Повышение эффективности ГПС мелкосерийного производства на этапах их проектирования и эксплуатации за счет использования имитационного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Бороздин, Дмитрий Николаевич

• Бороздин, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бороздин, Дмитрий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГПС.

1.1. Современное состояние и тенденции развития производственных систем и промышленных информационных технологий.

1.2. Задачи и методы анализа ГПС.

1.2.1 Основные показатели эффективности функционирования ГПС и задачи их оценки.

1.2.2 Математические модели производственных систем.

1.2.3 Методы оценки показателей функционирования ГПС.

1.3. Оценка показателей функционирования ГПС мелкосерийного производства.

1.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 И ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГПС, ИМЕЮЩИХ СЛОЖНУЮ СТРУКТУРУ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ.

2.1 Анализ различий в структуре материальных потоков ГПС мелкосерийного производства и поточных АЛ.

2.2. исследование ГПС с потоками возврата деталей, обусловленными технологическими процессами их обработки.

2.2.1. Структура ГПС в зависимости от комплексности изготовления изделий.

2.2.2. Структура ГПС в зависимости от компоновочной схемы расположения оборудования и реализации транспортной системы.

2.2.3. Пример ГПС с возвратом деталей для дальнейшей обработки.

2.3. Исследование влияния исправимого брака на структуру материальных потоков в системе.

2.3.1 Экономическая целесообразность доработки исправимого брака в производстве.

2.3.2. Структура системы в зависимости от используемых технологических операций.

2.3.3. Структура системы в зависимости от способа доработки брака.

2.3.4. Структура системы в зависимости от применяемых видов контроля качества.

2.3.5. Пример автоматизированной производственной системы с возможностью возврата деталей на доработку.

2.4. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ГПС МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

3.1. Разработка математической модели производственных систем сложной структуры с учетом параметров надежности их функционирования.

3.1.1. Описание математической модели и формализация ГПС.

3.1.2. Доработка математической модели с учетом надежности оборудования и нормального закона распределения времени обработки деталей.

3.1.2.1. Разработка программного модуля для проведения исследования.

3.1.2.2. Исследование значений параметров нормального закона распределения времени обработки, при которых сохраняются свойства потока обработанных деталей на выходе станка.

3.1.2.3 Исследования значений параметров потоков отказов и восстановлений работоспособности, при которых сохраняются свойства потока обработанных деталей на выходе станка.

3.2. Разработка методики и алгоритма имитационного моделирования

3.2.1 Постановка задачи и принятые допущения.

3.2.2 Исходные данные для моделирования.

3.2.2.1 Исходные данные и статистические показатели системы на этапе проектирования.

3.2.2.2 Исходные данные и статистические показатели системы на этапе эксплуатации.

3.2.3 Алгоритм моделирования.

3.2.3.1 Укрупненный алгоритм моделирования.

3.2.3.2 Построение модели производственной системы в виде системы массового обслуживания на основе данных этапа проектирования.

3.2.3.3 Корректировка и дополнение модели производственной системы на основе данных этапа эксплуатации.

3.2.3.4 Алгоритм имитационного моделирования системы массового обслуживания.

3.2.3.5 Алгоритм имитационного моделирования одной позиции обработки.

3.2.3.6 Вычисление результатов моделирования (получение оценок функционирования производственной системы).

3.3 Реализация методики имитационного моделирования на основе PDM-системы.

3.3.1 Обоснование разработки системы имитационного моделирования на основе PDM.

3.3.2 Представление в PDM данных различных стадий жизненного цикла производственной системы.

3.3.2.1 Представление в PDM данных, поступающих в информационную систему на этапе проектирования.

3.3.2.2 Представление в PDM данных, поступающих в информационную систему на этапе эксплуатации ПС.

3.3.3 Реализация алгоритма имитационного моделирования.

3.4 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 моделирование работы производственного участка.

4.3 Анализ результатов моделирования и оценка эффективности разработанной методики.

4.4 Выводы по главе 4.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности ГПС мелкосерийного производства на этапах их проектирования и эксплуатации за счет использования имитационного моделирования»

В условиях рыночной экономики многие предприятия отечественной промышленности вынуждены переходить от массового производства к мелкосерийному, чтобы обеспечить выполнение различных требований заказчиков. При этом на смену автоматизированным производственным системам с жесткой структурой (автоматическим линиям) приходят гибкие производственные системы (ГПС) на базе станков с ЧПУ, к преимуществам которых можно отнести:

• возможность автоматизированной обработки значительной номенклатуры деталей при использовании небольшого количества универсального оборудования с ЧПУ;

• увеличение коэффициента использования оборудования и снижение накладных расходов;

• уменьшение объема незавершенного производства;

• ускорение перехода к выпуску новых видов изделий при обеспечении стабильного качества и конкурентоспособности продукции за счет уменьшения времени на переналадку.

Проектирование автоматизированных гибких производственных систем связано с взаимоувязкой работы многих разноплановых наукоемких компонентов: технологических, транспортно-складских, информационных и др.

Каждый проект производственной системы (ПС) достаточно оригинален. Поэтому опыт работы с предыдущими проектами не дает ответов на все вопросы, возникающие при осуществлении нового проекта. Многие, часто принципиальные, ошибки выясняются и исправляются уже на этапах внедрения и ввода в эксплуатацию, что увеличивает стоимость работы и удлиняет сроки реализации проектов.

Одним из эффективных методов проверки и отработки принятых решений является имитационное моделирование процессов функционирования ПС. Моделирование позволяет оценить потенциальную производительность системы, загрузку технологического и транспортного оборудования, объемы незавершенного производства, определить требуемую вместимость складов и промежуточных накопителей и т.д.

К преимуществам имитационного моделирования относится возможность воспроизведения в модели ПС различных случайных факторов, к которым можно отнести нерегулярность поступления заготовок на обработку и отказы оборудования. Имитационное моделирование может эффективно применяться не только на этапе проектирования, но и на этапе промышленной эксплуатации ПС. В этом случае результаты моделирования помогают прогнозировать поведение системы в нештатных ситуациях, а также определить комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить выпуск требуемого количества продукции при минимальных затратах и в заданные сроки.

Большинство существующих методик и программных средств имитационного моделирования производственных систем [1.7-1.11] разрабатывались в расчете на поточные автоматические линии массового производства. Гибкие автоматизированные производства имеют особенности, которые не учитывались при разработке этих методик, что делает практически невозможным их применение.

Одной из главных таких особенностей является широкая номенклатура деталей, обрабатываемых по различным технологическим маршрутам. При этом для обработки деталей разных типов характерно использование одного и того же оборудования в различных последовательностях. Поэтому структура материальных потоков в гибких автоматизированных системах обычно является «разветвленной» в отличие от «последовательно-параллельной» структуры при поточном производстве, где оборудование устанавливается в неизменном порядке следования операций технологического процесса обработки детали.

При мелкосерийном производстве в ГПС технологический процесс может быть построен таким образом, что для выполнения очередной технологической операции деталь повторно поступает на обработку на один и тот же станок. Это приводит к возникновению так называемых «потоков возврата» в структуре материальных потоков деталей и усложняет анализ ПС. Эта особенность не учитывалась в существующих моделях поточных автоматических линий, так как при массовом производстве в этом случае для обеспечения высокой производительности используется дополнительная единица оборудования.

Себестоимость обработки детали при мелкосерийном производстве значительно больше, чем при массовом, поэтому во многих случаях экономически целесообразной является доработка исправимого брака. Исправление брака требует дополнительных затрат рабочего и машинного времени, электроэнергии и других ресурсов, и также ведет к возникновению «потоков возврата» деталей, поступающих на доработку.

Работа посвящена созданию методов анализа и повышения показателей эффективности ГПС в процессе ее проектирования и эксплуатации, основанных на имитационном моделировании и учитывающих сложную структуру материальных потоков в системе. Предметом исследования является влияние материальных потоков на эффективность функционирования ГПС.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Бороздин, Дмитрий Николаевич

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ

РАБОТЫ

В диссертационной работе получены следующие научные и практические результаты:

1. На основе анализа автоматизированных систем мелкосерийного производства введено понятие о производственной системе сложной структуры.

К числу таких систем относятся:

• системы с разветвленными материальными потоками, обусловленными различием технологических процессов обработки деталей в пределах заданной номенклатуры;

• системы с «потоками возврата», обусловленными как особенностями технологических процессов (повторная обработка на одном и том же станке), так и необходимостью доработки деталей с целью устранения исправимого брака, что экономически целесообразно в мелкосерийном производстве;

• системы с разветвленными потоками и потоками возврата.

2. Разработана математическая модель производственной системы сложной технологической структуры с учетом надежности используемого оборудования, существенно отличающаяся от известных моделей однонаправленных («поточных») автоматизированных систем массового производства, позволяющая:

• отображать структуру материальных потоков деталей любой сложности, в том числе с учетом «потоков возврата», вызванных построением технологического процесса обработки либо необходимостью исправления брака;

• для каждой единицы оборудования задавать в модели как экспоненциальный, так и нормальный закон распределения времени обработки детали;

• для учета показателей надежности при моделировании для каждой единицы оборудования задавать независимые пуассоновские потоки отказов и восстановлений работоспособности.

3. Получены аналитические зависимости, позволяющие проверить корректность модели на основе известных значений интенсивности поступления деталей на обработку, среднего времени обработки и параметров потоков отказов и восстановлений работоспособности по каждой единице оборудования.

Показано, что разработанная математическая модель корректно отображает процесс функционирования производственной системы сложной структуры при условии достаточно высокой надежности используемого оборудования (например, значение средней наработки на отказ станка должно быть более 40 часов при среднем времени восстановления работоспособности менее 3 часов).

4. Разработана имитационная модель и методика анализа производственных систем, позволяющая получать оценки показателей производительности, объема незавершенного производства, загрузки оборудования, требуемой емкости промежуточных накопителей и выявлять «узкие места» при малой серийности выпуска деталей.

Имитационная модель и методика позволяют:

• учитывать разнообразие номенклатуры деталей, обрабатываемых по различным технологическим маршрутам;

• учитывать необходимость доработки деталей с исправимым браком;

• учитывать возможность повторного поступления детали на один и тот же станок для выполнения очередной технологической операции, что характерно для мелкосерийного производства.

5. На основе конструкторско-технологических данных об изготовляемых изделиях и эксплуатационных данных об используемом оборудовании предложенные имитационная модель и методика позволяют эффективно решать следующие задачи:

• выполнять многократные оценки показателей функционирования ПС при внесении изменений в технологические процессы, связанные с переходом на изготовление нового типа изделия или с совершенствованием существующего технологического процесса;

• сравнивать различные варианты построения технологического процесса изготовления детали с точки зрения их влияния на показатели функционирования системы в целом;

• оценивать показатели работы ПС при изготовлении сложного изделия, состоящего из множества деталей и сборочных единиц;

• сравнивать показатели работы ПС на этапе ее проектирования и в процессе реальной эксплуатации с учетом отказов оборудования с целью оценки принятых технических решений и необходимости совершенствования ее конструкции.

7. Программная реализация предложенной методики в среде РЭМ-системы позволяет снизить до 50% трудоемкость моделирования производственной системы и повысить достоверность получаемых результатов.

В РБМ-системе обычно содержатся все необходимые для моделирования данные об изготовляемых изделиях, их составе, технологических процессах и используемом оборудовании. РЭМ-система также контролирует актуальность и непротиворечивость этих данных и предоставляет программные средства доступа к ним. Поэтому реализация методики имитационного моделирования в среде РЭМ-системы упрощает подготовку исходных данных и снижает риск получения ошибочных результатов.

8. Предложенная в работе методика апробирована на примере моделирования участка многономенклатурного мелкосерийного механообрабатывающего производства, разработанного ОАО «ЭНИМС» для инженерно-технического центра диагностики магистральных трубопроводов (ИТЦ ДМТ) ПО «СПЕЦНЕФТЕГАЗа».

На рассмотренном примере проиллюстрирована возможность сравнения показателей функционирования ПС для различных вариантов построения структуры материальных потоков деталей в процессе обработки. На основе результатов анализа полученных показателей даны рекомендации по выбору конкретного варианта структуры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бороздин, Дмитрий Николаевич, 2006 год

1. Владзиевский А.П. Автоматические линии в машиностроении. М.: Машгиз, 1958

2. Опитц Г. Современная техника производства. М.: Машиностроение, 1975.

3. Митрофанов В.Г., Петров В.М. Интегрированная автоматизированная система управления компьютерным производством // Станки и инструмент. -N6.- 1992.-c.2-3.

4. Соломенцев Ю. М., Рыбаков А.В. Информационные технологии, решения задач конструкторско-технологической информатики в машиностроении // Автоматизация проектирования. 1997. -№1. —с.39-51.

5. Сосонкин В. Л. Программное управление технологическим оборудованием: Учебник для вузов. -М.: Машиностроение, 1991. 512с.

6. Таратынов О.В., Земсков Г.Г., Баранчукова И.М. Металлорежущие системы машиностроительных производств. М: Высшая школа, 1988.-е. 464.

7. Владзиевский А.П. Вероятностный закон работы и внутренние запасы автоматических линий//Автоматика и телемеханика,-1952-№3.-с.227-281

8. Дымшиц Е.С. Основные характеристики больших систем, рассматриваемых как системы массового обслуживания//Доклады 2-го Всесоюзного совещания по статистическим методам теории управления (Ташкент, 1970).-М.:Наука, 1970. С.156-169

9. Дымшиц Е.С. Разработка методов расчета надежности автоматических линий по заданным характеристикам надежности их элементов// М.: ЭНИМС, 1964

10. М.А.Бромберг Методы оценки показателей производительности и надежности автоматических линий- М.: ЭНИМС, 1986, с. 4, с. 124

11. Немировский П.З. Исследование и разработка методов обеспечения производительности и надежности автоматических станочных линий сблокированного исполнения: Дис. . канд. техн. наук -М.: ЭНИМС, 1980.

12. Васильев B.C. Принципы построения гибких производств // Станки и инструмент. 1984. №4. с.4-6.

13. Интегрированная АСУ автоматизированных производств / Под ред. Б.И. Черпакова-М.: ЭНИМС, 1992.-304с.

14. Горнев В.Ф., Емельянов В.В. Овсянников М.В. Оперативное управление в ГПС. М.: Машиностроение, 1990. - 256с.

15. Евгеньев Г.Б. Системология инженерных знаний: Учеб. Пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 376с.

16. Бусленко Н.П. Математическое моделирование производственных процессов. -М.: Наука, 1964.

17. Глухов В.Н. Характеристики продуктивности и надежности сложных систем: Дис. . канд. техн. наук-М.: МПУ, 1973.

18. Брон JI.C., Бромберг М.А., Великович В.Б. и др. Станкостроение СССР. -В.З. Агрегатные станки и автоматические линии. М.: НИИМАШ, 1970.

19. Гуленков В.Ю., Осипов JI.A. Оптимизация комплексно-автоматизированных участков из станков с ЧПУ// Оборудование с ЧПУ.-1979-Вып.5.-С.14-16

20. Катковник В.Я., Хлудова М.В., Ганин Н.М. Математическое моделирование материальных потоков в ГПС/ Алгоритмическое и программное обеспечение. М. 1987.- с 60.

21. Кмета М.А., Добров Д.И., Зорина С.И. Потоковые алгоритмы для гибких автоматизированных комплексов//Механизация и автоматизация производства.-1985.-№7.-C.33-34

22. Программно-математическое обеспечение имитационного моделирования организационно-экономических и технологических производственных сиситем. /Е.Ф.Аврамчук, A.C. Бачурин, Ю.М. Турин и др. -Л.: ЦНИИ «Румб», 1983. 87 с.

23. ГОСТ 26228-90. Системы производственные гибкие. Термины и определения, номенклатура показателей.

24. Р50.1.031-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Часть 1. Стадии жизненного цикла продукции, Госстандарт РФ 2001 г.

25. Судов Е.В. Информационная поддержка жизненного цикла продукта. \\ PC WEEK №45,1998. с 15.

26. Jari S. CALS. Stockholm: Magnusson Torbjorn Holm, 1996. - 182p.

27. Норенков И.П., Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии. -М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2002. -320с.

28. Беспалов В., Клишин В., Краюшкин В. Развитие систем PDM: вчера, сегодня, завтра // САПР и графика. 2001. -№11.

29. Беспалов В., Клишин В., Краюшкин В. Системы PDM: вчера, сегодня, завтра. Часть 2. Что такое система PDM сегодня: состав и функциональность // САПР и графика. 2001. № 12.

30. Черпаков Б.И., Судов Е.В. Компьютеризированное управление автоматизированным заводом, Machine Tools, №12. 1992. pp. 10-11, ISSN 1000-1271, Beijing, China.

31. OCT 2 H64-3-84 Линии автоматические механической обработки. Основные понятия и система показателей производительности и надежности.

32. РТМ2 Н63-62-86 Линии автоматические. Типовая методика и программа приемо-сдаточных испытаний специальных металлорежущих станков, встраиваемых в несблокированные автоматические линии.

33. РТМ РМЭ 1-7 Общие технические условия на проектирование, изготовление и эксплуатацию автоматических линий. Методика моделирования на ЭВМ структурной схемы и системы эксплуатации автоматических линий. -М.: НИИМАШ, 1975.

34. Руководящие материалы по проектированию автоматических линий/ Владзиевский А.П., Вульфсон И.А., Дымшиц Е.С. М.:ЭНИМС, 1952.

35. Лищинский Л.Ю. Структурный и параметрический синтез гибких производственных систем. М. Машиностроение, 1990. - 312с.

36. Завьялов А.В. Имитационное моделирование автоматизированных комплексов с использованием системы GPSS: Методические рекомендации -М.: ЭНИМС, 1982.-40с.

37. Haider S.W., Banks J. Simulation Software Products for Analyzing Manufacturing Systems //Industrial Engineer (USA). -1986. V. 18, N 7 - P.98-103.

38. Бороздин Д.Н. Имитационное моделирование сложной производственной системы как системы массового обслуживания с учетом потоков возврата// Сборник трудов М.: ЭНИМС, 2003 - с.25.

39. Материалы web-сервера http://practica.saldo.ru

40. Методика исследования работы автоматических линий. М.: ЭНИМС, 1979- 86 с.

41. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения.

42. Автоматические линии в машиностроении: Справочник. Т. 2/ Под ред. Л.И. Волчкевича. М: Машинострение,1984, с. 312

43. Б.И. Черпаков, И.В. Брук Гибкие механообрабатывающие производственные системы- М.: Высш. шк.,1989

44. Ганин. Н.М., Катковник В.Я. Исследование производительности

45. ГПС методами теории сетей массового обслуживания- JL: 1986.- 87с. /

46. Рукопись деп. в ВИНИТИ 5 марта 1986-№ 1470-В86.

47. Владзиевский А.П. Автоматические линии в машиностроении. М.: Машгиз, 1958

48. Юденков А.Г. Методика расчетов параметров ГПС как системы массового обслуживания сложной структуры //СТИН 2003. - №1 - С. 14-17

49. Вентцель Е. С. Исследование операций. Задачи. Принципы. Методология. — М.: Наука, 1988.

50. Бороздин Д.Н. Имитационное моделирование сложной производственной системы как системы массового обслуживания с учетом потоков возврата// Сборник трудов М.: ЭНИМС, 2003 - с.25.

51. Вапник В.Н., Червоненкис А .Я. Теория распознавания образов. М.: Наука, 1974.-487 с.36. ГОСТ Р ИСО 10303 (Step)