Синтез структур и оценка параметров эффективности изготовления трикотажных изделий

Цель настоящей работы заключается в реализации определенных примеров системного подхода к решению инженерных задач и процедур, имеющих отношение к технологии проектирования (синтезу) структур и параметров трикотажа и технологических процессов их изготовления в производственных условиях (в частности, как предметной области, технологии производства трикотажных полотен с кругловязальных машин).

С целью выбора определяющих факторов развития производственно-технологических систем, в частности, трикотажного производства, рассмотрены современные подходы построения архитектуры современного трикотажного предприятия и методы, на которых базируется рост эффективности производства. В частности, рассмотрена современная архитектура и функции трикотажного предприятия, обеспечивающие реализацию жизненных циклов трикотажной продукции и ориентацию всех видов деятельности на обеспечение качества, обновление и создание новых видов продукции. Рассмотрены виды деятельности, связанные с информационной поддержкой, и их интеграция на базе вычислительной техники.

Поставлена цель — разработать обобщенную структуру процесса вязания на кругловязальных машинах и реализовать ее в виде имитационной модели, как обучающей программы визуализации процесса и выполнения основных расчетных процедур, сопровождающих процесс вязания и относящихся, в частности, к производительности и технологической трудоемкости изготовления трикотажных полотен при известных заправочных данных их вязания.

Имея в виду, что основными факторами режима вязания трикотажа и технологической надежности процесса является натяжение нити, поставлена цель уточнения существующих методов расчета натяжения и поиска условий снижения напряженного состояния переработки (вязания) нити с учетом реальных физико-механических свойств, в частности, характеристик жесткости при изгибе и фрикционных свойств.

Выбор режима дозированной подачи нити (основного при вязании на кругловязальных машинах) до сих пор базируется на опыте и субъективных подходах к регулированию машины. В этой связи поставлена задача построения алгоритма регулирования и наладки кругло вязальной машины и технологического обеспечения качества полотна (как результат проектирования его параметров). Поставлена цель — оценить возникающие при этом технологические погрешности. Соответствующие расчетные модели построены в работе.

Одна из целей работы — уточнение методов синтеза новых структур переплетений и их разработка (как пример, на базе ажурных сетеполотен) при обеспечении роста эффективности их вязания и снижения материалоемкости производства по сравнению с щ базовыми (главными) переплетениями.

В структуре жизненного цикла как основные рассмотрены функции проектирования и изготовления (вязания и отделки) полотна, имея в виду синтез новых структур и параметров готового полотна, обеспечивающих повышение качества (в частности, снижение усадки) трикотажного полотна из хлопчатобумажной пряжи. При этом поставлена цельразработать методику проектирования готового полотна с учетом видов отделки.

Основываясь на известных подходах в машиностроении и проектировании (выбору) индивидуальных технологических маршрутов на множестве обобщенных (избыточных).

• структур технологических операций и переходов, рассмотрены задачи реализации такой системы в программной среде в виде граф-дерева и оценки технологической трудоемкости всего процесса, как важнейшей составляющей себестоимости (затрат ресурсов) в расчете на единицу производимой продукции.

Общая цель работы заключается в дальнейшем развитии методов структурного и параметрического синтеза новых структур переплетений, технологических процессов, разработку методов проектирования трикотажных полотен, имеющих приложение к актуальным задачам: контролю и управлению заправочными данными, размерами и качеством трикотажных полотен (включая проектирование полотна по заданной величине усадки).

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

обусловлена решением определенных задач, направленных на дальнейшее развитие теории проектирования трикотажных полотен и изделий, обеспечивающих внедрение информационных технологий в практику трикотажного производства, обеспечение качества и условий оперативного обновления ассортимента изделий. Работа связана также с освоением новых областей знаний, направленных на совершенствование подготовки специалистов в области технологии трикотажного производства, в частности, основанных на системном подходе к изучению и проектированию объектов трикотажной технологии, продукционных моделях знаний, понятиях сложных систем (алгебраических и временных). Методология выполнения работы предусматривала необходимость ее гармонизации в соответствии с требованиями международных стандартов в области систем качества, информационных технологий, с учетом тенденций развития текстильной науки.

Основные цели работы предусматривали: — Разработку инструментов информационной поддержки жизненного цикла (ЖЦ) продукции, в частности, обеспечение задач проектирования, уточнение методологии структурного и параметрического синтеза трикотажных переплетений, полотен и изделий и процессов их производства.

Повышение технологической точности и надежности как следствие воспроизводимости и повышение качества трикотажной продукции (включая уменьшение усадки). Разработку моделей проектирования технологических процессов производства и расчетных процедур по оперативной оценке затрат ресурсов при освоении новой продукции. Дальнейшее раскрытие закономерностей процесса вязания как основы для повышения эффективности технологии.

— Разработку обучающих программ для подготовки специалистов по специальности 260 704 «Технология текстильных изделий».

В частности, в рамках диссертационной работы были предусмотрены следующие основные ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Как основу для структурного и параметрического синтеза трикотажных полотен и процессов рассмотреть: основные модели знаний, применяемых в структуре информационных технологийматематический аппарат дискретных множеств, необходимый для описания объектов трикотажных технологийциклы структурного и параметрического синтеза', существующие международные стандарты и инструменты CALS — технологий', систематизировать объекты структурно-параметрического синтеза в трикотажном производстве и необходимое информационное и техническое обеспечение.

2. Разработать обобщенную технологическую модель процесса вязания и уточнить его параметры, критерии эффективности, в частности, относящиеся к натяжению и скорости нити.

3. На основе общей теории систем рассмотреть процесс вязания и трикотажную машину как сложную событийную систему и объект управления.

4. Разработать имитационную модель процесса вязания как обучающей программы и расчетные процедуры, относящиеся к технологической трудоемкости и производительности кругловязальных машин.

5. Уточнить модель процесса вязания в режгсие дозированной подачи нити и определить значения регулируемых параметров, обеспечивающих проектируемые характеристики трикотажного полотна и их воспроизводимость.

6. Разработать метод проектирования параметров готового полотна с заданной усадкой и алгоритм расчета заправочных параметров вязального оборудования с учетом вида отделочных процессов.

7. Разработать методологию структурного и параметрического синтеза процессов производства трикотажных полотен, а также алгоритмы построения индивидуальных технологических маршрутов с оценкой основных затрат ресурсов, как основу для принятия решений о выпуске продукции и экономических расчетов.

8. Разработать методологию синтеза структур переплетений на основе теории дискретных множеств при рассмотрении трикотажных переплетений и полотна как алгебраической системы. Привести примеры реализации.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Выполненная работа базировалась на продукционных моделях знаний, использовании основных инструментов и методик информационных технологий (IDEF, SADT и др.), требованиях международных стандартов (ИСО-9СЮО и др.), математических основах обшей теории систем (алгебраических и временных), методах структурно-параметрического синтеза трикотажных полотен и процессов производства, теории вязания и строения трикотажа, а также анализе информации в смежных областях и в зарубежной практике, относящейся к целям и задач исследования.

Экспериментальные исследования проводились в технологических лабораториях на кафедре, технологии трикотажного производства Московского государственного текстильного университета им. А. Н. Косыгина, на ЗАО «Красная Заря" — информационный анализ, в частности, через сеть Интернет вычислительного центра Университета.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. С учетом требований международных стандартов ИСО — 9000, ИСО — 14 000 и внедрения информационных технологий разработана современная архитектура трикотажного предприятия и выполнена его технологическая декомпозиция. Установлено, что в структуре ЖЦ продукции создание новых видов продукции инициируется инновационным маркетингом и обеспечивается инжиниринговой деятельностью по проектированию новых видов продукции и технологических процессов их производства, в частности со структурным и параметрическим синтезом.

2. Показано, что развитие производства и научно-технический прогресс в трикотажной отрасли реализуются в системе потребностей рынка, новых технологий и материалов, фундаментальных исследований, профессионального обеспечения и внедрением CALS — технологий в пределах ЖЦ продукции. Сформирована база данных по направлениям исследований в области текстильных и трикотажных технологий.

3. При системном рассмотрении определены объекты структурно — параметрического синтеза в трикотажном производстве. На основании продукционного подхода сформированы основные схемы, относящиеся к структурно — параметрическому синтезу. Установлено, что существующие научные подходы в технологии трикотажного производства в значительной мере относятся к задачам анализа и программирования процессов выработки трикотажных полотен и изделий на супцествующем оборудовании и лишены инновационного смысла. Показано, что технологические продукционного типа решения составляют функциональную основу создания нового ассортимента изделий и проектирования новых трикотажных машин.

На основании общей теории систем обосновано понятие трикотажных полотен как алгебраических систем, а процессов производства как сложной событийной временной системы (конечного автомата). Впервые рассмотрены теоретические основы таких систем с приложением к технологии трикотажного производства.

Определено фазовое пространство переменных элементов трикотажной машины как событийной модели. Разработана обобщенная схема кругловязальной машины как имитационной модели с непрерывными и дискретными потоками данных. Показано, — что построение и анализ процесса вязания в отображении графов состояний и переходов позволяет уточнить временные характеристики процесса и обнаружить новые особенности вязального способа петлеобразования.

На основании формализованного описания процессов вязания кругловязальной машины в виде графа состояний и использования программной среды Model Visual (разработчикНаучно-исследовательский Центр компьютерных технологий при РАН) впервые построена динамическая имитационная модель кругловязальной однофонтурной машины. Показано, что модель может быть использована в структуре обучающей программы при подготовке специалистов по трикотажному производству. Разработана информационная среда для расчета основных характеристик производительности кругловязальных машин и поддержки имитационной модели.

Уточнена модель фрикционного огибания нитью нитепроводников и игл трикотажных машин и предложены уравнения и алгоритм расчета натяжения ветвей нити с учетом жесткости нити на изгиб и кривизны огибаемой поверхности. Расчетами установлено, что возможна организация движения нити на трикотажных машинах с «точечным» огибанием нитепроводников, когда натяжение нити существенно уменьшается по сравнению с расчетами по формуле Эйлера. Предложены новые конструктивные схемы нитепроводников.

Уточнена модель процесса вязания на кругловязальной машине как объекта управления в режиме дозированной подачи нити. Показано, что применение разработанной модели и расчетных процедур для подачи нити обеспечивает изготовление полотна с высокой технологической точностью с погрешностями, которые не превышают 1 — 2% (т.е. обеспечивают воспроизводимость качества трикотажа).

Разработаны информационные модели (ИМ) обобщенных технологических маршрутов как пересекающихся множеств и морфологических таблиц, условия выбора индивидуальных маршрутов и алгоритм их синтеза. Установлено, что существующие структуры блок-схемы) типовых процессов не отвечают требованиям автоматизированного построения индивидуальных технологических процессов (кроме типовых) и могут быть использованы только как информационная база для синтеза обобщенных маршрутов.

10. Как продуктивная разработана методология параметрического синтеза индивидуальных технологических процессов производства полотна в виде Зх-уровневой структуры (граф-дерева) с реализацией задачи оценки ресурсных затрат (в частности, по технологической трудоемкости и стоимости) на определенный выпуск продукции. Приведены примеры программного обеспечения и расчеты ресурсных затрат и их структура для индивидуальных технологических маршрутов.

11. На основании экспериментальных исследований установлено, что в структуре ассортимента полотен из хлопчатобумажной пряжи величина эксплуатационной усадки для различных переплетений и способов отделки полотен превышает 15 — 20%.

В производстве двуластичных полотен имеет место притяжка по ширине полотен до 5 -8%, что снижает эксплуатационные свойства изделий и ограничивает изготовление высококачественной продукции.

12. Основываясь на основных положениях международной программы Starfish по проблеме усадки трикотажных хлопчатобумажных полотен, предложена методика проектирования параметров готового полотна и заправочных данных кругловязальных многосистемных машин по показателям усадки и поверхностной плотности с учетом коэффициента влияния видов отделки трикотажных полотен.

13. На основании экспериментальных исследований статистически определены коэффициенты влияния отделки на структурные параметры равновесного состояния трикотажа. Найдены статистические оценки коэффициента заполнения для двуластичного полотна и зависимости параметров плотности, А (Пг) и В (Пв) от длины нити в петле t, что позволяет реализовать алгоритм проектирования для массового ассортимента полотен.

14. Рассмотрены трикотажные переплетения как алгебраические системы в виде множества М = (Е, R}, состоящего из совокупности множества базовых элементов Е и их отношений R. Выполнено обобщение базовых структурных элементов переплетений и сформировано базовое множество Е и обобщенная модель элементов.

15. Построена матрица бинарных отношений Ms и модель формирования основных видов переплетений вида MSKC —^Е, как алгебры логических отношений R (es) на множестве Е (пересечений и объединений их компонент и s-арных отношений) с мощностью решений MSKC = Ms х Kv х Кс на множестве координат раппорта Kw, Кс a Rit Rh.

16. Из исходного множества Ms, следуя методологии структурного синтеза, построена вторичная матрица St на новых переменных ST = MF}, где Мр — ограниченное множество функций трансформации структурных элементов переплетений или их комплексов.

17. Показано, что последовательное изменение состояний S, — элементов множества и применение множества Мр функций позволяет синтезировать новые структурные комплексы рисунчатых переплетений на множестве нитей 7}" множестве структурных элементов Е, отношений R^ и функций трансформации Мр.

18. Предложена методика формализованного описания «продукций» структурного синтеза переплетений, примеры их отображения (визуализации) как основы для принятия решений и составления управляющих технологических программ (У 111) трикотажных автоматов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ: В результате проведенных исследований получены результаты, имеющие приложение к решению следующих практических задач:

1. Предложена архитектура современного трикотажного предприятия, которую необходимо учитывать при создании современных производств.

2. Разработаны алгоритмы и программы, позволяющие решать задачи в структуре информационных технологий.

— по расчету натяжения нити в процессе вязания с упругим характером деформации;

— выполнять оперативные расчеты характеристик производительности трикотажных машин;

— проектировать полотна из хлопчатобумажной пряжи по заданным структурным характеристикам и величине усадкипроектировать индивидуальные технологические маршруты из обобщенного на основе разработанной базы данных переходов и операций;

— рассчитывать входные параметры процесса вязания на кругловязальных машинах, обеспечивающих получение заданных структурных характеристик полотна по предложенным алгоритмам (режим дозированной подачи нити).

3. На основании разработанной методологии структурного синтеза переплетений созданы новые структуры высококачественных сетчатых (ажурных) переплетений (патент РФ № 2 221 908). Изготовлены образцы таких полотен, которые рекомендованы к внедрению.

4. Разработана имитационная динамическая модель процесса вязания на кругловязальной машине, которую рекомендуется использовать в структуре процесса обучения при подготовке специалистов по технологии трикотажного производства.

5. Обобщены данные по факторам, влияющим на усадку трикотажных полотен из хлопчатобумажной пряжи и ее оценку, которые необходимо учитывать при разработке стандартов на усадку трикотажных полотен.

6. Результаты исследований входили в перечень работ по теме «Разработка и теоретическое обоснование технологии производства новых видов трикотажных материалов и изделий», отмеченных премией МГТУ им. А. Н. Косыгина в области науки за 2003 г.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

— Работа по методологии проектирования трикотажных полотен и разработанные новые структуры полотен внедрены на ЗАО «Красная Заря» (акт внедрения прилагается).

— Работа проводилась в рамках НИР МГТУ им. А. Н. Косыгина по двум грантам молодых исследователей (2001,2003 гт.) (шифры работ 00−718−16 и 03−614−16).

Основные положения работы докладывались.

— На Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2003), МГТУ им. А. Н. Косыгина.

— На Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности» (ИНФОТЕКСТИЛЬ-2004), МГТУ им. А. Н. Косыгина.

На международной конференции «Производство и отделка трикотажа и трикотажных изделий», МГТУ им. А. Н. Косыгина (2005 г.).

ПУБЛИКАЦИИ: По материалам работы опубликовано 8 статей, 2 методических разработки, 2 отчета по гранту, тезисы 5 конференций и 1 патент.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав с выводами, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 415 страниц машинописного текста, имеет 145 иллюстраций, 11 таблиц и 5 приложений.

Список использованных источников

включает 141 наименование.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. С учетом требований стандартов ИСО-9000 и инструментов информационных технологий (SADT, IDEF) разработана современная архитектура трикотажного предприятия и выполнена его технологическая декомпозиция. Установлено, что в структуре жизненного цикла (ЖЦ) продукции определяющими являются задачи проектирования новых видов продукции и методы структурного и параметрического синтеза объектов трикотажного производства. Сформированы основные схемы и определены объекты структурно-параметрического синтеза.

2. На основании теории сложных систем обосновано понятие трикотажных полотен и изделий как сложных систем, а процессов производства — как сложных событийных временных систем. Рассмотрены теоретические вопросы таких систем, имеющих приложение к технологии трикотажного производства, в частности, к синтезу новых структур переплетений и имитационному моделированию процесса вязания.

3. Определено фазовое пространство переменных — элементов трикотажной машины как объекта управления и событийной модели, необходимое для расчета выходных параметров и регулирования трикотажных машин.

4. На основании формализованного и математического описания процессов вязания на кругловязальной машине (включая технологические объекты: нить, петли, полотно, рулон полотна и' рабочие механизмы) и использования программной среды Model Visual (разработчик Научно-исследовательский Центр компьютерных технологий при РАН) впервые построена компьютерная имитационная модель процесса вязания на кругловязальной машине. Показано, что разработанная модель может быть использована в структуре обучающих программ при подготовке специалистов по специальности технологии трикотажного производства.

5. Уточнена модель фрикционного огибания нитью нитепроводников и игл трикотажных машин с учетом жесткости нити на изгиб и кривизны огибаемой поверхности. Расчетами установлено, что реальные углы охвата нитью нитепроводников существенно уменьшаются. При этом возможны условия для нитей с упругим характером деформации, когда углы охвата отсутствуют, а натяжение нити уменьшается. Предложены конструктивные схемы нитепроводников, которые уменьшают натяжение нити.

6. Уточнена модель процесса вязания на кругловязальной машине как объекта управления в режиме дозированной подачи нити. Показано, что применение такой модели и расчетных процедур для подачи нити обеспечивает получение полотна с высокой технологической точностью с погрешностями, которые не превышают 1 — 2%.

7. Выполнена постановка задачи синтеза обобщенных и индивидуальных технологических маршрутов в производстве полотна и бельевых изделий с кругловязальных машин. На основе теории дискретных множеств показана возможность формализованного описания такой системы (в виде граф-дерева или морфологической таблицы).

8. Разработан алгоритм автоматизированного поиска решений и методология параметрического синтеза индивидуальных технологических маршрутов с решением задачи по оценке затрат ресурсов (по времени и стоимости) и отображением структуры затрат по всем операциям и переходам технологического процесса.

9. На основании экспериментальных исследований установлено, что в структуре ассортимента полотен из хлопчатобумажной пряжи величина эксплуатационной усадки для различных переплетений и способов отделки превышает 15 — 20%- для интерлочных полотен имеет место притяжка в размере 5 — 8%. Какие-либо методы проектирования усадки в отечественной практике отсутствуют.

10. Разработана программа проектирования усадки полотна из хлопчатобумажной пряжи для условий промышленного изготовления бельевых изделий. Найдены статистические оценки структурных параметров трикотажа и коэффициенты влияния отделки на указанные параметры, которые позволяют реализовать расчетные процедуры.

11. Предложены структуры переплетений, снижающие усадку на 5 — 8%, не отличающиеся по структурным свойствам от базовых переплетений, что подтверждено результатами анализа спектров отражения образцов в видимо диапазоне длин волн.

12. Впервые трикотажное переплетение рассмотрено как сложная алгебраическая система, реализуемая на множестве базовых переменных. Сформировано базовое множество переменных Е структур переплетений и предложена его обобщенная структура, необходимая для геометрического моделирования переплетений.

13. Предложена модель реализации технологического множества переплетений (синтеза) в виде матрицы М$ = (Е, Re) бинарных отношений элементов Е и множества операций К?.

Модель позволяет описывать существующие классы переплетений на базовом множестве Е и синтезировать новые — посредством логических операций пересечения (П) и объединения (U) его компонент в пределах технологически допустимых значений.

14. На основе базовой матрицы Ms структур предложена вторичная матрица в виде модели (алгебры) бинарных отношений sT =(MS, MF) на множестве функций Mf трансформации элементов е&Е. Модель предназначена для описания сложных (модифицированных) геометрических структур и синтеза новых переплетений. Показана продуктивность такой методологии — разработаны новые переплетения, которые защищены патентом РФ.