автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение производительности функционирования автоматизированных технологических систем путем моделирования и оптимизации технических решений



На правах рукописи

Проснева Марина Кузьминична

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПУТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Специальность 05.13.06. - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 А янв

Москва 2008

003458836

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «Станкин»

Научный руководитель:

доктор технических наук Митрофанов Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шварцбург Леонид Эфраимович

кандидат технических наук Корьячев Анатолий Николаевич

Ведущее предприятие ОАО «Сафоновский

электромашиностроительный завод»

Защита состоится « {{ » _февраля_ 2009 г. в часов на

заседании Диссертационного совета Д 212.142.03 ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета «Станкин» по адресу: 127055, Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета «Станкин».

Автореферат разослан «¿¿у » _декабря_ 2008 г.

Ученый секретарь Совета Д 212.142.03, к.т.н., доцент Семячкова Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одна из важнейших задач машиностроения -автоматизация мелкосерийного и серийного производства, объем продукции которого достигает 70 -75% от всего объема продукции машиностроения. В традиционном производстве она практически не поддается решению. Необходимыми оказались качественно новые технические решения. Толчком для таких решений стало развитие микропроцессорной техники, обусловливающие возможность применения гибкой технологии изготовления, реализуемой в автоматизированных системах.

Вместе с тем, затраты на создание автоматизированного производства велики, они исчисляются миллионами долларов. Поэтому очень важной задачей является оптимизация на всех этапах, а именно, проектирования, изготовления, эксплуатации автоматизированного производства. Только такой комплексный подход к определению технологии подбора и изготовления деталей, состава и структуры системы, а также к управлению ходом технологического процесса изготовления - единственный путь оптимизации затрат на создание и эксплуатацию автоматизированных производств.

Цель работы. Данная работа направлена на определение путей повышения эффективности изготовления деталей в автоматизированном многономенклатурном производстве, предназначенном для изготовления корпусных деталей средних размеров.

Методы исследования. Теоретические положения технологии машиностроения, теория иерархических структур, бинарные отношения, системный анализ, теория оптимизации.

Научная новизна работы заключается в:

- моделировании процессов проектирования и функционирования автоматизированного производства;

- установлении взаимосвязей между этапами проектирования, изготовления и эксплуатации автоматизированного производства;

- определении необходимого и достаточного количества информации для проектирования автоматизированного производства и установления информационной структуры баз данных.

Практическая ценность заключается в создании методического обеспечения проектирования основных элементов автоматизированного производства, предназначенного для обработки корпусных деталей.

Реализация работы. Научные результаты исследований были использованы при выполнении научно-исследовательских работ по договорам между Альметьевским государственным нефтяным институтом и Бугульминским механическим заводом.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседании кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГТУ «Станкин», на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2006), на Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и контроль» (Тольятти, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и результатов, списка литературы из 76 наименований, изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 14 таблиц.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В первой главе проведен анализ широкого круга вопросов, связанных с созданием современных автоматизированных производств (АП).

Проведенный анализ, прямо или косвенно связанный с вопросами проектирования АП, позволил сделать следующие выводы.

1. Разработаны элементы методологии системного подхода к анализу и синтезу АП как большой технической системе: формирование целевых 4

функций, оптимизации проектирования и функционирования АП, установление количественных зависимостей и показателей, характеризующих их технико-экономический уровень.

2. Привлекаются комбинированные технико-экономические методы исследования, обусловленные увеличением масштаба систем, разнообразием используемых технологических процессов и оборудования, повышением степени технологической интеграции как в пределах всей системы, так и на отдельных ее позициях, совмещением в пределах одной системы задач обработки деталей различных геометрических форм.

3. Необходимо исследование единой структурно-системной технико-экономической модели АП, пригодной как для оценки структурного варианта системы в целом, так и для анализа эффективности любой полсистемы в аспекте взаимосвязи с другими подсистемами.

4. Необходимо исследование внешних связей АП. приобретающих особое значение при анализе инфраструктуры предприятий, модернизируемых на основе гибкой автоматизации.

5. Повышение эффективности АП возможно путем реализации трех взаимосвязанных направлений:

- повышение производительности основного оборудования за счет снижения штучно-калькуляционного времени, в том числе оптимизации режимов резания, сокращения объема и времени текущей подготовки производства (переналадочных работ);

- повышение коэффициента использования оборудования за счет повышения надежности оборудования и совершенствования организации производства;

- увеличение суточного, а следовательно, и эффективного годового фонда времени автоматической устойчивой работы станков при соблюдении требований по качеству обработки за счет повышения степени автоматизации, оснащенности контрольно-диагностическим оборудованием и надежности всех элементов и узлов.

6. Значительный эффект может принести параллельное проектирование систем и входящих в них станков, ориентированное на оптимальное удовлетворение требований конкретного потребителя.

Изложенное выше позволяет сказать, что полное решение задачи проектирования АП существующими методами не представляется возможным. Необходимо изыскивать новые подходы к решению этой задачи.

Данная работа направлена на обеспечение повышения эффективности изготовления деталей в автоматизированном многономенклатурном производстве, предназначенном для изготовления корпусных деталей средних размеров.

Достижению поставленной цели способствует решение следующих взаимосвязанных задач.

1. Разработка методики автоматизированного определения ограничений на геометрию и технических условий на детали, обрабатываемые в режиме АП.

2. Определение необходимого и достаточного количества информации для проектирования АП и установление информационной структуры баз данных о: корпусных деталях, технологических машинах, транспортном оборудовании, складах, спутниках, режущем инструменте.

3. Разработка системы определения технических характеристик оборудования и определения структуры АП на основе анализа свойств деталей:

- методики подбора характеристик станков и их количества (установление взаимосвязей между множеством деталей и станков);

- принципов построения операционной технологии и технологических маршрутов обработки деталей;

- оптимизации переналадок подсистемы станков;

- оперативного управления технологическим процессом обработки деталей в автоматизированном производстве.

ГЛАВА 2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

ПРОИЗВОДСТВ

Автоматизированное производство как объект проектирования характеризуется рядом свойств, определяющих возможности его применения, поведением в условиях функционирования, технико-экономическими показателями и др. Эти свойства можно разделить на две группы. Свойства первой группы могут меняться по желанию проектанта в некоторых пределах, а значит, являются управляемыми переменными или параметрами объекта. Свойства другой группы зависят от параметров объекта и называются характеристиками. Характеристики могут зависеть не только от параметров, но и от других второстепенных факторов, которые невозможно или трудно выразить в количественной форме (измерить). Поэтому их относят к внешним факторам и выражают случайными величинами. Связь между характеристиками объекта проектирования с одной стороны, параметрами и внешними факторами с другой стороны, представляет собой математическую модель объекта.

Таким образом, необходимо выделить множество управляющих параметров, характеристик и определить преобразование параметров, учитывающих внешние факторы и характеристики.

Основной функциональной подсистемой АП является производственная подсистема, главной частью которой является подсистема станков, элементами которой являются единицы основного технологического оборудования (станки).

Производственная подсистема накладывает ограничения (входные данные) на формирование других подсистем.

Автоматизированное производство можно представить в виде кортежа:

ESP ~ (Е, R), где: Е = {е1,...,е„} - множество выделенных элементов АП;

R - множество отношений определенных на множестве Е, например

7

связанных с протеканием потока материалов.

АП обменивается со средой os материалами, энергетическими и информационными потоками, что обусловливает образование сетей сопряжений между элементами системы и элементами среды. Его расширенной моделью является упорядоченная двойка множеств:

ESP = (Е uEf', R"), ЕпЕ? =0,

где: Е° = {е°,...,е°} - множество выделенных элементов среды;

R" - множество отношений между элементами системы и элементами среды.

Эти отношения определяют предельную структуру системы.

Пусть Р является множеством деталей, производимых в системе. Технологический процесс детали р е Р изображает ориентированный граф технологии

G'; =(Ог,Мг),

где О - множество операций, производимых над деталью р.

М° - множество элементарных маршрутов детали - (0„ О) е Af - в том случае когда операция О, предшествует операции Oj в технологическом процессе обработки детали Р.

Всякий путь в графе О,', соединяющий начальную и конечную вершины, представляет собой один вариант технологического процесса обработки изделия. В процессе проектирования производственной структуры операции привязываются к производственным ячейкам (рабочим местам).

Аналогичным образом, с помощью графа связей, описываются связи производственных ячеек со средой.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБОРУДОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Необходимое для проектирования автоматизированного производства количество информации содержится в деталях, которые будут в нем обрабатываться. Однако, на современном уровне знаний по производственным процессам мы не в состоянии его выделить и соответствующим образом переработать, а значит и изучить информационные связи в такой степени, чтобы информацию о деталях трансформировать в информацию, описывающую оптимальную систему проектирования АП.

Таким образом, процесс проектирования является процессом селекции информации и в последующем соответствующего ее преобразования так, чтобы получить приемлемое решение.

В качестве критерия функционирования можно принять: стоимость производства деталей, время обработки деталей в системе.

Чертежи деталей, технические условия и другие данные позволили определить множество нужной для проектирования автоматизированного производства информации.

В процессе проектирования необходимой также является информация о технологическом оборудовании (станки, контрольно-измерительное оборудование, оборудование для термической обработки), транспортном оборудовании, складах, спутниках, инструментах.

Анализировались и учитывались следующие свойства корпусных деталей: материал заготовок корпусных деталей, габаритные размеры деталей и структура трудоемкости обработки, количество сторон обработки, форма обрабатываемых поверхностей (плоские поверхности, отверстия), расположение обрабатываемых поверхностей на сторонах детали, точность размеров, точность формы, точность взаимного расположения поверхностей, шероховатость поверхности.

Учитывались следующие организационные факторы: количество деталей в партии, производственная программа. Также был произведен анализ:

- технологического оборудования и возможности его включения в автоматизированное производства;

- процесса проектирования (подбора) контрольно-измерительного оборудования;

- функций и технических характеристик транспортного оборудования;

- функций и технических характеристик складов;

- функций и технических характеристик спутников;

- геометрии и конструкции режущих инструментов;

Информационная структура баз данных. На основании анализа

информации о деталях, технологических машинах, складах, спутниках, инструментах разработана информационная структура баз данных. Состав информации, включенной в базы, был проверен (апробирован) при проектировании системы и отладки составляющих систему проектирования автоматизированного производства программ.

Определены все связи между составляющими элементами баз, тип и размерность каждого элемента. Такой подход намного уменьшает возможность неправильного ввода данных в соответствующие базы.

ГЛАВА 4. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА.

Как было показано выше, в процессе изготовления и эксплуатации автоматизированного производства необходимо комплексно рассматривать процесс подбора деталей для системы, проектирования, изготовления и эксплуатации АП. В связи с тем, что мы еще не в состоянии трансформировать информацию о деталях в информацию, определяющую оптимальную систему для их обработки, будем решать эту задачу путем

очередных приближении так, чтобы получить если не оптимальное решение, то близкое к оптимальному, вполне нас удовлетворяющее.

Из общей схемы решения поставленной задачи вытекает следующая последовательность ее решения: разработка методики подбора деталей для обработки в АП; разработка концепции системы подбора типов оборудования АП и определения их структуры на основе анализа свойств деталей; разработка методики подбора типов станков и их количества; определение структуры подсистемы станков; разработка рекомендации по подбору транспортного и вспомогательного оборудования; определение способа управления ходом обработки деталей в АП.

Классификация и группирование деталей, обрабатываемых в АП. Автоматизированные производства, как правило, предназначены для мелкосерийного производства. Как известно, для такого типа производства широко применяют принципы групповой обработки, связанные с соответствующими критериями классификации.

Методика подбора типов станков и их количества. Исходными данными для подбора подсистемы станков автоматизированного производства служат базы данных о станках и корпусных деталях.

Классификация деталей делает возможным выделение по определенным признакам группы деталей (Р~), обработка которой в АП будет наиболее рациональной.

При проектировании АП (подсистемы станков АП), в общем случае имеем дело с множеством станков (О) и множеством деталей (Р).

Чтобы вполне определить подсистему станков необходимо рассчитать количество станков каждого типа. Каждому виду обработки ставится в соответствие время, необходимое для его реализации.

Щ Г1(1.1А .„,

Фонд времени каждого станка О, равен

Эту задачу (определения количества станков каждого типа) можно решить, применяя метод линейного программирования.

Линейная функция, миниуум которой необходимо найти, записывается следующим образом:

^ = ¿¿6',*,, -> гшп

«-1 /.1

где: К - стоимость подсистемы станков, С, - цена станка / - го типа,

хи— станок / - го типа, реализующий} - ый вид обработки, п - количество типов станков в подсистеме,

т - количество видов обработок, необходимых для обработки деталей. Ограничения формулируются следующим образом

/. I

где 7) - время реализации (для множества деталей)у - го вида обработки.

Такая задача (линейного программирования) решается симплекс-методом. Рассчитав значение хч, можно определить количество станков каждого типа с учетом их технологических возможностей

!>,=*, ,1=1, 2, ..., п

Полученное решение нужно привести к целочисленной форме. Принципы построения технологических маршрутов обработки деталей. Как известно, эффективность эксплуатации автоматизированного производства можно существенно увеличить, оптимизируя технологические процессы обрабатываемых в нем деталей. Существует два основных подхода к проектированию технологических процессов обработки деталей в АП: ситуационное проектирование, модульная технология.

Предлагаемый метод проектирования технологических маршрутов обработки деталей во многом использует принципы ситуационного проектирования, а именно, возможность оперативного изменения (с учетом

производственной ситуации) маршрута выполнения ранее фиксированной операции и состава самой операции.

Наиболее ощутимые эффекты принесет оптимизация технологии в случае комплексного учета характеристик деталей, а также возможностей технологического оборудования системы, главным образом станков.

Таким образом, можно выделить:

- оптимизацию технологии обработки деталей в уже существующей системе;

- оптимизацию технологии обработки деталей, для которых система только будет запроектированной и построенной.

В первом случае нельзя повлиять на характеристики технологического оборудования системы, во втором можно воздействовать на подбор подходящих устройств, таких как: станки, транспортное оборудование, контрольно-измерительное оборудование, устройства для термической обработки, склады. Первый вариант можно рассматривать как особой случай второго при заданных характеристиках устройств системы, поэтому рассматривается второй.

При формировании маршрута обработки деталей исходят из предположения максимально возможной концентрации переходов на станке (на данном этапе не анализируется еще возможности их реализации, определяемой емкостью инструментального магазина). Согласно этому принципу принимается, что деталь будет передаваться на другой станок в случае необходимости смены ее базирования, обусловленной технологией ее изготовления. Количество установок детали определяет число необходимых

для ее обработки типов станков, а значит, и общий технологический маршрут ее изготовления.

Под понятием технологического маршрута подразумевается упорядоченная очередность станков, на которых деталь обрабатывается

где ИП[ - маршрут обработки п- ой детали,

О,' -у - ой станок в маршруте обработки п, - ой детали.

После окончания обработки на станке первой группы деталь должна быть, по мере возможности немедленно, транспортирована на станок, принадлежащий к следующей группе. Такое управление движением деталей позволяет максимально сократить цикл изготовления детали, а также запасы незавершенного производства

Технологический маршрут - это основа для разработки операционной технологии обработки детали.

Эксплуатация АП требует разработки операционной технологии, для проектирования которой необходимо в базу о деталях внести некоторые дополнения (или составить дополнительную базу), а именно расстояния (с отклонениями) между соответствующими технологическими элементами.

Разработанная технология обработки деталей на станке должна служить основой для разработки алгоритма управления обработкой детали на станке в реальном времени. Обработка деталей происходит не только на одном станке в системе. Поэтому необходимо разработать систему управления ходом обработки (прохождения) деталей по станкам системы.

Определение структуры подсистемы станков. Как было сказано, для каждого вида деталей образуется множество вариантных технологических маршрутов, значит, даже одинаковые детали могут обрабатываться по разным технологическим маршрутам (подразумеваемыми как упорядоченная последовательность станков). Таким образом, станок определяется не только типом, но и актуальными технологическими маршрутами, вытекающими из его наладки. Из сказанного следует, что даже два одинаковые, по типу и паспортным возможностям станка могут характеризоваться разными технологическими возможностями (быть и по разному налаженными) -соответствующие им множества инструментов неодинаковы - в этом случае будем говорить, что они различаются структурой.

Таким образом, структура характеризует текущие возможности станка, на которые влияет его наладка.

Структура станков АП должна быть такой, чтобы можно было достичь высокой степени использования их временного фонда.

В качестве критерия оценки структуры подсистемы станков принимается суммарное время обработки и простоев при обработке группы деталей. Времена обработки для соответствующих структур в принципе одинаковы, а значит, в качестве критерия можно принять простои подсистемы станков - 1рг..

Простои произвольной системы станков могут быть вызваны тремя причинами: наладкой станков, организационными, аварией оборудования.

Если рассматривать установившуюся (статическую - без простоев, вызванных организационными причинами и аварией оборудования) работу системы, то простои будут определять времена переналадки (переналадок) станков. В этом случае структура должна быть такой, чтобы время переналадки было минимальным.

В случае простоев, вызванных организационными причинами или аварией оборудования, должна существовать возможность расчета за короткое время новой, оптимальной структуры, учитывающей помехи, и задача снова приводится к вышеуказанной.

Время простоя при наладке отдельно взятого станка может быть определено зависимостью:

где 1:р - время установки и снятия приспособления (вместе с деталью), ир -время замены программы обработки детали, 1кр - время изготовления и контроля первой детали,

- время наладки инструмента,

- время замены инструментов в магазине станка,

¡1а, - время внесения коррекции в наладку инструмента.

Сокращения времени переналадки можно добиться путем изменения соответствующих составляющих или их параллельной реализацией.

Оптимизация переналадок подсистемы станков. Если через станок, на котором осуществляется многономенклатурная обработка, проходит п типов деталей, и обозначить / время текущей подготовки производства, необходимое для перехода от обработки одной партии к обработке другой, то матрица переналадок будет иметь вид квадратной матрицы порядка п * п, элементы главной диагонали которой равны нулю.

Задача оптимизации переналадки значительно усложняется, когда приходится иметь дело с рядом связанных между собой технологическим процессом станков. Многооперационный процесс выдвигает задачу оптимизации последовательности обработки деталей всей номенклатуры в пределах технологических групп, проходящих через рассматриваемые станки.

В такой постановке мы приходим к задаче из класса теории расписаний. Поскольку число вариантов последовательности обработки деталей конечно, очевидный методом решения задачи является перебор всех вариантов. Так как в оптимальном расписании на каждом станке может быть свой порядок обработки деталей, необходимо перебрать множество вариантов расписаний. С ростом размерности задачи число переборов растет настолько быстро, что получить решение даже с использованием ЭВМ можно лишь для задач небольших размеров. Это обстоятельство вызвало много попыток применять другие, в частности, эвристические методы для решения данной задачи.

Предлагаемый метод основывается на том, что: определена последовательность запуска деталей в систему и последовательность их обработки на станках; известны маршруты обработки деталей (с точностью до групп станков, характеризующихся одинаковой структурой); известны характеристики станков, в частности, данные об их инструментальных магазинах. 16

Таким образом, задача сводится к оптимизации времени переналадок станков при известной очередности поступления деталей, маршрутах обработки и характеристиках станков. В качестве критерия оптимизации принимается использование инструментов в АП (IVw), т.е. необходимо, чтобы WrsP —> max.

Для реализации обработки в системе партии деталей необходимо ее прохождение через определенное количество типов станков (если в состав системы входят обрабатывающие центра, то обычно для обработки деталей хватает 2-3 их типов). Не всегда без необходимости переналадки на одном станке данного типа можно реализовать все приписанные (возможные для реализации) ему переходы. Возникает ситуация, когда вместимость инструментального магазина станка недостаточная, чтобы поместить все необходимые для обработки инструменты. Минимальное по отношению к количеству разнородных инструментов, число станков данного типа, необходимых для обработки детали, определяется как отношение количества разнородных инструментов (необходимых для обработки детали) к емкости инструментального магазина станка

где Шгр - количество разнородных инструментов необходимых для обработки детали (вида деталей).

Управление технологическим процессом обработки деталей в АП. Рассматриваемый способ управления ходом обработки деталей в АП нацелен на использование в различных типах систем для обработки корпусных деталей, состоящих из произвольного количества станков. Не регламентируется также количество партии деталей. АП может состоять из взаимозаменяемого, взаимодополняющегося или независимого оборудования.

Маршрут обработки деталей является заданным с точностью до группы взаимозаменяемых станков (программа определения маршрутов и структуры

подсистемы станков) и в рамках каждой из рассматриваемых групп деталь может обрабатываться на любом станке.

Предусмотрена возможность учета выхода из строя станков участка. Станок вышедший из строя, на время восстановления его работоспособности, исключается из маршрутов обработки деталей (является недоступным для деталей). Желательно, чтобы в составе АП был станок, обладающий такими же технологическими возможностями, как и станок, вышедший из строя.

Детали поступают на обработку согласно очередности, установленной в программе классификации деталей.

При наличии срочных заказов на изготовление отдельных партии деталей (если они должны быть обработаны не позднее заданного срока), этим партиям присваиваются приоритеты соответственно их срочности, и они учитываются при расчете очередности поступления партий деталей на обработку в АП. Но такие действия нарушают оптимальную очередность запуска партий деталей в АП, а, значит, снижают эффективность эксплуатации.

В результате решения задачи управления ходом обработки становятся известными маршруты обработки каждой партии (выраженные номерами станков, через которые они проходят); цикл обработки каждой детали, каждой партии деталей и всего множества деталей; штучное время для детали и время межоперационных перерывов в обработке детали, время ожидания до поступления на обработку для детали, партии деталей и всего множества деталей, а также: цикл работы каждого станка, структура времени цикла работы для каждого станка - время обработки деталей, время переналадок, время простоев (для детали, партии деталей и всего множества деталей).

Итак, известна последовательность запуска деталей в систему, имеются маршруты обработки с точностью до группы взаимозаменяемых станков и времена переналадок станков для всех станков и всех обрабатываемых

деталей, поэтому в качестве критерия организации прохождения деталей через систему целесообразно принять время их пребывания в системе.

Минимизация времени прохождения деталей через АП обеспечивает:

- сокращение цикла изготовления множества деталей (от поступления на обработку до выдачи готовой продукции);

- повышение коэффициента использования основного технологического оборудования и более равномерную его загрузку;

- уменьшение остатков незавершенного производства.

Сформулируем задачу планирования работы автоматизированного

производства. Пусть необходимо обработать N партий (видов) деталей по п, деталей в каждой партии на участке из Ь станков. Для каждой партии деталей имеются вариантные маршруты обработки, а значит, технологические возможности станков хотя бы частично перекрываются.

Задача сводится, таким образом, к уточнению маршрута обработки каждой детали с точностью до конкретного станка системы (понимаемого в этом случае как место на участке) и определения всех временных характеристик.

Необходимо отметить, что разработанный способ может быть применен для расчета параметров системы при ее проектировании, а также для управления ходом обработки деталей в действительной системе - в этом случае нужно текущее (модельное) время заменить на реальное.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения и заключающаяся в повышении производительности функционирования автоматизированных технологических систем путем моделирования и оптимизации технических решений.

2. Установлено, что в первую очередь, необходимо разработать производственную подсистему, под которой понимается динамическая подсистема станков, учитывающая происходящие в ней во времени процессы, и только потом на основании полученных результатов - остальные функциональные подсистемы АП.

3. Автоматизированное производство и его составляющие элементы необходимо рассматривать во взаимосвязи со средой, с которой АП обменивается материальными, энергетическими и информационными потоками, поэтому разработка функциональных подсистем АП должна предусматривать их взаимодействие.

4. Показано, что на современном уровне знаний о производственных процессах количество информации, содержащейся в деталях, подлежащих изготовлению, необходимо дополнить, так как установлено, что процесс проектирования АП является процессом селекции необходимой информации о корпусных деталях, технологическом оборудовании, транспортном оборудовании, складах, спутниках, инструментах и в последующем соответствующего ее преобразования.

5. На основании анализа информации о деталях и составных элементах автоматизированных производств разработана информационная структура баз данных по корпусным деталям, технологическому оборудованию, транспортному оборудованию, складам, спутникам, инструментам. Определены все связи между составляющими элементами баз, тип и размерность каждого элемента. Такой подход намного уменьшает возможность неправильного ввода данных в соответствующие базы. Состав информации, включенной в базы данных, был апробирован во время 20

проектирования системы, это позволяет утверждать, что выделено необходимое и достаточное для проектирования автоматизированного производства количество информации и формализовано ее описание.

6. Показано, что подсистема станков определяется в результате целенаправленного преобразования исходных (применяемых для проектирования) множеств станков и деталей, в результате которого определяются типы станков и количество станков каждого типа. Чтобы работа автоматизированного производства была эффективной, структура подсистемы станков должна изменяться при переходе к обработке другого вида деталей, а значит, должна быть гибкой.

7. Детали одной партии могут обрабатываться по вариантным маршрутам в зависимости от ситуации, сложившейся в момент времени поступления деталей на обработку и передачи на следующий по маршруту станок.

Установлено, что в качестве критерия оптимизации маршрутов обработки и переналадок подсистемы станков следует принимать использование стойкости режущих инструментов при обработке множества деталей в АП. Разработанная методика позволяет комплексно оптимизировать маршруты обработки и время переналадок станков, что делает ее весьма эффективной. ,

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

1. Проснева М.К. Структура и свойства промышленных автоматизированных производств. // Ученые записки АГНИ: Сборник трудов. Альметьевск, 2007 г., с. 93-97.

2. Проснева М.К. Функциональные характеристики технологического оборудования автоматизированных производств// Ученые записки АГНИ: Сборник трудов. Альметьевск, 2007 г., с. 97-99.

3. Проснева М.К. Информационная структура баз данных автоматизированного производства// Вестник Воронежского государственного технического университета,- Воронеж,- Т.З.- №5, 2007-С. 151-152.

4. Проснева М.К. Планирование работ в автоматизированном производстве.// Труды Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и контроль». Тольятти-Тольятти, 2006 - С. 96-99.

5. Проснева М.К. Управление технологическими процессами обработки деталей в автоматизированном производстве // Материалы Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2006), с.44-49.

Подписано в печать 22.12.2008

Формат 60х90'/]б Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. 3аказ№836

Отпечатано в «ИПД Триальфа»,

103305, Москва, Зеленоград, проезд 4807, д.1., стр.1

Введение

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1. Развитие автоматизированных производственных систем

1.2. Проектирование автоматизированного производства

1.3. Методы повышения эффективности автоматизированного 27 производства

1.4. Цели и задачи исследования

Глава 2. Структура и свойства автоматизированных производств

2.1. Свойства автоматизированного производства

2.2. Структура автоматизированного производства

2.3. Выводы

Глава 3. Анализ функциональных характеристик оборудования

3.1. Анализ свойств корпусных деталей и возможность их 51 изготовления в автоматизированном производстве

3.2. Анализ технологического оборудования и возможность его 62 включения в автоматизированное производство

3.3. Анализ функций и технических характеристик транспортного оборудования

3.4. Анализ функций и технических характеристик складов

3.5. Анализ функций и технических характеристик спутников

3.6. Анализ геометрии и конструкции режущих инструментов

3.7. Информационная структура баз данных

3.8. Выводы

Глава 4. Постановка и решение задачи построения автоматизированного 83 производства

4.1. Методика подбора типажа оборудования и определения 84 структуры

4.2. Методика определения номенклатуры деталей, наиболее 89 эффективно обрабатываемых в автоматизированном производстве

4.3. Управление технологическими процессами обработки деталей 120 в автоматизированном производстве

4.4. Выводы 125 Общие выводы и результаты 127 Список литературы

Одна из важнейших задач машиностроения — автоматизация мелкосерийного и серийного производства. Объем продукции, которого достигает 70 — 75% от всего объема продукции машиностроения [21, 42]. Попытки решить ее в традиционном производстве оказались неудачны. Необходимыми оказались качественно новые технические решения. Толчком для таких решений стало бурное развитие микропроцессорной техники, обусловливающее возможность применения гибкой технологии изготовления, реализуемой в гибких системах.

По мнению английских специалистов, применение автоматизированного производства (АП) является обязательным условием выживания машиностроительных компаний в суровой конкурентной борьбе на мировом рынке [25]: конкуренция с дешевой рабочей силой развивающихся стран; более низкая себестоимость продукции, достигаемая японскими конкурирующими компаниями; более сложная с каждым годом подготовка квалифицированных кадров; быстроменяющиеся требования мирового рынка машиностроительной продукции; широкие возможности, связанные с дальнейшем развитием ЭВМ, микропроцессорной техники и их использованием в производстве.

Вместе с тем затраты на создание АП велики, они исчисляются миллионами долларов. Поэтому очень важной задачей является их оптимизация на всех этапах, а именно: проектирования, изготовления и эксплуатации автоматизированного производства. Только такой комплексный подход к определению технологии подбора и изготовления деталей, состава и структуры системы, а также управлению ходом технологического процесса их изготовления — это единственный путь оптимизации затрат на создание и эксплуатацию автоматизированного производства.

Большинство АП предназначено для обработки корпусных деталей -управление ими более сложно, т. к. диапазон длительности технологических операций для них лежит в более широких пределах, нежели для деталей типа тел вращения.

Исходя из вышеизложенного, в качестве объекта исследования выбраны автоматизированные производства общего назначения (в таких системах изготовляются детали широкой номенклатуры с производительностью от 1-2 до 10-15 дет/час.), применяемые для обработки корпусных деталей.

Итак, целесообразным является решение научной задачи, заключающейся в минимизации себестоимости и времени изготовления деталей в автоматизированном производстве путем комплексного управления подбором основных элементов автоматизированного производства: деталей, технологии их изготовления, оборудования АП и установления их взаимосвязей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения и заключающаяся в повышении производительности функционирования автоматизированных технологических систем путем моделирования и оптимизации технических решений.

2. Установлено, что в первую очередь, необходимо разработать производственную подсистему, под которой понимается динамическая подсистема станков, учитывающая происходящие в ней во времени процессы, и только потом на основании полученных результатов - остальные функциональные подсистемы АП.

3. Автоматизированное производство и его составляющие элементы необходимо рассматривать во взаимосвязи со средой, с которой АП обменивается материальными, энергетическими и информационными потоками, поэтому разработка функциональных подсистем АП должна предусматривать их взаимодействие.

4. Показано, что на современном уровне знаний о производственных процессах количество информации, содержащейся в деталях, подлежащих изготовлению, необходимо дополнить, так как установлено, что процесс проектирования АП является процессом селекции необходимой информации о корпусных деталях, технологическом оборудовании, транспортном оборудовании, складах, спутниках, инструментах и в последующем соответствующего ее преобразования.

5. На основании анализа информации о деталях и составных элементах автоматизированных производств разработана информационная структура баз данных по корпусным деталям, технологическому оборудованию, транспортному оборудованию, складам, спутникам, инструментам. Определены все связи между составляющими элементами баз, тип и размерность каждого элемента. Такой подход намного уменьшает возможность неправильного ввода данных в соответствующие базы. Состав информации, включенной в базы данных, был апробирован во время проектирования системы, это позволяет утверждать, что выделено необходимое и достаточное для проектирования автоматизированного производства количество информации и формализовано ее описание.

6. Показано, что подсистема станков определяется в результате целенаправленного преобразования исходных (применяемых для проектирования) множеств станков и деталей, в результате которого определяются типы станков и количество станков каждого типа. Чтобы работа автоматизированного производства была эффективной, структура подсистемы станков должна изменяться при переходе к обработке другого вида деталей, а значит, должна быть гибкой.

7. Детали одной партии могут обрабатываться по вариантным маршрутам в зависимости от ситуации, сложившейся в момент времени поступления деталей на обработку и передачи на следующий по маршруту станок.

Установлено, что в качестве критерия оптимизации маршрутов обработки и переналадок подсистемы станков следует принимать использование стойкости режущих инструментов при обработке множества деталей в АП. Разработанная методика позволяет комплексно оптимизировать маршруты обработки и время переналадок станков, что делает ее весьма эффективной.

1. Carter C.F. Flexible automatisieren jetzt oder spater. VDI Zeitschrift, 126 (1984)/5.

2. Bessant J. Flexible Manufacturing Systems on overview. Microelectronies Monitor. 1984/XII.

3. Carter C.F. Trends in Machine Tool Development and Applications. Proc. Of the 2hd Int. Konf. of Product Development and Manufacturing Technology, 1972.

4. Asada H., Slotine J.J.E. Robot Analysis and Control, J.Wiley and Sons, 1986.

5. Блехерман M.X., Судов E.B. Управление транспортными потоками в ГПС // Станки и инструмент. -1988, №12, с. 4-10.

6. Блехерман М.Х., Федосеева Н.Г. Организационно-технологический анализ транспортно-складского обеспечения ГПС // Станки и инструмент. -1985, №11, с. 3-5.

7. Вильческий О.Н. Математическое моделирование транспортно-складских систем ГПС // Вестник машиностроения. -1985, №8, -с. 5356.

8. Сотников М.И. Выбор типа транспортных устройств для ГПС // Станки и инструмент. -1987, №11, с. 18-20.

9. Lenard W. Dobor srodkow transportu w elastycznych systemach produkcyjnych ESP // Systemy produkcyjne. Teoretyczne i practyczne129problemy projektowania. Materialy konferencyjne. -Warszawa: Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1990. -s. 348-355.

10. Tomaszewski K. Modele i algorytmy procesu projektowania systemow produkcyjnych // III Krajowa Konferencyja Robotyki. Tom 1. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej. -Wroclaw: 1990. s. 279-288.

11. Warnecke HJ. Flexible automatisierte teilfertigung in mittelstadichen Unternehmen. VDI Zeitshrift 124 (1982)/17.

12. Гибкие производственные системы Японии / Пер. с яп. A.JI. Семенова / Под ред. А.Ю. Лешинского. -М.: Машиностроение, 1987, -232.

13. Кузнецов Ю.И. Применение технологической оснастки для совершенствования гибких станочных систем // Вестник машиностроения. -1987, №4, с. 50-54.

14. Cyklis J., Pierzchala W. Taktyka sterowania ESP w oparciu о model macierzowy // VI Krajowa Konferencja Automatyzacji Dyskretnych Procesow Przemyslowich. -Gliwice: Zeszyty naukowe Politechniki Slaskiej z.96,1988. -s. 41-53.

15. Krupa Т., Elhesnawi B. Approach to Managing FMS by the Use ot petri Net theory // Systemy produkcyjne. Teoretyczne i practyczne problemy projektowania. Materialy konferencyjne. -Warszawa: Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1990. -s. 319-330.

16. Rafalski R. Podstawy projektowania obslugiwania elastycznych. // Systemy produkcyjne. Teoretyczne i practyczne problemy projektowania. Materialy konferencyjne. -Warszawa: Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1990. -s. 362-368.

17. Wojciechowski J., Zalewski A. Technologiczno-organizacyjne modelowanie elastycznych systemow produkcyjnych // VI Ogolnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna. -Zielona Gora: Wydawnictwo Wyzszej Szkoly Inzynierskiej, 1990. -s. 37-42.

18. Кирьянов В.Н. Системно-информационное и программное обеспечение инструментальных систем ГПС // Станки и инструмент. -1988, №5, с. 13-16.

19. Мамонтов В.И., Дахер М., Казан Д.А. и другие. Проблемы разработки гибких автоматизированных технологий управления. // Проблемы комплексной автоматизации: Труды Четвертой Международной научно-технической конференции. Киев: КПИ, 1990, с. 33-37.

20. Португал В.М. Оперативное управление гибким автоматизированным производством. // Проблемы комплексной автоматизации: Труды Четвертой Международной научно-технической конференции. Киев: КПИ, 1990, с. 53-57.

21. Banaszak Z., Roszkowska Е. Podsystemy komputerowo zintergrowanego wytwarzania // I Krajowa Konferencja Robotyki. Tom 1. -Wroclaw: Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1988. -s. 29-36.

22. Marecki F. Sterowanie elastycznych systemow produkcyjnych // VI Krajowa Konferencja Automatyzacji Dyskretnych Procesow Przemyslowich. -Gliwice: Zeszyty naukowe Politechniki Slaskiej z.96, 1988. -s. 83-96.

23. Szadkowska-Skrzypiel J. Model bezkolizyjnego systemu transportowego ESP // VI Krajowa Konferencja Automatyzacji Dyskretnych Procesow Przemyslowich. -Gliwice: Zeszyty naukowe Politechniki Slaskiej z.96, 1988. -s. 151-158.

24. Лищинский JI.Ю.:Структурный и параметрический синтез гибких производственных систем.-М.:Машиностроение,1990.-312 с.

25. Гибкие производственные системы Японии /Пер. с яп. A.JI. Семенова /Под ред. Д.Ю. Лещинского. -М.¡Машиностроение. 1987. -232.

26. Василев В.Н.: Организация, управление и экономика, гибкого интегрированного производства в машиностроении. -М Машиностроение , 1986. -312 с.

27. Системное проектирование интегрированных производственных комплексов /А.Н. Домораикий, A.A. Лескин, В.Л. Пономарев и др. Под общ. ред. В.М. Пономарева. -Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. -319 с.

28. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении /Ю.М. Соломенцев, В.Г.Митрофанов,-А.Ф.Прохоров и др. /Под общей ред. Ю.М Соломениева, В. Г. Митрофанова. -М.: Машиностроение. 1986. -256 с.

29. Блехерман М.Х. Федосеева Н.Г. Организационно технологический анализ транспортно-складского обеспечения ГПС. //Станки и инструмент. -1985. №11.-с. 3-5.

30. Вильческий О.Н. Математическое моделирование транспортно-складских систем ГПС //Вестник машиностроения. -1985. №8. -с.53-56.

31. Гибкие автоматизированные производства В.О. Авбель, А.Ю Звоницкий , В .Н. Каминскии, и др.: Под ред. С.А. Майорова, Г. В. Орловского. -Л.: Машиностроение. Ленинг. 1983. -376 с.

32. Гибкие производственные комплексы Под ред. П.Н. Белянина, В.А. Лещенко. -М. Машиностроение. 1984. -384 с.

33. Горюшкин В.И. Основы гибкого производства деталей и приборов. Минск:Наука и Техника, 1984.-231 с.

34. Мальков О.В.: Склады гибких автоматизированных производств. -Л.Машиностроение 1986. -188 с.

35. Организационно технологическое проектирование ГПС /В.О.

36. Азбель, А.Ю.Эвоницкий, В.Н. Каминский и др. /Под ред. С.П.МитроФанова.-М.¡Машиностроение. Ленинг. отд-ние, 1986. -294 с.

37. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении /B.C. Корсаков, Н.М. Капустин, K.-Z Темпельгоф и др. /Под общ. ред. Н.М. Капустина. -М.: Машиностроение. 1985. -304 с.

38. Гибкое автоматическое производство //Под общ. ред. С.А. Майорова, Г.В. Орловского, С,Н, Халиконова -Л. : Машиностроение . 1985. -454 с.

39. Бирюков В.В. , Митрофанов В.Г., Петров Б.М Концепция создания компьютеризованных интегрированных производств. //Станки и инструмент . -1988 . №8 . -с . 8-9.

40. Изменение технологии производства в результате применения гибких автоматизированных производств. Hammer М. (gruppa diag. Западный Берлин). //Станки и инструмент. -1985. №2. -с.25-27.

41. Введение в теорию интегрированных САПР гибких технологий и производств /Под ред. Ю.М. Соломенцева , В. А. Исаченко , В. Я. Полыскалина. М.: Машиностроение .1990. -582 с.

42. Власенко Ю.Н., Швачко Г. Г., Фурсова Н.К. Интеграция задач управления и проектирования в гибких дискретно-непрерывных системах //Проблемы комплексной автоматизации: Труды Четвертой международной научно технической конференции -Киев: КПИ. 1990 -с.14-18.

43. Кузнецов Ю.И. Основные тенденции развития приспособлений для ГПС //Станки и инструмент. -1988, №5. -с.13-16.

44. Свиць А., Липски И. Информационное обеспечение системы проектирования гибкого автоматизированного производства.

45. Проблемы комплексной автоматизации: Труды Четвертой международной научно технической конференции -Киев:КПИД990. -с.64-68.

46. Брон Д.М., Воскобойников Б.С., Черпаков С.С., Шашков Е.В.: Автоматизированные комплексы из станков с ЧПУ с централизованным управлением от ЭВМ для обработки корпусных деталей. -М. Машиностроение. 1974. -68. С.

47. Маталин Д. А., Дашевский Т.В., Княжниикий И.И.: Многооперационные станки. -М. Машиностроение, 1974.-320 с.

48. Аверьянов О.И. Модульный принцип построения станков с ЧПУ. -М. Машиностроение,1987. -2 32 с.

49. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы. -и.:Наука. Гл.ред.Физ.-мат лит. ,1971. -416 с.

50. Блехерман М.Х. Организационно-технологическое группирование деталей в ГПС //Вестник машиностроения. -1986. №6. -с. 37-39.

51. Аверьянов О.И., Ковальцун С.И., Осмоловский Ф.А. Системы инструментального обеспечения ГПС для корпусных деталей /'/Станки и инструмент. -1986 > №8. -с.2-4.

52. Блехерман М.Х. Организация производственного процесса в ГПС. //Станки и инструпент. -1986. №10. -с. 5-8.

53. Серебренный В.Г. Выбор номенклатуры обрабатываемых деталей при поэтапном создании гибких автоматизированных производств //Станки и инструмент. -1986. №8. -с.2-4.

54. Васильев В.Н. Дащенко А.И. Рочев Ц.М. Группирование деталей и оптимизация структуры оборудования ГПС // Вестник машиностроения. -1988. №5. -с.34-38.

55. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства. В 2т.-3-е изд. -JL: Машиностроение. -Ленингр. отд-ние,1341983.-T.I.-407 с.,-Т2. -376 с.

56. Брон A.M. Опыт использования и перспективы развития ГПС для обработки корпусных деталей //Станки и инструмент -1986. №41. -с.10-11.

57. Дащенко А.И. , Межов А.Е. , Бесов A.C. Выбор рациональных структурно-компоновочных схем гибких станочных систем //Системное проектирование гибких технологических комплексов в машиностроении: Тезисы докладов -Владимир, 1982. -с.9-10.

58. Дедков В. К. , Пупков К.А. , Чинаев П.И. Автоматизированное программируемое машиностроительное производство. -М. : Наука , 1985. -184 с.

59. Диалоговое проектирование технологических процессов /Н.М.Капустин, В.В. Павлов, JI.A. Козлов и др.-Машиностроение, 1983. -255 с.

60. Аверьянов 0. И., Дащенко А. И., Межов А.Е. Агрегатно-модульный принцип построения гибких автоматизированных линий и оптимизация их структурно компоновочных схем //Вестник машиностроения.-1986,№ 5.-е,34-40.

61. Автоматизированные системы технологической подготовки производства в машиностроении /Под ред. чл.-кор.АН БССР Г. К. Горанского. -М.:Машиностроение. 1971. -240 с.

62. Е.О. Адамов, С.М. Дукарский. Концепция гибкой автоматизации экспериментального машиностроения. М.: НИКИЭТ, 1990.

63. Ф.Ф. Нагибин. Экстремумы. М.: Просвещение, 1976.

64. Т.Г. Ли, Г.Э. Адаме, У.М. Гейнз. Управление процессами с помощью ЭВМ. Моделирование и оптимизация. М.: Радио, 1983.

65. Технология системного моделирования// Под ред. Емельянова C.B., М.: Машиностроение, 1988.

66. Соломенцев Ю.М., Басин A.M., Климов C.B. Ситуативное проектирование технологических процессов в гибкой автоматизированной производственной системе /Вестник машиностроения.-1984, №3. -с.47-50.

67. Базров Б.М. Совершенствование машиностроительного производства на основе модульной технологии // Станки и инструмент. -1985, №10, -с. 22-24.

68. Аликов А.И., Пенек Я.Д., Волоценко П.В. Оперативная система технологической подготовки производства в ГПС //Станки и инструмент.-1988. №8 -с. 4-6

69. Базров Б.М. Классификация станочных приспособлении //Станки и инструмент. -1989, N"3. -с.26-31.

70. Белянин П.Н. Гибкие автоматизированные производства в машиностроении //Сб. научных трудов.-М.: НИАТ. 1982 -186 с.

71. К. Дж. Эрроу, л. Гурвиц, X. Удзава. Исследования по линейному и нелинейному программированию. M.: М., 1982

72. C.B. Жак. Оптимизация проектных решений в машиностроении. Ростов-на Дону: Ростовский университет, 1992.

73. Мясников В.А., Игнатьев М.Б., Перовский E.H. .'Модели планирования и управления производством, -М.:Экономика , 1982.

74. Смоляр Л.И.: Теория расписаний и управления. -М.: Наука, 1975 .232 с.256 с.