Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблемы автоматизированного проектирования раскроя листовых материалов 14
1.1. Основные задачи автоматизации раскройно-заготовительного производства 14
1.2. Анализ подходов к разработке cad/сам систем раскроя листового материала 21
1.3. Анализ методов решения оптимизационных задач раскроя 37
1.4. Задачи оптимизации маршрута движения режущего инструмента 48
1.5. Анализ программного обеспечения для автоматизации проектирования раскроя материала и автоматизированной подготовки уп для машин с чпу 60
Глава 2. Оптимизация проектирования раскроя листового материала в единичном и мелкосерийном производстве ... 69
2.1. Классификация задач оптимизации раскроя по технологическим и геометрическим признакам 69
2.2. Исследование метода прямоугольной аппроксимации для решения задач нерегулярного фигурного раскроя 78
2.3.разработка декодеров прямоугольной упаковки и вычислительных алгоритмов оптимизации функционалов, заданных на множестве перестановок 85
2.4. Реализация методов формирования допустимых решений для задачи фигурного раскроя на основе дискретно-логического описания геометрических объектов 99
2.5. Автоматический выбор метода расчета фигурного раскроя с использованием сравнительного анализа алгоритмов 110
Глава 3. Автоматизация подготовки управляющих программ для машин резки листового материала с чпу ... 121
3.1. Сравнительный анализ технологий резки материала на технологическом оборудовании с чпу 121
3.2. Методы уменьшения тепловых деформаций заготовок при проектировании уп для машин термической резки материала 130
3.3.оптимизационные задачи проектирования уп и стратегии формирования маршрута инструмента 142
3.4. Использование специальных возможней технологического оборудования резки листовых материалов при программировании управляющих программ 159
3.5. Автоматизация проектирования и изготовления малых архитектурных форм типа «решетка» 168
Глава 4. Разработка концепции, структуры, функциональных требований и программного обеспечения универсальной интегрированной cad/сам системы проектирования технологических процессов раскроя листового материала 184
4.1. Концепция разработки универсальной интегрированной сапр технологических процессов раскроя листового материала. Состав и структура программного обеспечения 184
4.2. Требования к функциям основных подсистем универсальной cad/сам системы раскроя в единичном и мелкосерийном производстве 196
4.3. Интеграция программного обеспечения расчетов линейного, прямоугольного, параллелепипедного раскроя-упаковки и универсальной cad/сам системы фигурного раскроя 209
4.4. Применение api t-flex cad для разработки сапр фигурного раскроя материала 217
Глава 5. Разработка и внедрение сапр «Сириус» 231
5.1. Состав и структура программного обеспечения сапр «сириус» 231
5.2. Реализация подсистемы автоматизированного проектирования фигурного и прямоугольного раскроя в сапр «сириус» 242
5.3. Применение сапр «сириус» для оптимизации экономических характеристик термической резки листовых материалов 251
5.4. Внедрение интегрированных cad/сам решений сапр «сириус» на предприятиях с единичным и мелкосерийным типом производства 258
Основные выводы и результаты 265
Литература 269
Приложение а 310
- Анализ подходов к разработке cad/сам систем раскроя листового материала
- Исследование метода прямоугольной аппроксимации для решения задач нерегулярного фигурного раскроя
- Методы уменьшения тепловых деформаций заготовок при проектировании уп для машин термической резки материала
- Требования к функциям основных подсистем универсальной cad/сам системы раскроя в единичном и мелкосерийном производстве
Введение к работе
Актуальность темы. В машиностроении и других отраслях промышленности существенная часть продукции изготавливается из заготовок, получаемых из листовых материалов на различном технологическом оборудовании. К такому оборудованию относятся, в частности, машины с числовым программным управлением (ЧПУ) для лазерной, плазменной, газовой (кислородной), электроэрозионной и гидроабразивной резки материала. В условиях снижения серийности производства, которые в настоящее время оказались характерными для большинства промышленных предприятий не только в России, именно машины с ЧПУ становятся основным видом станков, удовлетворяющих требованию максимальной простоты адаптации к постоянным изменениям номенклатуры получаемых заготовок. Как известно, использование систем автоматизированного проектирования (САПР) управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ (Computer-Aided Manufacturing, CAM-систем) обеспечивает значительное сокращение времени подготовки программ в сравнении с «ручным» проектированием. Разработка УП для технологического оборудования резки предполагает предварительное геометрическое моделирование заготовок и получение раскройной карты листового материала, что порождает задачи оптимизации раскроя материала, которые заключаются в минимизации расхода материала при получении из него заготовок известных форм и размеров. Программное обеспечение, автоматизирующее процесс описания геометрии заготовок и проектирования раскроя принято относить к CAD (Computer-Aided Design) системам.
Начиная с середины 80-х годов прошлого века, во многих странах Европы и в США разрабатывалось математическое и программное обеспечение систем автоматизированного проектирования для решения задач оптимизация раскроя промышленных материалов и автоматизированной подготовки управляющих программ для машин резки с ЧПУ. Созданные на основе этих разработок CAD/CAM – системы отличаются, помимо применяемых математических моделей, методов и алгоритмов, также и различной степенью универсальности, которая касается как широты охватываемых задач раскроя материала, так и спектра технологического оборудования, поддерживаемого системой. Если говорить о зарубежных САПР, то на российском рынке сейчас, в основном, превалируют узкоспециализированные CAD/CAM системы, приобретаемые предприятиями вместе с конкретной машиной с ЧПУ. Такие системы, как правило, имеют эффективный CAM-модуль, разработанный специально для данного типа машин, и позволяют решать определенный (хотя и весьма ограниченный) круг задач проектирования раскроя листового материала. Вместе с тем, применение этих САПР вне рамок их специализации чаще всего бывает нецелесообразно, либо невозможно. Универсальные зарубежные CAD/CAM системы помимо высокой стоимости также имеют и недостаточно универсальные подсистемы проектирования раскроя и, как правило, CAM – модули, ориентированные, в первую очередь, только на автоматизацию процесса подготовки управляющих программ. При этом остаются нерешенными вопросы оптимизации разработки УП с точки зрения стоимости и времени резки. Кроме того, остается малоизученной проблема создания автоматизированных средств формирования УП, обеспечивающих минимизацию тепловых деформаций материала при термической резке на машинах с ЧПУ.
Российские разработчики, работающие в этой предметной области, имеют серьезные успехи в теоретических исследованиях вопросов оптимизации для многообразных задач раскроя-упаковки (Cutting & Packing, C&P), к которым относятся и задачи раскроя. Огромный вклад в разработку алгоритмов оптимизации раскроя материала, начало которой положили известные работы Л. В. Канторовича и В. А. Залгаллера, внесла самая крупная отечественная научная школа раскроя-упаковки Э. А. Мухачевой (Э. А. Мухачева, М. А. Верхотуров, В. В. Мартынов, В. М. Картак, А. С. Филиппова, А. Ф. Валеева и др.). Среди зарубежных ученых, работающих в области создания методов оптимизации раскроя, следует отметить харьковскую научную школу Ю. Г. Стояна. Активно ведутся исследования задач C&P в Германии, США, Италии, Японии, Китае, Израиле и др. странах.
Общие вопросы создания САПР описаны в работах И. П. Норенкова. Гораздо более скромны достижения российских ученых в теории и практике разработки САПР раскроя листовых материалов и автоматизации подготовки управляющих программ для технологического оборудования резки с ЧПУ. В этой области в настоящее время работают, в частности, В. Д. Фроловский, М. А. Верхотуров и многие специалисты-практики.
Актуальность разработки отечественной интегрированной универсальной CAD/CAM системы, адекватной потребностям современного раскройно-заготовительного производства в различных отраслях промышленности, значительно возрастает и в связи с упомянутой выше тенденцией индивидуализации производства. Известно, что задачи оптимизации раскроя наиболее сложны на предприятиях с единичным и мелкосерийным типом производства. В первую очередь, это касается отсутствия математических моделей и алгоритмов, гарантирующих получение оптимального решения для большинства раскройных задач. Во-вторых, сложность получения даже приближенного рационального решения связана с временными ограничениями на проектирование раскройных карт. Эти ограничения диктуют также необходимость в разработке средств адекватного выбора существующих алгоритмов раскроя при решении практических задач. Кроме того, сложные раскройные карты, характерные для единичного и мелкосерийного типа производства, усложняют и разработку оптимальной технологии резки материала и соблюдение технологических требований резки. Все это делает особенно важным разработку методологии создания эффективных компьютерных средств автоматизации и оптимизации всех технологических процессов раскроя материала для предприятий с таким типом производства. Слабо разработаны до сих пор и теоретические вопросы, связанные с описанием структуры и функций САПР фигурного раскроя, адекватной потребностям единичного производства.
Таким образом, проблема разработки научных основ создания универсальных интегрированных САПР раскроя листового материала и автоматизации технологической подготовки раскройно-заготовительного производства на базе машин с ЧПУ является одной из актуальных народно-хозяйственных задач, решение которой позволит разработать и внедрить ресурсосберегающие технологии при производстве изделий в различных отраслях промышленности.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методологических и теоретических основ автоматизации проектирования раскроя листовых материалов на базе машин с ЧПУ.
Для реализации указанной цели в работе ставятся и решаются следующие основные задачи:
разработка новых алгоритмов фигурного и прямоугольного раскроя на основе аппроксимационного подхода, дискретно-логической модели описания геометрических объектов и методов декомпозиции решения задач раскроя-упаковки с целью получения рациональных вариантов раскроя в автоматическом и интерактивном режиме проектирования за время, адекватное реальным условиям единичного и мелкосерийного производства;
разработка метода автоматического выбора рационального оптимизационного алгоритма раскроя на основе классификации задач и сравнительного анализа алгоритмов с целью сокращения времени оптимизации и повышения коэффициента использования материала;
разработка новых автоматических и интерактивных методов проектирования управляющих программ для машин резки листовых материалов с целью минимизации временных и стоимостных характеристик резки и уменьшения тепловых деформаций материала при термической резке;
разработка концепции и методологии создания универсальных интегрированных CAD/CAM систем, ориентированных на автоматизацию раскройно-заготовительного производства на базе машин с ЧПУ в единичном и мелкосерийном производстве с целью описания структуры, функций и способов программной реализации эффективной САПР фигурного раскроя, адекватной потребностям современного производства;
разработка программного обеспечения универсальной интегрированной САПР раскроя листового материала в единичном и мелкосерийном производстве с целью реализации предложенных методологии, методов и алгоритмов и апробации системы на промышленных предприятиях в различных отраслях промышленности и для различного технологического оборудования с ЧПУ.
Методы исследования. Результаты исследований, выполненных в работе, базируются на методах дискретной оптимизации и оптимизации размещения геометрических объектов, эвристических методах, применяемых при реализации оптимизационных алгоритмов, теории систем автоматизированного проектирования, основных понятиях и существующих технологиях резки листового материала. При разработке алгоритмов и программного обеспечения использовались принципы модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования. Для проведения исследований и оценки эффективности полученных результатов использовался вычислительный эксперимент и апробация разработанного программного обеспечения на промышленных предприятиях.
Основные научные результаты, полученные автором и выносимые на защиту
-
Алгоритмы фигурного и прямоугольного раскроя на основе аппроксимационного подхода, дискретно-логической модели описания геометрических объектов и декомпозиции оптимизационной задачи раскроя на задачу формирования множества допустимых решений, однозначно определяемых последовательностью размещения объектов на материале, и задачу поиска оптимальной последовательности.
-
Метод автоматического выбора рационального оптимизационного алгоритма раскроя на основе классификации задач и сравнительного анализа алгоритмов.
-
Методы проектирования управляющих программ для машин резки листовых материалов, основанные на способах уменьшения термических деформаций материала и на минимизации стоимости резки за счет применения техники «совмещенного» реза, «цепной» резки и других способов уменьшения временных и стоимостных характеристик резки.
-
Концепция и методология создания универсальных интегрированных CAD/CAM систем, их структура и функции, ориентированные на автоматизацию раскройно-заготовительного производства на базе машин с ЧПУ термической и гидроабразивной резки в единичном и мелкосерийном производстве.
-
Программное обеспечение универсальной интегрированной САПР раскроя листового материала.
Научная новизна результатов. Автором разработаны методологические и теоретические основы автоматизации проектирования раскроя листовых материалов на базе машин с ЧПУ, позволяющие создавать универсальные интегрированные САПР раскроя материала в единичном и мелкосерийном производстве. В диссертации изложены новые научно-обоснованные решения по разработке и исследованию моделей, алгоритмов и методов автоматизации проектирования технологических процессов раскроя, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение эффективности раскройно-заготовительного производства. Новизна результатов диссертационного исследования, в частности, заключается в следующем.
-
На основе аппроксимационного подхода, дискретно-логического представления геометрической информации и декомпозиции оптимизационных задач раскроя-упаковки разработаны методы автоматизированного проектирования фигурного раскроя, отличающиеся тем, что позволяют выполнять проектирование рационального варианта раскроя за время, приемлемое для условий единичного производства. При этом учитываются технологические требования резки материала.
-
На основе классификации задач и сравнительного анализа алгоритмов разработан метод автоматического выбора рационального оптимизационного алгоритма раскроя, отличающийся тем, что позволяет выделить классы задач, для которых целесообразно использовать один алгоритм оптимизации, что сокращает время проектирования рационального варианта раскроя и повышает коэффициент использования материала.
-
Разработаны методы формирования управляющих программ для технологического оборудования резки с ЧПУ, отличающиеся от существующих уменьшением тепловых деформаций материала при термической резке, а также возможностью оптимизации временных и стоимостных параметров резки, как при автоматическом, так и при интерактивном режиме проектирования.
-
Сформулирована концепция и методология создания высокоэффективных интегрированных САПР раскроя материала для условий единичного и мелкосерийного типа производств, отличающиеся ориентацией на сочетание специализированных подсистем и универсальных CAD систем и на использование автоматических и полуавтоматических методов проектирования. Описана структура и состав функций САПР фигурного раскроя материала, характеризующейся высокой степенью универсальности решаемых задач раскроя и широким охватом технологического оборудования с ЧПУ.
-
Разработано математическое обеспечение САПР технологических процессов раскройно-заготовительного производства, отличающееся от существующих аналогов учетом различных технологий резки листового материала и эффективностью решения практических задач раскроя и проектирования управляющих программ для резательных машин с ЧПУ.
Обоснованность и достоверность результатов диссертации. Обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении теоретических выводов теории систем автоматизированного проектирования и опыта разработки CAD/CAM систем раскроя материала, использовании адекватного математического аппарата, согласованности новых результатов с известными теоретическими положениями в исследуемых предметных областях.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается проведенными численными экспериментами и результатами внедрения на промышленных предприятиях.
Практическая значимость результатов. Практическая ценность результатов, полученных в диссертации, заключается в разработке:
методики создания САПР раскроя материала в единичном и мелкосерийном производстве, ориентированной на использование в различных отраслях промышленности и на широкий спектр технологического оборудования для производства заготовок из листовых материалов;
алгоритмического и программного обеспечения САПР «Сириус», предназначенной для автоматизации проектирования раскроя материала и автоматизированной подготовки управляющих программ для газовой (кислородной), плазменной, лазерной и гидроабразивной резки материала на машинах с ЧПУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, всесоюзных и региональных конференциях и семинарах, в том числе: Всесоюзном научном семинаре «Математическое обеспечение расчетов линейного и прямоугольного раскроя», Уфа, 1980; Всесоюзном совещании «Проектирование на ЭВМ технологических процессов и оснастки», Ростов-на-Дону, 1980; Всесоюзном семинаре «Применение ЭВМ в инженерных расчетах и автоматизация проектирования в химическом и нефтяном машиностроении», Москва, 1982; Всесоюзной научной конференции «Математическое обеспечение рационального раскроя в системах автоматизированного проектирования», Уфа, 1987; Всероссийском семинаре «Автоматизация раскройно-заготовительного производства на базе машин с ЧПУ», Екатеринбург, 1993,1995; Международной выставке «Информатика-2000», Екатеринбург, 2000; Первой Всероссийской научно-практической конференции по вопросам решения оптимизационных задач в промышленности «Ресурсосберегающие технологии: математическое обеспечение оптимизационных задач в системах автоматизированного проектирования», С-Петербург, 2001; Региональном научно-практическом семинаре «Автоматизация конструкторско-технологической подготовки производства на базе программных продуктов T-FLEX», Екатеринбург, 2002, 2005; 1-м Международном Евроазиатском машиностроительном форуме, Екатеринбург,2003; Научно-практическом семинаре «Передовые российские технологии для автоматизации проектирования и подготовки производства», Екатеринбург, 2008; Международной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT2008), Анталия, Турция, 2008; Международной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT2009), Ретимно, Греция, 2009.
Результаты диссертационной работы внедрены в виде универсальной интегрированной САПР «СИРИУС» в ОАО «Уралхиммаш», ОАО «Уралэлектротяжмаш», ЗАО «Проммашсервис», ЗАО «Завод подъемно-транспортного оборудования», ООО «Уралтехнопроект» (Екатеринбург), ЗАО «Березовский машиностроительный завод» (Свердловская обл.), ОАО «Мечел» (г.Челябинск), ОАО «Буммаш» (г.Ижевск), ЗАО «Улан-Удэстальмост» (г.Улан-Удэ), ЗАО «Курганстальмост» (г.Курган) и многих других предприятиях России. Результаты исследования используются также в учебном процессе Уральского государственного технического университета – УПИ и научных исследованиях аспирантов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 50 работ, в том числе: 36 статей (из них 9 статей в изданиях из перечня ВАК), 10 тезисов докладов международных, российских, всесоюзных и региональных конференций и семинаров, 4 информационных материала.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного материала, библиографического списка, трех приложений и содержит 340 с. (в том числе 261 с. основного текста). Библиографический список включает 279 наименований литературы. В приложениях приведены акты внедрения результатов диссертационной работы на ряде российских предприятий, а также описание некоторых компонент САПР фигурного раскроя и подготовки управляющих программ для технологического оборудования резки, разработанной в рамках диссертационного исследования.
Анализ подходов к разработке cad/сам систем раскроя листового материала
Исходя из поставленных задач исследования, при создании интегрированной системы автоматизированного проектирования раскроя листового материала и автоматизированной подготовки УП для технологического оборудования резки с ЧПУ можно выделить три основных типа программных подсистем, которые необходимо реализовать разработчику: 1. подсистема расчетов рационального раскроя материала; 2. подсистема автоматизированного формирования маршрута инструмента резки материала; 3. вспомогательные подсистемы и интегрирующее программное обеспечение системы.
Существующие подходы к созданию модуля раскроя предполагают разработку программного обеспечения, как на основе использования существующих вычислительных алгоритмов, так и на основе создания новых. Как мы уже отмечали, с точки зрения геометрической оптимизации задачи раскроя относятся к задачам раскроя-упаковки С&Р, для которых не известны алгоритмы решения полиномиальной сложности. Одной из наиболее трудных в проблеме С&Р является задача фигурного раскроя или проблема «нестинга» (nesting) [333]. В общем случае, под «нестингом» понимается оптимальное размещение геометрических объектов сложной формы в заданных областях. Основную оптимизационную задачу раскроя, характерную для условий единичного и мелкосерийного производства можно сформулировать следующим образом.
Пусть Ai,A2,...,An — двумерные геометрические объекты (точечные множества), представляющие собой односвязные или многосвязные области, ограниченные одной или несколькими замкнутыми кривыми (граничными контурами). Данные объекты являются геометрическими моделями заготовок. Пусть также заданы В\,Вг,...,Вт — области размещения объектов (в общем случае, различные и многосвязные). Местоположение каждой заготовки Aj (і=1,2,...,п)в области.размещения определяется.тремя.параметрами х\,уп,т где
Хі,уі — абсцисса и ордината фиксированной точки (полюса) в некоторой системе координат, он — параметр, задающий ориентацию (угол поворота) объекта на плоскости. Таким образом, необходимо определить Ъп параметров размещения заготовок, при которых некоторая целевая функция достигает своего экстремума, и выполняются условия взаимного не пересечения объектов, условия размещения объектов внутри одной из областей размещения Bj (j =l,2,...,m), а также ряд. дополнительных условий, определяемых свойствами раскраиваемого материала, серийностью производства и особенностями технологического оборудования, используемого для раскроя, т.е. где (1-2) - условия взаимного не пересечения объектов, (1-3) - условия размещения в области размещения, (1-4) —другие условия, которые совместно с (1-2J и (1-3) определяют область (множество) допустимых решений G (ОДР), удовлетворяющих дополнительным геометрическим и технологическим ограничениям. На практике в качестве целевой функции F чаще всего используют функцию, значение которой равно т.н. коэффициенту раскроя к (или коэффициенту использования материала - КИМ). уточним Геометрическую форму ГраНИЧНЬГХ КОНТурОВ объеКТОВ А, И -Sj и понятие суммарной площади занятой части областей размещения. Будем считать, что граничные контуры заготовок А; заданы полилиниями, состоящими из отрезков прямых и дуг окружностей. Это связано с тем, что движение инструмента серийно выпускаемого технологического оборудования с ЧПУ для раскроя материала возможно только по траектории такого типа. Кроме того, подавляющая часть заготовок, производимых в промышленности из листового материала, проектируется в CAD системах на этапе конструкторской подготовки производства с использованием только геометрических примитивов типа «дуга окружности» и «отрезок прямой». Контуры более сложной геометрической формы могут быть аппроксимированы кривыми данного типа, с какой угодно степенью точности. Материал для раскроя обычно поступает в виде прямоугольных листов стандартных размеров или рулонов. Вместе с тем в единичном производстве очень часто используются т.н. «деловые отходы» (не обязательно прямоугольной формы), которые остаются после раскроя и которые в дальнейшем используются для получения заготовок. Это означает, что геометрическая форма материала для раскроя может быть произвольной. В общем случае, будем считать, что границы объектов Bj, как и объектов А{, заданы контурами, состоящими из отрезков прямых и дуг окружностей. Будем также считать, что материал для раскроя следует использовать в соответствии с порядком задания областей размещения Bj (/=7,2, ...,т). В этом случае естественно полагать, что суммарная площадь Р использованного материала складывается из площадей всех использованных областей размещения за вычетом площади «делового отхода» последней занятой области (листа). При этом в качестве «делового отхода» проще всего принимать часть последней занятой области, лежащую справа от абсциссы, определяющей длину занятой части материала (Рис.1).
Исследование метода прямоугольной аппроксимации для решения задач нерегулярного фигурного раскроя
При решении задачи проектирования фигурного раскроя в автоматическом режиме использование аппроксимационного подхода на основе аппроксимации геометрических объектов сложной формы прямоугольниками является самым распространенным способом. Основной эффект от применения программного обеспечения прямоугольного раскроя для решения задач «нестинга» заключается в значительно более высоком быстродействии алгоритмов формирования допустимых решений в сравнении с аналогичными алгоритмами фигурного раскроя, что позволяет просматривать значительно большее количество вариантов раскроя в области допустимых решений. В качестве аппроксимирующего прямоугольника естественно выбирать описанный вокруг внепшего контура объекта прямоугольник минимальной площади. Если по условиям задачи (1-5)-(1-8) поворот объектов на раскраиваемом материале запрещен, то задача построения прямоугольника минимальной площади совпадает с задачей построения единственного описанного(габаритного) прямоугольника и является достаточно простой, независимо от того, какая форма представления геометрической информации об объекте используется, векторная или растровая.
Если на ориентацию объектов никаких ограничений не накладывается, то искомый прямоугольник ищется среди всего множества описанных прямоугольников. Известен следующий простой точный алгоритм построения прямоугольника минимальной площади для объектов, имеющих форму многоугольника[260]: 1. строится выпуклая оболочка многоугольника; 2. строится конечное множество описанных прямоугольников, таких, что одна из сторон прямоугольника содержит одну из сторон выпуклой оболочки многоугольника; 3. среди данного конечного множества ищется прямоугольник минимальной площади.
Очевидно, что оптимизационная задача поиска оптимального прямоугольника будет иметь размерность O(s), где s — число сторон многоугольника. Если границы объекта состоят не только из отрезков прямых, выбор искомого прямоугольника можно осуществлять также на дискретном множестве габаритных прямоугольников, построенных для объекта при его пошаговом повороте на некоторый угол. Однако в данном случае решение задачи аппроксимации будет являться, в общем случае, приближенным. Вместе с тем, вычислительные характеристики современных компьютеров позволяют решать эту задачу с любой необходимой для практики точностью и за время, незаметное для пользователя.
Исследуем вопрос целесообразности аппроксимации прямоугольниками объектов сложной формы для решения задачи фигурного раскроя. Кажется очевидным, что прием аппроксимации непрямоугольного объекта прямоугольником целесообразно применять только в том случае, если отношение их площадей близко к единице, в противном случае, более эффективными становятся алгоритмы раскроя-упаковки, разрабатываемые специально для случая двумерных объектов сложной формы. На вопрос: «насколько близко к единице должно быть отношение площадей объектов к площади содержащего их прямоугольника» ответ может дать только вычислительный эксперимент. Для такого эксперимента были выбраны 2 алгоритма, предназначенные для решения задач раскроя-упаковки прямоугольных объектов и объектов, іраницьі которых состоят из отрезков прямых и дуг окружностей. Оба эти алгоритма входят в состав библиотеки Nest Class Library(NCL) [166] и ориентированы на условия единичного производства, когда геометрические параметры размещаемых объектов, в общем случае, могут быть различными.
Для описания эксперимента введем два понятия: Раскраиваемый материал имел прямоугольную форму (1000мм х2000мм)
В эксперименте использовались 100 прямоугольных объектов (объекты были сгенерированы автоматически, габариты объектов находились в пределах 300мм), а также 100 объектов, границы которых состояли из отрезков прямых и дуг окружностей, с теми же ограничениями на габариты. В качестве фигурных объектов использовались реальные машиностроительные заготовки.
Задания с различными коэффициентами прямоугольности Кпрях, генерировались автоматически. Для генерации предварительно было выбрано 10 значений коэффициентов прямоугольности (от 0.1 до 1), и задания генерировались таким образом, чтобы их параметры совпадали с выбранными значениями ±0.02. Например: генерировались 100 заданий с коэффициентом прямоугольности из [0.48, 0.52]. Для определения значения коэффициента использования материала (КИМ), соответствующего параметру коэффициента прямоугольности 0.5, принимался средний результат КИМ для всех 100 заданий.
Методы уменьшения тепловых деформаций заготовок при проектировании уп для машин термической резки материала
В данной главе рассматривается задача формирования множества допустимых маршрутов инструмента при термической резке заготовок. Пусть, как и в оптимизационной задаче (1-11), имеется N замкнутых контуров, к1— число возможных точек врезки в контуре / (i-1,... ,N). Необходимо определить множество G допустимых решений задачи (1-11) (значений вектора R={ iiJ2...,iN,si,s2...,sN)) с учетом информации о вложенности контуров и технологических требований термической резки. Здесь /1,72---,/iV — порядок вырезки контуров; s, — номер точки врезки для контура / (\ Sj к1). При этом знак числа я, (+/-J определяет направление обхода контура (по или против часовой стрелки).
В некоторых публикациях рекламного характера, особенно в сети Интернет [66,67], можно встретить утверждения о том, что при использовании лазерной (и даже плазменной) технологии резки тепловые деформации отсутствуют. Многолетний опыт автора по автоматизации разработки УП для кислородных, плазменных и лазерных машин с ЧПУ в одном из крупнейших в Европе раскройно-заготовительном цехе ОАО «Уралхиммаш» и на многих других предприятиях показывает, что эти утверждения очень далеки от действительности. Искажение реальных размеров заготовок даже при лазерной резке материала может достигать 10мм (особенно, для узких и длинномерных деталей). Поэтому методы формирования маршрута резки, направленные на уменьшение тепловых деформаций материала, актуальны при разработке УП для любых МТР. Термические воздействия на вырезаемые заготовки можно подразделить на два типа: общие изменения геометрических размеров заготовки (уменьшение) вследствие ее вырезания из нагретой части материала; изменение геометрической формы заготовок (изменение радиусов у секторов, отклонения от прямолинейности у прямоугольных деталей) и др. Чем больше геометрические размеры заготовки, тем больше изменения. Наиболее подвержены данным изменениям узкие длинные заготовки. В качестве основных геометрических характеристик классификации заготовок использованы габаритные размеры заготовок {А - габаритная длина, В - габаритная ширина).
Приведенные в таблице типы заготовок относятся, в основном, к номенклатуре машиностроительных ігоедприятий, но широко используются также в раскройно-заготовительном производстве других отраслей промышленности. В зависимости от термических характеристик заготовок и от требований к их точности выбирается оборудование, способ и последовательность резки. Например, величина удельного тепловыделения - наибольшая при газокислородной резке, поэтому имеет смысл тонкие листы из углеродистых и низколегированных сталей резать плазменно-дуговым способом, дающим попутно большой выигрыш в производительности. Металлы, обладающие более высокой теплопроводностью менее склонны к термическим деформациям. Термообработка листового проката уменьшает тепловые деформации материала и наоборот: необработанный лист более склонен к термическим деформациям, т.к. в нем присутствуют высокие внутренние напряжения, которые накладываются на усилия, возникающие от нагрева при резке. На величину термических деформаций оказывают влияние: ? тип резки (газовая, плазменная, лазерная); ? марка материала (его теплопроводность); ? состояние поставки металла (наличие внутренних напряжеьшй), его термообработка; ? толщина металла; ? выбор порядка резки заготовок; ? выбор точек врезки для каждого контура; ? направление обхода контура (по/против часовой стрелки). При работе в интерактивном режиме пользователь может сам определять порядок резки контуров и точки врезки в нужном месте посредством курсора «мыши». Автоматический режим предполагает наличие в САМ системе соответствующего алгоритма определения значений вектора R=( ilJ2...,iN,sl,s2...,sN).
В некоторых CAD/САМ системах точки врезки S, определяются еще до процесса раскладки заготовок на материале, в этом случае, в процессе раскроя может возникнуть необходимость корректировки точек врезки в интерактивном режиме. По существу, проектирование УП для машины с ЧПУ (если не используются специальные приемы резки, а только стандартная резка «по контуру») как раз и заключается в выборе R=(ilii2...,iN,sl,s2...,sN). После завершения процесса резки одного контура переход к следующей точке врезки происходит с выключенным резаком на холостом ходе. Сформулируем наиболее важные из технологических требований резки, обусловленные наличием термических деформаций материала. Прежде всего, введем понятия правил «жесткости заготовки» и «жесткости материала». Правило «жесткости заготовки». Правило «жесткости заготовки» заключается в том, что при резке контура / точка врезки Sj (l Sj ,k ) и направление резки контура выбираются таким образом, чтобы сначала вырезались участки контура, расположенные в непосредственной близости к границе материала, либо к границе вырезанной области, а завершение резки происходило по участку контура, граничащего с «жесткой» (не вырезанной) частью области. Поясним правило «жесткости заготовок» на примере. На Рис.32 показаны 3 заготовки и 9 возможных точек врезки.
Требования к функциям основных подсистем универсальной cad/сам системы раскроя в единичном и мелкосерийном производстве
Среди подсистем универсальной САПР раскроя, описанных в предыдущем параграфе? можно выделить несколько основных, которые содержат весь цикл проектирования, начиная от геометрического моделирования 2D объекта и заканчивая получением УП программы для конкретной машины с ЧПУ. Это подсистема геометрического описания, подсистема формирования задания, подсистема проектирования раскроя, САМ-модуль и постпроцессор. Рассмотрим базовые требования, предъявляемые к программному обеспечению основных подсистем универсальной САПР фигурного раскроя_и проектирования УП для машин резки с ЧПУ, а также некоторые вопросы использования подсистем САПР в условиях единичного и мелкосерийного производства.
Требования к подсистеме геометрического описания. 1. Обязательным требованием к подсистеме геометрического описания заготовок является реализация в программном обеспечении языка моделирования плоских геометрических объектов, который позволяет описывать геометрические примитивы: точка, прямая, окружность, отрезок, дуга, из которых составляются контуры заготовок. Необходимость такого набора геометрических примитивов обусловлена тем, что системы ЧПУ поддерживают программирование движения инструмента только по прямой линии и дуге окружности. Программное обеспечение при этом не должно иметь существенных ограничений на число элементов контура. 2. Язык моделирования должен также позволять описывать и неаналитические кривые (например, лекальные) и кривые, описываемые различного рода сплайнами. Это требование связано с широким применением в различных отраслях промышленности заготовок, границы которых не могут быть представлены контуром, состоящим из отрезков прямых и дуг окружностей. Программное обеспечение должно также обеспечивать получение векторного описания сложных контуров за счет применения специальных технических средств типа "дигитайзер". Если для получения геометрического описания контура используется сканер, то в программном обеспечении подсистемы необходимо предусмотреть возможность векторизации сканируемого контура. 3. Подсистема геометрического описания должна иметь средства аппроксимации неаналитических кривых и сплайнов кривыми, содержащими дуги и отрезки, для их обработки в САМ-модуле. 4. Для быстрого и качественного описания геометрии безусловным требованием является графическая верификация геометрических контуров непосредственно на экране графического дисплея. 5. Для ускорения процесса кодирования типовых геометрических объектов должна быть предусмотрена возможность параметрического описания геометрии контура за счет использования макропрограмм с символическими параметрами. Пользователь также должен иметь возможность самостоятельной разработки подобного типа макропрограмм, что означает наличие в подсистеме геометрического описания макроязыка программирования или возможности использования для этих целей стандартных языков программирования и поддержку системой какого-либо варианта API. 6. Необходимым требованием к подсистеме геометрического описания является наличие функций импорта данных о 2D объектах из стандартных форматов обмена типа DXF, DWG, IGES и др. При этом поддержка импорта DXF-файлов является строго обязательной. При импорте геометрической информации необходимо учитывать следующую особенность технологического оборудования. Системы ЧПУ, как правило, имеют два типа ограничений на траекторию движения инструмента: минимально допустимую длину перемещения инструмента для одной команды и максимально допустимое количество перемещений для одного контура. Это означает, что контуры, содержащие большое количество отрезков или отрезки малой длины, как мы уже отмечали, должны быть аппроксимированы допустимыми для системы ЧПУ полилиниями. Эта функция («делинеаризации»), особенно важна при импорте геометрической информации, полученной в других CAD-системах посредством линейной аппроксимации сложных контуров. Пользователю интегрированной системы могут понадобиться и соответствующие экспортные возможности.
7. Естественно, что если в качестве подсистемы геометрического описания используется универсальная CAD - система типа AutoCAD, то для нее необходимо разработать утилиты экспорта/импорта для всех внутренних геометрических форматов, используемых в САПР раскроя.
Большинство разработчиков интегрированных CAD/САМ систем фигурного раскроя поставляют собственные подсистемы геометрического моделирования. В то же время, как известно, на большинстве предприятий уже внедрены различные конструкторские САПР, в которых на этапе конструкторской подготовки производства производится геометрическое описание всех изготавливаемых деталей, в том числе и тех, которые изготавливаются на машинах с ЧПУ для резки листовых материалов. Целесообразность и эффективность передачи этого геометрического описания в САПР раскроя во многом зависит от уровня интеграции компьютерных технологий на каждом конкретном предприятии. Рассмотрим этот аспект несколько подробнее.
