Разработка алгоритмов и программ раскроя листового материала в условиях единичного производства

Построение оптимальных карт раскроя материала является одной из самых трудоемких задач заготовительного производства. В тоже время это одна из самых важных задач в ресурсосберегающих технологиях, поскольку напрямую ведет к экономии материала и снижению отходов. В настоящее время для решения этой задачи активно используются все возрастающие возможности современных ЭВМ, что позволило значительно ускорить и упростить процесс генерации раскройных карт по сравнению с неавтоматизированными методами [1]. Начало теоретическим исследованиям в области методов рационального раскроя положили труды академика Канторовича J1. В. [2, 3], в которых он показал возможность эффективного решения оптимизационных задач с помощью ЭВМ.

Еще одним преимуществом при использовании ЭВМ для получения раскройных карт является возможность интеграции процесса подготовки раскроя с процессом генерации управляющей программы для станков термической резки, что позволяет значительно снизить трудоемкость и уменьшить время процесса подготовки управляющих программ. Следует также отметить, что максимальная эффективность может быть достигнута только в случае полной автоматизации процессов раскроя и подготовки управляющих программ. Большую роль в построении интегрированной программно-аппаратной системы играет наличие ЛВС, что позволяет передавать данные из одной подсистемы в другую без промежуточных носителей даже на большом удалении. Благодаря стремительному развитию компьютерных сетей, в том числе и Internet, в последние несколько лет широкое распространение получили системы позволяющие управлять процессом производства практически из любой точки Земли через web-интерфейс. Это позволило специалистам выполнять точную настройку оборудования и контролировать режимы его работы дистанционно, не выезжая на предприятие, что конечно положительно сказывается на качестве выпускаемой продукции.

Следует отметить, что на большинстве машиностроительных предприятий задача заготовительного производства, а, следовательно, и задача раскроя относятся к единичным задачам. Как следствие, задача построения оптимального раскроя на этих предприятиях стоит наиболее остро и к ней предъявляется больше требований по сравнению с той же задачей на предприятиях ориентированных на выпуск серийной продукции. Например, если на предприятиях выпускающих серийную продукцию в основном используют нормативные и технологические методы раскроя материалов, которые основаны на определенных правилах построения раскройных карт, не требующих получения оптимального раскроя, то при единичном производстве напротив главным становится получение наиболее оптимальной раскройной карты, за минимально возможное время.

Исходя из особенностей единичного производства, оптимальным вариантом следует признать полностью автоматический подход к формированию раскройных карт и управляющих программ для станков с ЧПУ, только в этом случае будет достигнута производительность, удовлетворяющая условиям единичного производства.

В задаче раскроя можно выделить небольшую подзадачу, которая характерна именно для единичного производства и позволяет продемонстрировать всю математическую сложность задачи раскроя.

Требуется разместить п известных (в общем случае различных) плоских геометрических объектов (заготовок) в полубесконечной полосе, шириной а, обеспечив наибольший коэффициент заполнения занятой части полосы. где S-, — площадь i-го объекта;

L — длина занятой части полосы.

Как нетрудно видеть, наибольший коэффициент достигается при наименьшем значении длины L, которая обычно выбирается в качестве минимизируемой функции цели.

Дальнейшее исследование этой математической модели со строгим аналитическим описанием [4] позволило показать отсутствие общих математических способов решения этой задачи. Применение ЭВМ с ее возможностями и разработка специализированных алгоритмов, способов и приемов для проектирования раскройных карт позволило показать эффективность использования компьютеров для решения задач раскроя. На протяжении последних 50 лет исследованиям в области раскроя и разработки новых алгоритмов укладки плоских заготовок было посвящено множество отечественных и зарубежных работ. Обзор этих работ приведен в главе 1.

Разработка автоматизированных методов проектирования рационального раскроя особо остро стоит для единичного производства. Последние исследования в этой области позволяют сделать оптимистичный вывод, что в ближайшем будущем возможно появление методов, обладающих достаточным быстродействием и генерирующим раскройные карты с высоким коэффициентом использования материала. На сегодняшний же день следует признать, что существующие методы построение рациональных раскройных карт могут соперничать с раскройными картами, построенными человеком, только для специализированных задач раскроя. Например, исследования последних лет позволили достичь высоких результатов в области линейного и прямоугольного раскроя [4, 5, 6]. Современные алгоритмы, работающие с данной номенклатурой заготовок, уже давно успешно применяются в производстве. Совершенно иначе обстоит дело с алгоритмами укладки заготовок произвольной формы. Большинство существующих разработок в этом направлении решают небольшие подзадачи, возникающие в глобальной задаче оптимального раскроя, и не способны эффективно работать на любой предложенной номенклатуре заготовок, что составляет неотъемлемую часть единичного производства. В данной работе делается попытка объединения сильных сторон каждого отдельно взятого алгоритма под управление одного, который в автоматическом режиме по определенным параметрам выбирает один или несколько специализированных алгоритмов наиболее подходящих для предложенных заготовок. На практике это означает возможность полного отказа от ручного труда на этапе подготовки раскройных карт.

Работа проводилась в рамках разработки САПР «СИРИУС», но построена таким образом, что может легко интегрироваться в любую из современных систем (AutoCAD, T-Flex и т. д.) обладающую возможностью подключать пользовательские модули для расширения базовых возможностей.

Проектирование раскроя на ЭМВ в самой простой ее постановки включает в себя два этапа. На первом этапе строится множество раскройных карт, удовлетворяющим заданным критериям, на втором — в этом множестве ищется лучшая карта. Согласно этому в процессе раскроя можно выделить два основных класса задач. Первая класс задач — это задачи геометрического моделирования на ЭВМ, в процессе которого решается вопрос о размещении заготовок на листе и получении раскройной карты, второй — это чисто • оптимизационные задачи. Как показывают исследования и практические наработки второй класс задач можно свести к задачам переборного характера, например, к задаче минимизации некоторого функционала, заданного на множестве перестановок из конечного числа символов [9] или использовать детерминированный метод динамического перебора [11].

Хотя применение оптимизационных алгоритмов и повышает вероятность построения рациональной раскройной карты, но их эффективность сильно зависит от методов получения раскройных карт. Именно от эффективности методов, работающих на этапе генерации раскройных карт, зависит результативность оптимизационных алгоритмов. Применение различных методов для укладки заготовок позволяет наиболее полно использовать мощь оптимизационных алгоритмов. Вторая глава данной диссертационной работы посвящена методам генерации допустимых раскройных карт. Исследованы различные специализированные алгоритмы построения раскройных карт, как для случая прямоугольных объектов, так и для объектов произвольной формы. Описаны способы укладки геометрических объектов произвольной формы и способы повышения быстродействия и качества алгоритмов работающих с произвольной геометрией заготовок. Разобраны основные приемы и алгоритмы, используемые при растровом подходе к проектированию раскройных карт.

В третьей главе обсуждаются вопросы, связанные с оптимизационными методами. Разобраны несколько методов позволяющих вести оптимизационную работу уже при небольшом количестве исходных данных. Это требование является критичным при использовании методов оптимизации в алгоритмах, работающих с заготовками сложной формы, так как в таких алгоритмах генерация раскройной карты занимает значительное время даже при использовании современной вычислительной техники. Также разобрана стратегия выбора наилучшего набора алгоритмов для построения раскройных карт на заданном наборе заготовок и комбинирование различных алгоритмов при построении одной раскройной карты.

Возможность оперировать с различными специализированными алгоритмами укладки заготовок, мощный аналитический модуль, позволяющий на основании анализа геометрии спрогнозировать применение того или иного алгоритма укладки, гибкие алгоритмы построения раскройных карт и оптимизации — ядро алгоритмического комплекса использованного при создании универсального пакета для раскроя листового материала.

Для реализации Nest Class Library (NCL) был выбран объектно-ориентированный язык С++, что позволило построить хорошо структурированный программный продукт, обладающий огромным потенциалом для дальнейшего развития. Следствием применения объектно-ориентированного подхода стала возможность легко интегрировать NCL в другие программные продукты, расширяя как их возможности, так и возможности NCL. Например, при интеграции с AutoCAD фирмы Autodesk, NCL получает возможность напрямую работать с чертежами AutoCAD и генерировать раскройные карты напрямую в его среде, используя весь набор инструментов, предоставляемый этим пакетом без необходимости создавать промежуточные файлы для передачи графической информации. В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с реализацией NCL, работой NCL в структуре САПР, методы интеграции разработанного комплекса с продуктами сторонних разработчиков. Также описаны структуры данных и объектов NCL.

Современные условия производства диктуют жесткие требования к скорости выполнения проектных задач, специально для ускорения процесса генерации раскройных карт в NCL впервые реализована поддержка многопроцессорных систем, что позволило значительно сократить время расчетов на машинах с более чем одним процессором.

Практическая применимость и эффективность результатов диссертационной работы подтверждена внедрением на промышленных предприятиях. Акты внедрения приведены в приложении к диссертации.

Заключение

.

В последнее время в производстве все острее стоит вопрос экономии материала и увеличения объема выпускаемой продукции за счет уменьшения времени расходуемого на задачи проектирования, а также ускорения процесса обработки материала. Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности производства является внедрение полностью автоматических линий работающих под управлением компьютеров. Для подготовки управляющих программ к таким линиям разрабатываются специальные САПР, позволяющие уменьшить труд человека на этапах от разработки проекта до выпуска управляющей программы и сопутствующей документации. В частности, для заготовительного производства остро стоит проблема рационального использования листового материала и подготовки управляющих программ для машин термической резки.

В настоящей диссертационной работе были рассмотрены фундаментальные и прикладные исследования в области раскроя и оптимизации раскройных карт, на основании которых можно сделать следующие выводы.

1. Не существует математического аппарата, и даже теории гарантирующей получение оптимальной раскройной карты для случаев сложнее линейного раскроя. Особенно трудной проблемой остается задача создания эффективных вычислительных алгоритмов проектирования раскроя в условиях единичного и мелкосерийного производства для заготовок сложной формы.

2. Проектирование раскроя листовых материалов с помощью ЭВМ включает в себя два этапа: а. построение допустимых вариантов размещения заготовок на листахb. поиск оптимального варианта размещения среди множества допустимых.

3. Повышение качества проектных решений зависит от успешного решения оптимизационных и геометрических задач, возникающих на каждом из этих этапов.

4. Математическое обеспечение, предназначенное проектирования раскройных карт в условиях единичного производства должно обладать быстродействием достаточным для работы в данных условиях и выполнять большинство операций в автоматическом режиме.

5. Наиболее удобной формой архитектуры программного обеспечения в САПР раскроя материала являются интегрированные в единую оболочку пакеты прикладных программ, имеющих единый интерфейс и сходную логику работы.

На основе сформулированных выводов была проведена работа, результаты которой изложены в настоящей диссертации. Основными из этих результатов являются следующие.

1. Предложены новые способы построения допустимых вариантов размещения геометрических объектов в областях фиксированных размеров. Соответствующие вычислительные алгоритмы реализованы применительно к решению задачи раскроя листов произвольной формы на заготовки произвольной формы. Разработанные программы являются более быстродействующими по сравнению с существующими аналогами.

2. Разработаны алгоритмы выбора оптимальной стратегии раскроя в зависимости от номенклатуры деталей и листов в задании на раскрой.

3. Разработаны вопросы организации программного обеспечения в САПР раскроя материала в единичном производстве. Созданная в процессе работы над данной диссертационной работой система оптимального автоматического раскроя материала NCL позволяет работать с заготовками произвольной формы и обладает всеми необходимыми атрибутами современной САПР.

4. Предусмотрены различные пути интеграции разработанной системы с различными CADVCAM системами, позволяющие расширить функциональность NCL за счет использования возможностей систем сторонних разработчиков.

5. Особое внимание уделено вопросам документирования результатов работы NCL.

6. NCL прошел опытную эксплуатацию на ряде предприятий Свердловской области и за ее пределами. Полученные результаты подтверждают экономическую целесообразность внедрения подобных разработок на машиностроительных предприятиях и предприятиях работающих с листовыми материалами.