预制构件生产，因PC 构件种类多样、形状复杂，不同工程中PC 构件的拆分和设计尚无成熟的统一标准，导致模具适用工程单一、周转次数少、损耗严重，不能达到单一模具多次使用的目的，是预制构件生产成本居高不下的重要原因[1-2]。为实现预制构件预制生产向自动化、智能化生产转变，亟需改变传统的模具制作工艺[3]。李合光等[4]采用拼块式通用模具，实现模具批量化生产、标准化组装，提高模具生产速度，降低预制构件生产成本。陈金涛[5]研究发现模块化设计、组合设计可以有效提高模具的通用性和适用性。学者们从问题出发，提出了降低模具成本的设计理念，但并未建立有效的模具设计体系，也未通过生产进行相关检验，无法进行推广应用。

因此，针对不同种类、类型、规格尺寸预制构件，某公司积极探索可以减少构件种类、降低制造成本的设计方案，配套设计对应的构件模具，建立预制构件数字模具库，提供预制构件模具设计解决方案。配套模具设计可直接调用数字模具库中的加工图纸进行设计并优化，导入PC 智慧工厂管理系统形成模具数字化加工数据。模具生产线配备智能化设备，配套PC智慧工厂管理系统实现设备单机智能控制、多机协调联动控制，实现模具的标准化、数字化、自动化、高效化加工。

2 基于数字化、模数化的PC构件组合模具制作技术优势

2.1 运用智慧工厂管理系统，提高生产管理效率

应用装配式智能建造PC 智慧工厂管理系统，集成信息化、数字化、BIM 和物联网技术，打通装配式项目的设计、生产、物流等阶段信息共享，实现多部门全流程的高效协同和生产可视化管理，有效提高生产管理效率，降低生产成本。

2.2 建立预制构件数字模具库，提供模具标准化设计解决方案

利用BIM 软件对预制构件模具进行方案设计，对存在的问题，从源头出发，优化模具结构和生产工艺，实现各类预制构件模具型式设计。通过多个项目的生产应用，形成多方案的模具设计体系，建立独有的数字模具库，为后续项目开展提供模具标准化设计方案，并在后续应用中不断丰富和发展数字模具库。

2.3 采用智能化生产设备，大幅减少人工数量

模具生产线配备智能化设备，配套PC 智慧工厂管理系统，实现设备单机智能控制、多机协调联动控制，自动完成构件切割、搬运、焊接、划线组模等核心工序，实现模具的标准化、数字化、自动化、高效化加工，自动化、智能化程度明显提升，大幅减少人工数量，降低劳动强度，提高了模具精度和质量，实现预制构件生产的降本增效。

2.4 采用数字化、模数化的PC构件组合模具，降低模具摊销成本

采用数字化、模数化组合模具，缩短模具设计、加工时间，缩短总工期，降低劳动强度，消除安全隐患，提高生产效率。模具设计、加工、生产使用更加快速、便捷，钢材损耗降低，模具周转率提高，摊销成本降低，模具综合使用成本降低，充分发挥装配式建筑的技术优势。

3 工艺流程

3.1 施工工艺流程

基于数字化、模数化的PC 构件组合模具制作工艺流程如图1。

图1 施工工艺流程图

3.2 操作要点

3.2.1 施工准备

项目中标后，设计人员对图纸进行分析，按照设计规范标准、甲方、设计院的要求进行拆分方案的设计，运用PC智慧工厂管理系统中设计模块的BIMBase 软件对图纸进行BIM 三维建模，通过三维模型对预制构件拆分方案、钢筋和预埋件定位进行优化设计，避免管线、预埋件、工装碰撞，同时考虑建筑、结构、生产、运输、吊装、施工等各环节的综合影响。拆分方案应满足规范、标准、设计等要求，同时便于生产与安装，台班工作效率高，有效降低开模和生产成本等。图纸深化设计文件完成校核后，应经原设计单位签章认可。将已签认的图纸输入PC智慧工厂管理系统，以智能化系统对生产全过程进行管控。深化设计人员在生产前对预制构件施工预留和预埋进行图纸交底。

3.2.2 模具设计

①模具设计方案优选

模具设计人员通过PC 智慧工厂管理系统对接设计数据，初步分析预制构件类型、种类、数量、预埋布置等情况，确定初步设计方案。通过PC 智慧工厂管理系统—专用模具管理板块—数字模具库进行模具设计方案经济性、便利性、通用性等方面的比较，优选模具设计方案。

②组合式模具设计、优化

分析预制构件，深化设计图纸，配套模具设计可直接调用数字模具库中的加工图纸进行设计并优化，完成该项目模具设计。当数字模具库中未建立相应的模具设计方案时，利用BIM 软件对预制构件模具进行设计，对存在的问题，从源头出发，优化模具结构和生产工艺，对具体设计图纸进行模具设计优化，形成模具加工图纸，并将该方案导入数字模具库，不断丰富和发展数字模具库。将模具图纸转化导入PC 智慧工厂管理系统形成模具数字化加工数据，对生产全过程进行管控。

3.2.3 形成数字化加工数据

模具图纸转化导入PC 智慧工厂管理系统形成模具数字化加工数据后，根据不同构件种类建立不同任务、进程的命令，利用PC智慧工厂管理系统的设备单机智能控制、多机协调联动控制等功能控制数字化加工数据分时、分段地分配至智能化光纤激光切割机、智能化光纤激光切管机、机械切断机、套丝机、数控液压闸式剪板机、电液伺服数控折弯机等智能化设备，实现进程的智能化控制，流程管控更加高效。

3.2.4 自动化切割下料

模具加工前应先进行技术交底。交底后，模具制作人员按照组合模具设计方案和模具加工排产计划，同上节一样利用PC智慧工厂管理系统进行操作。

切割下料工作开始前，操作人员进入智能化光纤激光切割机、智能化光纤激光切管机的操作系统，接收PC智慧工厂管理系统发送的数字化加工数据，按照加工数据编写加工程序。板材切割下料时，工作人员首先核准加工程序、板材信息、工艺参数关联文件、加工数量等信息，利用设备“自动寻边”功能完成机床的坐标系旋转，保证切割方向与板材的直边方向平行，选择“自动模式”，完成板材自动切割下料。管材下料时，工作人员首先核准加工程序、管材信息、工艺参数关联文件、加工数量等信息，检查无误后，选择“自动模式”，完成板材自动切割下料。

3.2.5 数控弯折、高效焊接

①数控弯折

针对部分需要弯折模具构件部品如企口等，采用电液伺服数控折弯机进行板材弯折处理。操作人员进入电液伺服数控折弯机操作系统，接收PC智慧工厂管理系统发送的需要弯折构件的数字化加工数据，根据模具构件的材质、厚度、长度和所需形成的形状和角度等信息，配以不同高度、形状、V 幅大小的上下模以及特殊形状的异形模具。工作人员按照加工数据编写程序、设定相应参数进行模具构件弯折作业。

②高效焊接

车间配备智能焊接机器人，同时定制配套夹具，可大幅面空间焊接，机器人智能化操作，灵活可靠，六轴联动，可任意空间焊接，不局限于平面焊接，焊接更加高效便利，可实现双工位或多工位焊接操作，节省产品安装夹具时间。焊缝表面较为平整、美观，焊接质量好。焊接前，操作人员根据焊接构件种类选择不同夹具，将模具构件拼装成形，然后进行焊接工作。智能焊接机器人采用自动寻边、自动扫描、自动编程、焊缝跟踪等技术，以3D 视觉识别和测量为核心手段，可智能识别作业对象及结构特征对象，快速生成自动化焊接任务，自主规划作业路径与焊接工艺，通过传感器测量焊缝偏移，避免因工件位置偏差造成焊接缺陷，提高生产效率及产品质量，跟踪精度可达0.1～0.3mm，操作人员无需专业焊接能力及编程知识就可直接上手，节省高达60%的时间和75%的成本，大大减轻焊工工作负担，提高生产效率。

3.2.6 试拼装组模

模具加工完成后，重点检查模具的尺寸及各面的垂直度和平整度，其质量应满足设计和规范的要求。检查无误后，在模具生产线进行试拼装组模，重点检查模具的开槽、开孔、整体性、可操作性等相关性能参数，拼装组模后进入下一工序。

3.2.7 模具上线

使用自动摆模设备将各部件模具摆放至模台，进行划线组模作业，PC 智慧工厂管理系统控制模台清扫机，实现模台自动化快速清理，必要时进行人工补充清理。模具清理干净后进行划线、布模，划线机接收系统构件几何形状数据，自动绘制构件、门、窗等轮廓线和预埋件位置线，布模机器人根据布模信息，自动取模、布模，按照设计要求依次进行拼装，模具拼接处应拼接严密、无间隙，以免漏浆。先将一侧模具与模台固定，再将其他模具与其连接，确保模具节点连接牢固。若没有与模台固定的模具则用磁盒固定，每侧不得少于两个磁盒，拼装完成后应进行质检，其模具尺寸及允许偏差需满足国家规范及设计图纸的要求。

4 应用实例与经济效益分析

以印山樾项目和蚌埠市公安局“三个基地”项目为例，将PC 构件组合模具制作技术与传统模具制作方法进行经济性比较。

由表1 可知，印山樾项目采用PC 构件组合模具制作技术比传统方法节省成本9.84%，工期加快6 天，直接成本降低4.699 万元；由表2 可知，蚌埠市公安局“三个基地”项目采用PC 构件组合模具制作技术比传统方法节省成本12.27%，工期加快7 天，直接成本降低2.944 万元。

表1 印山樾项目效益分析

表2 三个基地项目

两个项目共有预制构件5300m3，基于数字化、模数化的PC构件组合模具制作技术比传统施工方法降低成本7.643万元，平均降低14.42 元/m3，以年产量10 万m3PC 构件装配式建筑生产企业为例，测算年均效益为144.28 万元。随着智能化模具加工设备的运行，年均效益会进一步提升。

5 结束语

本文利用装配式智能建造PC 智慧工厂管理系统开展基于数字化、模数化的PC 构件组合模具制作技术研究。运用PC 智慧工厂管理系统设计模块的BIMBase 软件完成预制构件深化设计，构建数字模具库并优选模具设计方案，进行模具设计优化，形成模具加工图纸。模具图纸转化导入PC 智慧工厂管理系统形成模具数字化加工数据，根据不同任务、进程利用PC智慧工厂管理系统的设备单机智能控制、多机协调联动控制等功能控制数字化加工数据分时、分段的分配至车间智能化设备，通过“无人”切割下料、机器人高效焊接、自动寻边、离线编程、焊缝跟踪等技术应用，自动完成构件切割、搬运、焊接、划线组模等核心工序，实现模具的标准化、数字化、自动化、高效化加工。