Темой настоящего проекта является исследование новой научной проблемы: разработка алгоритмов для решения интегрированной оптимизационной задачи 2D раскроя и маршрутизации инструмента (Integrated Nesting and Routing Problem, INRP) применительно к технологическому оборудованию листовой резки с числовым программным управлением (ЧПУ). Проектирование управляющих программ (УП) для технологического оборудования листовой резки с ЧПУ предполагает предварительное разработку раскройной карты листового материала, при этом возникает известная оптимизационная задача фигурного раскроя или проблема «нестинга», которая относится к классу задач раскроя-упаковки (cutting & packing, C&P). Для проектирования раскроя и УП используются специализированные системы автоматизированного проектирования (Computer-Aided-Manufacturing, CAM системы). Разработка УП включает назначения траектории перемещения режущего инструмента, что порождает актуальные оптимизационные задачи минимизации стоимости и времени процесса резки при получении деталей на оборудовании листовой резки с ЧПУ.
Современные CAM-системы в общем случае не гарантируют получение ни оптимального варианта раскроя, ни оптимальной траектории перемещений режущего инструмента при одновременном соблюдении технологических требований резки в силу того, что перечисленные задачи относятся к классу плохоформализуемых и NP-трудных. Вместе с тем, даже оптимальное решение задачи маршрутизации, полученное для оптимального раскройного плана, в общем случае не гарантирует оптимальность значения аддитивной целевой функции стоимости использованного для раскроя материала и стоимости процесса вырезки деталей на машине листовой резки. Этот математический факт определяет актуальность постановки задачи INRP.
В настоящее время на практике при проектировании траектории инструмента применяется, в основном, т.н. «резка по замкнутому контуру» (стандартная техника). В этом случае каждый сегмент резки содержит ровно один граничный контур детали, который вырезается целиком. Вместе с тем, мульти-контурная резка, которая предполагает вырезку нескольких граничных контуров деталей в одном сегменте, часто обеспечивает существенное сокращение времени и стоимости резки за счет уменьшения числа точек врезки (точек включения инструмента). Мульти-контурную резку можно использовать совместно со специальной техникой «совмещенного реза», которая позволяет сокращать длину рабочего хода инструмента. Однако применение мульти-контурной резки в существующих САПР, предназначенных для автоматизации подготовки УП для машин термической резки, ограничивается отсутствием алгоритмического обеспечения, позволяющего в автоматическом режиме формировать траекторию с гарантированной минимизацией временных и стоимостных параметров процесса резки при одновременном соблюдении технологических требований термической резки.
В проекте планируется исследовать типовые фигурные заготовки, изготавливаемые на предприятиях реального сектора экономики, и впервые выделить среди них по геометрическим признакам обширные параметрические классы таких, для которых на этапе раскроя возможно объединение конгруэнтных заготовок этого класса в группы, позволяющие применять мульти-контурную резку и оптимизировать траекторию инструмента для интегрированного критерия стоимости раскроя и резки задачи INRP. Работа также предусматривает разработку проблемно-ориентированных вычислительных алгоритмов, впервые реализующих оптимальные методики построения траектории инструмента для конкретного оборудования лазерной резки, и разработку соответствующего программного обеспечения, включая интерфейсы интеграции с отечественными системами проектирования управляющих программ машин термической резки. Практическая ценность такой работы очевидна, особенно с учетом потребности во внедрении ресурсосберегающих технологий и необходимости импортозамещения используемых в России CAM-систем.
Ожидаемые результаты:
В результате реализации проекта ожидается получение следующих новых научных результатов, впервые позволяющих решать некоторые классы задач INRP.
1. Детальная математическая формализация задачи INRP для случая конгруэнтных деталей применительно к оборудованию лазерной листовой резки с ЧПУ.
2. Разработка по геометрическим признакам параметрической библиотеки 2D объектов в векторной форме, каждый из которых соответствует по геометрической форме стандартной типовой детали, изготавливаемой из листового материала, и при этом позволяет на этапе раскроя объединять его с любым конечным числом таких же объектов в группу, для которой на этапе проектирования траектории перемещения инструмента машины с ЧПУ существует по крайней мере один способ применения техники мульти-контурной резки одновременно с применением техники совмещенного реза. Этот результат позволит впервые выделить класс типовых деталей, "перспективных" (по сравнению со стандартной техникой резки) для поиска оптимального решения задачи INRP для групп, состоящих из конгруэнтных деталей.
3. Разработка для каждого 2D объекта из библиотеки методов формирования групп и множества допустимых мульти-контурных траекторий с учетом технологических требований термической резки. Этот результат позволит перейти от интерактивного режима формирования в CAM-системах элементов раскройных карт для типовых деталей и интерактивного проектирования допустимых вариантов маршрута инструмента машины с ЧПУ при использовании техники мульти-контурной резки к автоматическим режимам проектирования.
4. Разработка оптимизационных проблемно-ориентированных алгоритмов раскроя конгруэнтных деталей и траектории инструмента машин термической резки материала с ЧПУ для интегрированного критерия INRP. Этот результат позволит впервые получать оптимальные (и близкие к оптимальным) траектории инструмента для интегрированного критерия INRP для целого ряда номенклатур деталей, используемых в машиностроении и других отраслях промышленности.
5. Разработка программного обеспечения (ПО) для выбора оптимальной траектории инструмента на множестве допустимых вариантов применительно к конкретному технологическому оборудованию лазерной резки. Интеграция разработанного ПО с отечественными CAM-системами ADEM, T-Flex ЧПУ, САПР "Сириус". (САПР «Сириус» - CAM-система, разработанная под руководством руководителя проекта и предназначенная для проектирования 2D раскроя и подготовки УП для машин листовой резки с ЧПУ. Система внедрена на целом ряде российских предприятий.)
Этот результат позволит для каждой типовой детали из библиотеки при заданном числе конгруэнтных деталей в группе, а также при заданных марке и толщине листового материала находить траекторию, соответствующую минимуму интегрированного критерия стоимости INRP, и проектировать управляющие программы машины с ЧПУ в CAM-системе.
В целом, ожидаемые новые научные результаты позволят впервые разработать алгоритмы решения актуальной задачи INRP и для целого класса типовых деталей формировать в автоматическом режиме в системах автоматизированного проектирования управляющих программ оптимальные перемещения инструмента машин лазерной резки на основе применения техники мульти-контурной резки.