Автоматическое и интерактивное формирование маршрута режущего инструмента в программном комплексе раскроя itas nesting

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 004.896

А.В. Бурылов

студент магистратуры, кафедра «Информационные технологии и автоматизированные системы», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический

университет» Р.Т. Мурзакаев канд. техн. наук, доцент, кафедра «Информационные технологии и автоматизированные системы», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический

университет»

В.С. Приступов

студент магистратуры, кафедра «Информационные технологии и автоматизированные системы», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический

университет»

АВТОМАТИЧЕСКОЕ И ИНТЕРАКТИВНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ МАРШРУТА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ РАСКРОЯ ITAS NESTING

Аннотация. В настоящей статье предлагается методика формирования маршрута режущего инструмента, включающая четыре этапа. Данная методика позволяет строить маршрут в автоматическом и интерактивном режимах. Предложенная методика реализована в программном комплексе раскроя ITAS NESTING. Представлены результаты формирования маршрута режущего инструмента в автоматическом и комбинированном режимах.

Ключевые слова: режущий инструмент, формирование маршрута, комплекс раскроя.

A.V. Burylov, Perm National Research Polytechnic University

R.T. Murzakaev, Perm National Research Polytechnic University

V.S. Pristupov, Perm National Research Polytechnic University

AUTOMATIC AND INTERACTIVE CUTTING TOOL PATH GENERATING IN THE PROGRAM NESTING

SYSTEM ITAS NESTING

Abstract. In this paper four-step cutter path generation technique which allows generating path in automatic and interactive mode is proposed. The technique has been implemented in program system ITAS Nesting. The results of automatic and combined cutter path generation are demonstrated.

Keywords: cutting tool, path generation, nesting system.

При использовании современных программных комплексов раскроя материала возникает задача формирования маршрута режущего инструмента (РИ), оптимизация которого позволяет уменьшить время работы оборудования, снизить общую стоимость раскроя и, в некоторых случаях, повысить качество получаемых заготовок [1; 2].

Ввиду особенностей резки некоторых материалов и сложности формируемых карт раскроя не всегда возможно сформировать маршрут РИ без участия человека. Кроме того, специалисты зачастую полагаются на свой опыт, формализация которого затруднительна. Следовательно, современная система раскроя должна предоставлять не только автоматический, но и интерактивный режимы формирования маршрута.

Цель работы заключается в разработке методики формирования маршрута режущего инструмента, позволяющей строить маршрут в автоматическом и интерактивном режимах.

Входными данными при формировании маршрута РИ являются карта раскроя, метод резки (лазерная резка, гидроабразивная резка и т.д.) и начальная точка маршрута р0. Карта раскроя содержит информацию о контурах вырезаемых деталей и об их положении на листе или деловом остатке. Каждая деталь имеет один внешний и, возможно, несколько внутренних контуров. Контуры задаются наборами дуг и прямых, либо могут представлять собой окружности [3]. Часть деталей может быть вложена во внутренние контуры других деталей.

Сформулируем задачу формирования маршрута РИ следующим образом: на карте раскроя необходимо обработать N контуров, принадлежащих М деталям N > М), так, чтобы суммарная длина переходов между контурами £хх была минимальной. Обход каждого контура выполняется только один раз. После того как контур вырезан, происходит переход к следующему контуру на холостом ходу (т.н. стандартная технология резки). Маршрут начинается и заканчивается в точке р0.

Данная задача является ^-трудной [2], следовательно, при достаточно большом числе контуров точные методы оптимизации неприменимы.

Важным ограничением на маршрут является порядок обхода контуров:

1) детали, вложенные во внутренний контур другой детали, должны быть вырезаны первыми;

2) внутренние контуры детали должны обрабатываться до внешнего контура.

Приведенные ограничения также называют условиями предшествования.

Помимо ограничений 1 и 2 имеется ряд «рекомендаций», специфичных для используемого метода резки. Так, при раскрое материала станком гидроабразивной резки, после вырезания внутренних контуров детали, режущий инструмент, как правило, сразу вырезает внешний контур данной детали. При использовании станка лазерной резки инструмент может перейти к обработке других деталей, а уже затем вернуться и обработать остальные контуры исходной детали. Учет этих особенностей реализован только в автоматическом режиме. В интерактивном режиме пользователь по собственному желанию может ими пренебречь.

Рисунок 1 - Пример вложенных деталей с внутренними контурами

Решение поставленной задачи предлагается разделить на четыре этапа:

1. создание дерева вложенности деталей;

2. формирование множеств потенциальных точек врезки;

3. определение порядка вырезания контуров;

4. выбор точек врезки и генерация переходов между контурами на холостом ходу.

Первый шаг - построение дерева вложенности деталей. Для этого при каждом запуске

процедуры формирования маршрута решается задача принадлежности одной детали внутренней области другой. Сложность заключается в том, что детали имеют произвольную форму. Для решения данной задачи используется алгоритм трассировки луча [4].

Пример набора вложенных деталей и соответствующего дерева представлен на рисунке 1. В данном случае нулевая вершина дерева соответствует раскраиваемому листу.

На втором шаге формируется множество потенциальных точек врезки р,i = 1,N для каждого контура сi. При формировании учитывается выбранный метод резки и положение контура относительно детали (внешний либо внутренний). Множество потенциальных точек врезки для карты раскроя формируется один раз при запуске процедуры формирования маршрута РИ.

На третьем шаге определяется порядок резки контуров. Для этого строится вектор I = (i1,i2,...,iN), однозначно задающий порядок резки всех контуров на карте раскроя. При построении вектора I используется алгоритм, основанный на обходе графа в глубину [5, с. 192] с использованием множества допустимых соседей /-го контура Neighbours(ci).

На четвертом шаге для каждого контура с, определяется одна точка врезки из множества р. Точки врезки выбираются таким образом, чтобы минимизировать £хх. Всего существует ^ N=1 IP способов выбрать последовательность точек врезки при заданном векторе I. Для

решения данной задачи может быть использован метаэвристический алгоритм всемирного потопа (GDA), предложенный в работе [6]. Эффективность GDA при решении задачи формирования маршрута РИ была продемонстрирована в работе [7].

Предложенная методика была реализована в программном комплексе раскроя ITAS NESTING [8] на языке программирования Java.

Рассмотрим пример маршрута РИ, сформированного в автоматическом режиме для станка гидроабразивной резки (рис. 2). Суммарное количество внутренних и внешних контуров на карте раскроя - 32.

Рисунок 2 - Пример автоматически сформированного маршрута режущего инструмента

Согласно рисунка 2, левый нижний угол карты раскроя - точка p0. Сначала последовательно вырезается группа вложенных во внутреннее отверстие прямоугольной заготовки деталей (№ 1, 2, 3, 4, 5). После этого обрабатывается внутренний (№ 6), а затем внешний контуры (№ 7) прямоугольника. После аналогичной обработки всех прямоугольных заготовок с вложенными деталями начинают вырезаться вложенные во внутренний контур круглой заготовки детали. Затем вырезаются внутренний и внешний контуры данной заготовки. На последнем шаге инструмент возвращается в точку p0 на холостом ходу.

Таким образом, сформированный автоматически порядок вырезания контуров удовлетворяет условиям предшествования, а траектория движения инструмента на холостом ходу не содержит лишних перемещений по карте раскроя.

Отметим, что автоматический режим формирования маршрута удобен при раскрое типовых карт, содержащих большое количество похожих контуров, т.к. в этом случае задание порядка обработки контуров и выбор точек врезки вручную может потребовать достаточно много времени. Для сложных карт раскроя предложены следующие способы и комбинации интерактивного формирования маршрута РИ:

- задание порядка контуров интерактивно, выбор точек врезки автоматически;

- определение порядка контуров автоматически, выбор точек врезки в интерактивном режиме;

- задание порядка контуров и выбор точек резки в интерактивном режиме.

Интерактивный режим особенно полезен при раскрое сложных карт и/или наличии некоторых особенностей материала.

Если карта раскроя содержит достаточно большое число контуров (например, более двухсот), определение порядка резки в интерактивном режиме займет лишнее время. В связи с этим разработана функция «достраивания» маршрута РИ, когда пользователь выбирает часть маршрута вручную, а остальная часть достраивается системой автоматически. Отметим, что данная функция может быть полезна, если сложные участки реза присутствуют только на части листа.

Проиллюстрируем применения функции достраивания на карте раскроя, содержащей 48 контуров суммарно (рис. 3 а, б).

В данном случае в первую очередь предпочтительнее обработать заготовки, расположенные во внутреннем контуре прямоугольной детали и саму деталь (рис. 3а), а затем остальные заготовки, находящиеся внутри детали круглой формы. В случае автоматического формирования порядок контуров может отличаться от желаемого из-за минимизации £хх, поэтому для части контуров в интерактивном режиме был установлен пользовательский порядок обработки. Затем маршрут был достроен в автоматическом режиме, с учетом заданного порядка резки (рис. 3б).

В общем случае, при использовании комбинации интерактивного и автоматического режимов, £хх будет получаться длиннее, чем при использовании только автоматического режима. Это связано с тем, что оптимизирована не вся часть маршрута, а только та, для которой порядок контуров не зафиксирован. Однако часто важно учесть именно специфические для карты раскроя пожелания пользователя, а небольшое удлинение холостого хода не является критичным.

Таким образом, в работе была рассмотрена задача формирования маршрута режущего инструмента. Предложена методика решения задачи, включающая четыре этапа: создание дерева вложенности деталей, формирование множеств потенциальных точек врезки, определение порядка вырезания контуров и выбор точек врезки на контурах с минимизацией общей длины холостого хода инструмента. Данная методика реализована в программном комплексе раскроя ITAS Nesting с возможностью интерактивного и автоматического

формирования маршрута.

Для простой карты раскроя в автоматическом режиме сформирован маршрут режущего инструмента, удовлетворяющий условиям предшествования и не имеющий лишних перемещений по листу.

б

Рисунок 3 - Интерактивное задание порядка обработки контуров

Продемонстрирована возможность комбинации интерактивного и автоматического режимов формирования маршрута на примере сложной карты раскроя с большим количеством вложенных деталей. В данном случае порядок следования части контуров был задан вручную, а остальная часть маршрута достроилась системой автоматически. Комбинация режимов позволила учесть специфические требования пользователя и его опыт раскроя.

Список литературы:

1. Верхотуров М.А., Тарасенко П.Ю. Математическое обеспечение задачи оптимизации пути режущего инструмента при плоском фигурном раскрое на основе цепной резки // Вестник УГАТУ «Управление, вычислительная техника и информатика». - 2008. - Т. 10, № 2 (27). -С.123-130.

2. Петунин А.А. О Некоторых стратегиях формирования маршрута инструмента при разработке управляющих программ для машин термической резки материала // Вестник УГАТУ «Управление, вычислительная техника и информатика». - 2009. - Т. 13, № 2 (35). - С. 280-286.

3. Мезенцев А.С., Шилов В.С. Интерпретация данных о деталях для алгоритмов решения задач двумерного раскроя-упаковки // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2013. - № 8. - C. 137-143.

4. Андреева Е.В., Егоров Ю.Е. Вычислительная геометрия на плоскости // Информатика - 2002. - № 39. - С. 26-39.

5. Скиена С. Алгоритмы. Руководство по разработке: пер. с англ. - 2-е изд. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011. - 720 с.: ил.

6. Dueck G. New optimization heuristics: The Great Deluge Algorithm and the Record-toRecord Travel // Journal of Computational Physics. - 1993. - 104. - P. 86-92.

7. Мурзакаев Р.Т., Шилов В.С., Бурылов А.В. Применение метаэвристических алгоритмов для минимизации длины холостого хода режущего инструмента // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2015. - № 14. - C. 123-136.

8. Мурзакаев Р.Т., Шилов В.С., Брюханова А.А. Программный комплекс фигурного раскроя материала ITAS NESTING // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2015. - № 13. - С. 15-25.