Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 7
1.1 Концепция автоматизированных производственных систем... 7
1.2 Принципы создания и тенденции развития концепции автоматизированных ПС
1.3 Эффективность автоматизированных ПС 12
1.4 Органи зацмонно-техно логическое и инструментальное обеспечение автоматизированных ПС 1.5
1.5 Цель и задачи исследования 18
Глава 2. Научные основы и методы поискового проектирования автоматизированных ПС ... 20
2.1 Методологические основы поискового проектирования ПС... 20
2.2 Основные принципы системной организации ПС 22
2.3 Обобщенный алгоритм поиска новых технических решений... 28
2.4 Проблемно-ориентированные эвристические приемы поиска новых технических решений 34
2.5 Технологические среды и технологическ н е сети 41
2.6 Выводы 56
Глава 3. Интегрированные производственные системы 57
3.1 Интегрированные производственные системы (ИПС) 57
3.1.1 Определение ИПС 57
3,1.2 Условия и принципы деятельности ИПС 59
3.1.3 Автоматизированные ИПС 60
3.1.4 Проблемы автоматизации ИПС 61
3.2 Архитектура автоматизированных ИПС 64
3.2.1 Понятие архитектуры 64
3.2.2 Открытые системы 66
3.2.3 Открытые производственные системы... 68
3.2.4 Регулярная архитектура производственной системы 70
3.2.5 Задача разработки архитектуры ИПС 72
3.2.6 Открытые системы и объектно-ориентированный подход... 73
3.3 Структурно-функциональная модель производственной системы 75
3.3.1 Методология структурного анализа 75
3.3.2 Производственны система как многофазная система преобразования представления издели 78
3.4 Выводи 89
Глава 4. Моделирование и оптимизация материальных потоков в ПС 90
4.1 Имитационное моделирование автоматизированной системы инструментообеспечения (АСИО). 90
4.2 Оптимизация размещения инструментов s магазине ТМ 98
4.3 Минимизация числа приспособлений при обработке корпусных деталей в ПС 109
4.3.1. Минимизация числа приспособлений при обработке корпусных деталей на автономных ТМ 109
4.3.2. Минимизация числа приспособлений при обработке деталей наТМ в составе ПС.4.4
Выводы 120
Общие выводы и результаты 121
Список литературы 123
- Эффективность автоматизированных ПС
- Методологические основы поискового проектирования ПС...
- Регулярная архитектура производственной системы
- Имитационное моделирование автоматизированной системы инструментообеспечения (АСИО).
Введение к работе
з
Актуальность темы. Перевод экономики страны на инновационный путь развития на основе создания и внедрения в машиностроении автоматизированной технологии, роботов и вычислительной техники является приоритетной задачей. Решение ее направлено на реализацию основной стратегии - повышение эффективности всего народного хозяйства, материального и культурного благосостояния народа. Ключевая роль в осуществлении этих задач отводится машиностроению. Основой такого машиностроения является комплексная автоматизация и интеграция всех производственных процессов и управления производством от начала разработки до поставки готовой продукции заказчику.
Современному машиностроению с серийным характером производства присущи постоянное усложнение конструкции и увеличение номенклатуры выпускаемых изделий, частая смена объектов производства, сокращение сроков освоения новой продукции. Наилучшим образом возникающие при этом задачи решаются на основе применения автоматизированных производственных систем (ПС). В таких системах можно автоматизировать практически все технологические операции. Основой автоматизации ПС является широкое использование систем ЧПУ и управляющих вычислительных комплексов для управления и согласования работы станков, транспорта и всех устройств, необходимых для функционирования системы в целом. В производстве, построенном на основе автоматизированных ПС, практически реализуется принцип "малолюдной технологии" с круглосуточной эксплуатацией оборудования. Последнее является весьма важным для машиностроительных предприятий. ПС являются качественно новыми технологическими системами. Отличительной особенностью их по сравнению с традиционными автоматическими линиями массового производства является их гибкость, т.е. возможность быстро перестраиваться на выпуск других изделий в условиях многономенклатурного производства и своевременно удовлетворять все запросы заказчика.
Отсюда цель работы - повышение качества проектных и конструкторских решений, сокращение сроков проектирования автоматизированных ПС и их компонент
Методы исследований: математическое моделирование, теория принятия решений, поисковое проектирование, структурный анализ, оптимизация, IDEF - технологии.
Научная новизна:
Установлены зависимости между требованиями к производственной системе (ПС) (проектной концепцией) и техническими решениями по реализации ПС и ее отдельных компонент
Разработан алгоритм направленного поиска новых технических решений ПС и их компонент.
Построена структурно-функциональная модель производственной системы.
Разработаны метод решающих таблиц и комбинированные процедуры оптимизации групповых потоков деталей и технологической оснастки в ПС.
Практическая ценность.
Разработаны методика и эвристические процедуры поиска новых технических решений ПС и их компонент.
Предложена методика формирования минимальной совокупности групповых инструментальных наладок на многоцелевых станках в составе ПС.
Разработана методика выбора минимального количества приспособлений в условиях групповой обработки корпусных деталей.
Реализация работы. Научные результаты исследований были использованы при выполнении работ по повышению эффективности производства на Тушинском машиностроительном заводе.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях», г. Брянск, 2009 г., на седьмой Всероссийской научно-практической конферен-
ции «Применение ИПИ - технологий в производстве», Москва, 2009 г., на заседании кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГТУ «Станкин».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований; изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 8 таблиц.
Эффективность автоматизированных ПС
Большое распространение получил подход к созданию ПС, использую іди й принцип "движение от простого к сложному" ЧЗ. 45Л 3 этих работах рекомендуется внедрять вначале производственные модули, а затем объединять их в ПС с помощью автоматизированного транспорта. Параллельно с внедрением производственных модулей должны внедряться САПР, АСУ, включая АСУ ТП и ЛСУП. Постоянное расширение и наращивание номенклатуры освоенных на данном предприятии систем и подсистем, обеспечивающих функционирование ПС» являются одним из важных требований правильной последовательности автоматизации производства.
Принципы создания и этапы разработки ПС отражены также в работе /44/. В ней указано, что создание ПС начинается с установления технологического семейства (группы) деталей, подлежащих изготовлению. В этой же работе приведены основные этапы создания ПС - предпроектное обследование, разработка технического задания, технического проекта, рабочего проекта и внедрение. Приведены также организационные и технологические основы их создания. Организационно-технологические вопросы структуризации, методы макронроекгирования и инженерного проектирования излажены в работах /18, 178/. В последней рассмотрена также автоматизированная система оперативного управления подразделениями OCs методы расчетно-календарного обеспечения н алгоритмы функциональных задач. В работе /219/ решается задача организации архивов нормативно-технической документации в условиях автоматизированной технологической подготовки производства.
Общие положення построения ПС изложены в работе /45/. Здесь выделены четыре уровня автоматизации производства и сформированы требования к ПС. К наиболее важным относятся требозания полной обработки деталей в пределах ПС и возможно полной обработки деталей на одном производственном модуле (перебазирование или перестановка детали усложняет решение таких задач как получение требуемой точности обработки, сокращение объема незавершенного производства, уменьшение транспортных расходов и т.д.).
Интеграция обработки деталей означает рассмотрение совокупности деталей всех изделий, выпускаемых предприятием, с учетом возможности их обработки на ограниченном числе ПС и будущей детальной специализацией ПС на данном предприятии, что увеличит объем выпуска каждого станка, улучшит загрузку оборудования и в итоге повысит эффективность производства и капитальных вложений.
Общий подход к решению задач анализа и синтеза автоматизированных ПС изложен в работах /10, 57, 86, 191, 204, 205, 215, 232/. В работе /94/ описан комплекс диалоговых программ, предназначенных для автоматизации проектирования структур и компоновок ПС с устойчивой номенклатурой и программой выпуска деталей в условиях серийного производства и комплектной поставки. деталей сборочному цеху. Комплект программ позволяет выбрать оптимальные размеры партии запуска и циклы их поставки сборочному цеху, сформировать графики выпуска деталей и изделий, определить их межоперационные запасы и оптимальную загрузку станков к выбрать оптимальную последовательность запуска деталей в обработку при минимальных суммарных затратах на переналадку станков. В работах /208, 29/ изложены этапы проектирования безрельсового напольного транспорта ПС, предназначенной для обработки корпусных деталей. Выбор состава основного технологического оборудования ПС рассмотрен в работах /30 170/.
Правильное объединение в состав ПС элементных гибких технологий оказалось настолько сложной проблемой, что вызвало многочисленные исследования /191/. Эти исследования должны были ответить на вопрос, каковы препятствия на пути широкого создания и внедрения КИП и ПС, способных охватить весь производственный цикл от идеи создания нового изделия до его изготовления.
Основное препятствие на пути реализации гибкой технологии -отсутствие единой методология проектирования ПС на основе обшей теории систем. Успешное решение задач создания ПС возможно лишь при наличии развитой системной методологии проектирования. Составной частью такой методологии должно быть решение проблемы сбора, хранения и передачи информации, необходимой для реализации производственного процесса, охватывая этапы проектирования.
Методологические основы поискового проектирования ПС...
Главная черта современном проектной культуры - это ее повышенная конце и туальность, разнообразие и разнонаправленность обращающихся в ней концепций: индивидуальных и групповых, и ници атнвных и ведомственно оформленных, авторских и типовых и т.д. /236, 237/. В определенной мере сказанное относится к той части проектной культуры, которая "обслужи нает" практику создания ПС. "Проектная культура ПС" находится на стадии интенсивного развития и "практического" ее осмысливания. Задача разработки специализированных методов поискового проектирования ПС и их компонент остается пока нерешенной- Достигнутые успехи в области методологического обеспечения системного подхода /30, 59, 60, 62, 64} 65, 66, 102, 104, 107, 121, 123, 129, 138, 149, Ї57, 184, 193, 198, 204, 205, 222, 227, 228, 239/ фи лософско-методологические основания системных исследований /I, 2 100, 201, 202, 226/ и известные методы поиска новых технических решений /7, 13, 182/ обеспечили предпосылки для разработки специализированной системной методологии поискового проектирования ПС.
Для разработки эффективной конкретно-научи ой методологии поискового проектирования ПС и их компонент, отражающих "сумму" закономерностей, приемов принципов и процедур исследований, необходима единая центральная идея организации поискового проектирования, учитывающая специфику структурно-морфологических и функциональных особенностей ПС и особенности внешней среды ее "обитания". Центральная идея должна быть способной объединить разработку системного подхода с разработкой новых приемов и способов мышления. Поэтому особенно важным являемся выбор "сквозных" для методологии поискового проектирования ПС фундаментальных принципов, основных постулатов» вокруг и в соответствии с которыми возможно осуществить развертывание теоретической схемы, позволяющей "сконструировать" эту методологию, дающей возможность при решении любой задачи двигаться от начала к концу, т.е. решать задачу синтеза /181/. При этом принятые принципы, постулаты и разрабатываемые процедурные элементы до л лены нести эвристическую составляющую, направленную на поиск принципиально новых, нестандартных технических, решении по проблеме ПС. Кроме того, эти принципы и процедурные элементы научных представлений методологической ориентации должны определять круг решаемых задач в рамках данной методологии и указывать, как решать и что нужно делать для того, чтобы полученные результаты иогли претендовать на научную строгость и позволять ставить вопрос о содержательно-дедуктивном объяснении разработанной теории. Дедукция на основе содержательных посылок япляется в объяснении ведущим логическим элементом при раляертывапии теоретической схемы /201/.
При выборе и формулировке основных принципов и постулатов необходимо иметь в виду, нто они должны выражать основные идеи теории, определять ее структуру и адекватно отражать специфические черты предметной области, а также то, что одному и тому же объекту может соответствовать много разных представлений и знаний. Последние не имеет смысла проверять на истинность относительно друг друга, ибо они просто разные. Это - важнейший принцип современного методологического мышления, который называется "принципом множественности представлений и знаний", относимых к одному объекту. Все имеющиеся представления характеризуют объект с разных сторон, как бы в разных проекциях /62/, Эвристическая роль принципов огромна, поскольку они в обобщенном виде отражают фундаментальные закономерности природы. Исходным унктом формирования принципов является в конечном счете практике создания и Эксплуатации ПС. « Введение теоретических схем а качестве гипотез с их последуЕощим консіруктивиьім обоснованием - главная познавательная процедура в генезисе теоретических знаний, Эта процедура определяет не только процесс становления частньїх теоретических схем, но и переход от них к развитой теории /210/. Благодаря выдвижению гипотезы намечаются только общие контуры концептуальной структуры теории, обоснование же гипотезы завершает в основных чертах формирование этой структуры. Гипотетические концептуальные модели обретают статус теоретических представлений о некоторой области взаимодействий только тогда когда пройдут через процедуры эмпирического обоснования. Ключевая роль теоретических схем, как при интеграции аппарата, теории, так и в процессе развертывания се содержания, делает главной в генезисе теории проблему формирования теоретических схем. Самым существенным моментом в формировании теории является построение идеализированного объекта как модели изучаемых в ней таимо действий. Такая модель г,ц грает роль фундаментальной. ндеиг, на основе которой разрабатывается "мтшитеория,т, пригодная для решения конкретных задач. /195/. По отношению к проектированию (конструированию) такая минитеорня должна включать принципы, позволяющие устанавливать порядок и последовательность Еіроцедур т, процессе синтеза объекта /194/.
Регулярная архитектура производственной системы
Для целенаправленного и осмысленного проектирования ПС необходима развитая и четко сформулированная концепция, описывающая прогностическую модель проектируемой системы в "послеироектном" будущем, устанавливающая позицию проектировщика и активизирующая его творческий потенциал для поиска принципиально-новых технических решений. Такая концепция является необходимым звеном в процессе проектирования в движении от постановки задами к проекту /236, 237/. Она определяет конечное содержание проекта, задает мысленную модель системы и открывает пути ее развития.
При любой трактовке системы концепция описывает ее обобщенную идеальную модель. Наличие такой модели системы не означает видение ее обязательно во всех деталях. Концепция, прежде всего, описывает элементный состав и основные характеристики отдельных элементов, способы их соединения, указывает на структурную и процессуальную сторону морфологической и функциональной организации системы. В принятой концепции ныражается целостное представление о необходимых свойствах разрабатываемой системы, отражающее профессиональную позицию н замысел проектировщика.
Проектная концепция служит инструментом координации работ и трансляторам единой проектной идеологии. Для этого она должна быть оформлена в виде документа - в виде вербальной или визуальной модели, эскизного проекта, выводов о результатах предпроектного анализа и замысла. Изложение концепции в письменной форде дисциплинирует мыслительный процесс проектировщика, упорядочивает логик рассуждения. Кроме того, это позволяет взглянуть на концепцию как бы со стороны для критического анализа замысла. Поэтому концепцию также можно рассматривать как "проект проекта".
В рамках традиционных технических решений известные ПС не в состоянии в полной мере удовлетворить предъявляемые к ним требования. Следовательно, необходима новая, нетрадиционная и эффективная проектная концепция развития ПС, вводимая на основе перечисленных выше тенденций развития общественного производства и перечня, предъявляемых к ним современных требований в соответствии с триадой принципов системной организации. Эта концепция должна фиксировать основные характеристики морфологической и функциональной организации систем, объединить принципы системотехники с принципами их технологической деятельности, дать толчок дальнейшего развития ПС и гарантировать построение рабочей методологии поиска новых конкуренти- и патентно-способных технических решений по проблеме ПС.
Ниже перечислены ОСНОВНЫЕ пути и средства, обеспечивающие создание таких систем с развитой морфологической и функциональной организацией, широкими технологическими возможностями и высоким приспособительным потенциалом; о поиск конструктивно-компоновочных решений функциональных элементов (блоков, модулей, агрегатов) и систем с высокой плотностью распределения технологических функций в конструктивном пространстве на основе реализации принципов (эвристических приемов) интеграции и актуализации функций с целью расширения технологических возможностей оборудования; о реализации принципа "перемещение не детали к станку» а станка к детали", т.е. оперативное изменение технологических возможностей оборудования путем быстрой его переналадки средствами морфологической трансформации; о реализация принципа "передача изделий из рук в руки"» минуя использование специальных манипулирующих устройств и промежуточных накопителей; о переустановка (кантование) обрабатываемой детали непосредственно в рабочей зоне оборудования или вблизи нее; о «СЛИЯНИЕ» технологических потоков изготовления деталей и сборки изделия или непосредственное следование этик потоков друг за другом С целью сокращения времени пребывания изделия внутри системы (уменьшения цикла изготовления изделия), рационального использования занимаемой системой производственной площади, экономии материальных и энергетических ресурсов; о обеспечение высокого уровня приспособительной деятельности системы (гибкости операционной и маршрутной технологии и живучести материальных потоков - потоков деталей и инструментов и т.д.) средстаами морфологической трансформации на основе блочно-модульного построения системы на всех ее иерархических уровнях, а также за счет создания транспортно-накопитедьных средств, реализующих "многоручьевые" потоки деталей и инструментов; о автоматизация контроля выполнения элементами технологических функций на всех этапах изготовления изделия; о создание развитых средств самодиагностики с целью своевременною обнаружения нарушения нормального состояния элементов системы; о автоматическая смена блоков и узлов системы при их физическом и моральном износе; о поиск эффективных способов и средств эвакуации отходов производства; о уменьшение информационной нагрузки на центр управления системой; о обеспечение условий круглосуточного функционирования системы при минимальном число обслуживающего персонала, т.е. реализация принципа "малолюдной и безлюдной" технологии; о приспосабливание морфологии системы к конкретным производственным площадям;
Имитационное моделирование автоматизированной системы инструментообеспечения (АСИО).
Понятие архитектуры, введенное выше, тесно связано с понятием открытой системы. В классическом понимании система считается открытой, если она имеет неустранимые СВЯЗИ (материальные, энергетические, информационные) с внешней средой, или, что то же самое, связи, наличием которых нельзя пренебречь. Подобное определение является слишком общим и недостаточно конструктивным при анализе организационно-технических систем. Поэтому мы введем другое определение. А именно, будем считать систему открытой, если выполнены следующие условия: а) определено назначение (функция) системы; б) имеется конечный набор связей и правил взаимодействия системы с внешней средой (внешний интерфейс в) функция системы полностью определяется се внешними связями; г) определен конечный набор точек доступа через которые осуществляется взаимодействие (обмен) с внешней средой. Данное определение не уточняет природы самой системы, ее внешних связей и точек доступа. Внешний интерфейс выступает в качестве аналога каналов, а точки доступа - в качестве аналогов контактов. Таким образом, открытая система это, по существу, функциональный блок, который по правилам, полностью определяемым его внешним интерфейсом, можсі сопрягаться с другими блоками или встраиваться в системы. Допуская вольность речи, можно сказать, что «открытые» внешние связи надо «замкнуть», чтобы система «заработала». Соответственно, «открытость» означает просто, что система открыта для использования [т.е. выполнения своей функции) в любом контексте - лишь бы были удовлетворены требовании ее внешнего интерфейса. Важно подчеркнуть, что внешний интерфейс полностью определяет функционирование открытой системы. При этом условии внутреннее устройство открытой системы не имеет значення, так что любые две открытые системы с одинаковым внешним интерфейсом являются функционально эквивалентными, т.е. замена одной из них на другую в объемлющей системе не приведет к изменению функционирования последней. Понятие внешнего интерфейса становится особенно наглядным, если связи трактовать как обмен объектами той или иной природы (например, материальными предметами, электрическими сигналами, информационными сообщениями и т.д.)- В этом случае правила взаимодействия определяют процедуры обмена, а сама функция системы трактуется как преобразование объектов, участвующих в обмене. С открытой системой можно связать какие-либо характеристики (показатели, критерии) функционирования (внешнего поведения). Изменяя внутреннее устройство (реализацию), можно ухудшить или улучшить ее показатели, но, тем не менее, она будет выполнять по-прежнелгу свою определенную внешним интерфейсом, функцию. Содержательно, под производственной системой понимается целостная структурная единица, предназначенная для выпуска определенной продукции в пределах своих технологических возможностей при условии обеспечении необходимыми ресурсами. Имея в виду задачу создания производства с регулярной структурой, мы дадим другое определение. Пол производственной системой (ПС), будем понимать открытую систему, функция которой состоит в целенаправленном преобразизании свойств материальных объектов на основании информации и команд, поступающих извне, ПС выступает для объемлющей системы как «обобщенное» технологическое оборудование, внутреннее устройство и конкретные механизмы функционирования которой от нее скрыты. Таким образом, чтобы определить ПС, необходимо задать: а) технологические возможности (функцию); б) набор объектов, умствующих в обменах с внешней средой; п) набор правил» регламентирующих эти обмены; г) набор точек доступа, через которые проходят потоки объектов. Дополнительно могут быть заданы параметры реализации, определяющие показатели функционирования типа производительности, надежности IF тгд. ДЛЯ производственных систем могут быть выделены следующие, например! виды связей, формирующих внешний интерфейс: - технологический интерфейс, определяющий возможности обработки, а гакж е свойства и параметры преобразуемых объектов (заготовок) и всех ресурсов, необходимых для работы {инструмент;, оснастка и т.д.); - механический интерфейс, определяющий конкретный способ подачи материальных объектов внутрь ПС - и выдачи их обратно; - организационный интерфейс, определяющий организационную среду, в которой функционирует данная ПС; - информационный интерфейс, определяющий содержание, форму построения и процедуры обмена информацией с внешней срелой: - коммуникационный (сетевой) интерфейс, определяющий средства и возможности передачи информации; - пользовательский интерфейс, определяющий средства и возможности персонала по управлению производственной системой; - интерфейс инфраструктуры, определяющий подключение к системе жизнеобеспечения (энергоснабжение, канализация, подача воздуха, СОЖ и т.д.).
