CC BY
17
2005
Доклады БГУИР
июль-сентябрь
№ 3 (11)
УДК 681.5.015:919.711.3
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИБКОГО ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
С В. ЛУКЬЯНЕЦ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 5 июня 2005
Исследуется гибкий автоматизированный участок штамповки деталей из полосы. На основе разработанного алгоритма функционирования участка составлена программа его моделирования на языке вР88. Рассмотрены различные сочетания значений емкости кассеты, числа заготовок в полосе и числа заготовок в таре и установлены зависимости коэффициентов загрузки оборудования от числа партий деталей. Обоснованы рекомендации по областям применения одномодульных и двухмодульных участков.
Ключевые слова: гибкий производственный участок штамповки, имитационное моделирование, загрузка оборудования.
Введение
Имитационное моделирование в настоящее время нашло широкое применение при исследовании сложных производственных систем [1, 2]. Применительно к исследованию гибких производственных систем (ГПС) мощным средством имитационного моделирования является язык ОР88, предназначенный для имитации систем массового обслуживания. К достоинствам этого языка относятся структурное подобие модели реальному объекту, возможность управлять масштабом времени. Сравнительно просто учитывать правила соблюдения приоритетов, случайные процессы с различными законами распределения, логические функции и другие факторы. Язык ОР88 доступен для изучения, обладает дружественным интерфейсом при использовании, имеет хорошую документацию, реализует автоматическую распечатку обширной информации. При исследовании ГПС дает хорошие результаты при определении производительности и времени производственного цикла, степени загрузки основного и вспомогательного оборудования, определении узких мест, емкости загрузочно-накопительных устройств и складов. Язык ОР88 целесообразно использовать при проектировании ГПС уровней гибкий производственный модуль, линия, участок, цех. Одним из таких уровней является рассматриваемый гибкий автоматизированный участок штамповки деталей из полосы.
Компоновочная схема участка
Компоновочная схема гибкого автоматизированного участка (ГАУ) штамповки деталей из полосы представлена на рис. 1.
Кассеты с полосами поступают с цехового склада на склад участка 2. Напольный транспортный робот 1 подает их из склада на приемный стол 3. С приемного стола тележка 11 подает кассеты в магазин 4. По мере его заполнения кассета с полосами поступает через устройства 5 и 7 в пресс 15. После штамповки детали идут на провал, а отходы — на ножницы 8. Транспортер
(не показан) доставляет детали к накопителю деталей 9, а отходы — к накопителю отходов 10, которые представляют собой поворотные четырехсекционные столы. После заполнения всей тары она отвозится тележкой 11 на склад.
ГПМ штамповки; О — оператор; 1 — напольный робот; 2 — склад; 3 — приемный стол; 4 — магазин полосовых заготовок; 5 — устройство автоматической подачи полос; 6 — магазин штампов с устройством их автоматической установки; 7 — устройство автоматической подачи; 8 — ножницы для резки отходов; 9 — накопитель деталей; 10 — накопитель отходов; 11 — двухсекционная транспортная тележка; 12 — система управления; 13 — приемовыдающий поворотный стол; 14 — рольганг; 15 — пресс
Алгоритм моделирования
Рассмотрим алгоритм моделирования работы одномодульного участка. Схема алгоритма приведена на рис. 2. Здесь введены обозначения: ATEL — автоматическая тележка; PRESS — пресс; ELEV — элеватор; РОБС — устройство подачи полосы в штамп; КАКР — поворотный стол накопителя деталей и отходов; X1 — количество кассет под отходы; Х2 — количество кассет под детали; Х3 — количество кассет с полосами; Х4 — количество отштампованных полос; Х5 — количество кассет с отштампованными деталями; Х6 — текущее количество остатка полос; Х7 — текущее количество кассет с деталями; Х9 — текущее количество деталей; Р — количество полос в партии; n— число полос в кассете; z — число заготовок в одной полосе;
zö — число заготовок, укладываемых в тару до ее заполнения; K0 = Njz^ , где N — программа
выпуска деталей за две смены, zQ — количество заготовок, соответствующее заполнению тары
K N K N под отходы, K ö = —, K =-.
zö znk
Блоки алгоритма 1...12 соответствуют загрузке оборудования; 14... 18, 20 — циклу штамповки полос одной кассеты; 29, 31 — штамповке остатка полос; 19, 21, 23, 26, 28, 30, 32, 34 — замене тары, заполненной деталями и отходами, на пустую тару (внутри цикла) и переходу к блоку 7 (к перезагрузке); 38.40 — разгрузке оборудования при окончании партии и пере-16
ходу к блоку 1 (переналадке); 42 — разгрузке оборудования в конце второй смены. Рядом с блоками указано время выполнения операций в секундах.
Начало
ATEL установить тару под отходы
15
45
да
5
ATEL
установить тару
под детали
6
X2 = X2 + 1
7
нет X 2 > K ^"--ъ.
15
45
PRESS установить штамп
20
ф
10
ELEV переместить на одну позицию
6 12
13 ^^^ P > 14 ПК да
ч
PODC подать полосу в штамп
15
PRESS штамповка полосы
16
X4 = X4 + 1
17
X9 = X9 + z
60 63
ч?
з
нет
6
z ■
ф
18
X9 > z
»i да
20
X 4 > пК
22 да
X5 = X5 + 1
ф
27 да
ELEV переместить на одну позицию
29 *
PODC подать полосу в штамп
31
PRESS штамповка полосы
z ■ ■
60 63
Ф
19
28 да
ATEL забрать тару с деталями на склад
30
ATEL забрать тару с отходами на склад
32
ATEL взять тару со склада и установить под детали
30
180
30
180
15
45
Ф
Ф
нет
нет
3
6
X6 = X6 + 1
35
X9 = X9 + z
ATEL снять пустые кассеты и подать их на склад
39
АТ снять тару с накопите на с Еь с деталями ля и подать клад
40
РЯ1 убрать штам 1п в магазин
30
180
30
180
20
AT снять тару с накопите на с EL с отходами ля и подать клад
30
180
Ф
45
Конец
Рис. 2. Алгоритм имитационного моделирования одномодульного ГАУ штамповки деталей из полосы
нет
Программирование и расчет на ЦВМ
На основании разработанного алгоритма на языке GPSS составлена программа имитационного моделирования (рис. 3). За единицу модельного времени принята 1 с.
SIMULATE
КОМ VARIABLE
КТМ VARIABLE
KZM VARIABLE
TAR VARIABLE
VAR VARIABLE
RAR VARIABLE
WAR VARIABLE
LAR VARIABLE
GENERATE ASSING
MET2
MET5G
MET1
MET4G
MET3
MET4
MET6
MET5
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
ASSING
SPLIT
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
TRANSFER
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
TERMINATE
ASSING
TEST GE
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
ASSING
TEST GE
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
ASSING
QUEUE
SEIZE
DEPART
ADVANCE
RELEASE
TEST GE
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
TEST GE
QUEUE
SEIZE
DEPART
ADVANCE
RELEASE
QUEUE
SEIZE
DEPART
ADVANCE
P10/P11 P10/P12 P10/(P14#P13) P14# 60/63 P9+P14 P10 - P5#P13 P12/2 P13#P14 , , , 1 10,800 12,300 13,50 14,10 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
8,V$RAR 9,0
15, V$TAR 11, V$WAR
16, V$LAR 1, MET1 ATEL
30, 15 ATEL ,MET40 PRESS 20
PRESS 1+, 1
P1, V$KOM, MET50
ATEL
30, 15
ATEL
2+, 1
P2, V$KTM, MET3
ATEL
30, 15
ATEL
3+, 1
OTO1
ELEV
OTO1
3
ELEV
P3, V$KZM, MET4 ELEV
9, 3 ELEV
P10, P16, MET7
TOR1
PODC
TOR1
6
PODC
BOR1
PRESS
BOR1
P15
MET10
MET7
MET11 MET8
MET 15
FIN
RELEASE
ASSING
ASSING
TEST LE
TEST GE
ASSING
ASSING
TEST L
TEST NE
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
QUEUE
SEIZE
DEPART
ADVANCE
RELEASE
QUEUE
SEIZE
DEPART
ADVANCE
RELEASE
ASSING
ASSING
TEST L
TEST GE
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
TRANSFER
ASSING
QUEUE
SEIZE
DEPART
ADVANCE
RELEASE
ASSING
TEST GE
TEST E
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
TRANSFER
GATE LS
SEIZE
ADVANCE
RELEASE
TERMINATE
GENERATE
LOGIC S
TERMINATE
START
END
PRESS 4+, 1
9, V$VAR P9, P12, MET15 P4, P13, MET5 5+, 1 4, 0
P5, V$KZM, MET6 P8, 0, MET8 ELEV
3
ELEV TOR2 PODC TOR2 6
PODC BOR2 PRESS BOR2 P15 PRESS 6+, 1
9, V$VAR P9, P12, MET15 P6, P8, MET7 ATEL 105, 75 ATEL ATEL 105, 75 ATEL PRESS 20
PRESS , FIN 9, P14 MAP NAKP MAP
4
NAKP 7+, 1
P7, V$KTM, MET10 P7, V$KTM, MET11 ATEL 105, 75 ATEL ATEL 105, 75 ATEL , MET2 150, MET2 ATEL 105, 75 ATEL 1
46080 , , , 1 150
1
Рис. 3. Программа моделирования одномодульного участка штамповки деталей из полосы
При расчетах на ЭВМ использованы следующие исходные данные: программа выпуска деталей за модельное время 0,8-2-28800 с в зависимости от их сложности N=80...24000 шт.;
z = 10 шт. и z = 50 шт.; пк = 50 шт.; пк = 100 шт.; пк = 2000 шт.; z т=300 шт.; z т=600 шт.; z т =900 шт.
Результаты расчетов представлены в виде графиков на рис. 4-10.
На рис. 4 показана зависимость коэффициента загрузки пресса zpRESS от количества партий деталей п при фиксированном значении емкости кассеты (Eк =100 полос) и различных сочетаниях фиксированных значений числа заготовок в одной полосе (З=10 и З=50) и числа заготовок, укладываемых в тару до ее заполнения (Eт =300, Eт =600, Eт =900). Число партий п по оси абсцисс здесь и в дальнейшем отложено в логарифмическом масштабе.
ЕК = 100, З = 50
20 30 40 50
Рис. 4. Зависимость коэффициента загрузки пресса zpREss от количества партий п при Eк=const и различных сочетаниях З и Eт
На рис. 5 представлена зависимость коэффициента загрузки пресса от количества партий п для З=10, Eт =600 и различных значений Eк.
З = 10 Ет = 600
3 4 5
30 40 50
Е' = 900
80 -•
70
60
50
40
30
е., = 200
55
Е = 100
к
Е.. = 50
50
45
40
35
30
20
100 п,шт
10
Рис. 5. Зависимость коэффициента загрузки пресса zPRESS от количества партий п для З=10, Eт=600 и различных значений Eк
Рис. 6 и 7 отображают зависимости коэффициентов загрузки автоматической тележки от числа партий п при различных сочетаниях значений Eк, Eт, З.
2 3 4 5
20 30 40 50
Рис. 6. Зависимость коэффициента загрузки автоматической тележки ^атеъ от количества партий п при различных значениях Ет и Ек=100, З=10
2 3 4 5
20 30 40 50
Рис. 7. Зависимость коэффициента загрузки автоматической тележки ^атеъ от количества партий п при различных значениях Ет и Ек=100, З=50
На рис. 8 показана зависимость коэффициента загрузки устройства подачи полос в пресс от числа партий соответственно.
Ек = 100, З = 10
Е к = 100, З = 50
2 3 4 5
20 30 40 50
Рис. 8. Зависимость коэффициента загрузки устройства подачи гроБо от числа партий п при Ек=100 и различных значениях З
На рис. 9 и 10 изображены зависимости среднего времени т и производительности (количества отштампованных деталей за две смены) от числа партий.
30
20 ■■
10
100 п,шт
10
40
30
20
10
100 п,шт
10
30
20
10
100 п,шт
10
т,с
3,0 - ■
2,0 - - ЕТ = 300
т
ЕТ = 900
Ек = 100 З = 50
2 3 4 5
20 30 40 50
Рис. 9. Зависимость среднего времени т от числа партий п при Ек=100 и различных значениях Ет и З
2,5
Е._ = 100
Е = 900
т
10
10 -'-1-1-1-1—I—'-'-'-1-1-'-1—I—'-*
2 3 4 5 10 20 30 40 50 100 п,шт-
Рис. 10. Зависимость количества отштампованных деталей N от числа партий п
при Ек=100 и различных значениях Ет и З
Анализ этих результатов показывает следующее. Наиболее загруженным оборудованием является пресс. Коэффициент его загрузки достигает 80%. Эта загрузка соответствует небольшому количеству партий деталей, обрабатываемых за две смены, максимальной емкости тары под заготовки Ет и максимальному числу заготовок в одной полосе З. Нижнее значение этого коэффициента отвечает максимальному числу партий при нижних пределах значений Ет и З. Так, для п<30 Ет=300 и З=10, коэффициент гРкЕЗЗ «(46.48) %. Влияние на гРкЕЗЗ величины емкости кассеты незначительно (рис. 5).
Загрузка автоматической тележки гАТЕЬ в диапазоне изменения п до 30 и ниже колеблется от 8 до 25 %. При этом влияние на величину этого коэффициента значения З мало, Ет — более существенно.
Загрузка устройства подачи полос в пресс мало зависит от числа партий п, а при п=сои81 изменяется существенно при изменении З. При изменении З от 50 до 10 коэффициент грооо возрастает примерно в 3 раза (от 10 до 32 %).
Наименее загруженным является подающий элеватор. Коэффициент его загрузки менее 2 % во всем диапазоне изменения числа партий.
Рис. 9 и 10 показывают, что в диапазоне изменений п до 30 среднее время штамповки одной детали минимально, а число обработанных за две смены деталей наибольшее. Эти величины при конкретных фиксированных значениях Ет, Ек и З практически не зависят от количества партий п. Зависимость же производительности участка от числа партий при разных значениях этих факторов существенна. Так, в рассматриваемом диапазоне п при Ек =100 и З=10 и при увеличении Ет от 300 до 900 значение т уменьшается примерно от 1,9 до 1,7 с, а N возрастает от 24000 до 28000. При Ек=100 и З=50 такому же изменению Ет соответствуют изменения т от 1,3 до 1,2 с и N от 35000 до 39000. При числе партий за две смены п>30 начинается резкое снижение производительности участка.
Заключение
Исследование гибкого автоматизированного участка штамповки деталей из полосы на основе имитационного моделирования показало, что при одномодульной конфигурации участка наибольшая производительность соответствует числу партий деталей до 30 за две смены. При этом наиболее загруженным является пресс (коэффициент загрузки достигает 80%), наименее загружен подающий элеватор (коэффициент загрузки не превышает 2%).
Как следует из результатов выполненного моделирования двухмодульного участка, загрузка всех видов оборудования практически не изменяется, только загрузка автоматической тележки возрастает приблизительно в два раза. При малых партиях деталей и одной тележке велики простои оборудования. Двухмодульный участок целесообразно использовать при больших партиях деталей.
SIMULATION MODELING OF PUNCHING FLEXIBLE MANUFACTURING CELLS
S.V. LUKYANETS Abstract
The paper focuses on automatic manufacturing cells of flat-bar punching. Using the developed operation algorithm, the GPSS simulation program is created. There are considered several combinations of various cassette capacities, numbers of part blanks in the bar, and number of blanks in the package. This yielded relations between the equipment usage factor and the batch size. There are proposed recommendations on application areas of the single-module and double-module cells.
Литература
1. Лукьянец С.В., Павлова А.В., Алдакушин А.Г. // Опыт создания и эксплуатации ГПС и ПР: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. 1-4 нояб. 1988г., Горький. М., 1988. С. 21-24.
2. Кудрявцев Е.М. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем. М., 2004.
3. Томашевский В.И., Жданова Е.Г. Имитационное моделирование в среде GPSS. М., 2003.
