2-е изд., испр

Пехнолотесше основы шбшх протояжтых Под редакцией члена-корреспондента РАН Ю.М.Соломенцева ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов машиностроительных специальностей вузов

4TRT\°

limJi Москва «Высшая школа» 2000

УДК 621 ББК 34.5 Т38

Авторы: В. А. Медведев, В. П. Воровеяко, В. Н. И^юхашв, В. Г. Мшгрофааов, JL М. Че]^яков, А. Г. Схвртладзе

Рецензенты: кафедра «Металлорежущие станки» МГТУ им. Н. Э. Баумана, д-р техн. наук В. А. Исаченко

Технологические основы гибких производственных сиТ 38 схем: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/ В. А. Медведев, В. П. Вороненке, В. Н. Брюханов и др.; Под ред. Ю. М. Соломенцева.— 2-е изд., испр.— М.: Высш. шк., 2000.— 255 с: ил. ISBN 5-06-003664-2

Изложены принципы и методика построения ГПС с заданными свойст­ вами, которые основываются на анализе тенденций и закономерностей развития производственной сферы машиностроения; описано моделирова­ ние на структурном уровне производственного процесса и производствен­ ной системы. В качестве инженерного аппарата используются теории бази­ рования и размерных цепей Дан критический анализ действующих ГПС и описаны их перспективные компоновки. Первое издание вышло в 1991 г. Для студентов машиностроительных специальностей вузов. Может быть использован в техникумах и колледжах. УДК 621 ББК 34.5

ISBN 5-06-003664-2

ГУП издательство «Высшая школа», 2000

Оригинал-макет данного издания является собсгвенностью издательства «Высшая школа» и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запрещается.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание материально-технической базы невозможно без на­ личия в стране постоянно развивающегося опережающими тем­ пами мащиностроения на основе передовых мировых достижений науки и техники. Основой такого машиностроения является все­ сторонняя комплексная автоматизищ1я процессов от идеи созда­ ния до производства и поставки готовой продукции, анализа ее использования с целью постоянного улучшения качества и обнов­ ления. Создание прогрессивных технологических систем стало воз­ можно в результате развития таких областей науки и техники, как технология мащиностроения, электроника, информатика, ма­ тематика, экономика, организация производства и др. Это систе­ мы взаимосвязанных машин, приборов, оборудования, выпол­ няющие основные, вспомогательные и обслуживающие процессы на основе новой организахщи и управления. Правильно сбалан­ сированные с учетом технико-экономических факторов системы способны решить задачи по повышению производительности труда, снижению потребления ресурсов, повьппению качества продукции. В новых условиях хозяйствования прогрессивным является только такое производство, которое активно и динамично ре­ агирует на возникающие задачи. Научно-технический прогноз развития промышленного производства показывает, что именно гибкие производственные системы (ГПС) наилучшим образом удовлетворяют требованиям заказчика, решают проблемы кон­ курентоспособности продукции на мировом рынке, обеспечивают высокую рентабельность производства и его эффективность. Эти системы позволяют избежать затоваривания ненужной продукци­ ей и эффективного расходования всех видов ресурсов. Этот тип производства может работать по прогрессивному принципу «де­ лай вовремя», так как поставки заготовок, деталей, сборок и т. д. осуществляются строго и в определенное время. Необходимость ускорения темпов обновления продукции обу­ славливает переход машиностроения от автоматизации отдель­ ных элементов производственного процесса к комплексной авто-

матизации на всех уровнях, применению ГПС в условиях единич­ ного, серийного и массового производств. Новая концепция от­ крыла пути решения сложившегося противоречия между высокой производительностью и отсутствием мобильности производст­ венного оборудования массового производства, высокой мобиль­ ностью и низкой производительностью универсальных станков единичного и серийного проюводств. Базой для решения этой сложной и противоречивой задачи явились особые свойства гибких производственных систем: их способность к быстрой перестройке на выпуск новой продукции за счет гибкости и мобильности; наличие высокого технического уровня оборудования, способного реализовать прогрессивные технологические процессы на основе высокой степени интеграции производства; выпуск конкурентоспособной и высокоэкономич­ ной продукции. Одновременно гибкие производственные системы способству­ ют решению проблемы по улучшению труда работающих, созда­ ют предпосылки для постепенного стирания граней между умст­ венным и физическим трудом, освобождают рабочих от тяжело­ го фюического труда, стимулируют повышение профессиональ­ ного уровня работающих, создают объективные условия для повышения производительности труда. Необходимость применения гибких производственных систем на машиностроительных предприятиях страны и высокий уро­ вень затрат, вызванный их проектированием и внедрением, ста­ вят перед высшей школой задачу подготовки специалистов по их разработке и эксплуатации. Проектирование таких систем требует глубокого понимания целей их создания, содержания задач и принципов эффективного использования, а также очень важно определиться с основными методологическими позициями. Задачи по созданию и внедрению гибких производственных систем сложны и многообразны. Это обясняется, в частности, тем, что разработка процесса проектирования и изготовления продукции должна быть ориентирована на применение высоко­ производительных материале- и энергосберегающих технологий, новых конструкционных материалов, повышающих надежность, экономичность и долговечность изделий, на использование мето­ дов групповой организации производства. В учебнике с единых научных позиций изложены общие мето­ ды разработки технологических и производственных процессов изготовления изделий в условиях многономенклатурного авто­ матизированного машиностроительного производства. Практи­ ка построения процессов изготовления машин говорит о том, что связь технологии с конструкцией прослеживается на всех этапах производственного процесса. Это выражается в широком исполь­ зовании принципов групповой и типовой технологии, типажа 4

основного и вспомогательного оборудования, используемой тех­ нологической оснастки, инструмента и др. Гибкая автоматизация изменяет общую тенденцию развития производственных процессов в направлении их интеграции путем: 1) объединения стадий конструирования изделий, подготовки их производства и непосредственного изготовления; 2) интеграции процессов производства и управления; 3) интеграции процесса изотовления продукции на основе комплексной автоматизации основных и вспомогательных про­ цессов, а также концентрации переходов в операциях с исполь­ зованием многоцелевого оборудования. Излагаемый в учебнике материал опирается на современные методы теории базирования, теории размерных цепей, а также последние достижения в области теории управления технологи­ ческими и производственными процессами на основе широкого использования ЭВМ, систем адацтивного управления и систем диагностики состояния производственного оборудования. В учебнике на основе общих положений о процессе дается современное представление о производственном и технологичес­ ком процессах изготовления «изделий машиностроения. Особое внимание уделено вопросам качества производственного процес­ са, представляющего совокупность свойств определяемых систе­ мой качественных, количественных, временных и затратных по­ казателей. Информация о геометрической структуре изделия является основой для разработки технологического и производственного процессов его изготовления. Предложенный авторами общий подход к описанию геометрических взаимодействий, а также к их реализации позволяет формализовать, а затем и автоматизиро­ вать выбор требуемых элементов производственной системы для изготовления изделий. Мобильность производственной системы в значительной мере определяется ее гибкостью, т. е. способностью адаптации к усло­ виям изготовления изделий, которая основывается на следующих принципах: 1) содержание понятия «гибкость» конкретно для каждого производства и заданных условий его функционирова­ ния; 2) свойства гибкости имеют иерархическую структуру; 3) комплект свойств, характеризующих конкретное содержание гиб­ кости, должен быть минимально необходимым; 4) в каждой конкретной ситуации имеется лимитирующее свойство, от кото­ рого зависит гибкость всей производственной системы; 5) гиб­ кость производства должна устанавливаться на оптимальном уровне с учетом принятых критериев и ограничений. Проблема создания эффективного производственного процес­ са связана с необходимостью формирования общих принципов создания процессов и учета большого количества факторов, усло5

вии и ограничении, которые определяют среду принятия реше­ ний. В качестве основных принципов создания производственных процессов в учебнике рассматриваются: 1) любое производствен­ ное подразделение вне зависимости от его организационного ранга должно рассматриваться, с одной стороны, как единый, интегральный элемент, включающий все происходящие в нем процессы, а с другой стороны, каждый процесс должен восп­ риниматься как элемент более крупного процесса; 2) необходимо определять полное содержание понятия «выход процесса», под которым понимаются номенклатура основной и дополнительной продукции по всему спектру ее показателей, а также перечень всех побочных продуктов функционирования данного процесса; 3) определяется место рассматриваемого процесса в производствен­ ном процессе структурного подразделения и в системе процессов других производств; 4) определяется степень автономности рас­ сматриваемого производства (организационная, технологичес­ кая, экономическая и социальная); 5) определяется спектр внеш­ них связей данного процесса и их характер, а также основные принципы их реализации; 6) формируется система внутренних и внешних показателей, характеризующих данный процесс в со­ ответствии с технико-организационным иерархическим уровнем; 7) определяется состав исходных элементов и организационных принципов, на основании которых будет строиться данный про­ цесс. Повышение уровня проектных решений, их эффективности и качества можно осуществлять только при условии непрерыв­ ного совершенствования методологии процесса проектирования. Этим обстоятельством обусловлена необходимость коренного преобразования технологии и организации самого процесса про­ ектирования, основой которого в современных условиях является его автоматизация не базе моделирования работы производст­ венных систем с использованием теории массового обслуживания и имитационного моделирования. Стоимость ГПС достаточна велика, а эффективность исполь­ зования во многом определяется на стадии проектирования, что заставляет оценивать производительность найденного проектно­ го решения до его реализации. Полное и всестороннее исследование ГПС на всех этапах разработки, начиная с составления технического задания на про­ ектирование и кончая внедрением системы в эксплуатацию, нево­ зможно без методов моделирования на ЭВМ , которые сводятся к разработке и использованию математических моделей функци­ онирования ГПС как сложной системы и последующему исследо­ ванию ее работы в широком диапазоне варьирования входных параметров и определения исходных выходных характеристик проектируемой системы. 6

в настоящее время можно выделить следующие основные группы моделей описания функционирования ГПС: аналитичес­ кие модели, использующие аппарат теории массового обслужи­ вания; имитационные модели, которые имитируют функциониро­ вание ГПС с помощью специальных программ; гибридные или комбинированные модели, включающие как аналитические, так и имитационные модели. Методологической основой для аналитических моделей ГПС является представление их в виде сетей или систем массового обслуживания. Имитационные модели, представляющие собой универсальные средства моделирования, позволяют исследовать взаимосвязи между основными варьируемыми параметрами ГПС и показателями производительности и надежности для раз­ личных возможных вариантов структур ГПС, режимов работы и определить оптимальные параметры проектируемой ГПС. Именно моделирование является средством, позволяющим без капитальных затрат решить проблемы построения эффектив­ ных сложных систем, к которым относятся ГПС. Принципы формирования гибких производственных систем излагаются в учебнике на накопленном опыте развития техноло­ гии машиностроения на основе использования систем производ­ ственного оборудования с ЧПУ. Состав таких систем формирует­ ся в зависимости от типа производств, номенклатуры изготав­ ливаемых изделий, сложности и машиноемкости вьшолнения операций технологического процесса, уровня автоматизиции и требований к их технико-экономической эффективности. Главное отличие гибких автоматизированных производствен­ ных систем от традиционных механосборочных производств за­ ключается во введении в них автоматизированных систем инструментообеспечения, контроля качества шделий, складирования и транспортирования, технического обслуживания, управления и подготовки производства, осуществляющих согласованную и эффективную работу всего производства. Как показывают результаты анализа существующих машино­ строительных производств, среднее время изготовления детали на станке составляет лишь 5% общего цикла ее изготовления. При этом только 1,5% времени затрачивается непосредственно на процесс ее формообразования, а остальное время тратится на вьшолнение вспомогательных операций таких как транспортиро­ вание, складирование, контроль качества детали, наладку обору­ дования и инструмента и др. В этих условиях приобретают особое значение вспомогательные системы, которые являются главным резервом повышения эффективности производства. Особенностью вспомогательных систем гибких автоматизи­ рованных производств является их гибкость, т. е. возможность своевременного обеспечения основного оборудования необходи­ мым инструментом, автоматического контроля качества изделий 7

различных наименований, возможность транспортирования и хранения полуфабрикатов хпирокой номеклатуры. Управление как основной, так и вспомогательными система­ ми должно осуществляться от централизованной ЭВМ для со­ гласования их работы, а элементы технологической системы оснащаются специальными устройствами распознавания спутни­ ков и инструментов, измерения и контроля фактического положе­ ния подвижных элементов системы. Процесс выбора состава и количества основного оборудова­ ния, входящего в гибкое автоматизированное производство, обо­ рудования для транспортирования изделий и инструмента, средств контроля качества изделий, средств диагностики состоя­ ния оборудования, элементов управления вычислительного комп­ лекса является глубоко творческим процессом и включает в себя технико-экономическое обоснование вариантов компоновки и планировки структурных подразделений, разработку техничес­ ких заданий на нестандартное оборудование, технологическую оснастку и программное обеспечение управления производством. При создании гибких автоматизированных производств осо­ бое внимание следует уделять вопросам оптимизации материаль­ ных, энергетических и информационных потоков, которые в зна­ чительной мере определяют мобильность и эффективность таких производств. Решение этих сложных проблем позволит значите­ льно снизить количество транспортных средств и эксплуатацион­ ные расходы на них, повысить коэффициент загрузки оборудова­ ния, снизить энергопотребление, повысить оперативность прини­ маемых решений и др. Гибкие автоматизированные производства являются система­ ми значительной технической сложности, и проектирование их связано с весьма значительными затратами интеллекта, времени, денежных средств, причем неудачное проектное решение, особен­ но на начальных этапах проектирования, ведет к значительным экономическим потерям в процессе их эксплуатации. Все это требует принципиально нового подхода к решению задач проек­ тирования гибких автоматизированных производств: использо­ вания новой методологии создания таких производств, новых технологических решений, моделирования процессов проектиро­ вания и эксплуатации. Автоматизация технологических процессов и производств, ос­ нованная на информационйых технологиях, является одним из главных средств подъема промышленного производства, созда­ ния конкурентоспособных изделий, продвижения продукции на внешний и внутренний рынки. В учебнике авторы на основе систематизации и обобщения результатов проектирования и эксплуатации гибких автоматизи­ рованных производств предлагают методологию их проектиро­ вания, охватывающую вопросы экономики, организахщи, про-

ектировання, технологии и управления, а также предлагают конкретные проектные решения с учетом условий производства изделий. Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлениям «Технология, оборудование и автоматизация ма­ шиностроительных производств», «Автоматизация и управле­ ние» и специальностям «Технология машиностроения», «Метал­ лорежущие станки и инструменты», «Автоматизация технологи­ ческих процессов и производств», а также другим техническим специальностям. Книга представляет интерес для инженерно-тех­ нических работников заводов, проектных организаций и институ­ тов, занимающихся вопросами технологического проектирова­ ния, автоматизацией и управлением производственными процес­ сами в машиностроении. Чл.чсорр. РАН д-р техн. наук, профессор Ю. М. Соломеицев

ВВЕДЕНИЕ

Без производства всего того, что необходимо человеку для его жизни, немыслимы существование и развитие общества. Произ­ водственный процесс как целесообразная деятельность людей направлен на приспособление веществ Ърироды к человеческим потребностям. Постоянно усиливающееся воздействие человека на природу приводит все чаще к тому, что функционирование определенных производственных систем становится неэффектив­ ным, а в ряде случаев просто недопустимым. Подобные ситу­ ации, как правило, являются следствием не каких-то частных просчетов в организации производства, а неадекватности общих принципов производственной деятельности данного предприятия в технологической, организационной, экономической, социаль­ ной и экологической среде его функционирования. В области машиностроения за последние примерно 20 лет произошли серьезные технические и организационные изменения. З^о появление новых методов технологического воздействия, широкое и все более нарастающее внедрение в сферу производст­ ва оборудования с программным управлением и вычислительной техники. Наметившиеся новые принципы хозяйственной деятель­ ности требуют отказа от традиционных подходов к развитию, организации и управлению производительными силами обще­ ства. Переход к новым принципам построения производственных систем подразумевает глубокий анализ основных тенденций раз­ вития сферы машиностроительного производства. В настоящее время идет интенсивное расширение номенклатуры производи­ мых изделий и увеличение их общего количества. Наряду с этим возрастают требования к качеству изделий. Это влечет за собой необходимость повышения точности технологического оборудо­ вания, его мощности, быстроходности, степени автоматизации и экологической чистоты. В целом оборудование становится более сложным и комплексным. При этом в пределах одной производственной системы используют часто разные по физичес­ кой природе методы технологического воздействия, что требует 10

дополнительных затрат на их согласование в единой техни­ ко-организационной структуре данного производства. Существенным является и то, что рост стоимости технологи­ ческого оборудования опережает повьппение уровня его точности и производительности. Естественно, что в подобных условиях без достаточно высокой надежности всей производственной системы нельзя рассчитывать на эффективное ее функционирование. Из­ менения в номенклатуре выпускаемых изделий на данном произ­ водстве неразрывно связаны с необходимостью быстрой пере­ стройки производственного процесса. Другими словами, техни­ ко-организационные решения должны приниматься оперативно. В этих условиях неоптимальные решения лишают нас значитель­ ной доли потенциально возможного эффекта от работы данной производственной системы. И чем сложнее при этом система, тем больше потери. Решение указанных проблем видится в углублении познаний о структурных закономерностях построения производственных систем, их свойств и особенностей функционирования в различ­ ных производственных условиях. При этом вряд ли следует считать оправданным особое выделение какого-то одного типа производства как основной и определяющей сферы инженерной и научной деятельности специалистов в области машиностро­ ения. На большинстве предприятий массовый, серийный и еди­ ничный типы производства существуют одновременно. Необхо­ димо развивать теорию построения производственных систем с заданными свойствами, способными оперативно адаптировать­ ся к постоянно изменяющимся условиям конкретного производ­ ства. С учетом сказанного учебник построен в следующей методи­ ческой последовательности. В разд. I изложены общие положения о процессе и его конкретной интерпретации в виде производст­ венного процесса машиностроительного производства. Особое внимание уделено вопросам качества и производственности про­ цесса, а также структуре его технико-организационных форм. При изложении вопросов построения процессов с заданными свойствами использованы принципы моделирования производст­ венных систем, которым посвящен разд. II. Анализу и синтезу конкретных производственных систем применительно к машино­ строительному производству посвящен разд. III. Введение написано В. А. Медведевым и В. Г. Митрофановым; разд. I — В. А. Медведевым, кроме § 8 и § 10, написанных Л. М Червяковым; разд. II — В. Н. Брюхановым; разд. III — В. П. Вороненко и А. Г. Схиртладзе.

Радел 1

ПРОИЗВОДСТВО и ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС

Глава 1

О б щ и е ПОЛОЖбНИЯ

о процессе § 1. Определение процесса Естественный ход развития науки, расширение прямых и обратных связей между наукой и материальным произ­ водством существенно раздвинули границы преобразовательных задач, требующих строгого научного обоснования принимаемого варианта их решения. Это привело к возрастанию интереса к из­ учению реальных процессов в разных областях человеческой действительности и, в частности, в машиностроении. Машины как предмет производства становятся все более сложными. Их технические параметры часто находятся на пре­ деле возможностей современной технологии изготовления таких машин. Кроме того, сами производственные процессы стали комплексными, часто в них соседствуют разные по физической природе методы технологического воздействия. Создание же еди­ ной и эффективной производственной системы подразумевает согласование всех особенностей этих разнородных технологичес­ ких методов. Это требует знаний о свойствах процессов и их характеристиках на некотором общем уровне, когда можно абст­ рагироваться от конкретного внутреннего содержания данного процесса. Таким образом, понятие процесса оказывается цент­ ральным, а следовательно, не может быть системного мышления без ясного понимания, что такое процесс. Между тем общего достаточно строгого определения процес­ са пока не выработано. В разных отраслях знаний по мере необходимости определялось специфическое его толкование, на­ пример, процессом называют некоторую функцию Fjtj, где t име­ ет смысл временной характеристики. Это связано с тем, что само слово 2

"max

. >

r" D^

= Д *

-I

•

r" ПТ _Г)Ф •'-' max ^-' max ^ T _ J Ф _ •'^ max — ^^ max

. > T'". -^ >

Tl=d^ —rf*-Г"-* a " max " mm -* » 7'т_Г)ф _ Г)Ф _ Т " •^ D — -*-' max -^^ mm ^ » -' /1 — -^ max

-'

•

При реализации технологического процесса в силу действия большого числа факторов контролируемый параметр будет иметь для каждого изделия конкретное значение, которое часто называют текущим значением: d„ D, и А,. Им будут соответ47

ствовать определенные значения эксплуатационного запаса 3j, 3'DB З'А- Указанные текущие значения параметров соответствуют установленным на них нормам, и с этой точки зрения изделия считаются качественными. Однако с позиций максимализации функционального качества, а оно соответствует значению функ­ ционального оптимума в каждом из указанных случаев, есть резервы: P',=dt-d%u P'D=D%,-D,; Р\ = 3\=А.. Таким образом, вопрос повышения качества процесса в рас­ смотренном плане — это такая его организация, при которой значение контролируемого параметра получалось бы на каждом изделии максимально соответствующим значеншо функциональ­ ного оптимума. Для партии изделий это выглядит следующим образом. Пусть контролируемый параметр качества имеет значе­ ния: B'lam, Blax И 5 ^ , (рис. 2.9). Оптимальной реализации процесса соответствует кривая рассеяния 1. Это случай совпадения центра группирования в реализуемом процессе со значением функционального оптимума: В%,щ=В%,у. При этом большинство изделий имели бы оптимальное значение функционального параметра при неизменном значении установ­ ленного на него допуска. Однако реальный процесс имеет свою конкретную кривую рассеяния 2 и положение центра группирова­ ния ^J^jcp. Очевидно, что для партии изделий в этом случае имеется резерв повышения качеI,. J,. ства, выражаемый значением 6,= ^3 •"гр-ср В' Повышение качества процес­ /Г ^ / • са, отождествляемое с сокраще­ нием поля рассеяния контролиру­ емой величины, не может считать­ ся общим утверждением справед­ ливым для всех практических си­ туаций. Поле рассеяния характе­ ризует стабильность процесса, но Bmin не гарантирует оптимального значения контролируемого пара­ Вгр.ср ^ метра. Как показано на рис. 2.9, ^irpf ' ^rp.cfi даже весьма благоприятный вид кривой рассеяния 3 с точки зре­ Вгр. ср ния стабильности группового Втак среднего значения В^^^ не гаран­ тирует повышение качества в партии изделий, так как несовпа­ Рис. 2.9. Схема определения резе­ дение В'^^ с 5*, ер может иметь, рва качества 48

наоборот, наиболее неблагоприятное значение bj. В общем случае при b, последним, накапливается погре­ шность технологической цепочки (Уь 72, Уз)- Поэтому одинаковая точность на всех размерах в по­ добных замкнутых цепочках не может быть получена принципи­ ально. Возможны три варианта решения указанных задач, свя­ занных с выбором ТБ. 1. Исходя из уравнения угло­ вой размерной цепи Рис 4.5. Деталь с замкнутой системой размеров 128

У4 = 360°-71-у2-Уз И требуемого функционального допуска на угловые размеры на-

значают ужесточенные допуски на составляющие размеры уи Уг и уъ, равные одной третьей функционального допуска Г,,. Тогда при последовательной обработке отверстий 1...4 от ТБ1, ТБ2 и ТБЗ накопленная погрешность на размере у^ не будет больше Ту. 2. При необходимости обеспечения максимальной идентич­ ности указанных угловых размеров используют принцип единых технологических баз. Например, первым обрабатывают отвер­ стие 1, а затем от него (ТБ1) координатным способом все оста­ льные отверстия, получая соответственно углы у,, уз и у^. Очевид­ но, что максимальная накопленная погрешность на углах между любой парой отверстий будет не более суммы двух погрешностей угловых размеров, образующих данный размер. 3. При заданных допусках на размерах замкнутой цепочки с помощью целенаправленного выбора ТБ можно задать со­ ответствующий им механизм накопления погрешностей. Напри­ мер, при обработке первым отверстия 1, затем от него (ТБ1) отверстий 2 (vi) и 4 (ув), а от ТБ2 отверстия 3 (у?) получим погрешности на угловых размерах yi.-.y^ в соответствии со сле­ дующей структурой технологического их обеспечения (у'^ — раз­ мер, получаемый от ТБ): yi^yl; У2=Уъ Уз = У1-у]-Уъ У*=УбНа практике может сложиться такая система ограничений, что выбор ТБ будет однозначно предопределен. Например, наличие у детали единственной поверхности, на которую она может быть установлена на данном оборудовании. Или единственность пове­ рхности, от которой можно в принципе обработать какую-то другую поверхность. Или наличие у детали единственной необрабатьшаемой поверхности при требовании осуществить всю обработку за одну установку и др. Если фактор выбора ТБ не является определяющим, его действие должно рассматриваться в общем плане построения оптимального процесса изготовления изделия: 1) формирование исходных данных: 1) определение по­ нятия предмета производства и понятия входа; 2) задание крите­ рия; 3) составление иерархической системы ограничений (это фактически описание свойств среды функционирования проек­ тируемого процесса); 4) подготовка информационной базы, со­ гласованной с содержанием критерия и системой ограничений; 5) разработка генеральной стратегии построения данной техноло­ гической последовательности изготовления изделия. Каждый конкретный выбор ТБ всегда является некоторым компромиссом двух основных принципов выбора ТБ: принципа наикратчайшего пути (ПНП) и принципа единых технологических баз (ЕТБ). Рассмотрим их особенности на примере изготовления детали. ПНП фактически уже задан самой системой размеров на 129

чертеже детали — это последовательная цепь ТБ, от которых производится обработка поверхностей детали. ПНП соответству­ ет максимальный технологический цикл, но при этом и потенци­ ально наивысшая возможная точность обработки. В свою оче­ редь, принципу ЕТБ соответствует максимально возможный ко­ роткий цикл изготовления детали при более низкой точности обработки. При прочих равных условиях для реализации принципа ы ь требуются оборудование повышенной точности, более сложная его конструкция, то же относится и к технологической оснастке. ЕТБ, как правило, соответствует и более сложный механизм образования погрешностей изготовления, связанный с исполь­ зованием организованной смены баз. Таким образом, используя аналогию ПНП, можно поставить в соответствие метод обката, т. е. последовательное формирова­ ние детали, а принципу ЕТБ — метод копирования, т. е. одновре­ менное получение всех свойств детали. Другими словами, если на основе ПНП потенциально возможно обеспечить максимальную дифференциацию процесса, то принцип ЕТБ является основой для максимальной интеграции того же процесса изготовления детали. Естественно, что построение процесса изготовления данной детали во многом определяется геометрической структурой дета­ ли, а также программой ее изготовления. Это дает широкую основу для развития принципов типовой и групповой обработ1Ш деталей, при которых целый ряд этапов, в том числе и выбор ТБ, имеют фиксированное решение. Однако в основе разработки любой технологической последовательности обработки лежат общие принципы. Как было показано, любой реальный процесс — это всегда сочетание двух основных принципов ПНП и ЕТБ. Поэтому все­ гда необходимо стремиться к наиболее благоприятному сочета­ нию их положительных свойств и нейтрализации тех ограниче­ ний, которые накладываются этими принципами. При использовании ЕТБ часто возникают ограничения по точности из-за организованной смены баз. В определенной степе­ ни ослабить эти ограничения можно за счет перехода с метода обеспечения точности от ТБ на метод обработки мерным инструментом. У^^^ ,. Особенно этот прием эффективен при использовании блоков инструментов, "«: а также на агрегатных станках с мно­ гошпиндельными головками. Как показано на рис. 4.6, обеспече­ ние станком точности линейного разTVrfi/ ' '~ мера 5 от ТБ1 в пределах 0,1 мм при заданном допуске на размер заготовРис. 4 6 Эскиз детали ки Я не гарантирует получение раз130

мера А в пределах указанного допуска. В подобных случаях прибегают к смене баз технологических (ТБ1) на измерительные (ТЫ), т. е. для каждой детали в партии настраиваются на задан­ ный размер А от измерительной базы. При условии выполнения настройки в допуске 0,1 мм ffa3Mep А будет выдерживаться у всех деталей в допуске 0,2 мм, несмотря на то, что физически на станке получается размер В от базы ТБ1. В ряде случаев эффективным оказывается следующий прием последовательности обработки детали. На первом этапе произ­ водят всю обработку поверхностей детали, даже если некоторые точностные параметры не обеспечиваются от выбранных ЕТБ. Обработку производят по критерию максимальной производите­ льности съема припуска. Затем для отдельного размера назнача­ ют дополнительную обработку по ПНП, которую реализуют как финишный проход от качественных технологических баз, совме­ щенных с КБ. Появление новых высокоточных станков и особенно станков с ЧПУ открывает широкие возможности для построения ориги­ нальных последовательностей изготовления деталей. При этом выбор ТБ оказывается как раз тем инструментом, который по­ зволяет перенести традиционные для одних типов деталей при­ нципы базирования на обработку деталей иной геометрической структуры. § 8. Оценка точности вариавта базирования При оценке варианта базирования могут приме­ няться следующие критерии: 1) число рабочих ходов и операций; 2) номенклатура и количество используемого режущего инст­ румента; 3) номенклатура применяемых приспособлений и др. Рассмотрим оценку варианта базирования по первому кри­ терию. Число рабочих ходов, которым подвергается поверхность заготовки, зависит от возможностей оборудования и колебания припуска (coZ), удаляемого с этой поверхности. Уменьшение этого колебания приводит к уменьшению числа рабочих ходов и сокращению количества используемого инструмента. Очевидно, что при одном варианте баз может возникнуть ситуация, когда на данном переходе имеет место максимальное значение припуска, а на другом — минимальное. При другом варианте базирования положение может измениться на проти­ воположное. В таких случаях предпочтение отдается тому варианту, при котором колебания припуска в меньшей степени скажутся на точности выдерживаемого размера. Например, вариант, который при расточке отверстия имеет колебания припуска больше, чем 131

при фрезеровании плоской поверхности, следует считать нецеле­ сообразным, так как расточка ведется инструментом менее жест­ ким, чем торцовая фреза. Поясним сказанное. Пусть необходимо изготовить корпусную деталь (рис. 4.7). На второй операции в качестве технологической базы избрана поверхность 5 основания. На этой операции рас­ тачивается цилиндрическое отверстие 2, сверлятся крепежные отверстия и фрезеруется поверхность 1. Необходимо выбрать технологические базы, которые будут использоваться на первой операции, где проведено фрезерование этого основания, просвер­ лены крепежные отверстия и расточено отверстие 3. Рассмотрим выбор базы в координатном направлении Y. Расчетные и исходные данные представлены в табл. 4.2. Операции технологического процесса в таблице расположены снизу вверх — заготовительная, первая, вторая операция и гото­ вая деталь. Приняты следующие обозначения. Вновь получаемая поверхность (или ее ось) обозначается жирной точкой. Поверх­ ность или ось, «исчезнувшая» в результате обработки, обознача­ ют крестиком. Снимаемый припуск обозначен Z; причем верхний индекс указывает номер операции, а нижний — номер поверх­ ности, с которой он был удален. Например, Z\ —припуск, уда­ ляемый с третьей поверхности на первой операции. На заготови­ тельной операции получают все поверхности заготовки, поэтому каждая из них заканчивается точкой. С оси цилиндрической поверхности физически нельзя снять припуск, поэтому она толь­ ко «разрывается» точкой и крестиком. В примерю оценке подлежат: поверхности 1 и 4, ось поверх­ ности 2. Анализ начнем с поверхности 4 (вариант 1). На заготовительной операции получена заго­ товка (вариант 1). На пер­ вой операции при расточ­ ке отверстия 3 удален при­ пуск Z 3, выдержан радиус R{ отверстия и размер Н^ между осью этого отвер­ стия и базой. При фрезе­ ровании поверхности 5 удаляется припуск Zs и выдерживается размер С ^. На второй операции обработке повергаются две поверхности. Если по­ верхность 4 будет исполь­ зована в качестве технолоРис. 4.7 Эскиз корпусной детали гической базы, ТО будут ли 132

выдержаны в заданных пределах размеры детали и какова ве­ личина колебания припуска на обработку? Для ответа на этот вопрос необходимо выявить технологические размерные цепи. Припуски и размеры детали в этих цепях являются замыка­ ющими звеньями. Для нахождения размерной цепи надо с одной стороны замы­ кающего звена по звеньям перейти к другой стороне так, чтобы образовался замкнутый контур. Например, размерная цепь, где Z\ — замыкающее звено, будет включать звенья: R\, А^, В°, С°, С^, F^, Rl- Для каждого замыкающего звена образуется всего один контур. В состав уравнения, где размер А является замыкающим звеном, для варианта 1 базирования входят звенья: F^, Н^ и С^. Для замыкающего звена z f при том же варианте базирования звеньями размерной цепи будут: i)^C^Z)°иC°. Погрешности замыкаюпщх звеньев будем определять мето­ дом максимума-минимума. Например: coZl = a)D'^ + oiC^ + Q}D° + coC°.

В результате выполнения расчета получим искомые погреш­ ности размеров. Сравнивая расчетные значения погрешностей размеров детали с соответствующими допусками, видим, что все погрешности уложились в заданные пределы, но колебания при­ пуска, которые могут возникнуть на операциях, достаточно вели­ ки. Поэтому определим погрешность для тех же размеров, но с учетом того, что в качестве технологической базы на первой операции будет использована ось поверхности 2. Поскольку тех­ нологические размерные цепи на второй операции останутся неизменными, то в таблицу добавлена только горизонтальная графа (вариант 2). Выполним аналогичные расчеты, что и в предыдущем случае (заметим, что размеры, указанные в варианте 1, здесь уже в ана­ лизе не используются). В состав размерной цепи, где А является замыкающим звеном, будет входить всего один размер — А^. Для замыкающего звена Zl при этом варианте базирования составляющими звеньями размерной цепи будут F^ и G . Сравнивая рассчитанные погрешности размеров детали с до­ пустимыми "значениями, можно определить следующее. Колеба­ ния припусков на обработку в основном уменьшились (за ис­ ключением Zs, здесь произошло увеличение), что особенно сказа­ лось на Zf. Но погрешность размера С, составившая 3,05 мм, вышла за установленные пределы. Поэтому этот вариант следует признать неприемлемым. По тем же причинам не может быть принят и вариант 3, где в качестве технологической базы на первой операции была избрана поверхность 1. Таким образом, приемлемым останется только один вари­ ант — первый. Но возможные колебания припуска здесь относи133

кI Вариант базирования

Вариант f-база под ^

ЬаготодитепьПердпя ноя

Вторая

Операция

Первая

FN

•

••

^

> ^о

'

t>i.

^ ,"4>

:«

i

;? ^ с 5

""

IS

rvj

^

,K JO

аэ

ta

«а

>l

" !ci ^

И


+ to

3:

с;

*

1^1

——ы

--

Т!

и

__^ ,

,._

^ OS

Ci

»

•

о

1> ъ

аэ «о

4

C-,

1

£^

'1 Г

3'

*^

t^

сь «а

•S5»

^ ^

t

1;.

ь.

1

c-j

1

NУ>^

f-i

'x lb f .mu\oux

137

Временная структура операции I класса 1-й группы харак­ теризуется последовательным протеканием основного и вспомо­ гательного времени, при этом каждый режущий инструмент об­ рабатывает заготовку последовательно по переходам, а время на ее установ и съем, смену, подвод и отвод инструмента, холостые перемещения не совмещено между собой и с основным временем. Примером реализации рассматриваемой временной структуры является работа обычного одношпиндельного универсального станка, а формула оперативного времени будет иметь вид:

Особенностью П класса 2-й группы является то, что вьшолнение основных приемов в операции осуществляется параллель­ но-последовательным способом. Основное время на вьшолнение нескольких переходов будет определяться по наиболее продол­ жительному переходу t^. Примером подобной временной стру­ ктуры служит работа многоцелевых станков ИР320ПМФ4, ИР500МФ4 и ИР800МФ4, на которых можно вести обработку с использованием многоинструментальных и многопшиндельных головок и вместе с тем выполнять отдельные переходы последо­ вательно различными режущими инструментами. Вспомогатель­ ное время на этих станках может совмещаться, например смена заготовок проюводится в момент обработки ранее установлен­ ной заготовки, а время подачи заготовки в рабочую зону станка совмещается со временем смены инструмента и его подвода к заготовке. В этом случае формула оперативного времени для П класса 2-й группы будет иметь вид:

Отличительной особенностью временной структуры П1 класса 3-й группы является как параллельный способ выполнения всех основных и вспомогательных приемов, так и их совмещение во времени. Это значит, что все инструменты на всех позициях (если их несколько) работают одновременно, а вспомогательные про­ цессы совмещены со временем формообразования. В этом случае получаются непрерывные процессы, а их примером служит об­ работка на роторных машинах, в которых происходит непрерыв­ ное перемещение заготовки и инструмента. Непрерывные процес­ сы эффективны в поточном производстве и характерны тем, что резко снижается время изготовления деталей. Формула оператив­ ного времени обработки для Ш класса 3-й группы имеет вид: t

—(t

t

t

/°i"")""

В этом случае оперативное время обработки будет равно 138

времени наиболее продолжительного перехода или вспомога­ тельного приема. Рассмотрим структуру штучно-калькуляционного времени ^BITJ: И проанализируем его влияние на выбор типа технологичес­ кого оборудования: _ 'штл

^ 'шт I

п

_ »

'пз

*i]H"r'nc»

где ?п в — подготовительно-заключительное время на изготовле­ ние партии изделий; и — число изделий в партии; tan — штучное время операции; ^пн — время на подготовку переналадки обору­ дования; tac — время на переналадку; ton — оперативное время; ^обс — время обслуживания оборудования; t„ — личное время; 'тех о — время технического обслуживания оборудования; ?зл — время на смену инструмента. Перечисленные составляющие штучно-калькуляционного вре­ мени могут протекать последовательно, параллельно и парал­ лельно-последовательно. Проанализируем влияние подготовите­ льно-заключительного времени и времени на обслуживание обо­ рудования на временную структуру процессов. В состав времени на обслуживание технологического оборудования включается время на техническое обслуживание и время на смену инструмен­ та. Из этих составляющих только значение времени на смену изношенного инструмента оказывает влияние на компоновку тех­ нологического оборудования, так как его смена может быть совмещена с протеканием оперативного времени (параллельная структура). Например, при использовании автоматического цент­ рального инструментального магазина, расположенного над станками, или последовательно после окончания оперативного времени. В последнем случае на многоцелевых станках инст­ рументальные кассеты подаются в рабочую зону станка и произ­ водится обмен между инструментальным магазином станка и ин­ струментальной кассетой, после чего кассета освобождает рабо­ чую зону для изготовления детали. Время технического обслуживания выдвигает ряд обязатель­ ных требований к компоновке любого технологического обору­ дования, в частности обеспечение определенных удобств для смазывания, регулирования, контроля работы оборудования, уборки стружки и вьшолнения других процессов, которые не являются определяющими при выборе типа оборудования. Время на подготовку переналадки технологического оборудо­ вания, включающее время на ознакомление с чертежами, тех­ нологией, наладкой, время на подготовку, наладку, проверку инструмента и время на подготовку оснастки, ее наладку и про­ верку, не оказывает влияния на компоновку технологического 139

оборудования, так как в автоматизированном производстве ука­ занные его составляющие протекают параллельно во вспомога­ тельных системах: управления и подготовки производства, инструментообеспечения и складской. На выбор типа технологического оборудования оказывают влияние составляющие времени на переналадку оборудования: время установки оснастки на оборудование, кинематической пе­ ренастройки и размерной перенастройки оборудования. В авто­ матизированном производстве, где заготовки, поступающие на оборудование, строго ориентированы в пространстве путем уста­ новки их на технологическую оснастку в складской системе и про­ изводится их автоматическая смена на оборудовании вместе с оснасткой, время на установку оснастки не оказывает влияния на компоновку оборудования. Создание станков с программным управлением позволило успешно решить вопрос автоматизации кинематической переналадки станков. Суммарное время, затрачиваемое на переналадку оборудова­ ния, определяется как самим временем переналадки, так и часто­ той переналадок, определяемой периодичностью партий запу­ сков заготовок. В свою очередь, время на переналадку оборудо­ вания зависит от сложности и точности изготовляемых изделий, способа реализации структуры, оперативного времени. Поэтому оборудование, работающее, например в Ш классе и 3-й группе, используется в основном в поточном производстве с узкой номе­ нклатурой выпускаемых изделий и малой частотой переналадок. При этом возрастает время на их переналадку вследствие слож­ ности согласования времени выполнения отдельных приемов в операции, а станки более низкого класса и группы, не требу­ ющие синхронизации выполнения отдельных элементов операции и поэтому меньшего времени на переналадку, применяются в мелкосерийном проюводстве. Таким образом, грамотно используя теорию временных стру­ ктур операций, можно разрабатывать конкурирующие варианты ко\шоновок технологического оборудования, а затем проводить выбор оптимального варианта по установленному критерию эф­ фективности. § 10. Размерная настройка оборудования Процесс изготовления деталей на станке можно представить складывающимся из двух этапов: настройки станка и непосредственно обработки заготовки. Процесс обработки при­ емлем тогда, когда отклонения размеров деталей укладываются в заданные пределы. Обеспечить именно такое течение процесса в значительной степени позволяет настройка станка. 140

Под настройкой будем понимать процесс установления требу­ емого положения инструмента относительно заготовки. Как бы тщательно не выполнялась настройка, действуюпще при обра­ ботке факторы приводят к тому, что, начиная с некоторой дета­ ли, отклонения ее размеров будут выходить за установленные пределы. Для исключения брака необходима размерная поднастройка, включающая в себя процесс восстановления первоначаль­ но заданного положения инструмента относительно заготовки. Всякая поднастройка требует дополнительных затрат времени и средств. Поэтому цель настройки состоит в выборе такого размера настройки, который позволит получать наибольшее ко­ личество годных деталей до первой поднастройки станка. Раз­ мер, к которому стремятся при настройке, называют рабочим настроечным размером Ар. Различают настройку на обработку одной заготовки и партии заготовок. При настройке станка на обработку одной заготовки принимается, что возникающие отклонения равновероятно могут располагаться по обе стороны от Ар. Поэтому настройку ведут на середину поля допуска, т. е. в качестве рабочего настроечного размера берут среднее значение допустимых предельных раз­ меров: где Ааш, Атш — наибольший и наименьший предельные раз­ меры. В этом случае настройка может осуществляться несколькими способами: по отсчетным устройствам станка; по показаниям датчиков перемещений в системе ЧПУ; по эталонам и т. д. В основе этих способов лежит метод пробных ходов. При этом обрабатывают небольшой участок детали, замеряют получаемый размер и, если необходимо, вносят поправку. Участок детали юбирается так, чтобы его обработка велась при установившемся процессе резания. Это особенно важно для фрезерных станков, ведущих обработку торцовыми фрезами. В этом случае может оказаться целесообразной обработка пробной детали. Особенностью настройки станка на обработку партии загото­ вок является необходимость так располагать в поле допуска Га рабочий настроечный размер, чтобы количество обработан­ ных деталей до первой поднастройки было максимальным. На рис. 4.8, а видно, что уже на первых деталях есть вероятность выхода значения охватываемого размера А за установленные пределы. Во втором случае (рис. 4.8, б) будут получены годные детали, но из-за систематически действующих факторов количе­ ство деталей Ni, обработанных до первой поднастройки, будет невелико. Правильная настройка показана на рис. 4.7, в, в этом случае 141

Л = ^тш + а + 0,5ш^

^ а

^„^^^

3'

где а — часть допуска, предназначенная для компенсации погрешно­ к 1 стей измерения; Шх — поле рассеяния случай­ 1 ^ ~ ^ ных погрешностей. На­ ^ ^ . 1 строить станок по одной Н ^ а) пробной детали практи­ ^ чески нельзя. Обычно 1 1 обрабатывается неболь­ шая группа деталей (3 — 5 шт.) и рассчиты­ 1^ ''•'^а 1 1 вается групповой сред­ ний размер Лгрср. Если этот размер укладыва­ ется в допуск, то на­ стройку считают закон­ ченной. В противном случае вводят поправку и вновь обрабатывают пробную партию заго­ товок с последующим расчетом группового среднего размера и т. д. Автоматизирован­ ное производство рас­ полагает оборудовани­ ем, которое позволяет не только концентриро­ Рис. 4.8. Схема настройки станка вать на одном станке большое количество разнохарактерных обработок, но и вьшолнять в автоматическом режиме разнообразные контрольные про­ цедуры по определению размеров как заготовки, так и готовой детали. Обычно это осуществляется с помощью телеметрических измерительных головок. Эти головки представляют собой устройство, в корпусе кото­ рого установлен датчик с измерительным наконечником и элект­ ронный блок, осуществляющий передачу сигнала в систему упра­ вления при касании наконечника контролируемой поверхности. Перемещение шпинделя с измерительной головкой выполняется по программе. При касании измерительного наконечника конт­ ролируемой поверхности в систему управления поступает сигнал, на основе которого в коордиатнои системе станка определяется положение этой точки касания. Таким образом, можно автомати­ чески определять расстояние между двумя поверхностями заго-

^иК

142

Л

товки или детали, диаметр отверстия, просгранственное положе­ ние той или иной поверхности и т. д. Это позволяет автоматичес­ ки вьшолнять пробные рабочие хода, выполнять по программе необходимые измерения и вносить соответствующие поправки в положение инструментов и, таким образом, осуществлять авто­ матизацию настройки. § 11. Управление процессом производства Известно, что среда, в которой функционирует производственный процесс, постоянно меняется. В общем случае меняются и показатели входа. Все это приводит к тому, что на выходе процесса тоже происходит рассеяние показателей. До тех пор, пока последние находятся в допустимых пределах, ход про­ цесса считается нормальным. Однако наступает момент, когда вмешательство в процессе становится необходимым. Это вмеша­ тельство и является процессом управления, или, как его еще можно назвать, регулирования. Само по себе управление является специфическим процессом, протекающим параллельно с регулируемым. Следовательно, все, что относится к процессам вообще, имеет такое же отношение и к процессам управления. Имеются в виду и его элементная структура и показатели: качественные, количественные и вре­ менные. Процессы управления также классифицируются по мо­ дулю продолжительности и также не могут происходить без затрат энергии. В общем случае процесс управления сводится к следующей схеме: получают информацию о текущем значении контролиру­ емого параметра, сравнивают его с заданным значением и в зави­ симости от результата сравнения воздействуют на ход процесса в требуемом направлении до тех пор, пока его функционирование не войдет в заданную норму. Возможны два принципиально различных способа управле­ ния. Прямой, когда контролируется тот параметр, по которому и осуществляется регулирование. Косвенный, когда регулируют параметр, функционально связанный с интересующим нас пока­ зателем процесса. Заметим, что любому управляющему воздействию, сформи­ рованному на основании вышеописанной схемы, свойственно запаздывание. Основное следствие этого заключается в том, что в момент управления процесс, строго говоря, находится уже в другом состоянии по сравнению с тем, по которому фор­ мировалось управляющее воздействие. Поэтому особое значение для управления имеют вопросы диагностики и прогнозирования хода процесса. 143

Управление производственным процессом имеет иерархичес­ кую структуру, т. е. может рассматриваться на разных уровнях декомпозиции процесса в широком спектре его характеристик. Отметим особенности управления процессом на уровне операций по изготовлению деталей машиностроения. При изготовлении деталей на станках происходит непрерыв­ ное изменение условий обработки из-за нестабильности свойств материала заготовки, ее жесткости, изменения глубины резания, изменения температурного режима и др. Все это приводит к из­ менению сил резания и вызываемых ими упругих перемещений в ТС. В конечном счете происходит изменение относительного положения инструмента и заготовки, что и формирует геометрческие погрешности изготовления детали в виде погрешностей размера, относительного положения и формы. Здесь возможны два исходных способа управления ходом процесса. Первый — по размеру статической настройки, суть ко­ торого состоит в том, что инструмент постоянно поддерживается на заданном расстоянии от технологических баз заготовки. Раз­ мер статической настройки устанавливается при настройке стан­ ка на изготовление данной детали. Сущность этого способа состоит в том, что он обеспечивает поддержание на требуемом уровне так называемой абсолютной точности контролируемого параметра. При успешной реализации процесса регулирования все детали в партии будут гарантированно иметь значение конт­ ролируемого размера в пределах поля допуска. Второй способ, называемый управлением по размеру динами­ ческой настройки, заключается в том, что путем изменения режи­ мов резания при обработке (обычно подачи или скорости реза­ ния) поддерживается стабильная сила резания. Следствием этого является и определенная стабилизация упругих перемещений в ТС. В свою очередь, это приводит к сокращению поля рассея­ ния контролируемого параметра детали. Другими словами, повьппается их относительная точность, хотя в общем случае их абсолютная точность может и не соответствовать требуемому значению. Теоретически в предельном случае значение контролируемого параметра станет постоянным для всей партии деталей. Тогда для обеспечения абсолютной точности размера в партии по­ надобится единовременная поправка в размере статической на­ стройки. В заключение отметим, что существует стойкая тенденция возрастания интенсивности процессов. Усложняется их структу­ ра, а следовательно, и механизм внутренних взаимодействий. Помимо этого наблюдается повышение требований к точности выходных характеристик процессов. Это приводит к тому, что человек в силу ограниченности своих возможностей уже не может обеспечить надежный контроль за функционированием процессов 144

на требуемом уровне. Еще одно немаловажное обстоятельство заключается в том, что появляется все больше процессов, физи­ ческая природа которых и уровень циркулирующей энергии небе­ зопасны для человека. Все это требует значительного расшире­ ния номенклатуры процессов, работающих без участия человека, что, естественно, невозможно без автоматического управления ходом процессов. Не менее сложной и актуальной является про­ блема безлюдной технологии в плане реализации непрерывной работы ТС, которая также связана с вопросами управления про­ цессами. § 12. Механизация и автоматизация производства Механизация и автоматизация производства яв­ ляются естественными процессами совершенствования произво­ дительных сил, протекающими параллельно и неразрывно с об­ щим процессом взаимодействия общества с природой. В самом общем плане их суть состоит в замене действий человека, т. е. живого труда, адекватными действиями орудий труда, т. е. про­ шлого или овеществленного труда. Конкретно — это передача различных функций рабочего соответствующим механизмам, устройствам, агрегатам и целым автоматизированным промыш­ ленным комплексам. Расширение и углубление указанных про­ цессов, образно говоря, как бы все более удаляет человека от зоны непосредственной реализации того или иного функциональ­ ного процесса, а образующийся промежуток должен быть запол­ нен средствами механизации и автоматизации. Механизация и автоматизация производства включают меро­ приятия по созданию прогрессивных технологических процессов, проектированию высокопроизводительного и модернизации дей­ ствующего оборудования, оснастки и инструментов, выполнению различных основных и вспомогательных операций без участия рабочего, а также ряд других мероприятий, так или иначе связан­ ных с производственным процессом. В настоящее время харак­ терна тенденция смещения этих мероприятий в область серий­ ного и мелкосерийного производства, составляющего основную часть машиностроительной отрасли. Другой особенностью разjBHTHfl производства является расширение арсенала технических средств механизации и автоматизации во всех без исключения сферах производственной деятельности. Необходимость совершенствования форм взаимодействия труда общества определяется физическими и социальными фак­ торами. К первым относятся усложнение производственных про­ цессов, возрастание их интенсивности и комплексности, а также временных режимов функционирования. Ко вторым можно от­ нести требования к регламентации трудовой деятельности людей 145

в физиологических, психических, социальных и других аспектах. Это прежде всего допустимые предельные уровни физических и умственных нагрузок, их интенсивность, а также временной режим деятельности как по продолжительности, так и по времени суток. Развитие средств механизации и автоматизации и степень их проникновения в ту или иную сферу деятельности человека зави­ сят от научно-технического уровня в данной отрасли производст­ ва. Однако существенную, а в ряде случаев и определяющую роль играет социальный заказ общества, направленный на ликвида­ цию тяжелого физического труда, вредных для здоровья человека условий работы, чрезмерной интенсивности и монотонности дей­ ствий, а также неблагоприятных в физиологическом и социаль­ ном смысле временных режимов трудовой деятельности людей. Общим принципом решения указанных проблем должен быть оптимизационный подход, при котором формирование содержа­ ния критерия и его иерархической системы ограничений было бы адекватным конкретной производственной ситуации во всем многообразии ее физических и социальных характеристик. Механизация и автоматизация производства — это такие же его свойства, как и производительность, гибкость в самом широ­ ком ее понимании, эффективность, а поэтому уровень этих свойств также должен регламентироваться соответствующими показателями. Тесным образом с автоматизацией производства связана так называемая безлюдная форма организахщи технологии произ­ водства. Потребность в указанном режиме работы производства определяется фактически теми же обстоятельствами, что и его автоматизация, так как именно последняя обеспечивает возмож­ ность отсутствия человека при функционировании процесса. Вме­ сте с тем фактор безлюдности накладывает более жесткие требо­ вания на целый ряд свойств производственной системы. Прежде всего она должна быть автоматизирована по полному технологи­ ческому циклу. Это предусматривает наличие автоматической системы контроля за текущим ходом технологического процесса с разветвленной структурой его диагностики и прогнозирования. Ко всем механизмам, устройствам и ТС предъявляются повы­ шенные требования к надежности, помехозащищенности, ремон­ топригодности, что в конечном итоге должно обеспечить требу­ емый уровень эффективности производства. Перечисленное фак­ тически определяет круг задач, подлежащих разрешению при организации безлюдной технологии. В общем случае комплексный подход к вопросам механизации и автоматизации производства является сложной научно-техни­ ческой проблемой, требующей значительных затрат времени и средств. Известно, насколько бывает сложным в техническом смысле перевод, казалось бы, очень простых действий человека 146

(например, при сборке изделий) в механизированный и тем более в автоматизированный режим их исполнения. Вышеизложенное в полной мере относится к вопросам автоматизации процесса подготовки и управления производством, основу которых состав­ ляет проблема создания производственных процессов с задан­ ными свойствами, что немыслимо без все более глубокого позна­ ния объективных закономерностей структурного построения и функционирования процессов вообще как общесистемного по­ нятия. § 13. Безотходная технология и экология производства Естественный процесс развития сферы производ­ ства приводит ко все более интенсивному и, что особенно важно, избирательному использованию продуктов природы. Избирате­ льность связана с формированием понятия отходы производства. При этом нередко отход отождествляется с понятием бесполез­ ного для дальнейшего использования побочного продукта произ­ водства. В этой связи заметим, что с точки зрения естественных законов взаимодействия предметов и явлений в природе не суще­ ствует отходов, в основе этого лежат фундаментальные законы сохранения материи и энергии. В естественных процессах оп­ тимально то, что многофункционально. Другими словами, есте­ ственные процессы взаимодействия как бы внутренне замкнуты. Проблема хранения отходов и их утилизации приобрела гло­ бальные масштабы. Изоляция, складирование, хранение отходов требуют огромных материальных затрат, а часто приобретают характер серьезной экологической проблемы. В связи с этим вопросы безотходной технологии, а также режимов функциони­ рования производств по замкнутому технологическому циклу приобретают особенно актуальное значение. Рассматривая прикладной характер проблемы безотходности производства, понятие «отход» для конкретной производствен­ ной системы должно иметь следующий смысл. Отходом считает­ ся то. что при имеющихся технологических возможностях произ­ водства не может быть переведено или экономически нецелесооб­ разно переработать в некоторый продукт, имеющий потреби­ тельную стоимость. Отходы данного производства в принципе могут быть исходным продуктом для другого производства, а вопрос о глубине переработки исходного продукта на каждом предприятии должен ставиться в оптимизационном плане. Это значит, что получение отходов также должно планироваться в возможно наилучшем виде, форме для дальнейшего исполь­ зования на данном или другом предприятии. Для грамотного решения указанной проблемы на каждом производстве длжен составляться полный перечень отходов или 147

в общем случае побочных продуктов производственного процес­ са. Это могут быть различные остатки материалов, некомплект­ ные элементы, стружка, технологические жидкости, газы и др. В известной мере сократить номенклатуру отходов на данном производстве позволяет продуманный по номенклатуре выпуск дополнительной продукции. Часто это бывают различные пред­ меты так называемого широкого потребления. Большие резервы в этом плане имеет и налаженная система взаимных поставок предприятий на основе принципов кооперирования. Организация производств с безотходной технологией и в ре­ жимах с замкнутым технологическим циклом неразрывно связа­ на с вопросакш экологии. Для каждого предприятия и для всех его подразделений должны прорабатываться вопросы их влияния на среду, в которой они функционируют. Это относится к различ­ ным выбрасываемым в атмосферу и водоемы продуктам деятель­ ности производства, уровню и спектру шумов, видам и интенсив­ ности различных излучений и др. Естественно, что для каждого производства должны разрабатываться нормы его экологически чистого функционирования. ВОПРОСЫ для

САМОПРОВЕРКИ

1. Содержанве понятия «гибкость щюизводственвой стстемы». 2. Ортанизациовиые формы щ>оизводсгвенного щюцесса. 3. Модель |фитериального симплекса. 4. Интеграция и дифференциация производственного процесса. 5. Номенклатура изделий и принципы ее формирования. 6. Выбор вида и метода получения заготовки. 7. Ооаовные положения выбора технол(Я71еских баз. 8. Классификация временной структуры технологической операции. 9. Способы размернс^ насгройга станка. 10. Два принципа управления ходом технологического процесса. 11. Основные предпосылки механизации и автоматизации [фоизводственного щюфсса. 12. Содержание понятий «безотходная технология» и «экологически чистое производство».

II

раддел ± ±

ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ

Глава 5

Основные положения теории систем § 1. Основные понятия и определения

Решение задач проектирования, создания и эксп­ луатации производственных систем невозможно без широкого применения моделирования как способа научного познания ре­ альной действительности. Моделирование позволяет исследовать свойства реальной системы путем замены этой системы или отдельных ее элементов некоторой моделью, по своим свойствам воспроизводящей свойства реальной системы. Назначением мо­ делирования производственных систем является описание движе­ ния материальных и информационных потоков по рабочим пози­ циям их обработки или сборки во времени. Результаты, получа­ емые с помощью моделей, являются важным, а иногда и единст­ венным источником информации, который исследователь испо­ льзует: при проектировании новой производственной системы; оценке качества и эффективности работы созданной производст­ венной системы; разработке эффективных автоматических или автоматизированных систем управления и др. Использование моделей, заменяющих систему или ее часть, сокращает сроки разработки системы и материальные затраты. Наличие модели, с достаточной достоверностью воспроизводя­ щей основные свойства системы или ее отдельных элементов, позволяет выявить причины некачественной работы и наметить рациональные пути ее совершенствования. Существует множество определений понятия «система», од­ нако все они сходятся в том, что система —- это совокупность элементов и устройств, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность, еди­ нство. Свойства системы проявляются при ее взаимодействии с вне­ шней средой, причем система является активной стороной этого процесса. Под внешней средой будем понимать множество суще149

ствующих вне системы элементов, оказывающих влияние на си­ стему или находящихся под ее влиянием. При выделении системы из внешней среды реализуется при­ нцип развития, который проявляется в иерархической природе понятия «система». Каждый элемент системы может, в свою очередь, рассмат­ риваться в качестве системы, а система, взятая в целом, может быть элементом более общей системы. Элемент системы — простейшая неделимая часть системы. Ответ на вопрос, что является элементом системы, зависит от цели рассмотрения исследуемого объекта. Следовательно, эле­ мент — это предел деления системы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели. При исследовании объекта (техническое устройство, произ­ водственный процесс и др.) ставится задача не просто отделить объект от внешней среды, а требуется выяснить более детально, что представляет собой объект или процесс, что в нем обеспечи­ вает выполнение поставленной цели. Так как элементов оказыва­ ется достаточно много и они неоднородны, то возникает необ­ ходимость многоступенчатого разделения системы. Для этого вводится понятие структуры системы, которое отражает наибо­ лее существенные взаимоотношения между элементами или под­ системами, которые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Введение понятия структуры системы позволяет получить: ряд важных количественных оценок эффективности производст­ венного процесса; обеспечить синтез структур производственной системы, оптимальных с точки зрения принятия критерия и нала­ гаемых ограничений; минимизировать транспортные потоки (за­ готовок, деталей и инструмента); объединить с помощью транс­ портной системы технологическое и вспомогательное оборудова­ ние и др. В реально действующих системах выделение и организацию подсистем можно вести по составу элементов, входящих в систе­ му, функциональному или другим признакам. Например, возьмем промышленное предприятие. Если за подсистему при­ нять множество рабочих мест на производстве, то при соответст­ вующем определении подмножеств можно получить админист­ ративную структуру: предприятие — цех — участок —рабочее место. Если же за подсистему принять множество переменных, характеризующих функциональную деятельность предприятия (выпуск продукции, потребление сырья, использование рабочей силы и др.), то будут выделены функциональные подсистемы: отдел главного технолога, механика, снабжения, кадров и др. В любое определение системы входит понятие связь, обес­ печивающая возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы. Понятие связь одновременно характеризует 150

строение (статику) и функ1щонирование (динамику) системы. Важную роль в системах играет понятие обратной связи, явля­ ющейся основой саморегулирования и адаптации систем к изме­ няющимся условиям функционирования. Структурные связи относительно независимы и могут высту­ пать как инвариант при переходе от одной системы к другой. Благодаря этому, закономерности, полученные при юучении си­ стем, отображающих объекты одной природы, могут быть ис­ пользованы при исследовании систем, отображающих объекты другой физической природы. Таким образом, система представляется в виде целостного образования, построенного из элементов различной физической природы, находящихся в определенных причинно-следственных и функционально-целевых отношениях. Целостность системы проявляется в принципиальной несводимости ее свойств к сумме свойств составляющих ее элементов. Каждый элемент системы, каждое определенное в ней отношение или свойство зависит от его места и функции внутри системы как целого. Принципиаль­ ным качеством систем является обусловленность их поведения свойствами структуры, т. е. действующими в системе связями и отношениями. § 2. Принципы системного подхода к моделированию При разработке автоматизированных технологи­ ческих систем машин возникают проблемы, меньше связанные с рассмотрением свойств и законов функционирования элемен­ тов, а больше — с выбором оптимальной структуры системы, лучшей организации взаимодействия элементов, определением оптимальных режимов функционирования, учетом влияния вне­ шней среды и др. Общими свойствами сложных систем являются: 1) наличие большого числа взаимодействуюпдах элементов; 2) система и входящие в нее элементы в большинстве своем являются мно­ гофункциональными; 3) взаимодействие элементов в системе мо­ жет происходить по каналам обмена информацией, энергией, материалами и др.; 4) наличие у системы общей цели, несмотря на разнообразие входящих в нее элементов; 5) переменность структуры (связей и состава системы), обеспечивающей многоре­ жимный характер функционирования, возможность адаптации как в структуре, так и в алгоритме функционирования; 6) взаимо­ действие элементов в системе и с внешней средой в большинстве случаев носит случайный (стохастический) характер; 7) система является человеко-машинной, так как часть функций выполняется автоматически, а другая — человеком (следует отметить высо­ кую степень автоматизации, в частности, широкое применение средств автоматики и вычислительной техники для управления 151

и механизации труда человека); 8) управление в большинстве систем носит иерархический характер. Исследование сложных систем влечет за собой необходимость разработки методов их исследования и анализа результатов. При этом с точки зрения результатов далеко не безразлично, с каких позиций осуществляется подход к исследованиям и каковы пред­ посылки, на которых базируется проведение эксперимента. При анализе и синтезе сложных систем получил развитие системный подход, в основу которого положено рассмотрение изучаемого объекта или процесса как системы, состоящей из взаимодейству­ ющих элементов, построение математической модели для него и исследование его свойств методом моделирования. Необходимость системного подхода при создании сложных систем объясняется тем, что темпы развития науки и производст­ ва увеличиваются, сложность систем возрастает, что увеличивает длительность их разработки, в результате чего большинство систем к моменту ввода их в эксплуатацию могут оказаться морально устаревшими или ненужными. Проектирование слож­ ных систем требует больших капитальных затрат, поэтому нуж­ ны гарантии, что будет создана система с нужными свойствами. К числу задач, решаемых на основе системного подхода, относят: определение общей структуры системы; организацию взаимодействия между подсистемами; учет влияния внешней сре­ ды; выбор оптимальной структуры и оптимальных алгоритмов функционирования. Методологию системного подхода рассмотрим на примере гибкой производственной системы (ГПС), предназначенной для обработки определенного типа заготовок и состоящей из мно­ жества элементов и множества связей между ними. Предста­ вление ГПС в виде множества взаимосвязанных элементов, выступающих как единое целое, и является основой системных исследований. Сущность такого подхода состоит в том, что для представления ГПС в виде системы необходимо ее разделить на функционально законченные части и только после этого выявить отношения частей в общей схеме объекта. Характер разделения системы на составные части це только определяет элементы, связи и структуру системы, но и позволяет выявить и изучить основные организационные, конструктивные и тех­ нологические свойства ГПС. Разделение — свойство, характерное для любой сложной си­ стемы, которое отражает одну из сторон ее структуры. Так, все элементы ГПС могут быть отнесены к основным и вспомогатель­ ным ее составным частям. К основным относят станки, конт­ рольно-измерительные машины и т. д., к вспомогательным — промежуточные накопители, устройства транспортирования и др. При этом каждая составная часть системы может быть отдель­ ным элементом или их совокупностью. Характер и допустимый предел разделения сложной системы зависят от типа решаемых 152

задач. Правильное исходное разбиение является важной пред­ посылкой построения исходной математической модели системы (процесса), поскольку нерациональное разбиение системы усло­ жняет ее анализ. Целостность объекта или процесса определяет другую сторо­ ну их структуры и характеризуется связями составных частей на различных уровнях разбиения, а также общими свойствами объекта системы как целого. Для более глубокого понимания свойства целостности следует рассматривать два аспекта: 1) свой­ ства системы не являются суммой свойств ее элементов или частей и 2) свойства системы зависят от свойств элементов и частей, так как изменение в одном элементе вызывает измене­ ния во всех остальных элементах и в целом во всей системе. Образование системы более высокого ранга (уровня) сопрово­ ждается появлением новых закономерностей, отражающих ее существо, критерии, цели, новые задачи и функции. Однако зако­ номерности, действующие в системе более низкого ранга, продо­ лжают функционировать в каждой составной части системы, но доминирующее значение приобретают новые закономерности, отражающие связи внутри вновь образованной системы. С учетом этих соображений ГПС можно представить как адаптивно-взаимосвязанную систему производства, содержащую множество активных автоматизированных элементов (станки с ЧПУ, устройства транспортирования материальных, энерге­ тических и информационных потоков), множество связей между ними, предназначенных для автоматического изготовления де­ талей. Станочная система является активным элементом и исполни­ телем автоматизированного производства, т. е. частной систе­ мой, обеспечивающей изготовление деталей с заданными параме­ трами в последовательности, определяемой производственной системой более высокого ранга, с которой связаны граничные элементы станочной системы. Особенность взаимодействия ста­ ночной системы с системой более высокого ранга, внутри кото­ рой она функционирует, определяется векторами входов и выхо­ дов, которые в целенаправленной системе формируют ее опреде­ ленные состояния. Зависимости между параметрами в сложной системе являют­ ся разнообразными и сложными, в результате чего построение единой модели оказывается затруднительным. Поэтому для мо­ делирования сложных систем используют принцип многоуров­ невого (иерархического) описания, которое предполагает внедре­ ние различных формальных языков описания, каждый из кото­ рых отражает функционирование системы в соответствии с поня­ тиями и отношениями, принятыми на том или ином уровне иерархии. Чтобы получить такое математическое описание, необ­ ходимо выбрать параметры, позволяющие описывать функци153

онирование системы: во-первых, как элемента более широкой системы; во-вторых, как целостное явление; в-третьих, как слож­ ную систему, структуру которой необходимо представить с до­ статочной для данного уровня детализацией. Многоуровневое описание системы характеризуется рядом общих свойств. 1. Выбор уровня описания системы, в терминах которого она описывается, в основном зависит от цели исследования. Для многих систем выбор уровня описания является естественным и определяется ее назначением. Выделение нескольких уровней для исследуемой системы позволяет вести параллельное построение моделей на каждом уровне описания различными специалистами. 2. В общем случае описание функционирования системы на различных уровнях не связаны между собой, поэтому принципы и законы, используемые для описания системы на любом уровне, не могут быть формально выделены из принципов, используемых на других уровнях. 3. Требования, предъявляемые к работе системы на верхнем уровне, выступают как условия или ограничения для нижеследу­ ющих уровней. 4. На каждом уровне имеется собственный набор принципов, составляющих язык описания системы. 5. Понимание системы возрастает при последовательном пе­ реходе от одного уровня к другому. Чем ниже производится спуск по иерархическим уровням, тем более детально раскрыва­ ется система, чем вьппе поднимается, тем яснее становится смысл и назначение всей системы. ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ 1. 2. 3. 4.

ФизичесЕЕЙ смысл понятий системы, структуры систшсы и связи. Основные свойства и особенности сложных систем. Сущность системного подхода к моделированию. Представление ГПС в виде сложной системы.

Глава 6

О б щ и е ВОПрОСЫ

моделирования производственных систем § 1. Сущность моделирования Свойства любой системы проявляются в процессе ее функционирования. Для определения этих свойств следует подать на входы системы возмущающие воздействия и проанали­ зировать сигналы на выходе. Однако почти всегда проведение таких экспериментов с реальной системой экономически невыгод154

но, а с проектируемой — невозможно. Поэтому эксперименты для изучения свойств системы проводят не с реальными система­ ми, а с их моделями. Модель — это некоторая другая система, сохраняющая сушественные свойства оригинала и допускающая исследование физи­ ческими или математическими методами. Моделирование — это процесс проведения экспериментов на модели вместо прямых экспериментов на самой системе. Моде­ лирование широко используется, так как значительно облегчает научные исследования и часто оказывается единственным сред­ ством познания сложных систем. Чертеж детали, макет самолета, система уравнений, описываюищх технологический процесс или движение кинематического механизма,— все это модели объектов проектирования, изготов­ ления и управления. Основой моделирования является теория подобия, которая утверждает, что абсолютное подобие моделируемого объекта, процесса и модели может иметь место лишь при замене изуча­ емого объекта точно таким же. Модель должна отображать сущность исследуемого процесса, соответствовать цели конкрет­ ной задачи исследования, давать необходимые данные для вычис­ ления целевой функции и не содержать второстепенных связей. Модель, являясь абстракцией определенного варианта системы, дает возможность многократного проведения опытов для позна­ ния сущности процесса и получения удовлетворительных резуль­ татов решения. Изменяя характеристики системы, можно по­ знать ее поведение при этих характеристиках и анализировать влияние различных факторов: наблюдать будущие ситуации в ви­ де, не искаженном влиянием внешней среды, проводить обобще­ ние и оценивать новые идеи по совершенствованию организации исследуемого процесса. Модель — это не только внешнее сходство. Главное — пове­ дение модели и реального объекта должны подчиняться оди­ наковым закономерностям. Изучив их на доступной для исследо­ вания модели, можно предсказать свойства проектируемого объекта или процесса. Описание системы можно представить в виде множества различных моделей, в каждой из которых получает выражение какой-то аспект системы, некоторая концепция отображения ее свойств, состояния и поведения. Различают структурную модель системы; информационную модель с делением на фу­ нкции, задачи и процедуры; сетевую модель; модель докуме­ нтооборота, оперирующую с носителями информации; модели грузопотоков и др. При создании ГПС структурная модель обычно рассматрива­ ется на уровнях организации, функций управления и технических 155

средств. В связи с этим вводятся понятия организационной, функциональной и технической структуры. При анализе организационной структуры ГПС как объекта управления решаются задачи: описания состава ГПС и постро­ ения ее структурной схемы; определения функций подсистем и раскрытия их структурной схемы; описания материальных и ин­ формационных связей; построения обобщенной структурной ин­ формационной модели ГПС. При анализе функциональной структуры изучают функции управления в структурных подсистемах ГПС; выбирают состав автоматизируемых функций и их взаимосвязи; составляют обо­ бщенную функциональную структуру задач управления ГПС. При анализе технической структуры определяют основные элементы, участвующие в основных информационных процессах (подготовке, сборе, передаче, хранении и воспроизведении инфор­ мации); составляют формальную структурную модель системы технических средств с учетом топологии расположения элементов системы, информационного и энергетического взаимодействия их между собой и с внешней средой. Независимо от уровня рассмотрения модели системы общая задача структурного анализа позволяет получить, исходя из за­ данного описания элементов системы и связей между ними, заключение о структурных свойствах системы и ее подсистемах. Таким образом, модель — это представление системы с точки зрения принятой концепции о ней. Отсюда можно сделать заклю­ чение: традиционное деление ГПС на подсистемы, функции, до­ кументы, работы не следует рассматривать как неизменное, по­ скольку оно будет уточняться по мере углубления знаний о дейст­ вующих закономерностях. § 2. Классификация моделей По способу построения все множество моделей можно разделить на физические и абстрактные. Физическая (натурная) модель — это установка или устрой­ ство, позволяющее проводить исследование изучаемого процесса путем его замены подобным ему процессом с сохранением основ­ ных законов. Физические модели используют тогда, когда из-за сложности системы или недостаточной априорной информации не удается построить адекватную модель и когда даже с помо­ щью моделирования на абстрактной модели получение удовлет­ ворительных результатов встречает непреодолимые трудности. При физическом моделировании задаются характеристики внешней среды и исследуется поведение либо реального объекта, либо его модели при заданных или создаваемых искусственно воздействиях внешней среды. Физическое моделирование может 156

протекать в реальном или нереальном масштабе времени, а так­ же может рассматриваться без его учета. В организации производства физические модели (макетирова­ ние) используют в виде макетов заводов, цехов и производствен­ ных участков с различными способами расположения на них рабочих мест, транспортных средств, коммуникаций и т. д. Не­ смотря на универсальность метода физического моделирования, постановка натурного физического эксперимента с современны­ ми сложныкш системами иногда бывает чрезвычайно затруднена, а порой и невозможна (например, причина и следствие разнесены во времени и пространстве). Избежать дорогостоящих натурных экспериментов и сокра­ тить время на проверку гипотез позволяет использование абсграктных моделей, в которых описание объектов и процессов осуществляется на каком-то языке. В качестве языков моде­ лирования могут использоваться, например, естественный язык, язык чертежей, схем, математический язык и др. Описание объекта или процесса, выполненное на математи­ ческом языке, называют математической моделью. В простейших случаях для этого используют известные аналогии между меха­ ническими, электрическими и другими явлениями. Математичес­ кие модели отличаются тем, что средством описания моделей л изучения их поведения является формальный аппарат матема­ тики. Отсюда следует важное преимущество — широкая возмож­ ность KOjm4ecTBeHHoro аналюа моделей с помощью математи­ ческих методов. Другое важное преимущество математических моделей — универсальность языка математики, возможность ис­ пользовать одни и те же модели для исследования физически различных систем. Так, уравнения движения материальной точки в поле тяготения представляют собой модель чрезвычайно широ­ кого класса реальных явлений. Эта модель описывает как движе­ ние планет солнечной системы, так и полет ракеты. Еще одно полезное свойство — возможность получать результаты, относя­ щиеся не к отдельной конкретной реализации, соответствующей определенным начальным данным и фиксированным значениям параметров исследуемой системы, а сразу к целому множеству возможных вариантов поведения системы. По форме описания абстрактные модели делят на аналитичес­ кие и имитационные. По степени отражения влияния на модели внешних воздействий — на детерминированные и вероятностные (стохастические). Аналитические математические модели — модели, в которых связи между объектами характеризуются функциями (алгебра­ ическими, дифференциальными, интегральными и др.), позволя­ ющими с помощью соответствующего математического аппара­ та и, как правило, с применением ЭВМ сделать необходимые 157

выводы о системе и ее свойствах, провести оптимизацию ис­ комого результата. Наиболее существенная характеристика ана­ литических моделей заключается в том, что модель не является структурно подобной объекту моделирования. Под структурным подобием понимается однозначное соответствие элементов и свя­ зей модели элементам и связям объекта. Этот метод помогает быстро получить результат, но накладывает ограничения на мо­ дель системы. Иногда применение аналитических моделей затруднительно из-за большой сложности. Для повыщения вычислительной эф­ фективности используют различные способы. Один из них связан с разбиением задачи большой размерности на подзадачи мень­ шей размерности так, чтобы автономные решения подзадач в определенной последовательности дали решение основной за­ дачи. При этом возникают проблемы организации взаимодейст­ вия подзадач, которые не всегда оказываются простыми. Другой прием предаолагает уменьшение точности вычислений, за счет чего удается сократить время решения задачи. Аналитические модели всегда требуют допущений и упроще­ ний. Однако результаты расчета отчетливее отражают присущие исследуемому процессу основные закономерности. При имитационном моделировании для реализации математи­ ческой модели на ЭВМ необходимо построить моделирующий алгоритм, который воспроизводит процесс функционирования системы во времени, причем имитируются элементарные явле­ ния, составляющие процесс, с сохранением их логической струк­ туры и последовательности протекания во времени, что позволя­ ет по исходным данным получить сведения о состояниях процес­ са в определенные моменты времени, дающие возможность оце­ нить характеристики системы. Термины «имитация» и «моделирование» являются почти си­ нонимами. Термин «имитационное моделирование» означает, что имеем дело с такими математическими моделями, с помо­ щью которых результат нельзя заранее вычислить или пред­ сказать, поэтому для предсказания поведения реальной сложной системы необходим эксперимент (имитация) на модели при за­ данных исходных данных. Эксперимент с имитационной моделью заключается в варьи­ ровании входных данных, вносящих изменения в процесс модели­ рования, который выполняет проектировпщк по результатам анализа выходных данных. Это приводит к необходимости вклю­ чения проектировщика в цепь обратной связи между входом и выходом имитационной модели, который управляет ходом машинного эксперимента и выбирает рациональные (с точки зрения задаваемых критериев и ограничений) варианты проек­ тируемой системы (рис. 6.1). 158

Основное преимущество имитационного моделирования по сравнению с аналитическим — возможность решения более сложных задач. Имитахщонные модели позволяют достаточно просто учитывать такие факторы, как наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характери-

Входные переменные i X • • . J, ^^ &5 . ^ •^- • "^ ^ | нмитационт модель ''^ §^^ Ш Ш • • » U/ '*^ ^ Выхооше переменные

СТИКИ элементов системы, МНО-

Рис. 6.1. Схема имитационного мо-

гочисленные случайные воздейделирования ствия и другие, которые часто создают трудности при аналитических исследованиях. Имитаци­ онное моделирование — эффективный метод исследования слож­ ных систем, а часто и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы, особенно на этапе ее проектирования. Метод имитационного моделирования позволяет решать за­ дачи анализа больших систем, включая задачи оценки вариантов структуры системы, эффективности алгоритмов управления и влияния изменения параметров системы. Имитационное моде­ лирование может быть положено в основу структурного, ал­ горитмического и параметрического синтеза сложных систем, когда требуется создать систему с заданными характеристиками при определенных ограничениях, которая является оптимальной по критериям оценки эффективности. Реализация имитационных моделей возможна с использова­ нием универсальных языков программирования (ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ и др.), специализированных языков моделирования (S1MSCRIPT, GPSS, SIMULA и др.), а также систем имитацион­ ного моделирования (СИМФОР, СИМПЛ, СЛЭНГ, НЕДИС и др.). Для моделирования могут использоваться универсальные ЭВМ типов ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ и персональные ЭВМ. ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ 1. 2 3. 4.

Сущность понятий «модель» и «моделирование». Особенности физического и математического моделирования. Ограничения аналитических моделей. Особенности и преимущества имитационных моделей.

Глава 7

ГПС как объект моделирования § 1. Структура ГПС

ГПС представляет собой систему с комплексно автоматизированным производственным процессом, работа всех компонентов которой (технологического оборудования, транс­ портных средств, средств контроля и инструментообеспечения и др.) координируется как единое целое системой управления, обеспечивающей быстрое изменение программ функционирова­ ния технических средств системы при смене объекта производст­ ва (рис. 7.1). Технологическая система представляет собой совокупность взаимосвязанных технологических машин (станков с ЧПУ, робо­ тов, манипуляторов и др.), осуществляющих формообразование деталей в автоматическом режиме. Транспортная система состоит из транспортных и накопи­ тельных устройств, осуществляющих межоперационное хранение и доставку заготовок, приспособлений, готовых деталей к ос­ новному технологическому оборудованию и автоматическому складу. Складская система служит для хранения нормативного запаса заготовок, приспособлений и инструмента выдачи их в производ­ ство, накопления и хранения готовых деталей. Система инструментообеспечения осуществляет оперативную подготовку и хранение инструментальных наладок и приспособ­ лений, а также его контроль, учет и доставку инструмента и осна­ стки к основному технологическому оборудованию. Система контроля осуществляет: контроль технических средств ГТ1С и деталей; диа­ гностику работоспособно­ Систепа управления сти автоматического обору­ \ * дования, входящего в состав Систепа технологической, транс­ ГС контроля портной, складской систем и системы инструментообе­ Систепа Складская спечения, контроля. инструпентосистепа одеспечсмия Система управления со­ стоит из средств вычисли­ тельной техники в виде упра­ Тратпартмая cm тепа вляющего вычислительного комплекса со средствами Рис. 7.1. Обобщенная схема ГПСпрограммного обеспечения -* — информационные потоки; и осуи1ествляет: разработку 0. Деталь принимается на обслу­ Мет живание. В алгоритме реша­ ются задачи: принимается на блок Да обслуживание очередная де­ ПЕРЕДАЧА таль из входного накопителя; 7-й агрегат переводится в ре­ жим занятости; определяется значение /обе (блок ОБСЛУ­ ЖИВАНИЕ). блок Влек ОбСЛУЖИВАНИЕ ПРОСТОЙ Условие 4: /" = 0 и Е=0. При этом j-vL агрегат перево­ дится в режим простоя (блок Нет ПРОСТОЙ). Условие 5: 1'=0иЕ^Е+1 соответствует переполнению блок входного накопителя. Предна­ ОТКАЗ значенный для этого условия блок ОТКАЗ уменьшает зна­ К блоку ВРЕМЯ чение Е на единицу и обеспе­ чивает передачу детали для Рис. 10.2. Схема алгоритма А Г Р Е ­ дальнейшего обслуживания на ГАТ: другие агрегаты. Передача де­ ( — время до момеята прихода i-й детали; талей с одного агрегата на I" — время до конца обслуживания 1-й дета­ другой, учет особенностей ли; ind — индикатор занятости агрегата; структуры ГПС, алгоритмов 7 — агрегат занят, О — агрегат свободен, S — очередь деталей на обслуживание, управления и дисциплин об­ Е* — емкость накопителя служивания, регистрация вы­ ходных параметров модели осушествляются за счет включения в каждый блок алгоритма специальных открытых процедур, ко­ торые вьшолняются после вьшолнения основных процедур в бло­ ках ПРИЕМ, ОБСЛУЖИВАНИЕ, ПРОСТОЙ, ПЕРЕДАЧА и ОТКАЗ.

182

§ 3. Построение имитационной модели производственного процесса в ГПС Для моделирования производственного процесса в ГПС необходимо объединить все агрегаты и описать структуру связей между ними, носящую переменный характер во времени. При обработке i-й детали в ГПС ^-й агрегат обеспечивает выполнение своего набора операхщй, реализуя определенную фу­ нкцию jf^. Обработку множества деталей можно рассматривать как сложную систему, в которой 1-я деталь является производст­ венным процессом Р,. Функционирование процесса Р, в ГПС представляет собой последовательность функций F,j, каждая из которых вьшолняется на определенном временном интервале Uj. В результате выполне­ ния любой функции F,j в системе наступает событие Z,j. Для каждого Р,, введем понятие локального времени t,. В ГПС все /, изменяются одновременно, однако характер этих изменений различен и определяется последовательностью временных ин­ тервалов t,j. При моделировании ГПС функции F,j аппроксимируются упрощенными функциями f,j, причем степень этого упрощения определяет уровень детализации модели. Отличия У1, от F,j порож­ дают погрешности имитации реальной ГПС. В имитационной модели функция F,j представляется парой f,j и t,j. Сначала при неизменном значении t, реализуется f,j, а затем отображается изменение t, на величину t,j, инициируя таким образом появление события Z,j. Рис. 10.3 иллюстрирует фрагмент моделирования функциони­ рования системы, так как по оси ординат нельзя отложить значе­ ние функции F,j. Согласно рис. 10.3 последовательно выполняют­ ся функции F,i, F,2 и F,i, а в системе соответственно происходят события Z,i, Z,2 и Z,3. Причем с появлением каждого нового события Z,j происходят изменения F,j и увеличение его временной координаты /, соответственно на величину /,ь t,2 и t,^. В модели появление событий реализуется ступенчатой линией (О, а, Z,i, b, Z,2, С, Z,3).

В имитационной модели каждая f,j охшсывается алгоритмом A,j. В ходе имитации происходят реализация f,j по соответ­ ствующим алгоритмам A,j и последующее изменение t, на ве­ личину t,j. При реализации имитационной модели используются три представления времени: ?, — реальное время системы, работа которой имитируется на модели; /о — модельное время, по кото183

рому организуется синхрони­ зация событий в системе; /„ — машинное время имита­ г„ ции — затраты времени ЭВМ i на проведение имитации. 1,2 Существуют два способа a организации моделирования во времени. Один из них — /fn моделирование с фиксирован­ 0 ным временным шагом — тра­ h f,i ~^ ^ . '" ., диционный способ примените­ льно к непрерывным динами­ Рис. 10.3. Функции 1-го процесса в ческим системам. Однако его имитационной модели использование при моделиро­ вании дискретных систем малоэффективно. Для моделирования дискретных систем распространен способ «от события к событию», в котором время изменяется только тогда, когда в системе происходит событие, требующее его учета (начало обслуживания, приход транспортного средства и др.). Такой подход позволяет экономно расходовать машинное время. Выделение событий и переходов из одного состояния в другое производится по ходу моделирования производственного процес­ са. Особенность метода «от событий к событию» состоит в том, что, зная состояние системы в эти моменты времени, легко спрогнозировать состояние системы в следующий момент. Мо­ менты возникновения событий можно рассматривать как собы­ тия, последовательность которых представляет собой динамичес­ кую работу сложной системы. Предлагаемый метод построения модели рассмотрим на при­ мере у-го агрегата, имеющего входной и выходной накопители (рис. 10.4, а). В 7-м агрегате f-я деталь обслуживается случайное время Гоб« которое не зависит от поступления других деталей. Предположим, что г-я деталь поступает нау-й агрегат в случай­ ный момент времени U и последовательность интервалов между поступлением деталей /п='у—^-l состоит из независимых вели­ чин. Детали обслуживаются в порядке поступления, т. е. ожида­ ющие начала обслуживания образуют очередь во входном нако­ пителе. Работу j-xo агрегата можно описать следующим линейным процессом: f,

f

z{i)={E4i),V{i),t"{t\E"{t% где Е'{() — число деталей во входном накопителе в момент t\ t' (t) — время до поступления очередной детали во входной нако­ питель; t" (t) — время до окончания обслуживания детали, нахо184

дящейся в момент t на j-M агрегате; E"(t) — число деталей в выходном накопителе в момент t. На рис. 10.4, б изображена динамика производственного про­ цесса, причем t'(t)H t"(t) убывают с одинаковой скоростью. Для воспроизведения работы j-ro агрегата в течение отрезка времени Г достаточно знать значения процесса функционирования только в моменты tu h, ..., /v, ••• • Моделирующий алгоритм должен реализовать пересчет состояния j-ro агрегата от одного события к другому: /v+1 = /,+A/v, где Af,=min {t' {Q, t" (/,)}. Для отражения функционирования проектируемой системы во времени в модель введен блок ВРЕМЯ, который также вьшолняЗаеатовки

Входной накопи­ тель

DD-D

—

агрегат

—

Выходной накопи­ тель

ьь-ь

о)

Рис 10.4. Модель функционирования j-ro агрегата с накопителями (а) и диаграм­ ма его работы (б) 185

ет функцию индикации поступления деталей на свободный аг­ регат, т. е. обнуление значения t" ъ момент времени ty, если переменная ind/=0. Процедуры, выполняемые блоком ВРЕМЯ: 1) определяет A/v=min{/'(/,), /"(О}; 2) уменьшает t'{ty) и /"(/,) на А/,; 3) если mdj=0, TOf"0vj=0. Объединяя выполнение алгоритма АГРЕГАТ и блока ВРЕМЯ в цикле, получим имитационную модель одноканальной одно­ фазной СМО. Выполнение принципа единства времени, положен­ ного в основу построения имитационной модели производствен­ ного процесса в ГПС, приводит к необходимости одновремен­ ного перемещения всех агрегатов по временным осям на ве­ личину А^, определяемую из выражения ^ty=m\n{t'J(ty), /;+*(0}, где;е1, 2, ..., п. . ^ С ^°^°^° ) f ввод исходных данных

I "1 т ; =/ [

'

и

Алюритп АГРЕГАТ

I ;=у*г Нет

Нет

( Конец Л Рис. 10.5. Схема имита­ ционной модели ГПС 186

'

Так как моделирование осуществляется по событийному принципу, т. е. фиксируются моменты времени перехода ГПС из одного состояния в другое, то модель всех блоков реальной системы может быть построена на основе единого универсального модуля. Тогда, организуя циклический просмотр от первого агрегата к последнему (рис. 10.5), при возникновении событий в лю­ бом агрегате данный алгоритм позволяет вьшолнить все операции, связанные с ответной реакцией алгоритма: спрог­ нозировать время предполагаемого со­ бытия (поступление детали на у-й агре­ гат, начало или окончание обслужива­ ния и др.). Следовательно, для выполне­ ния принципа единства времени необхо­ димо иметь блок ВРЕМЯ не в каждом агрегате, а один для всей модели. Алгоритм АГРЕГАТ и блок ВРЕМЯ выполняются циклически по индексу j , причем при однократном исполнении программы в модели происходит изме­ нение модельного времени на А/», а при многократном — на ^ Аг, где п — число циклов, выполняемых программой. Для ограничения числа выполняе­ мых циклов введена переменная вели-

чина PR, изменяющая свое значение по какому-либо правилу при моделировании. Если ввести заранее известное значение этого параметра PRM, то условие РЛ = РЛ/1/или PR^PRM может быть выбрано в качестве условия, ограничивающего число щослов выполнения программ модели. В качестве параметров, осуществляющих выполнение про­ грамм имитационной модели, могут выступать следующие. 1. Время эксперимента, по истечению которого модель закан­ чивает работу. Функционирование имитационной модели в мо­ дельном времени достигается путем уменьщения содержимого всех ячеек памяти, содержащих временные параметры t^ и /оби на величину Af, равную шагу функционирования модели. Поэтому в качестве модельного времени следует принять время 7^=^ А/. л

Тогда условие окончания эксперимента ^ А/> Т^, где Т^ — заR

данное значение времени функционирования модели. Таким об­ разом, время моделирования будет возрастать, но его увеличение будет происходить не равными частями, а в зависимости от наступления событий. 2. Число деталей в партии и количество партий деталей, после обслуживания которых происходит останов программы. Оконча­ ние работы программы можно осуществить при выполнении какого-либо другого условия, назначаемого исследователем. Так как модели необходимы для получения рекомендаций при проек­ тировании сложных систем, следовательно, имитационная мо­ дель должна иметь возможность определять значения любых характеристик, интересующих проектировщика. Все параметры, регистрируемые при работе модели, можно представить тремя группами. 1. Параметры интегрального типа — регистрируются накоп­ ленные значения какого-либо параметра за период функциониро­ вания модели (число деталей, поступивших на вход системы и станков, количество обработанных деталей и др.). 2. Параметры временного типа — временные параметры между моментами наступления двух последовательных событий в системе (время простоя станка, время отказа и др.). 3. Параметры, описывающие состояние системы в момент регистрации (число деталей в накопителе, число занятых об­ работкой станков и др.). При рассмотрении ГПС как сложной стохастической системы большинство входных параметров (отказы оборудования, посту­ пление деталей в обработку, количество деталей в партии) пред187

ставляют собой случайные величины. Для определения харак­ теристик входных параметров, имеющих случайный характер, на основе статистических данных определяют математическое ожи­ дание, дисперсию и закон распределения с помощью пакетов прикладных программ обработки статистической информации. Вычисление математического ожидания и дисперсии выход­ ных параметров, являющихся случайными (время ожидания z-й детали в накопителе, характеристики очередей на транспортную систему и др.), производится по полученному множеству их значений в результате работы модели одной реализации доста­ точной продолжительности. Для экономии памяти ЭВМ матема­ тическое ожидание и дисперсию вычисляют в ходе моделирова­ ния путем наращивания итогов при появлении очередного изме­ рения случайной характеристики по рекуррентным формулам. Математическое ожидание случайной величины у для и-го изме­ рения;);» п

п

где М„_1 — математическое ожидание, вычисленное по предыду­ щим п—1 измерениям. Дисперсия для п-го измерения: D„=D„_i —+л—1

п

0'„-m,_l)^

где i),_i — дисперсия, вычисленная по предыдущим и— 1 измере­ ниям (начальное значение дисперсии принимается равным нулю). При большом количестве измерений эти оценки являются состоятельными и несмещенными. При имитационном модели­ ровании нестационарного режима функционирования ГПС тре­ буется получить N, реализаций случайных процессов по всем выходным характеристикам. С этой целью необходимо провести N, имитационных экспериментов. Изменение характера сочетаний случайных собьггий в каждом последующем эксперименте достигается заменой начальных зна­ чений генератора случайных чисел, используемого при моделиро­ вании. Это можно реализовать так: при каждом последующем эксперименте в качестве начальных значений датчиков случайных чисел используют последние значения предыдущего эксперимен­ та. Проводится N, имитационных экспериментов. При каждом последующем эксперименте параметры системы и нагрузки устанавливаются на исходные значения и в процессе каждого эксперимента остаются неизменными или изменяются по одним и тем же зависимостям. Генераторы случайных чисел устанавливают в начальное состояние только перед моделирова188

нием и до конца моделирования вырабатывают последователь­ ности случайных чисел. Для обеспечения статистической достове­ рности результатов требуется проведение нескольких сотен экс­ периментов и обработки выходных характеристик. § 4. Модели имитации стохастических входных параметров Чтобы адекватно воспроизвести поведение реаль­ ной т с на ЭВМ, необходимо в имитационной модели рас­ полагать возможностями имитации случайных факторов и воз­ действий, обеспечивать удобные способы моделирования неоп­ ределенности и изменчивости по заданным статистическим хара­ ктеристикам. Важным достоинством предлагаемого подхода для построения имитационной модели является возможность учета стохастичности факторов (начало обработки детали, отказ обо­ рудования и др.). При этом можно пользоваться эмпирическими данными, при использовании которых подразумевается, что мо­ делируется только прошлое системы. В этом случае основная форма распределения вероятностей остается неизменной во вре­ мени. Более предпочтительным является метод статистических испытаний, для реализации которого необходимо знать статисти­ ческие свойства стохастических факторов (например, законы их распределения). Имея эти сведения, можно моделировать стоха­ стический фактор в виде случайного ряда чисел, который as является точной реализацией действительности, но вместе с тем имеет такие же статистические свойства, что и реальный произ­ водственный процесс. Основным принципом моделирования сложных систем, соде­ ржащих стохастические или вероятностные элементы, является разыгрывание выборок по методу Монте Карло. Проводится розыгрыш случайного явления с помощью организованной про­ цедуры, включающей в себя случайность и получающей случай­ ный результат. В действительности конкретная реализация слу­ чайного процесса складывается каждый раз по-иному, также в результате статистического моделирования получаем каждый раз новую, отличную от других реализацию исследуемого про­ цесса. При большом количестве реализаций их можно использовагь как некий иосусственно полученный статистический материал, который может быть обработан обычными методами математичечской статистики. После такой обработки могут быть получе­ ны любые интересуюхцие нас характеристики: вероятности собы­ тий, математические ожидания, дисперсии случайных величин и др. При моделировании случайных процессов методом Монте Карло пользуются самой случайностью как аппаратом исследо­ вания. 189

Этот метод позволяет получать данные предшествующего опыта искусственным путем за счет использования генератора случайных чисел в сочетании с интегральной функцией распреде­ ления вероятностей для исследуемой или проектируемой систе­ мы. Таким генератором может быть таблица, программа ЭВМ или какой-либо другой источник равномерно распределенных случайных чисел. Подлежащее разыгрыванию распределение ве­ роятностей может быть основано на результатах экспериментов, либо может представлять собой известное теоретическое рас­ пределение. Случайные числа используют для получения дискрет­ ного ряда случайных переменных, имитирующего результаты, которые можно было бы ожидать в соответствии с разыгрыва­ емым вероятностным распределением. Разработанная имитационная модель, просчитываемая на ЭВМ, должна иметь возможность: получать равномерно рас­ пределенные случайные числа и использовать их для генерации случайных величин с требуемыми характеристиками. Применение в имитационных моделях метода Монте Карло с теоретическими распределениями вместо эмпирических данных позволяет: получать обобщенные характеристики, а не харак­ теристики, соответствующие только прошлому или настоящему при использовании эмпирических данных; иметь лучшие резуль­ таты с точки зрения затрат машинного времени и требуемого объема памяти ЭВМ; проще изменять параметры генератора случайных чисел при проверке чувствительности или проигрыва­ ния различных возможных вариантов. В ЭВМ случайные числа получаются с помощью рекуррент­ ных математических методов, называемых псевдослучайными числами, которые так называются потому, что, пройдя все стати­ стические тесты на случайность и раномерность распределения, они остаются полностью детерминированными. Это означает, что если каждый цикл работы генератора начинается одними и теми же исходными данными (константами и начальными значениями), то на выходе получаем одинаковые последователь­ ности чисел. § 5. Пример имитационной модели функционирования ГПС механической обработки При проектировании ГПС важной задачей явля­ ются определения потребности в технологическом и вспомога­ тельном оборудовании, обоснования структуры проектируемой системы исходя из конкретных производственных условий. По­ ставленная задача чаще всего решается традиционными метода­ ми технологического проектирования, которые сводятся к рас­ чету числа работающих и количества оборудования по трудоем190

кости (станкоемкости) работ. Такой подход представляется упро­ щенным вследствие высокой цены, которую приходится платить за ошибки при проектировании ГПС. Рассмотрим применение имитационной модели для проекти­ рования эффективной структуры ГПС на примере ГПМ для обработки тел вращения. Номенклатура деталей, подлежащих обработке на проектируемой ГПС, состоит ю 30 наименований, программа выпуска 32000 шт., детали выпускаются партиями 100...120 шт. В состав ГПС входят робототехнические комплексы (РТК) на базе станков 1720ПФ30, КТ141П и Ш756ДФЗ, а также Q Начало^ • /

(

Блок ВВОД

1

Блок ПЛАИИРОВАИИЕ-1

Подпрограииа ПланЧ

'< Блок плАиировлнт-г

Повпршаииа

Подпрограмма План!

« Блок ОТКАЗЫ

ПаЗпрограмма Отказ

i Блок ШЕНА

« •

Подпрограмма Смена

\ По8праграмиа Авария

Подпрограмма Агрегат

Блок ЛГРЕГАТ

•

М

БЛОК ВРЕМЯ

Нет

•

Подпрограмма /таиск

-CjjoffaH

\' 6АОН

время

/

SAOK ВЫВОД

I

f

t Q

Konett)

Рис. 10.6. Схема модели 191

оборудование, необходимое для доделочных операций: вертика­ льно-фрезерный станок ГФ2171 для обработки отверстий во фланцах, фрезерования шпоночных пазов, уступов и др.; токар­ ный станок 16К20ПФ1 для тонкого обтачивания шеек валов; автоматизированный моечный автомат. Детали хранятся на ав­ томатизированном складе. На РТК и рабочие места детали до­ ставляются напольной тележкой-роботом. РТК и рабочие места оборудованы накопителями. Решение данной задачи осложняется тем, что принятие про­ ектных решений осуществляется в условиях неопределенности, которая является следствием наличия в системе большого коли­ чества неоднозначно действующих факторов (разнообразие тех­ нологических маршрутов и очередность поступления деталей на обработку и др.). Рассмотрим имитационную модель функционирования ГПС, ориентированную на поставленную проектную задачу (рис. 10.6). Блок ВВОД предназначен для ввода информации и приведения модели в исходное состояние. Блок ПЛАНИРОВАНИЕ-1 (см. рис. 10.7, а) выполняет две функции. 1. Определение очередности запуска заготовок на обработку, которая формируется из номенклатуры деталей, подлежащих обработке в ГПС случайным образом. Такое решение связано с тем, что, во-первых, на стадии проектирования невозможно установить очередность запуска заготовок на обработку, во-вто­ рых, использование генератора случайных чисел позволяет ме­ нять очередность запуска и проигрывать на модели множество вариантов. 2. Реализация поступления заготовок на обработку по кален­ дарным срокам для случая имитации функционирования ГПС в течение длительного срока (например, месяца, квартала, года). В исходных данных устанавливаются процентные соотноше­ ния, показывающие, как объем работ распределяется по квар­ талам, месяцам и декадам. В соответствии с этим заданием модель после определения очередности запуска вводит опреде­ ленные временные ограничения на поступление заготовок на обработку. Блок ПЛАНИРОВАНИЕ-2 (рис. 10.7, б) реализует определен­ ную в блоке ПЛАНИРОВАНИЕ-1 очередность запуска загото­ вок на обработку и по мере выполнения операций организует передачу деталей с агрегата на агрегат согласно маршруту об­ работки. Блок ОТКАЗЫ реализует в модели отказы технологического и вспомогательного оборудования. Вероятностный характер от­ казов воспроизводится с помощью генератора случайных чисел. Блок СМЕНА организует в модели имитацию работы ГПС в одно-, двух- или трехсменном режиме. 192

с

Начало J

Г"^ / Определить стаикоемкаоть обработки всех деталей 2 Рассчитать плановые задания па кварталам, месяцам и депадам

Из Лвменклатур/юго списка генерировать Слу­ чайным odpaion 7-ю деталь

Снять деталь с обслужи­ вания на J-м агрегате и поставить в очередь на вбслу/кивание (внутреннюю очередь) На

1. Поставить 1-ю деталь в очередь на поступление т ofpaSomKy (внешнюю очередь) 2 Определить врепя по­ ступления 1-й детали на обработку, удовлет­ воряющее плановым заданиям

j-й

^/Ъгрегат мотет ^ Jbimb передана деталь^ J/3 внутренней ^ереди?

Да

ntaj-u" _, ''агрегат помет'' выть передани деталь" из внешней J4epedul

Да

\Иет Передать деталь из очереди на обслуживание на j~u агрееат

Перевести J — й агрегат в режим простоя

1 Нет С

fCOHCIf

а)

J

У=;>Г

I)

С '""'"' )

Рис. 10.7. Алгоритм функционирования блока ПЛАНИРОВАНИЕ-1 (а) и блока ПЛАНИРОБАНИЕ-2 (б): J — порядковый номер агрегата; Л' — число агрегатов

Блок АГРЕГАТ (рис. 10.8) включает в свой состав ажоритмы функционирования агрегатов ГПС, которые в совокупности опи­ сывают структуру и логику функционирования системы. Блок ВРЕМЯ определяет величину временного отрезка, кото­ рый отделяет рассматриваемое событие от ближайшего будуще­ го и совместно с блоком ВРЕМЯ осуществляет перемещение 193

модели по временной оси на величину этого отрезка, т. е. в точку, соответствующую наступлению очередного со­ бытия. Одновременно блок ВРЕМЯ осуществляет реги­ страцию выходных параме­ Htm тров функционирования аг­ регатов. От блока ВРЕМЯ управление в модели пере­ Режим спеииого простоя дается блоку ПЛАНИРО­ ВАНИЕ-!, с которого начи­ нается каждый новый цикл работы модели. Условием окончания мо­ Режип отказа делирования по желанию \ пользователя может быть выбрано: заданное время функционирования ГПС; за­ вершение обработки задан­ Режип нападки ной номенклатуры; задан­ 1 ное число циклов и др. При /fern вьшолнении условия окон­ чания работы модели упра­ вление передается блоку Рабочий режип ВЫВОД, в котором рассчи­ тываются выходные пара­ Алгоритм райоты метры модели. j-ta агрегата Входными параметрами 1 модели являются: 1) номен­ клатура и программа вы­ пуска деталей, размеры j'j*1 и повторяемость партий за­ пуска; 2) технологические процессы изготовления де­ талей, затраты времени на Рис. 10.8. Алгоритм АГРЕГАТ обработку и наладку обору­ дования по операциям; 3) состав оборудования (качественный — определяется в соответст­ вии с вьшолняемыми в ГПС технологическими операциями, ко­ личественный — назначается пользователем и может меняться по ходу моделирования); 4) технические характеристики транспорт­ ной системы и транспортной партии; 5) надежность оборудова­ ния — для каждого агрегата в исходных данных задается средняя наработка на отказ и средняя продолжительность восстановле­ ния работоспособности; 6) сменный режим — число рабочих смен, их продолжительность и ограничения на проведение опре194

деленных видов работ (например, проведение наладочных работ только первой или второй сменой); 7) сведения о распределении загрузки ГПС по календарным срокам; 8) организационная стру­ ктура и алгоритм функционирования ГТ1С, формальное описание которых содержится в подпрограммах блока АГРЕГАТ. При изменении структуры или алгоритма функционирования достато­ чно изменить или разработать новые подпрограммы Агрегат, Авария и Поиск. Выходные параметры модели позволяют судить о степени соответствия спроектированной ГПС ее служебному назначению и оценить эффективность использования отдельных единиц и групп однотипного оборудования. Оценка проводится сопоставлением заданных и фактически вьшолненных к требуемому сроку объемов работ по всем груп­ пам оборудования. Для каждого агрегата ГПС формируется баланс затрат времени в виде: времени работы станка по про­ грамме; времени, затрачиваемого на загрузку детали; времени на наладку и др. ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ 1. Основные принципы построения имитационной модели 1фОизводственш>го процесса в ГПС. 2. Алгоритм АГРБГАТ как модель описания технических средств ГПС. 3. Основные логические условия алгоритма АГРЕГАТ и их физический смысл. 4. Способы организации процесса моделирования функционирования слож­ ной системы во времени. 5. Функции, выполняемые блоком ВРЕМЯ в имитационной модели. 6. Модели описания входных параметров, имеющих вероятностный хара­ ктер. 7. Возможности регистрации выходных параметров имитационной моделью, используемых при проектировании.

Раздел

ш

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ

Анализ и синтез ГПС

Глава 11

§ 1. Основы проекгарования ГПС Проектирование ГПС включает следующие этапы. 1. Формулировка назначения и требований к ГПС, фор­ мализация этих требований и выбор критериев для оценки пока­ зателей качества проекта. Перечень показателей качества проекта ГПС включает, как правило, затраты на изготовление заданной программы выпуска изделий, коэффициент загрузки оборудова­ ния, мощность материальных потоков, длительность производ­ ственного цикла изготовления и др. 2. Декомпозиция ГПС на подсистемы. Определение назначе­ ния каждой подсистемы исходя из функций ГПС. Формализация требований к подсистемам. Выявление межструктур­ ных связей подсистем. Ка­ ждую подсистему разбива­ ют на отдельные производ­ ственные структурные под­ разделения, которые также разделяют на ряд модулей — '^-т-^: ^^т и агрегатов. ¥ 1 V k-V \ 3. Алгоритмический N, r^ 2^^ и параметрический этап проектирования начинают i 1 1 Si с построения математичес­ П.. 6 j \ V ких моделей подсистем. t ^ "Г ^ / i tr 1 1u— Производят формирование материальных, информа­ > 4 5^ ционных и энергетических 1 потоков подсистем. Рис. 11.1. Основной элемент ГПС: 4. Решение задач синте^ , _ , за подсистем на базе ана-

f-

г

тirf" -^

t — токарный спшок; 2 — ограждение; 5—тагговый стол 4 ^ ; ^ - ПР; 5 - устройтю управленияПР; в —устройство ЧПУ 196

>тт ЛИТИЧССКИХ МОДСЛеИ. На ЭТОМ ЭТаПв СОЗДаЮТ Мате-

магическую модель производственного процесса с материаль­ ными, информационными и энергетическими потоками. 5. Проводят компоновку и планировку элементов ГПС. Эту задачу решают путем построения размерных связей между элеме­ нтами ГПС и окончательного формирования материальных, ин­ формационных и энергетических потоков. Основным элементом производственного процесса является рабочее место (позиция). В зависимости от содержания операции и организации ее на рабочем месте располагают: технологическое оборудование (рис. 11.1), одного рабочего или группу рабочих, ПР, манипуляторы, накопители, режущий и контрольно-измери­ тельный инструмент, оснастку и др. Рабочие места объединяют в производственные подразделения, где осуществляют часть про­ изводственного процесса по изготовлению изделия или по об­ служиванию технологических процессов. § 2. Критернн оценки и последовательность выполнения проектных решении ГПС Возрастаюпще требования к качеству проектиро­ вания ГПС требуют совершенствования методологии проектиро­ вания и использования систем автоматического проектирования (САПР). При создании САПР закладываются непрерывные ите­ рационные процессы выполнения проектных операций в последо­ вательности, определяемой выбранной методологией проектиро­ вания ГПС. Процесс проектирования ГПС чаще всего итерацион­ ный, в ходе которого генерируются несколько вариантов как отдельных этапов проектирования, так и всей системы. Из сфор­ мулированной в общем виде задачи проектирования ГПС следу­ ет, что глобальным критерием выбора оптимального варианта должен быть показатель приведенных затрат на изготовление изделий. Вследствие сложности определения данного показателя используют интегральные критерии. Например при выполнении компоновочного проектирования может быть использован интегральный критерий Критерий мощности грузопотока, тм/год: 1=1

flty=l

где q, — масса изделий i-го наименования, перемещаемых в уста­ новленный промежуток времени, т; 1^ — расстояние между а-м 197

и у-м рабочим местом, м; со — число операщй 1фи изготовлении i-ro изделия; п — число наименований изделий, перемещаемых за год. Критерий съема продукции с единицы объема участка (цеха), шт/м': W2=NIV, где N—программа выпуска деталей в цехе, шт.; V — объем цеха, м^. Выбранные показатели оцениваются по их влиянию на приве­ денные затраты. В этом случае многокритериальная функция оценки качества проектного решения

AF=l^k, 1-1

Pij-P'

^r

mm,

где Ftj — значение i-го показателя в j-м варианте решения; Ff — экстремальные значения показателя; и — число показате­ лей оценки качества решения; ki — весовой коэффициент при i-u показателе. Сложность решения многокритериальных задач заключается в определении к„ который отражает влияние каждого из показа­ телей на приведенные затраты в конкретных производственных условиях. Фактический уровень эффективности принятия реше­ ния, как правило, определяется по отношению к нормативным показателям проекта, сумма которых по данному проектному решению принята за 100%. Расчетный уровень качества решений, %:

где Wis, W-iji — нормативные показатели; W^^, Wia — расчетные показатели в проектном решении. Интегральный показатель качества принятого решения опрел

делится по сумме частных показателей: Wk,= ^ W,k,. Данная система показателей позволяет создавать сквозные и непрерывные САПР, в которых будут заложены математичес­ кие модели интегральных и частных критериев, а также принятые ограничения. В этом случае будет обеспечен выбор оптимального варианта решения на всех стадиях проектирования. Последовательность проектирования ГПС. На первом этапе разрабатывают структурную модель, используя принципы де­ композиции сложных систем, в которой отражают состав и вза­ имосвязь элементов ГПС. Одновременно разрабатывают функ198

Рис.

11.2. Последовательность ХИскадные 1 * Основная ' \ВспопогательиыГ\ проектирования ГПС: донные

1 — 1фограмма выпуска; 2 — размеры, масса и матфвал иэдеп^; 3 — параме­ тры качества издемй; 4 — трудоем­ кость операций; 5 — пшаж освовного оборудования, 6 — режим работы про­ изводства; 7 — расчет количества ос­ вовного оборудования; 8 — выбор при­ нципа построения ТС, 9 — выбор со­ става производственных участков; 10 — опредепенве количества основного оборудования на участке; 11 — расчет производственной площади; 12 — раз­ работка требований к условиям работы участка; 13 — составление чаданий на нестандартное оборудование; 14 — ко­ мпоновка щюизводственных учасхов; 15 — планировка основного оборудо­ вания; 16 — проепврованве складской системы; 17 — цроектирование транс­ портной овстемы; 18 — проектирова­ ние системы инсгруменгообеспечения; 19 — проектирование системы ремонт­ ного и технического обслуживания; 20 — проектироание системы контроля качества изделий; 21 — проектирование системы охраны труда; 22 — проекти­ рование (зстемы подготовки и управ­ ления производством; 23 — определе­ ние площади цеха; 24 — компоновхв цеха, 25 — уточнение плавировки обо­ рудования; 26 — определение количест­ ва работающих; 27 — расчет техни­ ко-экономических показателей проекта; 28 — выбор оптимального варианта щюекта

-т

1

г

-

п 18 19

ш п

1 го

12

г/

и

22

I

/'>

Синтез \ ГПС

15

I

I

2i 24 25

26 27

циональные модели, отоб­ ражающие свойства элеме­ гв нтов ГПС, необходимые LZдля выполнения ими своего назначения. На следующем этапе переходят к постро­ ению алгоритмических моделей, которые отражают последовате­ льность взаимодействия элементов при работе ГПС. Затем сле­ дует параметрический этап, на котором определяют количествен­ ные значения взаимосвязей между физическими параметрами элементов ГПС. Параметрические модели описываются уравне­ ниями материально-энергетического баланса. На окончательном этапе решают задачу построения моделей размерных связей меж­ ду элементами ГПС (рис. 11.2). На основании исходных данных проектируют основные и вспомогательные системы. ГПС строят путем синтезирования основных и вспомогательных систем и установления единой си199

стемы материальных, информационных и энергетических связей в пространстве и времени. Каждый вариант проекта формируется после прохождения всех блоков схемы. Путем изменения параме­ тров систем при многократных циклах генерируется несколько вариантов, причем разработка каждого последующего варианта проекта осуществляется только после анализа результатов пре­ дыдущего. Выбор оптимального варианта происходит по системе критериальной оценки. Число разрабатываемых вариантов зави­ сит от уровня унификации проектных решений, сложности объекта проектирования и уровня автоматизации проектных опе­ раций. § 3. Структурный синтез ГПС Исходными данными для проведения структур­ ного синтеза ГПС являются: математическое описание целевой задачи с указанием свойств системы; описание процессов, проте­ кающих в подразделениях; ограничения на показатели системы и показатели качества элементов системы. В основу структурного синтеза входят декомпозиция кодов целевых задач, их комбина­ ция и использование процедуры, называемой методом введения промежуточных элементов для определения связей объектов. Си­ нтез структуры ГПС является первоначальным этапом постро­ ения системы, поэтому жесткую оптимизацию на этом этапе вести преждевременно, так как нет достаточной информации об объекте проектирования. Более целесообразным является под­ ход, при котором остается несколько вариантов решений, из которых выбирают наиболее рациональный. Синтез ГПС представляет собой многоступенчатую задачу, в которой на каждом этапе формируется ряд конкурирую­ щих вариантов. Методы структурного синтеза едины при созда­ нии различных подразделений ГПС, поэтому эти методы мо­ гут быть унифицированы и входить в состав математического обеспечения САПР. При значительном количестве элементов в производственных подразделениях следует уделять внимание вопросу выбора метода решения задач большой размерности в условиях ограниченного времени проектирования и объема памяти ЭВМ. ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ 1. Назовите основные этапы проектирования ГПС. 2. Какие критерии оценки компоновочных решений Вы знаете? 3. Какие исходные даЕсные необходимы для проведения структурного син­ теза? 200

Глава 12

Проектирование основной системы § 1. Расчет количества основного оборудования

Проектирование основной системы проводится на базе методологических основ проектирования ГПС, из кото­ рых вытекает, что начальным этапом формирования является расчет количества основного (технологического) оборудования каждого типа при наличии разработанных технических процессов изготовления всех изделий. На основании разработанных технологических процессов рас­ считывают время работы станков (станкоемкость) или сбороч­ ного оборудования (машнноемкость) на различных операциях и, зная объем выпуска изделий каждого наименования, определяют количество технологического оборудования N=t(^OAФ•60), 1-1

где t, — станкоемкость выполнения операции при изготовлении 1-го наименования изделия, мин; О, — объем выпуска f-ro наиме­ нования изделия, шт.; Ф — эффективный годовой фонд времени работы оборудования, ч; и — количество наименований изделий. Полученное количество оборудования округляют до ближай­ шего большего целого числа iV^,. Коэффициент загрузки обору­ дования k, = N/Nap. Количество оборудования в ГПС определяют суммированием количества по всем типам оборудования. Данный подход справе­ длив при проектировании ГПС, изготовляющей небольшую но­ менклатуру изделий. В случае широкой номенклатуры вьшускаемых изделий количество оборудования определяют, исходя из программы вьшуска. Рассмотрим метод приведения программы вьшуска при автоматизированной сборке. На первом этапе проводят группирование сборочных единиц по служебному назначению (например, группа передних бабок, группа коробок подач и др.). В каждой группе выделяют наибо­ лее типичный представитель. Чаще всего это сборочная единица, вьшускаемая в наибольшем количестве в пределах группы, име­ ющая всю необходимую техническую документацию. Остальные сборочные единицы каждой группы приводятся к типичному представителю. Приведение программы вьшуска заключается в условном приравнивании по машиноемкости изготовления ка­ ждой сборочной единицы группы к выбранному представителю. 201

Машиноемкость сборки приводимой сборочной единицы опреде­ ляется как произведение общего коэффициента приведения на машиноемкость изготовления представителя. Общий коэффици­ ент приведения где ^=(Л/щ,/Мп)' — коэффициент приведения машиноемкости по массе; Л/цр — масса приводимой сборочной единицы; Л/ц — масса типового представителя; ^={0^10^" — коэффициент при­ ведения по серийности; Одр — объем выпуска приводимой сбо­ рочной единицы; О^ — объем выпуска типового представителя (для сборки изделий среднего габарита х=0,2...0,33); к^ — коэф­ фициент приведения по точности (для изделий нормальной точ­ ности к^=\; для изделий повышенной точности 1,1; для изделий высокой точности 1,2); kop=n'„Jnoa — коэффициент приведения по оригинальности деталей в узле; Лод и Лод — соответственно коли­ чество наименований оригинальных деталей в приводимой сбо­ рочной единице и типовом представителе. При определении количества станков в многономенклатур­ ном механическом производстве чаще всего пользуются одним из пяти методов приведения программы выпуска, каждый из кото­ рых выбирается в зависимости от количества и стабильности номенклатуры деталей. Первый метод. На первом этапе проводят классификацию деталей с целью статистического описания номенклатуры дета­ лей и их основных характеристик. При этом учитываются: слу­ жебное назначение и конструктивная форма, размеры, материал, масса и др. На следующем этапе анализируются характеристики номенклатуры деталей с целью выбора деталей-представителей для проектирования технологических процессов. В группу дета­ лей-представителей включаются три — пять деталей, имеющих наибольшую, среднюю и наименьшую сложность, наибольшую точность и особенности в конфигурации поверхностей. На ос­ новании разработанных технологических процессов определяется станкоемкость обработки деталей-представителей, затем — ста­ нкоемкость наиболее простых и наиболее сложных деталей. По­ скольку известны значение станкоемкости и закон ее распределе­ ния, можно определить среднее значение станкоемкости по каж­ дой операции и, умножив ее на объем вьшуска, вычислить станко­ емкость на годовую программу и требуемое число станков. Второй метод начинается с разбивки номенклатуры деталей на группы по размерам. Из каждой группы выбирается три — пять деталей-представителей, на которые разрабатывают тех­ нологические процессы, и определяют станкоемкость по типам оборудования для каждой детали-представителя. Разделив ста­ нкоемкость каждой детали на ее массу, рассчитывают стан202

коемкость детали одного килограмма этих деталей, которая и принимается как средняя для всей группы. Умножая массу всей группы деталей на среднюю станкоемкость одного ки­ лограмма этой группы по типам оборудования и суммируя по всем группам, где используется данный тип оборудования, определяем общую станкоемкость изготовления всей номенк­ латуры деталей на данном типе станка. Аналогично произ­ водится расчет по другим типам станков. Третий метод используется при проектировании ГПС с неста­ бильным выпуском деталей. При этом выбирается условная сбо­ рочная единица и на все ее детали разрабатывается технология изготовления. Годовая станкоемкость определяется умножением расчетной станкоемкости по типам необходимого оборудования на годовой объем выпуска деталей по заданной программе. При реконструкции действующих производств используют четвертый метод, при котором из сгруппированных по конструк­ тивным соображениям групп выбирают три-четыре типовые де­ тали и на них разрабатывают прогрессивный технологический процесс, для которого определяют новую станкоемкость изгото­ вления Т'^. Отношение этой станкоемкости к старой 7^ есть коэффициент коррекции к— T'JTe< 1. Этот коэффициент распространяется на все детали группы и, умножив старую станкоемкость на этот коэффициент, определя­ ют новую станкоекмкость изготовления всей группы. На стадии предпроектного периода используют пятый метод приведения программы выпуска по технико-экономическим пока­ зателям. Он находит использование при проектировании ГПС, предназначенной на выпуск нестабильной продукции, если изве­ стны ее показатели по массе, размерам, сложности и точности. В этом случае технологические процессы обработки деталей не разрабатывают, а используют показатели: станкоемкость меха­ нической обработки 1 т деталей предполагаемого изделия; годо­ вой вьшуск продукции с одного станка для принятого режима работы производства; годовой вьшуск изделий на один станок в денежном выражении. § 2. Выбор принципа построения основной системы Формирование основной системы производится по одному из принципов. I. принцип создания технологически замкнутых систем, в ко­ торых протекают одновременно механообрабатывающие и сбо­ рочные процессы. При этом повышается ответственность за вы­ пуск качественной продукции и упрощается структура управле­ ния производством. 203

п. Технологический принцип, на основании которого создают одноцелевые технологические системы, например сборочные или механообрабатываюпще. Достоинством таких систем является то, что специализация приводит к единой системе управления сборочными или механообрабатывающими работами, единому уровню требований к качеству деталей и выполнения сборочных работ. III. Смешанный принцип, когда часть технологических подра­ зделений работает по технологически замкнутому принципу, а другая — по технологическому принципу. Выбор того или иного принципа зависит от сложности изде­ лий, программы выпуска и режима работы производства. Каж­ дое подразделение ТС может быть сформировано по одному из трех принципов: линейному, предметному или групповому. Кажждый принцип построения подразделений определяет состав, ко­ личество и расположение технологического оборудования и вы­ бирается в зависимости от номенклатуры и объема выпуска изделий. При поточном производстве используется линейный принцип, характеризующийся определенной последовательностью вьшолнення операций технологического процесса в каждый момент времени. С расширением номенклатуры изготовляемых изделий становится целесообразным использовать единство технологи­ ческих маршрутов и формировать подразделения, используя предметный принцип. При этом построение подразделений про­ изводится по конструктивному виду изделий, например участки корпусных деталей, валов, зубчатых колес и т. д. При значитель­ ной номенклатуре изготовляемых изделий эффективен групповой принцип, характеризующийся использованием однотипного обо­ рудования, например, на токарном, фрезерном, шлифовальном участках и т. д. Для выбора принципа построения подразделения ГПС можно использовать показатель как степень кооперации, определяемый, исходя из среднего числа материальных связей между технологиN

ческим оборудованием x=Y, kt/N, гдеfc,— число материальных связей, которыми z-e оборудование связано с остальным обору­ дованием; N — количество технологического оборудования. Для рассмотренных принципов построения подразделений возможны четыре границы: нижняя граница линейного принципа (рис. 12.1, а); граница между линейным и предметно-однонаправ­ ленным принципом (рис. 12.1, б); граница между предмет­ но-разнонаправленным и групповым принципом (рис. 12.1, в) и верхняя граница группового принципа (рис. 12.1, г). Границы устанавливают, исходя из схем формирования тех­ нологических подразделений, приведенных на рис. 12.1, по ко204

О)

Рис. 12.1. Схема формирования подразделения ГПС

торым определяют число материальных связей и степень ко­ операции. Согласно схеме, приведенной на рис. 12.1, а, нижняя граница линейного принципа определяется по формуле х=—=(ЛГ-2)2-|-2-1 = 2 - - . N

N

Граница между линейным и предметно-однонаправленным движением изготовляемых изделий (см. рис. 12.1, б) x=Y,k,=(N-4)4+2-3

+

2-2=4--.

Граница между предметно-разнонаправленным движением изделий и групповым принципом построения ГПС (см. рис. 12.1, в) д;=(ЛГ_4)10+4-6=10--. N 205

Верхняя граница груп­ пового принципа по­ строения ГПС (см. рис. 12.1, г) x=2N-2. Области использова­ ния рассмотренных при­ нципов приведены на рис. 12.2. Пользуясь графи­ ком, можно выбрать при­ нцип построения произво­ дственных участков, если известны: количество тех­ нологического оборудова­ ния N, технологические маршруты изготовления изделий, на основании ко­ торых определяется число материальных связей, и степень кооперации. При создании автома­ тизированных участков Рис. 12.2. Границы принципов аостроения количество технологичес­ 1фОизводственных подразделениЁ кого оборудования на них целесообразно прини­ мать в размере 4... 10 единиц. Эти границы устанавливают исходя из того, что менее четьфех единиц оборудования нецелесоо­ бразно обслуживать централизованной ЭВМ, а при числе станков свьппе десяти усложняется система программного управления комплексом. Таким образом, предварительное формирование ТС, включа­ ющее определение состава и количества структурных подразделе­ ний и технологического оборудования, на этом заканчивается и переходят к формированию вспомогательных систем, обес­ печивающий работу ТС. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ \. Как рассчитать количество технологического оборудования? 2. Расскажите о методе приведения программы выпуска изделий в сборочном щзоизводстве. 3. Что вам известно о методах приведения программы выпуска в механичес­ ком производстве? 4. Назовите принципы построения ГПС. 5. Как выбрать принцип формированиях основных подразделений? 206

Глава 13

Проектирование вспомогательных систем § 1. Складская система (СС)

Назначение СС — обеспечивать снабжение ТС полуфабрикатами в подготовленном для транспортирования ви­ де и их хранение. Существуют следующие принципы организации складирования: централизованный, децентрализованный и ком­ бинированный. Сущность централизованного принципа заключается в том, что в ГПС имеется единый склад, с которого полуфабрикаты и оснастка поступают в ТС без промежуточного хранения. Этот принцип используется в многономенклатурном производстве с небольшим грузопотоком и при малых сроках и объемах хранения полуфабрикатов и изделий. Децентрализованный принцип хранения полуфабрикатов, из­ делий и оснастки предусматривает наличие складов только на производственных участках и используется при больших грузопо­ токах. Комбинированный принцип хранения предусматривает наличие централизованного склада и складов на производствен­ ных участках. Преимущество такого принципа заключается в бо­ льшой гибкости и эффективности изготовления изделий широкой номенклатуры с большим объемом выпуска. Проектирование СС должно вестись с обязательным учетом накопителей в ТС. Необходимость создания запасов на промежу­ точных операциях производственного процесса вызвана тем, что непоточное производство характеризуется нестабильным входя­ щим и выходящим грузопотоком. Нестабильностью работы ГПС является изменение станкоемкости выполнения операций, неритмичность материальных потоков, частые переналадки обо­ рудования и др. Цель функционирования СС состоит в том, чтобы принимать с транспортной системы материальный поток с одними парамет­ рами, размещать и хранить грузы и выдавать их обратно в транс­ портную систему с другими параметрами. Исходные данные при проектировании СС: годовой грузопо­ ток поступления на склад; нормативный запас грузов; число наименований грузов, одновременно хранящихся на складе; раз­ меры груза и его масса; параметры точности и конфигурация груза; срок хранения. СС при приеме и отправке грузов меняет свое состояние, а так как в непоточном производстве внешние грузопотоки носят сто207

хастический характер, то и переход системы из одного состояния в другое является случайным. В основу проектирования СС закладываются технологические процессы складских работ, при разработке которых решаются те же задачи точности и производительности, что и при разработке теми же способами процессов изготовления изделий. Например, при установке полуфабриката на спутник для достижения требу­ емой точности при дальнейшей обработке используют теории размерных цепей и базирования, аналогично решаются задачи и при установке поддона в ячейку склада. Складирование вклю­ чает приемку грузов, их размещение, хранение и отпуск. Приемка состоит из разгрузки; сортировки; проверки соответ­ ствия груза по наименованию и количеству; подготовки (установ­ ки полуфабрикатов на спутник, укладки в поддоны и т. д.) и введения сведений о грузах в ЭВМ. При размещении и хранении грузов определяют места хране­ ния; перемещают грузы к соответствующей ячейке; устанавлива­ ют на место хранения и вводят информацию в ЭВМ. Отпуск грузов включает: перемещение грузов из ячейки в зону комплектования и комплектование груза; погрузку; выдачу ин­ формации о готовности к транспортированию. СС должна иметь следующие подразделения: автоматизиро­ ванный склад в цехе и на участках для хранения полуфабрикатов, изделий и оснастки, материалов, поковок и штамповок, литых заготовок, отделение сборки и разборки технологической осна­ стки, отделение установки и съема полуфабрикатов, мойки и кон­ сервации технологической оснастки, накопители у технологичес­ кого оборудования. Проектирование автоматизированного склада начинается с определения величины запаса хранения грузов и выбора средств для складированя. При выборе средств следует учитывать раз­ меры, форму, массу, требования к пространственной ориентации грузов, характеристики транспортной системы и др. При этом определяют тип складского оборудования, его производитель­ ность и месторасположение. С помощью складской тары произ­ водится увязка между собой номенклатуры грузов и согласова­ ние внешних и внутренних грузопотоков. К таре относят спут­ ники, палеты, поддоны, кассеты и др. Для расчета СС разбивают номенклатуру грузов на группы по размерам, массе или технологии переработки. Из каждой группы выбирают типичного представителя и определяют запас хранек ния грузов S=YJ S„ где S — запас хранения грузов i-ro наимено1=1

вания; к — число наименований в группе. 208

Длина типового представителя группы грузов, li=^M[l]=t l.S.IS, где /, — длина груза f-ro наименования. Аналогично определяют ширину Ь, и высоту А, типового пред­ ставителя группы. При расчете величины транспортной партии находят математическое ожидание объема, занимаемого типо­ вым представителем рассматриваемой группы грузов, V=M[V\='Z l,b.h.SilS. 1-1

После этого определяется произведение M[l]M[bi\ М[Щ и сра­ внивается с величиной V. При равенстве этих величин средние длина, ширина и высота всех наименований грузов составляют

Если равенство не соблюдается, то вьшолняют соответст­ вующую корректировку величин 1и bi я hi с целью достижения указанного равенства. При расчете грузов широкой номенклатуры масса типового к Представителя группы m=Y, m.SJS. 1=1

Характеристики неравномерности внешних потоков определя­ ют через коэффициенты. При часто изменяющейся номенклатуре грузов исходные данные для проектирования СС должны быть заданы в вероятностном виде. Нестабильность номенклатуры может привести к следующим ситуациям, которые следует учи­ тывать при проектировании СС: 1) изменение количества полуфа­ брикатов и изделий в таре не требует конструктивного изменения тары; 2) изменение количества полуфабрикатов и изделий в таре требует изменений в конструкции тары; 3) изменение конструк­ ции тары приводит к необходимости иметь различные размеры ячеек в стеллажах. При этом изменяются положения датчиков, фиксаторов, перегрузочных и грузозахватных устройств и т. п. При расчетах СС для хранения широкой номенклатуры про­ дукции количество ячеек в стеллажах принимают на 10% больше расчетного. Параметры склада для хранения оснастки рассчиты­ вают с учетом того, что на нем должен находиться запас в раз­ мере 30% оснастки, находящейся в ГПС. Важным этапом в проектировании СС является определение состава и количества транспортных средств, выполняющих 209

-

а)

Н^

^

б)

^3-

н ^ г)

Рис. 13.1. Схемы размещения штабелирующего оборудования в СС

складские работы. Штабелирующее оборудование подразделяет­ ся на две группы: крановое и напольное. Преимущества краново­ го оборудования по сравнению с напольным: увеличение объема хранения грузов за счет большей высоты складирования; высокая производительность и возможность полной автоматизации про­ цесса складирования. К преимуществам напольных штабелеров относят низкую стоимость, большую маневренность и лучшее использование объема склада. На рис. 13.1 приведены схемы размещения штабелирующего оборудования в СС с одним стеллажом и одним штабелером (рис. 13.1, а); с одним стеллажом и двумя штабелерами, рас­ положенными с двух сторон (рис. 13.1, б); с одним стеллажом и двумя штабелерами, расположенными с одной его стороны (рис. 13.1, в); с двумя стеллажами и одним штабелером, переме­ щающимся между стеллажами (рис. 13.1, г). Выбор схемы зави­ сит от объема хранения, величины внутрискладского грузопотока и условий складирования. При организации грузопотока в СС возможны две схемы: тупиковая и сквозная. При сквозной схеме штабелер имеет воз­ можность для выхода из стеллажа для выдачи грузов, разворота или их перемещения из одного прохода в другой. Для приемоч:даточной секции следует обеспечить удобст­ во подъезда и стыковку с транспортными средствами. При­ мер стыковки приемо-сдаточной секции автоматической СС с подвесным конвейером дан на рис. 13.2. В ГПС с большим грузопотоком целесообразно разделять приемную и сдаточную секции. 210

Рис. 13.2. Вариант стыковки приемо-сдаточной сенщн автоматической СС с под­ весным конвейером: 1 — подвесной конвейер; 2 — стеллаж; 3 — приемо-сдаточные сежции; 4 — автоматический хран-штабелер; 5— поддон; 6 — подьемво-опуашая секция; 7 — захваты подвесного кон­ вейера; 8 — оборудование

Возможны следующие виды планировочных решений СС: ра­ диальные, линейные, Т-образные, замкнутые (кольцевые), вер­ тикальные, комбинированные. Радиальная планировка предусматривает расположение скла­ да в центре участков (рис. 13.3, а). При линейной планировке (рис. 13.3, б) грузы транспортируются вдоль склада и оборудования. Такая планировка целесообразна при малом количестве обслужи­ ваемого оборудования. Три Т-образной планировке (рис. 13.3, в) материальные потоки перемещаются перпендикулярно к складу, что позволяет рационально использовать производственную пло­ щадь. При кольцевой планировке (рис. 13.3, г) склад располагает­ ся вдоль замкнутой транспортной трассы. При вертикальной планировке (рис. 13.3, д) склады расположены на разных уровнях с вертикальной передачей грузов от склада к оборудованию. Комбинированные планировочные решения сочетают несколько видов планировок и обеспечивают максимальную гибкость и ко­ роткие транспортные грузопотоки. Для обеспечения бесперебойной работы оборудования возле него располагают накопители, емкость которых рассчитывают с учетом неравномерного поступления грузов. Иногда роль нако­ пителей может быть возложена на транспортную систему. Заде­ лы полуфабрикатов размещают между технологическим обору211

I

и

dx

Ш [loj

I I II I I П

Ш

Ш

Ш \/

Ш

1.11111111IJ-1

V

Й Й Й"^

^

& ^ фф /\

/s

1,,! I 111 I I I \TSjy

/\

di Ш Ш Ш

г/

л»

/

/Д А Л Л Л Д А А А Д Л А А Д < ^^/•ЛДЛ Д Д А Д А А Д А»\ , (

г-~^

1,

1-

Fii ^ i i \ | Р п Н 6)

т

Рис. 13.3. Виды планировочных решений СС; 1 — оборудование; 2 — стеллажи; 5 — жран-штабелд»; 4 — трвнспортвая тележжа; 5 — сжлад

дованием по ходу технологического процесса, а средства, обес­ печивающие эти заделы, должны автоматически выдавать, при­ нимать и адресовать полуфабрикаты на рабочие позиции в лю­ бой заданной последовательности. § 2. Транспортная система Транспортная система предназначена для достав­ ки грузов со склада в заданный момент времени к требуемому участку; доставки, ориентации и установки полуфабрикатов или изделий в требуемый момент времени на рабочие позиции; съема 212

полуфабрикатов или изделий с оборудования с последующим транспортированием в заданный адрес; отправки в накопитель грузов, а из накопителя в требуемый момент времени в заданный адрес доставки полуфабрикатов или изделий на склад. 1Слассификация грузов: по массе — легкие до 0,5 кг, средние 0,5...16 кг и тяжелые свыше 16 кг; способу загрузки — в таре, без тары, навалом, ориентированные; форме — корпусные, типа ва­ ла, дискообразные, длинномерные и т. д.; виду материала — ме­ таллические, неметаллические и т. д.; свойствам материала — твердые, хрупкие, магнитные, вязкие и т. д. Классификация транспортных систем по назначению — внутрицеховая и межоперационная; способу перемещения — в таре и без тары, спутниковая и бесспутниковая; принципу дви­ жения — периодическая и непрерывная; направлению движе­ ния — двусторонняя и односторонняя; уровню расположения рабочей ветви — напольная, эстакадная и подвесная; схеме дви­ жения — линейная и замкнутая; конструктивному исполнению тележки — рельсовая и безрельсовая; характеру связи с обо­ рудованием — внешняя и внутренняя; виду укладки — навалом и ориентированные. Транспортирование на спутниках используют при изготовле­ нии изделий сложной конфигурации, которые трудно перемещать роботами, что позволяет автоматизировать смену полуфабрика­ тов, благодаря единству баз спутника и вспомогательных баз приспособлений. Полуфабрикаты устанавливаются и зажимают­ ся с помощью оснастки, смонтированной на спутнике. При изго­ товлении крупногабаритных деталей в ГПС заготовки могут доставляться на налётах, представляющих собой сменные столы станков. Транспортные системы с двусторонним перемещением грузов по одной линейной трассе целесообразно использовать в непо­ точном производстве при незначительном количестве обслужива­ емого оборудования и значительном времени изготовления всех изделий транспортной партии. В транспортных системах с за­ мкнутой схемой движения при значительном количестве обслу­ живаемого оборудования и среднем времени изготовления всех изделий становится целесообразным использованием нескольких транспортных средств периодического действия, а при тех же условиях и малом времени изготовления — транспортные систе­ мы непрерывного действия. При проектировании ГПС следует ориентироваться на созда­ ние общей транспортной системы, что позволяет решить задачу по ориентации полуфабрикатов и изделий при их транспор­ тировании между рабочими позициями. Решение данной задачи приводит к сокращению количества транспортных операций за счет исключения ряда дополнительных работ по ориентации 213

изделии на отдельных этапах производственного процесса, что снижает машиноемкость транспортирования. Для транспортных систем разработаны унифицированные уз­ лы, позволяющие компоновать из них эффективные надежные системы в короткие сроки. При формировании материальных потоков следует стремить­ ся к сокращению объема транспортных операций и снижению трудозатрат при данном объеме работ. Решение первой задачи может быть достигнуто путем сокращения массы перемещаемых грузов за счет рационального календарного планирования и вы­ бора рациональных конфигураций заготовок, приближающихся по форме и размерам к готовой детали. Уменьшение длины транспортирования грузов решается не­ сколькими способами. Основной путь — это рациональная ком­ поновка и планировка ГПС. Компоновочные решения ГПС должны базироваться на единстве различных технологических и производственных процессов изготовления изделий. Наиболее эффективен технологически замкнутый принцип построения ГПС, когда оборудование расположено по ходу технологичес­ кого процесса, что позволяет сократить длину транспортирова­ ния грузов. Сокращение длины транспортирования может быть достиг­ нуто за счет увеличения объема транспортной партии путем использования контейнерной перевозки грузов, а также за счет сохранения постоянства высоты приемо-сдаточных секций, что обеспечивает сокращение вертикальных перемещений грузов при транспортировании. Снижение трудозатрат достигается благодаря использованию автоматизированных транспортных средств (робокары, каретки, роликовые и подвесные конвейеры, электротележки с управ­ лением от ЭВМ и др.). В транспортной системе следует ис­ пользовать однотипные транспортные средства, что упрощает их обслуживание. Важное значение имеет типизация процессов транспортирова­ ния, путем использования унифицированных транспортных средств, позволяющая на стадии проектирования разрабатывать эффективные процессы транспортирования и устанавливать на­ иболее рациональный типаж транспортных средств и сократить время вьшолнения транспортных операций. В качестве исходных данных для проектирования процесса транспортирования необ­ ходимо иметь: схему потоков с указанием их мощности на каж­ дой трассе, сведения об используемом оборудовании и др. Для построения внутрицеховой схемы потоков необходимо знать процессы изготовления изделий, определяющие последова­ тельность прохождения грузов между участками, компоновку цеха, грузооборот по цеху, номенклатуру, размеры и массу пере­ мещаемых грузов, технические требования на перемещение гру214

зов. При широкой номенклатуре изделий исходные данные для проектирования процесса транспортирования целесообразно за­ давать в веротностном виде

Ч^^^";}*'-'^где Р — вероятность отклонения и мощность грузопотока от номинальной величины А*; А — фактическое значение мощности грузопотока; а, р — отклонения параметра; [Р] — доверительная вероятность или надежность оценки изменений параметра А. Транспортная схема должна обеспечивать: минимальное ко­ личество операций и переходов; минимальное число переустано­ вок грузов; автоматизацию всех этапов процесса транспортиро­ вания; максимальное совмещение времени транспортных опера­ ций с временем обработки; использование эффективных транс­ портных средств; применение однотипных средств транспортиро­ вания и щ>. Вышеизложенное относится и к межоперационной схеме потоков. Технологический процесс транспортирования включает в себя погрузку, перемещение груза, разгрузку, подъем, кантование, установку на оборудование. Следует использовать типовые технологические процессы, разработанные для опреде­ ленных групп полуфабрикатов и изделий, имеющих общность маршрута перемещения, состава транспортных партий, условий захвата грузовых единиц, структуры стыков с производственным оборудованием и последовательности вьшолнения переходов в операциях по перемещению грузов. Технологический процесс транспортирования находит свое отражение в маршрутных и опе­ рационных картах, в которых указывают режимы транспортиро­ вания и машиноемкость работ для выбранного типажа транс­ портного оборудования. В группу основного транспортного оборудования, которое выпускается серийно, включают: конвейеры, промышленные ро­ боты, робокары, электрические тележки и др. К группе вспомога­ тельного транспортного оборудования относят ориентаторы, адресователи, сбрасыватели, толкатели. Количество транспортных средств в каждой группе 1-1

где кс — коэффициент спроса, учитывающий неравномерность поступления требований на обслуживание оборудования в еди­ ницу времени; к^, — коэффициент использования транспортного средства по времени; Ф, — эффективный годовой фонд времени работы принятого типа транспортного средства; п — количество 215

грузопотоков, обслуживаемых данным типом транспортного сре­ дства. Машиноемкость транспортных операций Г« = QT^iqn • 60)=z,T^{z^ • 60), где Q — величина грузопотока, т/год; ^п — средняя величина

о

'7'

6)

ю

й S

о

о

г;

^;

«•;

о ^

й

©icSiO

-r-i

";

^;

со • ^ — » -

«;

ff]

0

о •ж

^ ^ л;

о

crt

[XHIi А*;

Рис. 13.4. Варианты стыковки транспортной системы с оборудованием 216

транспортной партии изделий, т; z-^ — величина грузопотока в единицах тары или транспортных партиях, шт.; Zm — величина транспортной партии, шт.; Гц — длительность цикла работы транспортного средства, мин (движение транспорта к месту по­ грузки, погрузка, движение с грузом, задержки, принимаемые в размере 15% времени движения транспортного средства с гру­ зом). При проектировании роботизированных комплексов следует рассмотреть возможность использования одного робота для об­ служивания двух и более единиц оборудования. Так как в непо­ точном производстве длительность оперативного времени ^ц не постоянна и распределяется по закону P—F{t^, то можно счи­ тать, что вероятность обслуживания роботом в случайный мо­ мент времени i-ro оборудования будет P=til{toR+ ti), где (, — вре­ мя, затрачиваемое роботом для обслуживания оборудования, не совмещенное с временем работы оборудования. Варианты организации потоков полуфабрикатов на рабочую позицию Р оборудования О показаны на рис. 13.4, а, из которого видно, что возможны девять различных вариантов. На рис. 13.4, б, в представлены соответственно загрузка полу­ фабрикатов с трех позиций А, Б, В я разгрузка рабочей позиции Р в направлениях осей X а Z, а. также указаны направления подачи полуфабрикатов на позиции загрузки и разгрузки в напра­ влении осей X' и Z'. На рис. 13.4, г — м изображены варианты реализации спосо­ бов загрузки и разгрузки оборудования О в зависимости от конструктивных особенностей оборудования, загрузочных и раз­ грузочных позиций, планировки ГНС и др. § 3. Система инструментального обеспечення (СИО) При механической обработке, соединении дета­ лей при сборке ТС должна быть состыкована с СИО. Функции СИО: организация перемещений инструментов; хранение и на­ стройка инструментов; восстановление инструментов (напьшение, замена твердосплавных пластинок, заточка и др.); очистка инструментов; сборка инструментов; контроль за состоянием режущих кромок инструментов. В ГПС стремятся использовать стандартизованный инстру­ мент, что сокращает трудоемкость его восстановления. I. При замене инструментов по отказам его меняют по мере потери работоспособности через случайный промежуток време­ ни. Момент поломки или катастрофического износа в автомати­ зированном производстве должен устанавливаться средствами 217

диагностики. Датчики контролируют состояние режущей кромки и проводят контроль при обработке и после нее. При контроле в процессе обработки происходит измерение параметров процес­ са, таких, как ток в приводе главного движения, потребляемая мощность, спектр звука в зоне резания или вибрации. Если текущее значение контролируемого параметра превысит допусти­ мое значение, подается сигнал на смену инструмента. Оценка режущей способности инструмента после обработки может про­ водиться с помощью индуктивных, инфракрасных или лазерных датчиков. II. При смешанном способе смены инструмент меняется через определенный интервал времени, а инструмент, вышедший из строя раньше установленного периода, заменяют по отказу. Пе­ риод стойкости инструмента устанавливается на основании об­ работки информации об эксплуатации инструмента в ГПС. При этом способе большая часть инструмента будет заменена до использования полного ресурса работоспособности. Несмотря на это, часто времени на смену инструмента при данном способе затрачивается меньше, чем при замене по отказам. П1. Сущность смешанночрупоовой смевы инструмента заклю­ чается в том, что группа инструментов, имеющая равное значе­ ние ожидаемой стойкости и один закон ее распределения, меняет­ ся одновременно по мере достижения ими заданного периода стойкости, независимо от времени работы каждого инструмента. В этом случае время на смену одного инструмента сокращается по сравнению со смешанным способом смены, но при этом возрастает частота его замен. При выборе способа смены инструмента в условиях значи­ тельного рассеяния стойкости инструментов смешанно-группо­ вая смена оказывается целесообразной в автоматических линиях. В ГПС в основном используют смену по отказам или смешанную замену. Сокращение номенклатуры используемого инструмента мо­ жет бьггь достигнуто путем введения в технологический процесс прогрессивных методов обработки, например, таких, как фрезе­ рование отверстий вместо многократного его растачивания набо­ ром расточных оправок, использования комбинированного инст­ румента и т. п. На стадии проектирования технологических про­ цессов и ГПС учитываются затраты на систему инструментообеспечения. Важным параметром СИО является количество инструмента каждого наименования, циркулирующего в ГПС. Минимальная величина оборотного фонда инструмента каждого типоразмера Щ=Н1+Н2 + Нг, где Щ —число инструментов на рабочей по­ зиции; Яг — число инструментов, находящихся на восстановле­ нии и настройке; Яз — страховой запас в СИО. 218

Минимальная величина оборотного фонда в ГПС определяет­ ся в зависимости от вида инструмента, нормы времени пребыва­ ния на восстановлении и настройке, времени его работы до смены, количества одновременно работающих инструментов на одной рабочей позиции. Максимальная величина оборотного фонда инструмента Я=Яф+Ян, где Я, — норма расхода инст­ румента за выбранный промежуток времени. Оборотный фонд оснастки принимается из расчета ее количе­ ства на рабочих позициях и запаса на участке инструментальной подготовки. В ГПС устанавливают месячную норму потребления инструмента по нормативам, составленным на основании стати­ стических данных. Кроме того, существуют методы расчета, при которых исходят из годовой потребности в инструменте на одну единицу оборудования или тонну изделий с учетом условий производства или определяется в денежном выражении. В структуру СИО закладывается централизованный метод обеспечения подготовленными комплектами инструмента каж­ дого вида в соответствии с программой вьщуска изделий. Типовая структура СИО (рис. 13.5) состоит из отделений: вос­ становления инструмента, ремонта оснастки, обслуживания инст­ рументом рабочих мест, сборки и настройки инструмента и конт­ рольно-проверочного пункта (КПП). В свою очередь, отделение обслуживания инструментом рабочих мест включает секции: хра­ нения и комплектования инструмента, доставки инструмента к рабочим местам и разборки отработанного инструмента. Назначение отделения обслуживания инструментом рабочих мест заключается в обеспечении ТС инструментом в соответст­ вии с программой выпуска изделий. Секция комплектования инструмента обеспечивает подготовку плановых заданий на ком­ плектацию, сборку и настройку инструмента. Комплектование режущего, слесарно-сборочного и измери­ тельного инструмента в секции осуществляется согласно заданий СИО

Отделение васстаповпения инструмента

Отделение ремонта оснастки

£

Секция хранения и комплектования инструмента

Отделение обспуживания Отделение сборки и настройки инструментам инструмента рабочих мест

Секция достатки инструмента к рабочим пестам

КПП

Секция разборки отработанного инструмента

Рис. 13.5. Структура СИО 219

на настройку и доставку инструмента к рабочим местам, выдава­ емых системой оперативно-календарного планирования. Количе­ ство инструмента, направленного в основную систему, определя­ ется с перерасчетом стойкости инструмента каждого типораз­ мера, используемого на дальнейших операциях, что обеспечивает выполнение нескольких операций без дополнительных настроек и переустановок инструмента. При доставке инструмента к оборудованию ТС следует ис­ пользовать унифицированную тару, в которой должны быть ложементы, расположение которых соответствует позициям ин­ струментальных магазинов, револьверных головок, резцедержа­ телей и сборочных устройств оборудования. Комплектование инструмента включает: получение инструмента с центрального инструментального склада; поддержание оборотного фонда ин­ струмента в установленных пределах; подбор инструмента; пода­ чу инструмента и карт настройки в отделение сборки и на­ стройки. Для сокращения объема инструментальных потоков в секции обслуживания инструментом рабочих мест весь инструмент до­ лжен находиться на стеллажах с ложементами с учетом частоты его запроса в ГПС по запросам размеров. Крупный и тяжелый инструмент располагают на нижних стеллажах, а легкий и редкоиспользуемый — на верхних. Подготовка инструментальной транспортной партии проис­ ходит после выполнения операций по сборке и настройке инст­ румента. Доставляться к оборудованию инструмент может рабо­ чими; внутрицеховой и межоперационной ТС; подвесной ТС, связанной с инструментальными магазинами. Перемещение инст­ румента может происходить поштучно, комплектами, блоками и целыми инструментальными магазинами. При проектировании ТС следует ориентироваться на обору­ дование, имеющее одинаковые способы замены инструмента, что упростит инструментальное обслуживание. Способ обслуживания инструментом выбирают в зависимо­ сти от частоты запросов инструмента и емкости инструменталь­ ных магазинов. Первый способ заключается в применении магазина инст­ рументов такой емкости, чтобы обеспечить изготовление изделий в «безлюдные» смены (вторые и третьи). При таком способе в конце первой смены вручную происходит размещение инст­ румента на последующие смены, в том числе устанавливаются дублеры быстроизнашиваемого инструмента и запасной инст­ румент. Сущность второго способа заключается в использовании сменных магазинов инструментов, позволяющих расширить чис­ ло используемого инструмента. При таком способе работа ор­ ганизуется по принципу: одно наименование изготовляемого из220

делия — один магазин. При этом способе оборудование должно иметь возможность автоматической смены инструментальных магазинов с установленными в них заранее инструментами. Третий способ предусматривает автоматизированную по­ штучную подачу ю центрального инструментального магазина, расположенного над оборудованием, в магазин оборудования требуемого инструмента для обработки заготовок и удаление из магазина поломанного и изношенного инструмента. Данный спо­ соб позволяет за счет оперативной смены инструмента снизить число инструментов, находя1цихся в ГПС и повысить коэффшщент использования оборудования. При расчете средств, обеспечивающих смену инструмента, суммарное число смен инструментов Псм=Ииа+Пд5 где Ии — коли­ чество инструмента, необходимое для изготовления всей про­ граммы выпуска; а — коэффициент, учитывающий величину партии запуска в производство; n„ — количество дополнитель­ ных смен инструмента, связанное с некомплектностью его раз­ мещения. Качество изготовляемых изделий в автоматизированном про­ изводстве зависит от качества настройки инструмента вне ТС в секции сборки и настройки инструмента. Однако при высоких требованиях к точности изделия только настройка инструмента вне оборудования не обеспечивает их выполнение, так как на точность оказывают влияние и такие факторы, как точность установки заготовки и др. Поэтому на технологическом оборудо­ вании устанавливают системы автоматической размерной на­ стройки. При проектировании отделений по восстановлению инструме­ нта следует ориентироваться на прогрессивные технологические процессы, такие, как электрохимическая заточка алмазными кру­ гами твердосплавных инструментов, шлифование метчиков многоннточными кругами, электроимпульсная и лазерная обработка закаленных элементов оснастки и др. Количество оборудование в этих отделениях принимается в процентном отношении от количества оборудования в ТС. Для уменьшения мощности грузопотока инструментов при компоновке ГПС желательно отделение восстановления инстру­ мента располагать рядом с секцией хранения и комплектования инструмента и КПП. Для сокращения трудоемкости восстанови­ тельных работ используют Ш*, автоматические тележки, обору­ дование с ЧПУ и др. Особое внимание при восстановлении инструментов следует уделять режимам заточки, от которых зависит диапазон изменения стойкости. На СИО возлагается задача ремонта оснастки, который выпо­ лняется в специальном отделении. В нем проводится малый и средний ремонт приспособлений, оснастки и др. Количество оборудования и его типаж определяют по нормативам. 221

Абразивный инструмент хранят в вертикальном положении, но предварительно испьггьшают на разрыв. Абразивы должны быть подготовлены для эксплуатации в абразивных цехах, т. е. предварительно выполняют сборку и правку абразивов с после­ дующей статической или динамической балансировкой. Для по­ вышения эксплуатационных свойств проводят химико-термичес­ кую обработку абразивов. При наличии сборочных процессов в ГПС следует предусмот­ реть кладовую слесарно-сборочного инструмента, площадь кото­ рой определяется, исходя из объема сборочных работ основного производства. В кладовой хранят инструмент для клепки, сборки резьбовых соединений, запрессовки, вальцевания, притирки и других работ. В автоматизированном сборочном производстве весь инструмент должен быть скомплектован с унифицированной оснасткой, позволяющей автоматически проводить его смену на сборочном оборудовании. Доставка слесарно-сборочного инст­ румента к ГПС осуществляется автоматизированной транспорт­ ной системой в унифицированной таре. § 4. Система контроля качества (СКК) изделий На СКК возлагаются следующие функции: хране­ ние информации об изготовляемых иделиях (их конфигурации, технических требованиях и др.); настройка контрольно-измери­ тельных устройств; своевременное обнаружение брака; операци­ онный и приемочный контроль качества; выдача информации по результатам контроля в систему управления. В СКК входит ОТК, включающий измерительную лаборато­ рию, которая разрабатывает схемы и планы контрольных прове­ рок средств измерений и вьшолняет наиболее сложные из них, контрольно-поверочные пункты (КПП), цеховые контрольные пункты (КП) и испытательные отделения. Способы контроля качества иделий классифицируют: по на­ значению — приемочный, профилактический, прогнозируюпщй; взаимодействию с объектом изготовления — активный (пря­ мой и косвенный), пассивный (после каждой операции или через несколько операций), параметрический (количественный, допусковый) и функциональный; конструктивному решению — внут­ ренний • (самоконтроль) и внешний; реализагщи во времени — непрерывный (в дроцессе изготовления) и периодический (тесто­ вый). Перспективным является активный контроль при обработке, позволяющий исключить брак путем своевременной коррекции процесса изготовления и повысить производительность за счет совмещения времени изготовления с временем контроля. 222

При проектировании СКК следует уделять внимание воп­ росам снижения трудоемкости контрольных операций путем использования автоматических контрольных устройств (рис. 13.6), позволяющих проводить контроль широкой номенклатуры изделий. Выбор контрольных средств и методов контроля зависит от точности юмеряемых юделий, их номенклатуры, формы и раз­ мера, числа контролируемых параметров, условий измерений, требуемой производительности и экономичности. Каждый метод и используемые при этом методе средства измерения обладают собственными погрехпностями и эффективной областью исполь­ зования. При выборе средств измерения погрешность измерения принимается не более 10... 15% допуска контролируемого параме­ тра. Контрольно-измерительные средства действуют по одному из, трех методов: прямому, косвенному и комбинированному. При прямом методе используют средства, имеющие контакт с измеряемой поверхностью и бесконтактные средства, опре­ деляющие контролируемый параметр как при обработке, так и после нее. Двухконтактное контрольное устройство (рис. 13.7) работает следующим образом. При шлифовании заготовки 2 измеритель­ ные губки i и i постоянно контактируют с обрабатываемой повеУстройсгва контроля качества изделий, основанные на методе

Г прямом

1

Комбинированном

Косвенном

X Контроль заготовок

Контроль положения инструмента

Контроль положении рабочих органов оборудования

1 Контактные устройства

Контроль до обработки или сборки

Устройства, прекращающие обработку при достижении заданного параметра

Бесконтактные устройства

Контроль при обработке или сборке

Подналадчики

Контроль после обработки или сборки

Системы адаптивною управления

Контрольноизмерительные машины

Рис. 13.6. Классификация СКК 223

Рис. 13.7. Двухконтактяые контрольные устройства: а — схема контроля отверсгай; б — ховтроль диаметра вала при шлвфовавив

рхностью. В Процессе изменения диаметра обрабатываемой дета­ ли происходит поворот измерительной губки 3 и регулировочный винт 4 воздействует на рычаг-указатель 5. По достижении задан­ ного размера происходит замыкание электроконтактов 6 и про­ цесс шлифования прекращается. Косвенный метод не обладает указанным свойством, но позво­ ляет получать информацию о контролируемом параметре по характеристике одного или нескольких элементов оборудования, например по величине перемещения рабочего органа станка, несущего режущий инструмент. При комбинированном методе измерения одновременно происходят контроль параметров изго­ товляемого изделия и элементов оборудования. Большое влияние на выбор средств контроля оказывают усло­ вия протекания процесса обработки, в частности возможность доступа контрольно-измерительных средств в рабочую зону, тем­ пература в зоне обработки и др. При механообработке важным фактором, оказывающим влияние на выбор средств контроля, является тип стружки. 224

в непоточном автоматизированном производстве находят применение измерительные головки, смонтированные в унифици­ рованной инструментальной оправке, которую размещают в ин­ струментальных магазинах. С их помощью проводят контроль не только параметров изготовляемого изделия, но и положения спутников и заготовок перед обработкой, а также определяют износ инструмента. Находят использование автоматические си­ стемы размерной настройки оборудования, поволяющие автома­ тически перед обработкой устанавливать требуемое положение режущей кромки инструмента относительно баз, определяющих положение заготовки, что обеспечивает точность изготовления партии деталей даже при переходе с одного типоразмера заготов­ ки на другой. Применяют метод поднастройки станков малыми перемещениями исполнительных органов. При этом системати­ ческие погрешности (например, износ инструмента, температур­ ные" деформации станка) компенсируются подналадчиком по ме­ ре их возникновения. По результатам измерений заготовок про­ изводят коррекцию положения режущей кромки инструмента. Описанные системы позволяют автоматически обеспечивать точ­ ность не только диаметральных и линейных размеров, но и гео­ метрической формы деталей. Перспективным путем сокращения трудоемкости контроля качества изделий является использование систем адаптивного управления процессом обработки юделий, повышающих качест­ во изготовляемой продукции. Разработаны системы адаптивного управления: упругими перемещениями ТС за счет изменения размера статической и динамической настройки; скоростью изна­ шивания режущего инструмента, относительным положением де­ талей и усилиями при сборке, а также многомерные адаптивные системы, позволяющие управлять одновременно несколькими параметрами. По техническим требованиям некоторые изделия должны про­ ходить контроль параметров качества не только в статическом состоянии, но и в динамическом, для чего в ГПС применяют испытательные станции. Испытания подразделяют на производ­ ственные и экспериментальные. Производственные испытания обычно входят в процесс изго­ товления изделия и, в свою очередь, подразделяются на обкатку вхолостую и испытание под нагрузкой. Экспериментальные ис­ пытания не связаны с производственной программой и проводят в экспериментальных цехах. Контроль качества изделий может быть организован на рабо­ чей позиции и в контрольных отделениях. Контроль на рабочей позиции осуществляют на технологическом оборудовании или около него. Контроль качества при обработке с помощью средств активного контроля не удлиняет цикл изготовления изде­ лия, а контроль изделия на оборудовании после изготовления 225

приводит к его простою. Причем точность проведения контроля в этом случае ниже по сравнению с внешним контролем. Применение пассивного контроля качества часто не оказывает влияния на продолжительность производственного цикла, так как контроль изделий может быть проведен при транспортирова­ нии или складировании изделия. Контроль качества на КП ор­ ганизуется, если: применяют разнотипные или крупногабаритные средства контроля, которые неудобно доставлять к рабочим позициям; средства контроля на рабочих позициях не обеспечива­ ют необходимую точность из-за температурных деформаций, вибраций и др.; проверяют большое количество изделий, удоб­ ных для транспортирования; проверяют продукцию после по­ следней операции перед ее сдачей на склад. При разработке СКК существует следующая последователь­ ность проектных работ: разрабатывается техническое задание (ТЗ) на СКК; составляется алгоритмическая модель работы СКК и уточняются характеристики изделий; определяются параметры алгоритмической модели; выбираются средства СКК; оценивает­ ся ожидаемый экономический эффект. При разработке ТЗ на СКК указывают все выходные вели­ чины (контролируемые параметры, возможные нарушения, при­ чины их возникновения и способы устранения) и параметры каждой выходной величины: точность ее определения, частота выдачи информации оператору, форма ее выдачи и т. д. Кроме того, в ТЗ на разработку алгоритмов работы СКК выдаются сведения о способах преобразования имерительных сигналов (на­ пример, метод определения выходной величины, рекомендуемый датчик и др.). Построение алгоритмической структуры проис­ ходит на базе основных этапов технологического процесса конт­ роля качества (рис. 18.3). При входном контроле заготовок проверяют их соответствие по размерам, массе, физико-химическим параметрам (химичес­ кий состав, твердость), внешнему виду (наличие сколов и др.). Могут также контролироваться геометрические размеры поверх­ ностей, используемых в качестве баз. Контроль при установке заготовок в тару производится для обеспечения ориентации заготовок при их автоматической уста­ новке. Контроль заготовок на механообрабатывающем оборудо­ вании может начинаться как с измерения размеров ответствен­ ных поверхностей, так и их положения на станке с помощью щуповых головок, что уменьшает погрешность установки заго­ товки. Контроль точности готовых деталей проводят на КП. Здесь же контролируют твердость, шероховатость и др. Заключитель­ ным этапом контроля качества является испытание готовой про­ дукции. 226

Г

На складе Входной контроль заготовок

Контроль при формировании транспортной партии

На сборочном Контроль после сборки

На механообрабатывающем Контроль заготовок перед обработкой

1 I II . - I 1—.

Контроль заготовок при обработке

оборудовании Контроль деталей после обработки

оборудовании Контроль при сборке

Контроль при формировании транспортной партии на складе

Контроль перед сборкой

Контроль готовой продукции в испытательнс)М отделении

Контроль готовых деталей наКП

1 ]

Рис. 13.8. Основные этапы технологического процесса ковггроля качества изделий

Для контроля качества изделий строят структурные и функци­ ональные модели СКК. Элементы системы по функциональному назначению подразделяют на: внешние элементы, через которые система обменивается с внешней средой материальными, инфор­ мационными и энергетическими потокоми; внутренние элементы, в которых может храниться информация; средства преобразова­ ния пространственных координат и физических параметров изме­ ряемых изделий; коммутаторы, управляющие распределением материальных, информационных и энергетических потоков. Параметры элементов СКК определяют из технических усло­ вий на приемку заготовок, готовых деталей и требований к про­ изводительности контроля. Контроль на контрольно-измерительных машинах (КИМ) включает: подготовку к измерению (установку контролируемого изделия и подвод измерительного средства); само измерение и обработку результатов. Автоматизация обработки данных из­ мерений дает надежную информацию о качестве изделий. В механообрабатывающем производстве на КП определение качества материала заготовки сводится к наружному осмотру, при котором выявляют наличие трещин, расслоений, раковин и т. д. Анализ химического состава, исследование металлографи­ ческих свойств и рентгеновское исследование проводят в заводс­ кой центрально-измерительной лаборатории. Шероховатость по­ верхностей детали проверяют в цеховых условиях по эталонам. Разработав процессы контроля качества, определяют время измерений, типаж и количество измерительных средств, а также необходимые площади для размещения этих средств. Число кон­ трольных пунктов, округленное до целого числа, 227

n.= trrJ>J(Ф. 60), 1-1

где i^i — среднее время контроля одной детали i-й группы, мин; Рд, — число деталей данной группы поступивших на КП за год, шт.; Фэ — эффективный годовой фонд времени работы пункта, ч; т — количество групп деталей. В ГПС контрольно-поверочЕше пункты создают для: пери­ одической или сменной поверки при возврате измерительных средств с участков; изъятия из эксплуатации изношенных средств измерения; осуществления контроля эксплуатации средств изме­ рения; проведения инструктажа по применению средств измере­ ния; контроля работы средств измерения в СИО и своевремен­ ного их направления на периодическую поверку и в ремонт; выявлепия причин брака продукции периодической поверки и на­ ладки измерительных приборов; выборочного контроля готовых изделий. Для контроля высокоточных изделий создают термокон­ стантные помещения, к которым предъявляют повышенные тре­ бования по температурному режиму, влажности, запыленности и освещенности. В зависимости от конструкции сборочных еди­ ниц, определяюпщх технологический процесс испытания, его про­ водят в испытательном отделении сборочного цеха или на ис­ пытательной станции, где устанавливаются испытательные стен­ ды, оснащенные средствами диагностики. § 5. Система охраны труда Для обслуживающего персонала необходимо со­ здать систему охраны труда, обеспечивающую безопасную рабо­ ту персонала и проведение организационных мероприятий по созданию высокого Зфовня производственной среды и культуры производства. Структура системы охраны труда представлена на рис. 13.9. В функщш подсистемы обеспечения безопасной работы вхо­ дят создание безопасной эксплуатации и обслуживания оборудо­ вания ГПС, ликвидация пожаров. В автоматизированном произ­ водстве роль данной подсистемы возрастает, так как увеличива­ ется насыщенность производства автоматическими средствами, представляющими повышенную опасность для работающих. За­ щита от механических устройств обеспечивается защитными ограждениями, блокирующими устройствами и пультами их ава­ рийного отключения. Скорость перемещения исполнительных устройств при налад­ ке оборудования и во время его программирования не должна превышать 0,3 м/с. Запрещается вьшолнять работы по установке 228

CticTeMa охраны труда работающих

Подсистема обеспечения безопасной работы

Подсистема обеспечения санитарных условий труда

Подсистема обслуживания

1 Контроль за чистотой помещений

Пожарная безопасность 1

•

Безопасная эксплуатация и обслуживание оборудования Защита от механических устройств Защита от стружки и СОЖ Электробезопасность

Контроль воздушной среды


ю конвейеров, скребков и автооператоров; гравитационный, при котором стружка сползает с наклонных поверхностей оснастки; смыв стружки; откос сжатым воздухом; удаление электромагнитом. Для надежного удаления стружки со станка его рабочую зону заключают в специальную камеру, что позволяет увеличить по­ дачу СОЖ при обработке. При этом решается задача не только удаления стружки, но и обеспечения надежной установки последуюпщх заготовок. Проблема удаления стружки связана с обеспечением ее дроб­ ления при обработке. К способам дробления относят кинемати­ ческий, применение стружколомов на режущем инструменте и подбор соответствующих режимов резания. Вибрационные стружколомы колеблются с определенной частотой в направле­ нии подачи инструмента. К недостаткам кинематического спосо­ ба относится снижение стойкости режущего инструмента и ухуд­ шение качества обрабатываемых поверхностей. Сложность удаления стружки от группы станков в ГПС связа­ на с тем, что изготовление широкой номенклатуры деталей часто предполагает обработку заготовок из различных материалов, а по условиям переработки стружки их смешивать нельзя. Поэто­ му создают участки по определенному виду обрабатываемого 232

материала, определяют порядок запуска деталей с учетом вида материала, применяют бункеры для сбора стружки. При выборе средств для транспортирования стружки учиты­ вают вид стружки (дробленая мелкая, элементная крупная, витая, саблеобразная), количество стружки и ее материал. Для удаления стружки используют скребково-штанговые, ленточные и винто­ вые конвейеры. При сборе стружки в бункеры у станков их замена может быть осуществлена либо робокарами, либо транспортной системой автоматизированного участка. Механообрабатывающие ГПС включают подразделения по хранению и приготовлению СОЖ и масел, которые целесообраз­ но располагать в крайних пролетах здания. Система раздачи СОЖ бывает: централизованной, когда СОЖ циркулирует по замкнутому трубопроводу, который имеет ответвления к станкам; централизованно-групповой, когда СОЖ подается по трубопроводам к кранам, установленным для груп­ пы станков, а возврат жидкости осуществляется транспортными средствами; децентрализованной, при которой подача и возврат СОЖ осуществляются в таре транспортными средствами. Технология переработки отработанной СОЖ проходит в сле­ дующей последовательности. СОЖ очищают, удаляя мелкие частищл и шлам, устраняют обеднение путем добавки компонен­ тов, повышают биологическую стойкость на термоустановках, отделяют посторонние масла и термостабилизируют. После вы­ полнения этого СОЖ готова к работе. Очистка СОЖ осуществля­ ется следующими методами: гравитационным (в отстойниках); центробежным (в гироциклонах); центрифугированием (в сепара­ торах); магнитным (в сепараторах, уловителях, магнитных пат­ ронах и фильтрах); флотационным; реагентным и электрокоагуляционным. В ГПС возможны следующие варианты: участки или цехи обработки лезвийным инструментом, где в качестве СОЖ ис­ пользуется одна и та же эмульсия или синтетическая жидкость, а для перемещения стружки применяют гидротранспорт; участки абразивной обработки, где используется водная СОЖ, а шлам удаляется с помощью гидротранспорта; участки обработки лез­ вийным инструментом с масляными СОЖ; участки обработки лезвийным инструментом без СОЖ. Для каждого из этих случаев разработана автоматизиро­ ванная система вспомогательных процессов. На рис. 13.10 по­ казана взаимосвязь вспомогательных операций в ГПС меха­ нообработки. При обработке лезвийным инструментом с водной СОЖ (рис. 13.10, а) система вспомогательных процессов является наиболее типичной. В зону резания металлорежущих станков {МС) подают 1 заготовку и 20 СОЖ. После обработки деталь перемещают 2 от 233

ш

Т| 3N 20\

т ^^^

,ТВ

•ШИЗ Е |м 1 / r*\jj^ HiiMZHН 6 H^^h*'

fllJ

Д1 ш

^(Fja*\Ц^

Рис. 13.10. Последовательность вьшолвения всаомогательных операций э механическом цехе

станка, убирают 19 из зоны резания стружку, СОЖ и транспор­ тируют 18 их по цеху. На участке переработки стружки выполняют следующие опе­ рации: отделяют 17 стружку от СОЖ, обезвоживают 16 ее на центрифугах, моют 15 в моющем растворе {МР\ сущат 14, сортируют 13 по размерам, при необходимости дробят И и прессуют 12 в брикеты Б. Полученная жидкость поступает на участок очистки и регене­ рации СОЖ, где ее очищают 3, удаляя мелкие частицы и шлам Ш, ликвидируют 4 обеднение [подают составляющие компоненты {СК)], повышают 5 биологическую стойкость на термоустановке, отделяют включения масел {М) и термостабилизируют 6, а затем подают 10 к станкам. Приготовляют 7 СОЖ на отдельном участке путем подачи холодной воды {ХВ) и СК. С этого участка жидкость подают 8 периодически к станкам. Разложение 9 от­ работанной СОЖ осуществляют на участке нейтрализации, от­ куда техническая вода {ТВ) поступает в канализацию или на приготовление новой СОЖ. При абразивной обработке с водной СОЖ (рис. 13.10, б) после гидротранспортирования 18 шлама отделяют 17 жидкость и на­ правляют ее на участок очистки и регенерации. После восстанов­ ления СОЖ ее направляют 10 к станкам. При лезвийной обработке с масляными СОЖ (рис. 10.13, в) после удаления 19 стружки из зоны резания ее отделяют от масла, которое очищают 3 от мелких частиц и подают 10 к стан­ кам. С целью компенсации потери СОЖ со стружкой и деталями масло М периодически доливают 8 в систему. При обработке лезвийным инструментом без СОЖ (рис. 10.13, г) число вспомо­ гательных операций сокращается. При создании системы энергопотоков в ГПС в качестве источ­ ника электроэнергии необходимо предусмотреть наличие транс­ форматорной станции, активная мощность которой Л/=0,25Л/у, где My — суммарная мощность всех электроустановок; 0,25 — коэффициент. Трансформаторные подстанции следует размещать в отдель­ но расположенных помещениях. Сжатый воздух получают на компрессорных станциях, которые также располагают в специ­ альных помещениях. Очистка изделий и оснастки от стружки, пыли, грязи и ма­ сел — важная часть производственного процесса. Современные методы очистки предусматривают комплексное механическое и физико-химическое взаимодействие моющих средств с очища­ емой поверхностью, в результате которого загрязнения удаляют­ ся с поверхности. Очистка, ее режим и типы моющих растворов выбирают в зависимости от вида загрязнения, размеров изделий, оснастки 235

и требований очистки. Основными характеристиками загрязне­ ний являются: фазовое состояние (вязкость жидких и температу­ ра плавления твердых загрязнений), вид связи с поверхностью материала изделия (электростатические или ионные связи), при­ сутствие мелкодисперсных твердых частиц, возможность полиме­ ризации компонентов загрязнений с образованием твердого слоя, химическое взаимодействие с моющей средой. Методы очистки изделий и оснастки: струйно-мониторный, заключающийся в подаче на очищаемую поверхность газожид­ костной смеси под большим давлением; струйный, при котором мойка осуществляется при химическом и механическом воздейст­ вии струи раствора на очищаемую поверхность; погружения, заключающийся в погружении изделия в раствор, который пере­ мешивается механически или с помощью ультразвука; продувка сжатым воздухом; ручная протирка. Струйно-мониторный метод обеспечивает высокое качество очистки поверхностей, благодаря воздействию динамического напора, высокой температуры и химической активности моющих средств. Для очистки струйно-мониторным и струйным методом необходимо иметь специальное оборудование, вытяжную вен­ тиляцию и очистные устройства. Эти методы не используют для изделий, имеющих глубокие полости, карманы, в которых может скапливаться раствор. Для изделий сложной конструкции целесо­ образно использовать метод погружения с перемешиванием рас­ твора с помощью ультразвука. Продувку сжатым воздухом применяют для очистки изделий от мелкодисперсных твердых частиц и деталей, имеющих не­ сквозные отверстия под резьбу. Для очистки используют ванны, моечные машины, агрегаты струйного обезжиривания, обдувочные камеры и др. Полный цикл мойки состоит в прогисыванни, мойке с обезжириванием, ополаскивании, сушке и охлаждении. В производственных усло­ виях может быть использован неполный цикл. При обработке деталей с охлаждением их чаще всего очищают эмульсией, при обработке без СОЖ — нагретым содовым раствором. § 7. Система управления и подготовки производства (СПП) СПП предназначена для контроля вьшолнения производственного процесса и воздействия на него в случае от­ клонений от запланированного хода производства, а также для разработки технологической и плановой документации, подго­ товки чертежей технологической оснастки, обеспечения необходи­ мыми полуфабрикатами и проведения организационных меро­ приятий по подготовке производственного процесса. 236

Первая часть основной задачи относится к системе упра­ вления производством, а вторая — к системе технической под­ готовки производства, которая подразделяется на систему тех­ нологической и организационно-материальной подготовки про­ изводства. На систему управления возлагают следующие функции: оп­ тимальное управление работой ТС; управление системами транс­ портной, складской, инструментообеспечения, технического об­ служивания, контроля качества, охраны труда; оперативное пла­ нирование загрузки оборудования; оперативный учет выпуска и качества продукции, в том числе подготовка соответствующей информации для вышестоящих уровней управления; хранение управляющих программ в долговременной и оперативной памя­ ти ЭВМ; автоматизация контроля и корректировки управляю­ щих программ; сбор, первичную переработку и хранение тех­ нической и технологической документации в ЭВМ; расчет тех­ нико-экономических показателей работы ГПС; возможность рас­ ширения функций путем блочного построения системы из типо­ вых элементов; выход из сбойных ситуаций с помощью наладоч­ ных команд. При проектировании системы управления производством сле­ дует: автоматизировать вьшолнение всех указанных функций с помощью ЭВМ; создать диспетчерский центр на случай аварий­ ного управления производством; в систему управления производ­ ством включать две взаимозаменяемые параллельно работа­ ющие ЭВМ, которые обеспечивали бы управление производст­ венным процессом и подготовку производства; систему управле­ ния производством строить по иерархическому принципу; встра­ ивать программируемые контроллеры и микроЭВМ в производ­ ственное оборудование; оснащать производственное оборудова­ ние адаптивными системами управления. Под иерархией структуры управления понимается многосту­ пенчатый пирамЕщальный принцип ее построения с подчинением низших уровней высшим. При такой структуре функции контроля и управления производством распределяются на несколько уров­ ней с приоритетом управляюпщх сигналов старших уровней. При проектировании иерархических систем следует учитывать, чтобы каждая управляющая подсистема контролировала и осуществ­ ляла управление объектами только в пределах своей зоны; каж­ дая управляющая подсистема рассматривала систему низшего уровня как самостоятельную и информацию о своей работе передавала в систему более высокого уровня. Разработка автоматизированной системы управления с раз­ граничением функций, выполняемых на каждом уровне, является первым этапом в разработке рабочего проекта автоматизирован­ ной системы управления производственным процессом. При раз­ работке структуры выбранного варианта системы управления 237

выполняются следующие работы: уточняется состав подсистем, включаемых в автоматизированную часть системы управления ГПС; регламентируются функции управления по производствен­ ным подразделениям, подсистемам, службам и обслуживающему персоналу; устанавливаются функциональные связи между под­ разделениями и подсистемами. Разработка функциональной структуры системы управления ГПС завершается составлением схемы информационных пото­ ков, которая отражает состав и маршруты движения информации между подразделениями, обслуживающим персоналом и техни­ ческими средствами системы автоматизированного управления. Основой для построения схемы информационных потоков кроме планировочного размещения всех элементов ГПС служат схемы материальных и энергетических потоков. Информацион­ ную связь осуществляют в числовом, текстовом или графическом виде. Числовая информация передает количественные парамет­ ры, полученные при расчетах и измерениях. Текстовая инфор­ мация выражает качественные свойства производственного про­ цесса и отражает условия, при которых происходит описываемый процесс. Графическая информация представляет собой диаграм­ мы, графики, схемы и чертежи. Для составления математической модели ГПС помимо мате­ риальных, энергетических и информационных потоков требуется знать и временные связи, определяющие момент поступления материала, энергии и информации на каждый объект ГПС. Для построения ГПС необходимо знать также размерные связи меж­ ду оборудованием и элементами конструкции здания, которые находят свое отражение на планировке ГПС. Схема информаци­ онных потоков наносится на планировку ГПС (рис. 13.11). Схема информационных потоков (см. рис. 13.11) позволяет оценить требования к элементам системы управления: число входов и выходов устройств сбора и переработки информации, характеристики периферийных устройств, быстродействие про­ цессоров оперативных запоминаюпщх устройств. При постро­ ении системы управления стремятся использовать серийные сред­ ства вычислительной техники. Поэтому при проектировании тре­ буется на основании экономического расчета выбрать оптималь­ ный вариант системы управления. Параллельно с разработкой системы управления производством проводится проектирование программного обеспечения системы. На базе процессов изготовления изделий задают данные для проектирования автоматизированной системы управления ТС, в которых указывают: функции системы, режим ее работы, спосо­ бы вывода оборудования из сбойных ситуаций. В техническом задании указывают число управляющих программ, необходимых для изготовления изделий, время их выполнения на оборудова238

I i

4-2;it~6

г-1;г-2

УПТП

УИПП

УК

Склад I

^ F [mo Станок

€>-

t

Станок Cmai

,

I

I

_____

6-t,...,6-1;7-t

гь [ Cm Станок

I

КИМ I

1-l;...;i-tt

- - ^

5-t

i

Рис. 13.11. С х е м а и н ф о р м а ц и о н н ы х п о т о к о в а в т о м а т и з и р о в а н н о г о участка: 1 — 1 — программы ухфавления станками, 1 — 2 — сигнал готовности н работе; 1 — 3 — сиг­ нал «Работа»; 1 — 4 — запрос о загрузке станка; 1 — 5 — сигнал «Переналадка»; / — 6 — сигнал «Простой»; 7 — 7 — запрос о разгрузке станка; 1 — 8 — сигнал об окончании обработки; / — 9 — сигнал «Конец простоя», / — 10 — сигнал о количестве обработанных деталей; 1 — И — сигнал о вводе коррекции в ЧПУ станка; 2 — / — сменное задание участку инструмеятальной подготовки производства (УИПП); 2 — 2 — информация о готовности инструментов; 2 — 3 — запрос об инструменте, 3 — 1 — сигнал о бракованных деталях; 3 —2 — информация о работе контрольно-измерительной машины (КИМ); 4 — 1 — сигнал датчиков стола накопителя; 4 — 2 — сменное задание участку подготовки транспортной партии (УПТП); 4 — 3 — сигнал датчиков о загррке склада, 4 — 4 — запрос о загрузке накопителя; 4 — 5 — запрос о разгрузке накопителя, 4 — 6 — информация о готовности транспортной партии; 5 — 1 — информация от светолокационных датчиков; 6 — 1— управляющая команда крану-штабелеру, 6 — 2 — сигнал датчиков крава-штабелера; 6 — 3 — информация о рг[боте крана-штабелера; 6 — 4 — сигнал «Сбой в работе»; 7 — 1 — сигнал «Отказ»; 7 — 2 — сообщение о причине простоя

НИИ, допустимое время задержки при передаче кадров на уст­ ройства ЧПУ оборудования и объем информации по коррек­ циям. Диагностирование подразделяется на функциональную диа­ гностику, При которой производится измерение параметров, ха­ рактеризующих состояние оборудования, и статистическую, при которой регистрируется изменение состояния оборудования и производится расчет эксплуатационных показателей его рабо­ ты. Для диагностирования система оснащается датчиками, опре239

деляющими готовность оборудования к работе, производящими поиск места и причин отказа и др. Назначение системы диагностики — обеспечивать функцио­ нирование оборудования путем оперативного определения кри­ тических и аварийных ситуаций. Это выполняется путем сбора информации о состоянии ответственных узлов основной и вспо­ могательной систем, переработки этой информации по алгорит­ му и принятия решения о возможности дальнейшего функци­ онирования элементов этих систем и вывода информации о неис­ правностях на пульт управления. Величины информационных потоков необходимо определять с учетом возможности развития ГПС, максимальных значений параметров, используемых при проектировании транспортной системы (например, максимальное число наименований изделий, подлежащих изготовлению, максимальное количество тары, на­ ибольшее сменное заданше и др.). При разработке системы управления складской системой в со­ став исходных данных включают номенклатуру изготовляемых изделий и заготовок, периодичность их выпуска, размеры и мас­ су, характеристики штабелеров, автооператоров, подъемных сто­ лов и т. д., количество захватных устройств в ПР и позиций на поворотных столах, количество стеллажей и число ячеек. При разработке систем управления транспортными и складс­ кими потоками следует определить приоритетность обслужива­ ния оборудования; разработать режимы «Запуск» и «Плановый останов»; организовать потоки заявок на доставку к месту назна­ чения для подвижных устройств, защиту системы и выход из сбойных ситуаций, подготовку информации для исполнительных устройств, устройств отображения и передачу ее при необходи­ мости в другие подсистемы. Существуют два уровня управления складской и транспорт­ ной системами. На первом уровне решаются задачи управления приводами транспортных средств; точного позиционирования их у рабочих позиций, накопителей, ячеек стеллажей; останова у транспортных средств в аварийных ситуациях; загрузки и раз­ грузки накопителей и ячеек склада. На втором уровне произ­ водятся управление материальными потоками, оценка причин, вызвавших отклонение процесса транспортирования и складиро­ вания от заданного, учет движения и хранение груза. Использование в транспортной и складской системах кодиро­ ванной тары и снабжение оборудования устройствами считыва­ ния кодов позволяют повысить надежность системы. При проектировании системы управления СИО в качестве исходных данных нужно знать: номенклатуру инструмента и дан­ ные о его стойкости; маршруты перемещения инструмента; пара­ метры СИО, определяющие размеры информационных и моде­ лирующих потоков, условия и параметры связи с другими вспо240

могательными системами. Для построения модели процесса инструментообеспечения необходимо в первую очередь решить воп­ рос оценки режущей способности инструмента в механообрабатывающем производстве. Существуют три способа оценки режу­ щей способности инструмента: контроль энергетических парамет­ ров при обработке; определение периода стойкости заранее и сра­ внивание его с суммарным фактическим временем работы инст­ румента; непосредственное измерение износа инструмента. При разработке управляющей программы СИО необходимо предус­ мотреть четыре режима ее работы: запуск, рабочий, наладочный и плановый останов. При проектировании СКК следует проанализировать две группы факторов, приводящих к браку. К первой группе относят факторы, приводящие к длительному изменению параметров качества изделий, такие, как например, изнашивание элементов оборудования и оснастки. Контроль этих факторов целесообраз­ но проводить не чаще одного раза в неделю, что делает в боль­ шинстве случаев неэффективным автоматизацию данного вида контроля. Ко второй группе относят случайные быстроизменяющиеся факторы, например, износ инструмента, погрешность установки заготовок, колебание твердости и глубины резания и др. Действие этих факторов заставляет использовать различные методы и средства автоматического контроля (контроль загото­ вок перед обработкой и др.). Для СКК разрабатывают следу­ ющие управляющие программы: программу активного контроля параметров качества изделий в рабочей зоне оборудования; про­ грамму, обеспечивающую управление уровнем настройки обору­ дования по результатам контроля параметров качества в партии изделий; программу приемочного контроля (полную или выбо­ рочную). На основании информации, полученной от средств диагности­ ки, производят замену элементов или блоков и дают инфор­ мацию об их месторасположении на складе запчастей. С помо­ щью специальных табуляграмм определяют вид ремонта. Оценка состояния оборудования системой диагностики обычно выполня­ ется на основании анализа переходных процессов, автоколебаний и шумов, сопровождающих работу отдельных узлов и блоков. Автоматический опрос датчиков и обработка их результатов на ЭВМ позволяют выявить причину, вызвавшую отклонение в работе оборудования, и определить приоритет ремонтного обслуживания. После устранения неисправности производят те­ стовый контроль оборудования. Управление СТО предусматривает контроль работы систем удаления стружки, раздачи СОЖ, подачи электроэнергии и сжа­ того воздуха. Информация о работе этих систем поступает на ЭВМ, где определяется их состояние. Работа системы диагностики и управления системой охраны труда в основном сводится к проверке датчиков, контролиру241

ющнх безопасную работу обслуживающего персонала и санитар­ ные условия труда; различных блокировочных устройств, а также к отработке сигналов с датчиков на аварийное отключение произ­ водственного оборудования. В функции системы технологической подготовки производст­ ва входят: обеспечение технологичности конструкции изделия, проектирование технологических процессов оснастки, заготовок и разработка управляюпщх программ. Технологичность изделий связана с такими требованиями, как снижение номенклатуры изготовляемых изделий путем их унифи­ кации и стандартизации; развитие конструктивного подобия и унификации поверхностей для типизации технологических про­ цессов; проработка конструктивных форм изделий, позволяющих с необходимой точностью и жесткостью устанавливать изделия на оборудовании при их изготовлении, транспортировании, скла­ дировании, контроле качества и др.; изготовление изделий при минимальном количестве операций и переходов за счет исполь­ зования единых технологических баз; изменение конструкции из­ делия с учетом использования при его изготовлении стандарт­ ного инструмента, унифицированной оснастки, транспортных, складских и других средств. Автоматизированное проектирование технологических про­ цессов и разработку управляющих программ можно осуществить, основываясь на одном из следующих методов. Метод адресации, который основан на использовании принципа унификации, целе­ сообразен при внедрении в ГПС групповых и типовых технологи­ ческих процессов. Метод синтеза с изделием-представителем ис­ пользуется, если это изделие не содержит весь состав элементов технологического процесса (операций, переходов, ходов), кото­ рый следует вьшолнить при изготовлении изделия, что приводит к необходимости синтезировать его структуру на базе данных не только о групповых и типовых технологических процессах, но и об единичных. Метод синтеза без изделия-представителя пре­ дусматривает проектирование индивидуального технологическо­ го процесса, опираясь на общие закономерности технологии ма­ шиностроения. Параллельно с проектированием процесса изготовления изде­ лий разрабатывается оснастка. В ГПС желательно ориентиро­ ваться на унифицированную оснастку. Основой для унификации оснастки являются унифицированные технологические процессы. Она должна обеспечить помимо требуемой точности изготовле­ ния изделий и возможности закрепления широкой номенклатуры заготовок с помощью простейших элементов, свободный доступ режущего, слесарно-сборочного или контрольно-измерительного инструмента, а также обладать возможностью использования ее для транспортирования и хранения полуфабрикатов. 242

Высший уровень управления включает системы оператив­ но-производственного планирования, учета и диспетчирования. В задачу системы оперативно-производственного планирования входят: обеспечение равномерного выпуска изделий при непре­ рывной загрузке оборудования, сокращение длительности про­ изводственного цикла и своевременное удовлетворение нужд потребителей. Оперативно-производственное планирование, яв­ ляясь более высоким уровнем управления, охватывает весь цикл изготовления изделий от стадии подготовки производства и ма­ териально-технического снабжения до выхода готовой продукции изГПС. В зависимости от условий производства и методов его ор­ ганизации применяют различные системы оперативно-произво­ дственного планирования. Наиболее типичными из них явля­ ются: показная, при которой устанавливают цикловые графики выполнения каждого задания в согласовании с другими зада­ ниями; серийная по опережениям, которая предусматривает из­ готовление нормированной серии изделий на каждой стадии производственного процесса; система планирования на склад, основывающаяся на накоплении складского запаса полуфабри­ катов; система по цикловым комплектам, когда производится группирование полуфабрикатов в зависимости от длительности цикла их производства, времени подачи на участки и техно­ логического маршрута; система по комплектовочным номерам, когда группирование производится в зависимости от включения деталей в сборочные единицы; система по заделам, когда на каждой операции устанавливают норматив задела по каждому виду полуфабрикатов. В функции системы учета входит регистрация хода производ­ ственного процесса и использования энергии, материалов и др. Эти функции система решает путем диагностирования процессов, протекающих в основной и вспомогательных системах. Из систе­ мы учета информация, содержащая данные о функционировании ГПС, в определеный момент поступает в систему диспетчирова­ ния, которая принимает решения, направленные на устранение несоответствия между запланированным и реальным ходом про­ изводства, и реализует эти решения путем передачи управляющей информации на системы управления основной и вспомогатель­ ными системами, а также на СПП и оперативно-календарного планирования. Общее программное обеспечение и общее специальное про­ граммное обеспечение чаще всего не разрабатываются, так как они поставляются вместе с вычислительной машиной. При раз­ работке технического задания на проектирование специального программного обеспечения указываются все необходимые дан­ ные, полученные в ходе технологического проектирования ГПС, 243

а также язык и структура управляющих программ, возможность их редактирования. На заключительном этапе проектирования С1Ш проводят выбор технических средств и их размещение в ГПС. При выборе технических средств ориентируются на серийные устройства под­ готовки информации, ее ввода и вывода, внешние накопительные устройства, устройства передачи и сбора информации, ее раз­ множения, процессоры. Выбор проводится на основании следующих параметров: вре­ мени преобразования информации, емкости устройства, разряд­ ности слов, системы счисления, объема информации, достовер­ ности информации, эксплуатационной надежности и стоимости устройства. ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ 1. Расосажите оструктуреСС. 2. Кажие операции включает типовой техволотэтеский ма1И1фут складнрования? 3. Как клаояфицируются ТС? 4. Какие функция вьшоляяег СИО? 5. Расскажите оструктуреСИО? 6. Какие виды KOHtpoju качества яздалий Вы знаете? 7. Какие функция выполняет СТО? 8. Что вам язвество о принципах построения систем у1фавлевия производст­ венными процессами? 9. Расскажите оструктуресистемы ущ)авленяя я подготовки производства.

Глава 14

Компоновка

И планировка ГПС § 1. Пршщапы аостроешш компоновочных решении Синтез элементов проводится на протяжении все­ го процесса проектирования ГПС и имеет три иерархических этапа: компоновки, построения схемы размещения оборудования и планировочный. На первом этапе происходит размещение про­ изводственных подразделений, на втором — построение схемы размещения оборудования в производственных подразделениях, на третьем — окончательное размещение всего производствен­ ного оборудования в ГПС. После компоновки ГПС образуется система материальных, информационных и энергетических связей, определяющая вза­ имодействие подразделений ГПС. Выбор состава подразделений и формирование связей между ними проводится на основе приня244

того в проекте критерия. При проектировании ПТС стремятся достигнуть минимальной мощности грузопотока, объема цир­ кулирующей информации и потребляемой энергии. Окончатель­ ное формирование ГПС происходит на планировочном этапе, когда размещается оборудование ГПС. Целесообразно в качестве критерия при построении ГПС вы­ брать минимум мощности грузопотока. Создание системы мате­ риальных потоков позволит определить расположение проездов, количество транспортных средств, стратегию управления ими, коэффициент загрузки технологического оборудования и т. п. Задача компоновочного этапа формулируется следующим об­ разом. Заданы множества подразделений ГТ1С R={ri, Гг, ..., г„}, площади этих подразделений S={Su S2,..., S„}, величина матери­ альных потоков между ними Q = {qu 92, ••-, Яп} и ограничения на размещение этих подразделений. Требуется найти такое располо­ жение множества R с площадью S и взаимными материальными связями между ними Q, которое обеспечит экстремум функции минимума мощности грузопотока. 14.1. Прокподствеввые марпруты в груиякпокш Группа нздепнн Корпусные детали Валы Зубчатые колеса Комплектующие изделия

М81ищ>уг

10 —3 — 1 —8 —S —4 —5 —10 10 — 5-2-5-4 — 5 — 10 10 — 5 — 3 — 4 — 5 — 10 10 — 5 — 4 — 5 — 10

Грузопотох, тДюд 1500 1000 1000 500

В качестве исходных данных при компоновке ГПС необходи­ мо иметь состав основных и вспомогательных подразделений, производственные маршруты изделий, величины грузопотока для каждого маршрута и площади каждого подразделения. Мар­ шруты грузопотока можно задавать списочной структурой, мат­ рицей материальных связей и графом. Исходя из условия использования унифицированных типовых секций при строительстве проюводственных зданий, в качестве ограничения при проектировании нового производства принима­ ются стандартная длина пролета, состоящая чаще всего из четы­ рех клеток, равная 48 м, и нормализованный ряд ширины проле­ та. При реконструкции производства длина, ширина и количест­ во пролетов заранее известны. Производственные подразделения рационально располагать с двух сторон вдоль пролета, это опре­ деляет с учетом ширины магистрального проезда и принятой ширины пролета ширину, а следовательно, и длину производст­ венных подразделений. Построение рациональной компоновки ГПС рассмотрим на следующем примере. Автоматизированный цех состоит из участ245

1500

Рис. 14.1. Графы матери­ альных потоков между подразделениями {а — в) и компоновочное решение ГПС(г)

24м 4м

ков, изготовляющих: 1 — корпусные детали площа­ дью 450 м^; 2 — валы площадью 400 м^; 3 — зубчатые колеса площа­ дью 360 м^, а также сбо­ рочного участка 4 площа­ дью 400 м^ и подразделе­ Т//7 ний; 5 — склада пло­ г; щадью 80 м^; 6 — инстру­ ментальной подготовки производства площадью 80 м^; 7 — ре­ монтного площадью 80 м^; 8 — контрольного площадью 30 м^; 9 — управляющего вычислительного комплекса площадью 40 м^. Рассмотрим случай, когда вход и выход 10 на производствен­ ных участках и в цехе совпадают, что сокращает количество холостых пробегов внутрицехового и межоперационного транс­ порта. Заданы следующие маршруты изготовления изделий и вели­ чины грузопотоков (табл. 14.1). На первом этапе компоновки строят граф материальных свя­ зей между подразделениями, причем ребра графа отражают вели­ чину материального потока между ними. Из анализа графа мате­ риальных связей (рис. 14.1, а) видно, что наибольшее значение материального потока с входом-выходом 10 из цеха у автомати­ зированного склада 5, который и располагаем около входа-выхо-

tz4

246

да 10 (рис. 14.1, г). Причем склад следует размещать между двумя пролетами, так как в этом случае центр тяжести площадки склада будет размещен между наибольшим количеством производствен­ ных подразделений, что сократит длину грузопотока всей ГПС. При этом длина склада вдоль пролета будет равна 4 м при стандартной ширине пролета 24 м и ширине магистрального проезда 4 м (рис. 14.1, г). Преобразуем граф (рис. 14.1, б) с учетом того, что авто­ матизированный склад уже размещен в цехе. Следующим по объему грузопотока является сборочный участок 4 — граф с ве­ ршиной 10; 5, который располагаем слева от входа-выхода из цеха (рис. 14, г). Вновь преобразуем граф материальных связей с учетом размещенных на плане цеха автоматизиро­ ванного склада и сборочного участка. Из графа (рис. 14.1, в) видно, что наибольшие материальные потоки связывают верпшны 10; 5; 4 с двум участками валов 2 и зубчатых колес 3. В первую очередь размещаем участок зубчатых колес 3, так как он связан как со складом, так и со сборочным участком (см. рис. 14.1, б), а затем располагаем участок 2. Оставшиеся участок 1 корпусных деталей и контрольное отделение 8 раз­ мещаем с учетом того, что в первую очередь с правой стороны от автоматизированного склада должен находиться участок, имеюпщй наименьшую площадь, что позволяет приблизить гра­ ницу между подразделениями 1 и 8 к границе склада 5. Таким подразделением является контрольное отделение 8. Размещение участков и подразделений, не связанных с основ­ ным материальным потоком, проводят в последнюю очередь и так, чтобы граница цеха и проезд между производственными подразделениями по возможности приближались к прямой ли­ нии. К задаче построения оптимальных материальных потоков относится также вопрос расположения входов и выходов с произ­ водственных подразделений. Минимальный транспортный путь будет тогда, когда вход и выход из подразделений будут нахо­ диться как можно ближе один к другому. Применительно к рас­ сматриваемому случаю входы-выходы с участков 3 и 5 следует совместить, а вход-выход с участка 4 расположить напротив этих участков (см. рис. 14.1, г, зачерненные прямоугольники). Из тех же соображений определяем расположение входов-выходов на оставшихся производственных подразделениях. § 2. Проектирование схем размещения оборудования в ГПС Второй этап формирования ГПС — построение схемы размещения оборудования в подразделениях с изображе­ нием на ней материальных связей. При линейном принципе формирования производственных участков построения схемы не 247

вызывает трудностей, так как оборудование размещают по ходу технологического процесса. В ГПС, особенностью которой явля­ ется множество различных технологических процессов, задача выбора оптимальной схемы требует значительного времени на решение. При широкой номенклатуре изделий экономически це­ лесообразным становится изменять схему производства при сме­ не номенклатуры, идя на дополнительные затраты при создании крановых пролетов и затраты, связанные с демонтажом оборудо­ вания, что в дальнейшем окупится за счет сокращения затрат на транспортирование, увеличения загрузки технологического обо­ рудования, повышения гибкости производства, оперативности управления им и т. д. Задача синтеза схемы производства фомулируется следу­ ющим образом. Задано множество производственного оборудо­ вания P={pi, рг, ..., Ря}, величина материальных связей между ним Q = {qi, qi, - , qp), размеры оборудования V-{vi, ьг, ..., Vp} и ограничения на размещение оборудования. Требуется найти такое расположение множества Р в объеме V при материальных связях Q, которое обеспечивает минимум мощности грузопотока. В качестве исходных данных при синтезе схемы производст­ венных участков необходимо иметь состав оборудования на них, производственные маршруты изделий, величины грузопотока для каждого маршрута и размеры оборудования. Выбор струк­ туры установочных мест может быть произведен на базе типовых схем таких мест для оборудования (рис. 14.2). Для грузопотока величиной до 3000 т/год целесообразно использовать размещение оборудования по схеме, показанной на рис. 14.2, а, а более этой величины по схеме на рис. 14.2, б. В стесненных условиях произ­ водства при малых грузопотоках используют расстановку, пока­ занную на рис. 14.2, в, а при больших — на рис. 14.2, г. Окончательный синтез ГПС происходит на последнем этапе проектирования, когда формируется планировочное решение всех то

ТО

Входвыход

то

ТО

ТО

то

Вход

то

ТО

Выход

то

ТО

ТО

Входвыход

то

то

ТО

б)

а)

ТО

то

то

ТО Вход

1

Выход

в) Рис. 14.2. Схемы установочных мест для технологического оборудования (ТО) 248

Рис. 14.3. Автоматизированный участок для обрабоки деталей типа тел вращения и плоских призматических деталей: / — Ътанок; 2 — накопитель; 5 — кран-штабелер; 4 — стеллаж; 5 — кон­ сольный кран; 6 — пульт управления, 7 — конвейер, 8 — консольная секция; 9 — стол комплектовщика; 10 — монорельсовая транспортная система с автоматическим адресованием: трасса, электротягач, защитное устройство; 11 — система сгружкоудаления; ИРК — инструментальнораздаточная кладовая; УСП — универсально-сборные приспособления

элементов системы. Размещение всех элементов ГПС в простран­ стве происходит на этом этапе на базе принятых компоновочных и топологических решений. На плане ГПС необходимо иметь систему материальных, информационных и энергетических пото­ ков, что позволит дать полное представление об организации производства и управления им. Принятое планировочное реше­ ние должно полностью реализовывать спроектированный произ­ водственный процесс, обеспечивая выполнение всех поставлен­ ных условий и достигая при этом минимума приведенных затрат. Комплексный подход к автоматизации производства требует решения задач по автоматизации загрузки и разгрузки оборудо­ вания с помощью ПР или автоматических стыковочных агрега­ тов, а также по автоматизации доставки полуфабрикатов к рабо­ чим позициям посредством робокар, кареток-операторов, крапов-шталеберов и др. На рис. 14.3 приведен план автоматизиро­ ванного участка для обработки деталей типа тел вращения, где транспортирование полуфабрикатов осуществляется монорель­ совой транспортной системой с автоматическим адресованием грузов. ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ 1. Сформулируйте задачу компоновочного этапа. 2. Какой критерий используется ва этапе првнятвя планировочного решения ГПС?

с п и с о к ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматкшровавное проектирования и производство в машиностроении/Ю. М. Соломенцев, В. Г. Митрофанов, А. Ф. Прохоров и др. М.: Машиност­ роение, 1986. 256 с. 2. Автомятюировашвде системы управления предприятиями/В. Н. Четвери­ ков, Г. Н. Воробьев, Г. И. Казаков и др. М.: Высш. шк., 1979. 303 с. 3. Лидере А. А., Потапов И. М., Шулешкав А. В. Проектирование заводов и механосборочных цехов в автотракторной промышленности. М.: Машиност­ роение, 1982. 271 с. 4. Базров Б. М. Расчет точности машин на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984. 256 с. 5. Балакшнн Б. М. Основы технологии машиностроения. М.: Машиност­ роение, 1969. 559 с. 6. Багель Дж. Управление производством.— М.: Мир, 1973. 304 с. 7. Вевтцель Е. С. Исследование операций. М.: Сов. радио, 1972. 552 с. 8. Волчкеввч Л. И., Ковалев М. П., Кузнецов М. М. Комплексная автоматиза­ ция производства. М.: Машиностроение, 1983. 269 с. 9. Гибкое автоматизироваЕшое щюизводство/В. О. Азбель, В. А. Егоров, А. Ю. Звоннцкий и др. Л.: Машиностроение, 1985. 454 с. 10. Гибкие производственные комплексы/В. А. Лещшко, В. М. Киселев, Д. А. Куприянов и др. М.: Машиностроение, 1984. 384 с. 11. Гусев А. А. Адаптивные устройства сборочных машин. М.: Машиност­ роение, 1979. 208 с. 12. Егоров В. А. Автоматизация проектирования предприятий. Д.: Машиност­ роение, 1983. 327 с. 13. Ждаяович В. Ф., Гай Л. Б. Комплексная автоматизация и механизация в механических цехах. М.: Машиностроение, 1976. 288 с. 14. Игнатьев М. Б., Ильевский В. 3., Клауз Л. П. Моделирование систем машин. Л.: Машиностроение, 1986. 304 с. 15. Комиссаров В. И., Леонтьев В. И. Точность, производительность и надеж­ ность в системе проектирования технологических процессов. М.: Машиностро­ ение, 1985. 224 с. 16. Максимей И. В. Имитационное моделирование он ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988. 232 с. 17. Маликов О. Б. Склады гибких автоматических производств. Л.: Машино­ строение, 1986. 187 с. 18. Парамонов Ф. И. Моделирование процессов производства. М.: Машиност­ роение, 1984. 232 с. 19. Проектирование машиностроительных заводов и цехов: Справочник в 6-ти т./Б. И Айзенберг, М. Е. Зельдис, Ю. Л. Казарновский и др. М.: Машиност­ роение, 1974 — 1975. 251

20. Пуш В. Э., Пигерт Р., Сосовкин В. JL Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1982. 319 с. 21. Размервый анализ технологических процессов/В. В. Матвеев, М. М. Тверс­ кой, Ф. И. Бойков и др. М.: Машиностроение, 1982. 264 с. 22. Робототехвшса и гибкие автоматизированные производства: в 9-ти кн. Кн. 5: Моделирование робототехнических систем и гибких автоматизированных щ)оизводств: Учебное пособие для втузов/С. В. Пантюхин, В. М. Назаретов, О. А. Тягунов и др. М.: Высш. шк., 1986. 175 с. 23. Серов Н. К. Процессы и мера времени. Л.: Наука, 1974.191 с. 24. Сметав Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1985. 271 с. 25. Техянческав подготовка гибких автоматизированных сборочно-моатажных производств в приборостроении/Н. П. Меткий, М. С. Лапин, В. И. Гольц в др. Л.: Машиностроение, 1986. 192 с. 26. Технологическая подготовка гибких производственных систем/С. П. Мит­ рофанов, Д. Д. Кулипов, О. Н. Миляев н др. Л.: Машиностроение, 1987. 352 с. 27. Управлеше ГПС: Модели и алгоригмы/Е. Д. Воронина, В. И. Плескунин, Б. Ф. Фомин и др. М.: Высш. шк., 1987. 368 с. 28. Чарико Д. В. Основы выбора технологического процесса механической обработки. М.: Машгиз, 1963. 320 с. 29. Чарико Д. В., Хабафов И. Н. Основы щх>ектирования механосборочных цехов. М.: Машиностроение, 1975. 348 с. 30. Шекюв Р. Ишгтационное моделирование систем. М .: Мир, 1978. 417 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

3

Введение Раздел I. ПРОИЗВОДСТВО И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС

10 .

12

Глава 1. Общие положганш о процессе § 1. Охфеделение процесса § 2. CBCxeBiia иачязггаиыя, характеризующих процесс § 3. Рассеяние по1^азателей процесса § 4. Модуль продолжительности процесса § 5. Методические основы изучения щюцессов Вопросы для самопроверки

12 12 IS 20 22 24 30

Глава 2. Проюжодспо • его характериспоси § 1. Основные понятия и определения § 2. Предмет производства и предмет потребления § 3. Производственный и технологический щюцесо! § 4. Качество щзоизводственного процесса § 5. Производительность процесса и технологичность изделиа Вопросы для самопроверки

30 30 31 33 42 51 59

. .

Глава 3. Взашнюсвязь конструкции изделии с процессом его изготовления § 1. Геометрическая структура изделий § 2. Фуикдгюнальные и технологические системы размеров . . . § 3. Основы теории 1фостранственно-временных взаимодействий . § 4. Основы базирования § 5. Геометрическое и силовое замыкание § 6. Смена баз § 7. РазмерЕц>ш ана^шз взаимодействий § 8. Методы достижения точности замыкания Вопросы для самопроверки

59 59 65 68 74 8? 90 93 96 103

Глава 4. Создавве процессов с задаивымв свойствамв 103 § 1. Гибкость производственной cncreitad 103 § 2. Организационные формы щзоизводственного процесса . . . 105 § 3. Система критериев и ограничений 109 § 4. Принципы построения производственных процессов . . . . 113 § 5. Номенклатура изделий 123 § 6. Понятие о заготовке 124 § 7. Выбор технологических баз 128 § 8. Оценка точности варианта базирования 131 § 9. ПостроеЕше временной структуры технологической операции 137 § 10. РазмерЕВ.я настройка оборудования 140 § 11. Управление процесом производства 143 § 12. Механизация и автоматизация производства 145 § 13. Безотходная технология и экология производства . . . . 147 Вопросы для самопроверки 148 253

Раздел П. ОСНОВЫ СИСТЕМ

МОДЕЛИРОВАНИЯ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 149

Глава 5. Основные положения теории систем § 1. Основные понятия и определения § 2. ПриЕщипы системного подхода к моделированию Вопросы для самопроверки Глава 6. Общие вопросы моделирования производственных систем § 1. Сущность моделирования § 2. Классификация моделей Вопросы для самопроверки

149 149 151 154 . . . 154 154 156 159

Глава 7. ГПС как объект моделирования § 1. Структура ГПС § 2. Принципы проектирования ГПС § 3. Временные связи, действующие в производственном процессе Вопросы для самопроверки

160 160 161 162 164

Глава 8. Формализация производсгвганого процесса в ГПС

164

§ 1. Декомпозиция ГПС § 2. Формализация функционирования технических средств ГПС § 3. Модели потока заявок на транспортную систему § 4. Модели отказов оборудования Вопросы для самопроверки

164 167 168 170 171

Глава 9. Анализ ГПС на основе теории массового обслуживания . . . . § 1. Понятие системы массового обслуживания § 2. Построение модели СМО § 3. Пример анализа ГПС с использованием теории массового об­ служивания Вопросы для самопроверки

171 171 172 175 178

Глава 10. Анализ и синтез ГПС с использованием нмвтацно1вого моделиро179 § 1. Основы создания имитационной модели производственного 1фоцесса в ГПС § 2. Унифицированный алгоритму-го агрегата § 3. Построение имитационной модели производственного процесса в ГПС § 4. Модели имитации стохастических входных параметров . . . § 5. Пример имитационной модели функционирования ГПС механи­ ческой обработки Вопросы для самопроверки Раздел Ш. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ

ГИБКИХ

179 180 183 189 190 195

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 196

Глава 11. Анализ и синтез ГПС 196 § 1. Основы проектирования ГПС 196 § 2. Критерии оценки и последовательность выполнения проектных решений ГПС 197 § 3. Структурный синтез ГПС 200 Вопросы для самопроверки . . . . 200 254

Глава 12. Проектирование основной системы § 1. Расчет количества основного оборудования § 2. Выбор принципа построения основной системы Вопросы для самопроверки

201 201 203 206

Глава 13. Проектаровавие вспомогательвых систем 207 § 1. Складская система (СС) 207 § 2. Транспортная система 212 § 3. Система инструментального обеспечения (СИО) 217 § 4. Система контроля качества (СКК) изделий 222 § 5. Система охраны труда 228 § 6. Система ремонтного и технического обслуживания (СТО) . . 2 3 1 § 7. Система управления и подготовки производства (СПП) . . . 236 Вопросы для самопроверки 244 Глава 14. Компоновка • планировка ГПС § 1. Принципы построения компоновочных решений § 2. Проектирование схем размещения оборудования в ГПС Вопросы для самопроверки Список литературы

244 244 . . . 247 250 251

Учебное издание Медведев Виктор Алексеевич, Вороиевко Владимир Павлович, Брюхажж Владимир Николаевич, Митрофавов Владимир Георгиевич, Червяков Леонид Михайлович, Схиртладзе Александр Георгиевич ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСГВЕННЫХ СИСТЕМ Редактор В. А. Козлов Художник К. Э. Семенков Художественный редактор Ю. Э. Иванова Корректор В. А Жилкина Оператор В. Н. Новоселова Компьютерная верстка Н. С. Михайлова ЛР 010146 от 25.12 96. Изд № ОТМ-31 Сдано в набор 01.09.99 Подп в печать 16 02.2000 Формат 60x88 У,,,. Бум газетн. Гарнитура «Тайме» Печать офсетная. Объем 15,68 уел печ л , 15,68 усл. кр -отт., 16,50 уч.-изд л. Тираж 6000 экз. Зак. № 715 Издательство «Высшая школа», 101430, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14 Набрано на персональных компьютерах издательства Отпечатано в ГУП ИПК «Ульяновский Дом печати», 432601, г Ульяновск, ул. Гончарова, 14