автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Формирование рабочих позиций многономенклатурной автоматической сборки путем оптимизации группирования операций различных технологических процессов

к ■ ' На правах рукописи

1 2 ; ."" С"" УДК621.757.06

Уткес Максим Всеволодович

ФОРМИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПОЗИЦИЙ ДЛЯ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКИ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ГРУППИРОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств.

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Москва 1997 г.

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация сборочных производств» Московского Государственного Технологического Университета «Станкин».

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- доктор технических наук, профессор Вороненко В.П.

- доктор технических наук, профессор Султан-Заде Н.М.

- кандидат технических наук, с.н.с. Вайс С.Д.

- АО "Знамя"

Защита состоится "

1998 года

час.

мин. на заседании диссертационного Совета

К 063.42.04 Московского Государственного Технологического Университета «СТАНКИН».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «Станкин».

Автореферат разослан «

1997 года.

Ученный секретарь диссертационного Совета К 063.42.04. Доктор технических наук

Горшков А.Ф.

Общая характеристика работы

Актуальность. В передовых, промышленно развитых странах мира, себестоимость изготовляемых изделий в значительной мере зависит от себестоимости сборочных работ, которая достигает в машиностроении 50%, а в приборостроении 80% от общей себестоимости изготовления изделий, между тем, как трудоемкость сборочных работ в машиностроении составляет 30-40% от общей трудоемкости изготовления изделий. Такое соотношение трудоемкости и себестоимости связанно с тем, что именно на завершающих этапах изготовления изделия формируется его качество.

Большая доля ручных сборочных работ в немалой степени объясняется сложностью автоматизации многономгнклатурного производства, которая связанна с рядом факторов, наиболее значимые из которых.

1. многообразие возможных соединений и условий сборки, значительно затрудняющее создание универсального сборочного оборудования, что отражается на его стоимости.

2. необходимость использования системы транспортирования непрерывного действия для перемещения базовых сборочных единиц, что приведет к дорогостоящей разветвлённой конвейерной системе. Использование системы транспортирования непрерывного действия обусловлено высокой производительностью сборочного технологического оснащения.

Сложность автоматизации многономенклатурного сборочного производства, в сочетании с высокой стоимостью, производительностью и точностью сборочного оборудования, требует поиска оптимального варианта группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки с целью снижения стоимости позиционного оснащения и достижения требований к точности и производительности для сборочных процессов.

Цель работы. Снижение приведенных затрат на сродства технологического оснащения гибких автоматизированных сборочных участков в условиях многономенклатурного производства.

Методы исследования. В работе были проведены исследоБания с использованием методов математического моделирования, в том числе теории множеств и теории графов. При теоретических исследованиях были использованы основные положения технологии машиностроения и методы точностного анализа сборочных систем. В качестве предмета анализа и классификации элементов технологической оснастки были использованы конструктивно-технологические решения, встречающиеся в ряде монографий и справочной литературе.

Научная новнзна диссертационной работы заключается в следующем.

• Установление влияния требований к точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и к производительности процесса сборки комплектов на технологические решения, используемые при оптимизации группирования операций различных технологических процессов и синтезе сборочных позиций.

• Систематизация технологических решений сборочной оснастки, позволяющая связать функциональное назначение элемента оснастки со способом достижения заданных точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и производительности позиционного оснащения, что позволит повысить эффективность проектирования гибких автоматических участков по сборке комплектов.

• Определение функции нахождения нижних границ значения критерия в методе ветвей и границ, которые обеспечивают двухуровневое отсечение нерациональных вариантов проектных решений для частичного и полного разбиения операций по позициям сборки, что приведет к эффективности использования данного метода оптимизации.

Практическая ценность.

1. Разработана методика укрупненного проектирования средств технологического оснащения и транспортной системы гибкого автоматизированного сборочного участка.

2. Разработаны рекомендации для формирования сборочных позиций гибких автоматизированных сборочных участков с учетом обеспечения заданной точности относительного положения сборочных единиц перед их соединением.

3. Разработано программное обеспечение, используемое при оптимизации формирования сборочных позиций.

Реализация работы. Результаты работы предложены для реконструкции сборочного участка цеха N50 АООТ "Знамя" для серийного выпуска шестеренчатых насосов. Результаты работы использованы в лабораторных и практических работах по курсу "Проектирование автоматизированных сборочных производств".

Апробация работы. Результаты работы докладывались на кафедре "Автоматизация сборочных производств" МГТУ "Станкин", а также использовались для подготовки методического обеспечения к лабораторным и практическим работам по курсу "Проектирование автоматических сборочных производств".

Публикации. По материалам диссертации было опубликовано 3 печатные работы.

1. Уткес М.В. Методика проектирования гибких автоматизированных сборочных комплексов (ГАСК). // Системы управления - конверсия -проблемы. Материалы научно-технической конференции. Ковров 1996, с. 111112

2. Вороненко В.П., Уткес М.В. Методологические основы проектирования гибкого автоматизированного сборочного производства // 3-й международный конгресс "Конструкторско-технологическая информатика" - КТИ - 96, М: МГТУ "Станкин", 1996, с 43-44

3. Вороненко В.П.,Уткес М.В. Оптимизация работы транспортных систем в механосборочных производствах // Автоматизация и современная технология. 1994 N1 С 19 - 24

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит стр.

текста, _рисунков, приложения на стр и список литературы на

_наименований.

В ведении содержится краткий анализ перспектив развития автоматического сборочного производства

В главе 1 дается краткий обзор современного состояния работ по проектированию гибких автоматических сборочных производств, и указываются предпосылки создания гибких автоматических участков по сборке комплектов и решения задачи группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки комплектов.

Необходимость проектирования гибких автоматических участков по сборке комплектов обусловлена:

• возможностью многономенклатурной сборки, позволяющей более легко сформировать номенклатуру изделий для проектируемого участка, что актуально для высокопроизводительного сборочного оборудования;

• многообразием сборочных работ при сборке всего изделия;

• ограниченной номенклатурой типов соединений сборочных единиц, используемых при сборке комплектов.

Для осуществления гибкой автоматической сборки комплектов целесообразно использовать переменно-поточную форму организации производства.

Проектирование гибкого автоматизированного сборочного производства имеет ряд особенностей, в отличие от проектирования аналогичного механообрабатываюшего производства, связанных, прежде всего со следующими причинами:

1. разным соотношением времен выполнения различных этапов производственных процессов в механообрабатывающем и сборочном производствах;

2. необходимой высокой точностью выполнения сборочных операций;

3. многообразием номенклатуры собираемых соединений сборочных единиц и условий сборки.

Отличие продолжительности этапов производственного процесса для сборки и механообработки вызвано тем, что сборочное технологическое оснащение обладает, в сравнении с технологическим оснащением для механической обработки более высокой производительностью, обусловленной отличием физических процессов, происходящих при сборке и при механообработке.

Необходимость высокой точности выполнения сборочных операций обуславливается тем,' что сборка является завершающим этапом создания изделия и именно на нем окончательно формируется качество быпускаемой продукции. Снижение требований к точности выполнения сборочных работ за счет их ужесточения для механообработки не приведет к значительному эффекту, т.к. допуск на условия соединения сборочных единиц распределяется между сборкой и наиболее дорогостоящиип финишными операциями

леханообрабогки. Такое перераспределение требований точности в сторону механообработки может привести не только к ужесточению допусков на асе механообрабатывающие операции (к более высокой стоимости применяемой оснастки, а возможно и оборудования), но и к увеличению числа таких операций.

Многообразие номенклатуры собираемых изделий и условии сборки обусловлено тем, что и отличие от механической обработки, при проектировании сборочных технологических процессов необходимо принимать во внимание конфигурацию обоих соединяемых деталей (а не отдельной поверхности), а иногда и дополнительные условия, связанные с их относительным соединением.

Следствием всех трех особенностей гибкого автоматизированного сборочного производства (многообразием номенклатуры, высокими значениями точности и производительности) является высокая стоимость сборочного технологического оснащения. Вышеперечисленные особенности приводят к тому, что задачи определения и достижения требований к гибкости, точности и производительности сборочного оснащения необходимо решать совместно. В работе показано влияние вышеперечисленных особенностей на целесообразность использования гибких автомагических участков по сборке комплектов.

Анализ работ в области проектирования гибкого автоматизированного сборочного производства позволил выделить два основных подхода к решению задачи проектирования.

Первый подход предполагает синтез сборочного оснащения на основе типовых соединений. При этом подходе для каждого рассматриваемого типа соединений предлагаются методики расчета точности относительного положения сборочных единиц и расчета динамических характеристик процесса сборки соединения, а также набор вариантов компоновок сборочного оборудования и оснастки различных уровней переналаживаемости. Дальнейшим развитием подхода должно стать формирование сборочного участка на базе типовых решений реализации процесса сборки. Данный подход будем называть предметным.

С примерами предметного подхода можно ознакомится в работах д.т.н.,проф. Гусева A.A., д.т.н.,проф Житаикова Ю.З., д.т.н.,с.н.с. Золотаревского Ю.М. и других авторов.

Второй подход предполагает создание полной структуры задач оптимизации, в которой формирование множества вариантов решения одной задачи из этой структуры не влияет на формирование множества вариантов решения других задач.

Примером такого недопустимого влияния может считаться решение задач:

1. группирование операций различных технологических процессов по позициям сборки;

2. распределение эффективного годового фонда времени работы участка между процессами сборки различных изделий для каждой из позиций.

Это связано с тем, что группирование операций по позициям может привести к изменению времени лимитирующей операции, а изменение объема времени сборки изделий ¡-го наименования к целесообразности пересмотра уровня переналаживаемое™ сборочных позиций.

В общем случае возможны следующие варианты решения проблемы недопустимого взаимного влияния задач оптимизации:

1. Объединение двух задач оптимизации в одну, что приведет к значительному росту количества рассматриваемых вариантов и усложнению алгоритма их генерации, что скажется на эффективности применения численных методов направленного поиска.

2. Вариант решения одной из задач оптимизации яапяется исходными данными для решения другой.

Любая структура задач оптимизации адекватна конкретным, иногда не до конца очевидным условиям.

Дальнейшее развитие второго подхода подразумевает детальную проработку каждого рассматриваемого варианта на предмет его конструкторской, технологической и организационной реализации.

Данный подход будем называть модельным.

Модельный подход используется в работах д.т. н., проф. Вороненке В.П. д.т. н., проф. Дашенко А.И., д.т.н.,с.н.с. Золотаревского Ю.М., и других авторов.

Наличие двух подходов к проектированию автоматизированных сборочных производств определяется сложностью рассмотрения каждого из возможных вариантов проектного решения, т.к. сравнение небольшого их числа, выбранного благодаря опыту и интуиции не всегда эффективно, а комплексная оптимизация осложнена тем, что исходные данные для каждого варианта различаются и требуют глубокой проработки.

В этой ситуации предметный подход позволяет проектировать структуру и параметры сборочного производства, с использованием уникаг.оных и одновременно, эффективных решений технологического оснащения для детально разработанного задания на проектирование.

Модельный подход, в свою очередь, позволяет осуществлять оптимизацию различных структур и их параметров, выделяемых при проектировании и назначать оптимальные технические требования к элементам проектного решения, при условии, что для каждого рассматриваемого варианта удается собрать необходимые и достаточно точные исходные данные.

Добиться использования преимуществ обоих подходов возможно, если в процессе оптимизации применяется автоматическая разработка исходной информации для всех вариантов проектных решений. Это осуществимо в случае генерации проектных решений из унифицированных и стандартных элементов, обладающих определенными характеристиками точности, производительности стоимости и надежности. Многообразие сборочных работ и широкая область применения оригинальных и эффективных конструкторско-технологических решении, а также высокая стоимость универсального сборочного оснащения приводят к существованию множества проблем при

решении задачи унификации средств автоматизированной и, особенно, автоматической сборки.

Для решения обозначенной проблемы необходимо получить такое описание проектируемого технологического оснащения, при котором, варианты проектных решений можно было бы генерировать не на базе множества унифицированных элементов, а на базе множества технологических решений, различаемых по способу их влияния на точность относительного положения сборочных единиц перед соединением и на производительность элементов сборочного оснащения. Для каждого конкретного случая применения данного технологического решения, связанное с ним изменение приведенных затрат, точностных и временных характеристик, может оцениваться как проектировщиком, так и сервисным программным обеспечением, применяемым для расчета любого класса элементов технологического оснащения, используемого для любого вида соединений сборочных единиц. Такой способ подготовки исходной информации позволит использовать результаты исследований, полученные для предметного подхода к проектированию автоматической сборки комплектов и применять исходные данные, подготовленные с разной степенью детализации.

Точность относительного положения сборочных единиц перед соединением зависит от точности их изготовления (два звена размерной цепи), а также точности изготовления сборочных оснастки (два звена) и оборудования (одно звено).

Размерная цепь, замыкающим звеном которой является точность относительного положения сборочных единиц перед соединением, включает следующие составляющие звенья.

1. Требования к точности изготовления сборочных единиц, лимитирующие погрешность относительного положения поверхностей, по которым происходит соединение и поверхностей, служащих для базирования сборочных единиц перед соединением. Для присоединяемой сборочной единицы, звено размерной цепи имеет номер 1 и допуск на него обозначается 5ь Для базовой сборочной единицы, звено размерной цепи имеет номер 5 и допуск на него обозначается 85.

2. Требования к точности выполнения сборочной оснастки, лимитирующие погрешность относительного положения поверхностей, по которым сборочные единицы базируются в оснастке и поверхностей, служащих для базирования самой оснастки на сборочном оборудовании. Для присоединяемой сборочной единицы, звено размерной цепи имеет номер 2 и допуск на него обозначается 5г. Для базовой сборочной единицы, звено размерной цепи имеет номер 4 и допуск на него обозначается 64.

3. Требования к точности изготовления сборочного оборудования. Звено размерной цепи имеет номер 3 и допуск на него обозначается 5з.

4. В случае, когда существует погрешность относительного положения базирующих поверхностей сборочной оснастки и поверхностей, по которым происходит базирование сборочных единиц, то допуски на такую погрешность

для присоединяемой и базовой сборочных единиц обозначаются соответственно 812, 645.

Структура времени определяется отдельно для каждого типа элементов сборочной оснастки. Для каждой позиции выбирается лимитирующее время работы её подсистем, а для всего сборочного участка, рассматриваются лимитирующие времена каждого технологического процесса.

Использование системы технологических решений при постановке задачи группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки комплектов должно предполагать последовательность выбора технологических решений для сборочной оснастки и оборудования. При этом необходимо учитывать то, что:

1. срок окупаемости оборудования, как правило, составляет несколько

лет;

2. сборочная оснастка,- предназначенная для сборки нескольких десятков тысяч комплектов, используется в течение нескольких дней (трехсменный режим работы, такт сборки порядка нескольких секунд).

Целесообразно, в первую очередь рассматривать технологические решения, связанные с технологической оснасткой. В данной работе технологические возможности проектируемого оборудования определяются с учетом используемой технологической оснастки и приведенные затраты на оборудование оцениваются на этапе проектирования оснастки, как связанные с тем или иным вариантом группирования операций по позициям или выбора используемых технологических решений.

Задача группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки предполагает определенную организацию производства и, кроме того, дополнительные условия вводятся как ограничения поставленной задачи. Фиксируется существование трех этапов технологического процесса, четко различаемых по технологичности с точки зрения возможностей их автоматизации в условиях гибкого сборочного производства. Это следующие этапы:

• подготовительные работы;

• сборка комплектов;

• завершающая сборка изделия.

Целью работы в соответствии с вышеизложенным является решение задачи создания гибких высокоэффективных автоматизированных учаегков для сборки комплектов с широким использованием, как возможностей переналаживаемого технологического оснащения, так и уникальных конструкгорско-технологических решений.

Глава 2 посвящена постановке и выбору метода решенья задачи оптимизации.

Задача оптимизации группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки комплектов может быть поставлена следующими способами, в зависимости от двух факторов:

1. иерархия факторов влияющих на значение критерия и ограничений, построенной в соответствии со значимостью этого влияния для того случая, для которого ставится задача оптимизации.

2. количества возможных вариантов группирования операций по позициям сборки.

Анализ влияния различных факторов, приведенный во второй главе показал, что при решении задачи оптимизации группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки комплектов должны учитываться:

1. состав позиционного оснащения;

2. возможный уровень гибкости позиционного оснащения;

3. структура транспортной системы непрерывного действия;

4. структура транспортной системы периодического действия.

При этом состав позиционного оснащения к возможный уровень его переналаживаемости будет учитываться при помощи системы технологических решений сборочной оснастки и набора возможных вариантов сборочного оборудования, отдельно определяемого для каждого случая решения задачи оптимизации.

В работе обосновывается целесообразность выбора в качестве критерия величины приведенных затрат на оснащение гибкого автоматического участка по сборке комплектов

• Цель поставленной задачи оптимизации состоит в том, чтобы определить проектное решение для участка сборки комплектов, соответствующее наименьшему возможному значению приведенных затрат на позиционное оборудование и транспортные системы непрерывного и периодического действия, с условием выполнения всех установленных ограничений. В качестве переменных параметров, выступают уровень гибкости позиционного оснащения и технологические решения реализованные в нём.

Способ определения значения критерия зависит от набора факторов, влияние которых учитывается в процессе оптимизации.

Значение критерия, исходя из изложенного выше, складывается из четырех составляющих.

1. Стоимости позиционного сборочного оборудования.

2. Стоимости позиционной сборочной оснастки.

3. Стоимости оборудования транспортном системы непрерывного действия.

4. Стоимости оборудования транспортной системы периодического действия.

В случае проектирования элемента технологического оснащения позиции при помощи набора технологических решений, использование которых приводит к изменению значения критерия (ограничений), результирующее значение критерия (ограничений) определяется как сумма следующих составляющих:

• величины критерия (ограничений), соответствующей полностью спроектированной части технологического оснащения в случае использования

одного (определенного ранее) технологического решения (в дальнейшем, такое технологическое решение будет называться базовым вариантом или базовым технологическим решением);

• сумме всех изменений критерия (или ограничений), связанных с использованием небазовых технологических решений.

При этом, наиболее детально рассматривается образование второй составляющей критерия - величины приведенных затрат на технологическую оснастку сборочных позиций, которая оценивается по следующим составляющим.

1. Приведенные затраты на базовый вариант части технологической оснастки сборочной позиции, т.к. влияние технологических решений оценивается в изменениях значения критерия.

2. Изменение значения затрат на технологическую оснастку по сравнению с базовым вариантом, вызванное использованием конкретного технологического решения.

3. Изменение значения затрат на технологическую оснастку по сравнению с использованием группы технологических решений для разных непереналаживаемых позиций, вызванное конкретным сочетанием технологических решений используемых на одной позиции.

Изменение значения приведенных затрат на оборудование, вызванное применением небазовых технологических решений или их сочетаний включается во вторую и третью составляющие. Такой подход базируется на предположении, что номенклатура возможных вариантов сборочного оборудования меньше номенклатуры возможных конструкций сборочной оснастки.

В данной работе рассматривается две группы ограничений.

1. Ограничения по точности относительного положения сборочных единиц перед соединением для каждой операции рассматриваемых технологических процессов сборки комплектов.

2. Ограничения по производительности, связанные с общим фондом времени работы участка, выделяемого на выпуск требуемой номенклатуры комплектов (как правило, это эффективный годовой фонд времени работы участка).

Дополнительную сложность представляет задача распределения эффективного годового фонда времени работы участка на периоды изготовления изделий каждого наименования, т.к. применение любого технологического решения влияющего на время сборки соединения, будет конкурировать по стоимости не только с технологическими решениями, влияющими на время сборки данного соединения сборочных единиц, но и с технологическими решениями, приводящими к изменению времени сборки всех соединений сборочных единиц, осуществляемых на данной позиции.

Дополнительной сложностью, связанной с достижением точности, где замыкающим звеном размерной цепи будет относительное положение сборочных единиц перед соединением, является возможность использования общих звеньев размерной цепи для целого ряда позиций сборки (точностные

параметры спутников) или ряда комплектов, собираемых на одной позиции (точностные параметры оборудования).

При решении задачи оптимизации группирования операций, необходимо иметь следующие исходные данные.

1. Множество операций по сборке комплектов, для каждой из которых определены технические требования к сборочному оснащению, в том числе условия собираемости, режимы сборки, данные, касающиеся геометрических характеристик сборочных единиц, требования к динамике процесса сборки (отсутствие повреждений поверхности сборочных единиц, зависящих от режимов сборки, потери точности позиционирования сборочного оснащения, в связи с большими величинами сил инерции, и т.п.).

2. Множество технологических процессов состоящих из операций, являющихся элементами предыдущего множества. Для каждого технологического процесса сборки комплектов должны быть жестко определены:

• последовательность выполнения операций;

• вариант объединения переходов в операции в рамках одного технологического процесса;

• программа выпуска изделий.

3. Множество вариантов технологического оборудования для сборки комплектов с техническими характеристиками и его стоимостью.

4. Множество технологических решений сборочной оснастки, для каждого из которых определен в общем случае знак, а для каждой операции -величина изменения следующих параметров:

• приведенных затрат на оснастку сборочной позиции;

• времени работы подсистемы оснастки сборочной позиции;

• точности относительного положения сборочных единиц.

В качестве базового варианта выбирается одно из технологических решений.

5. Множество сочетаний технологических решений для подсистем сборочной оснастки, для каждого из которых определен в общем случае знак, а для каждого варианта группирования операций - изменение значения' следующих параметров по сравнению с не переналаживаемой оснасткой:

• приведенных затрат на оснастку сборочной позиции, связанное с сочетанием данных технологических решений;

• времени работы подсистемы сборочной оснастки, связанное с сочетанием данных технологических решений;

• затрат времени на переналадку подсистемы сборочной оснастки, связанное с сочетанием данных технологических решений;

• точности относительного положения сборочных единиц перед соединением, связанное с сочетанием данных технологических решений.

Под подсистемой, в настоящей работе, понимается независимо проектируемый элемент технологической оснастки. 6 Методика определения стоимости транспортной системы непрерывного действия, исходя из общей протяженности конвейера,

количества его разветвлений, слияний, пересечений, замкнутых частей конвейерных линий, реверсивных участков и т.п.

7 Методика определения стоимости транспортной системы периодического действия, исходя из суммарной мощности транспортных потоков и емкости накопителей разных уровней.

Во второй главе представлена полная математическая модель задачи оптимизации.

Критерий в математической модели вычисляется по следующей формуле.

С(Р(к*))=т1(у1ДС'(к)ту+|1(С(к)т;+хЕДС(к)тх0+Сн+Сп+С(к)о,

где:

С(Р<к*)) - значение критерия соответствующее к -му варианту группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки комплектов;

С<к*п, - приведенные затраты на базовый вариант ш-й подсистемы сборочной оснастки для ¡-й операции сборки;

ДС*к>пм - изменение базового варианта, связанное с выбором х-го технологического решения для ш-й подсистемы сборочной оснастки ¡-й операции;

ДС'<к|"\ - изменение базового варианта, связанное с выбором у-го сочетания технологических решений для ш-й подсистемы сборочной оснастки;

С„ - приведенные затраты на систему транспортирования непрерывного действия;

С„ - приведенные затраты на систему транспортирования периодического действия;

С<к)„ - приведенные затраты на сборочное оборудование для базового варианта сборки;

к - номер выбранного варианта группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки комплектов;

т - номер подсистемы сборочной оснастки;

I - номер сборочной операции;

х - номер технологического решения для ш-й подсистемы;

у - номер сочетания технологических решений для ш-й подсистемы соответствующей позиции.

Изменение величины приведенных затрат на оборудование, связанное с использованием небазовых технологических решений включается в характеристику соответствующих технологических решений.

Ограничения по точности в математической модели определяются следующим образом.

УО|, Кб ттах(5(т)|+х1А5(т)1Х+Д5'(т)0+8о| <8„

где:

О, - 1-я операция сборки;

К« - коэффициент запаса по точности на последующий износ оборудования;

ô(m,i - величина точности составляющего звена размерной цепи относительного положения сборочных единиц перед соединением для базового варианта исполнения ш-й подсистемы;

A8(m)ix - изменение величины точности составляющего звена размерной цепи относительного положения сборочных единиц перед соединением, связанное с использованием х-го технологического решения ш-й подсистемы;

Д2'(гп), - изменение величины точности составляющего звена размерной цепи относительного положения сборочных единиц перед соединением, связанное с использованием сочетания технологического решения (ий) ш-й подсистемы для i-й операции с другими технологическими решениями, применяемыми на данной позиции;

S0i - величина точности составляющего звена размерной цепи относительного положения сборочных единиц перед соединением для базового варианта исполнения сборочного оборудования данной позиции;

8, - величина замыкающего звена размерной цепи относительного положения сборочных единиц перед соединением;

i - номер операции сборки комплектов;

х - номер применяемого технологического решения текущей подсистемы сборочной оснастки;

m - номер подсистемы технологической оснастки по сборке комплектов.

Изменение точности составляющего звена размерной цепи относительного положения сборочных единиц перед соединением для оборудования, связанное с использованием небазовых технологических решений включается в характеристику соответствующих технологических решений.

Ограничения по производительности в математической модели определяются следующим образом.

VP(k)j,

(Кт ¡Z(AT'mi(i)+mrnax(Tmi(i)+xZATmi(i)X)+ +tH+tn+toi)*Qi+KT il (t(m)i+xi:At(m)ix)< F,

где:

P^'j - к-й вариант группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки;

Кт - коэффициент запаса времени на сбои технологического оснащения;

l(i) - номер лимитирующей операции для технологического процесса, включающего i-ю операцию;

Tmi(i) - время срабатывания базового варианта исполнения ш-й подсистемы;

AT'Vijx - изменение времени срабатывания ш-й подсистемы сборочной оснастки, связанное с использованием х-го технологического решения;

АТ'т]<1)у - изменение времени срабатывания ш-й подсистемы сборочной оснастки, связанное с использованием у-го сочетания технологического решения ш-й подсистемы с другими технологическими решениями, применяемыми на данной позиции;

1(т)1 - затраты времени на наладку ш-й подсистемы технологической оснастки для осуществления ¡-й операции сборки комплектов;

- изменение затрат времени на наладку ш-й подсистемы технологической оснастки для осуществления ¡-й операции сборки комплектов, связанное с использованием небазового технологического решения (ий);

^ - затраты времени на срабатывание транспортной системы непрерывного действия входящие в такт выпуска комплекта (например -подача базовой сборочной единицы на позицию сборки и т.п.);

1п - затраты времени на срабатывание транспортной системы периодического действия входящие в такт выпуска комплекта (например время смены лотка с присоединяемыми сборочными единицами деленное на количество деталей в лотке);

Ц)) - время срабатывания сборочного оборудования на лимитирующей операции технологического процесса сборки, включающего ¡-ю операцию;

<3; - программа выпуска;

Р - годовой (или иной календарный) фонд времени. Изменение времени работы оборудования, связанное с использованием [ебазовых технологических решений включается в соответствующую арактернстику технологических решений

На основании подробного анализа поставленной задачи, для её решения ыбран метод ветвей и границ.

Для решения задачи группирования операций различных технологических роцессов по позициям сборки предлагается оптимизация, предполагающая ледующие уровни:

1. определение варианта группирования операций;

2. определение множества используемых технологических решений. Оба уровня оптимизации работают с одним множеством технологических

решений. Наличие двух уровней оптимизации определяется тем, что в методе ветвей и границ, для полностью сформированного варианта группирования операций, предложен более сильный критерий отсечения нерациональных проектных решений. Это связанно со следующими причинами.

1. Выбор ряда технологических решений приведет к изменениям значений точности относительного положения сборочных единиц перед соединением сразу для нескольких позиций. Например, для случая использования технологических решений, повышающих точность базирования сборочной единицы на спутнике. Таким образом, без группирования всех операций по позициям, невозможно правильно оценить целесообразность использования некоторых технологических решений.

2. Выбор ряда технологических решений приведет к изменениям объема времени выделяемого на сборку изделия данного наименования. Это произойдет в случае изменения производительности технологического оснащения для лимитирующей операции. Целесообразность перераспределения эффективного годового фонда времени работы участка, можно определить только для законченного варианта распределения операций по позициям сборки.

3. В случае выбора окончательного варианта распределения операций различных технологических процессов по позициям сборки, нет необходимости рассматривать затраты на перенапаживаемость для тех пар технологических решений, которые попали на различные позиции.

В главе 3 формируется система технологических решений сборочной оснастки, устанавливается характер их влияния на точность относительного положения сборочных единиц перед соединением и на производительность процесса сборки. Это позволяет, как эффективно определять перспективные технологические решения для конкретного варианта группирования, так и определять наилучшие варианты группирования для существующего набора технологических решений с учетом, в процессе оптимизации требований к точности и производительности для рассматриваемых операций.

В соответствии с перечисленными выше принципами, производится декомпозиция первого уровня, при которой, технологическая система разбивается на три части:

1. подсистема технологического оснащения позиций;

2. подсистема транспортирования непрерывного действия;

3. подсистема транспортирования периодического действия.

В соответствии с принципами, изложенными в параграфе 3.1, проводится декомпозиция второго уровня для системы технологического оснащения сборочной позиции, при которой она разбивается на две подсистемы:

1. подсистема технологического оборудования позиции сборки комплектов;

2. подсистема технологической оснастки позиции сборки комплектов.

Целью декомпозиции системы технологической оснастки для сборочной

позиции, является определение структуры различных вариантов достижения заданных условий, связанных с производительностью позиционного оснащения и точностью относительного положения сборочных единиц перед соединением, а также оценки соответствующих этим вариантам значений приведенных затрат.

Для достижения поставленной цели произведена систематизация технологических решений.

Подсистемы сборочной оснастки могут быть или альтернативными, для реализации одной и той же функции разными способами, или дополняющими друг друга в общей конструкции технологической оснастки.

На рис. 1 представлены подсистемы технологических решений. При декомпозиции системы автоматической сборочной оснастки выделяется десять следующих подсистем, для каждой из которых, технологические решения

а)сборочная единица-сборочная ебииица

ш #

ш

*3 = А +

коррекции

й) сборочная единица - приспособление

ши

\

5)приспособление - приспособление

//у.-.оу.

'УУ/У/У УУ/УУУЛ ■" I •• • I

I

I

г

Д ^

с/

коррекции

Рис 2. Коррекция относительного положения сборочных единиц за счет направляющего элемента

Задача ориентирования сборочных единиц перед соединением.

Задача передачи усилий и движений В процессе соединения

Задача ориентирования сборочной единицы 6 пространстве.

Задача относительного ориентирования сборочной единицы,

Ориентирование присоединяемой сборочной единицы.

Задача базирования сборочной единицы перед

соединением

г

Подсистема базирсВония присоединяемой сборочнойединицы перед сборкой.

Задача предварительного ориентирования сЗоронной единицы

ОриентироЬание базоЬой

сборочной единицы.

о—

17

'Подсистема □тносительнаго ориентирования сборочных единиц'

"Подсистема

ориентирования

базоЬой

сборочной

единицы."

Движения и

усилия

передаются

сборочной

единице

через

базирующие

элементы

оснастки.

Движения и

усилия

передаются

сборочной

единице

через

инструмент

'Подсистема инструмента*.

Задача загрузки сборочных единиц Задача поштучного перемещения сйорочных единиц.

Сборочные единицы подаются к месту сборки потоком_|

Задала поштучной Выдачи сборочных единиц.

Т>

Подсистема отсекателей.'

Задача загрузки потока.

Задача поштучной загрузки сборочных единиц.

-7-

"Подсистема поштучной загрузки ) сборочных единиц."

"Подсистема поштучного перемещения."

Задача ориентации1 сборочных единиц В потоке

Задача перемещения сборочных единиц Ь потоке.

Задача перВичного ориентирования сборочных единиц

17

'Подсистема

первичного

ориентирования.

Задача Вторичного ориентирования

сборочных единиц.

'Подсистема

Вторичного

ориентирования.*

~1Г

'Подсистема перемещения сборочных единиц В потоке.'

Рис 1.

Структура технологической оснастки Зля автоматической сборки

будут определяться отдельно. Обоснование подобной декомпозиции систем!,I технологической оснастки приведены в главе 3 диссертационной работы.

Подсистемы сборочной оснастки могут определяться как:

1. альтернативные варианты выполнения определенной функции (на рис. 1 к таким подсистемам ведут наклонные линии);

2. части сборочной оснастки, используемые совместно (на рис. 1 к таким подсистемам ведут горизонтальные и вертикальные линии).

Так, например, подсистема ориентирования базовой сборочной единицы выделяется в результате декомпозиции задачи ориентирования сборочных единиц перед соединением в две подзадачи:

• ориентирование сборочных единиц в пространстве;

• относительного ориентирования сборочных единиц перед соединением.

Первая подзадача должна ставиться двумя альтернативными способами:

• задача ориентирования присоединяемых сборочных единиц в пространстве;

• задача ориентирования базовых сборочных единиц в пространстве;

Начиная с разделения базовой и присоединяемой сборочных единиц, все

последующие образованные подсистемы будут определяться для каждой сборочной единицы, участвующей в соединении.

На рис. 2 представлен пример технологических решений подсистемы относительного ориентирования.

В качестве примера, приведена подсистема относительного ориентирования сборочных единиц перед соединением. Возможные варианты её реализации сведены к шести технологическим решениям, три из которых, представлены на рис. 2. Представленные технологические решения различаются по количеству звеньев размерной цепи условий относительного положения сборочных единиц перед соединением. Использование каждого из этих технологических решений приводит к тому, что ряд звеньев размерной цепи исключается из расчета (см. рис. 2).

Для каждой из подсистем в соответствии с условиями, указанными в главе 2 настоящей работы, определяются технологические решения, влияющие на точность относительного положения сборочных единиц перед соединением, а также на производительность и стоимость технологического оснащения. Для точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и времени срабатывания подсистем технологической оснастки для общего случая определены структуры, которые могут изменяться путем использования тех или иных технологических решений.

В главе 3 приведено 41 технологическое решение, сгруппированное в 10 подсистем технологической оснастки, что позволит задавать способы достижения заданных точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и производительности позиционного оснащения в процессе оптимизации.

В главе 4 приводится методика проектирования гибких автоматических сборочных участков, которая требует выполнения следующих пунктов.

1. Подготовить исходные данные для оптимизации группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки. Состав исходных данных приведен в главе 3 настоящей работы.

1.1. Построить схему сборки для каждого из выполняемых на участке технологических процессов.

1.2. Выделить переходы, для которых целесообразно использовать одновременную (групповую) сборку, рассматривая при этом следующие возможности:

• одновременного выполнения на одной позиции однотипных (схожих по характеру и параметрам движений) процессов соединения, с целью использования общего привода, системы управления и вспомогательной оснастки;

• одновременной установки предварительно сориентированных относительно друг друга присоединяемых сборочных единиц;

• одновременной установки присоединяемых сборочных единиц с целью корректирования в процессе сборки общего для них параметра (например, точности относительного положения).

1.3. Объединить переходы технологических процессов в операции и окончательно установить последовательность выполнения работ.

1.4. Разделить каждый технологический процесс сборки на три этапа:

• этап подготовительных работ;

• сборки комплектов;

• завершающей сборки изделия.

К первому этапу следует отнести все подготовительные работы и операции, относящиеся к сборке комплектов, которые нецелесообразно выполнять автоматически.

Ко второму этапу следует отнести операции сборки комплектов, которые планируется выполнять автоматически.

К третьему этапу отнести все оставшиеся операции.

Для операций каждого этапа необходимо предусмотреть наличие отдельного участка, связанного с остальными единой системой транспортирования непрерывного действия для базовых сборочных единиц.

1.5. Для каждой операции сборки комплектов определить одно или несколько возможных направлений соединения сборочных единиц и выделить случаи, для которых необходимо предусмотреть последующее изменение положения базовой сборочной единицы, связанное с необходимостью установки на неё других присоединяемых сборочных единиц или установки её в изделие.

1.6. Для каждой операции определить набор сборочных движений (с учетом рассмотренных в предыдущем пункте направлений главных сборочных движений) и требования к приводу сборочного оборудования.

1.7. Выбрать сочетания сборочных операций, которые (по мнению проектанта) целесообразно рассмотреть как возможные варианты образования позиций.

1.8. Для выбранных вариантов сочетаний сборочных операций (в том числе, для случая, когда каждая операция выполняется на отдельном рабочем месте) выбрать возможные и целесообразные варианты компоновки и привода сборочного оборудования.

1.9. Для каждой операции сборки, для каждой подсистемы сборочной оснастки, выбрать технологические решения, которые, по мнению проектировщика, необходимо рассмотреть.

1.10. Оценить выбранные технологические решения по связанным с их реализацией изменениям значений приведенных затрат, точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и времени срабатывания подсистем сборочной оснастки.

1.11. Для каждого анализируемого сочетания операций различных технологических процессов по позициям сборки укрупнено спроектировать варианты сборочной оснастки с использованием целесообразных сочетаний соответствующих технологических решений и их параметров.

1.12. Оценить каждое анализируемое сочетание технологических решений по связанным с его реализацией изменениям значений приведенных затрат, точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и времени срабатывания подсистем сборочной оснастки, а также затрат времени на переналадку каждой из подсистем сборочной оснастки.

1.13. Определить функцию укрупненной оценки стоимости транспортной системы непрерывного действия со следующим набором аргументов:

• количество разветвлений и слияний конвейерных линий;

• количество пересечений конвейерных линий;

• количество реверсивных участков конвейерных линий;

• количество замкнутых участков конвейерных линий.

1.14. Определить функцию укрупненной оценки стоимости транспортной системы периодического действия со следующим набором аргументов:

• суммарная мощность транспортных потоков;

• вместимость накопителей разных уровней.

2. Оптимизация группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки и выбора используемых технологических решений.

3. Проектирование участка с использованием результатов полученных при оптимизации на предыдущем шаге.

Использование методики продемонстрировано на примере проектирования участка сборки шестеренчатых насосов с полученным экономическим эффектом 11 % от стоимости технологического оснащения позиций (с учетом затрат на усложнение системы транспортирования, связанное с созданием гибких позиций в переменно-поточном производстве).

В главе 5 приведено алгоритмическое обеспечение процесса оптимизации.

Предложены алгоритмы двухуровневой оптимизации с использованием рекурсивных функций.

Для метода ветвей и границ разработаны функции оценки нижней границы значения критерия для частично и полностью сформированного варианта группирования операций различных технологических процессов в позиции автоматической сборки комплектов. Целесообразность проведения двухуровневой оптимизации обоснованна в главе 2. Эффективность использования метода ветвей и границ повышается следующими путями.

1. На первом уровне оптимизации - путём отсечения нерациональных вариантов проектных решений до окончательного группирования операций по позициям.

2. На втором уровне - путём использования более сильного критерия отсечения для полностью сформированных вариантов группирования операций.

Для каждого уровня оптимизации определён способ генерации рассматриваемых вариантов.

Заключение

В представленной работе решена актуальная задача, заключающаяся в познании связей организационных и технологических решений в процессе проектирования гибкого автоматического участка по сборке комплектов. Определенные связи обеспечивают создание методики проектирования гибких автоматических участков по сборке комплектов с использованием оптимизации как группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки, так и способов достижения требуемых точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и производительности технологического оснащения участка.

Выводы:

1. Разработана система технологических решений, позволяющая связывать способы достижения требуемых точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и производительности технологического оснащения с учетом приведенных затрат на реализацию этих способов, что позволяет получать эффективные проектные решения гибких автоматических сборочных участков,

2. Предложен способ решения задачи оптимизации группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки, который позволяет проектировать гибкие автоматические участки по сборке комплектов с минимальными приведенными затратами.

3. Рассмотрен набор факторов влияющих на значение критерия, проведен анализ их значимости. Выбрана группа зн.11'и?.'ых факторов и определена иерархия их учета в задаче оптимизации. Па основании этого анализа на базе группы выбранных факторов в дальнейшем осуществляется постановка задачи группирования операций различных технологических процессов по позициям сборки.

4. Построена математическая модель ¡алачи оптимизации, позволяющая формализовать как постановку задачи, так и будущий метод её решения.

5. Для решения поставленной задачи выбран метод ветвей и границ, для которого разработаны алгоритм генерации вариантов группирования и

функции определения критерия и его нижних границ, необходимые дл> создания программного обеспечения.

6. Разработаны основные принципы декомпозиции технологической системы, которые позволяют определить приоритет рассмотрения её частей и обеспечить их совместное использование в процессе проектирования. Использование сформулированных принципов позволило:

• осуществить декомпозицию технологической системы участка по сборке комплектов,

• выделить подсистему сборочной оснастки, для которой необходима декомпозиции второго уровня;

• осуществить декомпозицию системы сборочной оснастки.

7. Предложены технологические решения для каждой из подсистем сборочной оснастки. Определены способы решения задач достижения точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и повышения производительности подсистем сборочной оснастки посредством использования предложенных технологических решений. Это позволит применять технологические решения для задания способов достижения заданной точности и производительности в процессе оптимизации группирования операций по позициям сборки.

8. Разработаны рекомендации по:

• реализации технологических решений для конкретных соединений сборочных единиц, позволяющие эффективно использовать результаты оптимизации при проектировании автоматического участка по сборке комплектов;

• реализации технологических решений на переналаживаемых позициях, что необходимо для использования предлагаемого способа при проектировании многономенклатурного сборочного производства.

9. Разработана методика проектирования гибкого автоматического участка по сборке комплектов, позволяющая осуществлять оптимизацию группирования операций различных технологических процессов с учетом используемых на каждой позиции способов достижения точности относительного положения сборочных единиц перед соединением и производительности технологического оснащения. Использование методики продемонстрировано на примере проектирования участка сборки шестеренчатых насосов с полученным экономическим эффектом 11 % от стоимости технологического оснащения позиций (с учетом затрат на усложнение системы транспортирования, связанное с созданием гибких позиций в переменно-поточном производстве).

10. Разработано алгоритмическое обеспечение двухуровневого процесса оптимизации, позволяющее решать поставленные в работе задачи оптимизации при помощи метода ветвей и границ. Предложено программное обеспечение, позволяющее создать эффективную подсистему САПР гибкого автоматического сборочного участка.