Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблем автоматизации подготовительно-раскройного производства изделий из натурального меха
1.1. Анализ процессов подготовительно-раскройного производства одежды из натурального меха
1.2. Способы измерения площадей фигур сложной конфигурации 13
1.3. Описание линий и поверхностей 18
1.4. Системы автоматизации проектирования швейных изделий 23
Выводы к главе 1 29
ГЛАВА 2. Аналитическое описание контура меховой шкурки и определение его площади 30
2.1. Описание контура меховой шкурки с помощью сплайн функций
2.2. Вычисление площади сплайнового контура 40
2.3.Преобразование сплайнового контура меховой шкурки в 47
полигональный
Выводы к главе 2 52
ГЛАВА 3. Разработка методики рационального размещения шаблона
3.1.. Разработка параметрических моделей шаблонов 53
3.2. Методика размещения шаблонов на шкурке 56
3.3. Алгоритм размещения шестиугольного шаблона на шкурке 66
3.4. Алгоритм проверки пересечения шаблона и контура шкурки 70
3.4.1. Процедура проверки пересечения двух отрезков контура шкурки и шаблона 72
3.4.2. Процедура проверки пересечения отрезка и дуги 73
3.5. Алгоритм рационального размещения шаблона трапециевидной формы 74
Выводы к главе 3 78
ГЛАВА 4. Разработка программного обеспечения размещения шаблона на меховой шкурке 19
4.1. Состав технических средств 79
4.2. Информационное обеспечение системы 79
4.2.1.. База данных пушно-мехового полуфабрикатов 82
4.2.2. Занесение полуфабриката в базу данных и его обработка 85
4.2.2.1 Алгоритм выделения контура из изображения шкурки 89
4.2.2.2. Описание программы рационального размещения шаблона на меховом полуфабрикате 101
4.2.2.3 Запросы к базе данных шаблонов 104
Выводы к главе 4 107
Основные результаты и выводы 108
Список использованных источников
- Способы измерения площадей фигур сложной конфигурации
- Вычисление площади сплайнового контура
- Алгоритм размещения шестиугольного шаблона на шкурке
- База данных пушно-мехового полуфабрикатов
Введение к работе
Условия растущей конкуренции отечественных и зарубежных производителей перед предприятиями серийного и единичного производства швейных изделий из натурального меха ставят вопросы повышения роли эффективного использования достижений науки и техники, внедрения компьютерных технологий на различных стадиях производственных процессов.
Одним из перспективных направлений развития подготовительно-раскройного производства (ПРП) является прогрессивность технологии, обеспечивающая возможность комплексной механизации и автоматизации производственных процессов. Внедрение автоматизированных систем в ПРП позволяет осуществить комплекс мероприятий по обеспечению конкурентоспособности меховых изделий на рынке.
Технологические операции подготовительно-раскройного производства предприятий по изготовлению изделий из натурального меха выполняются с использованием больших затрат ручного труда. Все подготовительные операции осуществляются на основе многократного перебора и сравнения характеристик пушно-мехового полуфабриката, и результаты работы зависят от субъективных оценок исполнителей [2, 18, 19, 27, 35,42,44].
Однако оперативное реагирование на изменение конъюнктуры рынка становится все труднее осуществлять без внедрения в процессы проектирования и подготовки производства компьютерных технологий, обеспечивающих скорость и качество выполнения работ.
Системы автоматизированного проектирования (САПР), применяемые на предприятиях швейной отрасли, предназначены для осуществления конструкторско-технологической подготовки производства и ориентированы в основном на проектирование изделий из текстильных материалов [16, 20, 21, 26, 45, 61, 66-68, 70, 71, 78, 129]. САПР «Gerber» (США) дополнена функциями передачи информации на автоматизированные раскройные комплексы, а САПР «Ассолль», «Комтекс» - в базы данных автоматизированных систем управления технологическими процессами [5—8, 60, 62]. В настоящее время разработаны модули САПР, которые позволяют выполнять раскладку лекал деталей изделий на поверхности натуральных кож с учетом их внешнего контура и дефектов [4, 9], а также с учетом анизотропных свойств натуральной кожи [94].
Не все модули рассмотренных САПР применимы для проектирования меховой одежды в связи с особенностями свойств основных материалов.
Разработанная научно-исследовательским институтом меховой промышленности (НИИМП) совместно с Московским физико-техническим институтом «САПР-мех» позволяет проектировать меховые изделия различных конструктивных решений и разбивать контуры лекал на простые геометрически составляющие - шаблоны [36-38]. Основой определения параметров шаблона служат среднестатистические размеры кожевой ткани пушно-мехового полуфабриката. При этом не учитываются индивидуальные параметры пушно-мехового полуфабриката, сложный контур меховой шкурки, изменение ее линейных размеров и площади после операции «правка».
В настоящее время отбор необходимых из имеющихся в партии шкурок в соответствии с заданными параметрами шаблонов и размещение их на меховом полуфабрикате выполняются вручную. Поэтому решение задачи автоматизации проектирования рационального размещения шаблонов на пушно-меховом полуфабрикате весьма актуально.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методики автоматизированного проектирования процесса размещения шаблонов, подобранных в соответствии с заданными параметрами, на пушно-меховом полуфабрикате с учетом его полезной площади и изменения размеров в результате правки, что позволяет сократить затраты времени за счет устранения ручного перебора шкурок из партии и повысить эффективность использования шкурок.
Для достижения поставленной цели решались следующие научные и практические задачи: разработать методику аналитического описания сложного контура меховой шкурки, позволяющую учитывать изменение контура после операции «правка», и расчета ее площади; разработать параметрические модели основных видов шаблонов, позволяющих с помощью ЭВМ выбирать и изменять их форму и размеры; разработать алгоритмы рационального размещения шаблонов на меховой шкурке с учетом ее полезной площади; - разработать программное обеспечение, позволяющее в автоматизированном режиме подбирать рациональные по площади шкурки в соответствии с заданными параметрами шаблонов и размещать их на пушно- меховом полуфабрикате.
Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось на основе математического анализа, использования методов математического моделирования, аналитической геометрии, сплайн-функций, теории и практики проектирования швейных изделий, теоретических основ САПР, алгоритмизации и программирования.
Научная новизна работы: разработана методика описания сложного контура мехового полуфабриката с помощью сплайн-функций, отличающаяся тем, что позволяет учитывать изменение контура и площади шкурки после операции «правка»; разработана параметрическая модель шаблонов, позволяющая выбирать их форму и параметры в процессе проектирования изделий из натурального меха; - разработаны алгоритмы рационального размещения шаблонов на поверхности правленой меховой шкурки с учетом ее полезной площади.
Практическая значимость результатов работы.
Разработано программное обеспечение, которое позволяет в диалоговом режиме задавать форму и размеры шаблонов и в автоматизированном режиме выбирать необходимые рациональные по площади шкурки из базы данных, что дает возможность исключить ручной труд перебора шкурок, а также рационально размещать шаблоны на пушно-меховом полуфабрикате.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены в производственный процесс мехового салона-ателье «Ренард» г. Омска, используются в учебном процессе на кафедре «Технология швейных изделий» Омского государственного института сервиса в лекционном курсе и для практических работ по дисциплинам «Технология скорняжного производства», «Технология изделий из кожи и меха по индивидуальным заказам», а также при выполнении курсового и дипломного проектирования научно-исследовательского характера для студентов специальности 230700 Сервис.
Апробация работы.
Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на межвузовских научно-практических конференциях: «Молодежь, наука, творчество...», г. Омск (2003 г., 2005 г.); «Тенденции и перспективы развития легкой промышленности, повышение конкурентоспособности товаров в период подготовки к вступлению России в ВТО», г. Омск (2005 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сервиса», г. Самара (2004 г.); на III Международной научно-практической конференции «Современные тенденции и перспективы развития образования в высшей школе», г. Омск, (2005 г.); на Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза (2005 г.); научно-практическом семинаре «Актуальные вопросы совершенствования проектирования и производства изделий из натурального меха и кожи», г. Омск (2005 г.), заседаниях кафедры «Технология швейных изделий» ОГИС.
Диссертационные исследования выполнялись в рамках госбюджетной работы ГБ—02-05 № 01.2.00503413 «Совершенствование автоматизации объектов сервиса (швейная промышленность)» кафедры технология швейных изделий Омского государственного института сервиса.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 10 печатных работах.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, основной части из четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 141 источник, и 7 приложений. Диссертация изложена на 122 страницах, содержит 3 таблицы, 65 рисунков.
Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору кафедры информационных технологий Сибирской автомобильно-дорожной академии Браилову Ивану Григорьевичу за постоянное внимание и научное консультирование.
Способы измерения площадей фигур сложной конфигурации
В ряде отраслей легкой промышленности - кожевенной, меховой, обувной, галантерейной и др. — учет количества выпускаемой продукции зависит от точности измерения, совершенства измерительных средств и правильности их использования. Точность измерения в основном определяется способом измерения, который положен в основу того или иного измерительного устройства [28, 63, 140]. Выбор способа измерения зависит от вида производства.
В швейной промышленности для измерения площади лекал деталей изделий, которые относятся к сложным фигурам, применяют следующие способы: геометрический, комбинированный, способ взвешивания [81].
Рисунок 1.2 —Геометрический способ измерения площади лекал При геометрическом способе выполняют разбивку каждого лекала на ряд простейших геометрических фигур (рисунок 1.2), площадь которых рассчитывают и суммируют [63]. Геометрический способ не учитывает участки со сложной контурной линией, вследствие чего определение площади лекала не является точным.
Площадь криволинейных участков можно определить комбинированным способом по формуле приближенного интегрирования (рисунок 1.3): где h — длина отрезка по оси ОХ; У\,У2, "У„ — ординаты криволинейного участка.
Однако определение площади лекал деталей изделия комбинированным способом является трудоемким процессом, так как для получения более точного результата количество отрезков h криволинейного участка необходимо увеличивать.
Способом взвешивания определяют площадь лекал, исходя из пропорционального соотношения площади и массы материала. Вырезанные лекала из материала взвешивают и сравнивают с массой образца материала. В этом случае сумму площадей лекал определяют по формуле:
Определить площадь фигур сложной конфигурации можно, используя полигональную модель [105, 106]. Например, в аграрной промышленности контур земельных угодий рассматривается как полигон, координаты точек вершин которого в пределах каждой оси имеют один и тот же знак [86]. Общая площадь вычисляется непосредственно произведением координат по формуле:
Недостаток рассмотренного приема вычисления площади заключается в том, что если в процессе вычисления допущена ошибка, то работу следует произвести заново. Для сокращения затрат времени на повторные вычисления при большом количестве вершин полигон разбивается на части.
В меховой промышленности площадь сырых и выделанных шкурок в соответствии со стандартом, определяется произведением длины на ширину (рисунок 1.4). Способ определения длины зависит от вида шкурок. Ширину шкурок всех видов меха измеряют на уровне середины длины. Для измерений используют измерительную линейку или измерительную доску.
При приемке партии по размерам из нее выбирают несколько шкурок, соответствующих по площади пределам стандартных размеров данного вида, и путем визуального сравнения с ними разбивают по размерам все шкурки данной партии.
Вычисление площади сплайнового контура
Анализ литературных источников и работы предприятий по изготовлению меховых изделий показал, что определение площади пушно-мехового полуфабриката имеет большое значение для точного учета меховых материалов и их рационального использования. Так как контур меховой шкурки имеет сложную конфигурацию и его принято описывать кубическими сплайнами, то задача определения площади мехового полуфабриката находит свое решение в интегральном исчислении [124,125].
Точка А соответствует t = Q,B=\4, С — t -V[ , D — / = 1. Последняя точка і-го сплайна является первой точкой і + \-го. Контур замкнут, т.е. первая точка контура является последней. Если к 0, т.е. общее число точек не кратно 3, то по оставшимся к точкам нельзя построить еще один сплайн. В этом случае контур достраивается и замыкается отрезками прямых.
Для каждой кривой К, функции p(t), y/(t) будут непрерывны на отрезке ( ,tbl). В точках Д), А{,А2, где контур не дифференцируем, интеграл можно не считать — изменение счетного числа точек не влияет на результат интегрирования. В данном случае число точек не только счетное, но и конечно. Тогда площадь»? к, ограниченная замкнутым контуром, состоящим из п кривых Кп будет равна
На практике многие кривые и поверхности имеют довольно сложную форму, не допускающую универсального аналитического задания в целом при помощи элементарных функций. Поэтому их собирают из сравнительно простых гладких фрагментов - отрезков (кривых) или вырезков (поверхностей), каждый из которых может быть вполне удовлетворительно представлен в виде элементарной функции одной или двух переменных.
Сложный контур меховой шкурки аппроксимируется кубическими сплайнами. Сплайны, являющиеся многочленами 3-й степени, позволяют путем вычисления производной 2-го порядка состыковать соседние участки шкурки.
Пусть контур меховой шкурки состоит из п кубических сплайнов. Необходимо преобразовать его в полигональный контур, состоящий из отрезков прямых. Для преобразованного в полигональный с заданной точностью контура максимальная площадь размещенного шаблона, заданного определенным контуром, решается алгоритмически и не требует расчетов производных во всех точках кривой.
Полигональные модели - это модели 2d, 3d тел, которые состоят из полигональных участков [89, 137]. Для плоских 2d тел полигональные участки ограничиваются прямыми, для 3d тел — плоскостями. Контур меховой шкурки можно описать с помощью прямых [105, 106]. Рассмотрим кубический сплайн, заданный опорными точками А, В, С, D (рисунок 2.9) [96].
Получаем два сплайна с опорными точками A, PQ„ Qo„ GH G, Qi, Р2„ D. Так как точки Q0, G, Qi лежат на одной прямой по построению, то два новых сплайна склеиваются гладко (с непрерывной производной) в точке G. Это свойство сплайнов позволяет построить рекурсивную процедуру деления сплайна. В нашем случае на вход рекурсивной процедуры деления подаются координаты точек А, В, С, D. Затем вычисляются dlt йг— расстояния от прямой AD до точек В и С соответственно по формуле di = NBX + MB у + К V N2+M2 (2.20) где N = Dy-Ay3 M = Ar-Dx, K Byfa-Aj-Bfa-A,). Для d2 вычисляется аналогично. Далее проверяется условие ( /, d)/\(d2 d).
Если данное условие выполняется, то, сплайн, заданный точками А, В, С, D отличается от прямой не более чем на d. Тогда в выходную структуру данных добавляется найденный линейный участок с концами в точках А и D и рекурсивная процедура деления заканчивается.
В противном случае необходимо дальнейшее разбиение кубического сплайна и вычисление точек Р0, Р{, Р2, QQ, QI, G, ВЫЗОВ рекурсивной процедуры с координатами точек А, Р& Qo G и рекурсивной процедуры с координатами точек G, Qi, Р2, D (рисунок 2.10).
Алгоритм размещения шестиугольного шаблона на шкурке
На вход алгоритма поступает массивы координат точек концов отрезков V, составляющих полигональный контур, Y — ординату верхней границы прямоугольного шаблона, W - ширину прямоугольного шаблона, Я - высоту прямоугольного шаблона (рисунок 3.12).
Алгоритм вычисляет координаты точек Р, Q - вершины шестиугольного шаблона на линии хребта (рисунок 3.13). Данный алгоритм использует процедуру проверки пересечения контура и шаблона.
Рассмотрим процесс вычисления координат точки Q. Точка Q должна быть расположена насколько возможно близко к точке А так, чтобы шаблон не пересекал контур. Заранее известно из особенностей шаблона, что эта точка должна располагаться на отрезке \АВ\ (рисунок 3.14). Для шестиугольного шаблона \АВ\ = 1.5СМ [75].
Применяется процедура двоичного (дихотомического) поиска. Поиск начинается с точки В - в этой точке шаблон гарантированно не пересекает контур, т.к. шаблон полностью находится внутри прямоугольника. Алгоритм вычисляет вспомогательные точки Ts и Тг (рисунок 3.15) так, что в точке Т, шаблон не пересекает контур, а в точке Тг — пересекает. (Шаблон может не пересекать контур с Q = Тг в случае, если Тг = В и точка Q лежит вне отрезка \АВ\). К — задаваемое заранее число шагов алгоритма. Положение точки Q вычисляется с точностью \ЛВ\/{2К). Точка Р находится аналогично.
Алгоритм размещения произвольного (например, шестиугольного) шаблона на меховой шкурке представлен на рисунке 3.16.
После размещения шаблона в контуре меховой шкурки необходимо провести процедуру проверки пересечения шаблона и контура и проверки пересечения двух отрезков.
На вход процедуры поступает массив координат точек концов отрезков V, составляющих полигональный контур, двунаправленный список элементов Z, составляющих шаблон (отрезков и дуг окружностей). Отрезок задается двумя точками(х,, ]), (х2,у2). Дуга задается точкой(д:0,70), радиусом R, двумя угла-миог,, а2 (рисунок 3.17).
Процедура проверяет пересечение всех элементов контура со всеми элементами шаблона. Если найдено хотя бы одно пересечение, то процедура завершается с ответом «Да». Если не удалось найти ни одного пересечения, то процедура завершается с ответом «нет». Блок-схема алгоритма процедуры проверки пересечения шаблона и контура представлена на рисунке 3.18.
Отрезки задаются координатами точек концов отрезков (рисунок 3.19). Вычисляется точка пересечения прямых, на которых лежат отрезки. Если прямые не пересекаются, то процедура завершается с ответом «Нет». Если прямые пересекаются и точка пересечения принадлежит обоим отрезкам, то процедура завершается с ответом «Да».
где xf, yf, xlt у,- точки пересечения прямой и окружности. Если у этой системы есть решения, то необходимо проверить, принадлежат ли эти точки отрезку и дуге (рисунок 3.17). Если x!e[xl,x2], y,e[ylty2] или yf e[yt,y2], xfe[xlix2], то точка х„ у, или Xj,yf принадлежит отрезку. Если а, [«,,ог2] или af e[ar,,а2], то точка х,, yt или Xj, yf принадлежит дуге. Если хотя бы одна точка принадлежит отрезку и дуге, то процедура завершается с ответом «Да», иначе — с ответом «Нет».
Алгоритм рационального размещения шаблона трапециевидной формы
На вход алгоритма поступают построенная при размещении прямоугольного шаблона функция LmA (у).
Алгоритм вычисляет у- ординату верхнего основания трапеции, w,— половину ширины верхнего основания, у2 - ординату нижнего основания трапеции, w2- половину ширины нижнего основания, Я - высоту трапеции (рисунок 3.20) .
Основные этапы алгоритма:
1. Построение массивов координат точек концов отрезков Уи, Vd. В массив Уи заносятся те элементы Imin (у), на которых может располагаться верхнее основание трапеции, т.е. х, -!„,;„( ,); х2= Lm-n (у2); уг ух\ х2 х, (рисунок 20-отрезок АВ). В список Vd заносятся те элементы Z,min (у), на которых может распо лагаться нижнее основание трапеции, т.е. ж, = Lmin(y}); х2= Lmin(y2); у2 у,; х2 х, (рисунок 3.20 - отрезок CD).
База данных пушно-мехового полуфабрикатов
Модуль предназначен для хранения, загрузки, отображения и обработки изображений и контуров шкур, обеспечивает пользовательский интерфейс, интерактивную помощь. Модуль также позволяет управлять режимами отображения и редактирования. При разработке к модулю предъявлялись следующие требования: модуль должен позволять пользователю просматривать в различных масштабах изображение шкурки и размещение контура на шкурке; модуль должен позволять пользователю редактировать контур — передвигать, удалять или добавлять точки; модуль должен позволять пользователю управлять параметрами визуализации — режимом отображения, цветом и размером выводимых элементов контура и шкурки; модуль должен позволять пользователю получать не только графическую, но и текстовую информацию - текущий масштаб отображения, координаты точек, размеры изображения и т.д.; модуль предназначен для обработки больших объемов графических данных, поэтому реализация модуля должна экономно расходовать ограниченные системные ресурсы (растры и т.п.); модуль должен предоставлять пользователю подробную интерактивную помощь по каждому шагу алгоритма или процедуры обработки изображения; модуль должен обеспечивать высокое быстродействие при обработке больших изображений.
Модуль содержит реализацию алгоритмов для размещения шаблонов, обработки и оптимизации контуров, преобразовании изображений. Алгоритмы реализованы на языке C++. При разработке к модулю предъявлялись следующие требования: реализация растровых алгоритмов для повышения быстродействия должна использовать прямое обращение к пикселям растра в обход медленных функций WinGDI [90]; алгоритмы обработки контура и размещения шаблона должны быть оптимизированы по коду.
3. Модуль базы данных.
Модуль служит для работы с базой данных шкур и шаблонов. Позволяет добавлять, удалять, модифицировать базу данных и исполнять пользовательские запросы.
В качестве структур данных, применяемых в алгоритмах, используются шаблоны STL (Standard Template Library). Драйвер базы данных - BDE(Borland Database Engine). В целях экономии системной памяти при работе с большими (более 20 Мб) изображениями применяются DlB-секции [90].
Разработанное информационное обеспечение (баз данных) отвечает следующим требованиям: - адекватности - объективность и полезность хранимых данных обеспечивает подбор пушно-меховых полуфабрикатов в соответствии с заданными параметрами шаблонов; - достаточности — репрезентативность информации достигается накоплением, корректировкой и своевременным обновлением данных, исключая их дублирование; - доступности — способ представления данных дает возможность свободного доступа для взаимодействия с пользователем.
Основной задачей проектируемой базы данных (БД) является обеспечение необходимой информацией [23, 33] программы автоматизированного проектирования размещения шаблонов на поверхности правленой меховой шкурке.
Результатом проектирования системы является ее модель [41, 128].
Моделью данных называется описание организации данных в системе. Одной из задач логического проектирования является создание адекватной модели данных и ее нормализация. Логическую модель данных — логическое представление — удобно представлять в виде диаграмм классов и диаграмм объектов, где между классами и объектами устанавливаются ассоциации. Ассоциация между классами выражает реляционное отношение, обладающее определенной кардинальностью [51, 91, 93]. Кардинальность, приписанная в каждом конце ассоциации, определяет количество экземпляров соответствующего класса (количество объектов), связанных с экземплярами класса на другом конце ассоциации.
Модель системы должна удовлетворять следующим требованиям: Точность. Корректность описания свойств проектируемой системы. Непротиворечивость различных частей описания модели. Простота соединения. Необходимо предусмотреть возможность соединения разных моделей одной системы. Простота изменения в процессе создания системы. Простота понимания, насколько это возможно.
Модель данных о полуфабрикатах (рис. 4.1) предназначена для хранения информации о материалах. В модели данных о полуфабрикатах основной является таблица «Полуфабрикаты».
В работе [15] разработанная база данных «Мех», предназначенная для хранения и обработки информации о пушно-меховых полуфабрикатах, обеспечивает хранение, корректировку и использование информации о свойствах и параметрах каждой единицы пушно-мехового полуфабриката. Однако информация об изображении меховой шкурки в базе данных «Мех» отсутствует. В связи с этим проектируемую базу данных необходимо дополнить таблицей, которая содержит не только код полуфабриката и его описание, но и изображение полуфабриката. Данная таблица содержит информацию о наличии определенных полуфабрикатов и размещенных в них шаблонах. Каждому полуфабрикату соответствует единственная запись в этой таблице, которая имеет уникальный идентификатор (ключ) - номер полуфабриката. В таблице хранятся данные о размещенных шаблонах - прямоугольном, шестиугольном, овальном, клиновидном, овальном трапециевидном и шаблоне «лопатка». В соответствие с требованиями к реляционным базам данных [93] информация о шаблонах не была выделена в отдельную таблицу.
