автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизированная среда предпроектных исследований гибких производственных систем

На правах рукописи

КАЗАКОВ Александр Олегович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СРЕДА ПРЕДИРОЕКТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ

05.13.12 — Системы автоматизации проектирования (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Оренбург-2013

/ ' г Г 2013

005535932

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Сердюк Анатолий Иванович, директор аэрокосмического института федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Кульга Константин Станиславович, профессор кафедры «Мехатронные станочные системы» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа;

кандидат технических наук, доцент Черепашков Андрей Александрович, доцент кафедры «Технология машиностроения» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», г. Самара.

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.

Защита состоится 15 ноября 2013 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.06, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, д. 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан 14 октября 2013 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета

В.Н. Шерстобитова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изготовление конкурентоспособных изделий авиационной, космической, транспортной и другой техники возможно только с применением современного машиностроительного оборудования и технологий.

Современные машиностроительные технологии строятся на платформе компьютерно управляемых гибких производственных систем (ГПС, согласно ГОСТ 26228-90) и единого информационного пространства (ЕИП) предприятия, что обеспечивает гибкий и экономичный выпуск продукции с позаказной формой организации производства. За счет интенсивной работы системы высокие первоначальные затраты на создание окупаются за короткий промежуток времени.

В настоящее время, когда необходимость технологической модернизации производства рассматривается руководством страны как вопрос национальной безопасности, актуальность проблем создания отечественных высокотехнологичных ГПС нового поколения не вызывает сомнений.

Отсутствие при разработке проекта ГПС этапа создания опытного образца предполагает использование проектировщиками автоматизированной среды предпроектных исследований (АСПИ). Данная среда должна учитывать решения специалистов разных профилей, участвующих в процессе проектирования ГПС: технологов, проектировщиков, конструкторов, специалистов по автоматизации производства, диспетчеров.

Тем самым создается возможность учитывать на ранних стадиях проектирования, в рамках ЕИП и с позиций единой методологии, практические решения специалистов, принимаемых на этапах научных исследований, проектирования, конструирования, технологической подготовки производства и функционирования ГПС.

Таким образом, создание автоматизированной среды предпроектных исследований ГПС отвечает практическим потребностям экономики страны. Актуальной научной задачей при этом следует рассматривать разработку формализованного представления наиболее наукоемкого этапа создания ГПС — этапа перехода от Технического задания (ТЗ) на проектирование к Техническому предложению (ТП) по ее созданию.

Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы № 01201155447 «Методология создания высокоавтоматизированных систем нового поколения с заданными свойствами» на кафедре систем автоматизации производства ОГУ. Этапы работы финансировались в рамках выполнения грантов № 2.1.2/9289 «Исследование механизма и закономерностей перехода от технического задания к техническому предложению на создание гибких производственных ячеек» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», а также № 1.6.11 «Разработка методологии создания термостабильных мехатронных станков» Минобрнау-ки России по Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 годы».

Цель работы — совершенствование процессов проектирования высокотехнологичных производственных систем нового поколения на основе разработки формализованного аппарата и программных средств автоматизации формирования технического предложения.

Задачи исследования:

1) анализ содержания предметной области создания ГПС;

2) разработка последовательности и содержания этапов перехода от ТЗ к ТП по созданию ГПС;

3) системное формализованное описание последовательности перехода от ТЗ к ТП;

4) программная реализация формализованных процедур в виде АСПИ ГПС;

5) исследование разработанной автоматизированной среды.

Объект исследования - процесс перехода от технического задания на проектирование к техническому предложению по созданию ГПС.

Предмет исследования — автоматизация процесса формирования технического предложения по созданию ГПС.

Методы исследования. Использованы основные положения теорий расписаний, массового обслуживания, методы математического моделирования, математической логики, метод циклограмм, технологии объектно-ориентированного программирования.

Для подтверждения достоверности разработанных моделей и их программной реализации использованы методы оценки чувствительности модели, формальных процедур верификации, проверки на тестовых примерах, сравнения полученных результатов моделирования с результатами работы программы-аналога, натурные испытания.

Научной новизной обладают:

— формализованный метод последовательного перехода от ТЗ к ТП по созданию ГПС;

— алгоритм моделирования работы гибкого производственного модуля (ГПМ) на выполнении технологических переходов заданного множества технологических процессов;

— формализованный метод оценки проектируемых режимов резания на технологических переходах по критериям эффективности функционирования ГПМ;

— алгоритм расчета пропускной способности ГПС и смежных производственных подразделений.

Практическую значимость имеет программная АСПИ ГПС, основанная на разработанном методическом, математическом, информационном и программном обеспечении процедур аналитических объемных расчетов и компьютерного моделирования функционирования ГПС со статистической обработкой результатов и синтезом проектных параметров.

Результаты, выносимые на защиту:

1) формализованное описание содержания последовательных этапов формирования ТП по созданию ГПС;

2) программная среда предпроектных исследований ГПС;

3) содержание результатов выполнения проектных процедур как сквозной пример использования разработанной программной среды для формирования ТП по созданию ГПС.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению на ОАО «ПО «Стрела» и ОАО «Завод бурового оборудования» в виде программного продукта и инструкций по использованию; в учебный процесс кафедры систем автоматизации производства ОГУ в виде программного продукта и электронного учебного пособия «Проектирование автоматизированных производств».

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях: «Инновационные технологии в автоматизированном машиностроении и арматуростроении» (Курган, 2010); «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); «Актуальные проблемы науки» (Тамбов, 2011); «Высокие технологии в машиностроении» (Курган, 2012). На Всероссийских конференциях: «Компьютерная

интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2011); «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2011); «Автоматизация и информационные технологии» (Москва, 2011); «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, 2011). На итоговых научно-методических конференциях преподавателей и студентов Оренбургского государственного университета «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2012-2013). На региональном семинаре научной школы по информационной поддержке изделий машиностроения (Оренбург, ОГУ, 2012-2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах из «Перечня...» ВАК, 10 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций, 3 зарегистрированных Роспатентом программных средства, 1 учебное пособие.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников из 128 наименований и трех приложений. Работа выполнена на 211 страницах, включая 66 рисунков, 25 таблиц и 38 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, установлены цель работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные результаты, выносимые на защиту, констатирована их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения о внедрении результатов работы. Дан краткий обзор структуры и содержания диссертационной работы.

В первой главе «Актуальность создания ГПС и методы проектирования сложных систем» рассмотрены проблемы, связные с техническим перевооружением отечественного машиностроения на основе компьютерно управляемых технологических комплексов нового поколения, согласно ГОСТ 26228-90 классифицируемых как ГПС.

По официальным данным, средний возраст более половины парка станков в стране перешел критическую отметку в 26 лет, которая соответствует стопроцентному физическому износу оборудования. В то же время развитые страны контролируют экспорт наиболее наукоемкого оборудования и технологий, как принадлежащих к технологиям двойного назначения.

В 2010 году Правительством Российской Федерации утвержден перечень промышленного оборудования, необходимого для обеспечения технологической безопасности государства. Среди прочих станков перечень включает ГПС, ГПМ, промышленные роботы и их комплектующие.

В отечественной практике накоплен немалый опыт создания ГПС, когда в восьмидесятых годах XX века были созданы образцы производственных систем, опередившие по уровню гибкости и степени автоматизации зарубежные аналоги.

Активно развивались исследования в области ГПС Азбеля В.О., Абчука В.А., Белянина П.Н., Васильева В.Н., Вороненко В.П., Горнева В.Ф., Давыдова В.М., Егорова В.А., Звоницкого А.Ю., Ковальчука Е.Р., Косова М.Г., Кузнецова Н.М., Козырева Ю.Г., Колосова В.Г., Лезажа Ж.Ж., Лескина A.A., Лещенко В.А., Лищин-ского Л.Ю., Мельникова Г.Н., Митрофанова В.Г., Павлова В.В., Пуша В.Э., Пигерта Р., Пуховского Е.С., Сердюка А.И, Соломенцева Ю.М., Схиртладзе А.Г., Туккеля ИЛ., Фромана Б., Хартли Д., Черпакова Б.И, Чудакова А.Д., Waurzyniak Р. и других ученых.

Вместе с тем отечественные научные разработки в области ГПС, активно проводившиеся в восьмидесятые годы прошлого века, во многом устарели. Методы проектирования ГПС, излагаемые в отечественной литературе, используются в усредненных расчетах традиционного производства и слабо коррелируют с автоматизированным производственным процессом ГПС. Универсальные средства моделирования сложных производственных процессов (например GPSS World, Any Logic, Arena Enterprise Suite) не дают полного представления об исследуемом объекте, подменяют изучение ГПС изучением не вполне адекватного аппарата имитационного моделирования.

В Оренбургском государственном университете (ОГУ), благодаря работам профессора Сердюка А.И. и кандидатов наук Каховского Л.Ф., Галиной Л.В., I нльфа-новой Ф.Ф., Зеленина А.П.. Корннпаева М.А., Корнипаевой A.A., Рахматуллина P.P., Сергеева А.И. разработана методология структурно-параметрического анализа и синтеза ГПС. в основу которой положено компьютерное моделирование автоматического производственного процесса, основанное на оригинальном методе автоматизированного построения циклограмм работы ГПС, отдельных модулей и их агрегатов. Данный подход позволяет учесть в единой компьютерной модели решения специалистов разных профилей, принимаемые при разработке технологических процессов, проектировании и эксплуатации ГПС (рис.1). Разработаны программные продукты «Каскад», «Экспресс-анализ», «Норма», «Modeling», «Fania», «ProSinlez», «FMS-PC».

Появилась возможность создания единой программной среды, использующей накопленные разработки и собственные алгоритмы, обеспечивающей пользователю автоматизацию перехода от этапа ТЗ на проектирование ITIC к ТП по ее созданию.

Далее сформулированы цель и задачи исследования.

Тсапроцесси

(уп>

АЛГОР«ТМН MWMCVKAC теин

С г-.-^гЛ

(Ті..Ті)

I

(A, A.)

j(SrZl..Sr2m)

(Qi Q>) (Wi. W.)

Рисунок I - Схема влияния технологических (Г, 7;), проектных (/» Pr А, А,) и эксплуатационных ) решений на эффективность ГПС (Н\ .И\ )

Во второй главе «Метод синтеза технического предложения на проектирование ГПС» разработаны последовательность и формализованное описание этапов формирования ТП по созданию ГПС.

В общем виде разработанная последовательность формирования ТП на создание ГПС представлена на рис. 2.

Согласно схеме, на начальном этапе на основании ТЗ проектируются технологические процессы изготовления изделий, закрепленных за ГПС. Результатом проектирования служит последовательность и содержание технологических переходов для изготовления каждого изделия применительно к выбранным моделям ГПМ, номенклатура применяемого технологического инструмента, его стойкость и трудоемкость выполнения переходов . При этом в базу данных для каждого перехода записывается несколько вариантов режимов резания и трудоемкости обработки.

В основу расчета режимов резания положен традиционный аналитический метод, модифицированный путем приведения взаимосвязанных функций стойкости инструмента Т и машинного времени /м>ш к общему варьируемому аргументу в виде минутной подачи :

5„ ¥Г к х с1 х п —

« = —; " = ——; -; Т =

г" 1000

V

V !*>/

С 1000х V (Тн) тгхс! Х.хл

где п - частота вращения шпинделя, об"1; оборотная подача, мм/об; подача на зуб фрезы, мм/зуб; г - число зубьев фрезы, шт; с1 - диаметр обработки, мм; С„- произведение поправочных коэффициентов; т — безразмерный коэффициент относительной стойкости инструмента; V - скорость резания, м/мин; - трудоемкость (штучное время) обработки, мин; гмащ, /а- машинное основное и вспомогательное время обработки, мин.

Трудоемкость выполнения технологической операции на ГПМ при выбранных значениях минутной подачи составит:

к

=2>».« +<») + '„ х <7 + '„, (2)

/=1

где / - индекс технологического перехода в операции; к — число технологических переходов; q — число смен инструмента в рабочей зоне; 1си — время цикла смены инструмента в рабочей зоне, с.

Следующим этапом предложено выполнять компьютерное моделирование работы ГПМ, на основании которого выбираются оптимальные режимы резания (рис.3), а также уточняются технические характеристики самого ГПМ (вместимость и скорость поворота магазина инструментов, длительность циклов смены паллет и режущих инструментов). В качестве критериев оптимизации могут использоваться расход режущих инструментов Л',,,,, себестоимость обработки С0, коэффициенты загрузки по машинному £маш и оперативному кт времени, производительность Р0, срок окупаемости ¿0 .

И ПК гости га «И» Тг гям САШ — „.ттгги АХ і МомГ -1 ™ Им г в

- — пм І1 ПИ .1

* К- ДТОС.МЭЮ и— »тж -

А* 1 І. 1 • ' г 1с Г ш

«СУ "ЦІ

Л1* |мхуми н I !■■■ ГПС

СЗ - сменные задания. САПР - система автомат тированного проект ировання. СОТО - система основного технологическою оборудования; АТСС - автоматизированная транспортно-складская система; АСИО - автоматизированная система инструментального обеспечения. АСУ - автоматизированная система управления Рисунок 2 Функциональная модель формирования ТП на создание ГПС

МИ - магазин инструментов. АСИ - автооператор смены инструментов. 11)11 - шпиндель станка. ДЕТ - загрузка детали в рабочую зон; станка Рисунок 3 - Циклограмма и круговая диаграмма работы ГПМ

Далее для выбранных режимов резания и соответствуюией трудоемкости изделий выполняется расчет количества ГПМ. Расчет проводггея, в зависимости от назначения ГПС, по трудоемкости головой программы выпуска изделий либо исходя из требуемой производительности системы:

' 60 I (",*!>-„> ^пт + ) с -—-, ся--(3)

г.** ■ " л-™,

где /„ - трудоемкость у'-ой технологической операции в техпроцессе /-ой заготовки; т - число операций в техпроцессе ¡-ой заготовки; Ы, - годовая программа выпуска деталей ¡-го наименования; £ - номенклатура заготовок в производственной программе; Я". - головой фонд времени работы ГПМ.

Следующим этапом выполняются расчеты накопителен заготовок и режущих инструментов на цикл безлюдной работы ГПМ. Расчет ведется методом формирования выборки вариантов сменных заданий согласно условию:

Л- '

5 2>[/)*Л/И) * Р-С, , (4)

где - общее число заготовок в сменном задании, шт.; число заготовок ¡-го наименования, шт., ¿ = (0, ..¿); Ь - номенклатура (число наименований) заготовок; Г- время цикла работы производственной системы, мин; <//="- допустимый процент нслогрузкн; С,- число станков в системе; ф| время обработки заготовки /-го наименования.

У ;' май,

'.'-¿—г(5) * '

где /'.иаш, машинное время технологического перехода на дсталеустановке (ДУ) (-го наименования, выполняемого к -м инструментом; п, - число переходов на ДУ I -го наименования, выполняемых к -м инструментом, штук; /V, -число ДУ (-наименования в сменном задании (размер партии запуска), штук.

Выполненные расчеты ГПМ и накопителей заготовок и инструментов позволяют перейти к разработке схемы планировки ГПС, что предполагает выбор этажности накопителей, типов транспортных средств, взаимного размещения оборудования. При этом в расчетную схему могут вписываться ю.юрдинатно-из-мерительные машины, стационарные перегрузочные средства и устройства для удаления стружки.

Следующим этапом служит компьютерное моделирование работы ГПС, позволяющее уточнить параметры оборудования, его взаимное расположение и назначенные алгоритмы управления работой производственной системой. В зависимости от наличия в составе ГПС автоматизированной системы инструмен-тообеспечення, моделирование может выполняться на уровнях технологической операции или технологического перехода.

В третьей главе «Разработка программного обеспечения автоматизированной среды» разработана структурно-функциональная схема АСЛИ ГПС, сформирован набор входных и выходных данных каждого этапа проектирования, разработано информационное, алгоритмическое и программное обеспечение системы.

Выделено четыре уровня выполнения расчетов в процессе разработки ТП на создание ГПС.

I уровень - аналитические расчеты, связанные с предварительным определением количества ГПМ. ¿м кости накопителей заготовок и режущих инстру-

ментов, выявлением возможных вариантов сменного задания.

II уровень - компьютерное моделирование с детализацией до технологического перехода или технологической операции. Результатом моделирования служат автоматически построенные циклограмма и круговая диаграмма работы ГПМ или ГПС (рис. 3).

Результаты моделирования справедливы для конкретной последовательности изготавливаемых изделий при заданном варианте размещения заготовок и инструменов в позициях накопителей. Данный уровень служит, в основном, для верификации компьютерных моделей ГПС, поскольку позволяет выполнить проверочные расчеты вручную или провести натурные эксперименты на физической модели Г ПС.

III уровень - статистическое моделирование, основанное на моделировании работы ГПС на сформированной выборке вариантов сменного задания. На данном уровне формируется статистическое распределение выбранного показателя эффективности (JVro, С0, *„„, Ра, 1^), объективно отображающее параметры распределения вероятности (min, max. mod, <т, to) в зависимости от совокупности данных по оборудованию, алгоритмам управления и изготавливаемым изделиям (рис. 4. а).

IV уровень - вычислительные эксперименты. На данном уровне исследуются закономерности изменения показателей эффективности ГПС в зависимости от изменения значений проектного параметра (например, скорости перемещения транспортного средства, длительности цикла смены галлст), рис. 4, б. Принятые пользователем решения сохраняются в общем файле ТП.

В качестве сервисной функции разработан программный модуль графического отображения автоматически сформированной планировки ГПС, дополняющий ТП и делающий его более наглядным. Схема планировки может редактироваться в графическом редакторе, например, путем добавления дополнительных элементов (ограждений, колонн, проездов и т.д.)

Время смены лале-ы (tc ). с

а) б)

а) - вероятностное распределение коэффициента эагруэки П1С при выполнении нескольких сменных заданий; б) - лакономсрносги изменения */пс при различной длительности никла смены столов-спутннкоп Рисунок 4 - Иллюстрация III и IV уровней предпроектных исследований ГПС

В четвертой главе разработано методическое обеспечение АСПИ ГПС. На примере конкретного ТЗ рассмотрена последовательность использования программной среды, представлены экранные формы, показаны особенности ввода, получения и интерпретации результатов.

На экранной панеле упорядоченная последовательность пре:и1росктных расчетов представлена в виде левого меню «Мастер», выполненные разделы которого отображаются другим цветом (рис. 5).

Промежуточные данные выводятся на текущей экранной форме, имеющей разделы оперативного вывода исходного ТЗ и текущего содержания ТП. Некоторые

разработанной предпросктных исследований ГПС Структурная схема разработанной программной среды представлена на рис. 7, а.

•) структурна* схема б) результаты работы программных модулей

7 - Состав программных модулей задействованных при функционировании АСПИ ГПС

Каждому модулю (набору модулей) соответствует порядковый номер с целью их идентификации. Модули № 2, 3, 4, 7 входят в состав программных средств имеющих свидетельства о государственной регистрации. Входные данные (требования, входящие в состав ТЗ), содержание ТП, а так же результаты работы программных модулей представлены на рис. 7, б.

Верификация разработанных программных модулей выполнялась в процессе их разработки и отладки. Модули аналитических расчетов тестировались на исходных данных, допускающих возможность проверки результатов средствами MS Excel. Программные модули построения циклограмм на уровне технологического перехода тестировались путем сопоставления получаемых результатов с хронометражем выполнения управляющей программы на станке 400V. Программные модули построения циклограмм на уровне технологической операции тестировались путем хронометража обработки заготовок на натурной малогабаритной модели ГПС, включающей фрезерный станок FPX-20EF4, токарный станок НТ-4ФЗ, промышленный робот и накопитель заготовок. Для тестирования статистических закономерностей использованы программы-аналоги «Каскад», и «Fania», апробированные в учебном процессе, а также на ряде предприятий и проектных организаций.

Установлено, что разработанная программная среда как инструмент предпроектных исследований ГПС позволяет:

а) технологу:

1) выбрать номенклатуру режущих инструментов и режимы резания на технологических переходах по показателям эффективности ГПМ или ГПС в целом;

2) произвести выбор технических параметров ГПМ, исходя из особенностей разработанных технологических процессов;

3) оценить эффективность работы ГПС при заданном наборе технологических процессов;

4) оценить целесообразность внедрения в действующей ГПС с устоявшейся номенклатурой технологии изготовления новой детали;

б) проектировщику, конструктору:

1) оценить набором показателей и выбрать наиболее рациональный вариант планировки ГПС;

2) выявить технические характеристики и. алгоритмы взаимодействия технологических и сервисных модулей и их агрегатов, обеспечивающие наиболее высокую эффективность функционирования ГПС;

3) оценить рядом количественных показателей эффективность функционирования спроектированной ГПС;

4) по согласованию с технологом откорректировать содержание Технического задания на проектирование;

в) диспетчеру (мастеру, начальнику участка):

1) оперативно определить по задаваемым ограничениям состав рекомендуемых вариантов сменно-суточного задания (напр., исходя из номенклатуры и количества имеющейся в наличии инструментальной оснастки);

2) выявить наиболее рациональный состав сменного задания, размеры партий запуска и очередность их обработки;

3) выбрать оптимальный вариант размещения заготовок и режущих инструментов в ячейках накопителей перед началом цикла работы ГПС;

4) оценить качество работы ГПС при выполнении предписанного сменного задания;

г) ученому-исследователю:

1) исследовать закономерности изменения эффективности функционирования ГПС в зависимости от изменения параметров технологических процессов, технологических и сервисных модулей, алгоритмов их взаимодействия, принимаемых диспетчерских решений;

2) получить и исследовать эмпирические зависимости, обосновывающие качество проектных и эксплуатационных решений;

3) провести опробование оптимизационных и логико-вероятностных процедур организации и управления производством, и т.д.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Совокупность полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что в работе получено новое решение актуальной научной задачи, связанной с постановкой, формализацией и типизацией проектных процедур процесса проектирования ГПС:

1. Установлено, что высокая эффективность ГПС при их эксплуатации обеспечивается совокупностью решений специалистов разных профилей: технологов, проектировщиков, конструкторов, специалистов по автоматизации производства, диспетчеров. Для учета данных решений на ранних стадиях проектирования необходимо создание единой среды предпроектных исследований ГПС.

2. Представлены общая последовательность и содержание наиболее наукоемкого этапа проектирования ГПС — этапа перехода от ТЗ на проектирование к ТП по созданию, учитывающие кортеж проектных параметров и эксплуатационных режимов системы как совокупность решений специалистов разных профилей.

3. Разработано системное формализованное описание процесса проектирования ГПС, выраженное совокупностью компьютерных моделей и алгоритмов, рассматривающих проектируемую систему как процесс взаимодействия технологических и сервисных модулей, их узлов и агрегатов. При этом логика взаимодействия элементов системы определяется содержанием выполняемых технологических процессов, исходным размещением заготовок, режущих инструментов и заданными алгоритмами управления.

4. Программная реализация разработанных моделей и алгоритмов интегрирована с ранее разработанными в ОГУ программными продуктами на уровне исходного кода, обеспечивая возможность однократного ввода исходных данных при сквозном выполнении всего комплекса предпроектных исследований ГПС.

5. Установлено, что разработанная программная среда позволяет детализировать техническое предложение по созданию ГПС до уровня требований к устройствам системы инструментообеспечения, представить в ТП до 35 пара-

метров систем технологического оборудования, транспортно-складской, инст-рументообеспечения и управления, оценить их эффективность по критериям загрузки оборудования, производительности и срока окупаемости системы.

Основные результаты диссертации представлены в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Оперативный синтез режимов резания по текущим критериям системы оперативно-производственного планирования / Р. Р. Рахматуллин, М. А. Кор-нипаев, А. О. Казаков, А. И. Сердюк // СТИН. - 2012. - №1.- С. 2-6.

2. Автоматизация проектирования режимов резания на многоцелевых станках / Р. Р. Рахматуллин, А. И. Сердюк, А. О. Казаков, В. А. Кузьмин // Программные продукты и системы. — 2013. — № 1. — С. 114-118.

Публикации в других изданиях

3. Казаков, А.О. Моделирование машиностроительного производства методом циклограмм : материалы Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в автоматизированном машиностроении и арматуростроении» / P.P. Рахматуллин, А.О. Казаков, А.И. Сердюк. - Курган: КГУ, 2010.-С. 258-262.

4. Казаков, А.О. Эмпирические алгоритмы для имитационного моделирования производственных систем : материалы Международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» / P.P. Рахматуллин, А.И. Сердюк, А.О. Казаков. - Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 79-84.

5. Казаков, А.О. Оперативная разработка управляющих программ для многоцелевых станков с ЧПУ : материалы V Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» / А.И. Сердюк, А.О. Казаков. - Оренбург: ОГУ, 2011. - С. 383-387.

6. Казаков, А.О. Программа расчета пропускной способности участков с разным уровнем автоматизации : материалы Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» / P.P. Рахматуллин, А.О. Казаков, А.И. Сердюк. - Орск: ОГТИ, 2011. - С. 195-197.

7. Казаков, А. О. Автоматизация оценки режимов резания на многоцелевых станках материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки» / P.P. Рахматуллин, А.О. Казаков. - Тамбов: ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. - С. 121-122.

8. Казаков, А.О. Проектирование подсистемы технологического оборудования ГПС по пропускной способности смежных подразделений : материалы Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2011)» / А.О. Казаков. - Москва: МГТУ «Станкин», 2011. -том И. - С. 144-150.

9. Казаков, А.О. Проблема выбора оптимальных режимов резания при разработке управляющих программ для многоцелевых станков с ЧПУ : материалы Всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение -

/f :

традиции и инновации (МТИ-20П» / В.А. Кузьмин, А.О. Казаков. - Москва: МГТУ «Станкин», 2011. - С. 181-185.

10. Казаков, А.О. Программа расчета пропускной способности гибких производственных ячеек : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011612179 / P.P. Рахматуллин, А.О. Казаков, А.И. Сердюк ; заявитель и правообладатель Гос. образоват. учреждение Оренб. гос. ун-т. — № 2010617852 ; заявл. 13.12.2010; зарегистр. 15.03.2011 г. - 1с.

11. Казаков, А.О. Программа моделирования работы многоцелевого станка «Mdlst» : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011618836 / P.P. Рахматуллин, А.О. Казаков, В.А. Кузьмин ; заявитель и правообладатель Гос. образоват. учреждение Оренб. гос. ун-т. 2011617034; заявл. 21.09.2011; зарегистр. 14.11.2011 г. - 1 с.

12. Казаков, А.О. Подготовка инженерных кадров на основе разработки компьютерных моделей современных машиностроительных производств : материалы Всероссийской научно-методической конференции «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» / А.И. Сердюк, P.P. Рахматуллин, А.О. Казаков. - Оренбург : ОГУ, 2012. - С. 177-183. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM)

13. Казаков, А.О. Исследование, проектирование и анализ гибких производственных систем : материалы Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» / А.О. Казаков, P.P. Рахматуллин. - Курган: КГУ, 2012. - С. 98-101.

14. Казаков, А.О. Оперативная разработка управляющих программ для многоцелевых станков с ЧПУ : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012611338 / P.P. Рахматуллин, А.О. Казаков, В.А. Кузьмин ; заявитель и правообладатель Гос. образоват. учреждение Оренб. гос. ун-т. - № 2011619204; заявл. 02.12.2011; зарегистр. 02.02.2012 г. - 1с.

15. Казаков, А.О. Проектирование автоматизированных производств : свидетельство ФГУП НТЦ «Информрегистр» № 26331 /' Сердюк А.И., Рахматуллин P.P., Казаков А.О. ; заявитель и правообладатель Гос. образоват. учреждение Оренб. гос. ун-т. - № 0321201564 от 08.06.2012 г. - 1с.

16. Казаков, А.О. Модернизация проведения практических занятий по дисциплине «Проектирование автоматизированных производств» : материалы Всероссийской научно-методической конференции «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» / А.О. Казаков. -Оренбург: ОГУ, 2013. - С. 146-149. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

Подписано в печать 11.10.2013 г. Отпечатано в типографии «ОренПечать» О.Г.Р.Н. 312565810300101 Формат 60x84 1/16. Бумага офисная. Усл. печ. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ 105 г. Оренбург, ул. Советская, 27, офис 214

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Казаков Александр Олегович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СРЕДА ПРЕДПРОЕКТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ

.12 - Системы автоматизированного проектирования (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.И. Сердюк

На правах рукописи

Оренбург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................5

1 АКТУАЛЬНОСТЬ СОЗДАНИЯ ГПС И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ....................................................................................................................................9

1.1 Актуальность автоматизации машиностроительного производства на основе компьютерно-управляемых комплексов оборудования..................................9

1.1.1 Хронология развития гибкой автоматизации..................................................................9

1.1.2 Современные технологии производства........................................................................13

1.1.3 Актуальность создания гибких производственных систем............................\д

1.1.4 Проблемы, встречающиеся при внедрении ГПС......................................................24

1.2 Методы проектирования сложных технических систем........................................30

1.3 Методы проектирования ГПС............................................................................................................48

1.4 Выводы. Цель и задачи исследования........................................................................................51

2 МЕТОД СИНТЕЗА ТЕХНИЧЕСКОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГПС..........................................................................................................................53

2.1 Проектирование ГПС................................................................................................................................57

2.1.1 Оценка производительности ГПС и смежных производственных участков......................................................................................................................................................................58

2.1.2 Расчет числа станков по годовой программе выпуска изделий....................59

2.1.3 Трудоемкость изготовления деталей на основе расчета РР........................61

2.1.4 Расчет ёмкости автоматического склада ГПС вероятностным методом....................................................................................................................................................................63

2.1.5 Расчет потребности в инструментах и выбор ёмкости инструментального склада......................................................................................................................66

2.1.6 Разработка планировки ГПС....................................................................................................70

2.2 Моделирование работы ГПС как метод оптимизации аналитических расчетов....................................................................................................................................................................73

2.2.1 Метод автоматизированного построения циклограмм........................................76

2.2.2 Моделирование на уровне технологического перехода..................................77

2.2.3 Моделирование на уровне технологической операции....................................80

3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ..............................................................................................84

3.1 Разработка структурной схемы........................................................................................................85

3.2 Проектирование ГПС по годовой производственной программе выпуска изделий..................................................................................................................................................87

3.2.1 Ввод исходных данных для проектирования и выбор моделей станков........................................................................................................................................................................87

3.2.2 Разработка технологических процессов изготовления деталей..................39

3.2.3 Расчет числа станков..........................................................................................................................91

3.2.4 Расчет ёмкости автоматизированного склада..............................................................93

3.2.5 Расчет ёмкости инструментального склада....................................................................95

3.2.6 Предварительная планировка и компоновка ГПС. Выбор типов накопителей и транспортных средств............................................................................................98

3.3 Проектирование ГПС по пропускной способности предприятия..............102

3.3.1 Выравнивание производительности смежных ПУ и ГПС..............................102

3.3.2 Расчет числа станков..........................................................................................................................105

3.4 Моделирование ГПС..............................................................................................................................106

3.4.1 На уровне технологического перехода..........................................................................106

3.4.2 На уровне технологической операции............................................................................109

3.5 Проведение экспериментов............................................................................................................117

4 МЕТОД ПЕРЕХОДА ОТ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ К ТЕХНИЧЕСКОМУ ПРЕДЛОЖЕНИЮ НА СОЗДАНИЕ ГПС..................................119

4.1 Ввод исходных данных в соответствии с ТЗ..................................................................119

4.2 Разработка техпроцессов изготовления изделий......................................................122

4.2.1 Проектирование технологических процессов изготовления

изделий..............................................................................................................................................................................122

4.2.2 Моделирование работы гибкого производственного модуля..................127

4.2.2.1 Моделирование единичного технологического процесса и циклограмма работы ГПМ..........................................................................................................................128

4.2.2.2 Моделирование работы ГПМ на множестве СЗ..................................................130

4.2.2.3 Оптимизация работы ГПМ......................................................................................................132

4.3 Расчёт количества единиц основного технологического оборудования входящего в состав ГПС..............................................................................................................................135

4.4 Расчёт ёмкости автоматизированного склада ГПС....................................................138

4.5 Расчёт потребности в инструментах и выбор ёмкости инструментального склада..................................................................................................................................................................139

4.6 Предварительная планировка и компоновка ГПС........................................................140

4.7 Моделирование функционирования ГПС............................................................................141

4.7.1 Моделирование единичного СЗ и циклограмма работы ГПС....................143

4.7.2 Моделирование на множестве СЗ........................................................................................144

4.7.3 Выявление закономерностей функционирования ГПС....................................145

4.7.4 Вывод ТП на создание ГПС..........................................................................................................147

4.8 Выравнивание производительностей смежных ГПС и ПУ и расчёт количества ГПМ по пропускной способности предприятия..........................................149

4.9 Оценка достоверности результатов..........................................................................................150

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................................................................................................161

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ А..............................................................................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................................................................188

ПРИЛОЖЕНИЕ В................................................................................................................................................201

ВВЕДЕНИЕ

Изготовление конкурентоспособных изделий авиационной, космической, транспортной и другой техники возможно только с применением современного машиностроительного оборудования и технологий.

Современные машиностроительные технологии строятся на платформе компьютерно управляемых гибких производственных систем (ГПС, согласно ГОСТ 26228-90) и единого информационного пространства (ЕИП) предприятия, что обеспечивает гибкий и экономичный выпуск продукции с позаказной формой организации производства. За счет интенсивной работы системы высокие первоначальные затраты на создание окупаются за короткий промежуток времени.

В настоящее время, когда необходимость технологической модернизации производства рассматривается руководством страны как вопрос национальной безопасности, актуальность проблем создания отечественных высокотехнологичных ГПС нового поколения не вызывает сомнений.

Отсутствие при разработке проекта ГПС этапа создания опытного образца предполагает использование проектировщиками автоматизированной среды предпроектных исследований. Данная среда должна учитывать решения специалистов разных профилей, участвующих в процессе проектирования ГПС: технологов, проектировщиков, конструкторов, специалистов по автоматизации производства, диспетчеров.

Тем самым создается возможность учитывать на ранних стадиях проектирования, в рамках единого информационного пространства и с позиций единой методологии, практические решения специалистов, принимаемых на этапах научных исследований, проектирования, конструирования, технологической подготовки производства и функционирования гибких производственных систем.

Таким образом, создание автоматизированной среды предпроектных исследований ГПС отвечает практическим потребностям экономики страны. Актуальной научной задачей при этом следует рассматривать разработку формализованного представления наиболее наукоемкого этапа создания ГПС - этапа перехода от Технического задания (ТЗ) на проектирование к Техническому предложению (ТП) по ее созданию.

Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы № 01201155447 «Методология создания высокоавтоматизированных систем нового поколения с заданными свойствами» на кафедре систем автоматизации производства ОГУ. Этапы работы финансировались в рамках выполнения грантов № 2.1.2/9289 «Исследование механизма и закономерностей перехода от технического задания к техническому предложению на создание гибких производственных ячеек» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 годы)», а также № 1.6.11 «Разработка методологии создания термостабильных мехатронных станков» Минобрнауки России по Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009 - 2013 годы».

Цель работы - совершенствование процессов проектирования высокотехнологичных производственных систем нового поколения на основе разработки формализованного аппарата и программных средств автоматизации формирования технического предложения.

Задачи исследования:

1) анализ содержания предметной области создания ГПС;

2) разработка последовательности и содержания этапов перехода от ТЗ к ТП по созданию ГПС;

3) системное формализованное описание последовательности перехода от ТЗ к ТП;

4) программная реализация формализованных процедур в виде автоматизированной среды предпроектных исследований анализа (АСПИ) ГПС;

5) исследование разработанной автоматизированной среды.

Объект исследования - процесс перехода от технического задания на проектирование к техническому предложению по созданию ГПС.

Предмет исследования - автоматизация процесса формирования ТП по созданию ГПС.

Методы исследования. Использованы основные положения теорий расписаний, массового обслуживания, методы математического моделирования, ма-

тематической логики, метод циклограмм, технологии объектно-ориентированного программирования.

Для подтверждения достоверности разработанных моделей и их программной реализации использованы методы оценки чувствительности модели, формальных процедур верификации, проверки на тестовых примерах, сравнения полученных результатов моделирования с результатами работы программы-аналога, натурные испытания.

Научной новизной обладают:

- формализованный метод последовательного перехода от ТЗ к ТП по созданию ГПС;

- алгоритм моделирования работы гибкого производственного модуля (ГПМ) на выполнении технологических переходов заданного множества технологических процессов;

- формализованный метод оценки проектируемых режимов резания на технологических переходах по критериям эффективности функционирования ГПМ;

- алгоритм расчета пропускной способности ГПС и смежных производственных подразделений.

Практическую значимость имеет программная АСПИ ГПС, основанная на разработанном методическом, математическом, информационном и программном обеспечении процедур аналитических объемных расчетов и компьютерного моделирования функционирования ГПС со статистической обработкой результатов и синтезом проектных параметров.

Результаты, выносимые на защиту:

1) формализованное описание содержания последовательных этапов формирования ТП по созданию ГПС;

2) программная среда предпроектных исследований ГПС;

3) содержание результатов выполнения проектных процедур как сквозной пример использования разработанной программной среды для формирования ТП по созданию ГПС.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению на ОАО «ПО «Стрела» и ОАО «Завод бурового оборудо-

вания» в виде программного продукта и инструкций по использованию; в учебный процесс кафедры систем автоматизации производства ОГУ в виде программного продукта и электронного учебного пособия «Проектирование автоматизированных производств».

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях «Инновационные технологии в автоматизированном машиностроении и арматуростроении» (Курган, 2010), «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010), «Актуальные проблемы науки» (Тамбов, 2011), «Высокие технологии в машиностроении» (Курган, 2012) на Всероссийских конференциях «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2011), «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2011), «Автоматизация и информационные технологии» (Москва, 2011), «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, 2011); на итоговых научно-методических конференциях преподавателей и студентов Оренбургского государственного университета «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2012-2013); на региональном семинаре научной школы по информационной поддержке изделий машиностроения (Оренбург, ОГУ, 2012-2013).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованных источников из 128 наименований и трех приложений. Работа выполнена на 211 страницах, включая 74 рисунка, 31 таблицу и 37 страниц приложений.

Глава 1. АКТУАЛЬНОСТЬ СОЗДАНИЯ ГПС И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

1.1 Актуальность автоматизации машиностроительного производства на основе компьютерно-управляемых комплексов оборудования

Необходимость становления устойчивого и эффективного производственного потенциала в нашей стране очевидна [69, 79]. Базисом данного подхода выступает создание качественно нового конкурентоспособного машиностроения на современной инновационной основе [45]. Инновационная основа, в данном случае, подразумевает системный и многоаспектный подход, обеспечивающий тесное взаимодействие научно - интеллектуального потенциала и современных технологий и техники [103].

Началом реализации данной концепции можно считать вторую половину семидесятых годов. Дело в том, что процесс создания «нового» технологического базиса производства протекает в разных странах с различной интенсивностью. Наибольшее развитие он получил в фирмах США и Японии благодаря стремительному накоплению новых автоматизированных средств; автоматизированных систем проектирования продукции, технологического оборудования с программным управлением, компьютеров и микропроцессоров, промышленных роботов [21].

1.1.1 Хронология развития гибкой автоматизации

Чтобы понять, на каком этапе развития находится сегодня автоматизация машиностроения и производства в России, какими автоматизированными средствами и технологиями оно обладает, приведем сравнительную таблицу 1.1 истории автоматизации в странах США, Японии и России.

На рисунке 1.1 представлен первый советский компьютер - «Малая электронная счетная машина» (МЭСМ), который был создан под руководством С. А. Лебедева (1902-1974 г.) [65].

Таблица 1.1 - История автоматизации производства в России и за рубежом [36,63, 59]

Проекты год Япония год США и Западная Европа год Российская Федерация (СССР)

Компьютер 1956 «Фундзик», «ЕТЛ-МАРК П1», «ПД 1516» 1945 «ЭНИАК» 1951 «мэсм»

Станок с ЧПУ 1958 Практическое использование станков с ЧПУ 1952 Фрезерный станок с ЧПУ (Массачусетский технологический институт) 1960 Токарно-винторезный станок 1К62ПУ и токарно-карусельный 1541П

Использование компьютера в системе управления 1958 ИБМ 650 «ЮНИВАК» Файл компьютер 1954 «ЮНИВАК-1» в «Дженерал электрик» и других компаниях 1959 Троичная ЭВМ «Сетунь» в метеорологическом центре

Обрабатывающий центр 1965 «Хитачи» 1958 «Керии и Трекер» (Милуоки Матик-П) 1973 ИР500ПМФ4 и ИР800ПМФ4

Исследования автоматизированного проектирования 1967 «Паттерн Матрикс» 1959 Проект Массачусетс