автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Методы анализа и синтеза многопоточных автоматизированных сборочных систем

санкт-петербургский государственный технический университет

На правах рукописи УД£ - 658.52.011.56.012.3-621.365.8.002

кош вадим асалшч

метода анализа и синтеза одогошточннх автоматизированных сборочных систем

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

автореферат

диссертации на соискание ученой стелен:! доктора техяичасюяс наук

Оанкт-Петерб! „л* - 1992

Работа выполнена в Севастопольском приборостроительном институте

N

Официальные оппоненты

1. Королев Владимир Александрович - доктор технических каук,

профессор

2. Султан-Заде Наэим йуза^арович - доктор технических наук,

профессор

3. Щербаков Олег Вячеславович - доктор технических наук,

профессор

Ведущее предприятие: НПО "Оргтехавтоматиэация" г. Симферополь

на заседании специализированного совета Д 053.36.16 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете ; по адресу. 19525Г, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной , . библиотеке института.;

Защита состоится

Автореферат разослан

1992 г,

Ученый секретарь специализированного совет кандидат техничвских-.наук~

Vi.Pl. Сенчило

• - •, у

' -': 4 а

.....I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Г •

этаикй |

—{АКТУАЛЬНОСТЬ. Одной из важнейших задач развития машиностроительного комплекса страны является создание высокоэффективных гибких производственных систем, что требует комплексного подхода к автоматизации технологических процессов, начиная о* поступления сырья и кончая отгрузкой готовой продукции. Необходимость проведения автоматизации остро ощущается в сборочных работах, трудоемкость которых в среднем по отраслям промышленности составляет 35...40 а в машиностроении - до 70 Я от общей трудоемкости изготовления изделия и имеет тенденции к росту. Поэтому автоматизация сборочных работ является одним из хлвчевых направлений развития иашино-приборостроения.

Сушествусцее в настоящее время оборонное производство характеризуется постоянно расширяюаейоя номенклатурой изделий, повышением качества и технико-экиноиическ,ас характеристик. Оно является сложной системой с многокомпонентной и иерархически подчиненной структурой, причем иерархические уровни, а таете отдельны? компоненты внутри последних оказывает взаимовлияние друг на друга. Особсннозтьз аптматизировантах сборочных систем является иногочисленноств сборочных компонентов, входящих в со-отаа производимой продукции, для доставки которых в технологи-чзскуз зону трабуатоя организовать большое число'сходящихся ма-тернальнше потоков, интенсивность каждого из которых зависит от кнтеноипноствй остальных. Указанное обстоятельство объясняется мм, что операция оборки уяла (подувла) может быть выполнена тошо при наличии мах входящих а него компонент. Отсутствие хотя бы одной а* них мвымат остановку технологического оборудования, а следовательно, и блокировку материальных потоков, поджюямх к нвцу друга« хомпоненгы. Одной из сановных причин, амукшоос остановку техно логтаеохого оборудования и

снижение производительности сборочного производства в целом являотся отказы технических устройств. Проблею, повышения надежности оборудования является одной из важнейших при создании сборочных систем. С одной стороны эта проблей, может решаться на базе повышения надежности отдельных единиц оборудования, входящего в систему, с другой - введением аппаратного и временного резервирования. Наибольшее распространение в настоящее время получило временное резервирование, как требующее наименьших затрат и позволявшее значительно повысить гибкость сборочного производства. Таким образом, на первый план выходит проблема наиболее эффективного использования методов и срадст1», обеспечивающих временное резервирование сборочных систем. Развитие данного направления -возможно только на основе совершенствования методов ттеттического анализа многофазных сложных систем ^ разветвленной и иерархически подчиненной структурой, базирующие г ка теории надежности, марковских я полумарковских процессов, сетей кассового обслуживания и других смежных областях науки. Следует, однако, отметить, что ввиду сложности и специфичности с боротых систем применение к ним указанных аппаратов исследования вызывает значительные затруднения. Отказ от учьта специфики сборочных систем приводит к значительным ошибкам при моделировании. Поэтому необходимы исследования,направленные на создание катодов анализа и синтеза ыногопоточньк сборочньк систем с учзтом их специфики и особенностей.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является создание -теории анализа и синтеза многолоточных сборочных систем, обеспечивающей и* заданные параметры надежности и производительности, базирующейся на информационно связанных иерархически подчиненных математических моделях и позволявшей осуществить параметрическую оптимизацию указанных систем.

НАУЧНАЯ - НОВИЗНА заключается в том, что впервые решена крупная научная проблема в области автоматизации технологических процессов в машиностроении, имевшая важное наро-дохозяйственное значение, заключающаяся в создании совокупности методов анализа процессов функционирования мнсгопоточных сборочных систем, а также их параметрического синтеза, базирующихся на основа комплекса взаимосвязанные стохастических и детерминированных моделей, описьгваюших вез уровни иерархии указанных систем с произвольной организационной структурой для получения требуемых характеристик производительности и надежности.

Для решения этой проблемы выполнено следутаее:

,- на основе разработанного метода структурного представления взаимосвязи элементов всех иерархических уровней, а такие метода вложенных итераций построены тарковские и полумарковскис штематические модели одкп- и многопоточнкх гииких автоматизированных линий сборки (ГАЛС) произвольной структуры для стационарных и динамических режимов санкционирования, с учетом взаимовлияния вяэкзнтов друг на друга в пределах одного уровня и уровней меяду собой;

- нсожедоюшо взаимодействие автоматизированного склада (АС) и линии сборки для различных регммов функционирования и введен новый овоб'ДзшиЯ экономический критерий оптимизации, позволяющий формализовать постановку и осуществить уепонис ряда задач;

- разработан ызтод оптимизации: цсяэсых функций, представ-лэиш а 'г::дэ мультипликативны:: кдагорисв, с о отделяя я;; о которых яэляэтея ггогдаеЯшла шнотоннмш гладкими функциями, при лчне&~ ном ограничении зтот метод пололся в основу выбора оптимальных объемов кооперационных н?капиталей ГАЛС, обэеяечивавгаих какси-ьальнуа производительность линии при ограничении затрат на образованна в них заделов или на суммарное число продукции во всея

накопителях;

- предложен метод оптимизации линейной целевой функции при нелинейной ограничении, представляющем собой мультипликативную функции, сомножители которой является монотонными гл.- ноши зависимостями; решена на етой основе задача обеспечения мини куш затрат на содержание заделов продукции в накопителях ГАЛС при обеспечении заданной производительности;

- построен кош леке марковских и полушрховеккх моделей гибкой технологической ячейки сборки (ЯС) произвольной структура, махоперационного накопителя (Н) и автоматизированного склада в целок, информационно связанные о моделями ГАЛС; разработана ДС для проектирования сборочных систем;

- на основе имитационного моделирования проведена оценка влияния на параметры линии вида закона распределения времени обслуживания (сборки деталей) на ЯС, входящих в состав многофазной сборочной системы с временным реаервированием;

- разработан ряд «.тематических моделей расчета динамики еяементов, входящих в состав ЯС и вхлючамих в себя устройства для высокоскоростной сборки резьбовых соединений, цифровых и шаговых пневмоприводов, а такхе манипуляторов, построенных на их основе.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Дня решения постав-лешак задач на основе системного подхода использованы методы теории марковских и пофшрховсхих случайных процессов, сетей массового обслуживания, надежности и производительности, мате« магической статистики; оптимизации технологических процессов в машиностроении, автоматических линий, дифференциальных и интегро-дифференцкальных уравнений, »тематического анализа, * такае методы операционного исчисления, численного анализа, аппроксимации функций, имитационного моделирования, аналитической ме-

б

ханики и др. Экспериментальные исследования проводились 'В производственных условиях на серийно выпускаемом оборудовании е последующей статистической обработкой результатов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты выполненной работы, вскрывающие резервы и расширявдне возможности многопоточных автоматизированных сборочных систем, использовались:

- в качестве основы при расчете и разработке сборочных систем различной организацио.'пюЯ структуры с заданными техникп-эконошческиш показателями и оптиапльрыш параметрами кежопе-рв"Чонных накопителей, включающей в себя пакеты прикладных программ} позволили создать еди.чую диалоговую систему, базирующуюся на комплекса иерархически связанных математических моделей, описывающих ф^пгцяонирование отдельных объектов (склада, ГАЛС, ЯС, неас операционных накопителей п элементов нижнего уровня иерархии, входящих в состав Ш);

- при построении методик расчета действительного фонда времени работы оборудования в оперативном планировании сборочного производства и оптимальном распределении оаделов незавершенной продукции в цазоперацяо.чныя накопителях ГАЛС;

- в учебном процесса при обучении студентов специальностей 12,02, 21.03 (СПИ, г. Севастополь).

На базе проведенных исследований разработаны различные технические ршенкя, позволяете оптоатно реализовать элементы, входяпкэ.во все уровня1 иерархии, от элементарных модулей ЯС до ГАЛС в целом. Созданы я шедрогш цифровые и шаговые пневмоприводы линейного я поворотного действия, положенные в основу >а-нкпуягггороз прошпленння поботов моделей: РС-5, РС-6, РС-222, РО-б, РО-7, "Вектор", из которых РС~22к и РО-6 демонстрировались на ВДНХ УССР и были награядоны дипломом второй степени.

)

Разработан также ряд других функциональных устройств ЯС: схваты, устройства подготовки среды и др. Созданы конструкции сборочных ячеек, в том числе универсальный сборочный центр, предложены варианты транспортно-накопителькых систем, на баае котг ш возможно построение различных структурно-организационных компоновок ГАЛС. Результаты исследований, запхииекные 25 авторскими свидетельствами и четырьмя положительными решениями на изобретения, внедрены и продолжает внедряться на предприятиях городов: Новгорода (НШЭШ), Симферополя (ПО "Оргтехавтоматизация"), Харькова (БНЫЭлектроаппарат), Севастополя (ПО "Муссон") и др. Экономический эффект от внедрения программных и аппаратных средств составил 787 тысяч рублей в год.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные научные положения и результаты диссертации докладывались более 40 раз на международных, Всесоюзных и республиканских конференциях и семинарах, в т. ч.: семинар "Цуги повышения производительности труда и качества сборки" (Севастополь, 1930);2-я Всесоюзная межвузовская конференция "Робототехничаокие системы* (Киев, 1930); Всесоезкая,конференция "Прогрессивная технология и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении" (Ленинград, 1982); республиканская конференция "Резервы интенсификации производства" (Севасгопоть, 1984); республиканская конференция "Разработка и внедрение гибких автоматизированных систем а проивводсг-во" (Севастополь, 1985) 5 республиканская конференция/Кехшгаза-ция и автоматизация контрольно-сборочных операций- а машиностроении" (Волгоград, 1986); республиканская конференция "Опыт внедрения ГПС на предприятиях приборостроения" (Львов, 1938); республиканская конференция "Проблемы автоматизация переналаживаемых производств в машиностроении" (Волгоград, 1988); республиканская конференция "Робототехника выборочном производстве? (Севаотополь.

1968); Всесовзгап конференция "Проблемы комплоксной автоматизации механосборочных и сборочно-ыонталшьк работ в производство радмовлэктронной аппаратура и гкгжслмтелъной техники (Москва, 1989); Международная конференция " lлterr^atlDrta¿'eJ сдсхзегисЛа/'А'сбРЗ Нльыенау, ГДР, 1989); пятое Все-

ссззноэ совещание по робототехничвскии систеюм (Москва, 1090); Всесоюзная конференция "Ресурс о-энергосберега шло и наукоемкие технологии в иашшо- и приборостроении" (Нальчик, 1991); республиканская конференция "Повышение тэхишсо-экономическоЯ эффективности проектирования и эксплуатации сборочного оборудования" (С'застополь, 1990); научно-технические конференции Севастопольского приборостроительного института (1980 ... 1990).

Диссертационная работа в целом рассмотрена, и одобрена на совместном ааседакин кафедр "Комплексная автоматизация ыапино-и приборостроения", "Гибкие производственные системы", "Технология ШЕШОсгроения", "Приборостроение", "Кибернетика и вычислительная технига" Севастопольского приборостроительного института (1992).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследования опубликовано 67 научных работ, в том числа: I монография, I отдельная публикация объемом болзэ трэя п.л., 2 бровхры, '¿5 авторских саядэтэгьсга.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из озеленил, семи разделов, общих выводов, списка литература из 245 наименований м 21 приложения.

Работа содержит 362 страниц машинописного тем та, 138 рисунков, 26 таблиц. Общий объем работы составляет 626 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, неразрывно связанной с дальнейшим прогрессом прсзводства. С одной стороны ее решение базируется на теории автоматических линий, большой вклад в развитие которой внесли работы Волчкеви-ча Л.И., Дашенко А.И,, Катковника В.Я.„ Клусова И.А., Королева В.А., Лебедовокого М.В., Рабиновича А.Н., Султан-Заде Н.М.» Чераакова Б.И., Федотова А.И., Каумяна Г.А.„ Ямпольского Л.С., Хегинботама У.В., Хартли Дк. и др. С другой стороны дальнейшие теоретические исследования в данном направлении базируются на теории надежности, марковских и полумарковских процессов, cci.й массового обслуживания и других областей науки, касающихся различных аспектов анализа и синтеза сложных систем. Указанные вопросы нашли отражение в работах Пюденко A.C., Королека B.C., Северцева H.A., Проккикова A.C., Ушакова И.А., Щербакова О.В., Гордона В.Д , Дгао Д.Д., Джексона Ли.Р., Клейнрока Л., Ыура О.Р., Ныоала Г.Ф. и др. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, излояена ее структура, приведены данные б научной новизне и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается обшая характеристика структуры оборо-чного производства как объекта автоматизации, его особенности, тенденции развития и методы моделирования

Сборочный комплекс предприятия представлен рядом иерархических уровней: цеха, участка, линии, ячейки сборки, которая в свою очередь включает гибкие технологические Устройства, состоящие из олементариых модулей. Верхним уровням иерархии соответствует свои транопортно-накопмтельные и загрузочные системы (ТНЗС), состоящие кз собственно транспортных, накопительных и выгрузочных модулей, обеспечивающих функционирование технелоги-- ческой сборочной подсистемы. Рассмотренные в диссертации методы

анализа к.у.годны ям оборотаих систем с лвбой слсишостью иерар-хичэской организации. Основное внимание уделено системам,верхние иерархическим уровнем яо1-»;ых является ГАЛС и соответствующая ей транепортгая систем;, с ароматизированным складом (АС), Проведенный анализ сущесмуветх ГАЛС и ЯС позволил создать иг классификации, основной задачей которых являетсь приведение всего многообразия линий и ячеек к мииидояьноиу количеству типов, состояния из одинаковых элементов и описываемых моделями, построенные на база единого иатематическоло подхода. Предяо-хеннт классификации не являэтся исчэрпигааетыи, могут быть доложены, уточнены» но они служат методический средством при создании диалоговой программой систеш (ДПС) проектирования ГАЛС и Ш раэлитаых структур „

ФункционЕроганиз гибкого технологического комплекса сборочного производства гак единого цзлого воамоано только на основа ТЮС с разветвленной, иерархически построенной структурой, вялвчавдей э себя пять уровней: сборочного производства, цеха, участза, ГАЛС, ЯС. В работе рассмотрена структура ТНЗС в цело:! 5! годоязгм осноенцэ оз элементы, которые необходимо учитывать пря коязлкрог&наи.

Особое ВНЮЛНК9 в работб уделена сисгештязацим компонент понятия "габкасть" и {акторов на нее влияких. Данные исследования, вшолнешшз га основе аналитического обзора литературных источников,.-поэвоетка коикротиэвргвать 1сруг задач, решаемых э диссертации;" а определить еэ цель. В ц^лом результаты работы связаны со кнопшя коипонактамя понятия "гибкость", однако а гоиболмкЗ степени они призваны обеспечить »щбность резервирования, вреааипуо и, частично, аппаратную, являющуюся соотавдя-виэй структурно-оргонкзащюняоЯ гибкости, а такав динаиичеснуо, пходггоуп а соотав технологической гибкости.

Проведенный в работе анализ теоретических исследований касается не только сборочных систем, а эообше многофазных систем с накопителями (временным резервированием), аппарат моделирования которых может быть применен и к сборочным системам.

Рассмотрены особенности сборочных систем:

- ГАЛС представляет собой систему, состоящую из сходящихся потоков, интенсивность каждого из которых зависит от интенсив-ностей остальных (необходимым условием сборки узла является наличие всех его компонентов на выходах материальных потоков,сходящихся к узловой ЯС, причем невыполнение втого условия хотя бы для одного потока приведет к блокировке всех остальных);

- наличие значительного числа иерархических уровней, взаимосвязь между которыми необходимо учитывать (вертикальные сяя-аи), вызывающих необходимость информационной согласованности математических моделей;

- взаимовлияние элементов друг на друга внутри одного иерархического уровня (в частности на степень заполненности каждого из накопителей, от которой зависит надежность и производительность сборочной системы, влияют среднестатистические заделы во всех остальных).

Выявленные особенности сборочных систем и проведенный обзор теоретических исследований позволили выявить недостатки существующего аппарата моделирования рассматриваемых систем и сформулировать требования к моделям, разработанным в диссертации.

На основе аналитического обзора теоретических исследований, а также на базе многоаспектной классификации и анализа ШЮ,ЯС, ТНЗС и систематизации компонент понятия "гибкость" сформулирована цель исследований, указанная выше.

Для достижения поставленной цели необходимо решть следующий комплекс задач:

1. йазработать концепцию математического описанля многопо-точньк автоматизированных сборочных систем.

2. Оортлигсгать постанови}' задачи математического описания и построить модели функционирования одно- и многопоточных сборочных систем произвольной структуры в стационарном и динамическом режимах.

3. Для случаев, а которых не допускается предположение о простейшем характере потоков случайных событий, действующе в сборочной системе, разработать модель повышенной адекватности.

4. Исследовать взаимодействие элементов верхнего уровня иерархии, какими являются ГАЛС и АС, для различных режимов функционирования, на основании чего определять действительный фонд рабочего времэни ГАЛС.

5. Получать обобщенный критерий оптимизации показателей ГАЛС и рассмотреть возможные виды ограничений, накладываемых на параметры линии, ка основании чэго осуществить фс реализаций постановки и решить комплекс задам параметрической оптимизации.

6. Разработать модели накопителя и ЯС произвольной структура кр.к для сдучая приемлемости допущения о простейшем характера действуших а них потоков случайных событий, так и при отказе от него. Модели дожни обеспечить определение не только их коэффициентов готовности и интенсивностей суммарных потоков отказов й зосст*новлений рассматриваемых илеиентов в целом, но я функции,распределения времени ш?зду событиями э указанных потоках. Это обеспечит информационную согласованность подученных моделей о моделями ГАЛС.

7. Провести ОЕСПвркмвнтпльныв исследования складского комплекса а ГАЛС, а та же ииит&циокноэ моделирование процессов {ункциочированил последней, для подтворадения правильности по-

лученных теоретических результатов.

8. Разработать на база построенных в диссертации математических моделей алгоритмы диалоговой программной онстеш,, обеспечивавшей САПР гибких сборочных систем с учетом всея уровней иерархии.

9. ¡Заработать методы расчета и моделирования динамики вле-ыентов нижних уровней иерархии (устройств для высокоскоростной сборки резьбовых соединений, цифровых и шаговых дискретных пневматических приводов, а также манипуляторов, построенных на

основе, позволявших создать целую гамму Ж) для определения их быстродействия н конструктивных параметров, являющихся исходными данными при использовании ДПС.

Вторая глава рвязана с созданием комплекса математических моделей ГАЛС. Предложена обсая концепция штекагического описания многопоточкых сборочных систем, которая состоит из ряда процедур и заключается а следующем.

1. Выло- 1яется модульное описание еяеыентарных объектов ь& всех уровнях либо без учета влияния остальных, либо о учэтои ограниченного влияния ближайших. , .

2. Производится учет взаимопроникновения накопительных зяе-ыентов из одного модуля в другой, т.к. они должны работать как на прием, так и ш выдачу продукции, т.е. совместно о предыдущими и послвдуюмми модулями.

3. Используется многократно повторяющаяся иерархическая

я

итерационная процедура расчета, начальное приближение для которой дает первый пункт. Итерационная процедура.верхнего уровня включает процедуры всех июнях уровней. Этот прелагаемый в работе метод в дальнейшем называется методом вложенных итераций. Он даст возможность, сохраняя общность и системность в ^тематическом описании, стыковать к рассматриваемой структуре сопряженные части, входящие в высшие уровни иерархии. Это

делает систецу моделирования открытой, имеганеЧ возможность расширения. Он позволяет разрешить противоречие между модульным описанием составлявших элементов системы и учетом их взаимовлияния друг на друга.

4. Осуществляется возврат и декомпозиции системы на отдельные модули лссло определения среднестатистических заделов продукции (длин очередей) в накопительных элементах всех уровней иерархии „

Несмотря на многообразно сбороч-шх производств ГАЛС мсет:о представить как систему, состоящую из сходятахся потоков, что органично соответствует указанному процессу объединения деталей в подуряй, узлы и т.д., причем ыатеттяческутз модель такой линии необходимо строить с точки эрения системного подхода, предполагавшего учет взаимовлияния всех ее элементов друг на друга.

Предшествовавшая моделированию формализация постановки задачи основана на структурном анализе многг-'оточных ГАЛС ('¿ГАЛС), гоказаваем, что ее структуру можно представить состояией из узлов, затаэй и участков ветвей (далее просто участков). £ даяь-нейаги при моделировании ЫГАЛС использовался разработанный в диссертация метод вложенных итераций: внешняя - между узлами, промежуточная - мевду ветвями, иугрешмя - ме^ду участками. Для спасания взаимосвязей между елоиснтами ЫПАЖ раскрыты введенные понятия: узлов; узловых ПС, ветвей, являвшихся однспо-точныаи ГАЛС (ОГАЛС); участков ветвей».

Участот ветвей, как и сака ветви, подразделяются на основные, содержание ЯС и иредвдлзий накопитель, и сопряженные,состояние йэ ЯС и последуют го накопителя. Таким образом, каждая ЕС я ЕЗЦ5ЫЙ накопитель входят в ч основной, и в сопряженный учаоток.

Центральным является вопрос определения среднестатистических заделов продукции (длин очередей) в межоперационных накопителях, имеозшх ограниченный объем. Сложность данного вопроса заключается в том, что среднестатистические заде^ продукции в накопителях зависят не только от надежности и производительности всех ЯС системы, но и от среднестатистических заделов во всех других накопителях. Поставленная еадача решается с помотал метода вложенных итераций.

Для рассмотренных структурных единиц ИГАПС определены основные параметры и рассмотрены варианты стыковки различных структурных единиц МГАЛС друг с другом.

Модель ИГАХ базируется на модели ОГАЛС, структура которой, будучи приведенной к нормальному виду, представляет собой последовательно соединенные через накопители ЯС. Остановимся на моделях участков ОГАЛС с учетом различной их структурной организации. Мо-чли рассматриваются на примере основных участков, т.к. для сопряженных участков они аналогичны. Структуры участков и графы их состояний представлены на рио. I. Вводилось допущение о простейшем характере потоков случайных событий «действующих в системе. На рис. 1,а представлена структура основного участка, а на рис. 1,6 - сопряженного; ка рис. 1,в - граф состояний участка при условии абсолютной да неясности накопителя; на рис. 1,г - при условии невозможности одновременного отказа накопителя и ЯС и передачи объектов сборки с ЯС к^ ЯС только через накопитель; ка рис. 1,д ~ при условии возможного одновременного отказа ЯС и накопителя С продолжавший работать ¿о время отказа ЯС накопитель,за счет имешегося задела продукции в нем, может откавать). Для последнего случая рассштривались два варианта передачи объектов сборки с ЯС на ЯС: через накопитель и минуя его. 16

Возможные состояния на графах: -к-к ЯС исправна, /(• -а накопитель яспрввея, продукция накопителем принимается;

- ^ -я ЯС неисправна, но продукция Л" -и накопителем принимается, т.к. он исправен и в нем есть свободные места; -к -я ЯС неисправна, Л -Я накопитель исправен, но продукция им не принимается, т.к. в нем нет свободных мест; - к -я ЯС исправна, к -й накопитель неисправен; - / -я ЯС неисправна, к -й накопитель неисправен.

Обозначения на графах: -Як0), интенсивности пото-

ков откавов и восстановлений к -й ЯС соответственно; ЛКал ,

- интенсивности потоков отказов и восстановлений к -го накопителя; ^л« - интенсивность потока прекрапганмя работы к —го накопителя_.при_его наложении.

Рйб; I. Структуры и графы сосцо тний участков ветвей

мгллс

Ковффициенть готовности участков определялись на основании составления и решения уравнений состояний для рассмотренных .графов«..

Далее определяется интенсивности потоков прекращения работы какопшгвлей при их наполнении (гля основных участхов) м при

опорожнении {дл® сопряженных) - 2кы , 2для чего используется итерационная процедура, ОГАЛС рассматривается как многофазная система, состоящая из одноканальных систем 'чссового обслуживания (СЮ) с ограниченными очередями, обозначаемых по номерам входят тс в них накопителей (накопители обозначаются по номерам последующих ЯС). При определении параметров потока заявок (продукции) и обслуживания ка СШ учитывается функционирование всех ЯС ГАЛС: для лотоха ааявох - стоящих до соответствующего накопителя; для потока обслуживания - после него.

После того, как определены интенсивности потоков заявок ut и обслуживания по известной зависимости для указан-

ных; СМО определяются средние длины очередей в накопителях и средние времена их наполнения и опорожнения. Последние в сваю очередь позволяют определить интенсивности Jj^ , Далее определяются ковффицкент готовности линии и ее производительность.

При моделировании МГАЛС используется метод вжхенных итераций. Енешняя итерационная процедура (по узлам) производится следующим образом. На нулевой итерации рассчитывается каж-. Вый узел отдельно: определяются его коэффициенты готовности к приеиу (р выдаче продукция, а также время обслуживания. На последа» тах итерациях рассчитывается каждыГ на узлов, но уже с пристыкованным к их входам и выходам остальными частями МГАХ, содержащими все другие узлы, параметры которых берутся о предыдущей итерации. Эти части, как укааывалось-нвьапе, заменяются эквивалентными злемантами. Таким обрезом, при расчете каждого узла учитывается влияние ка него всех остальных. После того, как рассчитаны параметры узлов, определение параметров всей ПРАЙС не вызывает трудностей.

Промежуточная итерационная процедура производится по ветвям узла при условии, что параметры присоединенных к входам и 10 _'•■-.■■.-.'••■'-.'

выходу уз та тастей МГАЛС остаются без изменения (они изменяются на ¿"заовкс мтерацякя)» Влияние ветвей друг на друга учитывается чзргз их влияние m уэловуо fiGs при расчете любой из ветвей seo осталыше заменяятся одним эквивалентным элементом, присоединенным к 8С.

Внутренняя итерационная процедура (по участкам) подробно описана при рассмотрении модели ОГАЛС.

Рассмотрен тагае" я другой (уточненный) метод стыковки участков, ветвей я углов, основанный из. ыатодо свертки. Приводится пример расчета UTAüC ы оценка аяилнит магистральный кагал гсаомогател&иых еотеой.

Возио—w случаи, при которых кезду cocewmici накопителями расположены несколько ЯС, а также Еарианты.при которых участки ыезду сосэдшкя Ш ямеззт аппаратное резервирование. Предложены бгэтоды, позеоляэкие саменить эти участи» одним обзбшенным ЯС и привести ОГАЛС к нормальной структуре, состоящей из последовательно соединенных через накопители ЯС, что позволяет использовать рассмотренные вьаае подели.

Параметры,определенные для ОГАЛС, являвтоя исходными для ШШС, чем обеспечивается иерархическая подчиненность в «ате-гатаческих моделях.

Вогиокны варианты МГАЛС, в которых потоки енччзлз расходятся» а потом сходятся. Расчэ? параметров такой структуры несколько отличается от рассмотренного шва, но таете бааируотоя in методе-вложенных итераций. Решение ослаблено двумя

иомеитшв: параллелышэ вотвя начинается и заканчиваются нако-питояист; о накопителях указанных ветвей содергится равное количество продукции (особенность сборочного процесса!. Для устранения указанных трудностей введено понятие сопряженного утастка (ввтвя), начинающегося и заканчивающегося накопителем,

я построена его модель. Кроме етого вводится один уровень итераций, обеспечивающий необходимое резрвженве потока0 поступающего на ветвь, содержащую больше® количество продукции в своих накопителях. Эта итерация продолжается до тех пор,пока количество продукции в параллельных ветвях не сравняется.

. Важным аспектом анализа процесса функционирования ГАЛС является исследование переходных режимов, вводилось допущение! средние длины очередей в дакопителях ГАЛС являются постоянными, соответствующими стационарному режиму, т.к. предполагалось, что при запуске нового изделия заделы продукции со склада поступает в накопители, а их количество в АС определяется стационарными процессами. Рассмотренное допущение позволяет перейти к декомпозиции ГАЛС (нумерация накопителей производится по номерам предыдущих ЯС). Функция готовности ГАЛС равна

где , Кг О) - функция готовности к -го сопряжен-

ного участка, м последней в линии (/7 + 1)-й ЯС. Рассмотрены случаи, соответствующие гра$ам участков, представленных на рис, I. Функции готовностей участков находились на основе составления и решения операторным методом систем линейных дифференциальных уравнений, соответствушиг состояниям графов.

Для графа, представленного на рис. 1,д (обадй случай)

+«к

Вероятности состояний в области изображений имет вид л)* /у,-* * — V пй/1 к*

ГО« Л*. • • $Ко, • - •• - постопнныэ жо®ф$кциенты, заансяяиэ о* параметров ЯС и накопителя; -оператор •Яап.-аса.

С поыояьа решения беррари определяется корни знаменателя в выражение разтагается на правильные дроби методом неопределенных коэффициентов:

Обратное преобразования Лапласа имеет вид ^ ' Нк-о /?,Щ />,, (¿)- г*; .

^ Р*,(*)-АК(*е ' ак * е^ Ч/

' А*, * е'^%-

*л<о, Pt.it) - А,;

* ь т.:

Вцравонве для . аг (V у. как для олеизгаа, имеяайго два факторных состояния, известно из яэтаратугы. Таким образом, функция готовности ГАЛС определена. Для остальных случаев функция готовностп ГАЛС определяется аналогично.

Бычзсляотоя производительности ГА&С, определяемые по динамической и стационашой моделям, а соответствующие им объемы продукции ва промежуток времени Т, а также относительная погрешность расчетов по указанным тдеилы, которая равна:

Это выражение позволяет оценить границы применимости стационарных моделей ГАЛС.

При построении модели ГАЛС поливенной адекватности в работе предложено аппроксимировать реальные законы распределения отказов и восстановлений оборудования на простейшими, а обоб-кенными вакэн&мя распределения Зрланга второго порядка со смешением по двум первым корреляционным моментам. Это потребовало использование аппарата теории подумарковских процессов. Следует отметить, что общий методологический подход к построению модели, основанный на итерационных процедурах, остается прежним. Иодеяь построена для наиболее распространенной етруж-турной схема ГАЛС, граф состояний участка которой представлен на рис. 1,г.

В результате использования указанной теории построен полумарковский процесс, который является стохастической моделью Л -го участка ветви ГАЛС. Найдены аналитические выраже-

а*

ния для вероятностей перехода и для средних времен »«• пребывания участка ГАЛС в каждом из состояний, на основании чего определено стационарное распределение пояумарковского процесса:

2 *

~ ~УП-— -~ - ■ \

/

_ *

т* •__Ро/ Ри % г_ ,

+ Ро» V

Получены аналитические выражения для определения времени наработки на отказ / -го участка ветви ГАЛС Т* и его коэффициента готовности Кг

г- -гРа *Р<» Пе Л ^

на основании которого определяются коэффициент готовности и производительность всей ГАЛС.

Кроме етого.для подумарковской модели модернизированы ета-иы итерационной процедуры, ;:озволяшей определять параметры потоков прекращения работы накопителей прл их наполнении и опоро-ете ни. ;

В вашшчение второй главы рассмотрено взаимодействие АС и ГАЛС в рентах раздельного я совместного функционирования. При етом использовались модели,рассмотрение ранее для анализа ГАЛС, чем обеспечивается общность методологического подхода при описания сборочных систем в целом. Получена оценка влияния •Еоеффициента готовности АС на работу ГАХ я определен действительный фонд рабочего времени последней.

Третья глава посвящена вопросам, связанным с оптимизацией параметров ГАЮ. Критерием выбора оптимального решения при параметрическом сянтезэ оборудования ТНЗС с учэтом гадегности ГАЛС слузят 1ИН1ЕСГМ приведенных затрат. С учетом специфкга рассиат-раваешх вопросов - снигенио вероятности отказа ГАЛС. еа счет временного резервирования, критерий опт!«аяьности давет вид

где Со , {/г - текуяае аатрати на повшен?« иатяшости ГАЛС и усорб от отказов ГАЛС. В работе подробно рассыогршы составляющие Со » Уг И получено развернутое выражение для определения % , которое можно представить в виде

-г- М ) +/хг -у

го« X , {/ - постоянные,не зависящие от величин /,, , Л( % М - объем I -го накопителя.

Запись первого слагаемого основана на взаимозависимости среднего числа продукции в ¿ -и накопителе от его ебьеш М , определяемой по модели, рассмотренной выше. В конечном счете оптимизируются только величины Л; , а значения объемов /V; определяются по укаванной модели. -

Постановка задач оптимизации производилась при наложении ограничений двух типов: во-первых, ограничения на параметру накопительных устройств, такие как суммарное число продукций в накопителях, возможное изменение объема каждого мисопитеяя,допустимые затраты на образование заделов продукции в накопителях; во-вторых, ограничения на показатели надежности ГАЛС, например, на гч коеф$ициент готовности Кг ,

Выделяя кэ общего критерия отдельные составляющие и накладывая рассмотренные ограничения на другие, ставятся ряж оптимизационных задач, которые рассмотрены вике.

При постановке аадачи выбора оптимальных объемов мажопера-цконнмх накопителей ГАЖ, обеспечивавших максимльный коэффициент готоеностк линии при ограничении ватрат на образованнее них заделов и ка максимальные объемы на копите лей ..критерий оптимальности образуется иа второго слагаемого [х^кгад] в приведенной формуле, хар&ктеривупаего убытки; ет откааовобо-руяовмия, а на первое слагаемое накладывается ограничение

где - максимально допустимое в качение затрат на образование ваделов в накопителях,

Выражение для критерия оптимальности и cam постановка задачи окончательно преобразуется к виду

У Х- */■ JL - А - . л - &

4- \ ¿4 - л w / О/ - "тггел-; -¿у --у, »&, ,

I v^ > '-J

* С^; rime* ; V; - «л,

где 4 „ , Ci - постоянные коэффициенты, зависящие

от параметров надежности ЯС и накопителей.

■ Предлагаемый в диссертации метод оптимизации основан на аппроксимации нелинейных гладких функций, какими являются дробно-рациональные функции, входящие сомножителями в рассматриваемый мультипликативный критерий, выражениям в виде степенной функции, имеющим» вид fa A *6i) . Сомножители мультипликативного критерия я аппроксимирующие степенные функции разлагаются в степенные ряды до третьих членов, после чего приравниваются коэффициенты при равных степенях и определяются параметры 4 ,4'» nt;. Посла аппроксимации целевая функция присбретаят вид

У*О(at /,i *6t )mi •

• - ft

При оптимизации полученной целевой функции о учзтом рассмотренного выше линейного ограничения на суммарное значение затрат при образовании заделов с помощь» метода динамического программирования получены аналитические вырежекия для оптишльных значений и функций состояния ti для каждого t -го шала, имеющие вид;

аде - параметр состояния на I -м шаге.

л

Дэлее определяются по известным Л^, величины объемов ш-*

копителей /С,- и проверятся налагаемые на них ограничения.

' При невыполнении ограничения для какого-либо накопителя ограничивается величина соответствующего к расчеты повторяются.

Проверка предложенного метода оптимизации производилась численна с помощью градиентного метода оптимизации.

Частики случаем рассмотренной аадачи является спредоле-' ниа максимального коэффициента готовности ГАЖ! при ограничении ш суммарное число продукции, гаходяздяся в накопителях

гг ■ •

• линии:

Обратной в поставлсжыи сздлзтся еадата кгкцазацна га-* трат на содерваниэ заделов продукщда в иаюотгго&х: ГАЛС при условии обеспечения еаданной пропзводэтздъноста. Б датой случае первое слагаемое форзухз обгэго щтеряя оп-

тимизации, характеризуемо затрат па хрангаяэ и образогакаа задзлов продукция в ваккштздлх, прашазтся га цзлзвуз .цна>, & на второе слагаемо наювднваэтвя ограначзике! '

и*,я*™

- й'Мф'***;

В данном слутае, как н в предыдущем» дробно-рациональные сомножители а^ультшлякатишой ваша имооти аппроксимировались степокной функцией. Задача реоалась о использованием метода множителея Лагранга. Аналитические вырекения для определения оптимальных значений заделов проекции а накопителях и для множителя Хаграняса имеют вид

/ -^¿а^к . / / /га,., / ^ '

■ • - ¿дат/ •

В работе приводятся приыеуы расчетоз для всех поставленных задач оптимизации.

Четвертая гллад посвяиена вопросам, евдаанным с моделированием процесса функционирования ячеек сборки и накопительных влеме! тов0 являхшется более низким иерархическим уровнем по сравнение с ГАЮ.

Проведенный в первой главе анализ компоновок ПС позволил построить обобщенный граф состояний для ячейки произвольной структуры, включающей произвольное количество бункерно-загру-. 8очных устройств (БЗУ) о подающими лотками (ПЛ), манипуляторов (М), технологических устройств (ТУ), отводящих устройств (ОУ) и т.д. Полученный обобщенный граф описан системой ¿-равнения, позволявшей определить вероятность каждого из состояний, после чего ЯС в целом заменяется зквивалентным элементом, имеющим два сс гояния! отказовое, рабочее. Полученные интенсивности отказов и восстановлений еквивалентного влемента являются исходными данными для модели ГАЛС. 3 ету да модель подставляется время сборки уала на ЙС, определяемое по циклограмме. При математическом описании вводилось допущение о простейшем характере протекающих при функционировании ЯС случайных процессов, что ограничивает его область применения, для расширения которой создана модель повышенной адекватности, основанная на подушр-

ко во кой «одели, рассмотренной вше для ГАЛС.

Как и ранее, рассматривается ЯС произвольной структуры. Так как производительность БЗУ значительно повышает производительность всех других влементов (М, ТУ и т.д.), то при заполнении ГШ определенным количеством деталей БЗУ отключаются (если „ЗУ не отключаются, то ПЛ полностью заполняется деталями н остаются в этой состоянии). Указанное обстоятельство позволяет заменить БЗУ и ПЛ одним елечектом, содержащим накопитель с по-стоянньм временным резервом, который в дальнейшая называется устройством выдачи деталей (УВД). После осуществления такой за-• мены при определении козффициента готовности ЯС в делом используется последовательная схеш для определения надежности. Таким "образом, при допущении о независимости Акционирования указан-.ных элементов, коэффициент? готовности ЯС равен

/У »"Ж ^« ^

где а у; „ л^. , кг{ „ - ковффициенты готовности олеыен-тов, входящих в ЯС. ■ , -

В работе рассмотрено -пределаниа козффициштов готовности . • для двух типов элементов: не содержащих временное резервирование (М, ТУ и т.д.) и содержащих его (УЗД).

Модель УЗД рассмотрена на основании графа состояний,аналогичного представленному для участка ветви'ГАЛС на рис.х2,г. Реальные ваконы распределения, как и ранее, аппроксимируются обобщенными аакокацк Эрланга второго по редка со езгзвзнием, Отличием является то, что время претсраееная работы Ш1 (накопителя) щ его опорожнения в случае отказа БЗУ'(т.е. переход из состояния в ). еоть постоянная величина ¿V » ваиисявая от количс етва деталей в. лотке и длительности рабочего цикла Ш. Построй ' •28 • ■

«энная пояумаркозская модель ЯС позволяет определить вероятности • парохода вложенной цепи Маркова (ЕЦМ), средние времена пребывания а состояниях, условные вероятности перехода, функции и плотности распределения времен пребывания о состояниях. Стационарное распределение полуиаршгвекого процесса и наработка на отказ ЯС определяются такяе, как и для участка ветви ГАЛС. Рассмотрен вариант абсолютной надежности ПЛ.

Коэффициента готовности устройств, нэ содержащих вреыенное резервирование, рассмотрены на примере манипулятора, для которого определен коэффициент готовности на'оокове использования того ае аппроксимирующего закона, что н ранее.

Особый интерес представляет определение функций распределения г-езду отказами и восстановлениями как отдельных элементов, так я ЯС в целом, т.к„ эти функции являются исходными данными для полумаркоэсхой модели ГАЛС. Функция готовности и функция • - распределения времени между отказами ЯС имеют вид

где /7 - число элементов, входящих в ЯС{ р/С*) - функция распределения времени меаяу отказами у г -го элемента ЯС.

¿ложность представляет определение функции распределения времени кежду отказами УВД. Сна определялась для случаев, когда Ш1 обладают абсолютной надежностью и когда не обладают ею (графы, представленные на рис. 1,в,г), на основе систем интегро-дифференциальных уравнений.

Для случая абсолютной надежности

| (Ко (±-и)е/Р„ (а) * (¿)

Для случая конечной надежности

' /П, {*)~J * К, (* (и) Ро> (*)

где

О

K,(¿)- функции распределения времени пребывания ь^рховского процесса во множеств® работоспособных состояний с началом в состояниях и , соответственно,

В последней случае выражения для получить

крайне словно. Однако для определонного класса оадач, когда поено пренебречь смешением, введенным в аппрокснмирутеио ваконы, , ©Ti задача решена. Выражения для функций в области изо-

бражений имеет вид!

' . - для случая абсолютной надежности ПЛ

- для случая конечной надежности ГШ

г /.\ А . За*С 2>S'*£J**FJ * &

Все величины, входяинв & приводвншз формулы,, кроме опара-< тора Л , являются константами, вависяаими от параметров иа- • девнооти УВД. Переход от изображения к оригиналу осувествляет-оя по формулам, аналогичным приведенным ранее при рассмотрит» вопросов, связанных с пароходными процессами в ГАЛС.

При определении функции распределения вреиени ыагду восста-. новдениямн УВД использовался следующий подход. По известные функции распределения времен восстановления БЗУ и Ш и ртаца-онарнацу распределен;«) ПШЗ определялись ттештичэскае «заданно и дисперсия времени между событиями в сукшрном потоке восстало® лзнмй УВД. лее, как и раиыае, реальная функция распределения времени восстановления суммарного потока шшрокоимиро-, валась до найденным математи':эскоцу ожиданию и даапэрсии.уга-' • ЭО

ванным законом Эрланга. Таким образом УВД представлялось элементом, имешим два факторных состояния: исправен, неисправен.

После зквивалентного представления УВД, ЯС содержит только елементы, имевшие два факторных состояния, поетоцу она описывается графем, соответствующим последовательному соединению элементов, при котором выход из строя одного елемента влечет за собой выход из строя всей Ж. Для данной системы построен ШП и определены математическое ожидание я дисперсия времени между событиями в суммарном потоке восстановлений ЯС в целом. Далее определяются параметры аппроксимирующего закона Эрланга. Следует отметить, что рассмотренная процедура потребовала использования численных методов. На етом математическое описание ЯС, к,к элемента, входящего в состав ГАЛС, заканчивается.

Математическая модель накопительных влэментов разработана для распространенного типа - стеллажного. Описиватеаий их граф состояний построен для одного из наиболее сбютс случаев, каким является, в частности, автоматизированный склад. Для представленного графа составлена система уравнений, решение которой ределяет вероятности состояний и, как следствие, коэффициент готовности. Так же, как и ЯС, накопители и АС заменяются вкви* валентна« элементами, имевшими два факторные состояния.

Для случаев, когда потоки отказов элементов накопителя (АС) не являются простейшими »л» времена их восстановлений не являются вкспоненциаяьными, предложена полумарковокая модель. Она основана на упроиеняи указанного графа состояний и приведении его х схеме, соответствующей последовательному соединению элемен.ов, позволявшей использовать полумарковоку» модель, рассмотренную ранее для ЯС.

Пятая глава связана о вопросами експериментальных исследований и! имитационного моделирования элементов сборочных си-

стеи. Доводимые исследования имеют целы» подтверждение адекватности полученные математических юдолей. По своему характеру экспериментальные исследования являете« пассивными, а ими-

■ т&ционное моделирование - активным.

Экспериментальные исследования проводились на складе, плетшем краны ютабелеры (КШ) модели ТС-15, обеспечивающем работу линий сборки парораспределителей Р-80. Количественным ' измерениям предшествовало качественное исследование причин отказов Ш, позволившее определить основные причины выхода из строя КШ.и ориентировать соответствующим образом ремонтную

■ службу на устранение неисправностей.

В основе пассивного эксперимента лежит хронометров КИ„ пред* ставленный в виде наблюдательных листов. На их основе построены плотность распределения времени между откавами и вероятность ; ' безотказной работы КШ, а также плотность м функция распределе-. ния времени его восстановления. Проверка гипотезы подтвердила правильность предположения об експоненциальнооти полученных законов. Статистическая обработка результатов эксперимента по- . • вводила определить значения параметров исследуемых ваконов ра' определения, а таксе иовффициента готовности КШ.' Полученное * расчетное впадение ковффициента готовности с'использованием частной математической модели левит % доверительном интервале. Относительная погрешность отклонения составила £ * 1,69 %.

Экспериментальны» иооледованияГАЖпроводнлись на линии, сборки парораспределителей Р~сЮ сети модификаций для гядроои-, стем автомобильной я траяторной техники. Иополмовалась-та хо Мвтодиш, что и при зксперщ|в)1»^си иоолвдова»Ш{ склада. ' Хрономвтрах кпопшлся дхя оснояного сборочиого обооупования лиши. В етом'-сфчае также подтверждена гипотеаа об »копонен-циальном распределении отказов * вооолновдечий к определены доверительные границыддя иследутамспараметров. Отяичитедь-

• .32 .'■ v v , ' v ■ ■ ' :.'•.. ;.•

ноя чертой етих исследований является экспериментальное определение заделов продукция а нехоперационньк накопителях. Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований показало, что относительная погрешность определения коэффициента готовности ГАЛС по разработанным математическим моделям составила 1,6 %.

Имитационное моделирование служит не только для подтверждения адекватности построенных [^тематических моделей ГАЛС, но и для оценки влияния на параметры линии вида закона распределения времени обслуживания (сборки деталей) на ЯС. Ка основе полного факторного эксперимента 2 »4^* 6//192 исследовалась линия, содерглцая четыре последовательно соединенные через накопители ЯС. Построено уравнение регрессии, включающее параметры: интенсивности потоков отказов и восстановлений ЯС, число мест в накопителях, среднее время сборки на ЯС. Потоки отказов и восстановлений элементов линии принимались простей-ыими, а время обслуживания полагалось регулярным. Последнее обстоятельство позволило оценить слияние законов распределения вр: мени обслуживания на параметры линии, т.к. сравнение производилось с аналитической моделью, в которой время обслу-. живания предполагалось экспоненциально распределенным (т.е. брались два крайних случал). Для полученного уравнения регрессии выполнена оценка значимости коэффициентов на основе ^ -статистики и проверена его адекватность в целом на основе Р-отношения. Оценка коэффициентов парной корреляции между коэффициентами готовности и среднестатистическими заделами проду-хции в накопителях, рассчитанными по имитационной ( а/- , х,- ) и аналитической 1> ¿г", моделям, приведена в таблице I. Полученные результаты, так же, как и окспериментальные исследования, 'подтверждают правитьнссть теоретических положений.

Таблица I

Анализ результатов иштационного модолирявания

Параметры Козфф.парной корреляции £ -статист.

АН А , - # Л> 0,934 75,72 Табличное

.ни .ли 0,977 63,50 чег-.ие

,иы А?} , л- л 0,973 55,02 Г, 9Г

0,762 1С, 12

Шестая глава связана с вопросами создания диалоговой программной системы и' моделированием элементов нижних уровней иерархии: гибких функциональных устройств (ГФУСЯ) и гибких элементарных модулей (ГЗл.СЯ).

Обобщением системных теоретических исследований является созданная ДПС, реализующая комплект математических моделей всех иерархических уровнэй сборочных систем, направленных на анализ' процесса функционирования создаваемых и эксплуатирующихся ГАЛС, а такие на ж параметрическую оптимизаций. При создании ДПС,являющейся инструментальной редой для конечного пользователя,решены следующие задачи: выполнена адаптация программных средств ' на язык наиболее близкий пользователю: организован интерфейс между программными компонентам;); разработана управлявшая программа, содержащая общее ыенв функция полученной системы и имеющая средства помощи.

Исходными данными для моделирования процессов функционирования ЯС являются параметры надежности и производительности ГСУСЯ и ШСЯ. Вопросы определения параметров иадеаности указанных устройств подробно рассмотрены в литературе, а также в машиностроите'лькых нормалях,« поатому а данной диссертации не рассматриваются, Ооновное внимание уделено вреизки орабаты-

вания П5УСЯ и гэхя, определяющее время сборки узлоз на ЯС. Исследованы следуюпие элементы: цифровые пневмоприводы (ЦП), колебательные шаговые пнеЕкоприводы (КШП), устроЛства для высокоскоростной c6opira резьбовых соединений» шар.-' ?ные манипуляторы на баге КЕП. Эти элементы позволяют создать сиро куп гамму манипуляторов v, ЯС и целом, поэволяших решать практически неограниченный крут сборочных задач.

При исследовании цифровых приводов разработаны методы их анализа и синтеза. Результатом анализа поворотных ЦП с наиболее распространенной структурой является -определение времени их срабатывания. Уравнения, списывающие динамику ЦП, были представлены в безразмерной форме, что позволила распространить результаты анализа на группу однотипных приводов.

Задача синтеза поворотных ЦП сводилась к выбору их требуемых параметров. Подход использовался тогяо, что и при их акал- -ээ - введение безразмерных параметров, позволяющих обобщить результаты, Проаеденныэ исследования позволили получить зависимости, определяющие наиболее рациональные соотношения основных параметров ЦП.

Построены флЗяческие и чатекатич^ские модели КШ линейного и поворотнрго действия, испольэуюше единый ттематкческий подход» Модели обеспечивает расчет дикашгш привода „ а следовательно, и его быстродействия в пределам одной дискреты. При постоянной нагрузка егого достаточно для определения быстродействия Ш1 оэ всем диапазоне перемзяеняйр а. при перемещай требуется последовательный расчэ? всох дискрет.

Следует стиэтить, что при моделировании шарнирных манипуляторов ка базе КМ! линейного и поворотного действия возникают определенные трудности, поэтому в работа приводится.их математическое 'описание.

Разработана модель процесса высокоскоростной оборки резьбо-

в ых - соединений. В предлагаемых устройствах,, основанных на предварительном разгоне винта, использован ударно-импульсный способ ватяхки. Процесс автоматической сборки резьбовых соединений ра. вбит на ряд этапсв,,для математического описания кпторtot разработан комплекс математических моделей, позволявший определять время сбооочного процесса и осуществлять выбор конструктивных параыетрор винтозавертываюиих устройств и режимов их работы.

Седьмая глава посвящена вопросам, связанным с промышленной реализацией элементов ГАЛС: дискретных пневмоприводов, построенных на их основе манипуляторов промышленных роботов,сбо-' рочных ячеек, транспортной системы и ГАЛС г целом.

Приводятся примеры практической реализации различных схеы-' кьк решений ЦП и Ш1, которые могу? быть использованы для соз-• дания широкого круга исполнительных устройств.

Вассдатрисаешз в данной главе модульные шнипуляционныэ механизмы обладает широкими йунхциональными возможностями «соответствуют требованиям, предъявлявши к шшпуляторам сборочных роботов. Представлены манипуляторы двух типов: варнирние ■ манипуляторы, работаете в ангулярной система координат, мани- пулягоры, возданные на основе ЦП, в большинства сдучаев в ци-' линдрнческой система координат.

Реализация ЯС представлена на приизрэ дзуг созданию ячеек, построенных на база ЦП, и устройатз едя юяокоакоросткоЯ оборки резьбовых соединений: ЯС для сборки узда "Плата диояеиf и ЯС для сборки узла "Колодка". йьзработйишй в работа рда яз-срвтычэских половшей каш« отражение яра конструкта иной реализации указанных кошлвкоов,- ' .

Дальнейшее, развитие конструктивного вопшввшш ЯС получило в предлагаемой конструкции оборонного центра, вшючаетего вдв. менты ГКЗС ГАЛС в целом. Приводится пример построения химии 36 • ' •

сворки приводного электромагнита гидроусилителя комбайна "Дон".

Вазработагажд практические рекомендации и их программное воплоиение» а также конструкции элементов, входящих в различные иерархические уровни ГАЛС, позволили повысить надежность, производительность и степень автоматизации сбороодых систем.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Общим итогом работы является создание теоретических основ моделирования многопоточных автоматизированных сборочных систем, которые позволили объединить широкий круг задач анализа и синтеза калуюго из входящих в указанные системы иерархических уровней. Комплекс информационно согласованных математических моделей обеспечивает учет взаимовлияния всех злементов друг на друга внутри каждого уровня (горизонтальные связи), а также взаимодействие уровней между собой (вертикальные связи). Результьтч теоретических исследований легли в основу ДПС проектирования ГАЛС, а также используется в качестве отдельных методик расчета при создании элементов конструкций сборочных систем. На их 'базе построен рад разделов учебных курсов по автоматизации производственных процессов в высшей шко-е.

Конкретные результаты формулируются следующим образом.

I, Критическое рассмотрение современного состояния проблемы создания многопоточных автоматизированных оборонных систем позволило выявить их иерархические уровни и создать в качестве методологической основы многоаспектные классификации ГАЛС, ЯС и ТНЗС, определившие основные типы их структур, взятые за базу при построении математических моделей. Проведен подробный анализ а систематизация компонент понятия "гибкость", позволившие конкретизировать круг вопросов, направленных на обеспечение гибкости резервирования (временного и аппаратного), динамической гибкости, а такжз гибкости расвирения.

' 2. На основании аналитического обзора теоретических кссле-доиший, касашюсся на только сборочных систем,, но и вообще многофазных систем с накопителями (временным резервированием), а таете с учетом рассмотренных особенностей сборочного процесса, выявлены недостатки существующего аппарата моделирования указанного объекта. Сфррмулировакы требования, предъявляемые и моделям,с учетом особенностей сборочного производства» Создана общая концепция штематического описания многопоточных автоматизированных сборочньк систем.

3. Разработан ыетод формализации структурного представления взаимосвязи элементов всех иерархических уровней многопоточной сборочной систеьш. Введен ряд параметров ш новых структурных единиц ГАЛС, кеобходиик для учота взаимовлияния елемз-нтов друг на друга, г пределах одного уровня И уровней меаду собой.

4. Построен рад штеьатнчзсгшх моделей длл стационарного режима функционирования одлопото-еше ГАЛС разяичназ структур, являющихся шогофазными систекал с временный резервированием. Предложены модели с учо"">м" аппаратного резервирования. Ш база разработанного метода вловешок итераций0 позволдаазго системно описать взаимодействие ийрархичоскнх урошей, а уакае

о использованием кодолга одоопоточных лшшй» построена «одела шогопото«шх ГАЛС различил: структур, ишбаяое харзх'герлая для сборочных лроцассоа. Вскра? механизм сзакмвлияния едзкоч-топ верхнего уровня иерархии, какими яшгкея АС к ГАЛС„ для, .различных разгадав фудацвмшршияя.. Оаредшаа двйсгаяйшнай фояд' рабочзго врзетга линии.'

б. Созданы иодошз функционарованЕЗ ГАЛС различила струн-тур в переходный резжьах, поавзюшио оврвдэлзш» «ашш параиз« трк, как время переходного профоса и функция готовности сяс»

ЗЭ • ;

темы. Указанные параметры служат для оценки гибкости линии при переналадке на выпуск другого вида продукции» а также позволяет1 оценить применимость моделей» разработанных дтя стационарных режимов.

6. Для случаев» в которых требуются более точные расчеты, не допускавшие предположение о простейшем характере потоков отказов и восстановлений элементов системы построена модель ГАЛС повышенной адекватности. Она использует аппарат полумарковских процессов и основана на аппроксимации по двум первым корреляционным моментам реальных законов распределения обобщенными законами Зрланга второго порядка со смещением, обеспечивающими .аналитическое решение задачи.

7. Получен новый обобщенный экономический критерий оптимизации показателей ГАЛС и определены возможные виды ограничений, накладываемых на параметры линии. Критерий и ограничении • в совокупности с моделями, разработанными во второй главе,позволяют осуществить постановку ряда задач параметрической оптимизации.

8« Разработан метод оптимизации целевых функций, представленных в виде мультипликативных критериев,, составлялшие кото-, рых являются нелинейными монотонными гладкиыи зависимостями, при линейном ограничении. Метод позволяет решить следующие задачи выбора оптимальных объемов межоперационных накопителей ГАЛС, обеспечивающих максимальную производительность линии: во-первых, при ограничении затрат на образование а них заделов; во-вторых, при ограничении на суммарное количество продукции, находящейся во всех накопителях.

9. Создай метод оптимизации линейной целевой функции при кзлинейном ограничении в виде мультипликативной функции, сомножители которой являются монотонными гладкими зависимостями.

На ©той основа решена задача обеспечения минимума затрат на содержание заделов продукция в накопителях ГАЛС при заданной производительности.

10. Разработаны модели функционирования ЯС произвольной структуры с учетом входяаих в нее алемеятсв временного резервирования. Они построены как для случая приемлемости допущения о лростейоеы характере действующих в ЯС потоков случайных событий (базовая модель), так и при отказе от него (модель повышенной адекватности). Модели позволяют определять не только коэффициенты готовности и интенсивности суммарных потоков отказов и вос-

. становлений ЯС в целом, во и функции распределения времени между событиями в указанных суммарных потоках. Последнее обеспечи-'вает информационную согласованность полученных моделей с моде-.лями ГАЛС.

11. Созданы модели накопительных.элементов: автоматизированного склада я ыежоперацнонного накопителя. Для них та кг,а разработаны базовая и модель повышенной адекватности. Последняя базируется на результатах, полученных при построения полукарковакой .модели ЯС. Как и описанные выше, порученные модага информацион-

, но согласованы с моделями ГАЛС.

12. Для подтверждения теоретических положений проведен пассивный эксперимент в производственных условиях на складской комплексе и на.автоматизированной линии сборки парораспределителей. Статистическая обработка данных позволила, провести с равнение теоретических н вкспвримзнтальных результатов, подтвердив адекватность построенный катештических моделей. Для ГАЛС сраа-нениа проводилось не только по коэффициентам готовности, но и по величинам среднестатистических заделов продукции в меяоперацяон-кьос накопителях. 1Ешолнен активный машинный екоперимент на основе имитационного моделирования, подтвердивший адекватность тео-

ретичесгаос результатов и позволивший оценить влияние на параметры линии вида закона распределения времени обслуживания (сборки деталей) на ЯС.

13. Разработана диалоговая программная систем для СИЗ? ГАЛС, объединяющая разработанные математические модели злемен-

! тов различных уровне» иерархии в единый вычислительный комплекс. Она является инструментальным средством, позволяющим создавать сборочные системы с оптимальным:: параметрами, что способствует повышению их надежности и производительности.

14. Получена матештичесиая модель, описывающая динамику процесса высокоскоростной сборки резьбовых соединений. Она позволила доказать возможность высокоскоростной сборки резьбовых соеди'-адиЗ, определять быстродействие устройств ее реализующих, а также выбирать их конструктивные параметры.

15. Построена теория моделирования и расчета динамики цифровых и колебательных шаговых пневмоприводов. Ока позволяет осуществлять их анализ и синтез. Созданы модели расчета динамики манипуляторов, построенных на основэ колебательных паговых пневмоприводов линейного и поворотного действия.

16. Теоретически» положения наши, конструктивное воплощение в различных техшчевккх решениях, позволяющих алпаратно реализовать элементы, входящие во все уровни иерархии, включая ГАЛС в целом: приводы« манипуляторы, ЯС, ТНЗС и др.

17. Разработанный комплекс програиыньк и аппаратных средств для расчета и конструирования ГАЛС и их элементов внедрен в производство с зкономячвоюсм зфрвктам 787 тыо. рублей в год. Рид теорег'ческих полажвняйи практических разработок внедпены а учебный процесс,

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЩУВДК РАБОТАХ:

1. Робототехнические системы б сборочном производстве/ Пашков Е.В., Погорелов Б.В., Карлов А.Г., Нопп В.Я. и др.; под ред. Пашкова Е.В.- К.: Бит шк.„ 1987. - 272 с.

2. Копп В.Я.Цнввиатические модульные манипуляторы в сборочном производстве. - U.s ВНИИТЭМР, IS89, вып. I.- 52 с,

3. Кош В.Я., Хария М.В. Позиционные пневмоприводы промышленных роботов. - К.: Обдество "Знание" УССР, 1983. - 20 с.

4. Орел В.В., Копа В.Я. Повышение эффективности гибкого сборочного производства. - К.: Общество "Знание" Украины, 1991.23 с.

5. Копп В.Я. Математическая модель цифрового поворотного пневмопривода// Приборостроение. - К.: Техника,1981,- вып.ЗО.

- с. 44-52. ' ,

6. Погорелов Б.В., Карлов А..Г., КСпп В.Я., Поливцев В.П.

. Использование метода етробофотографирования дяя исследования саганов движения объектов роботизированных сборочных комплексов/ Тр. 11-ой Всесоюзной .'межвузовской научно-технической конференции "Робототехничеокие систеыь.", '-T.-J. - Киев, 1980, с. 24-29.

7. Пайков Е.В.» Кош В.Я. Позиционное демпфирование приводов поворота продашлокных роботов и манипуляторов// Приборостроение. - К.! Техника, 1980. Вып. 30. - е.. 19-23.

8. Шеков Е.£., Кош В.Я., Vaiyxisn Г.Г. Электромагнитный порошковый детфар прошзлшного робота с позиционным. управлэ-кием// Приборостроение. - H.í Техника, 1981у шя. 30.- 62-56 с.

. 9. Когш В.Я.» Погораяов Б.В. Дшагшка цифрового поворотного пневмопривода 1&шпулитора//Вае?ш!К каЕИкоотроаюя, 1982, Т» 2.

- с. 31-13. ' '

10, Копп.В.Я. ^Goropojios Б.В. О демпфирования цифрового"по-...

_ воротного гаюаиопряпода шнипулятора// Приборостроение. - К. г

Техника, 1982, вып. 32. - е. 39 - 45.

11. Поливцев В.П., Копп В.Я. Высокоскоростная оборка резьбовых соединений// Вестник мапиностроения, 1986, 9 2. -с.45-47.

12. Поливцев В.П., Копп В.Я. Особенности дик деки сборки резьбовых соединений// Автоматизация сборочных процессов.-Рига: Рияск.политезр'.ин-т, 1967. - с. 70-76.

13. Копп В.Я., Карпенко В.А., Харин И.Б.-Пневматические шарнирные тнкпуляторы сборочных роботов// Механизация и автоматизация производства, 1937, № I. - с. 22 -с24.

14. Копп В.Я, Поливцев В.П.,. Карпенко В.А., Рапацкий D.H. Гибкая автодатизировадаая линия сборки// Механизация и автоматизация производства, 1968, * 7. - с. I - 4.

т\ Копп В.Я., Виленчик Д.В. Моделирование процесса функционирования гибкой автоштиаированной линии сборки. M IniBrf?. Wiss. Kaff, ГН Убттепа^ vartra#sr-&A&7 34 /sà

"AidomattSi£f?£. I/o/? Präiisionsgewffy, '.

16. Копп В.Я., Орел B.B. Выбор объемов мекоперационных накопителей в гибкой автоматизированной линии/ Тез.дскл. конференции "Автоматизация механо-сбороодх процессов в машино- и приборостроении", - IL, 1989. - с. 78 -

17. Поливцев В.П., Копп В.Я, Карпенко В.А. Автоматическая сборка о инерционной ударно-импульсной затяжкой резьбовых соединений// Механизация и автоматявация проивводства, 1989, » 6. - с. 5 - 7.

18. Харии И.В., Копп В.Я., Карпенко В.А. Колебательный шаговый пневиопривод линейных перемеяений// Механизация и автоматизация производства, 1987, » 5. - с. 16-19.

19. Копп В.Я., Орел В.В., Рапацкий БД. Экономяко-матема- ' тическая модель гибкой автоматизированной линии сборки/ Тез. докл. S Всесоозн.ооветние по робототехниче-ким системам.- И.,

1990. - с. 24 - 25.

20. Копп В.Я. Математическая модель функционирования многопоточной автокатиаированной линии сборки// ¿¡еханизация и автоматизация производства, 1990, № 11, - с. 31 - 34.

21. Копп В.Я., Карлов А.Г., Орел В.В. Транспортно-нахэли-тельная система с автоматизированной линий сборки электронных

Подьешо-транспортная техника и складе, 1989, $ 5. -

с. 9 - II.

22. Копп В.Я. Полукарковская модель гибкой автоматизированной линии сборки/ Севастополь.: СШ, 1991, - 16 е.- Дчп. в Укр:ЖШТИ, » 282 -Ух 91.

23. A.c. 744150 СССР. Привод дискретного действия. - БИ, Й80, »24. ' •

24. A.c. 745671 СССР. Модульный привод вращения. - БИ, 1980t № 25.

25. A.c. 748046 СССР. Дискретный поворотный лривод. - БИ, 1930, » 26.

26. A.c. 750145 СССР. Позиционный привод, - БИ, 1930, )? 27.

• 27. A.c. 754126 СССР. Модульный позиционный привод юницуяя-тора. - БИ, 1930, »29. •

28. A.c. 756090 СССР. Поворота^ позиционер. - БИ, 1930, J,"3ü.

29. A.c. 757779 СССР. Ловороггшй позиционный привод. - БИ, 1980, .V 31,

30. A.c. 758532 СССР. Кодуяы&Я привод поворота. - БИ, 1930,

Ь' 37.

31. A.c. 610479 СССР. Оцкг »шпулятора. - Б11» 1981, Я 9.

32. A.c. 1033220 СССР. &ксту»?уор модульного - Ш1, Ш »32. ' '

33. A.c. 1038602 СССР. Поворотный позиционный приоод. - Ш, ,1983, № за.

44

34. A.c. 1049193 СССР. Виброгаситель динамический. - БИ, 1983, » 39.

35. A.c. Г093538 СССР, Манипулятор модульного типа.' - БИ, I9B4, № 19.

36. A.c. II94668 СССР. Звено-модуль руки ¡.ал::пулятора. -БИ, 1985, № 44.

37. A.c. 1224473 СССР. Электрсшрвттический дискретный преобразователь. - БИ, 1985, J? 14.

38. A.c. 1263523 СССР. Привод манипулятора. - БИ, 1986,!» 33.

39. A.c. 1311908 СССР. Сборочный центр. - БИ, 1937, }? 19.

40. A.c. 1316812 СССР. Исполнительный орган манипулятора. -БИ, 1907,22.

41. A.c. 1324641 СССР. Привод поворота преимущественно для звеньев манипулятора. - БИ, 1937, № 27.

42. A.c. 1397278 СССР. Модуль руки манипулятора..- БИ, 1913, № 19.

43. A.c. 1404334 СССР. Сменное захватное устройство. - БИ, 1988, № 23.

44. A.c. 1442393 СССР. Модуль манипулятора. - БИ, 1988, JM5. •

45. A.c. I504003.CCCP. Устройство для обработки нежестких" деталей. - БИ, Í989, № 32.

Сдало в набор 03.04.92. Подписано в печать 31.03.92. Формат бумаги 60x90 X/Z6. Бумага тип. ff g. Офсетная печать. Тиран 100. Заказ № 54 Ш СШ, Севастополь, ул. Рогоза» И