CC BY
67
УДК 658.514.3:004.021
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ПРОЕКЦИЕЙ НА ПЛАН ПРОИЗВОДСТВА
© 2016 С .А. Карпаев1, С.Н. Ларин1, А.А. Федоров2
1 ФНПЦ АО «НПО «Марс», г. Ульяновск 2 Ульяновский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 13.10.2016
В статье предлагается формализованная модель проектирования технологических процессов с проекцией на реализацию производственно-тематического плана производства. Описаны основные зависимости между задачами проектирования технологических процессов и процессом планирования загрузки производственных мощностей предприятия. Предложена концепция взаимодействия двух систем проектирования с точки зрения реализации плана изготовления на производстве, где основной целью является создание системы специфицированных условий проектирования ТП. Представлена и описана математическая модель предлагаемой модели проектирования. Показана целесообразность использования предлагаемого подхода в рамках интеграции информационных потоков системы автоматизации проектирования технологической подготовки производства и системы оперативно-календарного планирования. Продемонстрированы основные результаты экспериментов реализованной модели на производственном участке.
Ключевые слова: технологическая подготовка производства, проектирование маршрутных карт, модель взаимодействия, технологический процесс, оперативно-календарное планирование.
ВВЕДЕНИЕ
Анализ состояния средств автоматизированной технологической подготовки производства показывает, что отечественный рынок программных продуктов динамично развивается. Расширяется номенклатура средств автоматизации технологической подготовки производства, постоянно растет их качество, расширяются их функции [1].
В современных САПР ТП используют в основном проектирование маршрутных ТП на основании статистических данных и аналогов (групповых ТП, параметризированных моделей ТП, типовых ТП, «общих» ТП для групп деталей). В САПР ТПП применяются различные методические подходы: представление в виде «деревьев», уровневое представление и т.д. Роль технолога-проектировщика остается решающей, так как он формирует маршрутный ТП, полагаясь на собственные знания и интуицию. Проектное решение является субъективным и зависит от особенностей объекта проектирования и теоретической подготовки технолога. Существующие САПР ТП практически не оказывают технологу необходимой интеллектуальной поддержки в процессе проектирования ТП. Все остальные
Карпаев Сергей Александрович, аспирант, инженер по автоматизированным системам управления производством. E-mail: neonix3000@mail.ru Ларин Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника производства. E-mail: larinmars@rambler.ru
Федоров Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Самолетостроение». E-mail: alex6348@yandex.ru
элементы в проектировании ТП менее сложны и связаны со значительным объемом рутинной работы - оформление технологической документации, формирование спецификаций и др. Эти функции во всех системах отражены в соответствии с ГОСТ и успешно автоматизированы [1-2].
Большинство существующих САПР ТП являются системами автоматизации уровня технологической операции. Эти системы позволяют улучшить показатели производительности труда технолога за счет широкого спектра удобных сервисных функций связанной с процессом проектирования. Основной резерв повышения качества проектных технологических решений -формирование их высокоэффективных структур, в настоящее время является неиспользованным при создании САПР ТП [1, 3].
Уровень автоматизации ряда областей технологического проектирования, например, разработки ТП сборки с выбором необходимых методов обеспечения ее качества, остается крайне низким. Некоторые системы, претендующие на автоматизацию проектирования процессов сборки, на самом деле предлагают пользователю удобные текстовые редакторы с разработанными макетами отдельных переходов и операций. Причинами подобного состояния автоматизации технологического проектирования являются сложность поставленных проблем автоматизации; не формализуемый на сегодняшнем уровне развития методологии автоматизированного проектирования характер задач; отсутствие эффективных научно-методических подходов к их решению; необходимость значительных затрат на решение поставленных проблем и т.д.
Основной целью исследований процессов совершенствования ТПП, фрагменты которого изложены в данной статье, является повышение эффективности многономенклатурного производства за счет проектирования «гибких» технологических процессов, зависящих от характеристик загрузки производственных ресурсов специфицированными заказами.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ САПР ТП И СИСТЕМЫ ОКП
Оперативно-производственное планирование в многономенклатурном производстве можно разделить на несколько блоков: расчёт производственного цикла; построение календарного графика выполнения заказов; расчёт времени опережения в работе цехов; расчёт загрузки оборудования.
Расчетом длительности производственного цикла изготовления изделия принято считать с разработки календарного графика общей и узловой его сборки (циклограммы). Циклограмма определяет продолжительность производственного цикла и устанавливает очередность комплектования узлов изделия. После определения длительности цикла сборки изделия, продолжительности механической обработки и изготовления заготовок можно определить полный цикл изготовления изделий и составить график выполнения заказа, который служит документом для межцехового планирования на предприятиях с единичным типом производства. При составлении графика изготовления изделия учитываются технологические операции, а также пролеживание деталей.
В процессе взаимодействия системы ОКП и САПР ТП накладываются условия на каждую из систем. В САПР ТПП накладываются условия экономического и технологического характера, в системе ОКП - критерии временного и экономического характера, а так же ограничения ресурсов производства.
Традиционная последовательность проектирования ТП представляет собой набор действий проектировщиков, где строго должна соблюдаться последовательность их выполнения (рис. 1). В процессе проектирования ТП на базе уже имеющихся данных в САПР ТПП технолог определяет, на каком оборудовании будет выполняться ТО, определяется деталь и габариты, проектируются переходы и т.п. [1, 4].
В данной работе авторами рассматривается модель определения вида оборудования ТО, основывается на технологической загрузке цеха и возможности/невозможности реализации ТО в указанный срок. Система ОКП формирует проектные решения для реализации изготовления изделий таким оптимальным образом и это приводит к модификации существующих ТП в рамках ограничений и критериев системы ОКП.
С точки зрения предлагаемого проектирования ТП технолог не производит определение на каком конкретном оборудовании будет производится операция т.к. разработан справочник технологических инструкций, где описывается система правил замещения оборудования. Правила замещения оборудования напрямую зависят от объемов выполняемых работ рабочих центров. Оборудование в ТП автоматически устанавливается в момент запуска изделия в производство в соответствии со справочником технологических инструкций. В САПР ТПП добавлен справочник замещений оборудования, который привязан к замещающему оборудованию (рис. 2).
С точки зрения определения материалов в ТП реализован справочник замены материалов, который привязан к технологическому оборудованию. При замещении оборудования производится проверка оборудования на выполнение ТО по отношению к материалу (рис. 3). Проектирование ТП дополняется использованием классических подходов: проектирование ТП на основе типового ТП, на основе аналогов, с использованием библиотек технологических операций и переходов, а так же дополнено автоматической аналитикой выполнения задач РЦ [2, 5, 6].
Исходные данные Контроль параметров предмета Определение типа Анализ технологичности конструкции
производства
Выбор исходной заготовки
Разработка маршрутов обработки основных поверхностей
Выбор технологических баз
Разработка маршрутного ТП
Разработка операционной технологии Оценка результатов Оформление и
проектирования вывод результатов
Рис. 1. Последовательность проектирования единичного ТП изготовления детали
Рис. 2. Интерфейсная реализация замещения оборудования
Рис. 3. Взаимодействие объектов в САПР ТПП
Выбор одного или нескольких из вышеперечисленных подходов в предлагаемой модели определяется интегральными характеристиками систем ОКП [7] и САПРТ ТП, которые определены в виде входящих характеристик в САПР ТПП (М ).
^ окп '
АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Процесс проектирования ТП в связке с ОКП представлено через взаимодействие множеств задач проектирования системы ОКП и множеств проектных решений Ярг , выполняемых на производстве:
(1)
2 = {М ^ }
где 2 - множество задач проектирования; -конкретная задача проектирования. Задачи из множества 2 можно представить следующим множеством:
= {, 0г, Мх }, (2)
где - формулировка задачи проектирования; Ог -ограничения, которые накладываются на задачу; Мх - множество характеристик системы ОКП.
Множество проектных решений (Крг), выдаваемых системой ОКП, можно представить как:
Ярг ={МоП Мтпп} (3)
где М - множество данных системы ОКП; М -
^ окп ^ ' тпп
множество данных САПР ТПП.
Результатом инициализации перепроектирования ТП является событие системы ОКП на выходе из которой формируется следующее множество:
Мокп = {Мрес, Мпп, Мх }
(4)
где Мрес - множество доступных ресурсов; Мпп - множество плановых позиций изготавливаемых изделий; Мх - множество характеристик системы ОКП для перепроектирования ТП. В свою очередь множество доступных ресурсов (М ) представляет из себя:
М ^ = М , Мраб, Ммат }
Мпп = {{пп 1 , Мпп 2 , Мппз > Мппл } (6)
где
Мп
наименование номенклатуры из-
готовления; Мпп - количество номенклатуры;
Мпп - срок изготовления; Мпп - идентификатор плана.
Множество характеристик системы ОКП (М ) представляет из себя:
Мх = Мм, 1, Мх 2, МХ1, МХ4, МХ5МХ6} (7)
где МХ] - наименование характеристики; МХ2 -код; Мх - характеристика влияния на ресурс РЦ; Мх4 - характеристика влияния на стоимость; МХ5 - характеристика влияния на объем работ; Мхб -характеристика влияния на материал;
Таким образом, система ОКП формирует множество входных данных Мокп для реконфигурации ТП в САПР ТПП. Критерии экономического Кэх и технологического К характера в
тип тхтпп а а
САПР ТПП поступают в автоматическом режиме
в Мокп (КэхШп * Мх, КтхТШ * Мх) . Корректировка характеристик Моп в САПР ТПП может быть использована, но в таком случае появится разница АМХ между поступившими на вход САПР ТПП характеристиками. Для исключения рассогласования характеристик необходимо синхронизировать системы проектирования САПР ТПП и систему ОКП после внесения изменений в характеристики САПР ТПП.
В результате загрузки данных в САПР ТПП производятся действия в соответствии со следующим алгоритмом:
Выполняется поиск взаимозаменяемого оборудования (0Я ) РЦ в ТП на основе технологических инструкций. Должна выполняться следующая функция:
о (0, если 0Кч е МКч Я |1,если0» *М„
(8)
' рес ^' Яц э раб ? мат У
(5)
где МЯц - множество рабочих центров производства; Мраб - множество рабочих, выполняющих ТО на рабочих центрах (Яц) ; Ммат - множество материалов для изготовления деталей.
Множество плановых позиций (Мпп) представляет из себя:
Если Оя * МЯц тогда производится переход на операцию №2 - иначе на операцию №7.
Осуществляется поиск замены материалов (Ммат ) из справочника замены материалов:
' [0, еСЛи Ммат1 ^ Ммат
М =\ (9)
(1, еСЛи МмаЩ * Ммат
Материал может быть заменен, в случае совпадения габаритных и химических характеристик материала. Если Ммащ е Ммат тогда в ТО производится подстановка материала имеющегося на складе и переход на операцию №3 - иначе переход на операцию № 7.
Выполняется поиск инструментов из складских остатков: если инструмент отсутствует на складе то переход на операцию №7, а в случае наличия инструмента производится запись в ТО и переход на операцию № 4.
Выполняется подстановка переходов из справочника с использованием библиотек технологических операций и переходов.
Производится подстановка норм трудовых затрат из справочника специфицированных норм.
Выполняется запись данных в систему.
Передача данных САПРТ ТПП в систему ОКП.
Выходными данными в САПР ТПП является множество:
Рис. 4. Взаимодействие
Мтп =Мтп, Мнп , Мх }, (Щ)
где Мтпп - множество модифицированных ТП; Мнп - множество номенклатурных позиций изготавливаемых изделий; Мх - множество характеристик для обратной связи в систему ОКП.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
В качестве подтверждения исследований и адекватности предложенной модели, проведена серия экспериментов на примере заготовительной операции. В экспериментах участвует рабочий центр «Заготовительный», в состав рабочего центра включено 3-гидравлических гильотины: две гильотины (С2 и С3) «0игта21аг ББТ 3006» (позволяет отрубать металл толщиной Б до 6 мм.) и одна (С1) «Бигта21аг УБ3010» (позволяет отрубать металл толщиной Б до 14 мм.). В целях эксперимента из строя был выведен станок (С3) «Бигта21аг ББТ 3006». На рис. 5 отражена смоделированная на основе сетей Петри модель производственного участка.
Эксперимент был разделен на 2 этапа: в первом случае использовался классический подход проектирования в САПРТ ТПП и рас-
САПР ТП и системы ОКП
пределения ТО [1, 6, 8] в случае выхода из строя оборудования, второй - с использованием предлагаемой модели. Из разработанного справочника технологических инструкций определено, что станок «С3» может быть заменен станком «С1» или «С2». Выбор «С1» или «С2» определяется существующей нагрузкой, которая определена в Мокп .
На вышедший из строя станок «С3» поступают задания и сопроводительные документы, требующие замены ТП т.к. замена оборудования с «С3» на «С1» подразумевает изменения норм и смену оборудования в ТП. Для случая, когда «С3» заменяется на «С2» - замена ТП не требуется. Эксперименты проводились с одинаковой нагрузкой (8 н/ч), но с разным количеством участвующих в процессе ТП. Обобщенные результаты эксперимента были сведены в таблицу.
Из полученной таблицы можно сделать вывод, что при проектировании ТП в связке с полученной информацией из системы ОКП полностью исключены процедуры на выпуск сопроводительной документации и создании нового ТП в процессе самого изготовления. В первом эксперименте из-за вывода из строя одного станка « С3» требуется для производства
Рис. 5. Модель производственного участка Таблица. Обобщенные результаты экспериментов
Классический подход проекта ювания ТП
№ п/ п Оборудование () Количество ТПв соответствии с планом птп (мпп), шт. Количество ТП после вывода из строя «С3», шт. Количество ТП для замены (ШтП) , шт. Выполнено ТП в рамках плана, шт. Не выполнено по причине отсутствия ТП, шт.; %. Не выполнено по прочим причинам, шт.
1 ЭигтаЕ1аг УБ3010«С1» 34 40 6 33 6 (9,8%) 1
2 ЭигтаЕ1аг ББТ 3006«С2» 15 21 0 12 0 9
3 ЭигтаЕ1аг ББТ 3006«С3» 12 - - - - -
Итого: 61 61 6 45 6 10
Проектирование ТП с учетом характеристик ОКП
1 ЭигтаЕ1аг УБ3010«С1» 27 27 0 26 0 1
2 ЭигтаЕ1аг ББТ 3006«С2» 10 10 0 9 0 1
3 ЭигтаЕ1аг ББТ 3006«С3» - - - - - -
Итого: 37 61 0 36 0 2
заменить 9,8 % ТП - во втором эксперименте в замене ТП необходимости нет. В случае останова двух станков «С2» и «С3» потребуется замена 34,4% ТП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная модель позволяет проектировать ТП с учетом характеристик производства,
а так же характеристик системы специфицированных условий производственно-тематического плана. Предложенная модель позволяет сократить трудозатраты на выпуск новых ТП и сопроводительной документации в процессе изготовления. За счет повышения уровня проектирования «гибких» ТП снижается объем ТП подлежащих замене в процессе изготовления и как следствие сокращается общий цикл изготовления изделий на предприятии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Михайлов А.В., РасторгуевД.А Основы проектирования технологических процессов машиностроительных производств. Старый Оскол: ТНТ, 2010. 336 с.
2. Капустин Н.М., Кузнецов П.М., Дьяконова Н.П. Комплексная автоматизация в машиностроении: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Академия, 2005. 368 с.
3. Кондаков А.И. САПР технологических процессов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Ака-
демия, 2007. 272 с.
4. Гаврилов Д.А. Управление производством на базе стандарта MPRII. СПб.: Питер, 2003.
5. Карпаев С. А., Ларин С.Н. Аналитика выполнения задач многономенклатурного производства в рамках системы оперативно-календарного планирования // Матер. XIV молодежной науч.-техн. конф. «Взгляд в будущее». СПб.: 2016. С. 216-222.
6. Карпаев С.А., Ларин С.Н. Разработка модели балансировки мощностей многономенклатурного производства // Автоматизация процессов управления. Ульяновск: 2016. № 3(45). С. 80-88.
7. Карпаев С.А., Ларин С.Н. Совершенствование автоматизированной системы управления оперативно-производственным планированием // Сборник научных трудов науч. -техн. конф. часть 2 «Интегрированные системы управления». Улья -новск: 2016. С. 13-21.
8. Костров А.В. Основы информационного менеджмента. М.: Финансы и статистика, 2004.
9. Александров Д.В., Костров А.В. Методы и модели информационного менеджмента. М.: Финансы и статистика, 2007. 336 с.
DEVELOPING A MODEL OF TECHNOLOGICAL PROCESSES DESIGN WITH THE PROJECTION ON THE PRODUCTION PLAN
© 2016 S.A. Karpaev1, S.N. Larin1, A.A. Fedorov2
1 FRPC OJSC 'RPA 'Mars', Ulyanovsk 2 Ulyanovsk State Technical University
The paper proposes a formalized model of the design process with the projection on the performance of production and the production of thematic plan. The basic relationship between the objectives of the design process and capacity planning capacities of the enterprise process. The concept of interaction between the two systems design in terms of the implementation plan for the manufacturing industry, where the main purpose of the design is to achieve maximum performance. It is shown and described a mathematical model of the proposed design model. The expediency of the use provided by the present approach in the integration of information flows automation of technological preparation of production and operational system scheduling system. Demonstrate the main results of the experiment realized on the blank portion of the model with an embodiment of equipment failure. Keywords: production planning, design roadmaps, interaction model, process, operational and scheduling.
Sergey Karpaev, Graduate Student, Automated Production Management Systems Engineer. E-mail: neonix3000@mail.ru Sergey Larin, Candidate of Technics, Associate Professor, Deputy Head of Production. E-mail: larinmars@rambler.ru Alexandr Fedorov, Candidate ofTechnics, Associate Professor at the Aircraft Manufacturing Department. E-mail: alex6348@yandex.ru
