2. Анализ проблемы адаптивного технологического проектирования производственных систем обработки металлов резанием

Специалисты в области технологии машиностроения в США считают, что уменьшение стоимости ЭВМ, цены на которые будут снижаться на 50% каждые 2,5 года, позволит использовать автоматические системы управления производством (АСУП) даже в мелких цехах в течение ближайшего десятилетия. В связи с этим фирмы США планируют широкое внедрение ГПС.

Рис. 6. Обобщенный график эффективности ГПС:

1 - восемь стандартных станков с ЧПУ типа CNC (4 токарных и 4 многоцелевых);

2 - восемь станков с ЧПУ типа CNC модульной конструкции (4 токарных и 4 многоцелевых);

3 - восемь гибких производственных ячеек (4- для токарной обработки и 4 - для фрезерно-расточной);

4 - четыре комбинированных ячейки (в каждой из которых по одному токарному и многоцелевому станку и роботу);

5 - одна ГПС (4- токарных ячейки и 4 многоцелевых станка, автоматизированная транспортная система заготовок, накопитель спутников, центральная ЭВМ).

Фирма Cincinnati Milacron (США) в конце предшествующего десятилетия израсходовала 250 млн. дол. для расширения применения ГПС в механообработке своих деталей. Фирма Tenesco (США) запланировала приобретение двух- трех ГПС в год в течение этого же периода при средней стоимости одной ГПС 6 млн. дол. К середине 90х годов правительство Японии выпустило около 20% продукции механической обработки изделий машиностроения на ГПС. В системе задач технологической подготовки проектирования ГПС в США в качестве лимитирующего звена называют разработку программно-математического обеспечения. Выделяются два аспекта его применения: разработка математической модели, позволяющей принимать решения на стадии проектирования ГПС, и использование подобных моделей для управления ГПС.

Оценка технико-экономической эффективности ГПС, как правило, проводится в пять этапов.

На первом этапе определяют свойства и технические характеристики запланированной ГПС, причем особое внимание уделяется описанию гибкости системы, которая прямо или косвенно может быть определена в виде затрат и доходов. Сложности возникают при описании таких факторов, затраты на которые очень трудно определить (например, безопасность работы). На этом же этапе определяют затраты на приобретение станочного оборудования, транспортно-складских средств, вычислительной техники, контрольно-измерительных устройств, вспомогательного оборудования (моечных машин, устройств централизованного отвода стружки и др.), а также численность персонала, необходимого для разработки, внедрения и эксплуатации ГПС. Определяются рост производительности труда и уменьшение численности обслуживающего персонала.

На втором этапе оценки экономичности рассматриваемой ГПС проводятся систематизация и оценка приоритетности всех факторов затрат и экономичности. Выясняется, могут ли они быть выражены численно и как велика вероятность правильности той или иной оценки.

На третьем этапе осуществляют количественную оценку и обработку показателей. Улучшение условий труда обслуживающего персонала не может быть определено в численных показателях, но должно быть учтено при общей оценке системы.

На стадии технологической подготовки проекта очень трудно точно вычислить капиталовложения в ГПС, поэтому в некоторых случаях фирмы-разработчики прибегают к использованию рыночных цен на подобные ГПС с учетом своих условий, которые и закладываются в качестве исходных данных в САПР ГПС.

На четвертом этапе осуществляется выбор метода оценки эффективности ГПС. Здесь могут быть введены дополнительные критерии, учитывающие взаимосвязь отдельных элементов оценки эффективности.

На пятом этапе проводится окончательная оценка технико-экономической эффективности проектируемой ГПС, показываются связи между факторами затрат и экономичности и уточняются производственные характеристики системы.

Существенную экономию при внедрении ГПС получают благодаря уменьшению оборотных средств, включающих цеховые фонды, фонды промежуточных складов и складов страхующего фонда (задел на случай непредвиденных обстоятельств). Цеховые фонды уменьшаются, так как при использовании ГПС уменьшается время производственного цикла и вследствие этого объем незавершенного производства. Промежуточный склад при обычном производстве выполняет функцию буфера, выравнивающего не согласованное друг с другом время обработки на различных ступенях производства (например, межоперационный задел и склад не полностью обработанных деталей). В ГПС осуществляется сквозное производство, так как выполняется либо полная обработка, либо ее технологически завершенная часть, поэтому промежуточные склады могут отсутствовать. Склад страхующего фонда также может быть уменьшен благодаря уменьшению производственного цикла и точному планированию с помощью ЭВМ.

Выбор технологической системы осуществляется по заданным критериям (прямая задача): определяется область ее рационального применения по известным параметрам (обратная задача). На практике решаются прямая и обратная задачи, однако, в любом случае, необходимо найти эквивалентное отображение множества критериев на множестве параметров с наилучшим приближением.

Анализ создания больших информационных систем показывает, что их эволюция идет по пути снижения информационной нагрузки на каждый логический блок, что обеспечивается разделением общей задачи на уровни, каждый из которых по мере снижения все более детализирует задачу. Такое построение усложняет систему по структуре, но делает ее более универсальной, гибкой и способной к модернизации по отдельным уровням и наращиванию новых.

Для разрешения проблемы рационального выбора ГПС для заданных условий необходимо решить следующие задачи:

определение рациональной структуры станочной системы (комплекта основного технологического оборудования), характеристик станков (модулей) и их функциональных связей;

определение рациональной структуры транспортно-накопительной системы (ТНС) и ее характеристик, построение материального потока (заготовок, полуфабрикатов, инструментов и оснастки) и выбор конфигурации ТНС;

построение вспомогательных систем (СОЖ, стружки);

согласование и корректировка всех систем по общим критериям;

оценка технико-экономической эффективности построения варианта технологической системы.

Для решения этих задач требуются:

анализ номенклатуры деталей и отработка в соответствии с требованиями системы таких параметров, как геометрическая форма и размеры деталей, величина партий и закон их запуска, и др.;

выбор конструктивных параметров оборудования, а также исследование возможности его стандартизации;

выбор технологических параметров обработки каждой детали, согласование оптимальных вариантов технологических процессов, проверка возможности групповой обработки;

выбор станков по точности и мощности в зависимости от величины партии, определение их расположения и числа с учетом резервных станков для замены вышедших из строя;

определение конфигурации потока заготовок, обусловленной расположением (пристенное или свободное) и емкостью накопителя, зависящей от формы, размеров и массы деталей, а также от манипулирующих устройств и приспособлений-спутников;

определение конфигурации инструментального потока, зависящей от планируемого числа инструментов, методов их предварительной подготовки и настройки, способов поддержания в рабочем состоянии, доставки предварительно настроенных инструментов на рабочие места и смены (ручной или автоматической) в инструментальных магазинах;

определение конфигурации информационного потока, зависящей от наличия и степени готовности рабочей документации и доставки ее на рабочие места, связи с ЭВМ, скорости внутренней и внешней обработки информации, наличия системы диагностики неисправностей и их профилактики;

определение конфигурации вспомогательного потока, зависящей от способов ликвидации отходов, очистки станков и заготовок;

определение конфигурации системы обеспечения качества, зависящей от способа встраивания этой системы в основной процесс, числа мест контроля и их расположения в системе.

Основным методом решения как прямой, так и обратной задачи выбора ГПС является моделирование. К этому методу прибегает большинство фирм, например Kеаrnеу & Trecker, Sundstrand (США), Heller (ФРГ), и др.

Проектирование ГПС с использованием моделирования осуществляется в три этапа: выбор компонентов системы (станочного оборудования, транспорта, систем управления и др.), их оценка и подгонка параметров к параметрам уже существующих систем. Модель используется для определения компонентов системы, требований к стыковке модулей, коэффициента использования и переналаживаемости основного технологического оборудования (универсальности, адаптации и пр.), приоритетов в функционировании ГПС и др.

Моделирование позволяет выбрать наиболее рациональные варианты компоновки ГПС и разработать алгоритмы управления.

В 1990 г. в среднем на 24 фирмах каждой промышленно развитой страны осуществлялась интеграция САПР и автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП) с использованием ЭВМ и системы автоматизированного оперативного управления производством - от разработки до поставки изделия. Выполнялась интеграция САПР и АСТПП в среднем на 113 фирмах, что позволило, по мнению участников опроса, повысить производительность обработки примерно на 120%, качество выпускаемых изделий - на 140%, уменьшить производственный цикл от начала разработки до выпуска первого серийного изделия на 60%, от поступления заказа до поставки изделия - на 45%, повысить коэффициент использования оборудования на 340% и уменьшить время хранения продукции на складе, т. е. фактический объем незавершенного производства, на 75%.

Очевидно, создание САПР невозможно без реализации единых принципов и использования общих критериев при проектировании всей ГПС.

Как правило управляющая система ГПС функционирует на трех разных уровнях (рис. 7). Использование САПР при проектировании планировки ГПС позволяет определить оптимальную схему перемещения материалов в системе. При этом отмечается необходимость определения оптимальных значений элементов структуры оборудования с помощью средств вычислительной техники. В рамках САПР структуры оборудования технологических систем, разработанной в Московском станко-инструментальном институте, сформулированы принципы проектирования, позволяющие на единой методологической основе решать данную задачу для массового, серийного и единичного производства.

Выделяют три этапа реализации проекта ГПС:

предварительное исследование и анализ экономической целесообразности проекта;

исследование функциональных характеристик ГПС, эксплуатационный анализ и планирование капиталовложений;

внедрение системы.

Рис. 7. Уровни функционирования управляющей системы ГПС

Автоматизировано выполняются трудоемкие этапы или повторяющиеся с постоянно изменяемыми параметрами (например, расчеты времени обработки и затрат на обработку и на станочное оборудование ГПС в целом). Необходимые программы для расчета и структура вводимых данных были выполнены таким образом, что, исходя из соответствующего заданного спектра деталей за один цикл вычислений, рассматривался и рассчитывался один вариант состава ГПС (станочного оборудования). Затем осуществлялась проверка результатов и, в случае необходимости, уточнялись входные данные с последующей коррекцией.

При формировании состава станочного оборудования выбирались такие станочные модули, которые обеспечивали минимальные затраты при обработке заданной совокупности деталей. Основные сравниваемые параметры оценки формируемых систем:

вид и число станочных модулей (рабочих головок);

загрузка производственных мощностей;

стоимость изготовления с учетом загрузки производственных мощностей;

объем капитальных вложений в систему.

Аналитический метод описания функций ГПС является развитием методов описания функций станков. Этот метод используется для описания ГПС с помощью графов и представления функций системы в матричном виде. Такая формализация может быть полезна при автоматизированном проектировании ГПС (на пример, проектирование рабочих узлов используемых в ГПС станочных модулей на основе структурных формул). Одной из важных характеристик станочных модулей, используемых в ГПС, является емкость инструментальных магазинов. Гибкость системы может в значительной степени снизиться, если число инструментов ограниченно. Конструктор должен определить тип и размеры инструментального магазина и решить, требуется ли какая-либо форма дистанционного вспомогательного накопителя инструментов. Если такой вспомогательный накопитель инструментов требуется, необходимо рассмотреть возможность создания средств транспортировки инструментов к станкам или накопителям. Если система должна работать в автоматическом режиме на базе “безлюдной” технологии, следует также рассмотреть возможность контроля срока службы инструментов и методы обнаружения его поломок, такие средства должны быть предусмотрены в конструкции системы контроля инструмента.

Важную роль при разработке конструктивных элементов ГПС играет геометрическое моделирование как основная часть интегрированной системы САПР-АСУП. Наибольшая производительность и наименьшие производственные расходы могут быть получены только посредством разработки и использования единой унифицированной базы геометрических данных, обеспечивающих проектирование, анализ, изготовление чертежей и управление технологическим оборудованием. Интегрированная база данных должна охватывать все разнообразные функции проектирования, производства, контроля качества, а также учитывать организационные и экономические аспекты производства.

Информация, полученная с помощью геометрического моделирования, используется для планирования и подготовки производственного процесса. Те же самые функциональные возможности компьютерной системы, связанные с проектированием, анализом и исследованием кинематики конструкций, которые были рассмотрены выше применительно к САПР, могут быть использованы также и для проектирования и анализа оснастки и зажимных приспособлений, необходимых для изготовления и сборки деталей и изделий, разработанных ранее,

Траектории перемещения исполнительных органов станков с ЧПУ, используемых в ГПС, могут рассчитываться на основе геометрической информации, хранящейся в базе данных, посредством моделирования и анализа этих траекторий на дисплее.

Системы автоматизированного проектирования с использованием графического моделирования используются для определения планировки ГПС и проектирования потоков материалов в ней.

Для организации и управления потоком материалов необходимо определить количество и тип перемещаемого и складируемого материала, в частности количество различных видов изделий, материалов и транспортных единиц, используемых в потоке материалов, частоту и способы его прерывания, требуемое оборудование, а также пространственную и временную последовательность перемещений материалов.

В качестве данных для программ планирования используется такая информация, как характеристики устанавливаемого оборудования, матрица потока материалов, которая содержит данные о транспортных средствах, используемых между отдельными единицами оборудования или участками, диапазон граничных условий расположения оборудования и перемещения потоков на общей схеме. В результате получают схемы расположения станков и эскизы потока материалов, которые вычерчиваются плоттерами.

Для автоматического воспроизведения планировки цеха или участка используется ППП MAPLOT. Он позволяет показывать планировку оборудования на чертежах и поворачивать на любой угол станочные модули на планировке.

При планировании транспортных потоков используется динамическое моделирование, при котором процессы в существующих или проектируемых системах воспроизводятся с помощью математико-логических модулей на ЭВМ. Моделирование при проектировании транспортной системы используется для определения размеров складов и такта конвейера.

При моделировании транспортных систем устанавливаются максимальная производительность, необходимое количество средств транспорта при заданной производственной программе и реакции транспортной системы на колебания производственной программы.

При выборе транспортной системы учитывают затраты, связанные с ее приобретением и эксплуатацией, ее гибкость и возможность последующего расширения. Причем гибкость имеет два аспекта: способность приспосабливаться к различным по форме, размерам и способам обработки деталям и способность предотвращать выход ГПС из строя путем изменения схем планирования или транспортирования. При этом решается задача “оперативной технологии” - планирования изменения технологических маршрутов обработки детали в ГПС при временном выходе из строя той или иной единицы оборудования. Для повышения коэффициента использования ГПС и быстрого реагирования на неисправности при проектировании технологических процессов обработки и транспортирования деталей нужно предусмотреть альтернативные возможности.

С целью повышения эффективности управления потоком материалов в производственных условиях японскими специалистами разработан метод организации производства “КАНБАН” (“точно в требуемое время”), использование которого позволяет существенно повысить эффективность ГПС.

Концепция этого метода заключается в том, что все используемые в процессе производства детали и материалы должны быть активными составляющими этого процесса; необходимо полностью исключить накопление запасов “неподвижно лежащих” материалов и сопряженные с этим накоплением дополнительные производственные расходы.

При использовании данного метода идеальный уровень производственных запасов должен равняться единице, а в процессе выполнения производственных операций должно происходить соединение определенного количества материалов и деталей, что позволит получить требуемое количество готовой продукции в заданный момент времени. Использование метода “КАНБАН” приводит к соответствующему уменьшению запасов комплектующих изделий и готовой продукции, сокращению объемов незавершенного производства.

В системе организации производства на основе метода “КАНБАН” используют информационные карты (рис. 8), которые циркулируют между поставщиками и потребителями (в том числе внутри предприятия). Они являются носителями информации, которые заменяют сопроводительные документы по материалам, заработной плате и транспорту. При заполнении накопителя потребитель (например, сборочный участок) получает от поставщика (например, механического участка) информационную карту. Если у потребителей имеется определенное количество запасных деталей, он посылает ее назад к поставщику, выдавая тем самым требование на новую поставку.

Рис. 8. Информационная карта, используемая в системе “КАНБАН”.

Чтобы указанная циркуляция информационных карт могла функционировать без нарушений и перерывов в работе, производственная система должна удовлетворять следующим основным условиям:

малое время наладки станков;

расположение станков в соответствии с направлением потока материалов;

согласование производительности станков с потребностями производства;

включение в процесс производства операций контроля;

постепенное увеличение объема производства;

наличие накопителей для обеспечения непрерывной работы.

При применении метода организации производства “КАНБАН” обеспечивается часто более жесткий контроль за уровнем материальных запасов, чем при применении традиционных методов управления, основанных на использовании вычислительной техники. С помощью этого метода можно также контролировать качество выпускаемой продукции и процент бракованных изделий, составить методические рекомендации для совершенствования общей организационной структуры предприятий и процессов их функционирования и повышения степени сбалансированности отдельных производственных участков.

Таким образом, использование метода “КАНБАН” в сочетании с вычислительной техникой и другими средствами программного управления производством может быть эффективным инструментом интегрированной автоматизированной производственной системы, способствующим сокращению объема незавершенного производства, улучшающим процессы контроля качества выпускаемой продукции и рационализирующим и ускоряющим весь производственный процесс.

В системах автоматического планирования производственного процесса используют стандартные процедуры составления оптимальных последовательностей операций обработки детали. Существуют два вида САПР ТПП, в основе которых лежат принципы вариантности или генерирования.

В САПР ТПП вариантного вида для обработки новой детали используется разработанная ранее маршрутная технология обработки подобной детали или стандартная технология обработки семейства деталей, которая хранится в памяти ЭВМ. Основными функциями САПР ТПП в этом случае являются поиск и редактирование существующей маршрутной технологии обработки деталей.

Создание САПР ТПП невозможно без использования групповой технологии, которая позволяет применять накопленный опыт в области конструирования и изготовления деталей с подобной конфигурацией или производственными характеристиками.

Для использования принципа генерирования от пользователя требуется лишь небольшое количество исходных данных, а иногда лишь описание детали для составления маршрутной технологии ее обработки. Существуют два подхода к способу генерирования технологии. Первый подход базируется на теории искусственного интеллекта: распознается геометрия детали и составляется маршрутная технология ее обработки, основанная на значении взаимосвязей производственных процессов, необходимых для изготовления данной детали.

Второй подход заключается в разработке маршрутной технологии обработки детали на основе анализа данных групповой технологии, классификации и кодирования оптимальных способов изготовления детали в конкретных производственных условиях. Здесь учитываются следующие факторы: накопленный опыт, парк станков, семейства деталей и т.д.

В США широко используются САПР ТПП, в частности, фирмы Lockheed Georgia и United Technology Corp. разработали системы генерирующего типа для разработки технологии изготовления призматических деталей и деталей типа тел вращения, сборки основных узлов и подузлов. Фирма Hughes Aircraft создала вариантную систему разработки технологии. При внедрении САПР ТПП генерирующего типа возможно сокращение затрат труда на ТПП примерно на 60%, уменьшение затрат на заработную плату в цехе - на 10 - 12%, оснастку - на 12 - 14%, материал - на 4 - 6%, устранение брака - на 10 - 12%, незавершенное производство - на 6 - 8%.

На рис. 9 приводится конфигурация автоматизированной интерактивной САПР ТПП генерирующего типа.

Практически все создаваемые САПР ТПП основаны на принципах групповой технологии. После ввода входных данных в процессе моделирования проводится статистический анализ системы, с помощью которого определяются загрузка каждой группы станков каждой деталью и средняя степень использования всей системы. Определяется также средняя степень использования транспортной системы по отношению к другому оборудованию. Статистический анализ, выполненный на базе усредненных данных, дает информацию о технических характеристиках системы. За статистическим анализом следует серия выкладок, описывающих технические характеристики моделируемой системы. Приводятся данные о времени обработки детали каждого типа. Вместе с информацией о числе деталей, ожидающих обработки на каждой из групп станков, эти данные обеспечивают наглядное представление о степени загрузки системы и ее “узких” местах. На двух гистограммах указывается число деталей, ожидающих транспортировки, и задержки в транспортных системах.

Рис. 9. Конфигурация автоматизированной интерактивной САПР ТПП генерирующего типа

Этапы выполнения программы:

считывание описывающей систему информации и присвоение приоритетов всем станкам и операциям;

определение очередного (первого) события, которое должно произойти. Данное событие вызывает программу “Управление линией” (LINCTR), которая отвечает за перемещение деталей по линии. Программа “Управление линией” проверяет, может ли быть построена цепочка команд для челночной тележки. При ответе “Да” вызывается подпрограмма CHAIN для генерирования переднего и заднего концов цепочки, после чего подпрограмма СОМСНА загружает эту цепочку в файл. Данная цепочка становится источником команд для конкретной тележки;

если для одной из тележек существует цепочка команд, программа LINCTR вызывает подпрограмму СОМЕХ (“Выполнение команды”), которая выбирает первую команду из очереди команд и дает команду на ее реализацию. Для этого подпрограмма СОМЕХ вызывает подпрограммы DISTNCE и INTRF, которые соответственно задают длину перемещения и место назначение тележки и проверяют условие отсутствия взаимных помех на пути тележек;

при благоприятных условиях планируется выполнение загрузки или разгрузки станков и возврат к программе LINCTR.

Одной из разработок лаборатории Ch. Draper фирмы Cincinnati Milacron является система моделирования ГПС, учитывающая различные систематические нарушения запланированного режима работы. Такие сбои вызываются отказами станков, но они представляются в модели как ввод в ГПС дополнительных обрабатываемых деталей. Исходными данными для моделирования являются моменты начала и конца операций обработки, технические характеристики станков, местонахождение приспособлений-спутников. Планирование технологических маршрутов проводилось в направлении минимизации простоев станков, а вся ГПС моделировалась как стохастическая схема непрерывного многономенклатурного производства (табл. 1).

Таблица 1.

Форма итогового документа по результатам моделирования в системе Hocus.

Итоговая информация о работе
Время движения робота - 10 с
производительность станка 1 - 100% номинальной величины производительность станка 2 - 100% номинальной величины
Выпуск деталей	8 типа А 4 типа В
Время, затраченное в системе	752,5 среднее 1040 максимальное
Использование: Робот - 12,65%	Станок 1 - 97,63% Станок 2 - 71,74%
Размеры очередей Ожидание станка 1 Ожидание станка 2	Минимальный 0 0	Средний 0,09 0,29	Максимальный 1 2

Моделирование может так же применяться для получения общих направлений в области проектирования и управления ГПС. Цель работы - сформулировать набор основных правил по компоновке систем и разработке логики управления, что позволит ускорить процесс проектирования и сократить итерационный процесс, который необходим для получения оптимальных параметров разрабатываемой системы. К перспективным разработкам в области моделирования можно отнести следующие:

разработку быстродействующих методов и систем моделирования, доступных по стоимости;

развитие существующих систем моделирования, разработку генераторов кодов для облегчения написания моделей, а также улучшение технических средств моделирования, в частности цветных графических дисплеев;

внедрение динамических графических устройств с высокой разрешающей способностью, что позволит получать движущиеся изображения, в том числе робота, а также облегчить анализ системы для работников, не имеющих опыта работы с ЭВМ;

создание программного обеспечения, более доступного для пользователя; усовершенствование метода структурного моделирования с целью включения в модель управляющих программ и программ календарного планирования. Такая модель может в дальнейшем использоваться как верхний уровень программного обеспечения для управления системой.

При этом модель, требующаяся разработчику ГПС, должна быть более общим инструментом проектирования, который будет воспринимать на входе данные о деталях, подлежащих изготовлению в ГПС, вместе с техническими требованиями и данными о размерах и периоде производства. Выходные данные такой модели должны содержать сообщение о типе ГПС, требующейся для удовлетворения производственных потребностей, введенных в модель (это сообщение сопровождается “обоснованием” ответа) и конструктивную схему ГПС, которую создает проектировщик, работая в режиме диалога, причем эта схема позволяет выполнить технико-экономическую оценку системы.