Разработка методик расчета временных и стоимостных параметров процесса резки в системах автоматизированного проектирования управляющих программ для машин листовой лазерной резки с ЧПУ
Актуальность темы исследования. В машиностроении и других отраслях промышленности в раскройно-заготовительном производстве большая часть продукции изготавливается из листового материала на технологическом оборудовании термической резки с числовым программным управлением (далее по тексту ЧПУ). К такому оборудованию относятся, в частности, машины лазерной, плазменной, кислородной резки. Машины лазерной резки с ЧПУ имеют широкое применение, что обусловлено возможностью обработки многих видов материалов различной толщины, высокой скоростью резки, возможностью обработки контуров различной сложности и хорошего качества реза, адаптации к постоянным изменениям номенклатуры выпускаемой продукции. Как известно, применение систем автоматизированного проектирования (САПР), предназначенных для разработки управляющих программ (УП) для машин листовой резки с ЧПУ, обеспечивает автоматизацию процесса проектирования УП. Проектирование УП для технологического оборудования листовой резки состоит из нескольких этапов. Первый этап предполагает предварительное геометрическое моделирование заготовок и разработку раскройной карты листового материала. На этапе проектирования раскроя возникает известная задача оптимизации фигурного раскроя листового материала, которая с точки зрения геометрической оптимизации относится к классу трудно решаемых проблем раскроя-упаковки (Cutting & Packing), т.н. проблема «нестинга». На следующем этапе проектирования УП осуществляется процесс назначения траектории перемещения режущего инструмента (маршрута резки) для полученного на первом этапе варианта раскроя. На этом этапе возникают актуальные научно-практические задачи оптимизации маршрута режущего инструмента. Целью этих задач обычно является минимизация стоимости и (или) времени процесса резки, связанного с обработкой требуемых контуров деталей из листового материала, за счет определения оптимальной последовательности вырезки контуров и выбора необходимых точек для термической врезки в листовой материал с учетом технологических ограничений процесса резки. В рамках данной диссертационной работы задачи раскроя-упаковки не рассматриваются за исключением связанной с проблемой «нестинга» задачи формирования на листовом материале групп типовых деталей, обеспечивающих решение задачи оптимальной маршрутизации инструмента при вырезке этих групп. Следует отметить, что современные специализированные САПР предоставляют базовый инструментарий для решения задач рационального раскроя материалов и подготовки УП для технологического оборудования листовой резки с ЧПУ. Вместе с тем разработчики систем автоматизированного проектирования УП для оборудования листовой резки с ЧПУ не уделяют должного внимания проблеме оптимизации маршрута резки. Существующее программное обеспечение САПР не гарантирует получение оптимальных траекторий перемещения инструмента при одновременном соблюдении технологических требований резки, обусловленных необходимостью уменьшения термических деформаций материала, которые могут приводить к существенным искажениям геометрии вырезаемых деталей. Прежде всего, отметим, что в настоящее время отсутствуют научнообоснованные методики точного вычисления стоимостных и временных параметров целевых функций в задаче оптимизации построения маршрута резки при проектировании УП из-за сложности учета различных технологий и режимов резания, особенностей используемого оборудования с ЧПУ и эксплуатационных затрат. В частности, в существующих САПР значение скорости рабочего хода инструмента при расчете времени резки принимается величиной постоянной, однако, как показывает
4 практика, фактическая скорость резки может меняться в зависимости от различных технологических факторов, а также характеристик спроектированной УП. В свою очередь, для расчета стоимости процесса резки на оборудовании листовой лазерной резки с ЧПУ зачастую учитывается только длина рабочего хода инструмента, которая принимается равной суммарному периметру граничных контуров вырезаемых деталей и не учитываются другие параметры траектории перемещения инструмента, а также эксплуатационные характеристики процесса резки и особенности используемого оборудования.
Отметим также, что пользователи САПР, в основном, используют интерактивный режим проектирования УП. При этом при проектировании маршрута резки зачастую применяется стандартная техника резки «по замкнутому контуру» и путь инструмента строится только с точки зрения минимизации холостых переходов режущего инструмента. Однако этот параметр не единственный, который влияет на стоимость процесса резки. Известно, что наибольшее влияние на величину целевых функций стоимости и времени термической резки оказывают число точек врезки и длина перемещения режущего инструмента на рабочем ходе. Поэтому в настоящее время при проектировании УП наибольший интерес представляют специальные способы резки, которые направлены на уменьшение значений основных параметров резки (числа точек врезки, длины холостых и рабочих перемещений режущего инструмента), а не только длины холостых перемещений инструмента. При этом необходимо одновременно соблюдать технологические ограничения процесса термической резки.
Таким образом, задачи разработки методик для точного расчета стоимостных и временных параметров процесса резки, а также для построения маршрута резки с применением специальных техник резки в САПР УП для оборудования листовой резки с ЧПУ остаются нерешенными и определяют актуальность данной диссертационной работы. Сформулированные задачи представляют
общетеоретический и очевидный практический интерес для повышения эффективности САПР УП для оборудования листовой резки с ЧПУ. Актуальность задачи возрастает и в связи с всё более широким распространением в промышленности лазерного оборудования с ЧПУ, которое позволяет получать детали с достаточной точностью и с необходимым качеством, и в связи с возрастающей конкуренцией в сфере оказания услуг по листовой резке.
Степень разработанности темы исследования. Методы проектирования технологических процессов раскроя, включая методы формирования маршрута резки, исследовались в работах, как отечественных, так и зарубежных ученых. Как отмечалось выше, разработка оптимизационных методов решения задачи «нестинга» не входит в круг рассматриваемых в диссертационной работе задач, тем не менее, следует упомянуть о значительном вкладе советских и российских исследователей в теорию оптимизации раскроя-упаковки. Работы в этой предметной области были начаты выдающимися учёными Залгаллером В.А. и Канторовичем Л.В. и продолжены в уфимской научной школе Мухачевой Э.А. и её учениками: Валеевой А.Ф., Верхотуровым М.А., Картаком В.М., Мартыновым В.В., Филипповой А.С., и др. Методологические и теоретические основы создания САПР листового раскроя для задачи «нестинга» были заложены Гилем Н.И., Петуниным А.А., Стояном Ю.Г., Фроловским В.Д.
Разработкой алгоритмов для маршрутизации инструмента машин листовой резки с ЧПУ занимались, в частности, следующие российские исследователи: Верхотуров М.А., Макаровских Т.А., Мурзакаев Р.Т., Петунин А.А., Ченцов А.Г.,
Ченцов П.А., Фроловский В.Д., Хачай М. Ю. и др., а также зарубежные исследователи: Arkin E., Ascheuer N., Cattrysse D., Dewil R., Gambardella L., Hoeft J., Jing Y., Kim Y., Lee M., Sherif, S.U.,Yang W. и др...
В соответствии с целью и задачами исследования получены следующие научные и практические результаты:
1. Впервые разработана методика расчета стоимостных параметров
целевой функции /'СО { в задаче оптимизации траектории перемещения инструмента для оборудования лазерной резки с ЧПУ. Разработанная методика используется на ряде предприятий Свердловской области для расчета табличных значений стоимостных параметров и себестоимости деталей, изготавливаемых из листового материала на оборудовании лазерной резки с ЧПУ. Применение разработанной методики в САПР УП обеспечивает построение корректной оптимальной траектории инструмента при автоматизированном проектировании маршрута минимальной стоимости;
2. Впервые разработана методика и получены формулы для вычисления фактических значений параметра Von в целевой функции времени резки в задаче оптимизации траектории перемещения режущего инструмента для оборудования лазерной резки с ЧПУ. Полученные формулы используются в САПР «СИРИУС» для оптимизации маршрута инструмента по времени резки Tcut в автоматическом режиме с использованием точного и эвристического алгоритмов, что обеспечивает построение корректной оптимальной траектории инструмента при автоматизированном проектировании минимального по времени маршрута резки;
3. Для некоторых номенклатур типовых деталей разработаны методики и алгоритмы проектирования траектории перемещения режущего инструмента с применением специальных способов резки, ориентированные на минимизацию Fcos t и Tcut ;
4. Осуществлена программная реализация предложенных методик и алгоритмов резки в виде макропрограмм для построения траектории перемещения режущего инструмента в САПР «СИРИУС». Кроме того, разработанные методики используются в интерактивном режиме в производственном процессе при проектировании УП в САПР «BySoft» и САПР «Tru Tops»;
5. Предложен алгоритм и разработан модуль с использованием платформы .NET Framework для расчета стоимости процесса резки деталей из листового материала. Модуль интегрирован в САПР «СИРИУС». Расчет стоимостных параметров проводится в соответствии с авторской методикой, учитывающей эксплуатационные затраты, возникающие в процессе лазерной резки на оборудовании с ЧПУ;
6. Описанные методики при соблюдении технологических ограничений процесса термической резки и при одновременном уменьшении значений времени и стоимости резки позволяют имплементировать их в существующие САПР УП и получать рациональные варианты маршрута резки;
7. Результаты диссертационной работы внедрены и используются на промышленных предприятиях Свердловской области. В результате внедрения предложенных методик и программных средств снижается до 45% стоимость изготовления типовых деталей из листового материала на оборудовании лазерной резки с ЧПУ при одновременном выполнении условий технологичности. В целом, как показывает опыт, внедрение автоматизированного проектирования УП с реализованными методиками и алгоритмами, разработанными в настоящей работе, позволяет сокращать сроки подготовки УП и получать УП, которые обеспечивают сокращение суммарной стоимости раскроя (стоимость использованного материала плюс стоимость процесса резки);
8. В учебном процессе ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» результаты работы используются при выполнении практических работ по дисциплинам «Автоматизация конструкторского и технологического проектирования», «Автоматизация проектирования раскройно-заготовительного производства» при подготовке бакалавров. Выпущено учебное электронное пособие «Автоматизация проектирования раскроя листового материала и подготовка управляющих программ для машин с ЧПУ в САПР «СИРИУС»»...
Разработка методик расчета временных и стоимостных параметров процесса резки в системах автоматизированного проектирования управляющих программ для машин листовой лазерной резки с ЧПУ
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
