Многообъектное технологическое проектирование с интеллектуальным управлением в распределенных производственных системах

Количественные и качественные изменения в развитии современного машиностроения требуют не простой, частичной переналадки отдельных элементов технологических процессов (оборудования, технологической оснастки), а глубокие изменения во всем производстве, включая производственные и технологические процессы, организацию и управление. Наибольшую актуальность проблема переналадки производственных систем (ПС) приобретает в современный период развития машиностроения. Этот период характеризуется необходимостью обеспечения конкурентоспособности производимой продукции, что означает оперативное реагирование на изменение потребительского спроса, снижение себестоимости ее выпуска, при существенном сокращении сроков выпуска и повышения качества. Эта проблема предусматривает решение задачи технического перевооружения машиностроения, связанного прежде всего с увеличением номенклатуры выпускаемой продукции, что требует создания быстропереналаживаемых ПС.

Если в условиях массового и крупносерийного производств ПС однозначно ориентированы на выпуск конкретного изделия, то в условиях серийного, мелкосерийного и единичного, они ориентированы на выполнение некоторого множества технологических операций. В этом случае ПС по объективным причинам оказываются недогруженными. Образуется фонд свободного времени по каждому виду технологического оборудования, что существенно снижает рентабельность ПС в целом.

Каждая из существующих ПС изначально ориентирована на выпуск определенной группы видов изделий. Их параметры, с точки зрения технологии изготовления, оказываются различными (одни ПС ориентированы на выпуск преимущественно деталей типа тел вращения, другие — корпусных и т. д.). При этом приходится говорить о ПС, как о 7 распределенных системах (РПС). Под РПС мы будем понимать отдельные ПС, организационно не связанные между собой, содержащие в своем составе технологическое оборудование, необходимое для выполнения технологических процессов изготовления конкретного вида заданной для них продукции.

В последнее время скорость организационных перестроек в проектных организациях существенно опережает скорость перестройки на промышленных предприятиях, усиливается конкуренция. Все это остро ставит вопрос об оперативном реагировании производства на изменение потребительского спроса, что требует разработку методов обеспечения быстрой перестройки и адаптации ПС для выполнения очередных проектов. Причем выполнение таких проектов должно предусматривать изготовление деталей широкой номенклатуры различного количества.

Появление рынка проектных услуг конструкторских бюро выдвигает требование формирования ПС, способных реализовать разрабатываемые проекты в короткие сроки при обеспечении заданных параметров. Время жизненного цикла проектов может быть достаточно малым, поэтому производить физическую перестройку существующих ПС для их реализации оказывается невозможным. Кроме того, при реализации нескольких проектов, а во многих случаях даже одного, требует одновременного изготовления некоторого количества деталей различной номенклатуры. Здесь приходится говорить о многообъектном проектировании и изготовлении, при этом формируемая ПС является объектно-ориентированной.

Формирование ПС для этих целей традиционными методами, связанными с материальными перестройками существующих ПС, оказывается невозможным. Возникает необходимость в поиске новых подходов к процессам формирования ПС с требуемыми свойствами без осуществления трудоемких материальных перестроек. 8.

Подходом к решению данной проблемы является обеспечение возможности создания ПС на базе существующих, путем проведения мероприятий, использующих временные (на период жизненного цикла проекта) организационные связи, без трудоемких материальных перестроек. Материальной основой такой ПС является совокупность технологического оборудования РПС в рамках фонда их свободного времени. В виду того, что при построении такой ПС отсутствуют материальные изменения в РПС, а информация о ее структуре формируется и хранится только в памяти ЭВМ, такая ПС является виртуальной (ВПС), при этом обеспечивается значительное сокращение сроков ее создания.

Развитие информационных технологий и, в частности, CALS-технологий, позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в базах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю технологии CALS. Эти технологии обеспечивают легкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др. Информация о параметрах РПС может быть представлена в электронном виде и распространена с помощью различных информационных сетей, в частности глобальной сети Internet. В этом случае можно говорить о формировании рынка услуг РПС.

При создании ВПС на основе РПС необходимо решить ряд задач, связанных с ее организацией и управлением. Организация ВПС напрямую связана с технологическим содержанием реализуемых проектов. В этой связи оказывается возможным выбор лучшей, в рамках текущих возможностей РПС, конфигурации ВПС путем варьирования структурами проектируемых технологических процессов (ТП). Следовательно, процессы организации ВПС и технологического проектирования оказываются взаимосвязанными, т. е. имеют место прямая и обратная связи 9 информационных потоков, сопровождающих эти процессы. Формирование информационных потоков, принятие на их основе решений, осуществление процессов управления являются сложными процессами, которые должны протекать за минимальное время, что требует разработки системы управления, функционирующей преимущественно без участия человека. Для таких условий наиболее эффективными оказываются интеллектуальные системы управления, которые принимают на себя задачи рутинного характера, а также некоторые творческие функции человека при решении задач в условиях реального масштаба времени.

Основными задачами, решаемыми при формировании ВПС, являются технологическое и организационное управления. Цель технологического управления — получение требуемых свойств изделий. Цель организационного управления можно сформулировать как синхронизацию во время взаимодействия всех свободных ресурсов РПС между собой, а также РПС с внешней средой.

Особенностью технологического управления является генерирование и выбор рациональных технологических процессов, позволяющих при обеспечении заданных параметров получаемых изделий максимально использовать возможность РПС в рамках ВПС. Здесь особую роль играют процедуры проектирования технологических процессов. При технологическом проектировании решаются задачи по всем этапам технологического процесса — от получения заготовки до приемки собранных изделий, но особое внимание уделяется этапам механической обработки заготовок, поскольку эти процессы наиболее ответственны с точки зрения качества создаваемых машин и трудоемки (на них приходится 60 — 80% всей трудоемкости изготовления изделий). В связи с этим они являются определяющими во всем цикле производства машин.

Сложность технологических процессов и ответственность принимаемых при их проектировании решений обусловливает необходимость.

10 применения методов и средств САПР. При автоматизации проектирования технологических процессов необходимо учитывать характер и взаимосвязи факторов, влияющих на их построение и определяющих заданное качество изготовляемых изделий и экономическую эффективность.

Проектирование технологических процессов включает в себя ряд иерархических уровней: разработку принципиальной схемы технологических процессов, представляющей последовательность этапов укрупненных операцийпроектирование технологических маршрутов обработки деталейпроектирование технологических операцийразработку управляющих программ для оборудования с ЧПУ.

Процессы оперативного и технологического управлений являются взаимосвязанными, что должно быть учтено при реализации разработанных проектов. В условиях ВПС процессы проектирования технологических процессов, их реализация и управление могут быть обеспечены только при наличии мощных средств вычислительной техники, использующих базы данных и знаний и составляющих основу информационного обеспечения интеллектуальной системы.

Следовательно, актуальной является проблема формирования виртуальной производственной системы с интеллектуальным управлением процессов технологического проектирования для выпуска новых изделий в короткие сроки при снижении себестоимости.

Целью работы является снижение себестоимости и сроков изготовления изделий путем рациональной загрузки существующих производственных систем при обеспечении заданного качества изготавливаемых изделий.

Концепция работы. При наличии пакета производственных заданий необходима стратегия выполнения их в распределенных производственных системах, имеющих фонд свободного времени и ориентиро.

11 ванных в свою очередь на выпуск других, различных по своим параметрам изделий.

Новизна научной идеи — мобильная организация временно функционирующих объектно-ориентированных производственных систем в единую виртуальную производственную систему для выполнения заданных технологических процессов на базе распределенных производственных систем.

Научная новизна и научные результаты:

• предложен принцип формирования виртуальной производственной системы, заключающийся в определении обобщенной производственно среды, на основании которой и с учетом параметров производственного задания создается без материальных перестроек временно функционирующая производственная система, позволяющая при минимальной себестоимости и с минимальными затратами времени выполнить это задание;

• разработана методология многообъектного технологического проектирования с интеллектуальным управлением в условиях распределенных производственных систем, включающая методики проектирования технологических процессов и формирования рациональной структуры виртуальной производственной системыметодику формирования структуры информационных обратных связей и интеллектуального управления процессами технологического проектирования;

• Выполнено аналитическое описание процесса формирования виртуальной производственной системы, обладающей технологически необходимой гибкостью для выпуска изделий в распределенных производственных системах;

• Предложена методика многообъектного автоматизированного проектирования технологических процессов в распределенных производственных системах, включающая:

12 инвариантную информационную модель типового объекта проектированияопределение взаимосвязей между отдельными частями распределенных производственных системматематическое обеспечение системы технологического проектирования на этапе технологической подготовки производстваразработку концепции формирования виртуальной производственной системы;

• определены взаимосвязи информационных потоков, включая информационные обратные связи.

• предложено математическое описание процесса прохождения производственных заданий через виртуальную производственную систему.

• разработано математическое обеспечение процесса многобъект-ного технологического проектирования на этапе подготовки производства, включая математические модели функционирования виртуальной производственной системы.

Практическая ценность:

• разработаны практические рекомендации формирования виртуальной производственной системы для выполнения производственных заданий на базе распределенных производственных систем, позволяющие организовывать производственную систему без их материальных перестроек;

• создана система интеллектуального управления процессами в производственной системе, включая организационный уровень;

• разработаны инженерная методика и алгоритмы функционирования такой системы, позволяющие существенно повысить производительность выпуска продукции за счет максимальной гибкости и обеспе.

13 чения оптимальной загрузки технологического оборудования, составляющих производственную систему;

• создана система оптимизации функционирования виртуальной производственной системы для выполнения отдельных производственных заданий на базе распределенных производственных систем;

• снижена себестоимость на 20 — 30% и сроки на 50% изготовления изделий путем рациональной загрузки распределенных производственных систем;

• разработаны алгоритмы и программное обеспечение формирования и функционирования виртуальной производственной системы на основе распределенных производственных систем;

• предложена инженерная методика, обеспечивающая интеллектуальное управление;

• разработана структура баз знаний и баз данных, обеспечивающих функционирование виртуальной производственной системы.

Реализация работы. Разработанная методика многообъектного технологического проектирования в распределенных производственных системах была применена и внедрена при освоении деталей новых коробок передач для грузовых автомобилей и других агрегатов специальных автотранспортных средств в условиях ЗАО «Смоленский автоагрегатный завод АМО ЗИЛ».

Комплекс методик многообъектного технологического проектирования с интеллектуальным управлением, представленный в виде технической документации и программ был одобрен и принят к использованию в опытном производстве РНЦ «Курчатовский институт».

Комплекс методик многообъектного технологического проектирования был апробирован и внедрен в производстве изделий методом холодной штамповки на АМО ЗИЛ. Использование разработанных мето.

14 дик в этих условиях показало их инвариантность по отношению к производствам, использующих различные методы обработки.

Внедрены разработанные практические приложения научно-методической базы формирования виртуальной производственной системы. Результаты работы представлены для реализации в виде методического, информационного программно-математического обеспечения и практических рекомендаций по многообъектному технологическому проектированию в условиях распределенных производственных систем.

Разработанные научные положения были использованы на ряде машиностроительных предприятий при создании на них производств изготовления деталей различной номенклатуры.

Результаты работы также нашли применение в учебном процессе в Московском Государственном Открытом университете. Подготовлен и читается курс «Управление технологическими объектами и процессами в машиностроении».

Диссертация включает введение и 6 глав.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработаны научные положения создания виртуальной производственной системы на основе обобщенной производственной системы, формируемой с использованием распределенных производственных систем, что позволяет формировать требуемую производственную систему без материальных перестроек уже существующих;

2. Наиболее продолжительным по времени этапом выпуска новых изделий является технологическая подготовка производства. Созданная методология формирования виртуальной производственной системы для выполнения производственных заданий позволяет формировать требуемую производственную систему, используя фонд свободного времени технологического оборудования существующих распределенных производственных систем, что обеспечивает снижение времени на выпуск новых изделий за счет сокращения времени технологической подготовки;

3. Определены базовые понятия, свойства и основные характеристики распределенных производственных систем. Показано, что основными из них являются распределенные производственные системы, обобщенная производственная система и виртуальная производственная система. Обоснована необходимость формирования информации о них с целью создания производственной системы для выполнения конкретных производственных заданий;

4. Сформулированы основные требования к организации виртуальной производственной системы и определены ее характеристики, основными из которых являются: живучесть, наблюдаемость, управляемость, прогнозируемость и устойчивость, позволяющие обеспечить выполнение производственных заданий в установленные сроки;

5. Использованы информационные обратные связи в виртуальной производственной системе, дающие возможность повысить точность.

272 математических моделей ее функционирования и оценивать ожидаемую себестоимость изготовления изделий на ранних этапах разработки технологических процессов;

6. Разработаны структура и алгоритм интеллектуального управления процессами многообъектного технологического проектирования в виртуальной производственной системе, необходимые для управления ее функционированием в реальном масштабе времени и для автоматизирования процессов проектирования технологических процессов и управления с учетом динамики изменений производственных условий;

7. Предложена структура и состав информационных обратных связей в виртуальной производственной системе, обеспечивающие оперативное изменение ее структуры для достижения минимальных затрат при выполнении производственных заданий;

8. Исследованы процессы формирования информации, используемой для организации виртуальной производственной системы на основе обобщенной, включающей свободные ресурсы технологического оборудования распределенных производственных систем. Это позволяет обеспечить технологически необходимую гибкость производственной системы для выполнения производственных заданий;

9. Получены информационные модели протекания технологических процессов на автоматизированном оборудовании в распределенных производственных системах, которые повышают достоверность результатов моделирования виртуальной производственной системы и позволяют использовать при ее формировании детерминированных математических моделей;

10. Предложены практические пути повышения гибкости технологической оснастки, используемой в распределенных производственных системах, направленные на снижение трудоемкости и времени переналадки технологического оборудования их составляющих при переходе.

273 на выпуск изделий другой номенклатуры, а также уменьшения влияния субъективного фактора на адекватность математических моделей реальным производственным системам;

11. Разработано методическое обеспечение проектирования технологических процессов в виртуальной производственной системе, включающее комбинацию методов формирования обобщенных структур, использование базовых конструктивов и конструктивных обогащений, а также модели эксперта. Это обеспечение позволяет находить рациональные решения загрузки технологического оборудования распределенных производственных систем;

12. Практическая реализация методологии создания виртуальной производственной системы для изготовления новых изделий на основе разработанного методического и программного обеспечения осуществлялась на ряде машиностроительных предприятий при технологической подготовке механосборочного производства. Успешное использование указанной методологии при подготовке производства для условий обработки давлением подтвердило инвариантность разработанных математических моделей по отношению к другим видам технологических процессов.

На основании вышесказанного можно сделать общие выводы:

1. Решена проблема формирования виртуальной производственной системы с интеллектуальным управлением процессов технологического проектирования для выпуска изделий машиностроения.

2. В условиях повышения требований к конкурентоспособности выпускаемых изделий малыми сериями необходимо обеспечить их производство в имеющихся производственных системах за счет их фонда свободного времени.

3. Создана методология многообъектного технологического проектирования в условиях распределенных производственных систем, которую рекомендуется применять при формировании виртуальной производственной системы. Это достигается путем использования фонда свободного времени распределенных производственных систем, что обеспечивает оперативное выполнение производственных заданий при снижении их себестоимости.

4. С целью оперативного формирования производственной системы для изготовления новых изделий необходимо ее формировать на основе фонда свободного времени распределенных производственных систем без трудоемких материальных перестроек, что предопределяет создание виртуальной производственной системы.

5. Повышение коэффициента загрузки технологического оборудования распределенных производственных систем должно достигаться применением виртуальных производственных систем, т.к. в этом случае повышается производительность при снижении себестоимости выполнения заданий и создаются дополнительные рабочие места на предприятиях.

6. Оптимизация структуры виртуальной производственной системы целесообразно проводить на основе информации о конкретных производственных заданиях и технологических возможностях распределенных производственных систем, что требует создания обобщенной производственной системы.

7. Для формирования информации предложений для рынка услуг требуется проведение регулярного анализа возможностей технологического оборудования в распределенных производственных системах.

8. Рекомендуется использовать технологическую оснастку с расширенными возможностями (высокой гибкостью). Реализация этой рекомендации повышает достоверность информационного обеспечения.

275 обратной связи и точность прогноза расчетных сроков выполнения производственных заданий, сокращает объем необходимой технологической оснастки и время переналадки оборудования, а также снижает роль субъективного фактора оператора на параметры протекания технологического процесса.

9. Применение методики определения последовательности прохождения производственных заданий через виртуальную производственную систему целесообразно для выполнения их в согласованные сроки, повышения загрузки технологического оборудования, снижения объемов готовой продукции и сроков ее хранения на складе.

10. Разработанная методика формирования виртуальной производственной системы, необходима для определения состава, количества и рационального расположения отдельных единиц технологического оборудования, составляющих проектируемые производственные системы.

11. Для увеличения достоверности расчетных сроков прохождения производственных заданий следует на каждом этапе формировать комбинированный поток, состоящий из основного задания и вспомогательного, имеющего более длительный срок выполнения и аналогичный вид обработки на этом этапе.

12. Моделирование процессов изготовления изделий на отдельных единицах технологического оборудования необходимо для обеспечения достоверности расчетных параметров, используемых при формировании виртуальной производственной системы, что повышает точность математических моделей.

13. Применение виртуальной производственной системы для выполнения производственных заданий увеличивает загрузку технологического оборудования распределенных производственных систем и объем выпуска новых изделий на базе уже имеющихся систем без материаль.

276 ного создания новых, что позволило снизить себестоимость изготовле ния изделий в среднем на 20 — 30% и сроки их выполнения на 50%.