Автоматизированная система управления процессом раскроя геометрических объектов сложной формы

Актуальность проблемы

В современном мире есть три основные проблемы, решению которых посвящены в последнее время усилия ученых. Это экономия природных ресурсов, разработка рациональных технологий производства и организация оптимального управления. Современное автоматизированное производство представляет собой сложную систему, добиться оптимального функционирования которой можно только применяя на всех ее уровнях эффективные методы автоматизации управления работой ее составляющих. Стремительный прогресс в области средств информационного обеспечения решения задач науки и техники предполагает кардинальное изменение подходов к технологии решения научных и производственных проблем. Одним из важнейших направлений ускорения научно-технического прогресса и повышения эффективности производства является автоматизация всех звеньев производственного цикла, в том числе проектирования, технологической подготовки производства и управления. Объекты производства становятся более сложными, однако сроки на проектирование и технологическую подготовку их производства в условиях конкуренции сокращаются. Экстенсивно решить данную проблему невозможно, т.к. не все процессы проектирования могут быть выполнены параллельно. Интенсификация труда конструкторского и технологического персонала возможна только при наличии вычислительной техники, применении компьютерных технологий, базирующихся на создании и/или использовании автоматизированных систем управления (АСУ) и составных их частей: систем автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТШТ). Разработка АСУ на базе математических методов и моделей, современных информационных технологий позволит решать вопросы управления, проектирования и производства на должном уровне, сохраняя конкурентоспособность производимой продукции.

Автоматизированная система управления процессом раскроя ГО сложной формы

С другой стороны разработка ресурсосберегающих технологий на фоне ограниченное&tradeи невосполнимости в течение жизненного цикла всего человечества запасов полезных ископаемых с каждым годом становится все акту-шьней. В данном контексте весьма важное место занимает проблема экономии материальных ресурсов на всех стадиях производства продукции. Ана-шз структуры раскройно-заготовительного производства показывает, что 1рименение эффективной автоматизированной системы рационального рас-:роя может дать наибольшую экономию по сравнению с другими состав-[яющими рассматриваемого производственного цикла.

Таким образом, работа посвящена решению актуальной комплексной [аучной проблемы, имеющей народно-хозяйственное значение, состоящей в «азработке теоретических и методологических основ создания автоматизированной системы управления раскройно-заготовительным производством, с [елью повышения его эффективности.

Основное назначение АСУ состоит в создании и поддержке эффективно >ункционирующего производства, включающего в себя все традиционные тадии от научных исследований и проектирования до технологий выпуска зделия. Неотъемлемыми элементами этой системы являются САПР на ста-ии проектирования и АСТПП на стадии разработки технологии производст-а изделий.

Также важное место среди проблем, решаемых САПР, занимают задачи азмещения и компоновки объектов в заданных областях при условии вы-олнения ограничений и достижения определенных значений заданных кри-зриев. К этому классу относятся задачи компоновки оборудования или гру-)в в летательных аппаратах (ЛА), на судах, в производственных цехах, ар-ятектурных сооружениях, моделирование интерьеров и т. д.- задачи разме—ения элементов на платах и плат в корпусахзадачи проектирования гене-шьных планов предприятий и карт раскроя промышленных материалов и ф. Смежную область занимают проблемы прокладки оптимальных трасс трассировки) в областях с запретами.

По общности подходов к решению перечисленных проблем размещения еометрических объектов и степени важности особое место занимают задачи «ационального раскроя. Теория, методы и алгоритмы, направленные на решение данной проблемы в последствии могут быть приложены к решению стальных перечисленных проблем.

При решении данной проблемы автор в своих исследованиях опирался, а труды российских и зарубежных ученых, внесших большой вклад:

— в развитие теории системного анализа и моделирования больших систем (В.И. Николаев [171], Ф. И. Перегудов и Ф. П. Тарасенко [178], J1. Заде [98], Ч. Дезоер [91], Б. Г. Ильясов [107], Г. Г. Куликов [125 — 127], их ученики и последователи и многие другие);

— в создание и исследование автоматизированных систем управления (С.А. Оптнер [175], Н. М. Моисеев [168], А. Г. Мамиконов [133 — 135], В. Н. Бурков [67], В. М. Глушков [87], Г. С. Поспелов [182], Б. Я. Советова [203], И. Ю. Юсупов [232, 233] и др.);

— в вопросы создания систем автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства (А. Фокс и М. Пратт [223], Г. Шпур и Ф. Л. Краузе [230], Ю. С. Завьялов [96, 97], В. Е. Михайленко [75, 164, 165], А. Д. Тузов [218], В. И. Якунин [234, 235] и др.);

— в исследование вопросов рационального раскроя (JI.B. Канторович [113 117], В. А. Залгаллер [101, 117, 113, 116], Э. А. Мухачева [49, 169, 170], Л. В. Рвачев [186 — 190], Ю. Г. Стоян [205 — 214], Н. И. Гиль, Л. Б. Белякова, Н. Dyckhoff [19, 20], К.А. Dowsland [16, 17, 18], V. Milenkovic [12 — 15, 37] и многие другие).

Анализ литературы по раскрою, материалов последних конференций, священных вопросам раскроя, а также практического состояния вопроса, зволяет сделать следующие выводы:

I. Существуют два пути автоматизации проектирования раскройно-заготовительных работ: автоматический и интерактивный раскрой. Если для линейного раскроя можно найти оптимальное решение, в прямоугольном раскрое автоматические методы дают результаты, близкие к оптимальным, то для фигурного раскроя пока не разработаны методы, позволяющие в автоматическом режиме получить результаты, лучше, чем достигнутые опытным раскладчиком. Поэтому в АСУ раскройно-заготовительного производства для определенных случаев раскроя имеется место и для интерактивных систем.. В настоящий момент определилось три основных направления в развитии теории автоматического раскроя:

— направление, реализующее идеи линейного программирования, включающее в себя работы по размещению геометрических объектов без учетов их геометрической формы (при известных способах раскроя). Родоначальниками этого направления являются Канторович Л. В. и Залгаллер В. А.;

— задачи линейного и прямоугольного раскроя разрабатываются представителями уфимской школы под руководством Мухачевой Э. А. [49, 77,159,160 и др.];

— оптимальный раскрой материалов на фигурные заготовки, в основе которого лежит определение областей допустимых размещений с помощью годографов вектор-функций плотного размещения, является одним из направлений геометрического проектирования харьковской школы, возглавляемой Стояном Ю. Г. [81, 82, 80, 221, 222 и др.]

Несмотря на имеющиеся работы в области линейного, плоского (прямо-ольного, регулярного и нерегулярного) и трехмерного раскроя, к настоя-?му времени окончательно не разработана общая методология создания ав-матизированных систем управления раскройно-заготовительными произ-цствами, ориентированных на любой характер производства (единичное, гоматизированная система управления процессом раскроя ГО сложной формы елко-, средне-, крупносерийное и массовое) и произвольную мерность рас-сраиваемых материалов.

Дель и задачи исследований

Цель работы — разработка теоретических и методологических основ авоматизированных систем проектирования и управления в раскройно-аготовительном производстве, разработка системно-ориентированных мате-[атических моделей, методов и алгоритмов рационального размещения пло-ких объектов сложных форм в областях произвольной конфигурации.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие сновные задачи: Разработать методологию управления раскройно-заготовительным производственным комплексом и определить основные направления автоматизации его составляющих., Разработать методологию проектирования рационального размещения плоских объектов сложных форм в областях произвольной конфигурации. Разработать математические модели рационального размещения геометрических объектов (ГО) различными способами в областях произвольной конфигурации.

Разработать теоретические основы определения областей допустимого размещения (ОДР) объектов сложных геометрических форм на базе операций Минковского.

Разработать основы построения систем интерактивного, регулярного и нерегулярного размещения геометрических объектов и комплексную методику воспроизведения поверхностей сложных технических объектов из плоского материала на базе конкретизации полученных теоретических результатов.

Разработать алгоритмическое и программное обеспечение основных модулей автоматизированной системы управления раскройно-заготовительным производством: интерактивного и автоматического (регулярного и нерегулярного) размещения геометрических объектов. Провести экспериментальные исследования с целью оценки эффективности предложенной технологии рационального размещения плоских геометрических объектов сложной формы.

Методы исследования

Для решения поставленных задач применялись методы системного анаша, математического моделирования, теории алгоритмов, оптимизации, :ринятия решений, численные методы моделирования и методы проектиро-ания автоматизированных информационных систем. езультаты, выносимые на защиту Методология управления процессом раскройно-заготовительного производства, позволяющая определить стратегию получения оптимальных планов раскроя с учетом реальной производственной обстановки посредством автоматизации его основных направлений.. Методология проектирования рационального размещения плоских объектов сложных форм в областях произвольной конфигурации и воспроизведения поверхностей сложных технических объектов из плоского материала. Математические модели рационального регулярного и нерегулярного размещения плоских объектов сложных геометрических форм автоматизированным интерактивным и автоматическим методами в произвольных областях размещения.. Теоретические основы определения областей допустимого размещения объектов сложных геометрических форм на базе операций Минковского.. Основы построения систем автоматизированного интерактивного и автоматического (регулярного, блочно-регулярного и нерегулярного) размещения плоских геометрических объектов. Алгоритмическое и программное обеспечение модулей интерактивного, регулярного и нерегулярного размещения геометрических объектов в составе автоматизированной системы управления раскройно-заготовитель-ным производством.. Методика анализа эффективности предложенной технологии рационального размещения плоских геометрических объектов сложной формы, а также результаты экспериментальных исследований. аучная новизна результатов

В результате выполнения данного исследования были разработаны меэдологические и теоретические основы построения автоматизированных астем проектирования и управления раскройно-заготовительным производ-гвом, реализующие ресурсосберегающие технологии в задачах оптимально) использования материала. В процессе исследований были получены сле-утощие результаты, обладающие научной новизной:

— разработана и исследована математическая модель задачи размещения геометрических объектов сложной формы в произвольных областях различными способами, обусловленными видами производства. Данная задача является оптимизационной и имеет широкую область приложений в автоматизированных системах управления раскройно-заготовительным производством;

— впервые предложен, разработан и исследован инвариантный к способу задания исходной информации метод построения областей допустимых размещений при помощи геометрических преобразований на базе операций Минковского;

— исследованы свойства и особенности построения областей допустимого размещения, на этой основе разработаны алгоритмическая база и программное обеспечение для регулярного и нерегулярного размещения геометрических объектов;

— впервые сформулирована задача воспроизведения поверхностей сложных технических объектов из плоского материала как область приложений общей задачи размещения геометрических объектов.

Таким образом, в результате проведенных исследований решена крупная ародно-хозяйственная проблема — созданы основы АСУ РЗП: разработан атематический и алгоритмический аппарат процессов размещения геомет-ических объектов сложной формы в произвольных областях на базе инвари-ятной к способу задания исходной информации теории построения областей опустимого размещения посредством геометрических преобразований. рактическая ценность и внедрение результатов

Практическая ценность выбранного пути решения проблемы заключает

I в том, что выполненные теоретические исследования позволили разрабо-пъ и внедрить в практику:

— модели управления раскройно-заготовительным производственным комплексом и методы проектирования рационального раскроя;

— автоматизированную систему управления раскройно-заготовительным производством, содержащую модули интерактивного, регулярного и нерегулярного размещения геометрических объектов;

— комплексную методику воспроизведения поверхностей сложных технических объектов из плоского материала.

Результаты, полученные в работе, внедрены: | в НИАТ, г. Москва (методика выделения, описания и размещения панелей теоретической поверхности летательных аппаратов и технологической оснастки, выходящей на теоретический контур) — на Куйбышевском авиационном заводе, г. Самара (методика автоматизированного проектирования плоских деталей обводообразующей оснасткиалгоритмы и программы линейной аппроксимации границ плоских деталейметоды, алгоритмы и программы решения задачи оптимизации размещения деталей на материалеспособы воспроизведения плоских деталей на оборудовании с ЧПУ) —) в акционерном обществе «Химмаш», г. Екатеринбург (методы и алгоритмы рационального размещения геометрических объектов на плоском материале в составе программного комплекса проектирования раскроя-упаковки «Cut-CAD») —) на производственном объединении «Гидравлика», г. Уфа (методы, алгоритмы и программы интерактивной раскладки плоских деталей сложной формы в произвольных областях, автоматического регулярного размещения плоских деталей сложной формы в полосе и на плоскости, автоматического нерегулярного размещения плоских деталей сложной формы на листе и в рулоне) — в открытом акционерном обществе «Тамбовский завод «Комсомолец», г. Тамбов (комплекс алгоритмических и программных средств автоматизации представления и хранения информации о раскраиваемых заготовкахмодули интерактивного размещения плоских фигурных заготовок на листовом и рулонном материале, автоматического формирования раскройных карт для раскроя полосы под штамповку на фигурные заготовки, автоматического формирования раскройных карт для раскроя листа и рулона на фигурные заготовки) — I в учебный процесс кафедры «Вычислительная математика и кибернетика» Уфимского государственного авиационного технического университета, в виде методик, алгоритмов, программного обеспечения для автоматизированных систем проектирования раскроя.

Система интерактивного раскроя зарегистрирована (свидетельство Ро-ШО об официальной регистрации программ для ЭВМ № 970 574 от 11 но->ря 1997).

Основания для выполнения работы

Работа явилась обобщением результатов исследований автора в период с

82 года и выполнена на кафедре «Вычислительная математика и киберне-4ка» Уфимского государственного авиационного технического университе-I. Начальная стадия исследований была отражена в кандидатской диссерта-ни, выполненной в Московском авиационном институте и защищенной в ?89 году. Работа связана с выполнением хоздоговорных научно-хледовательских работ (НИР) с НИАТ, г. Москва, производственным объе-анением «Гидравлика» по темам № ИФ-ВК 16−91-ОГ и ИФ-ВК 01−97- ХГ 990−1999 г. г.), по теме № ИФ-ВК 01−92 ОГ (1992 -1993 г. г.) с АО «Бумаги» (г.Ижевск), а также НИР, финансируемых по единому заказ-наряду [инобразования РФ № НЧ-БЦ-42−96−03 (1996;1999 г. г.). Работа поддержана:

— государственными грантами по фундаментальным исследованиям в области технических наук (направление «Информационные технологии в проектировании изделий и технологических процессов их изготовления», раздел «Проблемы управления и контроля технологических процессов изготовления деталей и изделий авиакосмической техники», конкурсный центр МАТИ) по темам «Разработка концепции информационного обеспечения и прикладной системы поискового конструирования типовых деталей машиностроительных конструкций с применением АРМ на базе рабочих станций типа БРАЖ^айоп» №НГ-БЦ-05−94-ГР 1994;1995 г. г. и «Информационные технологии раскроя-упаковки одно-и двумерных объектов» №ИФ-ВК-04−98-ГУ 1998;1999 г. г.;

— федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997;2000 г. г.» — проект «Развитие научно-производственного комплекса по фундаментальным проблемам математики и теории управления» (УГАТУ, ВЦ УНЦ РАН), контракт № 21−76;

— федеральной целевой программой «Информационные технологии в образовании и науке» № НЧ-БЦ-01 -97-ПГ (1997 г.).

Апробация работы и публикации

Основные положения, представленные в диссертации, начиная с 1982 ода, регулярно докладывались и обсуждались на научных мероприятиях «азличного уровня. В том числе на:

— Межзональном научно-методическом совещании-семинаре заведующих кафедрами и ведущих лекторов по начертательной геометрии и инженерной графике, Йошкар-Ола, 1982 г.- • Всесоюзном научно-методическом семинаре «Кибернетика графики», Москва, 1985;1988 г. г.;

Республиканской научно-методической конференции «Комплексная компьютеризация учебного процесса в высшей школе», С.-Петербург, 1989 г'

1 •>

Межзональной научно-методической конференции «Актуальные вопросы начертательной геометрии и инженерной графики», Йошкар-Ола, 1990 г.- Всесоюзной научно-методической конференции «Проблемы качества высшего образования», Уфа, 1991;1992, 1994, 1996 г. г.- Международной научно-технической конференции «Проблемы графической технологии», Севастополь, 1991 г.;

Республиканской научно-методической конференции «Комплексный подход к организации и проведению контроля качества подготовки специалистов», Кемерово, 1992 г.;

Международной научно-методической конференции «Информационные технологии в школах и вузах России», Москва, 1993 г. Российской научно-методической конференции «Интеграция инженерно-графических дисциплин в процессе подготовки инженеров», Чебоксары, 1993 г.;

Межвузовской научно-методической конференции «Перспективные информационные технологии в высшей школе», Самара, 1993 г.- Межрегиональной научно-методической конференции «Актуальные вопросы инженерной графики», Уфа, 1994 г.;

Региональной научно-методической конференции «Реализация многоступенчатой подготовки специалистов в ВУЗах Башкортостана», Уфа, 1994 г.;

Межвузовской научно-методической конференции «Новые обучающие технологии», Уфа, 1994 г.;

Международном семинаре Нанкинского авиационного института — Уфимского государственного авиационного технического университета «Актуальные проблемы авиадвиготелестроения», Уфа-Нанкин, 1994 г.- Всероссийской научно-технической конференции «Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей авиакосмической техники», Уфа, 1994 г.;

Республиканской научно-методической конференции «Проблемы методологии и методики применения компьютерных технологий в дисциплинах начертательной геометрии и инженерной графики», Москва, 1994 г.- The 4th International Conference of Computer Graphic and Visualisation, Niz-hny Novgorod, 1994;

Всероссийском совещании «Проблемы создания национальной академической системы баз данных и баз знаний», Уфа, 1995 г.- Международной конференции-выставке «Информационные технологии в непрерывном образовании», Петрозаводск, 1995 г.;

Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные информационные технологии в высшей школе», Тамбов, 1995 г.- Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании», Новосибирск, 1996 г.;

— Second International Conference on Distance Education in Russia «Open and

International Learning as a Development Strategy", Moscow, 1996; ¦ XXIII Международной конференции «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе» -Украина, Ялта-Гурзуф, 1996 г.- Всероссийской научной конференции «Роль геометрии в искусственном интеллекте и системах автоматизированного проектирования», Улан-Удэ, 1996 г.;

Научно-технической конференции «Новые информационные технологии в региональной структуре», Астрахань, 1997 г.;

Международной конференция и дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в науке образовании и бизнесе», Украина, Ялта-Гурзуф, 1997 г.;

International Congress «Mechanical Engineering Technologies'97», Bulgaria, Sofia, 1997;

XXV and XXVI International Conference and discussion scientific club «New information technologies in science, education, telecommunications and business», Ukraine, Yalta-Gurzuff, 1998 and 1999;

The 16th European Conference on Operational Research, Brussels, Belgium, 1998;

Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы информатизации образования», Пермь, 1999;

Международной конференции по тренсфер-технологиям, проведенной в рамках программы EUINCO Copernicus AMETMAS-NOE, Уфа, 1999. Созданная и зарегистрированная в РосАПО система автоматизированно-> размещения и отдельные ее модули демонстрировалась и были отмечены в «ставе экспозиции УГАТУ в приказах по Минобразования РФ на: Second International Conference on Distance Education in Russia «Open and International Learning as a Development Strategy», Moscow, 1996;

Международной выставке-ярмарке «Информатика. Оргтехника. Связь», Уфа, 1994;1997 г. г.

Результаты диссертационной работы непосредственно отражены в 53 убликациях, в том числе в монографии (13,5 п.л.), двух учебных пособиях 5,6 п.л. и 4,5 п.л.), 22 статьях, 24 трудах конференций (14 докладов и 10 те-1сов), 1 свидетельстве на регистрацию программ в РосАПО, 3 депонирован-ых научно-технических отчетах по госбюджетным и хоздоговорным темам,^{полненным} по теме диссертации при непосредственном участии и руково—тве автора. труктура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, и

ВЫВОДЫ ПО ШЕСТОЙ ГЛАВЕ

На основе созданных в предыдущих главах методологических и теоре-4ческих основ, алгоритмической базы разработана функциональная модель основные элементы автоматизированной системы управления раскройно-1Готовительным производством. По исследованиям, проведенным в данной гаве можно сделать следующие выводы: Автоматизированная система рационального размещения плоских ГО для любых режимов производства (единичное, мелкосерийное, серийное и массовое) и любых видов раскроя (интерактивный и автоматический: регулярный и нерегулярный);

Создано программное обеспечение проектирования рациональных планов раскроя и расчета норм расхода материала в виде модулей (подсистем), выполняющих определенные функции, которые могут использоваться автономно, а также служить ядром АСУ РЗП. Разработанный интерфейс позволяет органично включать данный комплекс программных средств в АСУ РЗП.

Предложена методика создания подсистемы рационального раскроя на базе разработанных модулей и сформулированы рекомендации по включению подсистемы в АСУ РЗП.

Разработана структура интерфейса с пользователем автоматизированной системы технологической подготовки рационального раскроя в составе АСУ РЗП. Рассмотрен состав и функции АРМ технолога заготовительного производства. Представлена АСУ РЗП как комплексная информационно-вычислительная сйстема, состоящая из отдельных модулей, построенных по принципу со-п|эдчиненности. Такой подход позволяет рассматривать АСУ РЗП как динамически развивающуюся систему, допускающую параллельное создание подсистем, решающих различные задачи, и включение их в комплекс по мере готовности. Определены подходы сравнения и показана эффективность автоматизации проектирования раскроя в целом и основных модулей и алгоритмов АСУ РЗП с наиболее продвинутыми исследованиями в данной области. АСУ РЗП дает значительную экономию материальных и трудовых ресурсов, сокращает время проектирования технологической документации, повышает культуру производства и качество планов раскроя. Произведен анализ промышленности с целью определения области возможных приложений задач рационального размещения по отраслям, и показано, что они имеют практическую актуальность в подавляющем числе отраслей промышленности: в автостроении, общем машиностроении, авиастроении, судостроении, радиоэлектронике, строительстве, легкой промышленности и других. Приведены варианты практических постановок задачи размещения и их формализация в данных отраслях. Приложения разработанных в диссертации теоретических основ, методов и алгоритмов внедрены в промышленность и используются в качестве оптимизационного ядра в системах автоматизированной технологической подготовки производства на ряде промышленных предприятий. Определены направления дальнейших теоретических исследований и их практических приложений в области раскроя-упаковки и смежных областях.