Научная статья на тему 'Совершенствование технологического процесса изготовления корпусных деталей емкостного оборудования на предприятиях авиационной и машиностроительной промышленности на основе автоматизации оптимального раскроя листового сортамента'

Совершенствование технологического процесса изготовления корпусных деталей емкостного оборудования на предприятиях авиационной и машиностроительной промышленности на основе автоматизации оптимального раскроя листового сортамента Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»

119
19
Поделиться
Ключевые слова
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА / ОБЕЧАЙКА / SHELL / РАСКРОЙ / CUTTING / AUTOMATION

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — Кульга К.С., Меньшиков П.В., Давлетшин Р.Ф.

В статье рассматриваются результаты совершенствование технологического процесса изготовления корпусных деталей емкостного оборудования (обечайки) на основе создания и практической апробации на предприятиях авиационной и машиностроительной промышленности алгоритмического и программного обеспечения (ПО) автоматизированной информационной системы (АИС) оптимального раскроя листового сортамента, включая решение задачи программной интеграции на уровне данных и управления с ПО интегрированной АИС Stalker PLM [1]

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — Кульга К.С., Меньшиков П.В., Давлетшин Р.Ф.,

IMPROVED PROCESS FOR PRODUCING BODY PARTS OF VESSEL EQUIPMENT ON ENTERPRISES OIL AND CHEMICAL ENGINEERING BASED AUTOMATED OPTIMAL CUTTING SHEET ASSORTM

The article reviews the results of improving the technological process of correlation pusnyh parts storage equipment (shell) based on the development and practical testing at the enterprise-yatiyah petroleum engineering algorithms and software (SW) Automated Information Systems (AIS) of optimal cutting of sheet sizes, including solution to the problem of software integration at the level of data acquisition and control software with integrated AIS Stalker PLM [1].

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Совершенствование технологического процесса изготовления корпусных деталей емкостного оборудования на предприятиях авиационной и машиностроительной промышленности на основе автоматизации оптимального раскроя листового сортамента»

УДК 681.3.06,658.512.2.011.56

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЕМКОСТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АВИАЦИОННОЙ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ОПТИМАЛЬНОГО РАСКРОЯ ЛИСТОВОГО СОРТАМЕНТА

К.С. Кульга, П.В. Меньшиков, Р.Ф. Давлетшин

В статье рассматриваются результаты совершенствование технологического процесса изготовления корпусных деталей емкостного оборудования (обечайки) на основе создания и практической апробации на предприятиях авиационной и машиностроительной промышленности алгоритмического и программного обеспечения (ПО) автоматизированной информационной системы (АИС) оптимального раскроя листового сортамента, включая решение задачи программной интеграции на уровне данных и управления с ПО интегрированной АИС Stalker PLM [1]

Ключевые слова: автоматизированная информационная система, обечайка, раскрой

Актуальность проблемы . Одной из основных и дорогостоящих корпусных элементов емкостного оборудования, на которую приходится значительная часть затрат времени технической подготовки производства авиационного и машиностроительного производства, является деталь, имеющая наименование «обечайка». Обечайка - открытый с торцов цилиндрический или конический барабан (без днищ), являющийся заготовкой для корпусных деталей и баков ракетных носителей, паровых котлов, резервуаров, листовых металлоконструкций и т.п.. Актуальной является решение научной задачи совершенствования технологического процесса изготовления обечайки, повышение точности раскроя дорогостоящих материалов, рационального использование деловых отходов.

Цель научного исследования: совершенствование технологического процесса изготовления обечайки на основе создания и практической апробации на предприятиях нефтяного машиностроения автоматизированной информационной системы (АИС) оптимального раскроя листового сортамента, включая решение задачи программной интеграции на уровне данных и управления с программным обеспечением (ПО) интегрированной АИС (ИАИС) Stalker PLM [1].

Для достижения цели работы были сформулированы и решены следующие научные задачи:

1. Изучены известные технологии и алгоритмы покрытия многоугольных фигур прямоугольниками и рассмотрена возмож-

Кульга Константин Станиславович - УГАТУ, д-р техн. наук, профессор, тел.8-(347)-2730526, e-mail: stalker_pro@mail.ru

Меньшиков Павел Владимирович - УГАТУ, аспирант, тел.8-(347)-22730526, e-mail: knz87.post@gmail.com Давлетшин Ранис Фанисович - УГАТУ, магистрант, тел.8-(347)-2730526, e-mail: slvranis@mail.ru

ность их применения для решения задачи оптимального раскроя листового сортамента; исследовать технические и технологические особенности задачи раскроя обечайки.

1.1. Модели и методы решения задач плотного размещения предметов. Под задачами плотного размещения понимается широкий класс проблем, объединенных однообразной логической структурой и допускающих различное толкование. Данной задаче эквивалентны возникшие много раньше задачи раскроя и упаковки (Cutting and Packing, C&P), которые в течение последних пятидесяти лет привлекают внимание научных исследователей и производственников. Начало этому положил в 1939 г. Л.В. Канторович [2]. Он рассматривал задачу получения максимального числа комплектов деталей в заданном ассортиментном отношении. Для её решения был предложен метод разрешающих множителей, который предвосхитил появившееся позднее линейное программирование. Тогда Л.В. Канторович применил непрерывную релаксацию к решению целочисленной задачи раскроя. Метод был описан Л. В.Канторовичем и В.А. Залгаллером в 1951 г. (1971 г.) [2]. Различные вычислительные схемы (сеточный метод и метод склейки) были разработаны и исследованы Э.А. Мухачевой и И.В. Романовским [3]. По сути, классическая проблема массового раскроя оказалась закрытой. М. Гэри и Д. Джонсон доказали, что целочисленная задача одномерного раскроя является NP-трудной [4]. А это, в свою очередь, означает, что целочисленная проблема гильотинного размещения является NP-трудной. Для решения таких задач используется полный перебор, а точных алгоритмов полиномиальной сложности пока не известно. Поэтому стали бурно развиваться приближенные и эвристические методы, в том числе и метаэвристики.

1.2. Задачи раскроя и упаковки. К проблемам раскроя и упаковки можно отнести сле-

дующие задачи, показанные на рис. 1. Задачи могут различаться геометрией области и размещаемых в него предметов, размерностью, условиями реализации размещения и другими дополнительными факторами. Факторы и порождаемые ими задачи изображены на рис. 1. Серым цветом отмечены задачи, составляющие предмет исследования или близкие к нему.

Рис. 1. Классификация моделей задач

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

раскроя-упаковки

1.3. Одномерные задачи раскроя и упаковки. Одномерные задачи - основная категория проблем C&P. Среди них можно выделить следующие три типа: задача загрузки рюкзака, задача раскроя и задача упаковки.

1.4. Задачи прямоугольной упаковки. В качестве основной принято рассматривать следующую задачу упаковки (Packing Problem, PP): имеются малые элементы, их необходимо разместить без взаимного перекрытия внутри больших объектов так, чтобы заданная целевая функция достигла минимума (максимума). В категории «задач раскроя и упаковки» содержится множество прикладных задач, которые изучаются с давних пор. Большая часть таких задач являются NP-трудными комбинаторными проблемами и для них не известны точные методы решения полиномиальной сложности.

М. Гери и Д. Джонсон показали, что более простые, чем рассматриваемые задачи, принадлежат к классу NP-трудных проблем [4].

1.5. Постановки задач покрытия. Задача размещения в область с препятствиями может быть сведена к задаче размещения предметов в прямоугольные контейнеры путем выделения последних из исходной области. Такую проблему можно отнести к классу задач покрытия. Наиболее общей задачей покрытия является задача о минимальном покрытии множества. Все остальные задачи являются подклассами этих задач. Специфика конкретных задач состоит в структуре покрывающих и покрываемых множеств, а также в выборе критериев оптимизации. Задача минимального покрытия множества является NP-трудной, как и большинство других представителей задач покрытия.

2. Разработка алгоритмического и ПО АИС оптимального раскроя обечайки

2.1. Постановка задачи оптимального раскроя обечайки. Оптимальный раскрой листового сортамента для изготовления обечайки в общем случае сводится к задаче покрытия ортогональной области с препятствиями прямоугольниками заданных размеров. При больших размерностях задач, в связи с большими затратами вычислительных ресурсов современных ЭВМ, для решения практических задач раскроя целесообразно использовать эвристические методы поиска оптимального решения. В отличие от классической постановки задачи покрытия ортогональной области с препятствиями, задача оптимального раскроя обечайки имеет ряд особенностей, связанных с учетом следующих ограничений (критериев):

■ применение групп сосудов, включающих обечайку с различными технологическими требования (ГОСТ Р 52630-2006 «Сосуды и аппараты стальные сварные». Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2007);

■ учет точности технологического оборудования, ширину сварных швов и их взаимное расположение (например, не допускаются крестообразные швы, или параллельные швы, расстояние между которыми меньше определенного Amin);

■ особенности конструкции обечайки, в которую входят следующие детали/сборочные единицы (ДСЕ): штуцеры, люки, цапфы, опоры, укрепляющие кольца, тарелки и др. Для каждой ДСЕ существует свой набор технологических ограничений на расположения сварных швов;

■ тип заготовки (лист или лента) и учет ее параметров (кромление листа, направление волокон и др.;

■ количество использованных листов, общую длину различных типов сварных швов (полученных разными видами сварки), количество деловых и технологических отходов заготовки, трудоемкость технологических операций, значение плановой себестоимости корпусной детали.

Исследование возможностей существующих программ, применение которых возможно для задачи оптимального раскроя обечайки, показал, что они не учитывают всех вышеперечисленных критериев, предъявляемых к решению поставленной задачи предприятиями нефтяного машиностроения. В настоящее время на не автоматизированное решение задачи раскроя обечайки затрачивается от 2 до 4 дней (по данным фотографии дня работы инженера-технолога), при этом не гарантируется оптимальность полученного решения и отсутствия ошибок.

2.2. Разработка алгоритмического и ПО АИС оптимального раскроя обечайки. Разработка ПО АИС осуществлялась с использованием инструментальных средств CASE-технологий, а именно методологии разработки ПО Rational Unified Process (RUP) и универсального языка моделирования UML.

ПО АИС включает три основных модуля

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

[5]:

1. Препроцессор - ПО интерактивного графического редактора для создания геометрической модели обечайки (включая генерацию параметрической 3D твердотельной геометрической модели в CAD-системе на основе ПО API-функций этих' системы);

2. Процессор - ПО оптимального раскроя обечайки на основе реализации эвристического алгоритма;

3. Постпроцессор - ПО графической визуализации и печати результатов оптимального раскроя обечайки (автоматическая генерация карты раскроя в виде 2D/3D геометрической модели в CAD-системе на основе ПО API-функций) и формирования управляющей программы для технологического оборудования с ЧПУ.

Препроцессор АИС. Рассмотрим подробнее ПО препроцессора АИС. Главная форма препроцессора АИС показана на рис. 2. В препроцессоре, на основе конструкторской документации, создается 2D геометрическая модель обечайки. Для повышения эффективности соз-

дания вышеуказанной модели разработана параметрическая библиотека геометрических объектов обечайки: штуцеры, люки, цапфы, сварные швы, опоры и др. Задание координат расположения объектов возможно не только от начала координат, но и от любых других объектов или заданных пользователем базовых поверхностей. Таким образом, нет необходимости выполнять трудоемкие расчеты для размещения объектов в геометрической модели обечайки.

Рис. 2. Препроцессор АИС

Пример создания геометрической модели обечайки на основе использования библиотеки параметрических объектов показан на рис. 3.

Рис. 3. 2D-геометрическая модель обечайки в препроцессоре АИС

После создания геометрической модели обечайки, осуществляется дополнительная проверка правильности ее построения. Для этого в состав препроцессора входит ПО функции ав-тематического построения 3D геометрической модели обечайки в CAD-системе Solid Works [6].

Процессор АИС.

После проверки правильности построения геометрической модели обечайки, управление передается в процессоре АИС, где определя-

ются граничные условия раскроя, и осуществляется формирование расчетной схемы обечайки в виде развертки (рис. 4).

Рис. 4. Развертка обечайки

ПО процессора АИС осуществляет решение задачи оптимального раскроя обечайки на основе эвристического алгоритма, в котором реализованы следующие особенности [5]:

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

■ итерационный последовательный перебор возможных вариантов с ранним отсечением заведомо неудачных вариантов раскроя;

■ использование сущностей «запрещенная зона» и «узловая точка» для быстрого поиска возможных вариантов размещения заготовки (листа);

■ реализация процедуры поиска в области вокруг локального оптимума на каждой итерации, что позволяет повысить вероятность нахождения оптимального решения;

■ возможность в случае необходимости разрезания заготовки (листа), формирование и применение «прикройных» заготовок (листов);

■ использования деловых отходов для новых сеансов раскроя обечайки с высоким приоритетом размещения объектов;

■ решение обратной задачи раскроя - определение размеров заготовок (листа), обеспечивающих оптимальные значения критериев целевой функции.

На развертке показаны контуры объектов (с учетом их искажений при проецировании на цилиндрическую поверхность обечайки) и ограничительные зоны (см. рис. 4). Например, согласно регламентным документам, на изготовление корпусных деталей, можно выделяются ограничительные зоны запретов на расположение кольцевых и продольных сварных швов. Отбор финальных и раннее отсечение неудачных вариантов производится в соответствии со значением целевой функции (критерия оптимальности), которая имеет вид:

к, а)

где Б; - ьй критерий целевой функции;

К; - весовой коэффициент для ьго критерия.

Постпроцессор АИС. Результаты оптимального раскроя визуализируются в постпроцессоре АИС. Кроме того, постпроцессор АИС осуществляет вывод на печать карт раскроя обечайки в виде 2Б и геометрической моделей. Результаты работы постпроцессора АИС показаны на рис. 5-6._

'Я СчПЛиЛогт

— О @

| ЙЭ | 1 Вариант 0, КО:

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Рис. 5. Карта раскроя обечайки, вариант №1

в^ СиПЛелРо т - • •

10681.42 и: 211,492017439665 211,492017439665

10000 -9000 -8000 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 - О

о • * О

о I

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 801 Ю 9СОО Т000011000Т2000130()01400С150И)1501Ю17Ш013000190Ш

'—

Я II Вар 0, КО: о; ~>] Пс ДРО

Рис. 6. Карта раскроя обечайки, вариант №2

Постпроцессор позволяет проанализировать результаты раскроя обечайки: значение целевой функции (1); значения критериев для каждого варианта расчета.

Вариант раскроя №2 обечайки имеет более высокое значение целевой функции - 0,780 против 0,769, что объясняется следующим:

■ оптимальным покрытием листовой заготовкой детали обечайка: коэффициент по площади 1 против 0,98 у варианта №1;

■ меньшей суммарной длиной продольных сварных швов детали обечайка: 53600 мм против 54400 мм.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Таким образом, вариант карты раскроя №2, с точки зрения плановой себестоимости изготовления обечайки, является более оптимальным.

Рассмотрим еще одну из функций разработанного ПО постпроцессора - автоматическое построение параметрической геометрической 3D-модели карты раскроя обечайки в CAD-системе SolidWorks на основе прикладного ПО API (Application Programming Interface -интерфейс прикладного программирования)-функций вышеуказанной CAD-системы [6] (рис. 7). Данная функция постпроцессора АИС позволяет наглядно, до изготовления дорогостоящей корпусной детали емкостного аппарата, проверить и сравнить результаты расчетов, а также сформировать управляющую программу для технологического оборудования с ЧПУ.

1

Рис. 7. Параметрическая геометрическая 3Э-модель карты раскроя обечайки Основные выводы и результаты

1. Изучены известные технологии и алгоритмы покрытия многоугольных фигур прямоугольниками и рассмотрена возможность их применения для решения задачи оптимального раскроя листового сортамента; исследованы технические и технологические особенности задачи раскроя обечайки;

2. Разработан эффективный эвристический алгоритм для решения задач раскроя листового сортамента с учетом технологических требований проектирования и изготовления обечайки;

3. Разработано ПО АИС оптимального раскроя листового сортамента для совершенст-

вования технологического процесса изготовления корпусных деталей емкостного оборудования.

4. С помощью разработанного ПО проведены экспериментальные расчеты корпусной детали емкостного аппарата (сепаратор), сформированы карты раскроя обечайки. Определен сводный критерий оптимальности раскроя и значения весовых коэффициентов, позволяющие анализировать результаты расчетов раскроя до изготовления емкостного аппарата. Реализована функция формирования управляющей программы заготовительных операций для технологического оборудования с ЧПУ.

5. ПО АИС оптимального раскроя обечайки входит в состав ИАИС Stalker PLM [1], предназначенной для автоматизации технической подготовки и оперативного управления производством в едином информационном пространстве авиационного и машиностроительного предприятий.

Литература

1. Кульга К.С. Автоматизация технической подготовки и управления производством на основе PLM-системы // М. : Машиностроение, 2008. -256с.

2. Канторович Л.В., Залгаллер В.А. Рациональный раскрой промышленных материалов // Новосибирск: Наука СО. 1971. 299 с.

3. Мухачева Э.А. Рациональный раскрой промышленных материалов. Применение в АСУ // -М.: Машиностроение. 1984. 176 с.

4. Гери М., Джонсон Д. Вычислительные машины и трудноразрешимые задачи // -М.: Мир, 1979. 416с.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

5. Кульга К.С., П.В.Меньшиков. Совершенствование технологического процесса изготовления емкостного оборудования на основе автоматизации оптимального раскроя. Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий: Межвузовский научный сборник всероссийской научно-технической конференции. Уфа: Изд. УГАТУ, 2011. С.132-137.

6. SolidWorks 3D CAD Design Software. [Электронный ресурс]: сайт компании. - Электрон. дан. - [Б.м.], 2009. - Режим доступа: http://www.solidworks.com - Загл. с экрана.

Уфимский государственный авиационный технический университет

IMPROVED PROCESS FOR PRODUCING BODY PARTS OF VESSEL EQUIPMENT ON ENTERPRISES OIL AND CHEMICAL ENGINEERING BASED AUTOMATED OPTIMAL CUTTING SHEET ASSORTM K.S. Kulga, P.V. Menshikov, R.F. Davletshin

The article reviews the results of improving the technological process of correlation pusnyh parts storage equipment (shell) based on the development and practical testing at the enterprise-yatiyah petroleum engineering algorithms and software (SW) Automated Information Systems (AIS) of optimal cutting of sheet sizes, including solution to the problem of software integration at the level of data acquisition and control software with integrated AIS Stalker PLM [1].

Key words: shell, cutting, automation