Разработка методик расчета временных и стоимостных параметров процесса резки в системах автоматизированного проектирования управляющих программ для машин листовой лазерной резки с ЧПУ : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.13.12

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 листовой 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 (далее по тексту САПР), предназначенных для разработки управляющих программ (далее по тексту УП) для машин листовой резки с ЧПУ, обеспечивают 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. Описание геометрии заготовок выполняют с помощью CAD систем (Computer-Aided Design). 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 решения задачи «нестинга». В настоящее время для автоматизации процесса формирования маршрута резки чаще всего используются специализированные системы автоматизированного проектирования, относящиеся к классу САМ систем (Computer-Aided Manufacturing). На этом этапе возникают актуальные научно-практические задачи оптимизации маршрута
5
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 листовом материале 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 CAD/CAM системы 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 научно-обоснованные 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 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

6
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 выполнять технологические ограничения процесса термической резки, соблюдение которых, как было отмечено выше, позволяет уменьшить искажения геометрических форм и размеров вырезаемых деталей.
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 системах автоматизированного проектирования УП для оборудования листовой резки с ЧПУ остаются нерешенными и определяют актуальность данной диссертационной работы. Сформулированные задачи по разработке научно- обоснованных методик для расчета стоимостных и временных параметров процесса резки, методик и алгоритмов проектирования маршрута резки с применением специальных способов резки при одновременном соблюдении

7
технологических ограничений термической резки, а также их программная реализация представляют общетеоретический и очевидный практический интерес для повышения эффективности систем автоматизированного проектирования 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 зарубежных, так и отечественных 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 систем автоматизированного проектирования 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.

8
В большой части работ, посвященных проектированию маршрута инструмента для машин листовой резки с ЧПУ, описываются методы и соответствующие им алгоритмы, которые основаны на применении стандартной техники резки деталей («по замкнутому контуру»). Она предполагает вырезку граничных контуров деталей целиком и сводит задачу оптимальной маршрутизации к задаче минимизации только холостых перемещений режущего инструмента, что сильно ограничивает множество допустимых решений задачи. В подавляющей части работ по проблеме исследования (см., например, публикации Мурзакаева Р.Т., Ченцова А.Г., Arkin E., Ascheuer N., Cattrysse D., Dewil R., Hoeft J., Jing Y., Lee M., Lin S., Yang W., Zhao Y. и многих других) используется дискретизация граничных контуров деталей, что позволяет применять различные математические модели дискретной оптимизации. Можно отметить только отдельные публикации, где оптимизационные алгоритмы ориентированы на поиск решений среди континуальных множеств.
Часть работ отечественных и зарубежных ученых Верхотурова М.А., Петунина А.А., Полищука Е.Г., Ченцова П.А., Dewil R., Han G., Kim Y. предлагает алгоритмы проектирования маршрута перемещения режущего инструмента, ориентированные на снижение температуры листового материала в процессе термической резки на оборудовании с ЧПУ и уменьшение геометрических искажений вырезаемых деталей.
В целом, следует отметить явную недостаточность исследований по вопросам применения нестандартных техник резки и методик их использования при проектировании маршрута резки в существующих системах автоматизированного проектирования УП. Остаётся также открытым вопрос точного вычисления стоимостных и временных параметров процесса резки для оборудования термической резки с ЧПУ, поскольку, насколько нам известно, до настоящего времени исследований по этому вопросу проведено не было. Это касается как проведения исследований для определения поправочных коэффициентов для величины рабочей скорости перемещения режущего инструмента, так и методик расчета стоимости резки деталей на машинах

9
листовой резки с ЧПУ. Актуальность разработки этих методик усиливает и тот факт, что в России на предприятиях реального сектора экономики практически нигде не применяют научно-обоснованные методы расчета стоимости резки. Таким образом, разработка методик точного вычисления стоимостных и временных параметров процесса резки для задач оптимизации маршрута инструмента, а также разработка методов проектирования маршрута инструмента с использованием специальных техник резки, являются актуальными задачами создания и применения систем автоматизированного проектирования УП для машин листовой резки с ЧПУ.
Цель работы заключается в исследовании и разработке методик расчета временных и стоимостных параметров процесса резки, а также методик проектирования маршрута резки для номенклатур типовых деталей в системах автоматизированного проектирования УП для оборудования листовой лазерной резки с ЧПУ. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– разработать научно-обоснованную методику для расчета стоимостных параметров целевой функции в задаче оптимизации маршрута резки при проектировании УП для оборудования лазерной резки с ЧПУ с учетом эксплуатационных затрат и особенностей используемого оборудования с ЧПУ;
– разработать методику для расчета рабочей скорости перемещения режущего инструмента с целью точного вычисления целевой функции времени резки в задаче оптимизации маршрута резки при проектировании УП для
оборудования лазерной резки с ЧПУ;
– разработать методики проектирования маршрута резки с применением специальных способов в системах автоматизированного проектирования УП для оборудования листовой резки с ЧПУ для номенклатур типовых деталей в раскройно-заготовительном производстве;

10
– разработать алгоритмы и реализовать разработанные методики для построения маршрута резки в системах автоматизированного проектирования УП с использованием специальных способов резки при одновременном соблюдении технологических ограничений процесса термической резки;
– реализовать методику для расчета стоимости процесса резки на оборудовании лазерной резки с ЧПУ в виде отдельного модуля для расширения функциональных возможностей систем автоматизированного проектирования УП
для оборудования листовой лазерной резки с ЧПУ;
– провести верификацию и апробацию разработанных методик и алгоритмов.
Научная новизна результатов. Автором разработаны методики, применение которых в системах автоматизированного проектирования УП для оборудования листовой лазерной резки с ЧПУ позволит повысить эффективность их функционирования за счёт получения рациональных вариантов маршрута резки при уменьшении значений временных и стоимостных параметров процесса резки при одновременном снижении искажений геометрических форм и размеров выпускаемой продукции. Также разработанные методики точного вычисления стоимостных и временных параметров процесса резки могут применяться для вычисления целевых функций при построении оптимального маршрута резки при проектировании УП в САПР. Программная реализация этих методик позволяет расширить функциональные возможности универсальных систем автоматизированного проектирования УП для оборудования термической резки с ЧПУ при решении задач оптимальной маршрутизации инструмента. В данной работе основные экспериментальные исследования были проведены для оборудования лазерной резки с ЧПУ. Вместе с тем, результаты работы могут быть использованы и для другого типа оборудования листовой термической резки с ЧПУ с учетом особенностей конкретной технологии резки. Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:

11
1. Впервые разработана научно-обоснованная методика расчета стоимостных параметров в целевой функции стоимости в задаче оптимизации построения маршрута резки для оборудования лазерной резки с ЧПУ. Получены табличные значения этих параметров для ряда марок материала различной толщины с целью использования в САПР УП для машин лазерной резки с ЧПУ;
2. Впервые получены формулы для расчета фактической рабочей скорости перемещения режущего инструмента в целевой функции времени резки в задаче оптимизации построения маршрута резки для лазерного оборудования с ЧПУ;
3. Разработаны новые методики построения маршрута перемещения режущего инструмента для некоторых номенклатур типовых деталей с использованием специальных техник резки для оборудования листовой резки с ЧПУ с целью уменьшения значений основных параметров резки (числа точек врезки, длины холостых и рабочих перемещений режущего инструмента). При этом одновременно соблюдаются условия технологичности и снижаются термические деформации, возникающие в процессе резки.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
1. в разработке методики для расчета параметров целевой функции стоимости в задаче оптимизации построения маршрута резки для оборудования лазерной резки с ЧПУ и в полученных табличных значений этих параметров для целого ряда марок материала различной толщины;
2. в разработке методики точного расчета рабочей скорости перемещения режущего инструмента для целевой функции времени резки в задаче оптимизации построения маршрута резки для оборудования лазерной резки с ЧПУ и в полученных формулах для расчета фактической рабочей скорости на примере оборудования лазерной СО2 резки с ЧПУ;

12
3. в разработке методик маршрутизации режущего инструмента при резке некоторых номенклатур типовых деталей на основе использования специальных техник резки оборудования листовой резки с ЧПУ, позволяющих уменьшить значения основных параметров резки при соблюдении технологических ограничений термической резки. Разработанные методики используются в производственном процессе при проектировании УП в САПР «СИРИУС», «BySoft» и «Tru Tops»;
4. в программной реализации разработанных методик в виде макропрограмм для построения маршрута резки для номенклатуры типовых деталей в САПР «СИРИУС»;
5. в разработке модуля для расчета стоимости процесса листовой лазерной резки и его интеграции с существующей САПР «СИРИУС».
Полученные результаты используются в образовательном процессе
Уральского Федерального Университета (УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург), что подтверждается актом, приведенным в Приложении А.
Результаты диссертации в виде методик автоматизированного проектирования и программного обеспечения внедрены на предприятиях: ООО «Уралинтех», АО «ПО УОМЗ», ЗАО «РЦЛТ», что подтверждается соответствующими актами, приведенными в Приложении А.
Методология и методы исследования. Методологическую базу исследования составили фундаментальные и прикладные работы отечественных и зарубежных ученых в области автоматизированного проектирования маршрута резки для машин листовой резки с ЧПУ и в области разработки алгоритмов оптимальной маршрутной оптимизации. В качестве инструментов исследования использовались следующие методы: анализ, синтез, классификация, формализация, математические методы обработки данных. Формулы для вычисления фактических значений скорости рабочего хода режущего инструмента выведены с использованием полученных результатов

13
экспериментального исследования на оборудовании лазерной СО2 резки с ЧПУ. Обработка результатов исследования выполнена средствами программы «Mathcad». Разработка методики для расчета параметров целевой функции стоимости резки выполнена на основании анализа особенностей технологического оборудования лазерной резки с ЧПУ и эксплуатационных затрат, связанных с процессом резки. Для оценки эффективности полученных результатов была проведена апробация разработанных технологий и методик на промышленных предприятиях.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методики вычисления стоимостных и временных параметров целевых функций в задаче оптимизации маршрута резки при автоматизированном проектировании УП для оборудования лазерной листовой резки с ЧПУ. Разработанные методики обеспечивают корректный результат вычисления целевых функций и поиска оптимального маршрута резки с учетом технологических особенностей оборудования термической резки, режимов резания и эксплуатационных затрат;
2. Методики и схемы построения маршрута резки в системах автоматизированного проектирования УП для оборудования листовой резки с ЧПУ, основанные на применении специальных техник резки для определенных номенклатур деталей, которые изготавливаются из листового материала, и обеспечивающие сокращение времени и стоимости резки, а также уменьшение тепловых деформаций материала;
3. Элементы систем автоматизированного проектирования, которые позволяют повысить эффективность их функционирования и расширить их функциональные возможности при решении задач оптимальной маршрутизации инструмента для машин листовой резки с ЧПУ.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается результатами экспериментальных исследований, приведенными в ряде публикаций, полученными при использовании методик, алгоритмов и

14
программных средств, созданных при непосредственном участии соискателя. Достоверность полученных результатов подтверждается также решением практических задач при внедрении результатов диссертационного исследования на промышленных предприятиях Свердловской области и хорошим согласованием полученных результатов с экспериментальными данными. Основные положения диссертации были представлены на международных и всероссийских научных конференциях, опубликованы в изданиях ВАК, Scopus, WoS, известны в научном сообществе и положительно оценены специалистами.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, в том числе:
 II Всероссийская молодежная научно-практическая конференция с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург, 2013);
 III Международная конференция «Информационные Технологии и Системы» (Банное, Россия, 2014);
 II Международная конференция «Интеллектуальные технологии обработки информации и управления» (Уфа, 2014);
 II Международная конференция «Информационные технологии интеллектуальной поддержки принятия решений» (Уфа, 2014);
 IV Международная конференция «Информационные Технологии и Системы» (Банное, Россия, 2015);
 41я Международная конференция «Applications of Mathematics in Engineering and Economics» (AMEE’15) (Болгария, 2015);
 II Международная конференция «International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing» (Челябинск, 2016);
 11 Международная конференция «Новые информационные технологии в исследовании сложных структур» (Екатеринбург, 2016);

15
 VI Международная конференция «Информационные Технологии и Системы» (Банное, Россия, 2017);
 III Международная конференция «International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing» (Челябинск, 2017);
 19 Международная конференция «Computer Science and Information Technologies» (Германия, 2017);
 Международная конференция «Mathematical optimization theory and operations research» (Екатеринбург, 2019);
 Международная научно-техническая конференция «International conference on industrial engineering» (Сочи, 2019);
 Международная конференция «International conference on rheology and modeling of materials» (Венгрия, 2019).
Личный вклад автора состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертационной работы, проведении аналитических расчетов на основе полученных результатов, а также в разработке соответствующих методик и элементов систем автоматизированного проектирования УП для оборудования листовой лазерной резки с ЧПУ. Все экспериментальные исследования на машине лазерной резки с ЧПУ и анализ их результатов, а также формулировка выводов, сделаны автором самостоятельно. В опубликованных совместных работах постановка и разработка алгоритмов для решения задач осуществлялись совместными усилиями соавторов при непосредственном активном участии соискателя.
По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, среди которых 4 статьи в научных журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, 6 публикаций в научных журналах, индексируемые в базе данных WoS и Scopus, 8 работ опубликованы в других изданиях. Список публикаций по теме диссертации приведен в Приложении Б.

16
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 164 с., в том числе 65 рисунков, 18 таблиц. Список литературы включает 118 наименований.
Содержание диссертации соответствует п.1, 2 и 3 Паспорта специальности 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (по отраслям).