Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Достижение поставленной цели проекта будет осуществляться путём реализации научных тематик, соответствующих направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»). Финансирование научных тематик будет осуществляться за счёт привлечённого внебюджетного и бюджетного финансирования, в том числе средств гранта в форме субсидии из федерального бюджета, предоставленного на оказание поддержки Программы развития УрФУ на 2021-2030 гг. в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Постановление Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 года № 729), которые будут направлены на реализацию научной тематики «Разработка алгоритмов и программного обеспечения для решения интегрированной задачи оптимального раскроя и маршрутизации инструмента машин листовой резки с ЧПУ» , прошедшей конкурсный отбор.
Описание реализуемой за счёт средств ПСАЛ «Приоритет 2030» научной тематики «Разработка алгоритмов и программного обеспечения для решения интегрированной задачи оптимального раскроя и маршрутизации инструмента машин листовой резки с ЧПУ»:
1) Решаемая проблема
Проект направлен на решение новой научной проблемы, которая предварительно имеет название "The Integrated Nesting and Routing Problem (INRP)" (Интегрированная задача раскроя и маршрутизации) и представляет собой объединение двух известных оптимизационных задач: задачу 2D раскроя листового материала на фигурные заготовки (Nesting Problem), которая относится к классу задач раскроя-упаковки (cutting & packing, C&P) и задачу оптимальной маршрутизации инструмента машин листовой резки с ЧПУ (Cutting Path Problem или Tool Path Problem) на основе единого стоимостного оптимизационного критерия (аддитивной целевой функции стоимости раскроя и резки). Впервые содержательная постановка проблемы была сформулирована ещё в 2011 г., однако в дальнейшем исследования по этой научной тематике не были продолжены из-за сложности с детальной математической формализацией проблемы и с отсутствием понимания возможных методов её решения при условии реализации этих методов в системах автоматизированного проектирования управляющих программ для машин листовой резки.
2) Актуальность решения обозначенной проблемы
Научная значимость обозначенной проблемы заключается в разработке теоретических основ решения нового класса оптимизационных задач, предусматривающих интегрированные критерии целевых функций для совместно рассматриваемой задачи оптимального 2D раскроя и задачи оптимальной маршрутизации инструмента для машин листовой резки. Теоретические аспекты этой проблемы включают в себя разработку новых методов раскроя, ориентированных на последующее нахождение оптимальной траектории инструмента машины с ЧПУ с учетом сложных ограничений, включающих, в частности, учет термических деформаций листового материала при термической резке с целью обеспечения сохранения необходимой геометрии получаемых заготовок. Научная значимость проекта определяется также необходимостью исследований эффективности применения новых специальных техник резки материала и разработки новых алгоритмов маршрутизации, обеспечивающих би-критериальную оптимизацию. В качестве целевых функций интегрированной проблемы INRP рассматривается суммарная функция стоимости материала, использованного для раскроя, и стоимость процесса резки раскроенных деталей на машине с ЧПУ, а также некоторые частные случаи этой целевой функции.
3) Описание задач, предлагаемых к решению
В проекте планируется исследовать типовые фигурные заготовки, изготавливаемые на предприятиях реального сектора экономики, и впервые выделить среди них по геометрическим признакам обширный параметрический класс таких, для которых на этапе раскроя возможно объединение конгруэнтных заготовок этого класса в группы, позволяющие применять мульти-контурную резку и оптимизировать траекторию инструмента при процессе резки этих групп на машине с ЧПУ. В качестве критерия оптимизации будет использоваться интегрированный критерий стоимости раскроя и резки задачи INRP. При этом полученная траектория должна быть допустимой с точки зрения технологических требований термической резки, в процессе которой могут возникнуть недопустимые тепловые деформации материала, приводящие к геометрическим искажениям формы и размеров получаемых деталей. При формировании траектории инструмента машины с ЧПУ будет развиваться так называемая «сегментная резка». Также будут учитываться «термические ограничения», связанные с нежелательным перегревом листа материала в процессе резки. Задача маршрутизации будет рассматриваться как в дискретной постановке, так и в непрерывной постановке. При дискретной постановке будут рассматриваться различные варианты обобщения схемы динамического программирования. Для непрерывных постановок будут разработаны алгоритмы маршрутизации, основанные на оценках их точности и вычислительной сложности. Для перечисленных задач будет разработано соответствующее программное обеспечение. Для задач большой размерности будут разрабатываться приближенные методы решения задачи, в частности использующие оптимальные решения для подзадач рассматриваемой задачи, а также алгоритмы с оценками точности получаемых решений. В ходе работ предполагается решение следующих подзадач:
- Разработка по геометрическим признакам параметризированной библиотеки 2D объектов, каждый из которых соответствует по геометрической форме стандартным типовым деталям, изготавливаемым из листового материала в машиностроении и других отраслях промышленности. При этом объект 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 совместно c использованием техники совмещенного реза. Именно для таких объектов и будут разрабатываться алгоритмы решения задачи INRP. Создание анонсированной библиотеки позволит впервые выделить класс типовых деталей, «перспективных» для создания раскройных карт с последующим проектированием траектории инструмента, обеспечивающей минимизацию интегрированного критерия стоимости раскроя и резки.
- Разработка для каждого 2D объекта из библиотеки вычислительного алгоритма 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.
- Разработка вычислительного алгоритма и программного обеспечения для выбора оптимальной траектории инструмента на множестве допустимых вариантов применительно к конкретному технологическому оборудованию лазерной резки. Этот результат позволит для каждой типовой детали из библиотеки при заданном числе деталей в группе, а также при заданных марке и толщине листового материала находить траекторию, соответствующую минимуму времени и стоимости процесса лазерной резки.
- Разработку универсального инвариантного (встраиваемого) CAM-модуля для оптимизации параметров управляющих программ технологического оборудования термической резки с ЧПУ;
- Интеграцию разработанного ПО с отечественными CAD/ CAM системами: «САПР «Сириус», T-Flex, ADEM.
Реализация этой задачи обеспечит комплексное решение задачи INRP в CAM системах, начиная с этапа геометрического моделирования 2D объектов на этапе подготовки задания на раскрой и кончая возможностью генерации оптимальных управляющих программ для машин лазерной резки.
4) Практическая значимость ожидаемых результатов
Актуальность тематики проекта совершенно очевидна в силу её практической ориентации на сокращение себестоимости производства заготовок из листового материала. Кроме того, актуальность рассматриваемых в проекте задач значительно усилилась в последнее время в связи с острейшей потребностью предприятий реального сектора экономики России в инновационном импортозамещающем программном обеспечении САПР управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ, обусловленной необходимостью повышения эффективности технологического проектирования современного производства и особенностями международной обстановки. Использование устаревших отечественных и дорогих зарубежных Computer-Aided-Manufacturing (CAM)-систем снижает конкурентоспособность российских предприятий и делает их зависимыми от качества сопровождения зарубежного программного обеспечения, что, в свою очередь, снижает и экономическую безопасность предприятий. Разработка высокоэффективных отечественных САПР для решения задач оптимизации технологических процессов раскройно-заготовительного производства имеет очевидную практическую значимость для российской промышленности.
5) План работ на 2022–2024 год
2022 год
1. Формирование библиотеки 2D объектов INRP1Lib в векторной форме на основе разработанной ранее и находящейся в открытом доступе библиотеки тестовых примеров CPPLib для оценки эффективности алгоритмов решения задачи маршрутизации инструмента машин листовой резки с ЧПУ
2. Разработка алгоритмов формирования допустимых вариантов траектории инструмента машины листовой резки с ЧПУ для групп конгруэнтных деталей
3. Разработка эвристических алгоритмов маршрутизации инструмента машин листовой резки с оценками точности получаемых решений
2023 год
1. Разработка модуля расчета тепловых полей при лазерной резке материала на основе САПР "Рапид"
2. Создание САПР для оптимизации технологических процессов раскроя листовых материалов и подготовки управляющих программ для машин листовой резки с ЧПУ
2024 год
1. Создание программного обеспечения, оптимизирующего в автоматическом в режиме временные и стоимостные характеристики технологического процесса разработки управляющих программ для машин листовой резки с ЧПУ с учетом интегрированного критерия стоимости использованного материала и стоимости процесса резки. Интеграция разработанного программного обеспечения с отечественными САПР «Сириус» и T-Flex.
2. Разработка интегрированной САПР для оптимизации технологических процессов раскроя листовых материалов и токарной обработки на станках с ЧПУ
Тематика НИОКТР будет зарегистрирована в ЕГИСУ НИОКТР.
Коллектив Научного центра компетенций руководствуется в своей работе Положением о научных центрах компетенций СМК-ПВД-7-01-287-2022, введённым в действие приказом №439/03 от 04.05.2022.