Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 2
Глава I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕШОЛОГІІЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНМЕСБ1Х ЦЕХОВ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В САПР 8
І.І.. Автоматизация технологического проектирования
элементов производственных систем и подразделений механообрабатывающего производства II
1.2,. Автоматизация проектирования технологических процессов механической обработки деталей 18
І.З.. Математические модели и метода оптимизации загрузки и выбора оборудования 26
1.4.. Выводы и постановка задачи исследования 36
Глава 2.
2.1. Комплекс математических моделей оптимизации выбора технологических процессов и состава оборудования механических цехов 40
2.2. Критерий и общецеховые ограничения
2.2.1. Анализ показателей проекта цеха 48
2.2.2. Критерий оптимальности технологического проектирования цеха 50
2.2.3. Структура общецеховых ограничений 53
2.2.4. Ограничения по ресурсам 54
2.2.5. Ограничения по нормативным показателям 56
2.3. Ограничения по условиям увязки вариантов технологического процесса обработки детали - 275
2.3.1. Структура вариантов технологических процессов механической обработки деталей 59
2.3.2. Ограничения по обязательности и невозможности совместного назначения отдельных вариантов разных операций технологического процесса 64
2.3.3. Определение трудоемкости вариантов детале-операпий с учетом ограничений по их увязке 2.4. Модель Хг оптимизации выбора технологических процессов и состава оборудования участка вновь проектируемого механического цеха 69
2.5. Модель X оптимизации выбора технологических процессов и состава оборудования вновь проектируемого цеха 75
2.6. Модели оптимизации выбора технологических процессов и состава оборудования с учетом оптимального использования уже имеющегося оборудования 77
Выводы по главе 83
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ЖСШШ ЖїТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ И АЛГОНШОВ АРОМАТИЗИРОВАННОГО РЕШЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ЗАДАЧ 85
3.1. Исследование возможности применения известных методов целочисленного для решения задачи Хг 85
3.2. Специальный приближенный метод решения задачи с процедурой направленного спуска 97
3.2.1. Получение начального решения 99
3.2.2. Процедура направленного спуска 101
3.2.3. Учет ограничений по ресурсам и нормативным показателям 106
3.2.4. Общая схема приближенного метода с процедурой направленного спуска и его модификации 109
3.3. Исследование эффективности специального приближенного метода решения задачи Хг ПО
- 276
3.5.1. Сравнительная оценка результатов экспериментальных исследований ПО
3.3.2. Исследование зависимости времени решения задачи от ее размерности 116
3.3.3. Конфигурация метода в зависимости от условий решения задачи 118
3.4. Декомпозиционный метод решения задачи X с алгоритмом перераспределения по участкам цеха ограничений по ресурсам и нормативным показателям 121
3.5. Методы решения задач оптимизации выбора технологических процессов и состава оборудования с учетом оптимального использования имеющегося оборудования 127
3.5.1. Модификации методов и алгоритмов решения задач Хг
и X для задач \ и X 127
3.5..2. Приближенный алгоритм решения задачи XY 128
Выводы по главе 129
Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ, ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОПТИМАЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ЦЕХОВ (АОТП МЦ) 131
4.1. Подготовка входной информации 131
4.1.1. Входные документы 132
4.1.2. Способы определения трудоемкости вариантов выполнения детале-операций 133
4.1.3. Способы разработки вариантов технологических процессов и требования к автоматизированному проектированию технологических процессов 134
4.2. Организация и структура НСИ 135
4.3. Алгоритмы автоматизированного проектирования 138
4.3.1. Алгоритм автоматического расширения числа вариантов детале-операций с учетом технологической взаимозаменяемости оборудования 138
- 277
4.3.2. Алгоритм расчета численности вспомогательных рабочих, основных данных и технико-экономических показателей проекта цеха 141
4.4. Программное обеспечение 141
4.4.1. Основные характеристики и возможности 141
4.4.2. Структура и функционирование программных модулей 143
4.4.3. Модификация программного обеспечения для задач реконструкции 1
4.5. Выходные документы 147
4.6. Экспериментальные исследования и результаты промышленной эксплуатации АОТП МЦ 1 4.6.1. Варьирование оптимальными решениями в человеко-машинном режиме проектирования и сравнительная оценка показателей различных вариантов проектов механических цехов 148
4.6.2. Исследование влияния оптимизации на основные технико-экономические показатели проекта цеха и возможности применения частных критериев оптимальности 153
4.6.3. Влияние оптимизации на структуру оборудования, концентрацию операций и предметную заїлкнутость участков цеха 156
4.6.4. Исследование зависимости изменения целевой функции от задаваемых ограничений 158
4.7. Область применения разработанных методов и средств
АОТП МЦ 162
4.8.. Экономическая эффективность внедрения АОТП МЦ 164
Выводы по главе 165
ЗАІШЧЕНМЕ 168:
ЛИТЕРАТУРА 173
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 195
ПРИЛОЖЕНИЯ 200
- 278
1. Материалы внедрения результатов и системы АОТП МЦ 201
2. Материалы передачи и включения системы АОТП МЦ в отраслевой специализированный фонд алгоритмов и программ (ФАП) САПР тракторного и сельскохозяйственного машиностроения СССР 215
3. Материалы передачи системы АОТП МЦ институту Гипро-сельмаш 223
4. Входные документы АОТП МЦ 226
5. ГОшссификаторы НСИ АОТП МЦ 239
6. Выходные документы АОТП МЦ по выполненным проектам объектов сельхозмашиностроения 246
Введение к работе
Актуальность работы. Широкое использование математических методов и ЭНЛ для получения оптимальных проектных решений имеет большое значение для реализации выдвинутых ХХУТ съездом КПСС, ноябрьским (1982 г.), декабрьским (1983 г.) и апрельским (1984 г.) Пленумами ЦК КПСС, принятым в августе 1983 г. постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве" задач интенсификации и повышения эффективности производства, экономии материальных, трудовых и финансовых ресурсов.
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года особенно подчеркивается необходимость "... Расширять автоматизацию проектно-конст-рукторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники..." [і, с. 144J.
В целевой комплексной программе по созданию систем автоматизированного проектирования (САПР) в машиностроении и комплексных программах развития САПР в ряде машиностроительных отраслей на И пятилетку и до 1990 года значительное место отводится автоматизации проектирования технологических процессов (АЛТП) и автоматизации проектирования производственных систем (заводов, цехов, участков) . В этих направлениях САПР применение математических методов оптимизации особенно актуально при автоматизации технологического проектирования производственных систем, где принимаются технологические решения, от которых непосредственно зависят все основные технико-экономические показатели производства.
Эти решения определяются в основном выбранными вариантами технологических процессов (ТП) изготовления деталей. В имеющихся системах АПТП оптимизация технологических решений обычно проводит - з ся для элементов ТП отдельно взятой детали. Однако даже оптимальны!! вариант обработки отдельно взятой детали может привести к неравномерной загрузке, дорогостоящему составу оборудования, к невыполнению требуемых технико-экономических показателей проектируемого объекта, т.е. не удовлетворять критерию оптимальности технологического проектирования более высокого уровня, относящемуся к цеху (участку) в целом. Оптимизация технологических решений по такому критерию для всей совокупности изготовляемых в цехе деталей приобретает при проектировании цеха особую важность, так как здесь определяется состав оборудования, оказывающий наибольшее влияние на показатели проекта и другие элементы производственной системы.
В значительной степени это относится к технологическому проектированию механических цехов, где ТП СЛОЕНЫ И глноговариантны, при этом имеется техническая возможность выполнения одних и тех же операций обработки деталей на станках различной степени автоматизации, специализации и производительности. При проектировании многономенклатурного производства возникают комбинаторные экстремальные задачи большой размерности, для эффективного решения которых известные в настоящее время математические модели и алгоритмы оптимизации не могут быть применены и требуется создание новых методов и средств автоматизированного оптимального проектирования.
Таким образом, существует актуальная научная задача создания эффективных методов и средств автоматизированного комплексного решения задач оптимизации структуры ТП и состава металлорежущего оборудования в САПР механических цехов машиностроительных заводов.
Цель диссертационной работы - исследование и разработка математических моделей и алгоритмов оптимизации структуры ТП и состава оборудования в САПР механических цехов для повышения эффективности автоматизированного проектирования.
Научная новизна. В диссертации оптимизация выбора ТП и состава оборудования в САПР механических цехов рассматривается как единая комплексная задача выбора оптимального технологического решения для всей совокупности обрабатываемых деталей, оборудования и производственных участков с общецеховым критерием оптимальности, что значительно повышает экономическую эффективность от разработанных средств САПР.
В диссертации предложены, разработаны, исследованы и выносятся на защиту:
комплекс математических моделей оптимизации выбора ТП и состава оборудования в САПР механических цехов (сформулированных в виде задач нелинейного целочисленного программирования) для различных случаев проектирования с единым критерием оптимальности, общецеховыми ограничениями, учетом специфики механической обработки и наилучшего использования уже имеющегося в цехе оборудования, в том числе способ формализованного описания совокупности возможных вариантов ТП обработки деталей путем задания линейных ограничений по невозможности и обязательности совместного назначения на матрице возможных вариантов выполнения детале-операций;
методы и алгоритмы автоматизированного решения оптимизационных задач в САПР механических цехов, в том числе специальный при -ближенный метод с процедурой направленного спуска по эвристическим правилам для решения задачи оптимизации выбора ТП и состава оборудования участка механического цеха и итерационный адаптивный алгоритм перераспределения ограничений по участкам для решения этой задачи для цеха в целом;
новые элементы усовершенствованных средств САПР - компонен -тов методического, информационного, математического и программного обеспечения системы автоматизированного оптимального технологического проектирования механических цехов (АОТП МЦ);
полученные при экспериментальных исследованиях и промышленной эксплуатации системы АОТП МЦ для ряда механических цехов заводов сельхозмашиностроения результаты сравнительной оценки разных вариантов проекта (структуры ТП и состава оборудования); данные о зависимости показателей проекта цеха, целевой функции, состава оборудования и структуры ТП от различных ограничений, факторов и критериев оптимальности; экономическая эффективность оптимизации при автоматизированном проектировании.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
созданы математические модели, алгоритмы и методика автоматизированного решения задач оптимизации выбора ТП и состава оборудования, позволяющие эффективно решать в САПР механических цехов за приемлемое машинное время оптимизационные задачи для реальных многономенклатурных участков и цехов;
разработаны средства АОТП МЦ, применение которых обеспечивает за счет оптимизации снижение на 10-45$ приведенных затрат на годовой выпуск продукции проектируемых участков и цехов и дают значительную экономию трудовых, материальных и финансовых ресурсов (экономический эффект для двух механических цехов заводов сельхозмашиностроения составил соответственно 185,0 и 751,4 тыс. руб. в год);
получены экспериментальные данные и выработаны рекомендации для наиболее эффективного использования разработанных средств АОТП МЦ (по выбору конфигурации метода решения оптимизационной задачи в зависимости от ее размерности и других условий, организации человеко-машинного режима проектирования и др.).
Настоящая работа выполнена в соответствии с Комплексной программой создания САПР конструкторско-технологического назначения на предприятиях и организациях отрасли тракторного и сельскохозяйственного машиностроения на I981-1985 гг.
Диссертация состоит из четырех глав и заключения.
В первой главе рассматривается современное состояние вопроса и дается критический обзор литературных источников по автоматизации технологического проектирования механических цехов и участков, АПТП мехобработки и оптимизации технологических решений в САПР, формулируется и ставится задача исследования.
Во второй главе формируется комплекс взаимосвязанных математических моделей оптимизации выбора ТП и состава оборудования в САПР механических цехов для различных условий и случаев проектирования, предлагаются и обосновываются наиболее эффективные способы формализации критерия оптимальности и основных ограничений, проводится построение моделей и анализ задач математического программирования, к которым они сводятся.
В третьей главе исследуется возможность использования известных методов математического программирования для автоматизированного решения в САПР оптимизационных задач и описываются разрабо -тайные методы и алгоритмы, дается сравнительная экспериментальная оценка эффективности предлагаемого приближенного метода решения ключевой задачи оптимизации выбора ТП и состава оборудования участка механического цеха.
В четвертой главе описаны отличительные особенности и новые элементы компонентов методического, информационного, математического, программного обеспечения разработанной системы АОТП МЦ, приведены результаты экспериментальных исследований и промышленной эксплуатации АОТП, на основе которых исследуются зависимости показателей проекта цеха от различных ограничений, факторов и критериев оптимальности, рассматривается область применения разработанных математических моделей, алгоритмов и средств САПР, проводится оценка экономической эффективности АОТП МЦ.
В заключении приведены выводы, вытекающие из проведенных исследований.
В приложениях представлены документы, подтверждающие внедрение результатов диссертации (см. прил. 1-3), входные и выходные документы АОТП МЦ, фрагменты классификаторов нормативно-справочной информации (НСИ), результаты АОТД конкретных механических цехов заводов сельхозмашиностроения и другие материалы.
Автор приносит глубокую благодарность кандидату физико-математических наук, доценту СВДаку за научные консультации при анализе математической модели задачи оптимизации выбора ТП и состава оборудования участка вновь проектируемого механического цеха и поиска путей решений этой задачи, а также сотрудникам института Гип-рокомбайнпром, принимавшим участие в реализации компонентов программного и информационного обеспечения АОТД МЦ и внедрении результатов диссертационных исследований.
