Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Лекция 18. Гибкие производственные системы. Разработка компоновки станочных комплексов и их оптимизация .

Основным традиционным методом, которым пользуется конструктор в процессе получения технических решений, является метод проб и ошибок. Повышения эффективности поиска новых конструктивных решений методом проб и ошибок обеспечивается применением ряда эвристических приемов, сформулированных для изобретательной деятельности, таких, как, например, инверсия, аналогия, метод «мозгового штурма» и т. д. Очевидно, что прямая автоматизация с помощью ЭВМ метода проб и ошибок с набором эвристических приемов невозможна, так как эти процедуры трудноформализуемы. Эффективность использования метода проб и ошибок в основном определяется интуицией, а в конечном счете – опытом конструктора.

Большинство задач компоновочного синтеза удается формализовать в виде задач дискретного математического программирования. Задача покрытия может быть сформулирована как задача минимизации числа стандартных или унифицированных модулей. Пусть x _j – число модулей j-го типа, тогда минимизируется целевая функция

где

где n – число типов модулей; m – число ограничений; a _ji и b _j – постоянные коэффициенты.

Если минимизируется стоимость покрытия, тогда целевая функция

где C_j – стоимость модуля j-го типа.

С учетом нескольких критериев качества можно построить аддитивную целевую функцию. Например, целевая функция учитывающая число модулей и их стоимость, записывается так

где K₁ и K₂ – весовые коэффициенты.

Задачи с ограничениями являются задачами линейного целочисленного программирования.

Задача разбиения схемы из конструктивных элементов в общем виде формулируется как задача нелинейного целочисленного программирования. Исходная схема из конструктивных элементов заменяется взвешенным мультиграфом G = (X, A), в котором элементы образуют множество вершин X = (x₁, x₂, …, x_n), а межэлементные соединения являются ребрами. Графу G соответствует матрица смежности M = [a _ij ]_nхn (n – число элементов в схеме).

Разбиение схемы сводится к разрезанию графа G на подграфы G _l = (X _l, A _l), где l = 1, 2, …, m (m – число подграфов), при условии минимизации межузловых соединений. Введем матрицу переменных Y = [y _{i l} ]_nxn, в которой y _{i l} = 1, если x _i входит в G _l, и y _i = 0 в противном случае. Так как элемент, изображаемый вершиной x _i, может входить только в один узел, то I = 1, 2, …, n.

Ограничение на вместимость узла, которому соответствует подграф G _l, примет вид

где p _i и k _l – параметры, определяющие, например, габаритные размеры i-го элемента и l -го узла соответственно.

Ограничение на число внешних соединений в узле G_l

v _i £ v,

где v – максимально допустимое число внешних соединений в одном узле.

Число внешних соединений узла G _l (целевая функция) может быть записано с помощью следующего выражения:

Для небольшой размерности эта задача нелинейного целочисленного программирования может быть решена с помощью метода ветвей и границ.

Для формализации решения задачи размещений модулей, например гидроаппаратуры на вертикальной плите насосной установке станка, построим взвешенный мильтиграф G = (X, A). Матрица смежности графа M = [a _ij ], где n – число модулей; a _ij – число соединений между модулями x _i и x _j. Вертикальной плите соответствует граф G _t = (P, u), множество вершин которого P определяется позициями для размещения модулей, а множество ребер u – координатной решеткой, связывающей вершины графа.

Целевой функцией является суммарная взвешенная длина соединений

.

Необходимо найти вариант размещения модулей, минимизирующий целевую функцию. Решение этой задачи, которая получила название задачи квадратичного назначения, может быть получено с помощью алгоритмов на основе метода ветвей и границ при n не более 15…20.

Задача трассировки является обратной по отношению к задаче размещения, так как модули уже размещены и необходимо определить оптимальную прокладку соединений между модулями. Таким образом, исходной является матрица инциденций B = [b _ij ]_nxm, а варьироваться будет матрица расстояний D = [d _ij ]_mxm путем изменения трассы соединений (трубопроводов, электрических проводников, транспортных потоков, потоков обслуживания оборудования и т. п.). Целевая функция та же, что и в задаче размещения модулей.

Рассмотрим постановку задачи компоновочного синтеза станочных систем с помощью итерационных алгоритмов. Пусть необходимо разработать компоновку станочного комплекса для обработки корпусных деталей с заданной производительностью Q₀. Исходными данными для проектирования будут являться: объем обработки (каждого типа деталей), число деталей в партии, число запусков деталей, производительность обработки по каждой партии деталей и т. д. Компоновочные параметры: число позиций, тип оборудования (универсальные станки, агрегатные и многоцелевые станки и т. д.), тип транспортных устройств (транспортеры, рольганги, тележки т. д.), тип устройств загрузки-выгрузки деталей (подъемники, загрузчики, промышленные роботы и т. д.), число обрабатывающих элементов (одновременная обработка одним инструментом или несколькими инструментами), наличие накопителей и их тип и т. д.

В результате решения задачи компоновки станочной системы должна быть получена ее структура, тип оборудования и механизмов, автоматизирующих производственный процесс (поточная линия из универсальных станков, автоматическая линия из специальных или агрегатных станков, станочный комплекс из многоцелевых станков. Гибкая производственная система и т. п.)

В качестве базового варианта может быть принята, например, поточная линия из универсальных станков. Задача сводится к определению степени автоматизации станочной системы. Если решать эту задачу простым перебором, то число вариантов составит несколько тысяч.

Алгоритм решения задачи может быть построен по итерационному алгоритму, который аналогичен алгоритму метода Гаусса – Зейделя.

Если критерием оптимизации является рост производительности общественного труда l, то целевой функцией при выборе того или иного варианта автоматизации будет Ф = max Dl, где Dl - прирост производительности общественного труда.

Если за критерий оптимизации принять суммарные затраты Т за весь срок эксплуатации станочной системы, то на каждом шаге алгоритма для выбора направления автоматизации могут быть использованы целевые функции, аналогичные,

при

при

где DQ – изменение производительности станочной системы; DТ – изменение суммарных затрат за весь срок эксплуатации станочной систем; а – постоянный или переменный весовой коэффициент.

Весовой коэффициент а обеспечивает выбор направления изменения структуры станочной системы в зависимости от приоритета Q или Т. Например, а = Т _i /Q _i, где Т _i и Q _i – производительность и суммарные затраты предыдущего варианта станочной системы. Для случая оптимизации по критерию DТ можно записать целевую функцию в виде:

где ;

Производительность Q _i на каждом шаге алгоритма в случае сложной станочной системы может быть подсчитана с помощью ее имитационного моделирования. Для определения параметров Т _i необходимо построить банк данных по стоимости оборудования и средств автоматизации. Практически нельзя создать такой банк данных по всем типам оборудования и различным устройствам, поэтому реально такая информация может быть представлена только по базовому варианту. Характеристики остальных вариантов будут определяться относительно базового варианта.

Лекция 18. Гибкие производственные системы. Разработка компоновки станочных комплексов и их оптимизация.

ГПС можно рассматривать в трех аспектах: функциональном, структурном и организационном. Функциональный аспект устанавливает круг функций, которые должны выполнять ГПС, ее устройства и элементы. Эти функции определены целями, для которых создана ГПС, т. е. составом решаемых задач. В итоге они определяют логику функционирования ГПС. Структурный аспект предусматривает исследование и построение ГПС как системы и установление ее компонентного состава. Его изучение необходимо для синтеза структуры ГПС и ее анализа при проектировании. Организационный аспект устанавливает связь структур ГПС конкретного предприятия с организацией, а также задачи, предписанные функциональным назначением.

При создании ГПС необходимо определить и систематизировать состав решаемых задач (т. е. определить функциональную структуру ГПС); выявить необходимый состав технических средств, программного и информационного обеспечений коллектива специалистов, эксплуатирующих эти средства (т. е. определить компонентную структуру ГПС); обеспечить целесообразную организацию работы функциональных подсистем и отдельных элементов, накладывая их на существующую организационную структуру производства (т. е. определить организационную структуру ГПС).

Для целенаправленного функционирования ГПС в общем случае необходимо обеспечить решение следующих задач:

- планирование, учет, диспетчеризацию и контроль хода производства;

- накопление заготовок, полуфабрикатов, материалов, приспособлений, инструмента и транспортирование их к технологическому оборудованию;

- загрузку-разгрузку оборудования;

- прием из подсистемы более высокого уровня иерархии программ управления технологическим оборудованием, их хранение, редактирование и трансляцию;

- управление всем технологическим оборудованием;

- диагностику работы всех технических средств с индикацией неисправностей и ошибок принятием соответствующих решений в управляющем вычислительном комплексе;

- контроль точности базирования изделий и качества обработки (сборки);

- диагностику состояния производственного инструмента с введением коррекции в управляющую программу и обеспечением автоматической замены инструмента;

- доставку и подачу вспомогательных материалов: смазочно-охлаждающей жидкости, ветоши и др.;

- удаление отходов из рабочей зоны ГПС;

- комплектование, сборку и настройку приспособлений и инструмента;

- техническое обслуживание и ремонт технических средств и др.

Согласно принципу иерархической декомпозиции в составе ГПС будем выделять обеспечивающую и функциональную части.

Обеспечивающая часть ГПС – это часть ГПС, состоящая из технического, материального, топливно-энергетического, технологического, программного, математического, информационного и организационного обеспечений.

Функциональная часть ГПС – есть часть, состоящая из ряда подсистем, выделенным по функциональным признакам.

По назначению разделим функциональные подсистемы на два вида: технологические и вспомогательные. К технологическим отнесем подсистемы, реализующие заданный технологический процесс производства, например подсистема механического производства, подсистема литейного производства, подсистема сборочного производства и др. К вспомогательным отнесем подсистемы, способствующие эффективной реализации заданных технологических процессов производства изделия и предназначенные для поддержания работоспособности технологических подсистем, например подсистема управления, подсистема перемещения объектов, подсистема складирования и учета, подсистема технического контроля, подсистема удаления отходов и др.

Подсистемы технологического оснащения формируются по различным видам производств: механообрабатывающие, литейные, сварочные, кузнечные, штамповочные, гальванические, лакокрасочные, сборочные и др.

Так, подсистема механообработки включает функции механизации и автоматизации основных и вспомогательных переходов обработки деталей на станках от момента подачи заготовки к станку до отправки обработанной детали, а также выдачи различных сигналов и команд на пульты в другие подсистемы. Реализация этих функций осуществляется с помощью серийных или специально разработанных средств основного технологического оборудования (станки с ЧПУ, промышленные роботы, накопители, кассеты с деталями и инструментом и др.).

Вспомогательные подсистемы решают следующие задачи.

Подсистема перемещения объектов осуществляет складирование, внутрицеховое и межстаночное транспортирование деталей и заготовок, а также установку, снятие, переориентацию (если потребуется) и фиксацию деталей при обслуживании основного технологического оборудования. В состав этой подсистемы входят автоматизированные внутрицеховые склады, транспортные работы, конвейеры. Транспортеры, тележки и другие средства погрузочно-разгрузочных и транспортных работ.

Подсистема управления ГПС осуществляет управление всеми подсистемами ГПС различного иерархического уровня и взаимосвязь между основным и вспомогательным оборудованием, транспортно-загрузочными устройствами и складом; контроль и диагностику работы оборудования, в том числе фиксацию отказов и простоев; сбор и распределение информации о местонахождении партии заготовок, деталей, полуфабрикатов, комплектующих изделий и узлов, а также оперативную оценку степени заполнения склада; выдачу информации диспетчеру и прочие операции, связанные с планированием и организацией производства.

Подсистемы технического контроля обеспечивают требуемый уровень качества объектов изготовления путем контроля их параметров на всех стадиях изготовления; контроля инструментов и приспособлений, диагностики состояния оборудования, а также активное воздействие на производство и технические службы в целях своевременного устранения причин появления брака.

Дополнительные вспомогательные подсистемы решают задачи удаления отходов производства; централизованного снабжения ГПС смазочно-охлаждающей жидкостью и моющим раствором требуемого состава и количества; технического обслуживания и ремонта станков, промышленных роботов, ЭВМ и другого оборудования ГПС; хозяйственного обеспечения вспомогательными материалами, уборки и ремонта помещений.

Подсистемы ГПС образуются набором модулей (устройств) различного функционального назначения: модулей обработки, сборки, контроля, складирования, транспортирования, удаления отходов, мойки и сушки и т.п. Каждый из этих модулей содержит ряд устройств (например, модуль обработки состоит из станка и различных дополнительных устройств, обеспечивающих автоматическое и автономное его функционирование, устройств контроля, автоматической загрузки заготовок, автоматической смены инструмента, удаление отходов и т.п.).

Окончательно структура ГПС определяется после конструкторской проработки на стадии технического проекта.

По организационным признакам ГПС делится на следующие виды: гибкий автоматизированный комплекс (ГАК); гибкую автоматизированную линию (ГАЛ); гибкий автоматизированный участок (ГАУ); гибкий автоматизированный цех (ГАЦ).

Отдельные структурные единицы ГРТК также строятся по модульному принципу. В качестве основного производственного модуля используется гибкий производственный модуль (ГПМ). Под ГПМ понимается единица технологического оборудования, оснащенная системой ЧПУ или каким-либо другим устройством программного управления и функционирующая как самостоятельно, так и в составе ГПС; при этом все функции, связанные с изготовлением изделия, должны осуществляться автоматически.

В общем случае средства автоматизации ГПМ включают накопители заготовок, режущего и мерительного инструмента, приспособлений; устройство загрузки-выгрузки обрабатываемых изделий; устройство удаления отходов; устройство автоматизированного контроля; устройство диагностирования технического состояния оборудования и инструмента; системы автоматической переналадки; устройство обеспечения точности переналадки; устройство стабилизации технологического процесса и др.

Совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, функционирующих автономно и многократно осуществляющих рабочие циклы, называется роботизированным технологическим комплексом (РТК).

Характерной особенностью ГПМ является возможность их выстраивания в структуры более высокого уровня, т.е. в ГАК, ГАЛ и т.д.

Структурной особенностью ГАЛ является расположение технологического оборудования в соответствии с принятой последовательностью технологических операций.

Гибкость производства в ГАП реализуется следующими способами: применением станков с ЧПУ; сменой (на станках) отдельных агрегатов, узлов и многошпиндельных головок; поворотом на 360⁰ обрабатываемой детали в транспортной системе и др.

ГАУ – это подсистема ГПС, состоящая из ГАЛ или другого технологического оборудования, объединенных системой управления, в которой в отличии от ГАЛ предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования, что обеспечивает оптимальную загрузку последнего и позволяет изготовлять детали в комплекте, необходимом для сборки изделий.

В состав ГАУ может входить автономно функционирующее технологическое оборудование, не связанное общей транспортной системой с остальным оборудованием; возможно также выполнение отдельных ручных операций (например, загрузка-разгрузка обрабатываемых изделий на приспособлении-спутнике).

ГАЦ – это подсистема ГПС, представляющая собой совокупность ГАЛ и (или) ГАУ, предназначенных для изготовления изделий заданной номенклатуры.

Основу построений модулей ГПС составляют: гибкие технологические комплексы (ГТК), гибкие транспортные комплексы (ГТрК), гибкие складские комплексы (ГСК), гибкие контрольно-измерительные комплексы (ГКИК), гибкие управляемые комплексы (ГУК).

Рассмотрим принципы построения гибких технологических комплексов ГПС, основанных на использовании в их составе промышленных роботов. Такие комплексы называют гибкими роботизированными комплексами (ГРК). Различают гибкий роботизированный технологический комплекс (ГРТК) и гибкий роботизированный производственный комплекс (ГРПК). К ГРТК относят комплексы, в которых роботы только загружают и разгружают основное обрабатывающее изделие в технологическое оборудование.

Технологическое оборудование в ГРТЯ может размещаться по линейной, угловой, круговой и комбинированным схемам. Выбор той или иной схемы ГРТЯ определяется:

- особенностями технологического процесса;

- расположением основного оборудования и промышленных роботов (ПР);

- способом передачи обрабатываемых предметов между основным технологическим оборудованием, загрузочно-разгрузочными и транспортно-ориентирующими устройствами;

- размещением межоперационных заделов и транспортных систем. Общую структуру ГРТК механической обработки можно представить как состоящую из пяти основных подсистем: технологическое оборудование; межоперационное транспортирование и складирование; манипулирование; измерение и контроль; удаление технологических отходов.

Основными задачами компоновочного проектирования являются задачи компоновочного (топологического) синтеза, которые можно разделить на задачи структурного и геометрического синтеза. Компоновка конструктивных элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего иерархического уровня в большинстве случаев является наиболее трудоемкой частью конструкторского проектирования, и иногда под компоновкой понимают собственно процесс конструирования. Например, процедура компоновки (компонование) машиностроительных узлов обычно состоит из двух частей: эскизной и рабочей. В эскизной компоновке по функциональной схеме разрабатывают общую конструкцию узла. На основании эскизной компоновки составляют рабочую компоновку с более детальной проработкой конструкции узла.

Среди задач структурного синтеза при компоновочном проектировании станков и станочных узлов можно выделить два характерных класса: задачи покрытия и задачи разбиения.

1. Задачи покрытия возникают, например, при переходе от функциональной или принципиальной схемы узла к набору стандартных деталей, блоков или модулей. Так, агрегатные станки и автоматические линии компонуются из унифицированных узлов (силовые головки, силовые столы, шпиндельные бабки, корпусные детали).

2. В результате решения задачи разбиения осуществляется разделение на конструктивно обособленные части (узлы) схемы соединений конструктивных элементов на некотором иерархическом уровне. В качестве примера можно привести задачу разбиения гидравлической схемы станочного гидропривода модульного исполнения на отдельные модули. Задача разбиения возникает при выборе конструкции унифицированных станочных узлов.

Геометрический синтез при компоновочном проектировании конструкции включает задачи размещения и трассировки.

1. Типичной задачей размещения является определение планировки станочного участка, автоматической линии, цеха. Выбор места установки на станке электродвигателя привода главного движения из условия минимальных тепловых деформаций также можно свести к решению задачи размещения. Большое число задач связано с размещением гидроаппаратуры на насосных установках или аппаратуры в электрошкафах. При выбранной схеме узла и известном наборе элементов на следующем этапе осуществляется размещение элементов.

2.Задачи трассировки тесно связаны с задачами размещения конструктивных модулей и заключаются в определении геометрии соединений, например, из условия минимизации длины соединений (трубопроводов кинематических цепей или монтажных проводов). К задачам трассировки относится определение оптимальных транспортных потоков в технологических системах, расчет рационального маршрута обслуживания оборудования.

Решение конструкторских задач опирается на использование структурных математических моделей. Таким образом, большинство задач конструирования по своей сути является задачами структурного синтеза. Для анализа качества конструирования также могут применяться структурные модели, однако они не отражают процессы функционирования изделий. Поэтому для полной оценки результатов конструирования применяют модели и методы, характерные для функционального проектирования. Кроме того, большое число параметров функциональных моделей может быть рассчитано только после выполнения конструкторского проектирования. В этом проявляется тесная взаимосвязь подсистем функционального и конструкторского проектирования.