Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ состояния научных работ по автоматизированному проектированию тканых полотен 13
1.1. Литературный обзор работ по автоматизации проектирования тканых полотен 13
1.2. Анализ электронных систем управления электромеханическими системами 50
1.3. Определение цели и постановка основных задач разработки автоматизированных систем управления проектированием тканых полотен 57
ГЛАВА 2. Алгоритмические основы многовариантного подхода к расчету параметров строения тканей 59
2.1. Анализ основных методов проектирования тканей и систематизация параметров и формул расчета 59
2.2. Математические и алгоритмические основы выбора схемы расчета параметров строения ткани 73
2.3. Выводы 86
ГЛАВА 3. Математическое и компьютерное моделирование переплетений и заправочных рисунков тканей 88
3.1. Математические и алгоритмические методы построения переплетений тканей 88
3.2. Компьютерное проектирование неправильных сатинов и смещенных сарж 93
3.3. Математические модели и алгоритмы конструктивного перечисления ткацких переплетений для реализации цветных ткацких узоров 102
3.4. Необходимое и достаточное условия существования однослойного ткацкого переплетения 112
3.5. Оценка технологичности переплетений по их количественным характеристикам 119
3.6. Эвристические методы корректировки рассчитываемых ткацких переплетений 128
3.7. Универсальный алгоритм проектирования переплетений многослойных тканей 147
3.8. Алгоритмы построения элементов заправочного рисунка 157
3.9. Методика выбора рационального заправочного рисунка
для выработки заданного цветного узора 164
3.10. Исследование возможностей рационального выбора ткацких переплетений для реализации цветных узоров, разработанных на базе орнаментально-пространственных структур 172
3.11. Выводы 177
ГЛАВА 4. Разработка компьютерных технологий визуализации тканых полотен . 180
4.1. Визуализация тканых структур в процессе проектирования 180
4.2. Построение пространственной модели ткани 193
4.3. Выводы 204
ГЛАВА 5. Разработка алгоритмов и средств их программной реализации для управления исполнительными механизмами ткацкого станка 206
5.1. Разработка алгоритмов формирования программы для управления электронной ремизоподъемной кареткой КРУ- 20МПЭ в среде АРМ дессинатора 206
5.2. Программная реализация процедуры управления механизмом смены цвета четырехцветного ткацкого станка СТБ 214
5.3. Выводы 234
ГЛАВА 6. Типовая структура автоматизированной системы управления проектированием тканых полотен 236
6.1. Разработка автоматизированных методов управления пректированием тканых полотен 236
6.2. Типовая структура автоматизированной системы управления проектированием тканых полотен 244
6.3. Выводы 250
ГЛАВА 7. Прикладные аспекты программной реализации систем автоматизированного проектирования тканей 252
7.1. Программная реализация разработанной системы проектирования тканей 252
7.2. Экспериментальное исследование работоспособности автоматизированной системы проектирования при расчете параметров строения существующих и новых образцов тканей 268
7.3. Анализ параметров строения ткани в среде автоматизированной системы проектирования 282
7.4. Выводы 290
Основные результаты и выводы 293
Литература 297
Приложения 325
- Литературный обзор работ по автоматизации проектирования тканых полотен
- Математические и алгоритмические методы построения переплетений тканей
- Визуализация тканых структур в процессе проектирования
- Разработка алгоритмов формирования программы для управления электронной ремизоподъемной кареткой КРУ- 20МПЭ в среде АРМ дессинатора
Введение к работе
В настоящее время для выживания в рыночных условиях текстильному предприятию приходится использовать различные способы повышения конкурентоспособности своей продукции [131]. Одним из таких способов является постоянная, иногда оперативная смена ассортимента. Проектирование нового ассортимента - сложная процедура, в которой учитывается большое количество параметров, не только выражаемых в количественных величинах, но и учитывающих такие понятия как мода, стиль, реализуемость и др.
Невозможно в современных условиях разрабатывать новые ткани, не используя вычислительную технику. Она действительно используется на самых разных этапах проектирования тканей в виде отдельных задач или целых систем проектирования тканей.
Таким образом, проблема управления проектированием текстильных полотен является актуальной и требует разработки принципиально новых научных подходов к созданию таких компьютерных систем, которые базируются на современных методах автоматизации проектирования текстильных материалов и изделий и новейших технологиях их производства и тем самым обеспечивают конкурентоспособность выпускаемой продукции.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических положений и практических рекомендаций в области внедрения современных информационных технологий в процесс создания новых компьютерных систем, которые представляют собой комплекс научно-обоснованных технических решений проблемы автоматизации проектирования тканых полотен.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
- анализ, систематизация и классификация существующих методов проектирования рисунков переплетений и тканей;
- систематизация методов и алгоритмов расчета параметров строения тканей;
- исследование и разработка методов, моделей и алгоритмов двумерной и пространственной компьютерной визуализации тканых полотен;
- разработка объектной модели проектирования тканей и метода формирования автоматизированных систем проектирования тканей на ее основе;
- разработка алгоритмов формирования систем проектирования тканей и построение на их основе универсальной оболочки и интерфейса, обеспечивающих мультивариантность этих систем;
- разработка принципов построения и обобщенной структуры для типовых систем проектирования тканей с использованием модульного подхода;
На защиту выносятся теоретические положения и результаты практической реализации перспективного направления автоматизации проектирования тканых полотен. Автор защищает:
- Теоретические основы и результаты исследования алгоритмов
проектирования тканей; - Объектную модель и метод формирования систем проектирования тканей;
- Результаты компьютерных экспериментов по исследованию количественных характеристик проектируемых переплетений и тканых полотен;
- Методы, модели и алгоритмы двумерной и пространственной компьютерной визуализации тканых полотен;
- Результаты экспериментальных исследований моделей и алгоритмов визуализации тканых полотен;
- Принципы построения и обобщенную структуру, используемые для построения типовых систем проектирования тканей;
- Принципы построения универсальной оболочки и интерфейса, а также алгоритмы формирования систем проектирования тканей, обеспечивающие мультивариантность этих систем.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались современные математические методы теории систем, теории принятия решений, теории множеств, теории графов, компьютерной графики, имитационного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Создан новый метод автоматизированного управления процессом разработки систем проектирования тканых полотен; - Разработаны методы и алгоритмы корректировки генерируемых переплетений тканей и заправочных рисунков переплетений тканей с учетом технологических ограничений;
- Предложена методика, которая обеспечивает выбор наиболее рациональных вариантов из всего множества возможных сочетаний переплетений, проборок основы в ремиз, раппортов цвета по основе и утку, реализующих выработку заданного цветного узора без искажений или с минимальными искажениями;
- Поставлена и решена задача разработки алгоритма построения рациональных заправочных рисунков по заданным цветным узорам с учетом назначения ткани и технологических возможностей ткацкого оборудования;
- Разработана методика и алгоритм проектирования полуторас-лойных и двухслойных тканей для гобеленов и тканей одеяльного ассортимента;
- Предложены критерии отбора технологичных ткацких переплетений в процессе их автоматического расчета;
- Сформулированы необходимые и достаточные условия существования однослойного ткацкого переплетения;
- Исследована математическая модель цветного ткацкого узора (граф структуры цветного узора) для выбора рациональных и технологически реализуемых переплетений;
- Разработаны теоретические основы визуализации тканых структур на плоскости и в пространстве, разработана процедура визуализации тканого узора, которая позволяет оценить основные особенности его внешнего вида без выработки на станке образца проектируемой ткани;
- Выявлены связи проектируемых структур тканей и выбранных схем проектирования;
- Созданы алгоритмы и программное обеспечение для автоматического управления электронной ремизоподъемной кареткой КРУ-20МПЭ и 4-х цветного уточного механизма ткацкого станка СТБ;
- Разработана методика построения рациональных систем проектирования тканей;
- Предложена универсальная структура автоматизированной системы проектирования тканых полотен;
- Исследованы функциональные зависимости параметров строения ткани от значений входных параметров проектирования, и на основе этих зависимостей разработаны методические рекомендации по выбору значений этих входных параметров;
- Разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования процесса расчета параметров строения ткани в зависимости от набора входных данных.
Практическая значимость работы заключается в:
- разработке автоматизированной системы управления, обеспечивающей рациональный выбор схем проектирования тканей для практической реализации;
- выработке рекомендаций по выбору методик проектирования тканых структур; - выработке рекомендаций по выбору параметров и способов визуализации проектируемых тканей;
- разработке и апробации комплекса программ, реализующего предложенные методики и алгоритмы;
- разработке алгоритмов и программ для управления электронной ремизоподъемной кареткой КРУ-20МПЭ и 4-х цветного уточного механизма ткацкого станка СТБ, которой была оснащена партия ткацких станков, что позволило расширить ассортимент выпускаемых тканей, сократить время на их проектирование и перезаправку при смене ассортимента.
Реализация результатов работы.
Разработанные программы включены в состав программного обеспечения САПР кареточных тканей "Логитрон 1002.СМ", в состав АРМ дессина-тора для проектирования управляющих программ для ремизоподъемной каретки КРУ-20МПЭ, эффективность использования которых подтверждается прилагаемыми актами и документами.
Разработанные программы успешно используются в составе АРМ дес-синатора для проектирования кареточных тканей в курсовом и дипломном проектировании на кафедре ткачества МГТУ им. А.Н.Косыгина, а также переданы в Ивановскую государственную текстильную академию на кафедру ткачества для использования в учебном процессе. Отдельные результаты работы использованы при подготовке учебных курсов на кафедре ИТ и ВТ «Компьютерная графика», «Автоматизированные методы проектирования текстильных изделий». Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на международных и всероссийских научно-технических конференциях: ТЕКСТИЛЬ - (Москва, 1995, 1996, 1998, 2001 - 2006 гг., МГТУ им. А.Н. Косыгина), ИНФОТЕКСТИЛЬ - (Москва, 2004 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина), ПРОГРЕСС - (Иваново, 1987, 2004 гг., ИГТА), ПИКТЕЛ - (Иваново, 2003 г., ИГТА), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ им. А.Н. Косыгина, на семинаре по информационным технологиям.
Публикации. Основные результаты работы отражены в 50 печатных работах, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 236 наименований, и приложений на 27 страницах. Её основная часть изложена на 324 страницах, содержит 32 рисунка, 7 таблиц. Общий объём диссертации 351 страница.
Литературный обзор работ по автоматизации проектирования тканых полотен
На основе анализа доступных источников информации все исследования в области автоматизации проектирования тканей можно разделить на три основные направления: автоматизация отдельных процедур, элементов, этапов проектирования; разработка систем автоматизированного проектирования тканей и автоматизированных рабочих мест дессинаторов; решение новых задач проектирования тканей, невозможных без использования компьютера.
Теория процессов, технология и оборудование ткацкого производства, включая его проектирование широко описаны в литературе, как в научной, справочной, таки учебной [13, 58, 59, 122,159,183,205, 209].
Автоматизация традиционных процедур проектирования тканей, особенно расчетных задач, успешно решается многими исследователями и учеными и приводится в работах А.А. Мартыновой, Н.Ф. Сурниной, Г.Л. Слостиной и др. Сюда относятся работы по автоматизации рутинных процедур оптимизации или усовершенствованию известных методов. Это широко известные монографии Дамя-нова Г.Б., Бачева Ц.З., Сурниной Н.Ф. "Строение ткани и современные методы ее проектирования" [62] и Мартыновой А.А., Слостиной Г.Л., Власовой Н.А. "Строение и проектирование тканей" [106]. В области теории проектирования текстильных материалов издан ряд учебников и учебных пособий [3, 47, 62, 68, 87, 117, 120, 123, 125, 142, 157, 180], в которых описываются новые, совершенствуются и комбинируются известные методы проектирования текстильных материалов. Кроме того, тема проектирования широко отражена в следующих диссертациях [11, 16, 21, 47, 48, 51, 78, 80, 86, 90, 112, 121, 126, 133, 139, 155, 161, 184,207,213].
Использование вычислительной техники в области проектирования текстильных материалов переложило сложные вычисления на программы. С конце 70-х годов стали проводиться работы по автоматизации отдельных методов проектирования и технологических процессов [6, 7, 23, 62, 69, 85, 88, 105, 106, 116, 141, 164, 220]. Так в монографии [62] описаны возможности автоматизации расчетов для методов проектирования тканей по заданной поверхностной плотности и заданной толщине. Там же приведены список исходных параметров, алгоритм расчета, блок-схема проектирования, пример проектирования по описанной блок-схеме и операторная информация, которую нужно было вводить на перфоленту, для дальнейшей обработки на электронно-вычислительной машине (ЭВМ) "Мир-2". В настоящее время работы в этой области ведутся с использованием современных подходов и методик [44, 84, 102, 119, 124, 130, 144, 179, 181].
Одновременно с автоматизацией методов и расчетов, проводятся исследования свойств и расчеты по оптимизации и корректировке параметров. В статье Севостьянова А.Г. и Карташова Е.Н. [148] рассматривается возможность применения двухфакторного дисперсионного анализа при исследовании свойств хлопчатобумажной пряжи. Проверка значимости оценок дисперсии проведена по критерию Фишера. Приводятся формулы для расчета. В статье Муратова О.В. и Толубеева Г.И. [115] описаны эксперименты и установлена статистическая значимость влияния переплетений ткани на уработку нитей.
В сборниках научных трудов [32, 33, 94..101, 103, 129, 166] опубликованы результаты исследований и усовершенствований в области производства и создания текстильных материалов.
Известны как российские, так и иностранные САПР тканей. Это отечественные системы - «АРМ дессинатора» (МГТУ им. А.Н.Косыгина), «Десси-натор 2.0» (ГП ЦНИИЛКА), «САПР - ткань -X» и «АРМДЕССИНАТОР-Х» (ВНИИПИАСУлегпрома, ИвНИТИ, ИвТИ), «Жаккард-Дизайн» (СПГЭУ, СПГУТИ). А также зарубежные - американская WeavePoint, канадская WeaveMaker Pro, испанская Fiberworks PCW Bronze.
В работах [ЗО, 42, 54, 61, 81, 83, 92, 236] проводились исследования по разработке систем автоматизированного проектирования (САПР) текстильных материалов, в таких областях как проектирование трикотажа, шерстяных тканей и переплетений. Необходимо отметить разработанное в Московском государственном текстильном университете им. А.Н. Косыгина автоматизированное рабочее место (АРМ) дессинатора [201], при реализации которого получены следующие результаты: - поставлена задача разработки эффективного алгоритма построения рационального заправочного рисунка, ставшая итогом исследования математической модели цветного ткацкого узора (граф структуры цветного узора);
Математические и алгоритмические методы построения переплетений тканей
Выбор переплетения - важнейший этап проектирования ткани [91]. Известно, что выбор ткацкого переплетения может изменять показатели физико-механических свойств тканей в 2 -3 раза [227]. Проектирование переплетений важнейшая задача автоматизации проектирования тканей.
Известные переплетения можно получить из созданной БД. Для генерации переплетений используются различные методики. Например, формульные генераторы, в т.ч. генераторы по первой строке. Один из таких генераторов был реализован в данной работе на основе немецкого стандарта TGL 50060 [231].
Для матричной формулы используются: значения раппортов переплетения по основе и утку (Ro,Ry); число основных и уточных перекрытий в направлении утка - X или основы - Y (+п0, -пу); сдвиг перекрытия для последующей нити (+z - положительный сдвиг вправо(Х) или вверх (Y), s - отрицательный сдвиг влево (X) или вниз (Y)); коэффициент повторения (хк). Для полотняного переплетения формула будет иметь вид: ІІоД +По-Пу) х 2 (2,2(+1-1) х 2), а, например, для саржи основной 3/1: Ro,Ry х (+п0-пу) ±1 (4,4х(+3-1)+1).
Для решения задачи генерации переплетений по приведенным формулам предлагается использовать две процедуры генерации матрицы переплетения W: смещением (рис.3.1а); повторением (рис.3.16) [171].
В этих блок-схемах CS определяет направление формирования матрицы переплетения (X - по утку, Y - по основе); V - смещение каждой последующей строки (столбца) матрицы переплетения; S1 и S2 - массивы соответственно длинны L1 или L2 для хранения последовательности длин основных и уточных настилов в базовой строке (столбце).
Математически ткацкое переплетение представляется матрицей из 0 и 1, поэтому еще один способ генерации переплетений - это использование булевых операций над этими матрицами. Как известно, всего существует 16 разных булевых функций [57]. Как выяснилось в результате несложных экспериментов, для усиления переплетений удобно использовать операцию логического сложения, для ослабления - логического умножения. Например, для усиления переплетения саржа 2/2 можно выполнить логическое сложение его матрицы с матрицей полотняного переплетения, получим переплетение саржа 3/1.
К алгоритмическим способам относится способ получения переплетений с использованием операций над фрагментами переплетений или базовых переплетений. Это операции: копирование; инверсия; поворот; зеркальное отображение; циклический сдвиг; заполнение заданным переплетением. С использованием этих операций были разработаны алгоритмы построения неправильных сатинов и смещенных сарж. Неправильными или нерегулярными называются сатины, построенные с переменным сдвигом [10]. При чередовании двух сдвигов возможное число сатинов (п) определяется как число сочетаний (С) из раппорта базового сатина по два.
Визуализация тканых структур в процессе проектирования
При проектировании тканей и заправочных рисунков для их выработки большое значение имеет просмотр промежуточных и конечных результатов проектирования до выработки ткани на станке, виртуально. Для этого используется процедура визуализации [186].
Все элементы заправочного рисунка строятся по канвовому изображению с использованием принятых традиционных условных обозначений.
Для построения графических изображений на экране компьютера используются графические средства языков программирования и методы компьютерной графики [17, 36, 41, 93, 188, 193, 215].
Для ввода в ЭВМ переплетения, цветного узора или элемента заправочного рисунка экран фафического дисплея заполняется сеткой с заданным количеством вертикальных и горизонтальных междустрочий, которые соответствуют раппорту цветного узора соответственно по основе и утку. Эта сетка представляет собой машинный образ канвовой бумаги. Ввод цветного узора состоит в заполнении цветом клеток этой сетки. При этом могут использоваться операции над отдельными элементами канвового представления (одиночные операции) и над группами элементов (групповые операции) [186].
К одиночным относятся следующие операции: фиксация текущего элемента при помощи графического курсора, который изображается в виде рамки, совпадающей с границами элемента и выделенной цветом, отличным от цвета текущего элемента (первоначально текущим устанавливается левый верхний элемент канвового представления); выбор текущего элемента путем движения по канвовому представлению с помощью мыши или клавиш движения курсора; выбор текущего цвета осуществляется из палитры возможных цветов (палитры могут быть разные: аппаратная, «модная гамма», имеющиеся цветные нити); изменение цвета элемента узора на текущий щелчком клавиши мыши по этому элементу.
Так как в элементах заправочного рисунка, таких как переплетение, картон и проборка, имеется только два состояния, то изменение состояние на противоположное выполняется щелчком мыши.
К групповым операциям относятся операции изменения у всех элементов заданного цвета на другой цвет (у переплетения и картона меняются соответственно вид перекрытия и управление ремизками на противоположное состояние).
Кроме того имеется несколько сервисных операций. К ним относятся: выбор цвета фона; изменение масштаба представляемого канвового изображения узора или элемента заправочного рисунка; фиксация координаты текущего элемента и текущего цвета или состояния элемента переплетения, картона или проборки.
При изменении одного из элементов заправочного рисунка обеспечивается автоматическое изменение всех остальных его элементов и канвового представления ткацкого узора [63].
Для максимального приближения изображения цветного узора к его реальному воплощению в ткани предлагается использовать следующие операции.
Изменение масштаба выводимого раппорта узора. Эта операция моделирует изменение расстояния с которого наблюдается тканый узор. При этом минимальный размер раппорта узора равен размеру одной точки (пиксела) графического дисплея.
Изменение масштаба отдельно по основе и утку. Эта операция моделирует изменение плотностей (числа нитей на 10 см) ткани соответственно по основе и утку.
Выбор и изменение относительных толщин нитей основы и утка (в начале работы все нити имеют одинаковый диаметр). Это позволяет моделировать изменение соотношений линейных плотностей нитей, используемых при выработке тканей.
Заполнение всего экрана раппортами тканого узора, что позволяет оценить внешний вид и художественные особенности узора в целом.
Выделение раппорта из узора позволяет дессинатору сосредоточить свое внимание на раппорте узора, оценить технологичность раппорта переплетения, раппортов цвета по основе и утку.
Разработка алгоритмов формирования программы для управления электронной ремизоподъемной кареткой КРУ- 20МПЭ в среде АРМ дессинатора
Современные ткацкие станки оснащены электронным управлением для ввода параметров заправки ткани и регулирования основных узлов и механизмов (основный и товарный регуляторы, положение скала и т.д.)[15, 182].
При проектировании ткани важное значение имеет функция программного управления теми исполнительными механизмами, которые влияют на формирование переплетения и узора.
При производстве пестротканей при формировании переплетения в качестве устройства подъема нитей основы используется ремизоподъемная каретка. Программа для нее задается в виде набора перфокарт, каждая из которых соответствует подъему нитей основы при формировании уникального переплетения с нитью утка. Электронная каретка позволяет значительно увеличить ассортиментные возможности ткацкого станка, так каретка КРУ-20МПЭ позволяет увеличить раппорт до 5500 уточин.
Для задания программы управления подъемом ремизок разработан аппаратно-программный интерфейс, функционирующий в среде АРМ дессинатора [135]. С помощью АРМ дессинатора осуществляется проектирование ткани. Проектируемые переплетения могут образовывать цветные узоры, имеющие в раппорте до 100 нитей основы и до 1500 нитей утка. Отобранные из архива заправочные рисунки можно просматривать на экране монитора в разных режимах (см. п.4.1).
Программа управления кодируется в соответствии с внутренней кодировкой каретки (как битовая последовательность) и передается через интерфейс на программатор. На программаторе программа записывается в энергонезависимую память микросхемы ППЗУ К573 РФ2, РФ4, РФ5, РФ8 с ультрафиолетовым стиранием, которая в свою очередь переносится на каретку и используется для ее управления. Кроме того, реализована возможность чтения программ, записанных на ППЗУ для просмотра и изменения. В среде АРМ дессинатора программа для управления кареткой формируется и записывается в файл progr.bin для передачи программе прожига ППЗУ.
Для формирования программы управления электронной ремизоподъемной кареткой КРУ-20МПЭ по каждому образцу из архива кроме его номера требуется число нитей основы, включая количество кромочных нитей и закреп, число нитей утка в раппорте переплетения, число нитей в раппортах манера сновки и манера кидки утка, раппорт ткацкого переплетения, а также раппорты манеров сновки и кидки утка. Информация о манере кидки утка используется для управления сменой нитей утка в четырехцветном механизме смены цвета утка станка СТБ, управляемого также рассматриваемой кареткой.
Ниже приводится структура файла progr.bin. 2 байта - номер рисунка (пг), 2 байта - размер рисунка по утку (1гу), З байта - программа управления кареткой при прокладке первой уточины, 3 байты - программа управления кареткой при прокладке второй уточины, и т.д. по 3 байта для 1гу уточин, 1 байт (FF) - конец блока. Далее идет блок схемы проборки основных нитей в ремиз. 2 байта - размер проборки, включая проборку кромочных нитей и за креп (lo+llkr+lpkr), далее по 3 байта на каждую ремизку (1г), 1 байт (FF) - конец блока. Последний блок - информация о цвете основы. 2 байта - размер манера сновки основы (1со), далее по 3 байта на каждый элемент, 1 байт (FF) - конец блока. Далее приводится описание формирования файла prog.bin с помощью комментированных фрагментов программы, написанной на алгоритмическом языке С. 1. Открываем для записи двоичной информации файл prog.bin. out=fopen("prog.bin","wb") ; 2. Записываем в файл в первые два байта номер рисунка пг. Сначала записывается младший байт, а затем старший. fprintf (out, "%c%c",nr«8»8,nr»8) ;
