Содержание к диссертации
Введение, 4
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ 12
ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1 Обзор математических моделей, используемых при 12
рациональном раскрое.
-
Нефлгурный раскрой. 14
-
Фигурный раскр ой. 19
1.2 Достоинства и недостатки существ}іощего 26
российского программного обеспечения.
-
САПР "Техтран". 28
-
Пакет "T-Flex". 31
-
Пакет "Сириус". 34
-
Программное обеспечение фирмы "Bystromc". 37
-
Программное обеспечение, использующееся на 38 производстве.
-
Цели и задачи исследования. 40 Выводы по главе 1. 42
Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 44
РАЦИОНАЛЬНОГО РАСКРОЯ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКЕ.
-
Постановка задачи. 44
-
Математическая модель плотной упаковки деталей, 47 внешний контур которых близок к кругу.
-
Численные алгоритмы. 52
-
Исследование влияния целевой функции для 55 граничных узлов на размеры кругов и форму плотной упаковки.
-
Методика построения плотной упаковки 69 деталей, внешний контур которых близок к кругу.
-
Методика размещения плотной упаковки на 75 листе прямоугольной формы.
Выводы по главе 2. 77
Глава 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО 19 ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОЙ УПАКОВКИ ЗАГОТОВОК ИЛИ ГРУППЫ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ, БЛИЗКИХ ПО ФОРМЕ К КРУГУ.
-
Структура и характеристики пакета рационального 79 раскроя.
-
Алгоритм составления карты раскроя заготовок 85 деталей, близких к кругу.
-
Алгоритм плотной укладки произвольного набора 89
кругов.
3.3.1 Блок-схема плотной укладки произвольного 90
^ набора кругов.
-
Блок - схема расчета радиусов кругов в плотной 101 упаковке.
-
Блок - схема расчета координат кругов при 103 плотной упаковке.
3.4 Алгоритм размещения плотной упаковки заготовок 104
деталей на прямоугольном листе материала.
Выводы по главе 3. 112
^
Глава 4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННЫХ 113
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, МЕТОДОВ,
АЛГОРИТМОВ И ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА.
-
Показатель эффективности использования материала 113 при раскрое.
-
Сравнительный анализ разработанной подсистемы 113 САПР "КАРТА (круг)" рациональной укладки заготовок деталей по форме, близких к кругу, с существующими пакетами программ.
*^ 4.3 Комбинированный раскрой. 125
4.3.1 Методы повышения плотности упаковки. 135
Выводы по главе 4. 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 140
Литература. 142
%
Введение к работе
Ключевыми словами любого производства сегодня являются качество, гибкость производства, высокая производительность и экономическая эффективность. Лазерные технологии, применяемые в обработке материалов, отвечают этим требованиям и считаются наиболее эффективными и перспективными [18,23,48]. Согласно прогнозам, в будущем конкурентоспособными в международном масштабе будут только те отрасли экономики, которые широко будут использовать лазерные технологии [79].
Применение лазеров при раскрое и резке материалов сейчас очень распространено, т.к. одновременно с высокой точностью и производительностью обработки в этом случае обеспечивается значительная экономия материала за счет очень малой ширины реза и рациональной системы раскроя в сравнении с традиционными технологиями. Структура использования лазеров для обработки материалов формируется таким образом, что около 37% составляют процессы резки, 16-20% - процессы сварки, а остальное - другие виды обработки [80,81]. К числу наиболее значительных преимуществ применения лазерной резки относятся следующие: высокое качество реза, высокая точность и повторяемость процесса, небольшая ширина реза и узкая зона термического влияния по сравнению с кислородной и плазменной, возможность резки сложных геометрических профилей и маленьких отверстий, незначительный перенос тепла и, следовательно, минимальные деформации и др. Лазерная резка позволяет достигать точности 0.2-0.4 мм на длине до Юм, при ширине реза 0.2-0.4 мм. Дефекты на поверхности разрезанных кромок, в том числе величина грата и зона термического влияния - не превышают ОЛ-0.5 мм. Т.е. точность изготовления заготовок и величина дефектов обработки измеряются при лазерной резке десятыми долями миллиметра, в то время как при традиционных способах разброс размеров и дефекты кромок достигают миллиметра и более.
Еще одним способом повышения эффективности производства является замена штамповки лазерной резкой [66]. Анализ показывает, что замена традиционных процессов лазерной резкой может быть эффективной особенно при изготовлении элементов, требующих трудоемкой обработки. Дополнительно следует учитывать стоимость оборудования для штамповки, которое, как правило, является существенной статьей расходов, тогда как при лазерной резке необходимо лишь изменить программу процесса. Особенно это важно при небольшой серийности изделия.
Экономия материальных ресурсов была и остается тем фактором повышения эффективности производства, при котором снижение материалоемкости промышленной продукции является одним из способов решения данной проблемы. Поэтому поиск рационального плана раскроя материала является одной из насущных задач любого производства. В машиностроении при раскрое листового материала и при большом разнообразии видов заготовок применяется прямоугольный и фигурный раскрой. Также на производстве рассматриваются задачи раскроя листа на заготовки деталей, которые по форме близки к кругу, треугольнику, трапеции, то есть вписываются в эти фигуры с хорошим коэффициентом заполнения (близким к единице) [12]. Рациональный раскрой материала характеризуется так называемым коэффициентом раскроя, который представляет собой отношение полезной площади всех заготовок деталей к площади листа, используемой для их получения.
Таким образом, можно смело утверждать, что поиск рационального плана раскроя листового материала на заготовки деталей, по форме близкие к кругу, является актуальной задачей, поскольку:
В машиностроении имеется очень большое количество различных видов заготовок деталей, по своей конфигурации близких к кругу. Поэтому имеет смысл поиск рационального плана раскроя для заготовок такого типа выделить в отдельную задачу.
Современные пакеты автоматизации проектирования при раскрое листового материала редко превышают коэффициент заполнения листа в 75%, поэтому есть место для дальнейших исследований в данном направлении.
Означенные проблемы невозможно решить без САПР [78]. Системы автоматизации проектирования - это инструментарий проектировщика, который предназначен для автоматизации проектирования требуемого объекта или системы, начиная от выдачи технического задания (ТЗ) на этот объект (систему) и заканчивая полученным результатом в виде разработанной технической документации. Подсистема (инструмент) САПР- это часть САПР, которая выделена по признакам соответствующей проектной процедуры и обеспечивающая получение завершенных проектных решений и проектных документов [19,70]. Подсистема САПР состоит из компонентов САПР, каждый из которых выполняет в подсистеме определенную функцию.
По предложенной Солышцевым Р.И. концепции - системы автоматизации проектирования включают в себя технические средства, а также математическое, программное, лингвистическое, информационное, методическое и организационное обеспечения [69,71]. Одними из важнейших обеспечений в рассматриваемой области являются математическое и программное, потому что создание методов, методик, разработка до ним алгоритмов и программ позволит автоматизировать процесс подготовки карт раскроя для лазерной резки.
Основные направления САПР ' разработаны в трудах И.П. Норенкова, В.И. Анисимова, Р.И. Солыпщева,
Г.Д. Дмитревича, В.Н. Нуждина и др [53,54,57,58,69,70,71]. Поиску рационального плана раскроя уделяли внимание Л.В. Канторович, В.А. Залгаллер, Э.А. Мухачева, Ф.В. Бабаев, В.В. Мартынов, и др [10,13,30,31,43,49,50,51].
Целью данной работы является разработка и исследование инструментария проектировщика в виде подсистемы САПР раскроя листового материала, направленные на экономию листового материала, уменьшение общего времени подготовки карт раскроя, что в свою очередь приведет к снижению технологического времени межоперационных переходов, уменьшению энергозатрат.
Методы исследования базируются на методах комбинаторной геометрии и методах оптимизации технических решений. Поиск рационального плана раскроя листового материала на заготовки деталей, по конфигурации близких к кругу, основан на поиске плотной упаковки кругов произвольного размера, а также на размещении этих кругов на прямоугольном листе материала. Это осуществляется с помощью математической модели, методик и алгоритмов, предложенных автором. Расчеты производились при помощи ПК на базе процессора Intel Pentium-IV с использованием математических систем Matlab, MathCAD, и программ, реализованных в среде Visual C++ [27,28,35].
Научную новизну и ценность составляет;
Разработанная математическая модель рациональной укладки произвольного набора деталей, по форме близких к кругу.
Предложенная методика расчета рациональной укладки деталей, близких по форме к кругу, основанная на математической модели плотной упаковки кругов произвольных радиусов.
Предложенная методика размещения плотной упаковки кругов (деталей) на прямоугольном листе материала.
Предложенный алгоритм нахождения плотной упаковки деталей, близких по форме к кругу, основанный на математической модели и методиках плотной укладки кругов произвольных радиусов.
Разработанная подсистема САПР "КАРТА (круг)*', автоматизирующая процесс рациональной укладки произвольного набора деталей, по форме близких к кругу.
Практическая ценность работы заключается в следующем: подсистема САПР "КАРТА (круг)" при формировании карты раскроя произвольного набора детален, по форме близких к кругу в среднем на 15-25% эффективнее использует листовой материал, по сравнению с существующими пакетами автоматизированного раскроя ("Техтран" и "Bystronic"). Предложены методы повышения эффективности использования материала для заготовок, позволяющих совмещение контуров за счет выступов и пазов деталей. Разработанная подсистема САПР "КАРТА (круг)" является частью нового пакета прикладных программ раскроя листового материала "Раскрой".
Публикации и апробация работы. Основные результаты работы (« опубликованы в 8 печатных трудах и докладывались на конференциях: "Гагаринские чтения", (г. Москва, 2000г), "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", (г. Екатеринбург, 2000г), научной сессии аспирантов, (СПГУАП, 2000,2002, 2003гг), международной конференции "Instrumentation in Ecology and Human Safety" 2002, 2004 ("ШНЗ'Ог", ^ "IEHS'04", St.Petersburg).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии.
В первой главе проведен анализ существующих методов и методик раскроя листового материала, а также рассмотрены возможности основных пакетов автоматизированного раскроя, использующихся на производстве. Обзор показал, что современные пакеты автоматизации раскроя не полностью отвечают требованиям, предъявляемым к системам в плане подготовки автоматизированных карт раскроя. В большинстве случаев раскладка происходит в полуавтоматическом режиме ("Сириус", "T-Flex" и др.), а коэффициент раскроя в среднем не превышает 70-75%. На основании этого формулируются цели и задачи исследования.
Во второй главе разработана математическая модель плотной укладки произвольного набора деталей, по форме близких к кругу. На основе анализа влияния типа комбинаторики и способа задания граничных условий на размеры внутренних кругов и внешнюю форму плотной упаковки предложено использование регулярных прямоугольных комбинаторик с размещением в качестве граничных условий набора кругов минимальных и максимальных радиусов. Разработана методика плотной укладки произвольного набора заготовок деталей, по форме близких к кругу, а также методика размещения плотной упаковки произвольного набора деталей на (* листе прямоугольной формы.
В третьей главе приводится структура пакета автоматизированного раскроя и место подсистемы САПР "КАРТА (круг)" - автоматизированного размещения заготовок деталей, по форме близких к кругу. Разработаны алгоритмы и блок-схемы плотной укладки произвольного набора заготовок или группы '* заготовок деталей, близких к кругу, основанные на плотном размещении кругов произвольной формы. Также разработаны алгоритмы расчета радиусов и координат кругов в плотной упаковке. Разработаны и реализованы блок-схемы и алгоритмы уплотнения заданного набора кругов в плотной упаковке и размещения плотной упаковки на листе материала.
В четвертой главе исследована эффективность разработанных математической модели, методик, алгоритмов и их преимущества. На примере существующих пакетов автоматизированного раскроя показаны достоинства разработанной подсистемы САПР "КАРТА (круг)".
В заключении даны основные выводы диссертационной работы в целом.
Основные полооїсения, выносимые на защиту.
Математическая модель рациональной укладки произвольного набора деталей, по форме близких к кругу.
Методика расчета рациональной укладки деталей, близких по форме к кругу, основанная на математической модели плотной упаковки кругов произвольных радиусов.
3. Методика размещения плотной упаковки кругов (деталей) на прямоугольном листе материала.
Алгоритм нахождения плотной упаковки деталей, близких по форме к кругу, основанный на математической модели и методиках плотной укладки кругов произвольных радиусов.
Подсистема САПР "КАРТА (круг)", автоматизирующая процесс рациональной укладки произвольного набора деталей, по форме близких к кругу.
Похожие диссертации на Исследование и разработка математического и программного обеспечений подсистемы САПР рационального раскроя листового материала при лазерной резке
