автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Метод автоматизированного проектирования механосборочных участков на основе компьютерного моделирования и генетических алгоритмов

На правах рукописи

Русяев Александр Сергеевич

МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ

05.13.12- Системы автоматизации проектирования (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/: о;л ш

005535824

Оренбург - 2013

005535824

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

Научный руководитель - кандидат технических наук

Сергеев Александр Иванович, доцент кафедры систем автоматизации производства федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тарасов Вениамин Николаевич, заведующий кафедрой программного обеспечения и управление в технических системах федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

доктор технических наук Загидуллин Равиль Рустэм-бекович,

профессор кафедры автоматизации технологических процессов федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Курганский государственный университет»

Защита состоится 16 ноября 2013 г. 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, 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 г.

Ученый секретарь -

диссертационного совета В.Н. Шерстобитова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Реконструкция и техническое перевооружение предприятий предпочтительнее создания аналогичных мощностей за счет нового строительства, так как вложенные средства окупаются в среднем в 3 раза быстрее. В условиях формирования нового технологического уклада задачи реконструкции и технического перевооружения актуальны для подавляющего большинства машиностроительных предприятий страны.

Конкуренция на рынках сбыта изделий ужесточила требования к эффективности производства, к экономии материальных и людских ресурсов, в том числе и за счет повышения уровня автоматизации производственных процессов. В этой связи особые требования предъявляются к проектам модернизации производства, используемым методам проектирования, к срокам и качеству выполнения проектных работ.

Используемые традиционные методы проектирования высокотехнологичных механосборочных участков (МСУ), основанные на усредненных расчетах, оказываются малоэффективными и слабо коррелируют с автоматизированным производственным процессом. Необходимо совершенствование методов автоматизированного проектирования МСУ, основанных на компьютерном моделировании протекающих в них производственных процессов.

С этих позиций, совершенствование процессов автоматизированного проектирования механосборочных участков, основанное на использовании современных возможностей средств вычислительной техники, является актуальной научной задачей, решение которой имеет большое значение для экономики страны.

Решение данной задачи возможно путем разработки метода автоматизированного проектирования МСУ, основанного на компьютерном моделировании производственных процессов и обеспечивающего автоматизированный структурно-параметрический синтез МСУ.

Использование разработанного метода позволит обеспечить оптимальность принимаемых проектных решений по критериям эффективности эксплуатации механосборочных участков.

Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы № 01201155447 «Методология создания высокоавтоматизированных систем нового поколения с заданными свойствами» на кафедре систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета. Этапы работы финансировались в рамках выполнения грантов № 1.6.11 «Разработка методологии создания термостабильных мехатронных станков», а также № 14.В37.21.1863 «Разработка инструментов инженерного анализа для построения высокоавтоматизированных станочных систем» Минобрнауки России по Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 годы».

Цель работы: совершенствование процессов проектирования механосборочных участков на основе разработки и использования современных методов компьютерного моделирования.

Задачи исследования:

1) анализ существующих методов и инструментов проектирования механосборочных участков;

2) формализованное описание производственных процессов, представленных множеством заготовительных, формообразующих, контрольных, сборочных и транспортных операций, выполняемых на МСУ с комбинированным составом оборудования;

3) разработка алгоритма функционирования МСУ с учетом вариативности содержания сменно-суточных заданий и возможностью статистической обработки результатов моделирования;

4) разработка метода автоматизированного проектирования механосборочных участков на основе применения алгоритмов структурно-параметрического синтеза;

5) программная реализация разработанных алгоритмов.

Объект исследования - процесс проектирования механосборочных участков для условий позаказной работы предприятия.

Предмет исследования — формализация проектных процедур структурно-параметрического синтеза МСУ.

Методы исследования. Использованы основные положения теорий производительности, расписаний, массового обслуживания, методы математического моделирования, циклограмм, математической логики, методы оптимизации, методы эволюционного синтеза, технология 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.

Научная новизна включает:

- алгоритм моделирования производственных процессов, представленных множеством заготовительных, формообразующих, контрольных, сборочных и транспортных операций, выполняемых на МСУ с комбинированным составом оборудования;

- метод автоматизированного синтеза расписаний, основанный на использовании метода циклограмм для моделирования работы оборудования и усеченного перебора для поиска оптимальной по текущим критериям очереди запуска заготовок в обработку;

- формализованное описание процедур структурно-параметрического синтеза механосборочных участков;

- формализованный метод структурно-параметрического синтеза МСУ, основанный на применении компьютерной модели механосборочного участка с учетом операций разделения (сборки) объектов производства, оптимизации производственного расписания и эволюционных методов оптимизации.

Практическую значимость имеет программная реализация разработанного метода автоматизированного проектирования механосборочных участков, включающая:

- программный модуль моделирования МСУ, позволяющий оценить эффективность работы МСУ при заданных параметрах и структуре оборудования;

- программный модуль синтеза производственных расписаний «11азр15_Ор1ппа1», позволяющий генерировать оптимальную последовательность партий запуска для выборки вариантов сменных заданий;

- программа «Котропоука 1.3», рассчитывающая координаты расстановки оборудования по заданным критериям эффективности;

- интегрированный с САПР КОМПАС программный модуль «Р1апЗО», позволяющий, исходя из заданного критерия эффективности (производительность, загрузка оборудования, фактическая длительность цикла выполнения заказа) сформировать оптимальные параметры оборудования и структуру механосборочного участка.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1) формализованное описание процесса функционирования механосборочных участков, учитывающее операции разделения, обработки, сборки и транспортировки объектов производства;

2) математическое обеспечение синтеза производственных расписаний методом усеченного перебора;

3) математическое и алгоритмическое обеспечение процедур структурно-параметрического синтеза МСУ;

4) интегрированное с САПР КОМПАС программное средство «Р1апЗО», позволяющее синтезировать параметры оборудования и структуру МСУ, обеспечивающие требуемую эффективность его функционирования.

Реализация работы.

Результаты работы в виде программы структурно-параметрического синтеза МСУ «Р1апЗО» и методических указаний по ее использованию внедрены в учебный процесс кафедры систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета, приняты к внедрению на предприятиях ОАО «ПО «Стрела» и ОАО «Завод бурового оборудования» (г. Оренбург).

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научно-практических конференциях: «XXXIII Международной молодежной научной конференции Гагаринские чтения» (Москва, 2009), «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2011), «Инновации в машиностроении» (Бийск, 2010), «Техника и технологии: роль в развитии современного общества» (Краснодар, 2013), «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе САПР, АСНИ, СУБД и систем искусственного интеллекта» (Вологда, 2013), «Формирование основных направлений развития современной статистики и эконометрики» (Оренбург, 2013); всероссийских научно-практических конференциях: «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009), «Научная школа-семинар молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства» (Оренбург, 2012).

Результаты работы докладывались на межкафедральном семинаре научной группы по информационной поддержке изделий машиностроения (ОГУ, 2009 - 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 4 статьи в журналах из «Перечня...» ВАК, 2 статьи в зарубежных журналах, 1 монография и 4 свидетельства Роспатента о регистрации программных продуктов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и результатов, списка использованных источников из 124 наименований. Работа выполнена на 155 страницах, включает 63 рисунка, 23 таблицы и 28 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные результаты, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая ценность, приведены сведения о внедрении результатов работы. Дается краткий обзор диссертационной работы.

В первом разделе «Актуальность проблемы проектирования механосборочных участков на основе моделирования производственного процесса» выполнен анализ печатных и интернет-источников в области проектирования ме-ханообрабатывающих производств, систем оперативно-календарного планирования, систем имитационного моделирования, ориентированных на использование на машиностроительных предприятиях.

Большой вклад в теорию проектирования и оптимизации производственных процессов механообрабатывающих производств внесли исследования В. П. Во-роненко, Р. Р. Загидуллина, JI. Ю. Лищинского, А. И. Сердюка, Ю. М. Соло-менцева, Е. Б. Фролова, Р. М. Юсупова, Y. Koren, John H. и др. Успешные решения для проектирования и оптимизации подразделений машиностроительного производства предлагают фирмы - разработчики программного обеспечения Dassault Systèmes, Siemens PLM Software, Autodesk, AnyLogic Company, МГТУ «СТАНКИН», СПРУТ-Технология.

Установлено, что САПР подразделений механообрабатывающих производств не могут разрабатываться в отрыве от оперативно-календарного планирования, независимо от серийности производства. Поэтому ведущие зарубежные фирмы предоставляют комплекс решений для проектирования производства, включающий пакет составления производственных расписаний, который в дальнейшем используется в процессе эксплуатации созданной системы. Отечественные разработки по оперативно-календарному планированию, такие как «Фобос», «СПРУТ-ОКП», не являются инструментами моделирования производственных процессов, что затрудняет получение статистики по изменению производственной номенклатуры, а также возможности разработки для них дополнительных модулей.

Решения, предлагаемые вендорами, занимающими лидирующие позиции в области моделирования, имеют широкий набор инструментальных средств, но их внедрение на отечественные предприятия влечет за собой дополнительные денежные затраты на адаптацию к производственным стандартам, приобретение неиспользуемых модулей и разработку специфических для конкретного

предприятия подсистем.

Соответственно, актуальной является разработка САПР механосборочных участков, имеющая в своем составе модуль составления производственных расписаний. В основу создания математической модели положен метод автоматизированного построения циклограмм, разработанный в ОГУ и описанный в трудах д-ра техн. наук Сердюка А.И., канд. техн. наук Сергеева А.И., Гильфа-новой Ф.Ф., Рахматуллина P.P. и Корнипаевой A.A.

В заключении главы сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе диссертации «Формализованное представление производственного процесса механосборочных участков с учетом операций разделения и сборки» разработано математическое и информационное обеспечение модели функционирования производственных подразделений.

В качестве конкретного объекта для разработки структуры изделия использован технологический процесс изготовления изделия «труба бурильная». Данный технологический процесс содержит следующие операции: отрезка трубы в заданный размер; отрезка заготовок для производства ниппеля и муфты; обработка трубы, ниппеля, муфты; приваривание к трубе ниппеля и муфты; обработка трубы бурильной.

Для учета операций разделения и сборки предложено использовать структуру изделия в виде двунаправленного графа (рис.1). Слева направо показано направление движения заготовки, справа налево - информация о заготовках, необходимых для сборки трубы. В блоке указываются вершины, с которыми граф связан по технологическому процессу изготовления и по составу изделия. У первых блоков вершины, в которых указывается состав изделия, равны нулю, у последних блоков — на месте вершины, указывающей следующий этап обработки, устанавливается значение «—1», которое фиксирует окончание обработки.

Операции разделения объектов производства и сборки изделий вносят существенные изменения в работу подсистемы моделирования. Так, например, без учета данных операций пользователь сам рассчитывает и задает количество заготовок, запускаемых в обработку. В нашем случае при моделировании необходимо автоматически обеспечить соответствие количества собираемых изделий, количества деталесборочных единиц и объем сырья для получения заготовок.

Количество заготовок в партии запуска в обработку зависит от того, является ли изделие узлом или заготовкой и описывается выражением

где Уизд - количество изделий, которые должны быть выпущены, шт.; 2 - количество сборочных единиц одного наименования, входящих в изделие, либо количество заготовок, полученных из сырья, шт.

Vinfl ■если Vlm включает 2 УИЗД deved если z получено из Vh

(1)

Заготовка муфты

-1-1 Круг 1 . 1 И

0 5 6 Заготовка муфты

6 -* 1 | 12

Муфта с резьбой

Муфта с резьбой

2 —1 Круг 2

0 7

$

3 [ Заготовка трубы

0 9

4 | Заготовка чрубы

0 10

ш

Заготовка ниппеля

13 Ниппель

0"

Заготовка ниппеля

14 Ниппель

Труба

, | ,5

н] Груба

1 «

151 Труба бурильная

II 17

13

9

161 Труба бурильная 1я| _1 Закадка

12 18 16 | -1

14

10

Рисунок 1 - Двунаправленный граф разработки изделия с учетом заготовительных и сборочных операций

Определение количества сырья, шт., необходимого для производства требуемого количества заготовок определяется по формуле

Кпд - + '> если У не делится на г без остатка У„ш Лу если Ут1 делится на г без остатка

(2)

Таким образом, формула учитывает ситуацию, когда, например, из одного прутка можно нарезать 8 заготовок для детали «ниппель». А если требуется изготовить 10 таких заготовок, то на пилоотрезную операцию необходимо поставить 2 прутка. Для подбора допустимого варианта сменного задания (СЗ) необходимо проанализировать состав изделия и распределить время обработки де-талесборочных единиц (ДСЕ) по группам оборудования:

[.ри! -7.. С,/=/..,V, (3)

100 '

где Т7, — фонд времени работы г-ой группы оборудования, мин; 7}^ - суммарное время обработки заготовок, входящих в состав у-го изделия, на /-ой группе оборудования, мин; О — количество групп оборудования, шт; N - номенклатура выпускаемых изделий, шт.

Тогда суммарное время обработки заготовок, входящих в состав у'-го изделия, на г-ой группе оборудования определяется выражением

' изи, ■

(4)

Рисунок 2 - Алгоритм моделирования процесса работы МСУ с учетом операций разделения и сборки

где Тиздц ~ время обработки7-го изделия на /-ой группе оборудования с учетом состава изделия, мин, определяемое по формуле

Kol

Тцш,, = - Zj, (5)

где Тдсецл ~ время обработки к-ой деталесборочной единицы (ДСЕ)у'-го изделия на z'-ой группе оборудования, мин; Kol - количество ДСЕ ву'-ом изделии, шт.

Разработанная структура описания изделий позволяет хранить и использовать в процессе моделирования информацию о деталесборочных единицах и сырье. На основе полученного математического обеспечения разработаны алгоритмы моделирования производственного процесса (рис. 2). Выполнена программная реализация, произведена оценка адекватности. Входной информацией служат характеристики основного и вспомогательного оборудования, технологические процессы сложносоставных изделий и геометрическое расположение технологических модулей. Выходная информация - фактическая длительность цикла работы, коэффициент загрузки оборудования, производительность, загрузка по группам оборудования, по станкам, циклограмма работы МСУ.

В третьей главе «Построение расписания работы механосборочных участков и статистический анализ результатов моделирования» представлены этапы разработки метода автоматизированного синтеза производственного расписания.

В условиях многономенклатурного производства для сбора статистической информации об эффективности производства, в зависимости от содержания партии запуска, необходимы многократные прогоны модели производственного процесса на различных вариантах СЗ.

Как известно, количество всех возможных вариантов партий запуска имеет факториальную зависимость и не представляется возможным для полной обработки даже на современных ЭВМ. Формирование сменных заданий относится к W-трудным задачам и может быть сведено к формулировке проблемы упаковки рюкзака.

Существует набор предметов М наименований и L параметров, описывающих характеристики предметов.

Характеристики предметов задаются вектором Ä[i], определяющим значения каждого параметра предмета: Ä[i] = [a, „а, 2,...,aiL], где ;'е {1,2,...,м}.

Количество предметов каждого наименования Л^/'] может быть любым целым числом в интервале N[i]e {0Д,...,Мтх}, где Мтах - максимальное число одинаковых предметов.

При заданном диапазоне ограничений параметров рюкзака

4SmJl],SmJ2],...,Smm[Z,]} и 5n„={.S,r„ll],.Vm„[2]„..,5'rli>x[L]} требуется найти варианты комбинаций укладки, удовлетворяющих положенным ограничениям.

В математической постановке, условия возможности укладки данной комбинации предметов описывается следующим образом (на след. странице):

х*. £ в,.лг. < 5„ [1]

1-1

■Уть [2] * У т < В [2]

■ « (6)

При выполнении условия (6) для к-ой комбинации, количество предметов в рюкзаке составитАу*] = ¿ЛГ[/]. С учетом представленного математиче-

ского обеспечения разработан алгоритм генерации вариантов сменных заданий основанный на методе «верхней границы».

Исходя из рассуждения, что в ходе обработки деталей разных групп, если запускать их не чередуя, возможно возникновение ситуации, что некоторые станки не будут задействованы, из-за особенности производственного цикла групп деталей, сделан вывод о том, что подобная ситуация приведет к резкому снижению эффективности производства. Следовательно, можно попытаться оптимизировать производственное расписание, чередуя в последовательности де-

тали различных групп. Для решения данной проблемы реализован усеченный лексикографический алгоритм (рис. 3).

использовании усеченного лексикографического перебора

Количество шагов алгоритма уменьшено за счет того, что после расчета суммы всех возможных вариантов перестановок последовательности запуска изделий в обработку, выбираются перестановки с заданным интервалом.

Для статистической обработки результатов моделирования выборки СЗ разработан алгоритм, позволяющий получать графики полигона частот и накопленной вероятности для различных показателей эффективности МСУ. Сравнение результатов моделирования сменных заданий без оптимизации и с оптимизацией показало, что при использовании оптимизации последовательности запуска изделий в обработку повышается вероятность получения более высокого показателя эффективности.

Для учета чувствительности МСУ к изменениям изготавливаемой номенклатуры изделий реализован механизм выбора партий-представителей, основанный на оценке вероятности получения высокой эффективности производственной системы (рис. 4). Выделение партий - представителей позволяет использовать полученную компьютерную модель МСУ в алгоритме структурно-параметрического синтеза производственного оборудования с учетом широкой номенклатуры объектов производства.

ж

Рисунок 4 — Статистический анализ сменных заданий

В четвертой главе «Разработка метода структурно-параметрического синтеза механосборочных участков» разработаны три стратегии синтеза, основанные на использовании генетических алгоритмов, метода Хука-Дживса и покоординатного спуска.

В ходе вычислительных экспериментов установлено, что наиболее эффективным является метод структурно-параметрического синтеза, основанный на применении генетических алгоритмов. Это объясняется тем, что два других метода используют одинаковый принцип оптимизации: подбирается оптимальное значение одного параметра при неизменном состоянии всех остальных. Генетический алгоритм выгодно отличается тем, что на каждой итерации изменениям подвергаются все синтезируемые величины, что в итоге позволяет получить единый комплекс параметров, при которых достигается наибольшая эффектив-

ность механосборочных участков.

Другой отличительной особенностью алгоритма является то, что при выполнении процедуры селекции учитываются все используемые в модели показатели эффективности: коэффициент загрузки и длительность фактической работы оборудования. Этот подход позволяет избежать выполнения процедуры свертки критериев для того, чтобы перейти к комплексному показателю эффективности. В то же время подбор параметров выполняется с учетом поиска экстремального значения по всем показателям эффективности.

Для целостности решения задачи структурно-параметрического синтеза механосборочных участков разработан алгоритм синтеза координат расстановки оборудования. В качестве метода синтеза применен генетический алгоритм, основанный на путевом представлении хромосомы, при котором значение генов не модифицируются, а только меняют свое местоположение. Данный алгоритм реализован в программе «Кошропоука 1.3», зарегистрированной в ФИПС.

Разработан метод структурно-параметрического синтеза механосборочных участков (рис. 5), в основу которого положена компьютерная модель производственной системы, учитывающая операции разделения и сборки объектов производства. Метод учитывает изменение производственной номенклатуры за счет моделирования выборки оптимальных СЗ, имеющих наибольшую вероятность запуска в обработку.

Рисунок 5 - Метод структурно-параметрического синтеза МСУ

На основе представленных алгоритмов разработана программа «Р1апЗБ», в которой реализована возможность переноса сгенерированной модели МСУ в

САПР КОМПАС и автоматизированного построения планировки спроектированного механосборочного участка в форматах 20 и ЗБ. На планировку также выносится таблица с подобранными параметрами технологического оборудования (рис. 6).

ш

А,

Рисунок 6 - ЗО модель расстановки оборудования механосборочного участка

Формируемые в результате автоматизированного структурно-параметрического синтеза проектные данные легко интегрируются в единое информационное пространство предприятия, позволяют вносить изменения средствами САПР КОМПАС.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Установлено, что современным подходом к проектированию участков механосборочного производства служит тщательный анализ проектных решений по выбору структуры и параметров производственного оборудования путем компьютерного моделирования функционирования МСУ при выполнении множества технологических процессов изготовления изделий.

2. Выполнено формализованное представление процесса функционирования механосборочного участка, основанное на методе циклограмм, описывающее динамику изготовления деталесборочных единиц и применимое для большинства видов машиностроительных изделий.

3. Разработан алгоритм синтеза оптимальных производственных расписаний, позволяющих сократить длительность выполнения заказов на изготовление изделий на 15-20 %.

4. Разработан метод проектирования механосборочных участков, отличающийся использованием процедур оперативно-календарного планирования и компьютерного моделирования функционирования МСУ. Доказано, что вклю-

чение в метод процедур ОКП при проектировании позволяет повысить эффективность МСУ при эксплуатации на 23 %.

5. Разработана, протестирована и опробована программная реализации разработанных алгоритмов и процедур, позволяющая на основе компьютерного моделирования функционирования и анализа структуры и параметров МСУ сформировать комплекс проектных решений, реализуемый в формате 3D-м одел и расстановки оборудования и текстовой спецификации параметров оборудования.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Русяев, А. С. Применение генетических алгоритмов в структурно-параметрическом синтезе гибких производственных систем / А. И. Сергеев, М. А. Корнипаев, А. А. Корнипаева, А. С. Русяев //СТИН,- 2010. -№ 1,-С. 17-21.

2 Русяев, А. С. Ко.г""ественная оценка эффективности правил обслуживания в АСУ гибких производственных ячеек / А. И. Сердюк, Р. Р. Рахматуллин, А. С. Русяев // Автоматизация и современные технологии. - 2011. - № 1. - С. 41 - 46.

3 Русяев, А. С. Анализ проблем внедрения комплексов автоматизированных систем на малых машиностроительных предприятиях / А. Д. Проскурин, А. П. Зеленин, А. С. Русяев // Информационные технологии в проектировании и производстве. -2011. -№ 3. - С. 22-28.

4 Русяев, А. С. Модель расчета емкости автоматического склада продукции / А. С. Русяев, Т. О. Русяева // Программные продукты и системы. - 2012. - № 2. -С. 82 - 86.

Публикации в зарубежных журналах:

5 Rusyaev, A. S. Genetic Algorithms in the Structural-Parametric Synthesis of Flexible Production Systems / A. I. Sergeev, M. A. Kornipaev, A. A. Kornipaeva, A. S. Rusyaev // Russian engineering research. - 2010. - Vol. 30 No. 4. - P. 404 - 407.

6 Rusyaev, A. S. Mathematical description of the shift / A. I. Sergeev, A. S. Rusyaev // Eastern European Scientific Journal. — 2013. № 4. - P. 64 - 68.

Монография:

7 Русяев, А. С. Структурно-параметрический синтез гибких производственных систем с применением генетических алгоритмов : монография / А. И. Сергеев, М. А. Корнипаев, Р. Р. Рахматуллин, А. С. Русяев. - Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2008.- 194 с.

Прочие публикации:

8 Русяев, А. С. Формализованный аппарат для бережливого производства / А. С. Русяев, А. П. Зеленин // XXXIII Гагаринские чтения : научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. - М. : МАТИ, - 2009. - Т. 4. -С. 244 - 246.

9 Сердюк, А. И. Опережающая подготовка как условие конкурентоспособности молодых инженеров / А. И. Сердюк, А. П. Зеленин, А. С. Русяев // Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки : материалы Всероссийская научно-практическая конференции. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - С. 764 - 768.

10 Русяев, А. С. Эвристические алгоритмы для исследования производственных процессов машиностроения / А. И. Сердюк, А. С. Русяев, Е. В. Гаврюшина // Инновации в машиностроении : материалы Международной научно-практической конференции. - Бийск : Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - С. 64 - 66.

11 Русяев, А. С. Алгоритм программы упаковки для нескольких параметров и ограничений методом «Верхней границы» / А. С. Русяев, Т. О. Русяева // Информацион-

но-вычислительные технологии и их приложения : сборник статей XV Международной научно-практической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011.-С. 134-137.

12 Русяев, А. С. Обзор технологий виртуальной реальности / А. И. Сергеев, А. С. Русяев // Научная школа-семинар молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства : сборник материалов. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. - С. 157- 160.

13 Русяев, А. С. Проблемы построения имитационной модели современного производственного подразделения машиностроительного предприятия / А. И. Сергеев, А. С. Русяев // Научная школа-семинар молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства : сборник материалов. — Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. - С. 141-145.

14 Русяев, А. С. Формализация структуры производственного изделия / А. И. Сергеев, А. С. Русяев // Техника и технологии : роль в развитии современного общества : сборник материалов Международной научно-практической конференции. - Краснодар : научно-издательский центр «Априори», 2013. - С. 148 - 150.

15 Русяев, А. С. Особенности моделирования производственных систем с учетом операций разделения и сборки / А. И. Сергеев, А. С. Русяев, А. В. Фокин // Информатизация процессов формирования открытых систем на основе САПР, АСНИ, СУБД и систем искусственного интеллекта : материалы VII Международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2013. — С. 179 — 181.

16 Русяев, А. С. Использование статистического анализа на примере автоматизации проектирования производственных подразделений машиностроительного предприятия / А. И. Сергеев, А. С. Русяев, Д. Н. Воронин // Формирование основных направлений развития современной статистики и эконометрики : материалы 1-ой Международной научной конференции. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2013. — Т. 3. — С. 148-155.

17 Св.-во гос. per. прогр. для ЭВМ № 2009614057, Российская Федерация. Программа составления расписаний работы и расчета показателей эффективности гибких автоматизированных участков механообработки «Расписание» / А. А. Корнипаева, А. С. Русяев, Р. Р. Рахматуллин. — № 2009612916; дата поступления 10.06.2009; дата регистр, в Реестре программ для ЭВМ 30.07.2009 г.

18 Св.-во гос. per. прогр. для ЭВМ № 2010613369, Российская Федерация. Программный модуль формирования оптимальной очереди запуска деталей в обработку «Raspis_Optimal»/ А. И. Сердюк, А. С. Русяев, Р. Р. Рахматуллин. -№ 2010611571; дата поступления 26.03.2010; дата регистр, в Реестре программ для ЭВМ 21.05.2010 г.

19 Св.-во гос. per. прогр. для ЭВМ № 2011614120, Российская Федерация. Программа упаковки рюкзака методом верхней границы «Knapsack strong» / А. С, Русяев, Т. О. Русяева. — № 2011612383; дата поступления 07.04.2011; дата регистр, в Реестре программ для ЭВМ 26.05.2011 г.

20 Св.-во гос. per. прогр. для ЭВМ № 201360288, Российская Федерация. Программа расчета местоположения оборудования «Komponovka 1.3» / А. И. Сергеев, А. С. Русяев. — № 2012619733; дата поступления 12.11.2012; дата регистр, в Реестре программ для ЭВМ 09.01.2013 г.

Подписано в печать 11.10.2013г. Отпечатано в типографии «ОренПечать» О.Г.Р.Н. 312565810300101 Формат 60x84 1/16. Бумага офисная. Усл. печ. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ 108 г. Оренбург, ул. Советская, 27, офис 214

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

04201365526 На правах рукописи

Русяев Александр Сергеевич

МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ

05.13.12 - Системы автоматизированного проектирования (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук А.И. Сергеев

Оренбург 2013

Содержание

Введение...................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................................8

1.1 Структурный и параметрический синтез производственных систем..........8

1.2 Системы оперативно-календарного планирования.....................................14

1.3 Методы и программные продукты для имитационного моделирования. 21

1.3.1 Tecnomatix.....................................................................................................24

1.3.2 DELMIA........................................................................................................28

1.3.3 Factory Design Suite......................................................................................30

1.4 Метод автоматизированного построения циклограмм работы оборудования.........................................................................................................31

1.5 Обзор диссертаций в области проектирования и реконструкции производственных систем....................................................................................34

1.6 Выводы по первой главе.................................................................................37

1.7 Цель и задачи исследования...........................................................................38

ГЛАВА 2 ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ С УЧЕТОМ ОПЕРАЦИЙ РАЗДЕЛЕНИЯ И СБОРКИ..................................................................................39

2.1 Особенности моделирования как метода исследования сложных производственных систем....................................................................................39

2.2 Описание процесса разработки подсистемы моделирования производственных процессов с учетом операций разделения и сборки.........41

2.3 Математическое обеспечение........................................................................51

2.4 Алгоритм моделирования производственного процесса, учитывающий операции разделения и сборки.............................................................................54

2.5 Алгоритм анализа состава изделия...............................................................60

2.6 Программная реализация системы моделирования производственных процессов с учетом операций разделения и сборки..........................................62

2.7 Проверка адекватности...................................................................................66

2.8 Выводы по второй главе.................................................................................74

3 ПОСТРОЕНИЕ РАСПИСАНИЯ РАБОТЫ МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ.............................................................................................75

3.1 Алгоритм расчета трудоемкости обработки изделия с учетом групп оборудования.........................................................................................................75

3.2 Алгоритм генерации сменных заданий.........................................................77

3.3 Оптимизация производственного расписания.............................................82

3.4 Статистическая обработка результатов моделирования выборки сменных заданий...................................................................................................................84

3.5 Выводы по третьей главе................................................................................89

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДА СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ............................................90

4.1 Разработка генетического алгоритма структурно-параметрического синтеза....................................................................................................................90

4.2 Структурно-параметрический синтез с применением метода Хука-Дживса........................................................................................................100

4.3 Структурно-параметрический синтез с применением метода покоординатного спуска.....................................................................................101

4.4 Оптимизация расположения оборудования...............................................104

4.5 Метод структурно-параметрического синтеза механосборочных

участков................................................................................................................106

4.5 Выводы по четвертой главе.........................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................113

Список использованных источников................................................................114

Приложение А (справочное) Исходные данные к проверке адекватности.. 128 Приложение Б (справочное) Код процедуры оптимизации сменного

задания..................................................................................................................131

Приложение В (справочное) Исходный код генетического алгоритма.......134

Приложение Г (справочное) Исходный код метода Хука-Дживса...............137

Приложение Д (справочное) Исходный код метода Золотого сечения........139

Приложение Е (справочное) Исходный код процедур оптимизации

расстановки оборудования.................................................................................141

Приложение Ж (справочное) Исходный код процедур передачи результатов

в САПР КОМПАС...............................................................................................145

Приложение И (справочное) Внедрение результатов исследования............150

Приложение К (справочное) Сведения о квалификации соискателя...........153

Введение

Реконструкция и техническое перевооружение предприятий предпочтительнее создания аналогичных мощностей за счет нового строительства, так как вложенные средства окупаются в среднем в 3 раза быстрее. В условиях формирования нового технологического уклада задачи реконструкции и технического перевооружения актуальны для подавляющего большинства машиностроительных предприятий страны.

Конкуренция на рынках сбыта изделий ужесточила требования к эффективности производства, к экономии материальных и людских ресурсов, в том числе и за счет повышения уровня автоматизации производственных процессов. В этой связи особые требования предъявляются к проектам модернизации производства, используемым методам проектирования, к срокам и качеству выполнения проектных работ [1].

Используемые традиционные методы проектирования высокотехнологичных механосборочных участков (МСУ), основанные на усредненных расчетах, оказываются малоэффективными и слабо коррелируют с автоматизированным производственным процессом. Необходимо совершенствование методов автоматизированного проектирования МСУ, основанных на компьютерном моделировании протекающих в них производственных процессов.

С этих позиций, совершенствование процессов автоматизированного проектирования механосборочных участков, основанное на использовании современных возможностей средств вычислительной техники, является актуальной научной задачей, решение которой имеет большое значение для экономики страны.

Решение данной задачи возможно путем разработки метода автоматизированного проектирования МСУ, основанного на компьютерном моделировании производственных процессов и обеспечивающего автоматизированный структурно-параметрический синтез МСУ.

Использование разработанного метода позволит обеспечить оптималь-

ность принимаемых проектных решений по критериям эффективности эксплуатации механосборочных участков.

Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы № 01201155447 «Методология создания высокоавтоматизированных систем нового поколения с заданными свойствами» на кафедре систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета. Этапы работы финансировались в рамках выполнения грантов № 1.6.11 «Разработка методологии создания термостабильных меха-тронных станков», а также № 14.В37.21.1863 «Разработка инструментов инженерного анализа для построения высокоавтоматизированных станочных систем» Минобрнауки России по Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 годы».

Цель работы: совершенствование процессов проектирования механосборочных участков на основе разработки и использования современных методов компьютерного моделирования.

Задачи исследования:

1) анализ существующих методов и инструментов проектирования механосборочных участков;

2) формализованное описание производственных процессов, представленных множеством заготовительных, формообразующих, контрольных, сборочных и транспортных операций, выполняемых на МСУ с комбинированным составом оборудования;

3) разработка алгоритма функционирования МСУ с учетом вариативности содержания сменно-суточных заданий и возможностью статистической обработки результатов моделирования;

4) разработка метода автоматизированного проектирования механосборочных участков на основе применения алгоритмов структурно-параметрического синтеза;

5) программная реализация разработанных алгоритмов.

Объект исследования - процесс проектирования механосборочных участков для условий позаказной работы предприятия.

Предмет исследования - формализация проектных процедур структурно-параметрического синтеза МСУ.

Методы исследования. Использованы основные положения теорий производительности, расписаний, массового обслуживания, методы математического моделирования, циклограмм, математической логики, методы оптимизации, методы эволюционного синтеза, технология 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.

Научная новизна включает:

- алгоритм моделирования производственных процессов, представленных множеством заготовительных, формообразующих, контрольных, сборочных и транспортных операций, выполняемых на МСУ с комбинированным составом оборудования;

- метод автоматизированного синтеза расписаний, основанный на использовании метода циклограмм для моделирования работы оборудования и усеченного перебора для поиска оптимальной по текущим критериям очереди запуска заготовок в обработку;

- формализованное описание процедур структурно-параметрического синтеза механосборочных участков;

- формализованный метод структурно-параметрического синтеза МСУ, основанный на применении компьютерной модели механосборочного участка с учетом операций разделения (сборки) объектов производства, оптимизации производственного расписания и эволюционных методов оптимизации.

Практическую значимость имеет программная реализация разработан-

ного метода автоматизированного проектирования механосборочных участков, включающая:

- программный модуль моделирования МСУ, позволяющий оценить эффективность работы МСУ при заданных параметрах и структуре оборудования;

- программный модуль синтеза производственных расписаний «11а8р18_Ор1лта1», позволяющий генерировать оптимальную последовательность партий запуска для выборки вариантов сменных заданий;

- программа «Кошропоука 1.3», рассчитывающая координаты расстановки оборудования по заданным критериям эффективности;

- интегрированный с САПР КОМПАС программный модуль «Р1апЗО», позволяющий, исходя из заданного критерия эффективности (производительность, загрузка оборудования, фактическая длительность цикла выполнения заказа) сформировать оптимальные параметры оборудования и структуру механосборочного участка.

ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Структурный и параметрический синтез производственных систем

В настоящее время главной задачей является сохранение и развитие отечественной технологической среды, обеспечивающей выпуск конкурентоспособных на мировом рынке национальных продуктов. В решении этой актуальной задачи главенствующая роль принадлежит созданию высокоэффективных производственных систем, реализующих современные технологии. Такие производства должны обладать высоким уровнем автоматизации всех составляющих элементов. Создание производств базируется на реконструкции действующих и проектировании новых. В современных условиях предъявляются особые требования к проектированию автоматизированных производств, к срокам и качеству выполнения проектных работ. Проектирование является сферой, аккумулирующей новейшие достижения науки и преобразующей их в действующие производственные системы, в частности автоматизированные и автоматические участки и цеха [2].

В связи с переходом на рыночную экономику повышаются требования к качеству продукции машиностроения, ее разнообразию. Интенсивное развитие технических средств вызвало необходимость совершенствования методики проектирования и создания на ее основе новых высокоэффективных предприятий. Особое внимание уделяется реконструкции и техническому перевооружению действующих предприятий, так как средства, выделенные на эти цели, окупаются в среднем в 3 раза быстрее, чем при создании аналогичных мощностей за счет нового строительства.

В указанном аспекте важное значение приобретает разработка методов структурного и параметрического синтеза механосборочных участков (МСУ), способствующих обеспечению оптимальности принимаемых на ста-

дии проектирования решений и получению существенного экономического эффекта.

Рассмотрим место структурного и параметрического синтеза в общем процессе создания ПС, а также его собственную структуру.

Основные этапы процесса создания ПС приведены на рисунке 1.1 [3]. Если принять, что основное логическое начало сосредоточено на этапе синтеза, являющемся своеобразным процессором, то этап определения показателей назначения может выступать по отношению к нему как препроцессор.

Рисунок 1.1- Основные этапы процесса создания ПС

Препроцессор. В общем случае препроцессор решает задачи идентификации системы (в первую очередь это касается условий мелкосерийного широкономенклатурного производства). К ним относятся обработка и систематизация исходной информации и определение на ее основе показателей назначения.

Процессор. Этап синтеза (процессор) делится на два уровня, каждый из которых состоит из нескольких рабочих фаз. На первом уровне на основании выходной информации препроцессора и извлекаемых из банка данных сведений о возможных технологических маршрутах, парке станков и их характеристиках, нормативных данных и экономических показателях осуществляется структурный и параметрический синтез производственно-технологических структур (ПТС), состоящий из двух рабочих фаз (соответственно структурного и параметрического синтеза). В фазе структурного синтеза выбирается ПТС, а в фазе параметрического синтеза на основе комплекса локальных решающих процедур определяются параметры основного технологического оборудования, ориентированные на повышение его технико-экономических показателей [3]. Таким образом, в результате функционирования процессора устанавливаются проектные показатели ПС, на основании которых осуществляется проектная оценка технико-экономических показателей выбранного структурного варианта.

Постпроцессор. В нем производится формирование имитационной модели производственного процесса в ПС. По результатам моделирования производится коррекция параметров ПС.

Проблема обеспечения загрузки оборудования при мелкосерийном и среднесерийном производстве вследствие широкой номенклатуры обрабатываемых деталей, вариаций размеров партий запуска и асинхронности производственных циклов на смежных технологических позициях является одной из центральных теоретических и реальных практических проблем, с которыми приходится сталкиваться как при проектировании, так и при эксплуа-

тации ПС. Загрузка оборудования в ПС определяется планом. Различают объемные и календарные планы (расписания). Первые устанавливают укрупненные балансы технологического времени и фондов времени работы оборудования, вторые доводят объемные планы до регламентации временных технологических последовательностей выполнения работ. И те и другие виды планов могут устанавливаться как на стадии проектирования, так и в процессе функционирования системы.

В работе [3] предложена структура жизненного цикла ПС, представленная на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Распределение задач загрузки оборудования в зависимости от организационно-технологического вида ПС и этапов их жизненного цикла

Из данной схемы видно, что этап составления производственного расписания включен на всех стадиях жизненного цикла специализированных систем, предназначенных для выпуска изделий ограниченной номенклатуры. При проектировании и реконструкции универсальных систем в условиях широкой, а иногда и неустойчивой номенклатуры обрабатываемых деталей ав-

тор предлагает обосновывать принятие проектных решений только на основе объемных п