CC BY
30
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Обзорная статья УДК 004.42
Применение САПР для автоматизации проектирования раскроя
Елена Викторовна Федорина1
Иван Фёдорович Дьяков2
1 2
' Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия
Аннотация. Представлены программы и автоматизированные системы раскроя материалов, применяемые в различных отраслях промышленности. В современных условиях на машиностроительных предприятиях широко внедряются автоматизированные системы управления, тем самым создаются благоприятные условия для внедрения на производстве методов оптимального раскроя металлопроката, нормирования расхода и рационального планирования потребности металлоресурсов; создания и использования САПР. Выполнен сравнительный анализ программ, применяемых для оптимального раскроя листового материала.
Ключевые слова: программы, САПР, раскрой, коэффициент использования металла, карта раскроя.
INFORMATION TECHNOLOGY Review article
Application of CAD for automation of cutting design Elena V. Fedorina1 Ivan F. Dyakov2
1,2 Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia
Abstract. Programs and automated systems for cutting materials used in various industries are presented. In modern conditions, automated control systems are being widely introduced at machine-building enterprises, thereby creating favorable conditions for the introduction of methods for optimal cutting of rolled metal, rationing of consumption and rational planning of metal resource needs; the creation and use of CAD. A comparative analysis of the programs used for optimal cutting of sheet material is performed. Keywords, programs, CAD, cutting, metal utilization factor, cutting map.
Первые автоматизированные системы применительно к раскрою, появившиеся в конце 70-х -начале 80-х годов прошлого века, были предназначены для автоматизации расчётов норм, выполняемых вручную, и в основном без использования математических методов рационального раскроя [1-3]. В современных условиях на машиностроительных предприятиях широко внедряются автоматизированные системы управления, тем самым создаются благоприятные условия для внедрения на производстве методов оптимального раскроя металлопроката, нормирования расхода и рационального планирования потребности металлоресурсов; создания и использования САПР [4].
© Федорина Е. В., Дьяков И. Ф., 2023
Ниже представлены программы и автоматизированные системы раскроя материалов, применяемые в различных отраслях промышленности. Например, T-FLEX/Раскрой предназначен для оптимизации раскроя листового материала [5]. В решении задачи оптимального раскроя материала можно выделить три основных этапа:
1. Описание геометрии заготовок и материала, формирование задания на раскрой.
2. Автоматический раскрой.
3. Интерактивный раскрой. Общая схема решения задачи раскроя материала в системе T-FLEX/Раскрой представлена на рисунке 1.
С помощью оптимизации раскроя листов решаются задачи экономного использования материала: раскрой листов на полосы (карты); регулярный раскрой; нерегулярный (фигурный) раскрой. В качестве графического редактора
Рис. 1. Общая схема решения задачи раскроя материала
используется система для двумерного проектирования T-FLEX CAD 2D или трёхмерного моделирования T-FLEX CAD 3D. Необходимая информация о геометрии заготовки и раскраиваемых деталях берётся из чертежа T-FLEX CAD, схема раскроя формируется также в виде чертежа T-FLEX CAD. По окончании расчёта выводится список вариантов схем раскроя для визуального сравнения и оценки по коэффициенту использования материала. Выбранная схема раскроя строится в T-FLEX CAD автоматически с указанием необходимых размеров.
Над созданием и внедрением автоматизированных систем раскроя работают коллективы под руководством А. А. Петунина (ООО Хим-маш, г. Екатеринбург) и В. Д. Фроловского (г. Новосибирск) [6 - 8].
Система «Сириус» (Система Интерактивного Раскроя и Управления Станками г. Екатеринбург) применяется для проектирования рационального раскроя промышленных материалов на заготовки произвольной формы и для подготовки управляющих программ резки для станков с ЧПУ [9]. САПР «Сириус» позволяет создавать карты оптимизированного раскроя материала [10-12] в мебельной, стекольной промышленности, металлопродукции и других материалов.
Современная система «Техтран-Раскрой» (НИП Информатика - г. Новосибирск), сочетающая возможности CAM-системы и производственный потенциал, предназначена для проектирования программ раскроя листового материала с помощью машин термической резки. Создание технологии резки заключается в:
а) формировании базы данных о деталях (контура детали; толщины, марки материала и др.);
б) разработке задания на раскрой с учётом комплектности (на листе размещаются детали, определяется порядок выполнения резов, формируется деловой отход);
в) выборе оборудования для раскроя листов (автоматического или ручного);
г) разработке программы резки.
Программа «Астра Раскрой» предназначена
для оптимизации раскроя различных листовых материалов: плит ДСП, стекла, металла и др. «Астра Раскрой» позволяет быстро формировать заказ на раскрой, создавать карты раскроя с полным комплектом документации раскроя, вести учёт отходов для дальнейшего использования.
Программа еСШюШ; предназначена для автоматизации раскроя материалов (плит ДСП, MDF) на гильотинном оборудовании с учётом технологических ограничений. Дальнейшее развитие еСШюШ; получила в программе еСШюШРго, в которой реализовано хранение справочников по деталям, оборудованию и создание технологических документов раскроя.
В настоящее время широко применяется в мебельной промышленности программа оптимального раскроя листовых и погонных материалов на прямоугольные заготовки «Орйит» Задание на раскрой формируется на основе справочника деталей. По результатам раскроя создаются отчёты об использовании материалов и произведённой продукции. Для повышения коэффициента использования материала на раскрой подаются деловые отходы. Программы, применяемые на предприятиях, связанных с производством мебели, окон и другой продукции: «БАЗИС-Мебельщик», SDCC. Системы предназначены для автоматического проектирования
раскроя и для автоматизации процесса создания карт раскроя плит.
FieryCut- программное обеспечение для оптимального размещения деталей любой формы на листе из металла и неметаллических материалов: дерева, стекла, ткани, кожи и создания программы для станков ЧПУ, выполняющих лазерную резку; плазменную, водоструйную; алмазную; проволочную резку (2D). Программа состоит из трёх модулей: создание геометрии деталей; размещение деталей на листе; создание программы резания для станков ЧПУ.
Программа FieryCut написана на C++ и интегрирована в систему AutoCAD и Mechanical. Это позволяет ускорить разработку контуров раскраиваемых деталей и заготовок и обеспечить наилучшую совместимость при импорте/экспорте форматов с другими CAD/CAM-системами (Pro/Engineer, CATIA, Unigraphics, SolidWorks, SolidEdge, Inventor и др.).
Программа «ORION - Раскрой листовых материалов» предназначена для оптимизации раскроя листовых материалов на детали прямоугольной формы. Основные возможности программы: формирование и сохранение базы изделий, базы материалов, базы заказов без ограничения количества деталей, остатков материала; оптимизация: всего заказа, только материала, только изделия, только листа; ручное редактирование карт раскроя; склад материалов. Для формирования карт раскроя применяется высокоскоростной алгоритм, главным критерием которого является минимизация отходов материала. Программы функционируют в среде операционных систем Windows XP/ Vista/ Win7/ Windows 8.
Pro/ENGINEER (Corporation-PTC (США)) Pro/PDX - применяется для разработки раскроя листовых деталей, используя модель, разработанную в PRO/E или импортированную из других CAD-систем.
Развёртка детали создаётся автоматически с указанием линий изгиба и передаётся в модуль выпуска конструкторской документации или на устройство для резки или на укладку одной или нескольких одинаковых или различных деталей с учётом «мёртвых зон» в модуль SHEET METAL CUTTING.
Обновлённый профессиональный программный продукт Cutting 3 (Cutting Optimization PRO) с оптимизационными возможностями предназначен для оптимального раскроя материала на прямоугольные или линейные детали. Возмож-
ное применение программы - в деревообрабатывающем, мебельном производстве, в машиностроении для резки металла, в стекольной промышленности. В основу расчёта раскроя положен принцип минимизации отходов. Программа функционирует в среде операционных систем Windows 95/98/ME/2000/NT/XP. Cutting 3 позволяет импортировать детали из AutoCad и других источников, задавать на раскрой любое количество листов и деталей, материал разной текстуры, определять показатели раскроя материала, формировать склады материалов и остатков.
Программный комплекс «Itas Nesting» (под руководством проф. Файзрахманова Р. А., г. Пермь) предназначен для решения задач раскроя листовых материалов в металло-, деревообрабатывающей, лёгкой, аэрокосмической, стекольной областях промышленности. «ItasNesting» формирует карты раскроя в автоматическом и полуавтоматическом режимах и экспортирует их в формате DXF, определяет коэффициент раскроя и коэффициент оценки плотности упаковки, прогнозирует количество листового материала для раскроя, имеет высокие скорости работы.
Автоматизированное проектирование раскроя материалов широко применяется в лёгкой промышленности, в конструкторской и технологической подготовке производства швейных и меховых изделий. Первые технологии для решения проблемы создания конструкций одежды с использованием компьютерной техники были разработаны зарубежными фирмами «Гербер» (США), «Лектра» (Франция), «Инвестроника» (Испания).
В восьмидесятые годы в НПО «Белбыттехни-ка» применялась система «АВТОКРОЙ» (г. Минск, Беларусь). Далее для автоматизации труда модельера-конструктора с использованием компьютерной техники была создана система ЛЕКО (Центральный научно-производственный институт швейной промышленности - ЦНИ-ИШП) Вслед за ЛЕКО появляются системы АССОЛЬ (Центр компьютерных технологий при Московском физико-техническом институте), «ГРАЦИЯ», T-FLEX/ОДЕЖДА.
Компьютерная программа T-FLEX/ОДЕЖДА применяется для автоматизированного проектирования и моделирования одежды, интегрирована с графической системой T-FLEX CAD фирмы «Топ Системы» и использует стандартные методики конструирования швейной продукции.
В системе комплексной автоматизации конструкторской и технологической подготовки
производства одежды «ГРАЦИЯ» (фирма «Ин-фоком», г. Харьков, Украина) конструктор создаёт алгоритмы расчёта и конструкции изделия любой модели и размеров без участия программиста. Система позволяет быстро и эффективно решить проблемный процесс размножения лекал и обеспечивает автоматический контроль, а при необходимости корректировку параметров и совмещения деталей.
Система ELEANDR-CAD (Научно-технический центр дизайна и технологии при МГУДТ и компания ООО «Элеандр» 2003) является последней разработкой для эффективного использования на швейных предприятиях. Система обеспечивает конструирование и моделирование одежды, создание конструкторской документации, раскладку лекал, формирование технологической документации.
Проблема рационального использования меха в качестве задачи о минимальном покрытии рассматривается в работах группы А. А. Колоколова. Приёмы формообразования деталей одежды, пушно-меховых изделий из матричных элементов с разработкой методики их проектирования на основе компьютерных технологий предлагаются в многочисленных публикациях.
Зарубежные программные продукты в области раскроя - упаковки представлены небольшим количеством компаний.
Программные обеспечения для двумерного раскроя PlanlQ и для трёхмерной упаковки CubelQ предлагает канадская компания Magic Logic Optimizationlnc. PlanlQ, используется в стекольной, дерево-, металлообрабатывающей промышленности, при производстве ковров и обработке пластмассы.
Единственный программный продукт CubelQ на рынке авиационных контейнеров (типа «параллелепипед» и «с вырезанным» углом) производит упаковку контейнеров с учётом веса, оптимального центра тяжести и правил кантовки с импортом/экспортом графиков или таблиц.
Новозеландская компания Remarkable Ideas представляет программу CutPlanner для резки заготовок из стекла, пластмассы, дерева, металла, которая определяет время раскроя на любом существующем раскройном оборудовании.
Выводы по существующим САПР:
- рассмотренные САПР эффективны для раскроя в условиях единичного и много-
номенклатурного мелкосерийного производства с применением группового метода раскроя на заготовки произвольной геометрической формы;
- сортамент металла формируется под габариты основных металлоёмких деталей, а минимальная его потребность - исходя из заводского сортамента;
- расчёт раскроя исходных материалов базируется на определении технико-экономических показателей по каждой детали в отдельности, что ограничивает применение программ при индивидуальном оптимальном раскрое для крупносерийного и массового производства по всей номенклатуре штампуемых деталей.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Ермаченко А. И., Сиразетдинов Т. М. Автоматизированная система расчёта прямоугольного раскроя // Информационные системы и технологии. Новосибирск: НГТУ, 2003. С. 36- 39.
2. Бабаев Ф. В. Автоматизированная система управления раскроем металлопроката с использованием режима диалога человека с ЭВМ // Сварочное производство. 1977. №7. С. 37-40.
3. Нурбагандов A. K., Бабаев Ф. В. Автоматизация процесса составления оптимального плана раскроя для листовой штамповки // Куз-нечно-штамповочное производство. 1976. №1. С.25-28.
4. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: учебник для вузов. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 448 с.
5. T-FLEX Раскрой - Автоматизация раскроя листовых материалов URL: http://www.tflex.ru/ products/priklad/raskr/ (дата обращения: 07.12.2022).
6. Моделирование технологических процессов раскроя металлопроката холодноштампо-вочного производства / В. И. Филимонов, И. Ф. Дьяков, О. В. Мищенко, Е. В. Федорина // Современные технологии обработки металлов давлением: моделирование, проектирование, производство: материалы международной научно-технической конференции. М.: Университет машиностроения, 2013. С. 240-243.
7. Фроловский В. Д. Автоматизация проектирования управляющих программ тепловой резки металла на оборудовании с ЧПУ // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2005. №4. С. 63-66.
8. Фроловский В. Д. Исследование методов построения кратчайшего пути обхода отрезков на плоскости // Сибирский журнал вычислительной математики. Новосибирск, РАН, Сиб. отд-ние. 2006. Т. 9, №3. С. 201-212.
9. Петунин А. А. Методологические и теоретические основы автоматизации проектирования раскроя листовых материалов на машинах с числовым программным управлением: дис. ... д-ра техн. наук: 05.13.12. Екатеринбург, 2009. 348 с.
10. Петунин A. A. Интегрированная САПР «Сириус» // КомпьютерМэн. Екатеринбург: Комсомольская Правда-Урал. 1996. №6. С. 9-12.
11. САПР «Сириус» оптимизация раскроя и резки листовых материалов / A. A. Петунин, В. И. Кротов, С. С. Уколов, В. В. Видяпин // САПР и графика. Москва: Компьютер Пресс, 1999. №10. С. 42-47.
12. Петунин A. A., Гамберг В. Я., Кротов В. И. Система автоматизированного проектирования раскроя материалов и автоматизация раскроя металлопроката на базе машин с ЧПУ для термической резки металла // «Титан». М.: ВИЛС, 1993. №2. С. 56-58.
Информация об авторах
Е. В. Федорина - аспирантка, кафедра «Основы проектрования машин и инженерная графика» машиностроительного факультета УлГТУ; И. Ф. Дьяков - доктор технических наук, профессор, кафедра «Основы проектрования машин и инженерная графика» машиностроительного факультета УлГТУ.
REFERENCES
1. Ermachenko A. I., Sirazetdinov T. M.
Avtomatizirovannaya sistema raschyota pryamougol'nogo raskroya [Automated system for calculating rectangular cutting]. Informacionnye sistemy i tekhnologii [Information systems and technologies]. Novosibirsk, NSTU, 2003, рр. 36-39.
2. Babaev F. V. Avtomatizirovannaya sistema upravleniya raskroem metalloprokata s ispol'zovaniem rezhima dialoga cheloveka s EVM [Automated control system for the opening of rolled metal using the human-computer dialogue mode]. Svarochnoe proizvodstvo [Welding production]. 1977, No. 7, рр. 37-40.
3. Nurbagandov A. K., Babaev F. V. Avtomatizaciya processa sostavleniya optimal'nogo plana raskroya dlya listovoj shtampovki [Automation of the process of drawing up an optimal cutting
plan for sheet stamping]. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo [Forging and stamping production]. 1976, No. 1, pp. 25-28.
4. Norenkov I. P. Osnovy avtomatizirovannogo proektirovaniya: uchebnik dlya vuzov [Fundamentals of computer-aided design: textbook for universities]. Moscow, MGTU im. N. E. Baumana [Bau-man Moscow State Technical University], 2006, 448 p.
5. T-FLEX Raskroj - Avtomatizaciya raskroya listovyh materialov [T-FLEX Cutting - Automation of cutting of sheet materials]. URL: http:// www.tflex.ru/products/priklad/raskr/ (accessed: 07.12.2022).
6. Modelirovanie tekhnologicheskih processov raskroya metalloprokata holodnoshtampovochnogo proizvodstva [Modeling of technological processes of cutting metal rolling of cold-stamping production] / V. I. Filimonov, I. F. Dyakov, O. V. Mishchenko, E. V. Fedorina. Sovremennye tekhnologii obrabotki metallov davleniem: modelirovanie, proektirovanie, proizvodstvo: materialy mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii [Modern technologies of metal processing by pressure: modeling, design, production: materials of the international scientific and technical conference]. Moscow, Universitet mashinostroeniya [University of Mechanical Engineering], 2013, pp. 240-243.
7. Frolovsky V. D. Avtomatizaciya proek-tirovaniya upravlyayushchih programm teplovoj rezki metalla na oborudovanii s CHPU [Automation of design of control programs for thermal cutting of metal on CNC equipment]. Informacionnye tekhnologii v proektirovanii i proizvodstve [Information technologies in design and production]. 2005, No. 4, pp. 63-66.
8. Frolovsky V. D. Issledovanie metodov postroeniya kratchajshego puti obhoda otrezkov na ploskosti [Investigation of methods for constructing the shortest path of traversing segments on a plane]. Sibirskij zhurnal vychislitel'noj matematiki [Siberian Journal of Computational Mathematics]. Novosibirsk, RAS, Siberian Branch. 2006, Vol. 9, No. 3, pp.201-212.
9. Petunin A. A. Metodologicheskie i teo-reticheskie osnovy avtomatizacii proektirovaniya raskroya listovyh materialov na mashinah s chislovym programmnym upravleniem: dis. ... d-ra tekhn. nauk [Methodological and theoretical foundations of the automation of the design of cutting sheet materials on machines with numerical control: dis.
... doct. Technical sciences]: 05.13.12. Yekaterinburg, 2009,348 p.
10. Petunin A. A. Integrirovannaya SAPR «Sirius» [Integrated CAD system «Sirius»]. Komp'yuterMen [Computerman]. Yekaterinburg, Komsomolskaya Pravda-Ural, 1996, No. 6, pp. 912.
11. SAPR «Sirius» optimizaciya raskroya i rezki listovyh materialov [CAD «Sirius» optimization of cutting and cutting of sheet materials]. A. A. Petunin, V. I. Krotov, S. S. Ukolov, V. V. Vidyapin. SAPR i grafika [CAD and graphics]. Moscow, Computer Press, 1999, No. 10, pp. 42-47.
12. Petunin A. A., Gamberg V. Ya., Krotov V. I. Sistema avtomatizirovannogo proektirovaniya raskroya materialov i avtomatizaciya raskroya metalloprokata na baze mashin s CHPU dlya termicheskoj rezki metalla [Computer-aided design system for cutting materials and automation of metal rolling cutting based on CNC machines for thermal metal]. «Titan». Moscow, VILS, 1993, No. 2, pp. 56-58.
Information about the authors E. V. Fedorina - postgraduate student, Department «Fundamentals of Machine Design and Engineering Graphics» of the Faculty of Mechanical Engineering of UlSTU;
I. F. Dyakov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Fundamentals of Machine Design and Engineering Graphics» of the Faculty of Mechanical Engineering of UlSTU.
Статья поступила в редакцию 11.12.2022; одобрена после рецензирования 22.01.2023; принята к публикации 10.02.2023.
The article was submitted 11.12.2022; approved after reviewing 22.01.2023; accepted for publication 10.02.2023.
