Лабораторный практикум

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

сварки или окраски изделия, то картина будет иной – несколько промышленных роботов могут выполнять на операции основные технологические переходы, которые больше по продолжительности, чем вспомогательные.

При компоновке систем многостаночного обслуживания промышленными роботами, с которыми чаще всего приходится сталкиваться в проектах комплексной автоматизации механической обработки, гальванопокрытий, основное время выполнения технологических переходов операций, как правило, значительно больше времени выполнения вспомогательных переходов. В этом случае возникают длительные простои промышленного робота, если он не включен в систему многостаночного обслуживания нескольких единиц автоматического технологического оборудования. В связи с тем, что такие ситуации весьма часто возникают в проектно-технологической практике, рассмотрим компоновочные расчеты систем многостаночного обслуживания промышленными роботами подробнее.

Аналитическую модель для компоновки рассматриваемых РТК можно получить из следующего соотношения, которое позволяет оптимизировать их структуру:

где Здет – затраты на выполнение детале-операции; Зр – часть затрат, зависящая от используемого

промышленного робота; Зст – часть затрат, зависящая от используемого на операции

технологического оборудования;

n– норма обслуживания промышленным роботом нескольких единиц технологического оборудования;

Пт – фактическая производительность автоматической системы машин.

Фактическую производительность можно определить из следующего принятого в технике соотношения:

561

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

где Zф- годовой выпуск; Тр -время работы станка; Тп.ст- простои за год машины (станка).

Простои станка в условиях жесткой связи станков в РТК прямо пропорциональны их количеству в системе. Таким образом, мы можем получить следующее уравнение производительности:

Подставляя это уравнение в формулу (1) можно для определения экстремума, т.е. оптимального значения n, взять первую частную производную по n, приравнять ее нулю и получить формулу для расчета экономически оптимального значения нормы обслуживания промышленным роботом технологического оборудования – nопт:

Экономически оптимальная норма обслуживания промышленным роботом технологического оборудования чаще всего находится в интервале 1< nопт < nт, где nт- это техническая предельная норма обслуживания, которая зависит от надежности работы РТК:

Здесь η- показатели технического использования, т.е. надежности, требующейся соответственно от РТК и паспортная характеристика надежности по коэффициенту технического использования станка (ст), включаемого в группу.

Зная количество единиц требуемого технологического оборудования, определенного исходя из возможности трехсменной работы РТК, структуры простых рабочих мест и сложных технологических комплексов оборудования типа РТК, их габариты и установочные размеры, можно приступать к разработке компоновочных схем РТК, чертежей технологических планировок оборудования роботизированного производства и монтажных планов оборудования.

562

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

1.2. Типовые компоновки робототехнических комплексов в механических цехах

В составе робототехнического комплекса (РТК) и гибкого производственного модуля (ГПМ) промышленный робот может быть :

−технологическим оборудованием, если он выполняет основные технологические переходы (робот-сварщик, робот-маляр, робот-сборщик);

−технологическим оснащением, если он выполняет вспомогательные переходы операции по загрузке или разгрузке оборудования;

−подъемно-транспортным средством (робокар, транс-

манипулятор), если промышленный робот выполняет транспортно-складские операции.

Общий вид компоновок РТК в составе роботизированного участка или гибкой производственной системы можно определить по компоновочным схемам (рис.2 и рис.3).

а) Компоновочные схемы РТК

563

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

б) Вид мобильных РТК: напольных и потолочных

Рис.2. Компоновки робототехнических комплексов

а)

б)

Рис.3. Компоновочная схема (а) и общий вид (б) роботизированной конвейерной линии

564

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

1.3. Методы оптимизации структуры робототехнического комплекса

Методы однокритериальной оптимизации. Для выбора оптимальной структуры робототехнического комплекса или гибкого производственного модуля можно воспользоваться как методами однокритериальной оптимизации (рис.4), так и методами многокритериальной оптимизации структуры РТК или ГПМ (рис.5).

n- норма многостаночного обслуживания промышленным роботом (nопт- оптимальное значение)

Рис.4. Метод оптимизации структуры РТК по минимуму приведенных затрат (З)

565

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

Рис.5. Метод оптимизации структуры РТК и ГПМ по величине экономического эффекта, зависящей от капиталовложений и коэффициента сменности работы РТК (ГПМ)

Методы многокритериальной оптимизации роботи-

зированных технологических процессов осуществляют по комплексам показателей технического уровня и экономической эффективности. Рассмотрим их на примере структурной оптимизации перспективных технологических процессов, в том числе в условиях применения мехатронных технологий и роботизации производственных процессов.

В описании лабораторных занятий предыдущего раздела, который посвящен методам разработки технологических инноваций, при построении многовариантных сетевых графов проектных (перспективных) технологических процессов, используемых для технического перевооружения производства, каждой вершине, характеризующей вариант выполнения технологической операции, присваивают параметры этой операции (например, значения технологической себестоимости или приведенных затрат, штучное время, уровень автоматизации). При этом в качестве базового технологического процесса, как правило, рассматривался рабочий технологический процесс, реализованный в цехе по изготовлению изделияпредставителя. Его значения в математической модели обычно

566

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

показывают на осевой линии вершин многовариантного сетевого графа. Этим вершинам присвоены значения параметров, определенных по существующему парку технологического оборудования и других средств технологического оснащения, по существующим режимам обработки или технологическим регламентам, по существующим затратам на выполнение данного технологического процесса.

Дополнительные вершины многовариантного сетевого технологического графа определяют, исходя из возможностей выбора и использования высоких технологий, нового технологического оборудования и других прогрессивных средств технологического оснащения, в том числе современных средств автоматизации технологических процессов (мехатронных станков, промышленных роботов) для их реализации в инновационном проекте.

Дальнейший анализ полученного многовариантного сетевого технологического графа возможен с использованием различных программно-методических комплексов на ЭВМ:

−однокритериальной1 и многокритериальной оптимизации,

−теории статистических решений,

−методов искусственного интеллекта2 и

−других средств системного анализа [1,2],

которые позволяют определять оптимальные проектнотехнологические решения по использованию высоких и критических технологий, в том числе роботизированных технологических процессов в инновационных проектах.

В данном разделе мы подробнее остановимся на методах многокритериальной оптимизации, так как они позволяют находить Парето-оптимальные решения не только по величине минимумов затрат или трудоемкости, но и по показателям высокого технического уровня технологических процессов. Другие методы мы более подробно рассмотрели выше, а методы искусственного интеллекта, которые можно применять в

1Анферов М. А., Селиванов С. Г. Структурная оптимизация технологических процессов в машиностроении. Уфа: Гилем, 1996. 185 с.

2Селиванов С. Г. Технологическая инноватика. М.: Наука, 2004. 283 с.

Селиванов С. Г., Иванова М. В. Теоретические основы реконструкции машиностроительного производства. Уфа: Гилем, 2001. 310 с.

567

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

технологическом проектировании, изложены в предыдущем разделе данного лабораторного практикума.

Анализ показывает, что все многочисленные методы решения многокритериальных задач3,4 можно свести к трем группам:

−метод главного показателя; −лексикографические методы (методы последовательных уступок); −метод результирующего показателя.

Метод главного показателя основан на переводе всех локальных показателей конкурентоспособности (в данном случае частных показателей технического уровня и затрат), кроме главного, в перечень ограничений типа равенств и неравенств

Методу главного показателя присущи следующие недостатки:

1)в большинстве случаев нет достаточных оснований для того, чтобы считать какой-то один показатель главным, а все остальные – второстепенными.

2) для показателей качества (конкурентоспособности) q2(S), ..., qm(S), переводимых в разряд ограничений, достаточно трудно установить их допустимые значения.

Лексикографический метод. Предположим, что показатели упорядочены по важности, например, q1 (S) > q2 (S) >...> qm (S). Суть метода заключается в выделении сначала множества

3Подиновский В. В., Ногин В. Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач.

М.: Наука, 1982. 256 с.

4Камаев В. А., Гришин В. А. Математическое моделирование изделий и технологий. Волгоград, 1986. 194 с.

568

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

альтернатив с наилучшей оценкой по наиболее важному показателю. Если такая альтернатива единственная, то она считается наилучшей; если их несколько, то из их подмножества выделяются те, которые имеют лучшую оценку по второму показателю и т.д.

Метод результирующего показателя качества. Суть данного метода заключается в том, что частные критерии Fi(X), i=1, n объединяют в один интегральный критерий F(X)=Ф(F1(X),F2(X),…, Fn(X)), а затем находят максимум или минимум данного критерия.

В зависимости от того, каким образом частные критерии объединяют в обобщенный критерий, различают следующие основные разновидности обобщенных критериев:

−аддитивный критерий;

−мультипликативный критерий;

−максиминный (минимаксный) критерий.

Аддитивный критерий. В этом случае целевую функцию получают путем сложения нормированных значений частных критериев. В общем виде целевая функция обычно имеет следующий вид:

где n – количество объединяемых частных критериев; Ci – весовой коэффициент i-го частного критерия; Fi(X) – числовое значение i-го частного критерия; F0i(X) – i– й нормирующий делитель;

fi(X) – нормированное значение i-го частного критерия. Рассмотрим более подробно данный метод на примере

компоновки РТК. Для этого необходимо определить оптимальный вариант компоновки робототехнического комплекса (РТК) с использованием обобщенного (интегрального) аддитивного критерия технического уровня системы машин. Частными критериями, с помощью которых в данном примере оценены варианты РТК, являются производительность и надежность (наработка на отказ). По каждому из этих критериев требуется получить максимальное значение параметра. Исходные данные для решения задачи приведены в табл. 1.

569

Раздел V1. Методы технического перевооружения производства

Целевую функцию на основе аддитивного критерия (9) можно записать следующим образом:

В качестве нормирующих делителей в данной задаче примем наилучшие (максимальные) значения частных критериев:

F1(0) ( X ) =120шт / ч, F2(0) ( X ) = 4ч.

Значения обобщенного аддитивного критерия рассчитываются для каждого варианта:

−вариант 1 (напольный робот + 1 станок)

F(X)=0,6·(30/120)+0,4·(4/4)=0,55;

−вариант 2 (напольный робот + 2 станка)

F(X)=0,6·(60/120)+0,4·(2/4)=0,5;

−вариант 3 (подвесной робот + линия из 4 станков)

F(X)=0,6·(120/120)+0,4·(1/4)=0,7.

Парето-оптимальным является 3-й вариант компоновки робототехнического комплекса по критерию максимума технического уровня, так как ему соответствует максимальное значение обобщенного аддитивного критерия. Недостаток этого метода, как видно из примера, заключается в том, что весовые коэффициенты назначает проектировщик. Если он изменит

570