litceysel.ru 1 2 ... 4 5

На правах рукописи




ПЕТУНИН Александр Александрович


МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

РАСКРОЯ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА МАШИНАХ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ


Специальность: 05.13.12

Системы автоматизации проектирования

(в промышленности)


А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Уфа ─ 2010


Работа выполнена

в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет — УПИ»

на кафедре информационных технологий и автоматизации проектирования


Официальные оппоненты д-р техн. наук, проф.

Фроловский Владимир Дмитриевич

зав. кафедрой АСУ

Новосибирского государственного

технического университета


д-р техн. наук, проф.

Мартынов Виталий Владимирович

зав. кафедрой экономической информатики

Уфимского государственного авиационного технического университета


д-р техн. наук, проф.

Юрьев Виктор Леонидович

генеральный директор

ОАО «Институт технологии

и организации производства»


Ведущая организация Институт машиноведения

Уральского отделения РАН,

г. Екатеринбург


Защита состоится 28 апреля______________ 2010 г. в 10 часов

на заседании диссертационного совета Д-212.288.03

Уфимского государственного авиационного технического университета

по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета



Автореферат разослан “___”_____________ 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

д-р техн. наук, проф. В. В. Миронов


Общая характеристика работы

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

  1. 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.

  2. Метод автоматического выбора рационального оптимизационного алгоритма раскроя на основе классификации задач и сравнительного анализа алгоритмов.
  3. 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.


  4. 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.

  5. 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.

  1. 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 приемлемое время, приемлемое для условий единичного производства время. При этом учитываются технологические особенноститребования резки материала.
  2. 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.


  3. 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.

  4. 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.

  5. 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 «Уралпромоборудование», 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 99 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.



следующая страница >>