5 - 2000

Среди задач конструкторско-технологической подготовки производства преимущественно машиностроительных предприятий особой сложностью отличаются задачи оптимизации раскроя промышленных материалов. Для ее решения на рынке программного обеспечения предлагается ряд зарубежных и отечественных систем, о которых, наряду с описанием назначения и возможностей российской разработки «СИРИУС», упоминалось в статье «САПР «СИРИУС» — оптимизация раскроя и резки листовых материалов в единичном производстве» журнала «САПР и графика» №10’99. В данной публикации рассказывается о решении задачи оптимального раскроя листов на карты-полосы с использованием приложения «T-FLEX/Раскрой».

Три задачи для «T-FLEX/Раскрой». Раскрой листов на карты-полосы

Андрей Мазурин

Раскрой листов

Раскрой листов в «T-FLEX/Раскрой»

    Исходные данные

    Расчет и анализ результатов раскроя

Программный модуль «T-FLEX/Раскрой» представляет собой приложение к известной российской САПР T-FLEX CAD фирмы «Топ Системы» и ориентирован на решение 2D-задач оптимизации раскроя листовых материалов. Задачи, решаемые с помощью «T-FLEX/Раскрой», делятся на три группы:

  • раскрой листов (рулонов) на карты-полосы (ленты);
  • регулярный раскрой;
  • нерегулярный (фигурный) раскрой.

В качестве графического редактора выступает система для двухмерного проектирования T-FLEX CAD 2D или система для трехмерного моделирования T-FLEX CAD 3D. Необходимая графическая информация о геометрии заготовки и раскраиваемых деталях берется из T-FLEX-документа, и соответственно в T-FLEX-документе формируется схема раскроя. Поэтому все, что связано с передачей исходных данных о геометрии деталей из других форматов хранения данных (DWG, DXF, IGES и т.п.), экспорта полученной схемы раскроя или дальнейшей обработкой результатов расчета, целиком ложится на плечи T-FLEX CAD. Для этого графическая система обладает всеми необходимыми функциональными возможностями и поддерживает взаимный обмен данными, в частности, между технологическими системами «T-FLEX/Технология» и «T-FLEX/ЧПУ», использующих результаты расчетов «T-FLEX/Раскрой».

Прежде чем перейти к описанию решения задачи раскроя листов на карты-полосы, коротко остановлюсь на решениях регулярного и фигурного раскроя, с возможностями которых более подробно можно будет ознакомиться в последующих публикациях на страницах журнала «САПР и графика».

Регулярный раскрой представляет собой задачу оптимизации раскроя плоской детали на полосе или листе материала. Это, пожалуй, одно из наиболее апробированных решений приложения «T-FLEX/Раскрой» с пятилетним стажем его эксплуатации на российских машиностроительных предприятиях. Первоначально программный модуль раскроя использовался для конструирования штампов разделительной группы для вырубки-пробивки плоских листовых деталей в разрабатываемой в МГТУ «Станкин» системе автоматизированного проектирования штамповой оснастки. С его помощью рассчитывались оптимальное (с точки зрения экономии материала полосы) размещение очка матрицы в рабочей зоне штампа, размер рабочей зоны и ширина полосы. В дальнейшем решение было оформлено в самостоятельное приложение, интегрируемое с другими системами на файловом уровне и с предоставлением доступа к методам управления программой с использованием технологии OLE Automation. Помимо однорядного раскроя в нем стали возможными поиск оптимальных параметров раскроя детали на заготовке заданной ширины и/или длины и многорядный раскрой на листе. Детально о возможностях этой программы рассказывалось в статье «Семь раз отмерь, один раз отрежь, или К вопросу об оптимизации параметров раскроя» журнала «САПР и графика» №10, 11’98. Но это приложение по-прежнему больше учитывало интересы конструкторов, нежели технологов. Поэтому в новом специализированном модуле «T-FLEX/Раскрой» при решении задач регулярного раскроя дополнительно были учтены интересы технологов. А для расчета нормы расхода на деталь (заготовку) стали учитываться не только данные по регулярному раскрою, но и результаты раскроя листов на карты-полосы. Однако об этом мы поговорим подробнее в следующей публикации.

Нерегулярный (фигурный) раскрой представляет собой решение задачи оптимизации раскроя разных плоских деталей на прямоугольном листе или той части, что остается после его использования для получения других деталей (заготовок). Это, пожалуй, одна из наиболее интересных и сложных задач, требующих активного участия в процессе расчета непосредственно пользователя системы. Для автоматического решения (увы, существующего пока только теоретически) никаких мощностей компьютера не хватит. Но тем не менее интерактивный режим получения наиболее приемлемого решения существует и позволяет получать довольно неплохие результаты. С этим решением также более подробно можно будет ознакомиться в одной из последующих публикаций. Отмечу только, что одним из пунктов эффективного использования «T-FLEX/Раскрой» является применение фигурного раскроя в сочетании с регулярным, когда за основу берутся результаты регулярного раскроя, а затем на оставшемся материале заготовки размещаются новые детали (заготовки).

В начало В начало

Раскрой листов

Оптимизация раскроя листов на карты-полосы в том или ином виде решена практически на всех машиностроительных заводах, в той или иной степени охваченных компьютеризацией. Это либо покупные системы, либо системы, разработанные собственными специалистами. В последнем случае, как правило, они призваны решать конкретные производственные задачи и неплохо с этим справляются.

Алгоритм решения задачи раскроя листов на карты-полосы сравнительно прост и используется во всех этих системах. Различаются только подходы к его реализации и интерфейсы пользователя и обмена данными между другими системами.

Основной упор при реализации решения этой задачи в приложении «T-FLEX/Раскрой» делался на обеспечение прямого обмена графическими данными с T-FLEX CAD, быстродействие выполнения расчетов, универсальность и обеспечение возможности совместного использования, в частности, с хорошо знакомой многим читателям журнала «САПР и графика» технологической системой «T-FLEX/Технология».

Прямой доступ к графическому ядру T-FLEX CAD и уникальная реализация алгоритма расчета позволили эффективно решить задачи обмена графическими данными между CAD-системой и приложением «T-FLEX/Раскрой», существенно сократить время выполнения расчета и тем самым предоставить пользователю возможность оценить полученные результаты по коэффициентам использования материала и нормам расхода на получаемые детали (заготовки).

Универсальность задачи обусловлена возможностью раскроя листов на группу разнотипных карт-полос (то есть одной толщины и марки материала, но разной длины и/или ширины), заданных в исходных данных, и получением различных схем раскроя:

  • схема продольного раскроя, когда размещаемые на листе карты-полосы выстраиваются вдоль него рядами (каждый ряд в схеме раскроя содержит карту-полосу только одного типа);
  • схема продольно-поперечного раскроя, когда размещаемые на листе карты-полосы вначале выстраиваются вдоль него рядами, а затем на оставшемся свободном месте — рядами поперек листа (каждый ряд в схеме раскроя содержит карту-полосу только одного типа);
  • схема продольного комбинированного раскроя, при которой размещаемые на листе карты-полосы выстраиваются вдоль него рядами, но в них могут сочетаться карты-полосы разных типов, чьи размеры совпадают как минимум по одной из сторон;
  • схема продольно-поперечного комбинированного раскроя, когда размещаемые на листе карты-полосы выстраиваются как вдоль, так и поперек него рядами, в которых могут сочетаться карты-полосы разных типов, имеющих хотя бы одну равную сторону.

Раскрой можно выполнять на одно изделие или на группу изделий с учетом объема программы на заданный период времени. Здесь программа «T-FLEX/Раскрой» не накладывает никаких ограничений и не контролирует действий пользователя.

Единственное, на что хотелось бы обратить особое внимание, — это возможность получения вышеперечисленных различных схем раскроя. Примерно пять лет назад мне предложили написать небольшую программу раскроя штанг (прутков) для одного московского завода, выпускавшего в то время электродвигатели. На протяжении многих лет для выполнения производственной программы предприятие кроило прутки на валы одной серии электродвигателей, в то время как параллельно те же самые прутки кроились для получения электродвигателей другой серии с длиной вала, отличной от длины первого. Все это сопровождалось большим количеством отходов, что, безусловно, отражалось на цене готового изделия. Регулярно через заготовительный цех проходило несколько разных серий электродвигателей, и у технологов возникло естественное желание попытаться сократить объем расхода материала за счет комбинированного раскроя прутка на валы одинакового сечения, из одного и того же материала, но с разными длинами. Возможность экономии материала, пусть незначительная, лежала на поверхности. Но первые же полученные результаты тестовых расчетов на реальных данных последней программы выпуска повергли технологов в шок. Согласно производственной программе изготовления валов электродвигателя из прутков, имевшихся на складе на тот отчетный период, по результатам комбинированного раскроя общий отход металла можно было уменьшить в семь (!) раз. Такого эффекта никто не ожидал.

С тех пор я стал более уважительно относиться к такого рода «элементарным» раскройным задачам и осознал, что потенциал для экономии материалов на наших российских предприятиях неисчерпаем. Я, кстати, не уверен, что моя программка (написанная для апробации решения в виде утилиты еще под операционную систему MS-DOS) использовалась технологами в дальнейшем. В те годы серьезную конкуренцию заводу составляли производители более дешевых электродвигателей. Во всяком случае, сегодня завод специализируется на выпуске иной продукции и уже решает вопросы экономии листового проката.

Опыт, полученный на раскрое прутков, был использован при раскрое листов (комбинирование карт-полос в ряду) и, можно сказать, является частным случаем задачи раскроя прутков, когда все карты-полосы исходного задания имеют минимум по одной равной стороне, в свою очередь равной ширине листа исходной заготовки (играющего роль прутка). С примером подобной схемы раскроя можно будет ознакомиться в данной публикации ниже.

В начало В начало

Раскрой листов в «T-FLEX/Раскрой»

Рассмотрим работу приложения «T-FLEX/Раскрой» на одном из примеров раскроя листа на карты.

Доступ пользователя к работе с приложением «T-FLEX/Раскрой» обеспечивается автоматически одновременно с загрузкой T-FLEX CAD. В головном меню появляется опция «Раскрой» с ниспадающим меню, содержащим основные опции для каждой из трех задач: «Карты», «Регулярный» и «Фигурный», а на инструментальной линейке — соответствующий им набор пиктограмм (рис. 1).

В начало В начало

Исходные данные

Ввод исходных данных может осуществляться в автоматическом (на уровне файлового обмена данными) и ручном режиме. Для ручного ввода и редактирования исходных данных служат диалоговые панели, представленные на рис. 2.

Исходными данными являются ширина, длина, толщина и плотность материала листа, боковые перемычки, учитывающие краевые дефекты и предусматривающие места фиксации листа для выполнения операции резки, ширина реза (например, для дисковых пил) и данные по картам-полосам. При вводе данных по картам-полосам указываются их длина и ширина, допустимость выполнения раскроя с поворотом на 90 градусов (для учета текстуры материала заготовки), количество получаемых карт-полос и допустимость раскроя некоторого числа карт-полос в задел, для дальнейшего их использования в новых производственных партиях выпуска. Последнее условие выполняется только в том случае, если при формировании ряда в схеме раскроя возможно получение более высокого коэффициента использования материала листа за счет включения в него дополнительного числа карт-полос.

Тип получаемых схем раскроя задается установкой соответствующих флажков на диалоговой панели («Раскрой комбинированный» и «Раскрой продольно-поперечный»). Для визуального анализа и отбора наиболее приемлемого варианта схемы раскроя пользователь указывает число выводимых на экран лучших по значению коэффициента использования (коэффициента раскроя) материала заготовки (листа) вариантов.

После того как все необходимые исходные данные введены, можно приступать к выполнению расчета.

В начало В начало

Расчет и анализ результатов раскроя

В результате выполнения расчетов пользователю на экран выводится диалоговая панель с полученными данными. На рис. 3 представлен один из вариантов полученных схем раскроя листа — продольно-поперечная схема раскроя.

При работе с текущей схемой раскроя пользователь получает возможность визуальной оценки результатов расчета:

  • расположения карт-полос на листе;
  • коэффициента использования материала;
  • нормы расхода материала на каждую деталь (заготовку), в роли которой выступает карта-полоса;
  • остатка карт-полос, не вошедших в данную схему раскроя и нуждающихся в дальнейшем выполнении расчетов.

Число копий схемы раскроя показывает, сколько листов рекомендуется раскроить по данной семе. Его можно увеличивать до момента, пока не будут получены все карты-полосы, но это может привести к неоправданному росту объема ряда карт-полос, вошедших в схему раскроя, в задел.

При определении нормы расхода материала пользователь может изменить статус любого ряда раскладки, пометив его как группу деталей (заготовок), получаемых из отхода. Для примера будем считать в нашем случае, что оба поперечных ряда получаются из отхода. В этом случае норма расхода будет перераспределена между оставшимися картами, как это показано на рис. 3.

Продолжаем поиск оптимальной схемы раскроя для карт-полос, не вошедших в первую, не изменяя исходных данных (рис. 4). Результаты выполнения расчета представлены на рис. 5. Здесь, в отличие от предыдущего варианта, пользователю помимо норм расхода материала для текущей схемы раскроя предоставляется средняя величина норм расхода на каждую деталь, с учетом предыдущих, принятых к исполнению вариантов раскроя.

Для получения оставшейся партии карт-полос мы можем вновь использовать прежнюю заготовку либо подобрать другую, более подходящего размера, как это показано на рис. 6.

Все выбранные пользователем схемы раскроя автоматически формируются в T-FLEX CAD и могут быть использованы при подготовке технологической документации.

Кроме того, каждая из построенных в T-FLEX CAD схем раскроя может быть использована для новых расчетов или видоизменена (рис. 7). Работая с диалоговой панелью «Схема раскроя», пользователь имеет возможность редактировать текущую схему раскроя, меняя ряды местами, удаляя их или изменяя количество содержащихся в них карт-полос. Свободные участки текущей схемы раскроя могут быть заполнены новыми рядами карт из числа имеющихся или вновь введенных карт-полос.

***

Как видно из краткого обзора возможностей модуля раскроя карт-полос приложения «T-FLEX/Раскрой», программа дает специалистам возможность оперативно оценить различные комбинации получения деталей (заготовок) из имеющихся листов. Для этого у пользователя имеются все необходимые данные, в первую очередь коэффициент использования материала и нормы расхода, получаемые в результате компьютерной обработки заданной производственной программы.

Я сознательно упростил пример демонстрации возможностей системы. В нем был рассмотрен только случай получения карт-полос как готовых деталей, и не рассматривалась ситуация, когда карта-полоса выступает в качестве заготовки, например для получения деталей вырубкой-пробивкой. Этот случай будет описан в следующей публикации, описывающей использование приложения «T-FLEX/Раскрой» для получения схем регулярного раскроя.

С автором можно связаться по тел.: (095) 367-30-28, 972-31-09 или e-mail: andrmaz@aha.ru

«САПР и графика» 5'2000