Лекции / Официальные лекции Заводян / Лекция 3

Для ТО, у которой параметры изменяются во время ее выполнения, в частности при наличии подналадки технологического оборудования или оснастки, это будут нестационарные уравнения, т. е. с коэффициентами, плавно или скачкообразно изменяющимися во времени.

Примером является ТО получения тонких пленок методом термовакуумного испарения. При испарении уменьшается масса материала на испарителе, что ведет к увеличению сопротивления испарителя, а следовательно, к снижению тока. Чтобы не изменялась скорость испарения, в процессе операции производится регулировка тока так, чтобы его значение оставалось неизменным. Эта операция описывается системой дифференциальных уравнений с коэффициентами, зависящими от времени и от других технологических и физических параметров процесса испарения.

С учетом распределенности и изменчивости параметров, важно знать, что нелинейность уравнений отражает зависимость модели от значений учитываемых параметров: наличие интегралов в уравнениях отражает влияние на ТО эффектов накопления вещества или энергии; наличие производных – влияние значений скоростей и ускорений учитываемых параметров. Обоснованное исключение из модели одной или нескольких особенностей, т.е. пренебрежение при построении ММ теми или иными реальными свойствами ТО, является способом получения приближенного математического описания ТО.

Из многообразия приближенных ММ реальных объектов в технических науках особое место занимают линейные модели. Линейной называется модель, обладающая так называемым свойством аддитивности по воздействию, т. е. реакция на сумму воздействий равна сумме реакций этой модели на каждое слагаемое. Линейные модели описываются линейными уравнениями.

Все рассмотренные ранее системы соответствующих уравнений с достаточной для каждого случая полнотой описывают реальные ТО. В пределах одинаковой полноты описания однотипные ММ различных ТО будут отличаться порядком уравнений и значениями соответствующих коэффициентов в этих уравнениях, поэтому для сравнения разных ТО достаточно сравнивать упорядоченные последовательности коэффициентов. Более того, каждая ММ с исчерпывающей полнотой описывается упорядоченным набором коэффициентов соответствующих уравнений при заданных начальных условиях. Такое представление свойств ММ не единственно и во многих задачах анализа и синтеза соответствующих ТО широко используются более удобные формы их описания.

Часто наглядным является представление свойств ТО на основе решения соответствующих уравнений при вполне определенных типовых воздействиях на моделируемый объект. Другими словами, удобно сравнивать различные моделируемые объекты по величине и характеру их реакции на “пробное” (типовое по форме и стандартное по величине) воздействие. Особенно это целесообразно при анализе и синтезе стационарных линейных динамических объектов. Если в качестве “пробного” воздействия использовать одиночный скачок величины входного воздействия, то изменение выходного параметра различных ТО будет различным, ТО можно сравнивать по таким реакциям на одинаковые воздействия.

Реакция анализируемого объекта на единичный скачок носит специальное название — переходная характеристика объекта. Переходная характеристика ТО может быть вычислена, если при решении описывающей ее системы уравнений подставить в виде показателя внешнего воздействия единичный скачок.

Другим часто используемым «пробным» воздействием является кратковременное ударное воздействие, математической идеализацией которого является дельта-функция. Реакция анализируемого объекта на дельта-функцию называется его импульсной переходной характеристикой.

Если в качестве «пробного» воздействия использовать гармоническое колебание внешнего воздействия единичной амплитуды, то реакция стационарного линейного объекта также является гармоническим колебанием той же частоты, а изменения амплитуды и фазы этого колебания зависят от свойств этого объекта.

Функции, описывающие зависимость амплитуды и фазы выходного колебания от частоты синусоидального выходного колебания единичной амплитуды, называются соответственно амплитудно- и фазочастотной характеристиками данного объекта; вместе они определяют комплексную функцию частоты называемую передаточной функцией данного объекта.

Поскольку все названные характеристики, начиная с упорядоченного набора коэффициентов, однозначно характеризуют стационарные линейные объекты, они взаимосвязаны известными преобразованиями.

Технологический процесс производства ЭВС может содержать заготовительные, обрабатывающие, сборочные, монтажные, испытательные, контрольно-разбраковочные и другие операции, каждая из которых описывается своей ММ, базирующейся на соответствующих законах распределения выходных параметров, характеризующих точность и надежность выполнения конкретной ТО.

Гибкая автоматизация технологических процессов.

Преимущества высокоточных групповых технологий лучше всего реализуются в условиях гибкой производственной системы (ГПС). ГПС представляет собой комплекс автоматизированного оборудования (технологического, транспортного, складского и др.) с единой автоматизированной системой управления (АСУ), обеспечивающей быстрый переход с выпуска одного изделия на выпуск другого путем замены программы АСУ, автоматической смены инструментов и оснастки без изменения состава и расположения основного оборудования. По сути, ГПС можно рассматривать как организационно-техническую структуру (т.е. организационную, функциональную, компоновочную и информационно-управляющую), на основе которой создаются высокоэффективные (преимущественно мелкосерийные многономенклатурные), а также интегрированные производства перспективных ЭУ.

В состав автоматизированного технологического оборудовании обычно входят гибкие технологические модули (ГТМ - основная технологическая структурная единица ГПС) и (либо) робототехнологические комплексы с индивидуальными средствами автоматического управления или управляемые от центральной ЭВМ, устройства загрузки-выгрузки (промышленные роботы или специальные автоматические устройства) объектов производства (и их конструктивов), унифицированная (или специальная) оснастка, контрольно-измерительные средства и т.д. (рис. 3.2). Состав технологического оборудования ГПС должен подбираться так, чтобы обеспечить реализацию ТП, предусмотренных в сменных программах с учетом резервирования отдельных ГТМ (на случай отказа) для обеспечения непрерывной работы ГПС.

Транспортное оборудование (транспортеры, конвейеры, автоматические тележки, промышленные роботы или специальные автоматические устройства) должно обеспечивать своевременную подачу со складов к технологическому оборудованию заготовок, конструктивов, сменной оснастки и требующих замены инструментов, материалов технологических сред (ТС) и доставку на склады готовых ЭУ, сменной оснастки и инструмента, отходов производства и т.д. по адресам, указываемым по команде центральной управляющей ЭВМ (см. рис. 3.2).

Складское оборудование представляет собой складирующие автоматы, на которых хранятся и выдаются по команде АСУ полуфабрикаты, готовые ЭУ, конструктивы, оснастка, инструменты, материалы и т.д. в количестве, достаточном для непрерывной работы ГПС.

АСУ на базе ЭВМ осуществляет оперативный контроль за работой ГПС и ее составляющих, оптимизирует режим работы всех единиц оборудования, особенно при переходе на выпуск других изделий, определяет необходимые для этого инструменты, оснастку, материалы ТС и дает команду на их доставку к технологическому оборудованию, а также изъятие заготовок, оснастки, отходов и т.д. от предыдущего изделия. Высокое быстродействие и большая емкость памяти ЭВМ обеспечивают надежный контроль и оперативное управление производственным процессом в рамках ГПС.

Таким образом, в отличие от жесткой гибкая автоматизации характеризуется:

• быстрой переналаживаемостью производственной системы только с использованием имеющегося в составе ГПС технологического оборудования;

• широким применением ЭВС и робототехники;

• оперативностью контроля и управления ТП;

• возможностью оптимизации ТП и процесса управления производством;

• возможностью диагностирования технического состояния оборудования;

• совместимостью со всеми средствами реализации любых САПР, что позволяет при соответствующем выборе компьютерной среды организовать интегрированную производственную систему;

• возможностью совершенствования изделий и технологий их изготовления;

• потребностью в высококвалифицированных рабочих н ИТР;

• возможностью организации малолюдной и безлюдной технологий, а в сочетании с кластерными системами - экологически чистых технологий.

Переналаживаемость и гибкость ГПС. Под переналаживаемостью ГПС подразумевается возможность быстрого и экономичного перехода с одного ТП на другой в связи с изменением конструктивных, технологических, организационных, управленческих и экономический факторов, а также объема выпуска изделий. Основной характеристикой переналаживаемости является время переналадки. Переналаживаемость присуща любому многономенклатурному производству, но в современных условиях производства ЭВС требования к переналаживаемости особенно возрастают. Это определяется частой сменяемостью ЭУ, обусловленной постоянным совершенствованием их конструкций, изменением их функциональных параметров, одновременным выпуском нескольких модификаций изделий, изменением объема выпуска, совершенствованием различных технологий (реализуемых в ГПС), освоением новых ЭУ, пользующихся повышенным спросом у потребителей и т.д., а также

Рис. 3.2. Гибкая автоматизированная линия сборки и монтажа ячеек ЭВС с поверхностными сборкой и монтажом: 1 – загрузчик; 2 – модуль трафаретной печати припойной пасты; 3 – конвейер; 4 – модуль нанесения клея; 5 – модуль сборки компонентов с простейшей конструкцией на платах; 6 – модуль сборки на платах компонентов средней сложности; 7 – модуль сборки на платах компонентов с самой сложной конструкцией корпусов; 8 – монтаж групповой пайкой; 9 – разгрузчик; 10 – транспортный робот, управляемый ЭВМ; ЭВМ1 – центральная ЭВМ; ЭВМ2 – ЭВМ контроля и управления автоматической линией; ИД- исходные данные; ВД – выходные данные; Д1 и Д2 – дисплеи.

разработкой уникальных ЭУ. Переналадка может быть также связана с отказом отдельных единиц ГПС и автоматическим включением резервных в ТП.

В ГПС можно выделить неизменяемые базовые структурные единицы (БСЕ), а также средства наладки и настройки. Средства наладки позволяют изменять качественные и количественные характеристики ГПС путем замены одних узлов другими в пределах допускаемых отклонений, определяемых БСЕ. Средства настройки позволяют изменять качественные и количественные характеристики ГПС без замены узлов, а только путем их переналаживания в заданных пределах (с помощью регулировочных органов или элементов),

К БСЕ относятся; несущие конструктивы технологического оборудования, индивидуальных или групповых устройств управления; транспортно-накопительных устройств, загрузочно-разгрузочного и другого оборудования, а также их общее программно-математическое обеспечение.

К наладочным средствам относятся агрегатные узлы технологического оборудования и автоматизированной транспортно-складской системы, технологическая

оснастка, включая инструментальную, захваты и ориентирующие устройства, узлы систем инструментального, технологического и информационного обеспечения, дополнительные блоки систем управления, специальное программное обеспечение управляющих ЭВМ, управляющие программы.

Средства настройки включают регулируемые электронные узлы и электромеханические конструктивы технологического оборудования, регулировочные органы и элементы устройств индивидуального, группового и централизованного управления, входные параметры программного обеспечения.

Переналадка - это технологический процесс, связанный с изменением характеристик ГПС. Возможность эффективного изменения этих характеристик достигается гибкостью производительной системы. Гибкость является характеристикой непосредственно ГПС, а переналаживаемость определяется характеристиками как ГПС, так и объектов производства.

Гибкость производственной системы определяется:

• диапазоном изменения технических характеристик (например, режимов обработки, прижимных усилий, допустимой конфигурации и размеров отдельных конструктивов оборудования, количества рабочих органов, точности выполнения технологических операций и т.д.) ГПС и ее структурных единиц;

- универсальностью технических решений в пределах одной ГПС, в том числе основного и вспомогательного оборудования, применяемой оснастки для различных видов оборудования, средств управления, информационного н программного обеспечения;

• временем, требуемым для изменения технических характеристик ГПС;

• совершенством системы управления и средств программного обеспечения в отношении оперативности переналадки ГПС.

В качестве меры гибкости перехода ГПС, выпускавшей изделия i-го наименования, к выпуску изделий j-го наименования принимают коэффициент гибкости определяемый как

где - время обработки (формообразования) 1-го объекта при изготовлении ЭУ j-го наименования; - время переналадки ГПС при переходе от выпуска i-го наименования к j-му; - весовой коэффициент, учитывающий объем номенклатуры выпускаемых ГПС изделий различных наименований (для выпуска изделий только одного наименования , а ).

Для оценки среднего значения коэффициента гибкости ГПС , рассчитанного на выпуск ЭУ различных наименований, следует в уравнение для определения подставить вместо и их средние значения:

тогда

Этот коэффициент может быть применен для простейшей оценки гибкости проектируемых ГПС и находящихся в эксплуатации, так как характеризует способность ГПС к самообеспечению готовности выпускать изделия другого наименования, Чем больше этот показатель, тем выше способность ГПС к переналаживанию. Расчет усредненного коэффициента гибкости позволяет установить уровни гибкости ГПС (например, к высшему уровню гибкости следует отнести ГПС, для которых -, к среднему - ГПС с -).

Использование коэффициента гибкости в качестве основного параметра ГПС при моделировании (математическом или имитационном) дает возможность определить оптимальную последовательность запуска исходных для изготовления ЭУ конструктивов, деталей и т.п. в производство, а также сравнение и выбор нужной ПГС для производства перспективных ЭВС,

В заключение важно отметить, что гибкая автоматизация постепенно стирает границы между единичным и крупносерийным производством ЭУ, поскольку является самым удачным для производства ЭУ компромиссным решением, обеспечивающим сочетание универсальности с повышением производительности технологического оборудования. Современное представление о гибкости, кроме того, обязательно должно быть связано с наличием избыточных производственных мощностей и дополнительных капиталовложений, что в реальной действительности всегда экономически оправдывается за счет высокого качества и надежности выпускаемых ЭУ, а тем самым и их конкурентоспособности в условиях рыночной экономики. Кроме того, на основе ГПС и всех видов систем автоматизированного проектирования возможно создание интегрированных производственных систем (интегрированных производств), обеспечивающих на единой интегрированной базе данных интеграцию разработки, производства и управления всей ТС, направленную на создание перспективных ЭУ.

Контрольные вопросы к лекции 3

1. Дайте определение ММ.

2. Что собой представляет процесс математического моделирования?

3. В чем состоят отличия микро- и макро- и мегауровней моделирования ТС? Приведите примеры их использования.

4. Как проверяют адекватность ММ?

5. Чем отличается моделирования ТП от моделирования ТС?

6. Что собой представляет физическая и кибернетическая модели ТО?

7. Какова специфика линейных ММ для моделирования ТО?

8. Из каких соображений выбирают исходные данные для моделирования?

9. Назовите факторы, определяющие тип уравнений, выбираемых для моделирования ТП и ТО.

10. Какие группы факторов, представляющих реальные воздействия, используют при ММ ТО, входящих в ГАПС?.

11. Изложите общие представления о ГПС, назовите состав ГПС и отличия от жесткой автоматизации.

12. Дайте определение переналаживаемости и гибкости ГПС.

13. Укажите структурные единицы ГПС и средства, обеспечивающие гибкость и переналаживаемость.

14. Как и с какой целью осуществляют оценку гибкости ГПС? Назовите уровни гибкости с количественной их оценкой.

15. Какова роль ГПС в производстве перспективных ЭВС?