автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.04, диссертация на тему:Рациональные способы автоматизированного выполнения раскладок лекал в легкой промышленности



ск

г,.'.'

На правах рукописи

РОМАН Сергей Васильевич

РАЦИОНАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫПОЛНЕНИЯ РАСКЛАДОК ЛЕКАЛ В ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

05.19.04 - Технология швейных изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Российском заочном институте текстильной и легкой промышленности.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шершнева Лидия Петровна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Козлов Василий Петрович

кандидат технических наук, с.н.с., доц. Мелихова Валентина Михайловна

Ведущая организация:

ЗАО Промышленная компания "Динамо", ВФСО "Динамо".

I

Защита состоится "Л," " г. в Г / часов

на заседании Диссертационного совета К. 064.16.03 при Российском заочном институте текстильной и легкой промышленности по адресу: 123298, г Москва, ул. Народного ополчения, д. 38, корп. 2, актовый зал.

С Диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосЗИТЛП по адресу: г. Москва, ул. Шаболовка, 14.

Автореферат разослан // "йШОЬ^ 199_^г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

06.03

Тихонова Т.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многие годы, начиная с конца 70-х годов, расширяется сфера применения компьютерной техники. Однако до сих пор в швейном производстве нет высокоэффективных технологий автоматизированного выполнения раскладок лекал одежды. Особенно остро вопрос разработки таких технологий возникает с появлением гибких производств одежды или, как их еще называют, предприятий быстрого реагирования. Подобные предприятия предъявляют высокие требования к качеству и срокам выполнения операций технологической подготовки производства (ТПП), а следовательно, к качеству и срокам выполнения раскладок. Поэтому возникла необходимость в переходе от физического, натурного моделирования раскладок к математическому, замене эвристических приемов выполнения раскладок, оценки их качества, а также оформления документации формальными алгоритмизированными процедурами.

Впервые задача оптимального раскроя материалов в технике была поставлена и решена Канторовичем Л.В. еще в конце 30-х годов. Полученные тогда результаты легли в основу симплекс-метода - основного метода линейной оптимизации. Дальнейшие исследования ученых Залгаллера В.А., Тота Л.Ф., Во-лосатова В.А. и др. в основном были посвящены регулярным раскладкам, т.е. укладкам одинаковых фигур в полубесконечные полосы.

Применение регулярных раскладок в швейном производстве ограничено, поскольку число, конфигурация и параметры лекал в швейных раскладках достаточно разнообразны. Такие раскладки относятся к нерегулярным. Большой вклад в решение задач автоматизации построения нерегулярных раскладок внесли: Козлов Б.А., Коблякова Е.Б., Ивлева Г.С., Иевлева Р.В., Зак И.С., Скатеркой В.А., Стоян Ю.Г., Трухан Г.Л. и др. Однако данное направление нельзя считать полностью сформировавшимся, т.к. алгоритмы, лежащие в основе этих методов, достаточно сложны и требуют для своей реализации большого количества вычислений, поэтому в швейной промышленности наибольшее распространение получил метод интерактивного проектирования раскладок. Достоинством интерактивного метода можно считать высокое качество проектируемых раскладок и низкий процент межлекальных потерь, недостатками асе являются полная зависимость полученного результата от квалификации исполнителя и

достаточно длительное время его работы. Избежать такой зависимости можно за счет применения автоматизированного способа выполнения раскладок, когда автоматизируется большинство рутинных процедур, человеку же остаются наиболее сложные и трудноформализуемые операции по выполнению раскладки.

Учитывая потребности швейного производства, необходимость экономии ткани и сокращения сроков технологической подготовки производства, можно сделать вывод, что проблема автоматизированного выполнения раскладок лекал актуальна.

Цель диссертационной работы-, разработка технологии автоматизированного проектирования раскладок лекал одежды, различающихся по числу, конфигурации, комплектности, размерам, количеству одинаковых деталей в одном наборе и методу укладки, для изделий стабильного и нестабильного ассортимента в легкой промышленности, для экономии живого и овеществленного труда.

В соответствии с указанной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи:

• определение области рационального применения техники автоматизированного проектирования раскладок;

- обоснование ассортимента швейных изделий, где данная техника может быть эффективно использована;

- определение рационального способа задания контуров деталей швейных изделий;

- разработки формализованной технологии выполнения раскладок;

- систематизации способов ввода/вывода графической информации;

- адаптация для реализации способа автоматизированного выполнения раскладок, поискового метода, основанного на использовании сильноветвящихся деревьев, и дополнение его рядом эвристических правил;

- формализация задачи описания построения раскладок (пошаговое описание предложенного в работе алгоритма, автоматизированного выполнения раскладок).

Объект исследования. В качестве объекта исследования в диссертационной работе выбрана технология построения раскладок.

В соответствии с целью и задачами, в диссертационной работе используются следующие методы и средства исследований: теория дискретной геометрии, теория вычислительной геометрии, общая теория алгоритмов (алгоритмика), метод вычислительного эксперимента, эвристический подход к моделированию трудноформализуемых процессов и прикладная теория технологии швейного производства. Кроме того, в качестве методологической базы в данной работе использованы труды отечественных и зарубежных специалистов по проблемам автоматизации проектирования, автоматизации технологических процессов швейного производства и создания гибких производств одежды.

Научная новизна. В работе решены следующие задачи:

- создана концептуальная модель процесса автоматизированного выполнения раскладок;

- исследованы и формализованы вопросы формирования прямоугольных шаблонов из конкретных деталей швейных изделий, позволивших сократить затраты времени на выполнение раскладки;

- впервые адаптирован для реализации способа автоматизированного выполнения раскладок поисковый метод, основанный на использовании сильно-ветвящихся деревьев, и дополнен рядом эвристических правил;

- найдена область рационального применения техники автоматизированного проектирования раскладок изделий стабильного и нестабильного ассортимента;

- проведен анализ и систематизация способов ввода/вывода графической информации;

- определен способ укладки деталей в раскладку и установлены факторы, влияющие на показатели, характеризующие данный процесс;

- формализована задача описания построения раскладок, дано пошаговое описание предложенного в работе алгоритма, автоматизированного выполнения раскладок.

Практическая значимость. Результаты выполненной работы представлены в виде компьютерных программ и методик по их применению, приемлемых для использования в практической деятельности швейных предприятий при автоматизированном выполнении раскладок лекал одежды. Предлагаемые методы могут быть легко адаптированы для использования не только на швей-

ных, но и на других предприятиях легкой промышленности, а также использованы в учебном процессе.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были реализованы в виде компьютерных программ в методик выполнения раскладок, позволивших получить следующую экономию живого и овеществленного труда (в ценах до 01.01.98):

на Мичуринсхой фабрике швейных спортизделий ВФСО "Динамо" с годовым экономическим эффектом 73 '350'000 рублей.

на Липецкой фабрике швейных спортизделий ВФСО "Динамо" с годовым экономическим эффектом 49'010'000 рублей.

Общий годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 122'360'000 рублей (Согласно акту о внедрении).

Социальный эффект от внедрения работы состоит в улучшении условий труда персонала, а также избавлении его от монотонной и рутинной работы по ручному выполнению раскладок. При этом качество выполняемых раскладок уже не зависит от исполнителя.

Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены на научно-технической конференции РосЗИТЛП и на заседаниях кафедры "Технология швейного производства" РосЗИТЛП (Москва, 1994-1997 гг.). Кроме того, по теме данной работы была оформлена заявка на участие в конкурсе Грантов в 1994 году в области проблем легкой промышленности, проводившемся в Санкт-Петербургском Государственном университете технологии и дизайна. Название проекта "Информационное и программное обеспечение автоматизированной системы раскладки лекал для изделий нестабильного ассортимента в легкой промышленности".

Публикации. Основные положения проведенных исследований отражены в трех печатных работах в виде тезисов докладов.

Связь с планом основных научных работ. Основные научные исследования диссертации выполнены в соответствии с планом НИР РосЗИТЛП по теме "Совершенствование технологии проектирования и производства одежды с применением элементов САПР" (кафедральная тема № 6.30-173).

Структура и объем работы. Композиционно диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 150 страницах

машинописного текста, включающих 29 рисунков, 21 таблицу, 7 приложений и списка литературы из 108 наименований.

На защиту выносится: технология и программа автоматизированной раскладки для изделий стабильного и нестабильного ассортимента в легкой промышленности, в условиях частой сменяемости материала и комплектности лекал.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена ее цель и сформулированы задачи исследования.

Первая глава посвящена решению задачи обоснованного выбора метода выполнения раскладок лекал, разработке научных основ автоматизированного выполнения раскладок деталей, различающихся по числу, геометрической конфигурации, комплектности, размерам, количеству одинаковых лекал в одном наборе, методу укладки и т.д. для изделий стабильного и нестабильного ассортимента в легкой промышленности.

В результате изучения и анализа литературных источников установлено, что работы по выполнению раскладок - это ручкой, постоянно повторяющийся, трудоемкий процесс, нуждающийся в автоматизации. Поэтому все шире и шире для изготовления раскладок используется компьютерная техника. Этому также способствует тенденция снижения цен на вычислительную технику.

Созданы специальные автоматизированные системы проектирования раскладок. В качестве технической базы для подобных САПР используют распределенные вычислительные системы на базе мощных рабочих станций, объединенных локальной сетью.

Задача создания программного обеспечения выполнения нерегулярных раскладок успешно решена для интерактивного режима. Что касается автоматической раскладки швейных лекал, то существующие методы не отличаются высокой эффективностью использования ткани и быстродействием.

Автоматизированный способ выполнения раскладок лекал с использованием промежуточных прямоугольных "шаблонов является определенным компромиссом между интерактивным и автоматическим способами. За счет того, что большинство рутинных процедур автоматизировано, время, требуемое для вы-

. - 8 полнения раскладок, меньше, чем при интерактивном способе. При этом для выполнения сложных, нетривиальных процедур используются опыт и интуиция исполнителя, что повышает качество раскладки. Следовательно, для автоматизированного способа уровень межлекальных потерь ниже, чем при выполнении раскладок чисто автоматическим способом. Таким образом автоматизированный способ укладки лекал представляется наиболее перспективным при нынешнем уровне развития вычислительной техники. Поэтому он был выбран в качестве базового в данной диссертационной работе.

Вторая глава посвящена вопросам формализации задачи построения раскладок, в ней систематизируются и теоретически обосновываются объекты исследования, проводятся анализ и выбор критериев оценки способов укладки прямоугольных шаблонов, осуществляются выбор способа укладки и его оценка по критериям, дается последовательность шагов для реализации выбранного способа.

Для исследования в диссертационной работе выбраны швейные изделия, имеющие небольшое число деталей различной геометрической конфигурации (женские юбки, блузы, бюстгальтеры). Выбор осуществлен исходя из возможностей современной техники.

Работа производится в два этапа. На первом - многообразие деталей швейного изделия оператором-раскладчиком сводится к многообразию более простых геометрических фигур - прямоугольников (рис. 1). Они могут быть представлены отдельными деталями швейных изделий или их сочетаниями. На втором этапе, автоматически выполняются довольно быстрые и эффективные процедуры укладки полученных фигур в рамку раскладки.

Поскольку в автоматизированном способе выполнения раскладок процесс укладки лекал выполняется в два этапа, критерий - процент межлекальных потерь - распадается на две составляющих:

- интегральный процент межлекальных потерь при формировании шаблонов;

- процент межшаблонных потерь, возникающий при укладке шаблонов в итоговую многокомплектную раскладку.

Критерий объема алгоритма (общее время выполнения раскладки) учитывает только количество операций, необходимое для построения итоговой раскладки из ранее сформированных шаблонов.

Рис. 1 Укладка шаблонов в прямоугольники.

Специальный вид шаблонов, в виде ориентированных прямоугольников, позволяет использовать гораздо более эффективные методы решения задачи размещения их в рамку раскладки по сравнению с фигурами более сложной формы.

В настоящей работе для решения задач размещения выбран и использован эвристический способ укладки шаблонов в самую левую полубесконечную полосу, образованную в поле рамки раскладки уже уложенными фигурами (рис. 2), что позволяет получить меньший уровень межшаблонных потерь по сравнению с другими рассмотренными в данной главе эвристиками, такими, как укладка шаблонов в виде поперечных полос или в шахматном порядке.

1»<ик&»0 Лмцснт п/ш »т«вв1»а.«|М.

:6>;

®

%

* г л

3—г

Рис. 2 Метод укладки шаблонов в самую левую полубесконечную полосу.

Для увеличения направленности поиска оптимального решения вышеупомянутое эвристическое правило дополнено в данной работе методом перебора вариантов на основе сильноветвящихся деревьев. Вводится понятие дерева размещений (рис. 3). Оно, в сочетании с определенным правилом укладки и функцией текущей длины раскладки, определяемой в каждом узле дерева размещений, это те необходимые составные части, которые лежат в основе предложенного способа. В нем все подчинено сокращению числа операций алгоритма при сохранении эффективности решения. Кроме того, данный способ является основой для новых решений и методов, которые могут быть еще более эффективными, чем он сам.

В третьей главе приводится описание разработанных алгоритмов и компьютерных программ, реализующих данный способ, описываются наборы входных данных и вид получаемых результатов.

С целью апробации предложенного в диссертационной работе способа автоматизированного выполнения раскладок, разработаны три программных модуля, которые предназначены для:

- выполнения замощающих раскладок единичных и групповых шаблонов,

- выполнения незамощающих раскладок единичных и групповых шаблонов,

- выполнения незамощающих раскладок гнезд.

Для каждого из разработанных программных модулей приведены подробная блок-схема, текст и описание программы, затрагиваются особенности применения предложенного способа и предъявляемые при этом требования.

Рис. 3. Дерево размещений шаблонов (единичных и групповых).

Разработанные программные модули семейства С?шскМагк написаны на языке Си с минимальными требованиями к программно-аппаратному окружению и могут быть легко перенесены на любую программно-аппаратную платформу.

После получения технического задания на раскладку производится построение единичных и групповых шаблонов автоматизированным или интерактивным способом. Автоматизированный способ используется для построения единичных и несложных групповых шаблонов, для относительно простых швей-

ных изделий, а интерактивный способ построения шаблонов оператором-раскладчиком на экране графического дисплея - во всех остальных случаях.

Групповые и единичные шаблоны, а также параметры выполняемой раскладки являются исходной информацией для описываемых в данной главе программных модулей семейства <ЗшскМагк, которые используются для укладки шаблонов в рамку раскладки.

Замощающие раскладки возникают лишь при укладке фигур специальной формы. В настоящей работе такими фигурами являются прямоугольные шаблоны и гнезда. При укладке шаблонов в гнезда всегда образуются строчно-столбцевые замощающие раскладки.

При непосредственной укладке единичных и групповых шаблонов в прямоугольную рамку может быть получена замещающая раскладка. Перед попыткой выполнения такой раскладки можно заранее отсечь большинство вариантов, дня которых замощающей раскладки не существует.

При выполнении многокомплектной раскладки с образованием гнезд перед началом процесса раскладки не может быть сделано никаких прогнозов относительно возможности существования замощающей раскладки, такая раскладка может быть получена при минимизации межшаблонных потерь, однако вероятность такого события весьма мала.

Четвертая глава посвящена вопросам апробации программного продукта. Выполняются многокомплектные раскладки швейных изделий, имеющих небольшое число деталей различной геометрической конфигурации, причем лекала таких изделий или их комбинации могут приближаться по форме к прямоугольникам, как, например, детали корсетных изделиях и женских блуз.

Применение предложенного в диссертационной работе автоматизированного способа, блок-схема которого показана на рис. 4, для выполнения многокомплектных раскладок швейных изделий (корсетные изделия и женские блузы), по сравнению с интерактивным способом, обеспечивает:

- снижение межлекальных отходов в раскладках на 1-6% при существующих в отрасли отходах материалов на данный вид ассортимента от 10% до 25%;

- исключение влияния случайных факторов (опыт и квалификация исполнителя) на эффективность использования ткани, выражаемую в процентах межлекальных потерь;

- снижение нормы расхода ткани на единицу изделия;

- обеспечивает повышение качества выполняемых раскладок и повышение производительности труда раскладчиков.

Ряс. 4 Блок-схема процесса выполнения раскладки заданной комплектности.

Кроме этого, появляется возможность выбрать оптимальную структуру раскладки в зависимости от числа комплектов лекал и определить последовательность значений числа комплектов в раскладке, которая обеспечит монотонное возрастание плотности раскладки с увеличением числа комплектов.

Также при наличии возможности выбора между различными ширинами ткани данный способ позволит выбрать такую, при которой межяекальные потери (для заданной комплектности) будут минимальны.

Основной областью применения автоматизированного способа укладки шаблонов является быстрое выполнение многокомплектных раскладок деталей простых швейных изделий, имеющих небольшое число лекал различной геометрической конфигурации. Причем лекала таких изделий или их комбинации могут приближаться по форме к прямоугольникам. Примерами подобных изделий являются: прямокроеные юбки, женские блузы, бюстгальтеры, мужские трусы, распашонки, мужские кепи и т.д.

При использовании данного способа основным критерием является время работы при удовлетворительном проценте межлекальных потерь. Благодаря малому времени работы способа для заданного набора плотных единичных и групповых шаблонов, появляется возможность подобрать оптимальную ширину рамки расхладхи из имеющихся на предприятии ширин ткани н комплектность изделия, исхода из поставленных требований, по критерию минимума процента межшаблонных потерь, что может в определенной степени увеличить плотность выполняемой раскладка.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Для повышения рентабельности швейных предприятий за счет экономии живого и овеществленного труда с помощью компьютеризации процессов технологической подготовки пшенного производства в диссертационной работе установлено:

1. Результатом работы является технология и программное обеспечение автоматизированного выполнения раскладок лекал, различающихся по числу, геометрической конфигурации, комплектности, размерам, количеству одинаковых деталей в одном наборе, методу укладки и т.д. для швейных изделий, кон-

структивно-композиционные признаки которых имеют тенденцию частого изменения под влиянием моды.

2. Основными критериями оценки способов выполнения раскладок в работе являются:

- общие затраты времени на выполнение раскладки,

- процент межлекальных потерь.

При выполнении раскладок эти два критерия минимизируются в определенных, наперед заданных пропорциях.

В качестве меры объема алгоритма в данной работе используется значение числа шагов (вызовов рекурсивной процедуры), необходимых для построения итоговой раскладки.

3. В работе доказано, что наиболее перспективным для швейной промышленности является автоматизированный способ выполнения раскладок, т.к. алгоритмы, лежащие в основе полностью автоматического способа выполнения раскладок, достаточно сложны и требуют для своей реализации большого количества вычислений, а используемые способы интерактивного проектирования раскладок трудоемки и зависят от квалификации исполнителя,

4. Найдена область рационального применения предложенного способа, а именно: он может быть рекомендован для гибких и массовых производств в условиях постоянно повторяющихся операций выполнения раскладки на материалах, имеющих различные ширину и комплектность раскладки.

5. Доказано, что для сокращения объема информации при описании контуров швейных деталей целесообразно использовать аппроксимацию деталей более простыми геометрическими фигурами - прямоугольниками. В прямоугольник может вписываться как одна деталь - одиночный шаблон, так и группа -групповой шаблон. Шаблоны объединяются в библиотеки. Каждый шаблон (единичный или групповой) может укладываться в прямоугольную рамку отдельно, либо может входить в группу более высокого порядка - гнездо, которое также является объектом раскладки и может быть размешено в рамку раскладки за один шаг целиком как одиа деталь.

6. Установлено, что общий процент межлекальных потерь складывается из 2-х составляющих, а именно: потерь при укладке лекал в шаблоны

(межлекальные потери) и потерь при укладке шаблонов в рамку раскладки (межшаблонные потери). Для сокращения межшаблонных потерь имеет значение способ укладки шаблонов в рамку раскладки.

7. Доказано, что для решения задач размещения шаблонов целесообразно использовать эвристический способ укладки их в самую левую полубесконечную полосу, образованную в поле рамки раскладки уже уложенными фигурами. Для увеличения направленности поиска оптимального решения данное эвристическое правило дополнено методом перебора вариантов на основе сильно-ветвящихся деревьев.

8. Разработана программа автоматической укладки шаблонов. При ее создании на основе предложенного в диссертационной работе алгоритма для минимизации требований к программно-аппаратному окружению и увеличению мобильности программного продукта, а также эффективной работы с графическими форматами данных использован язык Си++. В качестве операционной среды использованы ОС MS/DOS и ОС UNIX. В качестве аппаратного обеспечения использован компьютер АТ486.

9. С целью испытаний разработанного в настоящей работе способа автоматизированного выполнения раскладок созданы программные модули семейства QuickMark, апробация которых показала, что для выполнения многокомплектных раскладок швейных изделий (корсетные изделия и женские блузы), по сравнению с интерактивным способом обеспечивается:

- снижение межлекальных отходов в раскладках на 1-6% при существующих в отрасли отходах материалов на данный вид ассортимента от 10% до 25%;

- исключение влияния случайных факторов (опыт и квалификация исполнителя) на эффективность использования ткани, выражаемую в процентах межлекальных потерь;

- снижение нормы расхода ткани на единицу изделия;

- повышение качества выполняемых раскладок.

Разработанная программа позволяет в течение 3-5 минут выполнить раскладку из готовых шаблонов при заданной комплектности и ширине ткани, а также когда 1-2 детали изменяют свою конфигурацию, а другие остаются неизменными. За счет использования принципа многоэтапности построения рас-

кладок и группирования лекал значительно сокращается время построения итоговой раскладки с измененными параметрами.

Кроме этого, появляется возможность выбрать оптимальную структуру раскладки в зависимости от числа комплектов лекал и определить последовательность значений числа комплектов в раскладке, которая обеспечит монотонное возрастание плотности раскладки с увеличением числа комплектов. При наличии возможности выбора между различными ширинами ткани данный способ позволит выбрать такую, при которой межлекальные потери (для заданной комплектности) будут минимальны.

10. В диссертационной работе определен ассортимент швейных изделий, где способ автоматизированного выполнения раскладок может быть рационально использован. Проведена апробация способа на корсетных изделиях н женских блузах.

И. Практическая ценность данной работы состоит в том, что большая часть ее результатов представлена в виде компьютерных программ и методик по их применению, приемлемых для использования в практической деятельности не только швейных, но я на других предприятиях легкой промышленности.

12. Общий годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 122 360 ООО рублей (в ценах до 01.01.98). Ориентировочный условно-годовой экономический эффект по швейной отрасли может составить до одного млрд. рублей (в ценах до 01.01.98).

Публикации по теме диссертационной работы

1.Шершнева Л.П., Роман C.B. Основные направления решения задач в системе САПР-раскладка. "Автоматизация проектирования и производства в легкой промышленности". Материалы конференции 5-6 апреля 1994 г. / Российск. заочн. ин-т текст, и легк. пр-сти. М., 1995.

2.Ржехина Т.С., Роман C.B. Использование ЭВМ в задачах дипломного проектирования для оценки уровня гибкости проектируемых технологических процессов швейного производства. "Научно-методическая конференция преподавателей института по проблемам совершенствования высшего заочного образования 16-17 мая 1995 г." Тезисы докладов. / Российск. заочн. ин-т текст, и легк. пр-сти. М., 1995.

3.Доможирова Л.Ю., Роман C.B. Использование ЭВМ в дипломном проектировании студентов-технологов. "Научно-методическая конференция преподавателей института по проблемам совершенствования высшего заочного образования 16-17 мая 1995 г." Тезисы докладов. / Российск. заочн. ин-т текст, и легк. пр-сти. М., 1995.