автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка математического обеспечения подсистемы автоматизированного анализа и синтеза гибких производственных систем по критерию технологической надежности

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ и«, А.Н.ТУПОЛЕВА.

На правах рукописи

ЧАЙКИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 621.9.06,001.2- 529

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕШ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА И СИНТЕЗА

ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ПО КРИТЕРИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ Ш.ДЕННССГК

Специальность 05.13.12-систе?м автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 1990

Работа выполнена ка кафедре "Станки и автоматы" Марийского ордена Дружбы народов политехнического института им.А.Ы.Горького

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор С.В.Дмитриев

- доктор технических наук, профессор В.А.Сойфер

- кандидат технических наук, доцент Л.Г.Амбарцумов

Ведущая организация

- Инженерный центр гибких производственных систем при Ленинградском политехническом институте им. М.И.Калинина

Защита состоится ¿//с//// 1990г. в /<? часов на

заседании специализированного Совета К 063.43.03 в Казанском ордена Трудового Красного Знамени и ордена Дружбы народов авиационном институте имени А.Н.Туполева по адресу: 420084, г. Казань, ул. К.Наркса, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского авиационного института им. А.Н.^улолева

Автореферат разослан " /У" 1990г.

Ученый секретарь специализированного^^^С/В. А .Талызин Совета, к.т.н., доцент (У "//'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.ЬпСС

тдалАктуальносгь работы. Проектирование гибкой производствен-^коП'СИстеш (ГПС) ягляется сложной научно- инженерной задачей, связанной с необходимость» вариантных расчетов с учетом большого числа факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики системы. Автоматизация проектирования позволяет повысить гибкость ГПС за счет ускорения ее создания. Имеющиеся разработки в этом направлении недостаточно полно отобраяапт изаимо-связь процессов з ГПС, в частности не учитывают влияние структурных особенностей ГПС на ее надежность. В связи с этии задача разработки математического обеспечения подсистему автоматизированного анализа и синтеза ГПС по критерии технологической надежности актуальна, а ее реяенке позволяет определить эффективные пути повышения надежности проектируемой системы.

Цель работы. Целью настоящей работы является повышение эффективности проектирования ГПС на основе разработанных методов, моделей и алгоритмов.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1) Математическое моделирование процессои, протекавших при механообработке с применением ГПС;

2) Анализ влияния производственных факторов на показатели эффективности ГПС;

3) Исследование математической модели на адекэат! ;сть реально описываешм процессам;

4) Формирование задач синтеза' ГПС и юс прэградоная реализация а виде подсистемы САПР.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы основные положения теории массового сбслужи-ванк , теории надежности, аналитического и имитационного моделирования, элементы теории графов.

Научная новизна.

I) Разработана обобщенная математическая модель, свяг.ив°-кцая показатели производительности ГПС с ее конструктивным*, структурными параметрами, характеристикам! надежности подсистем. По сравнении с извес' паси разработанная модель более полно отображает взаимосвязь процессов в ГПС, в частности учитывает влияние структурных особенностей ГПС на ее надежность.

2) Проведена проверка избыточности системы по технологической надежности с использованием имитационной модели.

3) Разработана методика автоматизированного проектирования ГПС и библиоте! прикладных модулей диалоговой подсистемы автоматизированного анализа и синтеза ГПС.

Практическая полезность. Практическая полезность полученных в диссертации результатов состоит в разработке методики автоматизированного проектирования и создании диалоговой подсистемы автоматизированного анализа и синтеза ГПС. Даннея подсистема является составной частью САПР ГПС. Внедрение методики автоматизированного проектирования и диалоговой подсистемы позволяет повысить эффективность начальных стадий проектирования ГПС: сократить сроки проектирования, рассмотреть большее число возможных конструктивных вариантов и выбрать наилучший.

Реализация результатов. Основные результаты диссертации внедрены на Ленинградском производственном объединении "Поли-графыаш" и в учебном процессе ЫарПИ им. А.М.Горького.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсудцались на следующих конференциях, совещаниях к семинарах:

республиканском научно- методическом совещании- семинаре "Проблемы разработки и внедрения гибких автоматизированных производств и САПР в машиностроении", г. йошкар- Ола, 1984;

республиканской конференции "Пути и меры по реализации программы внедрения ПР, разработке робототехничесхих комплексов и участков на предприятиях машиностроения", г. Уфа, 1984;

пятой Всесоюзной научно- технической конференции по управлению в механических системах", г. Казгнь, 1985;

Всесоюзной научно- технической конференции "Совершенствование погрузочно- разгрузочных и транспортно- складских работ", г. Чебоксары, 1935;

Всесоюзной научно- технической конференции "Внедрение новых технологий и методов в разработку и функционирование АСУ", г. Свердловск, 1987;

четвертой Всесоюзной научно- технической конференции "Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров", г. Волгоград, 1987;

республиканской научно- практической конференции "Разработка и внедрение робототехнисеских комплексов и ГПС", г. Лошкар-

ПШ.Г - 5 -

иОл1, 1987;

¡я _ научно- технических конфо^>енциях npotfeccopcxo- препода-ельского состава Марийского политехнического института им. А.М.Горького, 1982- 1987.

Публикации. Ib материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения и изложена на 129 страницах текста, включая 32 рисунка, б таблиц, содержит список литературы из 95 наименований. Приложения предстаглены на 17 страницах, включают 13 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации,сформированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе дается описание структуры ГПС. D общем случае система состоит из технологических модулей, объединенных транспортно- накопительной системой (ТИС). Технологический модуль включает в себя станок с ЧПУ, устройства установки и закрепления детали, станочный накопитель. В состав ТИС входит центральный накопитель заготовок и деталей и транспортное средство. Технологические модули образуют пссистому I (технологическую), ТНС- подсистему 2 (транспортную). Взаимное расположение оборудования и других устройств, обеслечивавцлх технологический процесс, определяют компоновку ГПС.

После окончания обработки детали ка ее место устанавливается заготовка из станочного накопителя; одновременно подается заявка в ТНС на замену детали заготовкой из центрального накопителя. Технологические модули являются источниками требований на получение заготовок, а транспортное средство- каналом обслуживания. Длительность цикла обслуяивания равняется продолжительности транспортной операции, зависждэй от протяженности транспортной траектории и скорости транспортного средства. В качестве комплексного параметра, определяющего величину транспортных перемещений, может быть принята средняя относительная протяненность транспортной траектории, зависящая от количества модулей 177 , компановки ГПС и структуры транспортной операции. Из числа возможных рассмотрим два варианта структуры транспортной опер:\\;ии в ГПС.

По первому варианту транспортное сродство находится на позиции модуля I и в текущий момент времени / поступает заявка на обслуживание от модуля j . Транспортное средство перемещается с полш. .и / к позиции j .забирает деталь и доставляет з центральный накопитель. На позиции центрального накопителя деталь заменяется заготовкой, которую транспортное средстве доставляет в станочный накопитель на позиции модуля j . Кг этом цикл транспортной операции заканчивается и транспортное средство приступает х выполнении следугцей заявки. П!С является системой со случайными свойствами, поэтов моменты окончания обработки деталей и подачи заявок транспортному средству представляют из себя поток случайных событий. Взаимное расположение позиций I и j л их положение относительно центрального накопителя также является случайным.

Для линейных конпоноеок ГПС средняя относительная протяженность транспортной траектории, которую обозначим через S .при расположении центрального накопителя в начале линии технологических модулей, при их полной загрузке и одинаковой надежности может быть определена следующим образом

т т 22

ILL. ¡+2mlU

с _ 1-1 !--i 'J j-i 10

тЧ

где Ljj - протяженность отрезка транспортной траектории от позиции кодуля / до модуля j ,

Ljg - протяженность отрезка транспортной траектории от позиции модуля j до позиции центрального накопителя,

£ - среднее расстояние игаду загрузочно- разгрузочными позициями двух соседних технологических иодулей.

По второму варианту структуры транспортной операции транспсртнсз средстьо на позиции модуля / получает заявку на обслуживание от модуля j , перемещается с позиции / к позиции центрального накопителя, забирает заготовку и доставляет ее на позчцип j . На позиции j транспортное средство обменивает заготовку на деталь и приступает к выполнению следующей заявки. Средняя относительная протяженность транспортной траектории определяется следующим образом

т т

■■л» -10

1_1 - протяженность отрезка трпнспгртноЯ траектории от позиции модуля I до позиции центрального накопителя,

- протяженность отрезка транспортной траектори! от позиции центрального накопителя до позиции модуля j .

При втором Еарианто структуры транспортной операции при прочих равных условиях обеспечивается меньшое значение средней относительной протяженности транспортной траектории и меньшая продолжительность транспортной операции.

Вторая глава поегшцена анализу ГЯС. Одним из вакнейикх показателей функционирования ГЛС является технологическая надежность. Термин "технологическая клдехкость станков" &!;л введен А.С.Проникоиа н расширен в понятие "технологическая надежность" И.В.Дуииным- Барховйсим, котсры"! определил ого как "срсЯ-ствэ технологического оборудования и производственно- технологических систем ... сохранять на заданном уровне ьыходныо показатели качества производимого изделия в течение заданного рре-ыени? Кроме технологической надежности по показателям качества большое значение имеет обеспечение технологической нодехнос-к по показателям производительности. Под технологической гчдеж-ностыз ГПС по показателю производительности понимается героят-ность функционирования системы з режиме, обеспечивающем номинальную производительность. Целью решения задачи анализа ГПС является определение технологической надежности системы.

Подсистемы ГЛС подвержены различным типам огкаэоп. Рассмотрены три типа отказов- внутренние (тип I).обслуживания (тип к>, внешние (тип 3). Внутренние отказы в кагдой подсистеме возникая? при выходе из строи ее элементов. Отказ« обслуживания могут возникнуть п подсистеме I. Данная подсистема функционирует как замкнутая система массового обслуживания (С?!0). Время нахождения технологического модуля в состоянии отказа обслуживания складывается из времени обслу;глванигт требовагия на замену детали заготовкой и времени отдания в очереди на обслуживание. Время обслуживания равно продолкительности транспортной операции. Кшгдая из подсистем ГПС подвержена'потоку

внешних отказов. Внешние отказы возникают на уровне более высоком, чеы подсистем ГПС и их функционирование прекращается одновременно. Внешний отказ может возникнуть и при наличии в подсистеме отказа внутреннего или обслуживания. К внешним отказам могут, например, относиться такие факторы, как профилак- . тика или плановый ремонт ГПС, прекращение подачи электроэнергии и другие.

Каждая из подсистем в текущий момент времени может находиться в работоспособном состоянии или одном из ординарных или неординарных состояниях отказа. В неординарном состоянии подсистема находится под воздействием более одного вида отказов одновременно.

Технологическая надежность ГПС в интервале времени Г определяется средней интервальной вероятностью безотказной работы ее технологической подсистемы за время Т .

В текущий момент времени / подсистема I находится в одном из следуодих возможных состояний:

0 - состояние работоспособности;

1 - состояние внутреннего отказа;

2 - состояние отказа обслуживания;

3 - состояние внешнего отказа;

13 - состояние внутреннего и внешнего отказов одновременно;

23 - состояние отказа обслуживания к внешнего отказа одновременно.

Множество возможных состояний подсистемы I представлено на рис. I в виде графа.

Рис. I

Технологическая подсистема ГПС может быть описана системой уравнений Колмогорова, имеющих в стационарном состоянии при независимых потоках отказов и восстановлений следущий вид

где Рг - вероятность Г - го состояния подсистемы I, Г = О, I, 2, 3, 13, 23;

- интенсивность отказов, К = I, 2, 3;

- интенсивность восстановления, К = I, 2, 3. Нормировочное условие имеет вид

р +р +р >р +р +р =1 о ' < гг Гз 'а 22

Вероятность безотказной работы Р0 подсистемы I ГПС определяется следующим образом

р ___

Проведено ранжирование отказов по степени их влияния на уровень технологической надежности ГПС. Определены области параметров с(г - ///г / о/3 - Л 3 //и1 с максимальным влиянием каждого из типов отказоь. Получены условия равенства влияния отказов в виде граничных значений отношений О"./</,, с^з/Л/

Ог / с/е > которые обозначены соответственно , ^ , . Гранки зависимостей значений Щ , . от параметра внутренних отказов показаны на ркс. 2.

В зависимостей от соотношений параметров максимальное влияние имеют следующие виды отказов:

внутренние отказы при Ы. /Ы^, , /с(, < отказы обслуживания при С, ' ^ ' ^з ^ < % > внешние отказы при /с/, /си >1{г •

Технологическая надежность ГПС может быть повышена путем увеличения среднего периода безотказной работы или уменьшения среднего времени восстановления. Анализ чувствительности с использованием частных производных функции вероятности безотказной работы Р0 подсистемы I покапал, что для повышения технологической надежности П1С более эффективно не увеличение среднего периода безотказной рпботы, я уьч-мьнение среднего времени

восстановления.

Рис. 2

При анализе только стационарных процессов возможны ошибки при определении технологической надежности ГПС. Определена погрешность, вносимая в результаты расчета технологической надежности ГНС в том случае, если переходные процессы не принимаются во внимание при расчете. Относительная ошибка при значениях среднего времени восстановления работоспособности ГНС до 50 минут не превышает при непрерывной односменной работе системы и 2% при двухсменной. В указанных пределах изменения периода восстановления анализ ГПС может быть проведен без учета влияния пере одних процессов.

В третьей главе проводятся вычислительные эксперименты с имитационными моделями ТКС и ГПС в целом. При аналитическом моделировании показатели функционирования системы могут быть определены недостоверно из- за ошибок в математической модели. Ошибки могут бить обнаружены при наличии альтернативного методе. моделирования. В качестве такого метода использовано имитационное моделирование. Модель пострсома на языке С Я 5 Б для моделирования дискретных систем.

При разработке математической модели ГПС в соот етствии с рекомендациями продолжительность транспортной операции принята распределенной по экспоненциальному закону. Действительное распределение отлично от экспоненциального и определяется .

в соответствии со схемой возможных транспортных перемещений. Различие аналитической модели и реальной система обусловлено различными законами распределения продолжительности транспорг-ной операции. Моделирование проводилось в течение 250 часов модельного времени. При этом погрешность оценок не превышает

i

Анализ результатов вычислительного эксперимента с использованием имитационного моделирования показал, что при определении показателей ТИС и ГПС аналитическим методом существует избыточность по надежности, ке превышающая для ТИС и для ГПС в целом. При этом достигается уменьшение затрат машинного времени примерно на порядок по сравнению с затратами машинного времени на имитационное моделирование.

Четвертая глава посвящена синтезу слементоа ГПС, функционирующих как системы массового обслуживания (ОаО,,. При функционировании СЫО выбор оптимального числа каналов обслуживания может быть произведен на основе критерия, определяемого уровень затрат на содержание каналов обслуживания и потери от простоев модулей. На стадии проектирования кэжно определить области с оптимальным числом каналов по критерии минимума затрат. Границей области является поверхность в многомерном пространстве, имеющая такое свойство, что для двух смежных областей с оптимальным числом каналов, равным С и С* I, для любой точки, лежащей на границе областей, значение выбранного критерия одинаково при числе каналов, равном С и С+ I.

Границы областей могут быть построены для различных значений числа модулей в виде зависимостей отношения стоимости . простоя модуля и стоимости содержания обслуживающего канала от параметра СШ, который обозначен через с( и определяется следующим образом ,

г/ . А ~Н~ *

где А - интенсивность потока требований на обслуживание; - интенсивность обслуживания.

С целью сокращения длительности транспортной операции предложена методика детерминированного распределения номенклатуры деталей по модулям. Номенклатура разбивается на группы в зависимости от продолжительности обработки. Число групп равно числу модулей в составе ГПС. Каядая группа закрепляется за

определенным модулем таким образом, что средняя относительная протяженность транспоргной траектории минимальна. При детерминированном распределении номенклатуры деталей по модулям в зависимости от компоновки ГПС, числа модулей. параметров номенклатуры достигается сокращение продолжительности транспортной операции до 20% по сравнению со случайным распределением.

В пятой главе дается постановка и решение задачи синтеза ГПС. Исходными данными для синтеза ГПС являются требования к уровню технологической надежности и ограничения на конструктивные и технологические параметры. Ограничения задаются в виде неравенств.

К числу параметров ГПС относятся следующие: число модулей в составе системы, число каналов обслуживания, емкость станочных накопителей,средняя относительная протяженность транспортной траектории, продолжительность технологического цикла обработки деталей, скорость транспортного средства, шаг расстановки оборудования, параметры потоков отказов и восстановлений, тип компоновки.

Задача синтеза заключается в определении вектора параметров из числа заданных ограничениями, при которых уровень технологической надежности удовлетворяет техническим требованиям.

Задача синтеза может быть сведена к решению задачи анализа возможного множества вариантов в интерактивном режиме с ЭВМ. При небольшой размерности задача синтеза решается полным перебором вариантов.. При введении дополнительных параметров число анализируемых вариантов мокет быть предварительно ограничено на основании огчта проектировщика. Окончательный выбор из нескольких альтернативных вариантов производит проектировщик с учетом неформализованных факторов.

Анализ и синтез конструктивно- структурных вариантов ГПС производится с использованием диалоговой подсистемы проектирования. Разработаны прикладные модули и входной язык запросно-ответного типа.

Библиотека прикладных модулей включает: головкой модуль GPS ;

подпрограммы, вызываемые в зависимости от типа чомпоновки ГПС: CMPNi, CMPN2, CMpNiS, СМРМ\

подпрограммы, вызываемые в зависимости от числа каналов обслуживания б технологической подсистеме: 8L0K11, Ё1.0К12,

ШК1Ъ\

подпрограммы, вызываемые в зависимости от емкости станочных накопителей: 8LQK20, BL0K21, 5LOKZ2, ВЮК23.

Вычислительной средой является система коллективного доступа PRIMUS.

Разработана методика автоматизированного проектирования, включающая основные этапы проектир; >ания конструктивно- структурных вариантов ГПС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЕ РАБОТК

1. Разработана обобщенная математическая модель, связывающая показатели производительности ГПС с ее конструктивными, структурными параметрами и характеристиками надатаости подсистем. По сравнению с известными разработанная модель учитывает структуру надежности ГПС.

2. Получен ранжированный ряд отказов по степени их влияния на уровень технологической надежности ГПС. Установлено, что более эффективно сокращение времени восстановления, а не увеличение периода безотказной работы.

3. Установлено, что при среднем времени восстановления работоспособности до 50 минут погрешность расчета технологической надежности ГПС без учета влияния переходных процессов не превышает

4. Разработана методика детерминированного распределения номенклатуры обрабатываемых деталей по модулям. При этом достигается сокращение продолжительности транспортной операции до 20% по сравнению со случайным распределением.

5. Установлено, что при расчете технологической надежности ГПС ло аналитической модели избыточность системы по надежности достигает 10% относительно имитационной модели.

6. На основе предложенного машинно- ориентированного алгоритма и разработанной библиотеки прикладных модулей создана диалоговая подсистема, которая позволяет решать задачи анализа и синтеза ГПС в интерактивном режиме с ЭВМ.

7. Разработана последовательность процедур синтеза конструктивно- структурного варианта ГПС и методика автоматизированного проектирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чайкин В.Н. Анализ параметров функционирования транс-портно- накопительных систем в переходном режиме / Марийск. политехи, ин- т.- йошкар- Ола, 1986,- II е.- Деп. во ВНИИТЭМР, » Зб1мш- 86 Деп.

2. Чайкин В.Н. Оптимизация числа каналов восстановления работоспособности ГПС // Разработка и внедрение робототехни-ческих комплексов и ГПС. Тез. докл.- йошкар- Ола, 1987,-

С. 26- 28.

3. Чайкин В.Н. О влия:*.ш коэффициента готовности ГПС на некоторые показатели системы // ХХУП съезд КПСС и интенсификация производства. Тез. докл.- йошкар- Ола, 1986.- С. 53- 54.

4. Чайкин В.Н., Ротт А.Р. Надежность вариантов технологического цикла в автоматизированных транспортных системах // Внедрение ноеых технологий и методов в разработку и функционирование АСУ. Тез. докл. Автоматиэ. сист. управл. технол. процессами. Сист. упр. ГАП / 11110 "Уралсистем".- Свердловск, I9G7.- С. 213- 29.

5. Дмитриев C.B. и др. Особенности автоматизации транс-портно- складских операций в мелкосерийном производстве / С.В.Дмитриев, А.Р.Ротт, В.Н.Чайкин // Пром. трансп.- 1982,В 2 - С. 19.

6. Ротт А.Р., Чайкин В.Н. Имитационное моделирование од-ноканальных автоматизированных транспс-ртных систем // Разработка и внедрение робототехнических комплексов и ГПС. Тез. докл.- йошкар- Ола, 1987.- С, 54- 55.

7. Ротт А.Р., Чайкин В.Н. Разработка прикладных программ для расчета конструктивных параметров гибких производственных систем // Внедрение новых технологий и методов в разработку

и функционирование АСУ. Тез. докл. Астоматиз. сист. управл. технол. процессами. Сист. упр. ГАП / НПО "Уралсистсм".-Свердловск, 1987.- С. 33.

8. Иванов В.К., Чайкин В.Н. Метод автоматизированного синтеза гибких производственных систем // Алгоритмы и про. -раммы поискового конструирования: Межвуз. сб. / Мячийск. гос. ун- т.- Йошкар- Ола, 1933.- С. 63- 69.