Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ известных принципов построения и автоматизации работы многопроцессных технологических линий 15
Выводы 30
ГЛАВА 2. Теоретические вшросы оптимального построения и функционирования автоматических линий в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потом 31
2.1. Общие принципы построения и функционирования 31
2.2. Оптимальное динамическое управление загрузкой многопроцессной технологической линии .. 53
ГЛАВА 3. Оптимизация систем обработки деталей в автоматическом производстве 76
3.1. Методика определения оптимального набора станков /ванн/ многопроцессной технологической линии 76
3.2. Вопросы максимизации пропускной способности системы межопврационного транспортирования 79
3.2.1. Оптимальная организация процееса функционирования системы транспортных роботов многопроцессной линии 82
3.2.2. Оптимизация очередности обслуживания вызовов транспортным роботом 92
3.3. Принципы построения роботизированного участка мелкосерийного гальванического производства . 108
Выводы 117
ГЛАВА 4. Вопросы построения средств автоматизации много процессных технологических линий 119
4.1. Техническая реализация системы числового программного управления обработкой деталей в линии на примере гальванического производства 119
4.2. Техническая реализация системы оптимального динамического управления загрузкой многопроцессных линий 131
4.3. Развитие средств управления и роботизации гальванических линий. 137
4.4. Использование принципов и технических средств автоматизации гальванических линий в механообработке 146
Выводы 153
Заключение 154
Литература 159
- Оптимальное динамическое управление загрузкой многопроцессной технологической линии
- Вопросы максимизации пропускной способности системы межопврационного транспортирования
- Принципы построения роботизированного участка мелкосерийного гальванического производства
- Техническая реализация системы оптимального динамического управления загрузкой многопроцессных линий
Введение к работе
Современное состояние и актуальность темы» Основным направлением экономического и социального развития СССР, указанным ХХУІ съездом КПСС, является ускорение технического прогресса на основе использования достижений науки и техники, обеспечение широкого применения промышленных роботов, встроенных систем автоматического управления с применением гликропроцеосоров и микро-ЭВМ, создание автоматизированных цехов и заводов 37] . В мелкосерийном и единичном производстве, составляющем в настоящее время свыше 40% общего объема производства [12,27] , автоматизация остается до настоящего времени в ряде случаев научно-технической проблемой. Это определяет первоетепенность и актуальность проблемы автоматизации мелкосерийного и единичного производства.
Создание автоматических технологически гибких и мобильных производств требует разработки специальных математических моделей и методов, учитывающих вероятностный характер потока поотупающи в обработку деталей. Это в полной мере относится к проблеме автоматизации мелкосерийного и единичного производства на уровне технологических линий и, в частности, к задаче создания многопроцессных автоматических линий гальванообработки. Задача автоматизации мелкосерийного и единичного гальванического производства тем более актуальна, что гальваника стала важнейшим технологическим этапом современного производства в таких важных отраслях как электроника, радиотехника, приборостроение.
До настоящего времени основными средствами автоматизации процессов гальванообработки были применяемые в массовом и крупносерийном производствах однопроцессные гальванические линии и построенные на их основе циклограшные гальваноавтоматы. Применение таких автоматов, расчитанных на большую производительность
при ограниченной номенклатуре деталей в мелкосерийном и единичном производства, как правило, нерентабельно ввиду большой номенклатуры и малых объемов производства. Поэтому современное мелкосерийное и единичное производство гальванопокрытий в большинстве случаев представляет из себя отдельные технологические участки целевого назначения: участки хромирования-никелирования, золочения-палладирования и т.д., или многопроцессные участки-линии. Такие участки, как правило, обслуживаются вручную, в лучшем случае, имеют механизированную загрузку ванн.
Актуальность автоматизации мелкосерийного и единичного производства и, в частности, производства гальванопокрытий определяется:
необходимостью существенного повышения производительности многопроцессных линий за счет обеспечения совмещенной обработки поступающих деталей, что требует решения комбинаторной задачи большой размерности и неосуществимо при ручном управлении;
невозможностью обеспечения при ручном обслуживании строго фиксированных технологических режимов и стабильности качества продукции;
требованием существенного снижения доли ручного труда и полного его исключения из условий агрессивных производственных сред;
перспективностью перехода к "безлюдной технологии" с ее
экономическими и социальными факторами.
Основная особенность и трудность автоматизации многономенклатурного мелкосерийного производства заключается в недетерминированном входном потоке деталей, требующих обработки. Известен набор технологических процессов, соответствующих входному потоку деталей, неизвестен график поступления, т.к. нет регулярности чередования техпроцессов на входе. Если пуассоновский поток считать пределом дезинтеграции планируемых процессов, то, как
— 6 —
отмечает Рейниц [51] , именно это имеет место в мелкосерийном и единичном производстве гальванопокрытий, являющимся, как правило, заключительным этапом производственного процесса изготовления деталей. Доказательство пуасооновского характера входного пртока для рассматриваемого производства имеется в работе [581 Такой же результат получен нами при исследовании работы конкретной производственной линии гальванопокрытий. На полученной нами диаграмме (рис.33 отображены колебания суммарных по видам тех-процессов суточных загрузок многопроцессной линии за пять последовательных месяцев года. Если учесть при этом несколько десятков различных техпроцессов - составляющих каждого столбца диаграммы;- особенность задачи представится во всей сложности.
Проблема построения автоматических многопроцессных технологических линий (МТЛ) и, в частности, многопроцессных линий гальванопокрытий, эффективных в условиях нерегламентированного ритма производства, исследована в настоящее время недостаточно.
Основные работы, посвященные принципиальным вопросам построения многопроцессных технологических линий для гальванического производства, принадлежат Б.Н.Малиновскому, А.Н.Струтинскому, А.А.Досковскому, Н.Н.Маслову, Е.И.Боз, Р.Рейниц.
Теоретической базой для решения оптимизационных задач при построении и организации работы автоматизированных многопроцессных технологических линий являются труды Р.В.Конвея, В.Л.Максвелла, Л.В,Миллера, В.С.Танаева, В.В.Шкурбы.
Целью работы является разработка принципов оптимального построения и алгоритмов функционирования многопроцессных автоматических линий в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потока, обеспечивающих высокопроизводительную работу линий за счет уплотнения потока обрабатываемых деталей, минимизации времен ожидания запусков деталей в обработку.
- 7 ~
too 80
поступление деталей
і г з
Рис. І. Суточная загрузка МТЛ гальванопокрытий
за пять месяцев
Так как задача автоматизации мелкосерийного и единичного производства гальванопокрытий имеет особую актуальность, все вопросы в работе рассматриваются прежде всего применительно к автоматизации многопроцессных линий гальванопокрытий.
Основными задачами диссертационной работы являются: " - Разработка общих принципов оптимального построения и управления МТЛ в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потока деталей, подлеющих обработке,
Разработка алгоритмов оптимальной динамической диспетчеризации МТЛ.
Разработка алгоритмов определения оптимального набора
я» О
станков (ванн) МТЛ,
Разработка алгоритмов максимизации пропускной способности системы межоперационного транспортирования автоматической линии.
Разработка вопросов построения технических средств, обеспечивающих реализацию разработанных принципов и алгоритмов функционирования МТЛ.
Методы исследования. При разработке основных принципов построения и управления, математических моделей функционирования МТЛ, обоснования критерия эффективности использовался математический аппарат теории множеств, теории расписаний, теории массового обслуживания. Алгоритмы оптимальной диспетчеризации разработаны на базе теории расписаний с использованием метода Гантга. Методика определения оптимального набора станков (ванн)' МТЛ бази-руется на использовании имитационного моделирования и алгоритма Форда-Фалкерстона. При исследовании вопросов оптимальной организации системы межоперационного транспортирования использовался математический аппарат теории графов, теории вероятностей. При разработке алгоритмов управления очувствленным роботом был применен математический аппарат теории множеств. Роботизированный участок МТЛ гальванопокрытий рассчитывается как полнодоступная система массового обслуживания. Научная новизна.
Обоснована на базе теории расписаний организация работн многопроцессной АЛ, не требующая предварительного планирования загрузки и жесткого ритма. АЛ функционирует как полнодоступная система массового обслуживания (GM0), осуществляя совмещенную обработку в одном потоке деталей различных техпроцессов в динамике их поступления на вход линии.
Предложена методика построения АЛ как комплекса асинхронно функционирующих подсистем, что позволяет при ее проектировании
оптимизировать каждую из подсистем раздельно. Определено условие обеспечения проектируемой загрузки станков( ванн) транспортной системой и управления ими в реальном масштабе времени работы линии.
3. Разработана методика оптимальной динамической диспетчери
зации на основе динамической модели текущего состояния линии, по
зволяющая решать комбинаторную задачу большой размерности микро
процессорными средствами в процессе поступления деталей.
Построена математическая модель универсальной транспортной системы, обеспечивающая проектирование АЛ требуемой производительности. Система организуется как полнодоступная СМО и реализуется на базе транспортных роботов с бортовыми системами ЧПУ-.Исследованы и определены возможности оптимизации функционирования транспортной системы.
Разработана методика управления многопроцессной АЛ, исключающая необходимость синхронизации технологических и транспортных операций. Предусматривается последовательное в реальном масштабе времени решение задач:
определение множества допустимых управлений входом линии;
Еыбор наилучшего в данный момент управления - загрузки предпочтительной детали;
обеспечение межоперационного транспортирования всех запускаемых в линию деталей по индивидуальным техмаршрутам;
задание режимов обработки на технологических операциях и контроль их длительности.
Практическая ценность.
Разработана и представлена на конкретном техническом примере инженерная методика оптимального построения многопроцессных АЛ требуемой производительности.
Определена функциональная зависимость длительности произ-
водсгвенного цикла в многопроцессной линии от количества деталей в лишш, входном накопителе (складе), продолжительности технологических и транспортных операцийобеспечивающая ее просчет для каждой поступающей во входной накопитель детали.
3# Разработаны алгоритмы оптимальной динамической диспетчеризации для управления загрузкой многопроцессных АЛ. Построены и программно обеспечены:
специализированный дисплей, отображающий динамическую модель текущего состояния линии;
микропроцессорный автодиспетчер, осуществляющий оптимальное управление загрузкой многопроцессной АЛ в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потока - решение комбинаторной задачи оптимальной диспетчеризации большой размерности в реальном масштабе времени работы АЛ.
4. Разработаны, изготовлены и внедрены в производство различные модификации систем ЧПУ многопроцессными линиями гальванопокрытий, обеспечивающие совмещенную обработку в одном потоке деталей различных техпроцессов.
5. Создан принципиально новый автономно функционирующих транспортный робот с бортовой системой ЧПУ, содержащей программы всех реализуемых в линии техпроцессов, выбираемые по кодам, считываемым роботом со спутников обрабатываемых деталей. Робот обеспечивает одновременную совмещенную обработку до 7 деталей по'индивидуальным техмаршрутам и задание режимов технологических операций, осуществляемое с помощью тракта локальной инфракрасной связи при подходе робота к позиции технологической обработки. Имеются системы самодиагностики, распознавания аварийных ситаций, восстановления прерванного автоматического режима.
Универсальность и высокая скорость перемещений определяют широкое применение робота в производствах "безлюдной технологии".
- II -
Создан экспериментальный образец автономного транспортного робота с бортовой системой ориентации и оптимизации обслуживания вызовов на транспортирование, фиксируемых инфракрасными приемниками робота.
Определена возможность объединения многопроцессных линий гальванопокрытия и автоматический участок. Загрузку линий и связь их со складом осуществляет автономный транспортный робот. Получена математическая модель транспортной системы участка,определяющая число линий, обслуживаемых одним роботом.
На защиту выдвигаются:
Математические модели и методика оптимального построения автоматических линий, обрабатьшающих многономенклатурный недетерминированный поток деталей.
Методика оптимального управления многопроцессной автомагической линией без предварительного планирования загрузки и задания ритма работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по оптимальной динамической диспетчеризации.
Методика оптимального построения и функционирования транспортной системы на основе промышленных роботов с бортовой системой W.
Методика построения системы управления гибкой линии с алгоритмами и блок-схемами.
Инженерная методика расчета оборудования и транспортной системы многопроцессной линии, обеспечивающая ее оптимальность в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потока.
Содержание диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе анализируются известные принципы и алгорит-
мы, определяющие построение и работу МТЛ. При этом недостаточная изученность специфических условий мелкосерийного и единичного производства, отсутствие математических моделей и критериев оценки эффективности технических систем, функционирующих в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потока, не позволяют объединять в одной линии целесообразное количество техпроцессов. Показано, что несоответствие технических возможностей известных МТЛ задачам современной промышленности определяет низкий уровень автоматизации мелкосерийного и единичного производства. В качестве итога анализа предлагается эффективная,по мнению автора, организация функционирования МТЛ в условиях мелкосерийного и единичного производства.
Вторая глава посвящена исследованию вопросов оптимального построения и функционирования МТЛ, работающих в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потока. Разрабатываются основные принципы построения и управления, обеспечивающие создание технологически гибких й высокопроизводительных МТЛ. Строятся необходимые математические модели функционирования МТЛ, обосновывается критерий, позволяющий оценивать эффективность работы многопроцессной линии в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потока деталей. Разрабатывается математическая модель транспортной системы МТЛ. Определяется оптимальное соотношение параметров производительности подсистем МТЛ, обеспечивающее, проектируемую загрузку ее станков (ванн) транспортной системой и управление ями в реальном масштабе временя работы линии. Исследуются вопросы оптимального управления загрузкай МТЛ в условиях многономенклатурного недетерминированного входного потока. Разрабатывается матричная форма динамической модели текущего состояния МТЛ, алгоритмы определения возможности запуска деталей в линию. Анализируются результаты экспериментальных иссле-
- ІЗ -
дований по оптимизации загрузки МТЛ, разрабатываются алгоритмы оптимальной динамической диспетчеризации. Анализируется эффективность разработанных алгоритмов оптимизации.
Основное содержание главы отражено в работах: [67, 71', 72*1 В третьей главе рассматриваются вопросы оптимизации систем обработки деталей в автоматической линии и участке. Разрабатывается методика определения оптимального набора станков (ванн) МТЛ при ожидаемой интенсивности входного потока по каждому техпроцессу и известных длительностях обработки на станке каждого типа 'и ограничении общего количества станков линии. Исследуются возможности максимизации пропускной способности системы межолерационного транспортирования за счет обеспечения оптимальной организации процесса обслуживания роботами вызовов, Исследуются различные организации, определяется среднестатистическая величина транспортного цикла, условие оптимальной разбивки линии на зоны действия транспортных роботов. Ставится и решается задача установления оптимальной очередности обслуживания вызовов на транспортирование при их одновременном поступлении.- Рассматривается возможность минимизации длительности транспортного цикла за счет увеличения маршевой скорости перемещений. Определяются принципы построения роботизированного участка автоматических линий гальванопокрытий, решаются вопросы оптимизации работы ее транспортной системы. Разрабатывается математическая модель, определяющая максимальное число линий участка, обслуживаемых одним транспортным роботом.
Основное содержание главы отражено в работах:[ЗО, 68І в четвертой главе рассматриваются основные вопросы технической реализации МТЛ на основе разработанных принципов и алгоритмов. Представлены принципы и алгоритмы функционирования средств автоматизации МТЛ: системы ЧПУ линиями гальванопокрытий, бортовой
системы ЧПУ транспортного робота, автоматизированного и автоматического диспетчера МТЛ. Дан анализ развития средств управления и роботизации гальванических линий. Рассмотрена принципиальная возможность построения технологически гибкой линии механообработки на базе разработанных принципов и технических средств автоматизации гальванических линий.
Основное содержание главы отражено в работах:[31, 62, 63, 69, 70, 73, 741 .
Оптимальное динамическое управление загрузкой многопроцессной технологической линии
В работе [83] дано описание скоростного "челнока" для линий механообработки, обеспечивающего точность позиционирования порядка ОД мм при маршевой скорости более 1,5 м/сек. Привод построен на базе двигателя постоянного тока, движение осуществляется за счет сцепления с зубчатой рейкой, проложенной вдоль ходовых рельс. Известны реализации транспортных роботов с подобными характеристиками на базе гидропривода (Япония). Перспективными считается использование для этих целей линейного двигателя [ZL] .
Важнейшим фактором, определяющим производственные возможности МТЛ - многопроцеспность и производительность, является соответствие набора станков линии планируемому многономенклатурному потоку деталей, оптимальность набора станков. Наиболее полно вопрос расчета требуемого набора станков, обслуживающих многой оменклатурный поток деталей, представлен в работе [44] . Здесь рассмотрен весь комплекс вопросов - от постановки задачи до ее формализации и составления рабочих программ расчета на ЦВМ. Однако предложенные в работе алгоритмы пригодны только для простейшего случая - построения поточных линий и не могут быть использованы для многопроцессных линий с более совершенной организацией. Сложность построения многопроцессных линий, организация работы которых предполагает обработку случайного набора деталей различных техпроцессов, заключается в расчете загрузки узловых станков. Поэтому, как правило, ввиду незначительного числа технологических маршрутов линий механообработки, являющихся объединением техпроцессов технологически подобных деталей, их расчет оказывается более простым, чем расчет линий гальванопокрытий, как правило, многомаршрутных.
Рассмотрим более подробно основные принципы, методы и алгоритмы, используемые для определения оптимального набора и компоновки многопроцессных линий этого вида производства.
Общая схема расчета требуемого числа ванн линии гальванопокрытий при известной годовой программе, фонде времени работы оборудования, удельной нормативной загрузке оборудования дана в работе 44]. Принцип расчета компоновки МЛ с использованием ЭВМ предложен в работе С4?3 , где описана процедура формализации задачи для ЭВМ и вся последовательность этапов расчета. Дан пример совмещения в одной линии ряда техпроцессов. Оба эти метода, используемые для построения МТЛ, являются по существу модернизированными методами расчета однопроцессных линий. В предложенных алгоритмах не учитывается специфика работы МТЛ, снижение фактического коэффициента загрузки узловых станков (ванн) с увеличением числа технологических процессов, числа узлов линии. В работе [203 предложена методика компоновки линий гальванопокрытий, обеспечивающая минимальные длины межоперационных переходов. Однако этот принцип компоновки, эффективный для однопроцессных линий, где можно располагать ванны в порядке прохождения техпроцесса, неприменим для МТЛ, работающих в условиях недетерминированного входного потока деталей.
Достаточно обширным исследованием вопросов расчета эффективных компоновок многопроцессных линий гальванопокрытий остается работа [14 , гДв представлены результаты моделирования на ЭВМ нескольких сотен компоновочных вариантов линий при различных режимах работы основных и вспомогательных ванн. Здесь же исследована зависимость роста производительности многопроцессной линии от числа ванн в ней. Установлено предельное количество основных ванн многопроцессной линии, при котором достигается максимальная производительность. К сожалению, проведенные исследования в силу узкой, специфической постановки задачи не могли быть завершены разработкой алгоритма расчета оптимальной компоновки. Автором даны лишь некоторые рекомендации, не носящие общего характера. Хорошим дополнением к этой работе является 53], где даны принципы компоновки автоматических линий"гальванопокрытий, предложены методы расчета числа ванн, обслуживаемых одним автооператором, причем автооператор рассматривается как наиболее сложное и дорогостоящее оборудование линии. Однако в линиях с нерегулярным чередованием техпроцессов длина зоны работы автооператора в значительной степени зависит от длительностей экспозиций в ваннах, от среднего числа технологических операций, от среднего числа обрабатываемых в зоне деталей, что в предложенных методах не учитывается. Поэтому результаты расчетов не могут рассматриваться как достаточно обоснованные и обеспечивающие достаточную точность для наиболее интересного класса линий -МТЛ.
В настоящее время в производствах механообработки все большее распространение получают так называемые гибкие производственные комплексы, основой которых являются системы группового ЧПУ одного из рассмотренных в работе 40] Бид0в. Автоматизируется весь цикл обработки деталей, включая складирование. Как правило, многоуровневая управляющая система обеспечивает бесперебойное трехсменное функционирование [80] . Применение роботов в сочетании с гибкостью математического обеспечения обеспечивает динамичность производства, реализацию непрерывно-поточной его организации [82] ± Технологические и организационные основы гибкого автоматического производства (ГАП) рассмотрены в отечественной работе [І2І Особый интерес представляет работа [4] , посвященная также ГАП механообработки. Здесь на основе теории массового обслуживания дается анализ работы станочной линии, обслуживаемой транспортным роботом. Однако предложенные математические модели не позволяют решать задачу оптимального построения производственной линии. Кроме того, как отмечает автор: "...общие заключения из уравнений сделать трудно, поскольку исходные расчетные величины не представлены в явном виде".
В гальванике гибкие автоматические линии и производства до настоящего времени не известны, Линии продолжают строиться на циклограммных принципах управления [50] или реализуют малоэффективные системы [12] , подобные 41] с отмеченными вьше недостатками. Комплексные теоретические проработки отсутствуют.
Вопросы максимизации пропускной способности системы межопврационного транспортирования
В соответствии с пунктом (3.7) модели значение жестко задано для каждого техпроцесса. Величина Ь , в принципе, должна определяться графом G , длиной его дуг и взаимным расположением вершин, т.е. компоновкой. Для известной компоновіш и заданной дисциплины обслуживания вызовов транспортным роботом величина t должна зависеть только от числа одновременно обрабатываемых в линии деталей. Как показали результаты исследования этого вопроса на реальной асинхронном МТЛ, значение с увеличением П, (практически независимо от разновидностей членов множества А ) приближается к своей постоянной величине. Поэтому, если рассмотреть случай интенсивной загрузки линии, являющийся состоянием линии, требующим оптими зации в наибольшей степени, то для него t является величиной постоянной, которая может задаваться как параметр технической системы при ее проектировании. В свою очередь, средняя длитель ность ожидания обслуживания вызвва транспортным роботом также зависит от интенсивности вызовов. Значение времени ожидания обслуживания изменяется от нуля, когда в линии обрабатывается одна деталь, до своего постоянного значения, достигаемого при стационарном режиме загрузки робота. Математическое ожидание, этой величины может быть определено при известных t и Р нагрузке робота. Л(ш)= ттижл\ при условиях. Рассматриваемая СМО является цуассоно-экспоненциальной, что справедливо, т.к. вызовы поступают от большого числа независимых источников. Длительность обслуживания вызова экспоненциально приближается к своему среднему.
Рассмотрим влияние нестационарности входного потока на работу многопроцессной технологической линии для случая наибольшей допустимой загрузки. Состояние допустимой (пиковой) загрузки сохраняется при выполнении следующего условия: очередь на входе многопроцессной линии должна быть достаточной для обеспечения выбора в момент освобождения одного из каналов обслуживания СМО детали, для обработки которой будут свободны все требующиеся по ее техмаршруту станки. Необходимость этого условия следует из пункта (3.7) модели и является условием обеспечения "зеленой волны" для каждой запускаемой в обработку детали.
Как показало моделирование, устойчивое состояние пиковой загрузки при числе узлов графа G в пределах десяти (для всех известных нам проектов МТЛ максимальное число узлов-10 является достаточным), требует очередь заявок во всяком случае большую, чем число узлов. С другой стороны, изучение вопроса колебаний интенсивности входного потока в реальных условиях мелкосерийного производства при опытной эксплуатации асинхронной МТЛ не позволило выявить какие-либо определенные закономерности (рис.1). Однако анализ характера входного потока показал, что наиболее характерны длительные изменения значения интенсивности входного пот ока, причем, двухкратное изменение величины Л от своего расчетного среднего значения является разумным допуском при проектировании МТЛ. Периоды устойчивости параметра Я соизмеримы с длительностью смены. При этом обеспечивается переход системы или в состояние отсутствия очереди на входе, или в противоположное состояние, характеризующееся большим скоплением деталей на входе линии, "время рассасывания" которых также соизмеримо с длительностью смены.
Таким образом, наиболее типичны три состоянии линии, при Л Л,Л= А»Я # при этом переходные процессы от "пустой" очереди до пиковой загрузки и наоборот аналогичны процессам загрузки-разгрузки линии в начале смены и в конце работы линии и в настоящее время являются достаточно изученными 7SQ .
Как следует из вышесказанного, для случаев средней-Л и пиковой Л=2Л загрузок, многономенклатурная очередь на входе является буфером, исключающим влияние кратковременных флуктуации интенсивности входного потока. Очевидно, что расчетной средней интенсивности входного потока должна соответствовать такая интенсивность обслуживания, при которой выполнялось бы условие
Как известно, решение дифференциально-разностных уравнений Колмогорова для стационарного режима ( 1) дает следующие соотношения вероятностей состояний СМО:
При этом анализ СГЛО для случаев приближения у к единице затруднен, хотя существует доказательство возможности стационарного режима при Р-4 [25] . Случай Qsi для рассматриваемой СМО значительного интереса не представляет, т.к. соответствует промежуточному состоянию между пиковой и средней загрузками. Расчетное значение средней загрузки может быть определено из условия:
Определив основные закономерности относительно Д() , Wh) , установим для дальнейшего анализа простейшую дисциплину обслуживания поступающих заявок - FCFS (первым пришел, первый обслужен) и рассмотрим более подробно характер входного потока.
В соответствии с пунктом (3.2) модели пуассоновский входной поток образуется болышм количеством разнотипных источников и представляет из себя поток заявок N видов. Поставим в соответствие I члену множества А -(0 , } вероятность появления
Тогда в соответствии с доказательством, имеющимся в работе (28J , входной пуассоновский поток с интенсивностью Л представляет из себя N независимых пуассоновских потоков:
Докажем, что рассматриваемая СМО - многопроцессная технологическая линия, представляемая сетью общего типа с зависящей от числа заявок интенсивностью обслуживания, система с ожиданием на входе может быть представлена как набор из IV/ независимых полнодоступных систем с очередью - (линейной стахостической сетью 32] ).
Принципы построения роботизированного участка мелкосерийного гальванического производства
Система межоперационного транспортирования асинхронной МТЛ представляет из себя СМО типа ММС1 , где О, - число роботов, обслуживающих вызовы на транспортирование.
Современный уровень организации МТЛ предполагает работу каждого транспортного робота в своей зоне с передачей деталей между зонаїли, которая осуществляется в различных типах компоновок по разному. Существующее в настоящее время многообразие компоновок МТЛ можно рассматривать как комбинацию следующих пяти типов (рис.10). Как видно из рисунков, типы а и б предполагают обслуживание транспортных операций только с помощью роботов, в то время как в типах в, г,,, д передача между зонами осуществляется за счет введения дополнительных устройств.
Не останавливаясь на рассмотрении специальных вопросов взаимодействия роботов и передаточных устройств, разделим приведенные варианты компоновки на два вида - с незамкнутыми и замкнутыми маршрутами прохождения. В первом случае вход и выход линии разнесены, во втором - позиции загрузки-разгрузки совмещены.
Вариант с незамкнутыми технологическими маршруташ целесообразен в случаях, когда технологическая линия непосредственно встраивается в обший процесс изготовления деталей. Применение варианта с совмещенными позициями загрузки - разгрузки позволяет сосредоточить обслуживание линии в одном ее конце, что удобно, когда линия является законченным и обособленным технологическим участком. То же относится к "1Г-образной компоновке линии. Следует отметить, что класс компоновки с замкнутыми маршруташ в настоящее время наиболее популярен.
Как следует из выражения (2.1.7), пропускная способность системы транспортных роботов МТЛ является функцией среднего времени выполнения транспортной операции. Величина среднего времени определяется: - эффективностью организации процесса обслуживания роботами вызовов; - равномерностью распределения загрузки между последовательно обслуживающими детали роботами, определяемой разбивкой МТЛ на зоны их действия; - эффективностью дисциплины обслуживания вызовов при возникновении очереди заявок на транспортирование; - длительностью транспортного цикла, в котором при заданных технологических ограничениях минимизируется только скорость перемещения транспортных роботов между позициями Оценим различные организации обслуживания вызовов транспортными роботами в МТЛ с незшлкнутыми и замкнутыми технологическими маршрутами. При этом эффективность организаций обслуживания будет определяться суммой ребер графа переходов, т.е. длиной пути, который необходимо пройти роботу для реализации L гехмаршрута.
Обозначим через X) и D эти длины для случаев незамкнутого и замкнутого маршрутов. Пусть имеется линия с компоновкой а),б) типа (рис,10), которая обслуживается двумя роботами. При незамкнутых маршрутах деталь обрабатывается в зоне первого робота, передается в зону второго, после обработки которым выходит из линии. При замкнутых маршрутах деталь проходит первую и вторую зоны, возвращается в первую зону, где установлена позиция загрузки/разгрузки.
Исходя из математической модели раздела 2.2, представим каждую транспортную операцию переходом с позиции, являющейся отображением на позицию, являющуюся отоорадением где: j - текущий номер технологической операции і -и детали.
Частичный граф, с помощью которого могут быть представлены переходы, обеспечивающие обслуживание произвольной L-й детали, находящейся в обработке в линии, будет определяться организацией обслуживания роботами вызовов.
Так при организации работы с исходной позицией (в центре рабочей зоны) возможно получение следующего частичного графа переходов (рис.На). Длину всех дуг этого графа обозначим Dx . При организации работы без исходной позиции соответствующий рисунку На частичный граф будет иметь вид (рис.Нб). Длину всех дуг этого графа обозначим Ъ . Сравнивая представленные на этих двух рисунках графы, соответствующие организациям с исходной позицией и без нее, заметим, что если исходную позицию при первой организации принять за наиболее вероятное положение робота, реализующего вторую организацию, то J J-C: Для количественного сравнения эффективности рассматриваемых дисциплин типов организаций обслуживания роботами вызовов зададим, что линия состоит из ГП позиций, разбита на две зоны )П1 , ПГІ2,, соответственно двум последовательно действующим роботам.
Произвольная деталь требует для своей обработки в линии К технологических операций. Зона передачи (взаимодействия), в которую деталь доставляется одним роботом, а берется другим, состоит из одной позиции в линии с незамкнутыми маршрутами и из двух в линиях с замкнутыми маршрутами. В линии одновременно обслуживается произвольное множество = {01(С!г,...Оіь} деталей, Ас А , причем каждая 0 требует реализации своего техмаршрута и временного графика.
Условие недетерминированного множества одновременно обрабатываемых деталей делает невозможным проведение строгого расчета путей, проходимых транспортными устройствами многопроцессной линии. Поэтому для сравнения эффективности рассматриваемых дисциплин будем считать, что вызовы на позиции в каждой из зон расп-ределенн... по закону равномерной плотности.
Техническая реализация системы оптимального динамического управления загрузкой многопроцессных линий
Для рассматриваемых режимов работы транспортных роботов с расчетным коэффициентом загрузки порядка 0,8 имеется значительная вероятность одновременного появления двух и более вызовов на транспортирование. Поэтому возникает задача задания дисциплины обслуживания вызовов, минимизирующей некоторую целевую функцию. В качестве целевой функции целесообразно выбрать суммарную длительность обслуживания вызовов. Поскольку недетерминированный входной поток деталей в линию и асинхронный режим ее работы определяют условия функционирования транспортного робота линии, характеризующиеся априорной неопределенностью ситуаций, определяемых появлением одновременных вызовов, естест-венно рассматривать оптимизацию как процесс адаптации к изменяющимся условиям функционирования транспортного робота. Такая постановка задачи тем более оправдана относительно автономного транспортного робота, обслуживающего вызовы от независимых источников. Это может быть, например, транспортный робот цеха, обслуживающий группу асинхронных линий, обеспечивающий транспортирование подвесок между позициями их монтажа и загрузки линии, позицией разгрузки линии и складом готовой продукции.
Рассмотрим функциональную структуру транспортного робота современных линий гальванопокрытий, представляющего из себя комплекс механизмов, отрабатывающих команды, поступающие: из системы ЧПУ и, как правило, через стыковочную систему управления приводами (рис.15). Несовершенство такой четырехуровневой управляющей иерархии определяет ряд принципиальных технических трудностей ее реализации. Это, во-первых, необходимость осуществления связи между системой ШУ и перемещающимся на десяток метров роботом. При этом необходимо обеспечить два канала связи - для силовых цепей и для передачи сигналов обратной связи от исполнительных механизмов. Во-вторых, необходимость введения особых мер защиты от помех по каналу обратной связи, к тому же нарушающему иерархию.
Рассмотрим возможность совершенствования функционирования транспортного робота за счет реализации принципа автономности и введения элементов очувствления. Предлагаемая функциональная структура транспортного робота представлена на рис. взаимодействие систему ЧПУ линией и транспортного робота сводится к выдаче сигнала включения источника вызова на требуемой позиции и приему сигнала с датчика фиксации детали на позиции, являющегося обобщенным сигналом обратной связи. При этом обратная связь по положению робота в линии замыкается на его систему управления приводами и систему ориентации. Устройство отработки команд заменяется буферным ЗУ, фиксирующим команду (номер позиции вызова) до ее отработки. Система управления приводами переносится на робот, что исключает необходимость каких-либо проводных связей с перемещающимся роботом, кроме его энергоснабжения. Для робота, обслуживающего группу линий цеха, необходим переход к бортовому электроснабжению, что на современном техническом уровне реализуется установкой бортовой батареи аккумуляторов [J78] , хотя появляются и принципиально иные решения [86J . В структурную схему робота кроме системы датчиков очувствления необходимо ввести еще два функциональных блока: модель транспортного цикла и систему анализа ситуаций и ориентации. Модель транспортного цикла фиксирует подпрограмму отработки одной команды, обеспечивающей горизонтальное перемещение робота на позицию вызова и определенное перемещение манипулятора для осуществления съема детали с позиции или фиксацию ее на позиции. В случав нахождения робота на позиции вызова, его транспортный цикл укорачивается за счет исключения операции горизонтального перемещения. Сигналы, определяющие работу этого структурного элемента, поступают с выхода системы анализа ситуаций и ориентации и датчиков обратной связи механизмов манипулятора. Система анализа и ориентации является верхним уровнем " иерархии автономного транспортного робота, где анализируются сигналы, поступающие от системы очувствления, классифицируется текущая ситуация и осуществляется выбор действия, адекватного ситуации. На втором уровне иерархии, в соответствии с заданной моделью транспортного цикла и положением манипулятора, формируются команды на движение, осуществляется управление исполнительными приводами. Высшим уровнем управления роботом, гнк-пионирующим в линии, является ее система ЧПУ, обеспечивающая совместное функционирование группы роботов линии.
Алгоритм формирования вызовов для произвольного робота линий представлен на рис.17. Алгоритм содержит два логических блока, соответствующих ситуациям подгона и переноса. Для осуществления транспортного цикла необходимо выполнение логического условия, соответствующего этим блокам. Это очевидное условие может быть представлено как: - условие нахождения позиции вызова в зоне действия роботов; С - условие занятости позиции переноса; 0L - условие нахождения позиции переноса в зоне взаимодействия роботов; - условие занятости взаимодействующим роботом зоны совместной работы. Общая структура системы управления роботами технологической линии представлена на рис.18. Поскольку в соответствии с выражением ( 3.2.2) транспортные роботы линии вне зоны своего взаимодействия могут рассматриваться как независимые системы, решение задачи оптимизации функционирования транспортного робота может быть достигнуто путем введения в систему управления элементов адаптации.
