Помощь студентам в учебе
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАСКРОЕМ МЕТАЛЛА
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ 8
2. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСКРОЯ 16
2.1 Описание алгоритма для лазерной резки 17
2.2 Аналитический обзор 19
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ 23
3.1 Описание структуры автоматизированного управления 32
4. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ЗАГОТОВОК НА
ЛИСТОВОМ МАТЕРИАЛЕ 33
4.1 Классификация методов раскроя промышленных материалов 33
4.2 Информационно-аналитический обзор метода решения задач 35
4.2.1 Точные методы решения задач раскроя 37
4.2.2 Приближенные и эвристические методы 38
4.2.3 Вероятностные методы локального поиска оптимума 39
4.2.4 Генетические алгоритмы 41
4.2.5 Поиск с запретами 42
4.2.6 Имитация отжига 43
4.2.7 Муравьиная колония 44
5. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РАСКРОЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ
МАТЕРИАЛОВ 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А Схемы и чертежи 70
ВВЕДЕНИЕ 4
1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ 8
2. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСКРОЯ 16
2.1 Описание алгоритма для лазерной резки 17
2.2 Аналитический обзор 19
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ 23
3.1 Описание структуры автоматизированного управления 32
4. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ЗАГОТОВОК НА
ЛИСТОВОМ МАТЕРИАЛЕ 33
4.1 Классификация методов раскроя промышленных материалов 33
4.2 Информационно-аналитический обзор метода решения задач 35
4.2.1 Точные методы решения задач раскроя 37
4.2.2 Приближенные и эвристические методы 38
4.2.3 Вероятностные методы локального поиска оптимума 39
4.2.4 Генетические алгоритмы 41
4.2.5 Поиск с запретами 42
4.2.6 Имитация отжига 43
4.2.7 Муравьиная колония 44
5. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РАСКРОЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ
МАТЕРИАЛОВ 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А Схемы и чертежи 70
Эффективность производства машиностроения неразрывно связана с внедрением прогрессивных технологий при комплексной автоматизации технологических процессов. К ним относится лазерная технология, позволяющая обеспечить требуемые показатели качества различных технологических процессов. Наибольшее распространение нашли лазерная резка, сварка, упрочнение и наплавка [1, 2, 3, 4].
По сравнению с традиционными методами в области раскроя листового проката (штамповкой, газовой резкой, плазменной электроискровой резки и рубки), преимущества лазерной резки неоспоримы.
Это высокая скорость, экономия материала и производительность процесса, идеальная поверхность реза, незначительная зона термического воздействия, изготовление изделий любой сложности в единичных экземплярах, высокая, повторяемость сложных изделий в любых количествах, отсутствие деформации материала [6].
Используя возможности лазерной резки, можно раскроить по сложному контуру практически любой листовой материал при отсутствии механического воздействия на обрабатываемый материал.
Актуальность. Важным фактором конкурентоспособности в условиях единичного производства является:
1. Снижение материалоемкости.
2. Снижение затрат электроэнергии на холостые переходы.
3. Рационального использования материальных ресурсов.
Для чего из выше причисленного требует:
1. Совершенствование системы технологической подготовки раскроя промышленных материалов.
2. САПР отвечающая современным запросам.
3. Высокая скорость оптимизации раскроя и создание карты раскроя.
4. Минимальный отход промышленных материалов с учетом различных технологических ограничений: квалификация оператора, наличие САПР,
производительный ПК, наличие требуемого оборудования, марка, структура и
размер материала и т.д.
Задачи раскроя промышленных материалов, ориентированных на единичное производство, возникают при изготовлении разнообразной продукции на заказ. При этом необходимо осуществлять раскрой на заготовки различных форм.
Подобные задачи раскроя относятся к классу NP - трудных проблем, что означает отсутствие в настоящее время алгоритмов полиномиальной сложности, находящие решения за приемлемое на практике время. В связи с этим актуальной становится разработка и исследование эвристических методов решения задач раскроя, учитывающих технологические ограничения, возникающие в реальном производстве при производстве конечной продукции.
Целью работы является исследование и разработка метода и алгоритма высокоэффективного автоматизированного управления раскроя для лазерных резки станков с числовым пультом управлением для снижения отходов и затрат ресурсов на создание карты раскроя.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Информационно-аналитический анализ имеющихся программ, алгоритмов и методик автоматизированного управления раскроя для лазерных резки станков с числовым пультом управлением.
2. Исследование эффективности предложенных программ, алгоритмов и методов.
3. Разработка высокоэффективного алгоритма автоматизированного управления раскроя для лазерных резки станков с числовым пультом управлением , работающий с высокой скоростью, создания оптимальной карты раскроя для прямоугольных заготовок и заготовок произвольной формы .
Методы исследования. В работе использовались следующие методы:
1. Метод системного анализа, проектирования программного обеспечения.
2. Методы решения задач дискретной оптимизации.
Новизна исследования:
1. Модифицированный алгоритм автоматизированного управления
раскроем металла для лазерных резки станков с числовым пультом управлением адаптированный в условиях единичного производства.
2. Возможность работы алгоритма для прямоугольных заготовок и заготовок произвольной формы, с высокой скоростью создания раскроя карт.
По сравнению с традиционными методами в области раскроя листового проката (штамповкой, газовой резкой, плазменной электроискровой резки и рубки), преимущества лазерной резки неоспоримы.
Это высокая скорость, экономия материала и производительность процесса, идеальная поверхность реза, незначительная зона термического воздействия, изготовление изделий любой сложности в единичных экземплярах, высокая, повторяемость сложных изделий в любых количествах, отсутствие деформации материала [6].
Используя возможности лазерной резки, можно раскроить по сложному контуру практически любой листовой материал при отсутствии механического воздействия на обрабатываемый материал.
Актуальность. Важным фактором конкурентоспособности в условиях единичного производства является:
1. Снижение материалоемкости.
2. Снижение затрат электроэнергии на холостые переходы.
3. Рационального использования материальных ресурсов.
Для чего из выше причисленного требует:
1. Совершенствование системы технологической подготовки раскроя промышленных материалов.
2. САПР отвечающая современным запросам.
3. Высокая скорость оптимизации раскроя и создание карты раскроя.
4. Минимальный отход промышленных материалов с учетом различных технологических ограничений: квалификация оператора, наличие САПР,
производительный ПК, наличие требуемого оборудования, марка, структура и
размер материала и т.д.
Задачи раскроя промышленных материалов, ориентированных на единичное производство, возникают при изготовлении разнообразной продукции на заказ. При этом необходимо осуществлять раскрой на заготовки различных форм.
Подобные задачи раскроя относятся к классу NP - трудных проблем, что означает отсутствие в настоящее время алгоритмов полиномиальной сложности, находящие решения за приемлемое на практике время. В связи с этим актуальной становится разработка и исследование эвристических методов решения задач раскроя, учитывающих технологические ограничения, возникающие в реальном производстве при производстве конечной продукции.
Целью работы является исследование и разработка метода и алгоритма высокоэффективного автоматизированного управления раскроя для лазерных резки станков с числовым пультом управлением для снижения отходов и затрат ресурсов на создание карты раскроя.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Информационно-аналитический анализ имеющихся программ, алгоритмов и методик автоматизированного управления раскроя для лазерных резки станков с числовым пультом управлением.
2. Исследование эффективности предложенных программ, алгоритмов и методов.
3. Разработка высокоэффективного алгоритма автоматизированного управления раскроя для лазерных резки станков с числовым пультом управлением , работающий с высокой скоростью, создания оптимальной карты раскроя для прямоугольных заготовок и заготовок произвольной формы .
Методы исследования. В работе использовались следующие методы:
1. Метод системного анализа, проектирования программного обеспечения.
2. Методы решения задач дискретной оптимизации.
Новизна исследования:
1. Модифицированный алгоритм автоматизированного управления
раскроем металла для лазерных резки станков с числовым пультом управлением адаптированный в условиях единичного производства.
2. Возможность работы алгоритма для прямоугольных заготовок и заготовок произвольной формы, с высокой скоростью создания раскроя карт.
Основным результатом является решение задачи, имеющей важное хозяйственное значение, которая заключается в разработке методики расчёта функциональной зависимости параметров реза от теплофизических характеристик металлов с учетом влияния газовой среды, теплового поля в зоне воздействия лазерного излучения и их оптимальные параметры на основе математической модели с учётом распределения температурного поля по объёму зоны воздействия излучения на рез металлов и алгоритмов формирования управляющих воздействий, позволяющих учитывать тепловыделения при протекании окислительных реакций; эффективной системы автоматического управления, алгоритмов оптимизации процесса раскроя листового проката, выбора параметров звеньев лазерного технологического комплекса резки на основе нового подхода к моделированию, формированию ограничений для решения задачи оптимизации.
При проведении теоретических и практических исследований по тематике диссертации получены следующие научные и практические результаты:
1. Разработана математическая модель автоматизированной лазерной резки, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения, что позволяет снизить тепловую деформацию деталей до 20%.
2. Предложена методика формирования ограничений в задаче оптимизации расположения и выбора очередности обработки заготовок.
3. 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.
4. Разработаны алгоритмы выбора оптимальной стратегии раскроя в зависимости от номенклатуры деталей и листов в задании на раскрой.
5. Разработан рабочий вариант программного обеспечения на основе предложенных методов, алгоритмов и математического обеспечения оптимизации процесса раскроя промышленных материалов по критерию минимума материальных потерь при наличии технологических ограничений. Анализ результатов численных экспериментов показал их эффективность. На его основе было выявлено, что разработанные методы и алгоритмы позволяют повысить эффективность использования материала на 6-8%. Для пяти примеров задачи размещения круглых и прямоугольных предметов в полубесконечную область получены новые улучшенные значения целевой функции.
При проведении теоретических и практических исследований по тематике диссертации получены следующие научные и практические результаты:
1. Разработана математическая модель автоматизированной лазерной резки, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения, что позволяет снизить тепловую деформацию деталей до 20%.
2. Предложена методика формирования ограничений в задаче оптимизации расположения и выбора очередности обработки заготовок.
3. 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.
4. Разработаны алгоритмы выбора оптимальной стратегии раскроя в зависимости от номенклатуры деталей и листов в задании на раскрой.
5. Разработан рабочий вариант программного обеспечения на основе предложенных методов, алгоритмов и математического обеспечения оптимизации процесса раскроя промышленных материалов по критерию минимума материальных потерь при наличии технологических ограничений. Анализ результатов численных экспериментов показал их эффективность. На его основе было выявлено, что разработанные методы и алгоритмы позволяют повысить эффективность использования материала на 6-8%. Для пяти примеров задачи размещения круглых и прямоугольных предметов в полубесконечную область получены новые улучшенные значения целевой функции.
