Новые технологии автоматизированного раскроя материалов для мебельного производства. Глава 1.

Раскрой материалов в автоматизированном мебельном производстве

Роль и значение задачи раскроя материалов в мебельном производстве определяются тремя основными факторами, оказывающими существенное влияние на всю производственную деятельность предприятия:

▼ уменьшение отходов материалов является важнейшим фактором повышения эффективности мебельного производства;

▼ технологичность карт раскроя позволяет уменьшить трудоемкость и время выполнения технологической операции раскроя, обеспечивая эффективное использование оборудования;

▼ операция раскроя, будучи первой операцией технологического процесса изготовления корпусной мебели, во многом определяет эффективность работы производственных участков, реализующих последующие операции.

Эти факторы актуальны для любого мебельного предприятия, независимо от объемов и номенклатуры выпускаемой продукции, в силу большого удельного веса материалов в себестоимости изделий.

С точки зрения автоматизации задача оптимизации раскроя имеет две особенности, объясняющие существование большого количества «раскройных» программ на рынке программного обеспечения:

▼ высокая трудоемкость ручного формирования карт раскроя;

▼ возможность формализации математической постановки задачи раскроя и проработанность алгоритмов ее решения.

Как правило, все существующие программы предназначены для оптимизации раскроя листовых материалов на детали (заготовки) прямоугольной формы при помощи прямых сквозных резов и с учетом текстуры материалов в случае необходимости. В ряде программ имеется дополнительная возможность раскроя погонажных материалов.

Основной целью работы всех программ является автоматическое формирование карт раскроя материалов, качество которых оценивается следующими параметрами:

▼ коэффициентом использования материала;

▼ комплектностью получаемых при раскрое деталей в соответствии с объемом производства;

▼ трудоемкостью выполнения технологической операции раскроя.

Коэффициент использования материала (КИМ) рассчитывается как отношение суммы площадей полученных панелей (щитовых элементов изделий корпусной мебели) к сумме использованных площадей исходных плит. Он может рассчитываться с учетом того, что остатки плит (обрезки), не используемые при раскрое деталей данного изделия, но имеющие достаточные размеры, могут быть использованы при изготовлении других изделий, в составе которых присутствуют аналогичные материалы. Кроме того, при его расчете может учитываться или не учитываться операция обрезки края плиты для обеспечения точного базирования и ликвидации дефектов.

Комплектность деталей, необходимых для обеспечения плана выпуска изделий, в случае интеграции программ раскроя в структуру САПР обеспечивается автоматически при передаче в них моделей изделий из модуля конструирования. При использовании автономных программ раскроя список деталей набирается вручную, что нередко приводит к ошибкам комплектации, исправление которых требует существенных затрат.

Трудоемкость выполнения раскроя зависит от количества поворотов заготовок на станке и их веса, количества переустановок упоров и затрат на перемещение оператора в рабочей зоне станка. Наиболее адекватной числовой характеристикой трудоемкости может служить среднее время выполнения раскроя одной плиты (пачки плит для раскройных центров). Создание карт раскроя, реализация которых требует минимальных трудозатрат, является обязательным требованием. На трудоемкость раскроя и последующей организации технологического процесса влияют многие производственные факторы, то есть задача минимизации трудоемкости является многокритериальной.

Результатом работы программ раскроя являются карты раскроя - графические схемы, показывающие расположение деталей на стандартном формате плиты подлежащего раскрою материала. Оптимизация раскроя материалов является многокритериальной задачей, при решении которой должны использоваться геометрические и технологические критерии.

Используемые в настоящее время алгоритмы раскроя работают в основном с геометрической информацией о размерах раскраиваемых деталей. Это не позволяет в полной мере учитывать особенности технологических процессов на конкретном производстве. Исходя из этого, при создании модуля БАЗИС-Раскрой были разработаны новые алгоритмы оптимизации раскроя, с помощью которых можно добиться значительно более полного учета совокупности геометрических, технологических и организационных особенностей технологических процессов мебельного производства. Практическое использование разработанных алгоритмов позволяет найти в максимальной степени сбалансированные соотношения между требованиями экономии материалов, технологичности карт раскроя и эффективности загрузки всего технологического оборудования.

Тесная интеграция модулей конструирования и раскроя материалов в структуре САПР имеет особое значение при работе со сложными изделиями, количество которых на мебельном рынке постоянно увеличивается. Помимо автоматического обеспечения комплектности деталей, необходимых для обеспечения плана выпуска изделий, она позволяет реализовать три важные дополнительные возможности:

▼ использование не только полноформатных плит, но и обрезков, оставшихся от предыдущих раскроев того же материала, что при должной организации производства дает ощутимую экономию;

▼ передача в модуль раскроя наряду с габаритными размерами контуров криволинейных деталей, что является полезным с точки зрения их последующей маршрутизации;

▼ автоматическое формирование управляющих программ для пильного оборудования с ЧПУ, в том числе работающего по технологии нестинга, которая в последнее время получает широкое распространение.

При импорте информации из модели изделия производится автоматическая двухуровневая сортировка:

▼ в зависимости от типа используемого материала создаются два списка деталей: из листовых материалов и из погонажных материалов;

▼ внутри каждого списка детали сортируются по виду материалу.

Облицовочные материалы также включаются в список погонажных материалов, поскольку их раскрой может производиться, например, когда применяется профиль, который поступает на предприятие в виде полос определенной длины.

При подготовке исходных данных для раскроя необходимо выполнить ряд дополнительных действий, набор и характер которых определяется параметрами оборудованием и технологией изготовления. При использовании интегрированных в САПР модулей раскроя эти действия выполняются автоматически, поскольку в модели изделия присутствует вся необходимая информация. Например, в случае раскроя листовых материалов из модели считываются распиловочные размеры. Однако некоторые типы кромкооблицовочных станков перед облицовыванием выполняют операцию предварительного фрезерования кромок. Это учитывается при формировании карт раскроя заданием припуска при нанесении облицовки.

Важным параметром деталей с точки зрения формирования оптимальных карт раскроя является направление текстуры материала. Поскольку одним из атрибутов материала в модели мебельного изделия является вид текстуры поверхности, то при импорте списка деталей ее направление определяется автоматически. При технологическом контроле модели этот параметр можно корректировать, изменяя или отключая направления текстуры для отдельной детали или группы деталей.

Это только несколько примеров, показывающих, что эффективность использования программ раскроя значительно повышается в случае их объединения с программами конструирования корпусной мебели и организации на предприятии единого информационного пространства. БАЗИС+Раскрой изначально разрабатывался как интегрированный в САПР БАЗИС модуль, в полном объеме использующий модели мебельных изделий, создаваемые в конструкторских модулях БАЗИС+Мебельщик и БАЗИС+Шкаф.

Автоматизация технологической подготовки производства корпусной мебели

Конечная цель комплексной автоматизации предприятия заключается в оптимизации двух составляющих его деятельности: процессов выполнения производственных обязанностей каждым специалистом и информационных связей между процессами, специалистами и подразделениями.

Обобщенная схема информационных потоков мебельного предприятия, работающего в режиме позаказного промышленного производства, показана на рис. 1.1. Из нее видно, что технологический отдел является источником и потребителем значительного количества информации. Следовательно, автоматизация технологической подготовки производства (ТПП) является важной задачей с точки зрения обеспечения эффективной работы предприятия в целом.

В зависимости от конкретного предприятия разбиение проектных операций по подразделениям, показанное на рис. 1.1, может являться как реальным, так и функциональным по отношению к подразделениям или исполнителям. Например, на многих мебельных предприятиях, особенно относящихся к классу средних и малых предприятий, имеет место совмещение ряда функций в компетенции одного отдела или специалиста (конструктор+технолог, дизайнер-конструктор и т.д.).

Выполнение любой проектной операции, конструкторской или технологической, предполагает получение входной информации, ее обработку и передачу выходной информации для выполнения последующих операций. Подобная схема универсальна и определяется самим фактом существования предприятия. Автоматизация проектных операций позволяет повысить скорость и качество (безошибочность) реализации процессов обработки и передачи информации, что и предопределяет показатели эффективности внедрения САПР. Другими словами, работа любого специалиста, участвующего в проекте, оценивается двумя ключевыми количественными показателями: временем выполнения проектной операции и количеством субъективных ошибок, внесенных при этом в проект. Эти показатели для существующей структуры предприятия являются взаимоисключающими: ускорение выполнения заданий ведет к повышению уровня брака и, наоборот, повышение требований к качеству приводит к уменьшению скорости выполнения заданий, то есть рост эффективности работы предприятия ограничивается его существующей структурой.

Переход на качественно новый уровень работы, а именно это и предполагает внедрение комплексной САПР, невозможен без кардинальной реконструкции организационной структуры предприятия. Характер, направление и глубина подобной реконструкции определяются выбранной платформой автоматизации.

Именно тем, в какой мере САПР позволяет разрешить указанное выше противоречие, и определяется эффективность автоматизации. Анализ результатов внедрения системы БАЗИС на ряде мебельных предприятий показал, что ее функциональность достаточна для реального сокращения времени выполнения заказов при одновременной минимизации количества ошибок, вызванных человеческим фактором. Прежде всего, это касается технологической подготовки производства, как важнейшего этапа жизненного цикла изделия.

Основой автоматизации предприятия является формирование единого информационного пространства, охватывающего все проектно-производственные операции. Это позволяет в процессе конструирования учесть целый ряд технологических требований и реализовать элементы параллельной стратегии проектирования. Внедрение САПР БАЗИС позволяет формировать несколько параллельно обрабатываемых потоков информации, основные из которых направлены на выполнение следующих операций:

▼ конструирование изделий и ансамблей;

▼ раскрой плитных и погонажных материалов;

▼ разработка управляющих программ для станков с ЧПУ;

▼ расчет технико-экономических показателей;

▼ формирование документов для материально-технического обеспечения производства;

▼ нормирование материальных и трудовых затрат;

▼ формирование информационных массивов для автоматизированных систем управления проектными работами.

Автоматизация ТПП имеет три основные цели:

▼ сокращение трудоемкости процесса, необходимое для уменьшения количества задействованных специалистов и, соответственно, себестоимости изделий;

▼ сокращение сроков проектирования, что является основой получения конкурентных преимуществ за счет быстрой реализации проектов;

▼ повышение качества принимаемых решений и разрабатываемых технологических процессов, что диктуется техническим перевооружением современных мебельных производств за счет замены универсального оборудования оборудованием с автоматическим циклом обработки и широким внедрением станков с ЧПУ и обрабатывающих центров.

Общая постановка задачи раскроя

Плитные материалы, используемые в производстве мебели, такие как ДСтП, ДВП, МДФ, фанера, клееные щиты, должны проходить первую технологическую операцию — раскрой на заготовки. Они раскраиваются круглыми пилами на круглопильных станках и пильных центрах. Станки различаются между собой рядом технологических параметров, влияющих на способы выполнения технологической операции раскроя, а, следовательно, и на формирование карт раскроя:

▼ количество пильных агрегатов продольного и поперечного направлений пиления;

▼ ограничения в схемах раскроя размерами максимальной и минимальной ширины отрезаемой полосы и наличием обязательных сквозных продольных или поперечных пропилов (резов);

▼ максимальными размерами обрабатываемого материала;

▼ количеством одновременно раскраиваемых плит;

▼ точностью раскроя;

▼ чистотой получаемой при пилении кромки;

▼ толщиной используемых пил.

Современные линии для раскроя материалов и полуавтоматические круглопильные станки могут иметь встроенный модуль для составления карт раскроя. Однако ввод исходных данных для их работы осуществляется вручную, что нередко приводит к появлению ошибок. Наилучшим решением в этом случае является автоматический импорт данных непосредственно из математической модели изделия. Кроме того, встроенные модули раскроя, как правило, достаточно дорогие.

Если используемое оборудование не может выполнять такую функцию, в рамках технологической подготовки производства требуется составлять карты раскроя листовых материалов. Они служат технологическими инструкциями для операторов, выполняющих данную операцию, а также несут в себе информацию, необходимую для выполнения последующих расчетов, таких как:

▼ материалоемкость изделия;

▼ полезный выход материала при раскрое;

▼ потребное количество материала для обеспечения производства;

▼ трудозатраты на выполнение операций по раскрою материала;

▼ нормирование операций.

Различают раскрой чистовых и черновых заготовок. Если после раскроя в процессе последующих операций размеры детали не будут меняться, целесообразно проводить чистовой раскрой. Например, раскрой ламинированных ДСтП с последующей операцией облицовывания кромок. Если же последующие операции будут менять размеры или форму детали, производят черновой раскрой. Например, раскрой ДСтП с последующим облицовыванием пласти и опиливанием в размер.

Разница в размерах между чистовым размером и размером черновой заготовки называется припуском. Она определяется составом технологических операций, которые должна пройти заготовка после раскроя, параметрами оборудования для выполнения этих операций и видом раскраиваемого материала.

Карты раскроя — это графическое представление расположения заготовок на стандартном формате подлежащего раскрою материала. Составление карт раскроя вручную очень трудоемко, при этом их качество в значительной степени зависит от опыта и квалификации разработчика. Существуют три схемы раскроя: продольный, поперечный и смешанный. Поперечный и продольный раскрои встречаются в самостоятельном виде очень редко. Обычно поперечный раскрой является продолжением продольного раскроя, то есть раскроя продольных полос на заготовки.

Смешанный раскрой сочетает в себе раскрой по двум предыдущим схемам и выполняется на одном и том же станке. На рис. 1.2 показаны возможные схемы раскроя.

В модуле БАЗИС+Раскрой можно выбирать продольно+поперечную или смешанную схему раскроя. В нем реализован алгоритм раскроя только прямолинейными сквозными резами. Такая схема используется на подавляющем большинстве видов оборудования в мебельной промышленности.

Все САПР корпусной мебели, представленные на российском рынке, включают в себя подсистемы раскроя материалов, однако в них технологические критерии оптимизации реально не учитываются. Для современных условий производства при наличии высокопроизводительного пильного оборудования с ЧПУ такое положение дел является неудовлетворительным. Необходимо учитывать всю совокупность параметров, характеризующих технологическую и организационную специфику конкретного предприятия. Именно такие алгоритмы оптимизации и заложены в модуле БАЗИС+Раскрой.

Помимо оптимизации раскладки заготовок, программы раскроя материалов должны иметь ряд дополнительных возможностей:

▼ фильтрация остатков материалов, образующихся в процессе раскроя, на деловые обрезки, которые предполагается использовать в будущем, и отходы, подлежащие утилизации;

▼ формирование и ведение базы данных материалов и обрезков;

▼ настройка параметров оптимизации, основными из которых являются ширина реза (толщина режущего инструмента), величина обрезки края плиты, ограничение на длину пропила, направление первоначального распила плит и количество раскраиваемых изделий;

▼ ручное редактирование карт раскроя;

▼ настройка параметров печати карт раскроя;

▼ экспорт данных в наиболее распространенные форматы;

▼ импорт данных из внешних файлов.

Структура задачи оптимального раскроя материалов и ее место в технологической подготовке производства показаны на рис. 1.3.

Критерии оптимизации и технологические параметры раскроя

Требования современного рынка мебельных изделий предполагают сокращение сроков выполнения заказов и повышение качества продукции при условии минимально возможных цен. Для достижения подобного баланса необходимо наличие, как минимум, двух составляющих производственного процесса:

▼ использование современного высокопроизводительного оборудования;

▼ минимизация издержек при выполнении технологических операций

Применительно к задаче оптимизации раскроя материалов это означает, что критерий минимизации отходов уже не имеет безусловного приоритета. Эффективное мебельное производство требует комплексных критериев оптимизации, позволяющих формировать карты раскроя, учитывающие все возникающие издержки, в которых достижение максимального значения КИМ является одним (хотя и очень важным) составляющим элементом. Новые критерии должны способствовать уменьшению трудоемкости технологической операции раскроя, повышению эффективности использования имеющегося оборудования, обеспечению ритмичности работы последующих производственных участков. Их удельный вес в составе комплексных критериев оптимизации повышается одновременно с повышением уровня автоматизации производства.

Одним из комплексных критериев оптимизации, с достаточной точностью учитывающим специфику современного мебельного производства, служит обобщенная стоимость получаемых в результате раскроя деталей. В нее входят затраты на материалы, выполнение операции раскроя и дополнительные издержки, связанные с обслуживанием деловых обрезков, получающихся в результате раскроя, и утилизацией отходов.

Рассмотрим характер составляющих обобщенной стоимости деталей. Геометрическая составляющая определяется полной стоимостью использованных полноформатных плит и деловых обрезков, полученных при выполнении предыдущих операций раскроя.

Трудоемкость выполнения раскроя зависит от трех основных параметров:

▼ количество поворотов панелей,

▼ количество установок размеров,

▼ количество карт раскроя.

Поскольку круглопильные станки и пильные центры реализуют прямые сквозные пропилы, то перед выполнением очередного технологического перехода возникает необходимость поворота отпиливаемых полос. Эти действия выполняются вручную и занимают время, которое зависит от количества поворотов и размеров поворачиваемых полос. Минимизация общего количества поворотов панелей позволяет сформировать карты раскроя, обеспечивающие минимальные трудоемкость и время выполнения.

Технологический переход в операции раскроя состоит из нескольких проходов, каждый из которых соответствует получению очередной полосы или готовой детали. При изменении типоразмера отпиливаемой детали оператор устанавливает специальные приспособления (упоры), обеспечивающие необходимый размер. Каждый новый размер полосы предусматривает переустановку упоров, которая требует времени и, кроме того, выполняется с некоторой погрешностью, вследствие наличия люфта в упорах. Погрешность раскроя, не влияя непосредственно на время выполнения операции, может оказать негативное влияние на качество изделия. Минимизация количества установок размеров означает последовательное расположение полос с одинаковыми размерами для того, чтобы отпиливать их при одной установке упоров.

Если два предыдущих параметра относятся к раскрою отдельных плит материала, то минимизация количества карт раскроя позволяет уменьшить общее время выполнения всех операций раскроя, связанных с конкретным заказом. Это определяется двумя основными факторами: уменьшением количества технологических операций раскроя и возможностью одновременного раскроя нескольких плит, когда это допускает используемое оборудование. Кроме того, уменьшение количества одинаковых карт раскроя приводит к уменьшению вероятности возникновения субъективных ошибок в случае раскроя на круглопильных станках без ЧПУ.

Для экономии материалов на предприятии может функционировать склад деловых обрезков — фрагментов плит, остающихся после выполнения раскроя, которые рационально использовать для последующего раскроя деталей из того же материала. Использование обрезков значительно повышает коэффициент использования материала, но требует при этом дополнительных издержек, связанных с транспортировкой обрезков на склад и в производство, их хранением, идентификацией и дополнительной обработкой, например, при наличии сколов. Оценить затраты на выполнение этих операций достаточно сложно. Аналогичным образом дело обстоит и с затратами на утилизацию отходов. Наряду с критерием оптимизации на формирование карт раскроя большое влияние оказывают технологические параметры раскроя. Их особенностью является существенная зависимость от многих факторов конкретного производства, что предопределяет необходимость разработки гибких инструментов настройки при программной реализации модуля автоматизированного раскроя.

Параметр, определяющий направление первых пропилов может принимать одно из трех значений, соответствующих пропилам вдоль плиты, поперек плиты или произвольным пропилам. Последний вариант имеет больше теоретическое, чем практическое значение, поскольку при его выборе часть карт раскроя может иметь первые пропилы поперек плиты, а остальные - вдоль, что приведет к дополнительным затратам при выполнении раскроя, а также увеличит время формирования карт раскроя.

Параметр ширины пропила, как правило, соответствует ширине пилы, однако есть одно существенное уточнение. Если пила хорошо заточена, а станок правильно отрегулирован, то ширина пропила совпадает с шириной пилы. Если же пила притупилась, или пила и подрезчик не находятся в одной плоскости, то ширина пропила окажется несколько больше ширины пилы. Следовательно, для задания значения данного параметра необходимо иметь возможность указания реальной ширины пропила.

Параметр, задающий максимальную ширину отпиливаемых полос, определяется конструкцией используемого станка. Правый упор на круглопильном станке можно отодвинуть до определенных пределов. Как правило, его положение выбирается из ряда 800, 1000, 1300, 1600 мм. На левом упоре можно установить любой размер, но правый упор при этом может мешать выполнению операции. На многих станках его можно откинуть или вообще снять, но такие манипуляции не только потребуют лишнего времени, но и далеко не всегда приведут к желаемому результату. Продвижению плиты может помешать, например, труба аспирации. Иллюстрация важности учета данного параметра представлена примерами карт раскроя, показанными на рис. 1.4 и рис. 1.5.

Карту раскроя, приведенную на рис. 1.4, невозможно выполнить от правого упора, а при базировании от левого упора могут возникнуть проблемы перемещения плиты. Формирования подобных карт следует избегать. В данном случае целесообразнее получить карту, показанную на рис. 1.5, где плиту можно базировать как от правого, так и от левого упора, поэтому сложностей с ее исполнением не возникнет.

Параметр максимальной длины пропила представляет собой, по сути, величину хода каретки станка. Он влияет на возможность выполнения продольных первых пропилов.

Современные тенденции развития мебельного рынка приводят к увеличению в составе изделий удельного веса криволинейных деталей, технология изготовления которых имеет определенные особенности. В частности, при наличии выпуклых кромок, как правило, необходимо при технологическом проектировании карт раскроя делать припуск в соответствующую сторону для последующей обработки. Участки с сопряжением кромок считаются особыми случаями: в зависимости от технологии изготовления они могут учитываться или не учитываться при добавлении припуска, причем в первом случае припуск добавляется на обе сопрягаемые кромки. Это означает, что необходимо наличие соответствующих возможностей в модуле раскроя.

Еще одним способом технологической коррекции размеров деталей является моделирование режима чернового раскроя. По умолчанию моделируется чистовой раскрой, и распиловочные размеры рассчитываются по конструкторским размерам из модели изделия с учетом припусков. Однако в ряде случаев технология обработки предполагает выполнение операции фрезерования контура детали после раскроя. В таких случаях должен моделироваться черновой раскрой, перед выполнением которого заданные значения припусков для каждой стороны детали добавляются к размерам соответствующих сторон.

Как следует из сказанного, технологические параметры раскроя являются важным дополнением к критериям оптимизации, позволяющим учитывать особенности работы конкретного мебельного производства.

Методика автоматизации раскроя материалов

В системе БАЗИС задача оптимизации раскроя материалов решается в контексте автоматизации всего проектно+производственного участка жизненного цикла корпусной мебели. Операции раскроя материалов фактически определяет начальные условия для выполнения большинства производственных операций. Именно это положение и лежит в основе предлагаемой методики оптимизации раскроя материалов.

Совместное использование модуля автоматизированного раскроя материалов и модулей конструирования изделий позволяет автоматически формировать на основе модели изделия или мебельного ансамбля информационные массивы, обеспечивающие безошибочную комплектацию заданий на раскрой, выполняя при этом необходимую предварительную обработку.

Прежде всего, при импорте информации из модели производится автоматическая двухуровневая сортировка деталей:

▼ в зависимости от типа используемого материала создается два списка деталей: из листовых материалов и из погонажных материалов;

▼ внутри каждого списка детали сортируются по виду материала.

Естественно, что операции раскроя выполняются отдельно для каждого материала. Облицовочные материалы также могут включаться в список погонажных материалов, поскольку выполнять их раскрой необходимо, например, в том случае, когда применяется профиль, который поступает на предприятие в виде полос.

Важной частью предварительной обработки деталей является формирование распиловочных размеров по конструкторским размерам, то есть их коррекция в зависимости от условий выполнения технологической операции облицовки кромок и других последующих операций. Первый вариант коррекции заключается в учете способа облицовки: с подрезанием контура детали или без подрезания. Второй вариант коррекции связан с моделированием особенности работы некоторых кромкооблицовочных станков, которые перед облицовыванием кромок выполняют операцию их предварительного фрезерования. При использовании таких станков необходимо учесть величину предварительного фрезерования, то есть автоматически смоделировать режим чернового раскроя.

Важным параметром деталей с точки зрения проектирования оптимальных карт раскроя является направление текстуры материала или ее отсутствие. Данный параметр определяется автоматически в соответствии с назначениями, сделанными в процессе конструирования изделия. В ходе предварительной обработки информации допускается его ручное корректирование одним из следующих способов:

▼ изменение направления текстуры для отдельной детали;

▼ отказ от учета направления текстуры для отдельных деталей по эстетическим или иным соображениям, что может привести к повышению КИМ (например, деталь является элементом цокольной коробки и расположена под дном изделия);

▼ отказ от учета направления текстуры для всех деталей, если соответствующий материал не имеет текстуры (например, крашеная ДВП), или его текстура не имеет направления (мраморная крошка).

Таким образом, при автоматизированном раскрое материалов в комплексной САПР БАЗИС основной массив исходной информации формируется безошибочно и в автоматическом режиме, естественно, при правильной настройке параметров предварительной обработки.

Для максимального совмещения изначально противоречивых требований технологичности и экономичности проектируемых карт раскроя разработан алгоритм построения плана оптимального раскроя площадных материалов, основанный на приведении его к раскрою погонажных материалов (линейному раскрою).

Известно, что задача построения оптимального плана линейного раскроя линейных материалов имеет точное математическое решение, причем добиться технологичности раскроя очень просто. Задачу площадного раскроя можно свести к задаче линейного раскроя, если формировать полосы, включая в них заготовки, размеры которых различаются незначительно. Величина отклонения размеров выбрана на основе анализа результатов выполнения раскроя на ряде предприятий. Это объясняется тем, что существует некоторое граничное значение, после которого дальнейшее изменение отклонения практически не влияет на результаты раскроя.

Таким образом, сначала выполняется раскрой листа на полосы первого порядка, затем каждая полоса раскраивается на полосы второго порядка и т.д. Поскольку единственным критерием оптимизации линейного раскроя является достижение максимального значения КИМ, выполняемый полосовой раскрой дает оптимальные карты раскроя, которые априорно являются технологичными на каждом уровне.

Отметим важную особенность рассматриваемого подхода. В качестве исходного постулата оптимизации карт раскроя выступает технологичность, поскольку линейный раскрой априорно технологичен. Решение задачи достижения максимального значения КИМ находится уже для технологичных карт раскроя. Это позволяет оптимальным образом разрешить противоречие между экономичностью и технологичностью проектируемых карт раскроя.

При практической реализации предлагаемой методики используется подход, основанный на задании приоритетов действия критериев оптимизации. Для этого составляется список критериев, включающий в себя семь позиций, определяющих материалоемкость и трудоемкость изготовления изделий:

▼ максимизация значения КИМ;

▼ минимизация общего количества пропилов;

▼ минимизация количества установок размеров;

▼ минимизация количества поворотов панелей;

▼ минимизация длины пропилов;

▼ минимизация количества карт раскроя;

▼ оптимизация размеров деловых обрезков.

Коэффициент использования материала может рассчитываться двумя способами: с учетом и без учета последующего использования деловых обрезков. Его значение во многом зависит от набора типоразмеров заготовок. В соответствии с разработанными в свое время Всероссийским проектно+конструкторским и технологическим институтом мебели рекомендациями при формировании карт раскроя полезный выход материала должен составлять:

▼ не менее 92% при раскрое ДСтП;

▼ 88...90% при раскрое твердых ДВП с лакокрасочным покрытием;

▼ 85% при раскрое фанеры.

В условиях позаказного промышленного производства набор используемых типоразмеров заготовок достаточно широк. Размеры полноформатных плит могут варьироваться в зависимости от материала и используемой партии. Эти факторы ведут к уменьшению потенциально достижимых значений КИМ, но в качестве ориентировочных показателей данные рекомендации актуальны.

Минимизация общего количества пропилов, количества установок размеров и количества поворотов панелей определяет отдельные аспекты технологичности карт раскроя и имеет особую актуальность при проектировании раскроя большого количества полноформатных листов.

Минимизация общей длины пропилов характеризует износ режущего инструмента и преобладает при работе с особо твердыми или хрупкими материалами, требующими дорогого инструмента.

Минимизация количества карт раскроя позволяет уменьшить количество различных действий оператора круглопильного станка, уменьшая вероятность возникновения ошибок субъективного характера.

Оптимизация размеров деловых обрезков предполагает формирование карт раскроя таким образом, чтобы размеры обрезков были максимальными, а их количество — минимальным. Использование данного критерия оправдано при наличии и хорошей организации работы склада обрезков. Как правило, критерий оптимизации размеров обрезков носит вспомогательный характер и используется при проектировании в качестве уточняющего показателя при наличии нескольких практически одинаковых вариантов оптимального раскроя. На трудоемкость раскроя и последующего процесса организации технологического потока влияет состав деталей в карте раскроя. Проектируя раскрой материалов, следует стремиться к тому, чтобы при раскрое одной плиты или листа выходило минимальное количество типоразмеров деталей, а повторение одних и тех же деталей в разных картах раскроя было минимальным или вообще исключалось.

Набор указанных критериев представляет собой противоречивое множество требований, поэтому в зависимости от поставленной задачи технолог должен определить приоритет их действия. Использование подобной методики позволяет получать карты раскроя, максимально адаптированные к конкретному производству.

Для дополнительного повышения технологичности карт раскроя на каждом уровне выполняется операция сортировки заготовок в полосе. При выборе метода сортировки технологу необходимо оценить свойства материала и геометрические размеры заготовок, после чего выбрать один из вариантов:

▼ по уменьшению значения КИМ в полосе;

▼ по уменьшению или увеличению ширины полос;

▼ по увеличению ширины полос, начиная от центра листа;

▼ по уменьшению размеров полос с размещением самой широкой полосы последней;

▼ по уменьшению значения КИМ в полосе с размещением самой широкой полосы последней.

Последний метод сортировки обусловлен тем, что внутренние напряжения в листах ДСтП распределены неравномерно по ширине листа (рис. 1.6).

Это может привести к тому, что при попадании достаточно узких и длинных заготовок на край листа, они будут изгибаться под действием разности касательных напряжений (рис. 1.7).

Рассмотрим на примерах влияние методов сортировки на проектируемые карты раскроя. На рисунках 1.8, 1.9 и 1.10 приведены карты раскроя, имеющие одинаковое значение КИМ. Однако можно отметить следующие различия.

Карта на рис. 1.8 спроектирована с использованием метода сортировки по уменьшению значения КИМ в полосе: площадь обрезков уменьшается от верхней полосы к нижней. Визуально она представляется наиболее рациональной, но при ее реализации оператор будет вынужден перемещать упоры станка в разных направлениях.

Карта на рис 1.9. имеет те же показатели по количеству поворотов панелей, установке размеров, длине пропилов и т.д. Однако в отличие от карты на рис. 1.8, ширина полос увеличивается от верхней полосы к нижней. Это позволяет перемещать упоры только в одном направлении, что ведет к исключению люфтов при установке новых размеров.

Карта на рис. 1.10 имеет большее количество установок размеров, но при этом узкие полосы сгруппированы в середине листа.

Нельзя однозначно сказать, какая из приведенных карт раскроя лучше. Право выбора остается за технологом, поскольку все зависит от конкретной производственной ситуации и свойств используемого материала. Отметим, что методы сортировки не влияют на значение КИМ, они только вносят дополнительный вклад в получение технологичных карт раскроя.

Предлагаемый подход к проектированию карт раскроя материалов разделяет оптимизацию распределения заготовок и их сортировку. Это позволяет реализовать гибкую настройку алгоритмов на технологические условия конкретного предприятия.

Организационные аспекты работы раскройного участка

Как отмечалось выше, раскрой материалов является операцией, объединяющей проектный и производственный этапы работы над заказом. Это означает, что от качественного проектирования раскроя во многом зависит ритмичная работа многих производственных участков мебельного предприятия, то есть в алгоритмах формирования карт раскроя должны учитываться, помимо геометрических и технологических параметров, производственные аспекты, определяемые используемыми технологическими процессами. Рассмотрим их.

При любом раскрое материалов неизбежно образуются обрезки, часть которых можно использовать в дальнейшей работе, а другая часть подлежит утилизации. Под деловым обрезком будем понимать фрагмент листа материала, который рационально использовать для последующего раскроя деталей из того же материала, в отличие от отхода, использовать который нерационально. Поскольку четкой границы между обрезком и отходом зачастую не существует, возможность ее определения остается за технологом. Для автоматической сортировки обрезков необходимо задать минимальные значения длины и ширины. Все обрезки, размеры которых одновременно превышают оба значения, являются деловыми обрезками и будут учитываться при выполнении последующих операций проектирования раскроя.

Проблема рационального использования обрезков на предприятии имеет информационные и технологические аспекты. Информационные аспекты связаны с поддержкой базы данных, в которую автоматически после выполнения раскроя заносится необходимая информация. Из нее же извлекаются данные об имеющихся обрезках перед началом выполнения раскроя. Следует отметить, что использование обрезков требует дополнительных затрат на их хранение и транспортировку, которые также необходимо учитывать.

Технологический аспект использования обрезков определяется возможностью образования различных повреждений во время хранения, которые, как правило, образуются по краю обрезка. Поэтому перед началом формирования карт раскроя для каждого материала задается величина предварительного опиливания обрезков, что приводит к дополнительным издержкам.

При наличии базы данных обрезков на предприятии обеспечиваются два режима раскроя материалов:

▼ раскрой только полноформатных плит материалов без учета обрезков того же самого материала, образовавшихся при предыдущих раскроях;

▼ раскрой с учетом имеющихся обрезков.

Во втором случае вначале производится раскрой обрезков, а затем, если обрезки закончились, или на них невозможно разместить оставшиеся в списке детали, производится раскрой плит.

В процессе раскроя обрезков может возникнуть ситуация, когда количество обрезков в начале раскроя, то есть тех, которые используются в качестве исходных листов, окажется меньшим количества обрезков, получившихся в результате выполнения раскроя. Это связано с тем, что при раскрое обрезков могут появляться новые обрезки. Возникновение подобной ситуации в большинстве случаев является крайне не рациональным. Для исключения этого необходимо автоматически анализировать каждую карту раскроя и исключать из множества допустимых вариантов те карты раскроя обрезков, которые дают хотя бы один новый обрезок. Однако такой автоматический анализ требуется не всегда, поэтому данный режим является опциональным. Кроме того, в ряде случаев возникает необходимость вновь появившиеся обрезки для определенных материалов директивно отнести к отходам, не меняя общих критериев сортировки.

Таким образом, определяется три условия рационального использования информации об обрезках при проектировании раскроя:

▼ КИМ обрезков превышает некоторое заранее заданное значение;

▼ КИМ раскроя обрезков из базы данных превышает КИМ текущих обрезков на величину, не меньшую заданного значения;

▼ информацию об обрезках необходимо удалить из базы данных.

Для радикального увеличения коэффициента использования материала разработана и программно реализована технология каскадного раскроя, которая представляет собой такой способ формирования карт раскроя, который позволяет автоматически «перекраивать» отдельные карты, имеющие неудовлетворительные характеристики, в соответствии с локальной шкалой критериев оптимизации.

Поскольку шкала критериев имеет сквозное действие, могут образоваться отдельные карты раскроя, качество которых можно улучшить. Для этого определяется новая локальная шкала критериев, действие которой распространяется только на карты, указанные технологом, и выполняется операция раскроя деталей, размещаемых на этих картах без изменения всех остальных. Количество повторений каскадного раскроя не ограничено. Дополнительной опцией проектирования раскроя является ручное редактирование карт раскроя с учетом направления текстуры и комплектности.

Исходя из этого, результирующий оптимальный план раскроя включает в себя три составляющие:

▼ множество карт раскроя, принимаемых технологом без доработок;

▼ множество карт, спроектированных с использованием технологии каскадного раскроя;

▼ множество вручную отредактированных карт раскроя.

Поскольку использование обрезков при проектировании раскроя материалов приводит к появлению дополнительных издержек, разработана новая методология организации проектирования, позволяющая существенно сократить их количество. Для этого список деталей, подлежащих раскрою, разбивается на два списка:

▼ основной список, содержащий информацию о заготовках текущего проектируемого изделия или ансамбля;

▼ дополнительный список, в который включается информация о заготовках для изготовления будущих изделий, изделий малых форм (цветочные полочки, небольшие тумбочки и т.д.) или элементов, которые будут использоваться во многих изделиях (выдвижные ящики, полки под клавиатуру компьютера и т.д.).

В дополнительный список включаются заготовки, которые будут раскраиваться на обрезках, полученных при раскрое основного списка. Информация о них, также как и информация об обрезках, заносится в базу данных. Однако их среднее время пребывания там значительно меньше, чем информации об обрезках. Это объясняется тем, что перед началом раскроя материалов для очередного задания выполняются две операции:

▼ информация обо всех имеющихся заготовках извлекается из базы данных;

▼ из основного списка исключаются все заготовки, которые были ранее раскроены через дополнительный список.

Принципиальное различие между алгоритмами раскроя заготовок из дополнительного списка и обычного раскроя обрезков заключается в том, что в первом случае производится совместный раскрой обоих списков. При этом заготовки из дополнительного списка размещаются только на обрезках, образующихся при раскрое заготовок основного списка. Раскрой заготовок дополнительного списка выполняется по тем же алгоритмам и с теми же технологическими настройками, что и заготовок основного списка.

При использовании дополнительного списка необходимо выбрать один их трех возможных режимов использования данных из него:

▼ использовать только текущие обрезки;

▼ использовать текущие обрезки и обрезки, информация о которых имеется в базе данных, без дополнительных условий;

▼ использовать обрезки из базы данных только при условии размещения на них хотя бы одной заготовки из основного списка.

Принципы формирования дополнительного списка определяются при подготовке исходных данных для раскроя, исходя из текущих и перспективных потребностей предприятия. Понятие коэффициента использования материала при работе с ним расширяется до четырех возможных вариантов в зависимости от того, что считать полезным выходом операции раскроя:

▼ площадь заготовок основного списка;

▼ площадь заготовок основного списка и деловых обрезков;

▼ площадь заготовок основного и дополнительного списков;

▼ площадь заготовок основного списка, дополнительного списка, а также деловых обрезков.

Интеграции раскроя в производственную среду предприятия

Технологическая операция раскроя материалов является началом изготовления изделий корпусной мебели. Это означает, что карты раскроя являются источником исходных данных для реализации последующих технологических операций: облицовки кромок, присадки отверстий, сборки, упаковывания. От того, как будут сформированы начальные условия для их реализации, зависит и время выполнения данного заказа, и время выполнения следующих заказов.

Это требует включения программного модуля раскроя в производственную среду предприятия с целью алгоритмического решения в процессе формирования карт раскроя ряда организационно-производственных проблем. Современные пильные центры могут одновременно кроить пакеты полноформатных листов, причем их количество в пакете зависит от типа станка и имеет определенную кратность. Если центр кроит за один раз n листов, а для раскроя заготовок изделия требуется k листов (k не кратно n), возникает возможность формирования двух вариантов раскроя:

▼ раскрой с заделом, в котором все карты оптимизированы для исполнения на пильном центре, то есть в них запланирован раскрой дополнительных листов и получение избыточного количества заготовок, информация о которых будет занесена в базу данных;

▼ точный раскрой, в котором присутствуют карты двух видов, например, для пильного центра и для круглопильного станка, позволяющего кроить по одной плите материала.

Наличие подобной возможности в модуле БАЗИС+Раскрой позволяет использовать так называемую технологию фиксированного уровня раскроя. Выше говорилось о приведении площадного раскроя к линейному раскрою. Это означает, что такой алгоритм оптимизации фактически разбивает каждый полноформатный лист на полосы определенного уровня, при этом исходный лист является полосой нулевого уровня. Каждый новый уровень с точки зрения исполнения раскроя представляет собой поворот раскраиваемого пакета. Задавая в качестве входного параметра номер максимального уровня, можно проектировать карты раскроя двух типов — с ограничением по количеству поворотов и без ограничения.

Грамотное использование данной технологии позволяет формировать карты раскроя, обеспечивающие оптимальную загрузку всего имеющегося парка раскройного оборудования.

Еще одним производственным аспектом, который необходимо учитывать при автоматизированном раскрое материалов, является обеспечение планируемого выхода деталей с раскройного участка. Это достигается применением методики штабелирования деталей. Известно, что для оптимизации работы фрезерно-присадочного и кромкооблицовочного оборудования необходимо минимизировать количество переналадок, то есть максимизировать количество одинаковых деталей, поступающих с раскройного участка в различных партиях. В модуле БАЗИС+Раскрой реализована возможность регулирования максимального количества различных типоразмеров деталей, которые располагаются на одном листе — уровень штабелирования.

При изменении уровня пакетирования изменяется количество групп текущих деталей, которые необходимо складировать около раскройного станка перед их передачей на последующие технологические участки. Уменьшение количества таких групп, достигаемое в процессе формирования карт раскроя, позволяет получить ряд существенных преимуществ: использование меньшей производственной площади для складирования деталей; минимизация возможных ошибок оператора вследствие необходимости сортировки меньшего количества типоразмеров деталей; равномерная загрузка оборудования других участков.

Естественно, что включение дополнительных условий в параметры раскроя является причиной уменьшения значения КИМ и/или технологичности карт раскроя. Задача технолога состоит в том, чтобы, воспользовавшись возможностями модуля БАЗИС+Раскрой, формировать карты раскроя, в максимальной степени удовлетворяющие требованиям текущей производственной ситуации. Разработанные алгоритмы и методики раскроя предоставляют все необходимые условия для решения данной задачи.

Помимо рассмотренных настроек для оптимизации производства в модуле БАЗИС+Раскрой реализованы следующие дополнительные возможности:

▼ подбор оптимальной партии раскраиваемых изделий в заданном диапазоне, что является актуальным при совмещении позаказного и серийного типов производства;

▼ качественное оформление карт раскроя, имеющее большое значение для сокращения времени его выполнения;

▼ автоматическое формирование пользовательских бирок, содержащих заданный набор параметров, представленный как в явном виде, так и в виде штрих-кода в одной из систем кодирования, что позволяет внедрить на производстве элементы безбумажной технологии.