автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.06, диссертация на тему:Разработка программно-методического комплекса автоматизированного проектирования и изготовления технологической оснастки обувного производства

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПУТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ.

1.1. Общие сведения о технологической оснастке обуви

1.1.1. Пресс-формы для литьевого метода крепления низа обуви

1.1.2. Пресс-формы для изготовления формованных подошв.

1.2. Автоматизация процессов проектирования и изготовления в обувной промышленности.

1.2.1. Существующие САПР обуви, их возможности и структура

1.2.2. Анализ потенциала машиностроительных СAD/CAM систем

1.3. Аппаратные возможности и программные средства САПР

1.3.1. Анализ современных технических и программных средств

1.3.2. Связь САПР с технологическим оборудованием

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ РАЗРАБОТАННОГО

ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

2.1. Разработка методов подготовки исходных данных для проектирования и изготовления различных видов пресс-форм

2.1.1. Способы получения и представления исходной информации

2.1.2. Аппарат векторизации растровых изображений

2.1.3. Аппарат обработки и трансформации цифровых данных

2.1.4. Математические аппараты, описывающие кривые и каркасы обувной оснастки

2.2. Разработка механизма серийного градирования для проектирования пресс-формовой оснастки.

2.2.1. Основы и методы серийного градирования.

2.2.2. Особенности градирования элементов пресс-форм.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ 3D ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ В CAD/CAM-СРЕДЕ

3.1. Представление поверхностей обувных колодок.

3.1.1. Механизмы задания каркаса колодки

3.1.2. Проектирование поверхности колодки.

3.2. Проектирование пресс-форм для изготовления деталей низа обуви

3.2.1. Проектирование формованной подошвы

3.2.2. Методика проектирования серии пресс-форм на основе полученной пространственной модели подошвы.

3.2.3. Проектирование поверхностей вкладных деталей низа и пресс-форм для их изготовления.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. МОДУЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ РАЗРАБОТАННОГО

ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.

4.1. Автоматизация процесса получения и подготовки данных при производстве пресс-форм для изготовления формованных подошв

4.1.1. Программно-независимый модуль SCANII.

4.1.2. Специализированная утилита INTEGRII.

4.2. Автоматизация процесса получения и представления данных при производстве пресс-форм для литьевого крепления низа на обуви

4.2.1. Утилита SECHEN.

4.2.2. Программно-независимый модуль KOLODKA.

4.2.3. Утилита-интегратор BOOT.

4.3. Характеристика разработанного ПМК.

4.3.1. Требования к различным видам обеспечения.

4.3.2. Практические результаты.

Выводы по главе 4.

Реалии нашего времени, условия рыночной экономики ставят перед лёгкой промышленностью задачи по улучшению качества выпускаемых товаров народного потребления, повышению их конкурентоспособности, увеличению рентабельности производства на основе создания ресурсосберегающих технологий и автоматизированных производств. В таких условиях разработка специализированного методического и программного обеспечения и адаптация существующих машиностроительных CAD/CAM систем к специфике задач обувного проектирования за счёт разработки специализированных алгоритмов, приложений и утилит является стратегическим средством повышения мобильности обувного производства, что обеспечит предприятиям отрасли переход на качественно новый уровень решения конструкторско-технологических задач.

В настоящее время уже создан ряд подсистем САПР обуви (САПРО), довольно успешно решающих различные задачи на стадиях проектирования обуви. Вместе с тем, недостаточно разработанной является стадия процесса проектирования и изготовления технологической оснастки. До сих пор ни одна из существующих САПРО не предлагает комплексного решения проблемы автоматизации технологического процесса проектирования и изготовления различного вида оснастки в современных условиях обувного производства, характеризуемого необходимостью быстрого обновления ассортимента выпускаемой продукции и большим количеством длительных, трудоёмких операций на стадии конструкторско-технологической подготовки производства обуви.

В связи с этим, разработка программно-методического комплекса, позволяющего на современном высокотехнологичном уровне автоматизировать процесс проектирования и изготовления разнообразных по предназначению, конфигурации пространственной формы и методам изготовления различных элементов технологической оснастки, является весьма актуальной задачей.

Автоматизация этапов проектирования и изготовления пресс-форм для деталей низа обуви, специализированных прессовых колодок для литьевого метода крепления низа на обуви, элементов пресс-форм для цельноформованной обуви позволит достичь следующих результатов: а) социальный эффект за счет сокращения трудоёмких операций на стадиях проектирования и изготовления пресс-формовой оснастки, а также за счет интеллектуализации труда, связанной с применением CAD/CAM технологий; б) экономический эффект за счет сокращения сроков на проектирование и изготовление технологической оснастки, а также за счет повышения качества готовых изделий.

Целью диссертационной работы является разработка программно-методического комплекса (ПМК), позволяющего на основе современных компьютерных технологий автоматизировать процесс проектирования и изготовления технологической оснастки обувного производства.

Для достижения поставленной цели нами решались следующие задачи:

- изучение и анализ существующих методов проектирования и изготовления различных видов пресс-форм и колодок;

- разработка модульной структуры ПМК, решающего задачи автоматизированного проектирования различных пресс-форм, в условиях создания современной технологии их производства;

- адаптация современных CAD/CAM-технологий к специфике обувных задач, путём разработки специализированных утилит, и их внедрение в ПМК;

- разработка эффективных способов оперативного получения исходных данных о проектируемых элементах техоснастки, таких как: затяжные и прессовые колодки, пресс-формы для изготовления формованных подошв;

- разработка программно-математического аппарата обработки исходных данных (цифровых и растровых), полученных на базе современных устройств обмера (контактных и бесконтактных);

- разработка аппарата векторизации растровых изображений;

- разработка алгоритмов и программных средств, позволяющих комплексно автоматизировать многочисленные операции, присущие стадии подготовки производства различных видов пресс-форм;

- создание и программная реализация механизма многовариантного серийного градирования данных, необходимых для проектирования CAD-моделей подошв и пресс-форм для их изготовления;

- разработка методик описания основных сечений и задания каркасов обувных колодок для последующего CAD-проектирования по ним поверхностей;

- реализация прозрачной связи разрабатываемого ПМК с программно-управляемым оборудованием и высокоинтеллектуальными CAD/CAM системами;

- разработка универсальной методики проектирования в CAD/CAM-среде формованных подошв, серии пресс-форм для их изготовления, прессовых и затяжных колодок, элементов пресс-форм для цельноформованной обуви, пресс-форм для термоформования вкладных деталей низа.

Для выполнения перечисленных задач диссертационной работы использовались: принципы создания автоматизированных систем; теоретические основы процесса проектирования обувной оснастки; принципы векторизации растровых изображений; приёмы конвертации данных в различные форматы; методы математического описания кривых и каркасов обувных колодок и пресс-форм; методы математического анализа, положения прикладной математики, аналитической и дифференциальной геометрии; основы теории серийного градирования; методология создания утилит для CAD/CAM систем; основы программирования процесса обработки и специфика механообработки пресс-форм.

В основу работы положен целостный системный подход к решению сложных задач в области создания элементов САПР технологической оснастки обувного производства, который предполагает разработку как программно-независимых средств компьютерного проектирования, так и программно-ориентированных, т.е. предназначенных для функционирования в универсальных САПР с целью их адаптации для решения задач обувного проектирования.

Научная новизна работы заключается в следующем: ш выработана методология автоматизированного проектирования и изготовления различных видов технологической оснастки обувного производства на стадии конструкторско-технологической подготовки производства обуви; предложены рекомендации по совершенствованию методики проектирования различных элементов техоснастки при помощи современных технических и программных средств; впервые выявлена и реализована возможность использования потенциала наукоёмких и универсальных CAD/CAM-технологий путём их адаптации для решения сложных специализированных задач обувного проектирования, за счёт разработки как программно-независимых средств компьютерного проектирования, так и программно-ориентированных модулей (динамически интегрированных); усовершенствовано информационное обеспечение процесса проектирования базовых элементов технологической оснастки; разработаны теоретические зависимости, программно-математические аппараты и оригинальные алгоритмы, положенные в основу ПМК и предназначенные для реализации возможности оперативного получения и подготовки исходных данных для проектирования 3D элементов техоснастки; предложены CAD/CAM-сценарии проектирования электронных моделей формованных подошв, позволяющие на. основе спроектированной 3D модели подошвы получить серию пресс-форм для заданного ассортимента; разработаны способы автоматизированного формирования непрерывных 3D каркасов затяжных и прессовых колодок, колодок для цельноформованной обуви и выработана методика оперативного CAD-построения на их основе поверхностей обувных колодок.

Практическая значимость работы состоит в разработке современного методического и программного обеспечения, состоящего из 5 модулей и позволяющего получить гарантии качества проектируемых изделий ещё до их изготовления, значительно сократить сроки на проектирование и изготовление обувной оснастки, а также расходы за счёт рационального использования оборудования и отказа от многих рутинных операций, связанных с "ручным" проектированием элементов пресс-форм, изготовлением шаблонов и различных контрольных деталей. Разработанные нами и объединённые в единый комплекс программные средства позволяют на современном уровне оперативно получать, обрабатывать исходную информацию, представленную в цифровом или растровом виде, и интегрировать уже подготовленные 3D данные в CAD/CAM-среду для закономерного проектирования тех или иных объектов оснастки по выработанным сценариям, что в свою очередь позволяет перейти на более высокий 8 уровень проектирования и модифицирования 3D элементов техоснастки и обеспечивает непосредственный выход на современное программно-управляемое технологическое оборудование.

Разработанный нами ПМК прошел производственные испытания и внедрён в технологический процесс на Московской фабрике обувных деталей ОАО "КОМПЛЕКТ" и Кировском комбинате искусственных кож ОАО "ИСКОЖ". Достигнутые в работе результаты внедрены в учебный процесс на кафедре технологии изделий из кожи МГУДТ, а также отмечены квалифицированными специалистами АО "БИПИТРОН". Так, официальным представителем Cimatron Ltd - АО "БИ ПИТРОН" предложено включить разработанные программные модули в базовый пакет широкопрофильной CAD/CAM системы Cimatron.

Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: 1) научно-техническом семинаре "Современные технологии проектирования и изготовления формообразующей оснастки на базе CAD/CAM системы Cimatron", проходившем в Государственном Российском Общеобразовательном Центре (г. Санкт-Петербург) 6-7 октября 1998 г.; 2) научно-технической конференции "Актуальные проблемы науки, техники и экономики лёгкой промышленности" (МГУДТ, 19-21 апреля 2000 г.); 3) 14-ой Международной научной конференции Миттвайда (University of Applied Sciences, Hochschule Mittweida), проходившей в Германии с 8 по 11 ноября 2000 г. Разработанные нами программно-методические средства демонстрировались на выставках "MosSHOES" и "РОСЛЕГПРОМ" 28.03-01.04.2000 г.

По основным направлениям работы опубликовано 10 печатных работ. На WEB-странице Университета прикладных наук (Миттвайда, Германия) опубликована электронная статья "CAD-Software fur Schuhausriistung" fhttp://www.htwm.de).

По своей структуре диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Объём диссертации составляет 172 страницы текста, которые включают 4 таблицы и 65 рисунков. Список использованной литературы содержит 62 наименования. Приложения представлены на 6 страницах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ТО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Анализ традиционных методов проектирования и изготовления технологической оснастки обувного производства выявил их высокую трудоёмкость, рутинность, несоответствие в полной мере производственной реальности и современному уровню развития программных и технических средств.

2. Проанализированы существующие САПРО. Полноценного программного продукта, комплексно решающего задачи автоматизации процесса проектирования и изготовления технологической оснастки, не существует.

3. На основе проведённого анализа возможностей машиностроительных CAD-CAM систем предложен наиболее перспективный путь автоматизации процесса проектирования и изготовления техоснастки, заключающийся в адаптации современных CAD/CAM технологий к специфике задач обувного проектирования за счёт разработки оригинальных алгоритмов и утилит.

4. Для получения исходных данных об элементах техоснастки разработаны программно-методические средства, использующие данные результатов: а) обмера натурного образца на CNC-устройстве; б) сканирования и дигита-лизации шаблонов или данных, полученных в процессе проектирования на чертеже или в ходе обмера на контурографе.

5. Разработан аппарат векторизации растровых изображений, благодаря которому стало возможным применение бесконтактных устройств обмера в области САПР пресс-форм обувного производства.

6. Для автоматизации проектирования элементов пресс-форм разработан аппарат обработки и трансформации цифровых данных. Предложен математический механизм построения эквидистантных и условно эквидистантных кривых. Разработан аппарат сглаживания, основанный на использовании сплайновых кривых Безье. Разработан механизм построения 3D кривых по известным 2D данным развёртки и профиля внутреннего контура подошвы, основанный на использовании параметрических бикубических сплайнов.

7. Разработан механизм автоматизации серийного градирования элементов пресс-форм. Предложен алгоритм математического решения многовариант

167 ной задачи серийного градирования, в рамках подготовки 3D базовых данных к CAD-проектированию подошв и пресс-форм для их изготовления.

8. На примере адаптации системы Cimatron предложена методология автоматизированного проектирования элементов техоснастки, основанная на применении наукоёмких CAD/CAM технологий наряду с использованием разработанных нами программных модулей и динамических утилит.

9. Разработан механизм универсального задания каркаса колодки, который наиболее полно удовлетворяет требованиям CAD-проектирования поверхности затяжной и прессовой колодки, колодки для цельноформованной обуви.

10. Выработана структурированная и унифицированная последовательность проектирования поверхностей обувных колодок по заданному каркасу, которая значительно упрощает и сокращает процесс CAD-моделирования.

11. Разработана методика проектирования CAD-моделей формованных подошв и серии пресс-форм для их массового изготовления. Предложены основополагающие принципы CAD-моделирования поверхностей вкладных деталей низа обуви и пресс-форм для их изготовления.

12. Разработаны программно-независимые модули (SCANII, KOLODKA) и специализированные динамически интегрированные утилиты (INTEGRII, SECH-EN, BOOT), которые являются неотъемлемой частью созданного ПМК и предоставляют на выходе информацию, готовую для последовательного проектирования в CAD-среде поверхностей различных 3D объектов оснастки по выработанной нами методике.

13. Разработанный ПМК прошёл апробацию и производственные испытания в условиях цеха пресс-форм ОАО "Комплект" и ОАО "Искож", в результате которых было установлено, что его компоненты позволяют комплексно автоматизировать стадию конструкторско-технологической подготовки производства пресс-форм; сокращают сроки и трудоёмкие операции проектирования элементов пресс-форм; повышают качество выпускаемых изделий.

1. Стронгин Б.М. Конструирование технологической оснастки., -М., изд. Лёгкая и пищевая промышленность, 1983

2. ГОСТ 3927-88. Колодки обувные., -М. изд. стандартов, 1989

3. Зыбин Ю.П. Конструирование изделий из кожи. -М., изд. Легкая индустрия, 1966, 1978.

4. Киселев С.Ю. Разработка элементов САПР технологической оснастки обуви., Дис.к.т.н. -М, МТИЛП, 1990.

5. Костылева В.В., Бекк Н.В. О современных дизайнерских программных пакетах в конструировании обуви. М.: Кожевенно-обувная промышленность, 1999, №3, стр. 38

6. Замарашкин Н.В., Замарашкин К.Н. Практикум по проектированию технологической оснастки в производстве обуви. -М., изд. Легпромбытиздат, 1993.

7. САПР и графика. -М.: КомпьютерПресс, №9, 1999.

8. Фукин В.А., Киселев С.Ю., Никитин А.А. Структура комплексной САПР обуви. -М.: Кожевенно-обувная промышленность, 1989, №4, стр. 1-3

9. CAD/CAM for the Shoe Industry. -Amerikan Shoemaking, 1989, N3, p.21-23

10. The voad to CIM. Atom + Vicam. -M., Материалы семинара "САПР обувь", 29-30 января 1992.

11. Перцовский П.Г. Разработка программно-методического комплекса для расчета и оценки материалоёмкости конструкций обуви. Дис.к.т.н. -М., МГАЛП, 1999, глава 118/ ShoeMASTER. Материалы рекламного характера. Англия, 1999.

12. Разин И.Б. Программное управление процессов раскроя рулонных и листовых материалов в кожгалантерейном производстве. Дис.к.т.н. -М.,1987.20.* Romans CAD Software 2D&3D. Материалы фирмы Lectra Systemes SA., Cestas Bordeaux/France., 1994

13. Карасик B.3., Соловьев В.Г., Миттрах Т.Н. Обувное оборудование на выставке "0бувь-90". М.: Кожевенно-обувная пром-ть, 1991, №6, стр. 37

14. Копировально-фрезерный станок с числовым программным управлением (CNC II). Копия перевода., Всесоюзный научно-технический информационный центр., Киевская редакция ВЦ Переводов, 1990.

15. Семёнов А.А., Киселев С.Ю., Фукин В.А. Новый подход к автоматизации процесса проектирования и изготовления пресс-форм обувного производства. Международный сборник научных трудов "Великий русский обувщик и время", Шахты, ЮРГУЭС, 2000, стр. 108-110.

16. Кошкин В.Л. Аппаратные системы числового программного управления., -М., изд. Машиностроение, 1989

17. Пелипенко А.Б. Исследование и разработка методов решения задач КТПП предприятий машино- и приборостроения в условиях применения CAD/CAM систем., Автореферат дис.к.т.н. С.-Петербург, СПГИТМО, 1998, стр.4.

18. Фукин В.А. Проектирование внутренней формы обуви. -М.: Легпромбыт-издат, 1985

19. Фукин В.А., Костылева В.В., Довнич И.И. Методы и средства серийного градирования колодок и деталей обуви. Обувная промышленность, выпуск №5. -М.: ЦНИИИТЭИ лёгкой промышленности, 1987

20. ГОСТ 3927-64. Колодки обувные. -М.: изд. стандартов, 1965

21. Материалы СЭВ под мировой торговой маркой обуви "ЦЕБО". Способ определения колодки, размеров и полноты обуви. Соотношение систем нумерации обуви., ЧССР, 1979

22. Материалы обувного предприятия "Svit" и его производственного подразделения "KONTY svit group a.s", Злин/Чехия, 1995.45.* Pivecka J., Laure S. Obuvnicke kopyto. Prirucka pro Modelare., ISMS, Чехия.

23. Зыбин А.Ю. Что нужно знать об обуви. -М.: Обувь, №1, 1996, стр. 12-15

24. Ключникова В.М. Проблема размеров и полнот обуви на современном российском рынке, или размерные системы обуви. -М.: ж. Обувь сезона, №2 (6), 1999, стр. 23-25

25. Семёнов А.А., Киселев С.Ю., Фукин В.А. Операция серийного градирования в программно-методическом комплексе "SCANIF. Сборник научных трудов кафедры технологии изделий из кожи МГУДТ. -М.: НИЦ "Инженер", 2000, стр.14-19

26. Башмаков М.И. Алгебра и начала анализа. М.: Просвещение, 1991.

27. Шикин Е.В., Плис А.И. Кривые и поверхности на экране компьютера. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996.

28. Левин Б.К., Мальчик А.Ю. Методы автоматического расчёта эквидистанты// Способы подготовки программ и интерполяторы для контурных систем числового управления станками. М.: Машиностроение, 1970.

29. Фукин В.А. Теоретические и методологические основы проектирования рациональной внутренней формы обуви. Автореферат дис.д.т.н., -М., МТИЛП, 1980.

30. Тернавская Т.В. Разработка методики проектирования и изготовления тех172нологической оснастки для литья деталей низа обуви в условиях мелкосерийного производства. Дис.к.т.н. -М, МТИЛП, 1992.

31. Семёнов А.А., Киселев С.Ю., Фукин В.А. Апробация возможностей CAD/CAM систем при проектировании деталей низа обуви. М.: Кожевенно-обувная промышленность, № 6, 2000, стр. 39-40

32. Семёнов А.А., Киселев С.Ю., Фукин В.А. Автоматизированная разработка объектов обувного производства. М.: Кожевенно-обувная промышленность, № 3,1999,стр. 33

33. Семёнов А.А., Киселев С.Ю., Фукин В.А. Способы получения и подготовки исходных данных при проектировании оснастки обувного производства. -М.: Кожевенно-обувная промышленность, № 1, 2001, стр. 33

34. Семёнов А.А. Новый метод трассировки данных. -М.: ж. "S", № 2-3(25-26),2000, рубрика S-INFORM, стр. 63

35. Semenow А.А., Kiseljow SJu. CAD-Software fur die Schuhherstellung. Сборник "Scientific reports' 01". 14-я Международная научная конференция. Университет прикладных наук. Hochschule Mittweida, Deutschland, 2000-2001

36. Семёнов А.А. От сканирования шаблонов к серийному производству пресс-форм . -М.: ж. "S", № 4(27), 2000, рубрика CAD/CAM, стр. 92-93

37. Семёнов А.А. Обувь начинается с электронной колодки. -М.: ж. "S", № 4(9),2001, рубрика CAD/CAM, стр. 74-75

38. Елманова Н.З., Кошель С.П. Borland C++Builder. -М.: Диалог-МИФИ, 1999

39. Бруно Бабе. Просто и ясно о Borland С++. Пер. с англ. -М.: БИНОМ., 1995173