Исследование и оптимизация работы сборочно-сварочных робототехнологических систем методом имитационного моделирования

Актуальность темы

Для Российской промышленности проблема проектирования производственного предприятия в настоящее время выходит на новый качественный уровень. Это в первую очередь связано с ужесточением условий конкурентной торговли на внутреннем рынке, обусловленным импортом высоких технологий, капитала и, как следствие, развитием рентабельных производств современных высокотехнологичных товаров. Подтверждением системности этого процесса является его государственная поддержка и стимулирование, ярким примером которых можно считать постановление Правительства Российской Федерации № 166 «О снижении и частичной отмене импортных таможенных пошлин на комплектующие для промышленной сборки автомобилей» от 29 марта 2005 года [1].

В свою очередь покупатели предъявляют все более высокие требования к качеству, номенклатуре, цене производимых изделий и, таким образом, формируют потолок цен накаждый вид. продукции, определяют емкость рынка.

При организации современного производства возникает ряд ограничений, обуславливающих выбор способа их проектирования и исследования:

1. Требования по окупаемости производства. На сегодняшний день доход практически не зависит от количества вложенных в создание производства средств, так как емкость рынка и конкурентные условия естественным образом ограничивают объем сбыта. Поэтому важно спроектировать предприятие с таким объемом выпуска, который будет востребован рынком, при этом не тратя средства на мифический потенциал расширения, зачастую реально означающий несбалансированность расчетных параметров производительности. Необходимо снизить затраты на строительство и оснащение производственного комплекса до рационального минимума.

2. Требование рынка к гибкости производственных систем. Эффективная маркетинговая политика предполагает производство широкой номенклатуры изделий, предназначенных для отдельных сегментов рынка. При этом доля того или иного сегмента стихийно изменяется вместе со стохастическими рыночными колебаниями. Все это приводит к необходимости создания гибких производственных систем, которые способны оперативно реагировать на изменения в потребительских предпочтениях. Особенно трудной и важной становится эта задача, когда идет речь о массовом производстве продукции со сложным и продолжительным технологическим процессом, каким, к примеру, является производство автомобилей.

На таких предприятиях редко удается обойтись без широкого использования роботов и робототехнологических систем (РТС) в производственном процессе. Именно РТС позволяют достичь высокого уровня производительности и обеспечивают необходимуюгибкость производства. Наиболее широкое применение РТС нашли в технологических процессах сборки и сварки изделий, где в условиях массового производства требуется не только выполнять большое количество однотипных операций, но и соблюдать их высокую точность и надежность.

3. Высокая стоимость производственных систем на базе РТС. Обратная сторона применения сложных многоэлементных сборочно-сварочных РТС — нетривиальность их проектирования. В сборочно-сварочных РТС существуют довольно тесные технологические связи между промышленными роботами, вспомогательным оборудованием, транспортными системами и другими компонентами. Порядок функционирования такой системы даже в штатном режиме невозможно представить и трудно формализовать, а любое отступление от нормальной работы одной составляющей дискретного производства, каким является сборочно-сварочная РТС, распространяется на другие и вызывает непрогнозируемые эффекты взаимодействия. Именно на стадии проектирования необходимо идентифицировать и устранить узкие места в концепции, технологии работы и конструкции сборочно-сварочных РТС.

4. Снижение вероятности принятия ошибочных конструкторско-технологических решений. Цена ошибки на данной стадии подготовки производства исключительно высока. Действительно, если на этой стадии основные проектно-технологические параметры комплекса сборки-сварки будут определены неправильно, то это отразится сначала в неправильных конструктивных и технологических параметрах дорогостоящего производственного оборудования (роботов, складов-накопителей, автоматических сборочно-сварочных линий и т. п.), а затем в изготовленном и смонтированном в цехе оборудовании. Несоответствие же параметров работы РТС выявится только на этапе запуска и ввода его в эксплуатацию, после чего придется проводить мероприятия по модернизации действующего оборудования и выводу комплекса напроектную мощность, что в сотни и тысячи раз дороже, чем определить правильные проектно-технологические параметры производственной системы на ранних стадиях ее проектирования, и здесь же найти надежный способ подтвердить правильность сделанного выбора.

5. Периодичность возникновения задачи. Современный рынок высокотехнологичных товаров диктует необходимость ставить на производство новые модели продукции заметно чаще, чем в предыдущие десятилетия. К примеру, смена платформы моделей производимых автомобилей в развитых странах происходит не реже, чем раз в три года. Стоит отметить, что и в других высокотехнологичных отраслях наблюдается тенденция сокращения жизненного цикла продукции за счет сокращения времени проектирования и подготовки производства и необходимости обновлять номенклатуру производимых изделий. Поэтому задача проектирования подобных производственных систем будет возникать регулярно, что однозначно диктует о необходимости разработки и внедрения соответствующих методик для решения таких задач. б. Практическая новизна задачи. В российской массовой промышленности пока не используются современные автоматизированные методики проектирования, верификации и оптимизации проектных решений при создании сложных производственных систем. Необходимо отметить, что современные предприятия, заинтересованные в укреплении своих позиций в занимаемых товарных нишах, начинают обращаться к современным методикам оптимизации производств, организации оперативного управления, анализа деятельности. Однако это происходит с большим запозданием и связано со значительными затратами. Намного эффективнее использовать современные методики еще на стадии проектирования. При этом появляется возможность использовать нисходящее проектирование с самого верхнего уровня сложных производственных систем.

В процессе проектирования сборочно-сварочных РТС необходимо ответить на следующие вопросы:

— Каким техническим требованиям должно отвечать приобретаемое технологическое оборудование?

— Как его объединить в производственный комплекс?

— Как организовать работу персонала?

— Выйдет ли производство на проектную мощность и обеспечит ли требуемую гибкость?

— Какими должны быть такты автоматических сборочно-сварочных линий?

— Какого размера должны быть склады и накопители?

— Каков оптимальный уровень партий запуска однотипной продукции в производство?

Существует множество способов получения ответов на эти вопросы: проверенные временем методики аналитических расчетов, создание математических моделей, использование мирового опыта аналогичных производств, экспертные оценки. Однако в настоящее время наиболее широко распространенным и эффективным инструментом для решения подобного рода задач является компьютерное имитационное моделирование.

Что такое имитационная модель процесса или системы?

1. При имитационном моделировании моделирующий алгоритм и его структура определяются не набором показателей работы системы (как при применении численных методов), а имитацией «элементарных» явлений, происходящих в системе, с сохранением последовательности выполнения операций в системе или процессе;

2. При «имитационном подходе» моделирующий алгоритм сложной системы структурно и динамически соответствует реальной системе или процессу. Исследования на модели аналогичны экспериментальным исследованиям систем и процессов в натуре;

3. Как правило, имитационная модель — событийная модель, т. е. в имитационном моделировании рассматриваются события и состояния системы или процесса.

Весь процесс проектирования сборочно-сварочных РТС можно разделить на ряд этапов в соответствии с уровнем решаемой проблемы. Первым этапом будет организация производственных связей (с поставщиками, межцеховые и другие логистические связи), определение структур и мощностей производственных подразделений. Далее решают вопросы компоновки технологических групп оборудования, сборочных площадок, конвейеров, локальных транспортных линий, организации основного и вспомогательного персонала. Последней ступенью процесса проектирования является описание единичных технологических операций, разработка инструкций для персонала, программирование автоматизированного и автоматического оборудования (контроллеры роботов, манипуляторов, транспортные системы, координатно-измерительные машины и другое оборудование).

Сборочно-сварочные РТС — типичный пример систем массового обслуживания. Действительно, взаимодействие в автоматизированных ячейках основного и вспомогательного оборудования, промышленных роботов, оснастки, операторов могут быть представлены в терминах теории массового обслуживания.

Необходимость и возможность использования для проектирования и, исследования сборочно-сварочных РТС именно методов имитационного моделирования связана, во-первых, со сложностью таких систем, а во-вторых, с тем, что они при целостном их рассмотрении не отвечают основным допущениям теории массового обслуживания, а в частности, двум из них: стационарности и отсутствию последствия.

При целостном рассмотрении сборочно-сварочных РТС в течение длительного времени в их работе можно выделить периоды, когда участок комплекса производит обработку деталей в автоматическом режиме, и периоды, когда он простаивает либо в связи с переналадкой оборудования на другое изделие, либо в связи с устранением отказов. Поэтому для потоков обрабатываемых деталей требование стационарности — равновероятностного появления детали на участке комплекса — не выполняется.

Отсутствие последствия предполагает независимость протекания процессов в непересекающиеся между собой интервалы времени. Однако, к примеру, переналадка оборудования начинается только после обработки последней детали из партии. Таким образом, в роботизированных системах не выполняется и требование отсутствия последствия.

Следовательно, для изучения функционирования сборочно-сварочных РТС при их целостном рассмотрении аналитические методы теории массового обслуживания применить нельзя. Это и приводит к необходимости использования в таких случаях методов имитационного моделирования. Необходимо, однако, отметить, что при рассмотрении частных технологических процессов в ограниченные отрезки времени аналитические методы теории массового обслуживания применимы.

Имитационное моделирование позволяет учитывать сложность проектируемых производственных систем и обеспечивает простоту разработки модели, удобство использования и очевидность результатов. Именно оно способно учесть стохастичность некоторых ее параметров.

В ходе имитационного моделирования можно оптимизировать, компоновки сборочно-сварочных РТС, выбор транспортных маршрутов, планы запуска деталей в производство и т. п. Таким образом, результаты имитационного моделирования позволяют находить наиболее рациональные структурные решения производственного комплекса и решения, связанные с организацией управления.

Имитационное моделирование позволяет варьировать запуски деталей различных наименований, изучать складывающиеся материальные потоки при использовании различных транспортных средств, определять причины образования очередей у различного оборудования, изучать влияние объема накопителей на производительность комплекса, последствия отказов и времени восстановления оборудования.

Отметим основные преимущества имитационного моделирования в приложении к задаче проектирования комплексов сборки-сварки автомобилей:

— свобода от ограничений, присущих аналитическим методам;

— возможность построения моделей с большей совокупностью элементов (сотни, тысячи, десятки тысяч элементов);

— возможность проведения экспериментов, неосуществимых в реальных условиях (например, моделирование работы комплексов в безотказном режиме);

— возможность изучения долговременной работы роботизированной системы (в интервале один месяц, один квартал, один год и т. п.);

— наглядность результатов, что облегчает их восприятие лицом, принимающим технические и/или управленческие решения;

— возможность системного анализа и оптимизации автоматизированных комплексов на ранней стадии их проектирования;

— возможность выявления наиболее существенных переменных, оказывающих решающее влияние на работоспособность проектируемого комплекса сборки-сварки, и выявление их взаимодействия.

Для эффективного использования имитационного моделирования при исследованиии- оптимизации сборочно-сварочных РТС необходимо учесть специфику объекта исследования и провести адаптацию общей схемы использования имитационных моделей к выделенному классу задач. Особенно актуальными являются задачи параметрического синтеза РТС, анализа производительности и гибкости систем с учетом показателей надежности промышленных роботов и других элементов систем.

Диссертационная работа основывается на результатах, достигнутых в нашей стране научными коллективами, руководство которыми осуществляли И. М. Макаров, Е. П. Попов, Ю. М. Соломенцев, В. Г. Градецкий, C.JI. Зенкевич, B.C. Кулешов, А. Г. Лесков, И. П. Норенков, Е. И. Юревич, A.C. Ющенко. Значительные достижения в области исследования систем и оптимизации имеют зарубежные ученые Р. Акоф, Р. Беллман, В. Кельтон, А.

Лоу, X. Холланд, Р. Шеннон.

Цель и задачи исследования

Цель исследования заключается в сокращении сроков проектирования и оптимизации работы и состава сборочно-сварочных робототехнологических систем методом имитационного моделирования.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:

4. Анализ и выбор способов и инструментальных средств исследования и оптимизации современных сборочно-сварочных РТС;

5. Разработка методики синтеза сборочно-сварочных РТС на имитационных моделях;

6. Оптимизация основных проектно-технологических параметров сборочно-сварочных РТС методом имитационного моделирования;

7. Подтверждение достоверности полученных теоретических результатов путем внедрения разработанной методики и имитационных моделей при проектировании сборочно-сварочных РТС на производственном предприятии.

Методы исследования. В основу научных исследований данйой диссертационной работы положены методы системного анализа, математического и компьютерного моделирования, оптимизации сложных систем, а также методы статистической обработки информации при анализе экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается:

8. В разработке алгоритмов и имитационных моделей для параметрического синтеза, основанного на объектно-ориентированном подходе, для целенаправленного поиска и оценки вариантов сборочно-сварочных РТС как стохастических систем.

9. В предложенных критериях эффективности РТС, построенных на базе комплекса взаимосвязанных оценок производительности системы, загрузки оборудования и среднего объема производственных запасов.

10.В установлении взаимосвязи для задач оптимизации РТС методом генетических алгоритмов между критериями эффективности систем и вычислительными затратами.

Практическая ценность работы:

1. Разработанная методика и предложенные критерии, по сравнению с используемыми на отечественных предприятиях подходами, позволяют сократить сроки проектирования (до 20%), оптимизировать состав и работу сборочно-сварочных РТС.

2. Построенные имитационные модели и проведенные на их основе исследования позволили обоснованно выбрать структуру, компоненты и значения параметров комплекса сварки кузовов автомобилей ВАЗ-1117/18/19 «Калина» с учетом показателей надежности оборудования.

3. Внедрение предложенной методики в ОАО «АвтоВАЗ» позволило снизить затраты времени на проверку работоспособности комплекса при проектировании комплекса сварки кузовов автомобилей ВАЗ-1117/18/19 «Калина» на 15% и гарантировать проектную производственную мощность системы.

Апробация работы и использование ее результатов. Основные положения работы докладывались и обсуждались на электронной конференции РАЕ «Компьютерное моделирование в науке и технике» (2004), международном семинаре «Робототехника и мехатроника» в рамках 2-й специализированной выставки «Робототехника» (Москва, 2004 г.), научном семинаре в Научно-Учебном Центре «Робототехника» при МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 2004), 2-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (Уфа, 2005), а также на научных семинарах кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ «Станкин» (2003;2005).

Теоретические и практические результаты работы использованы при подготовке методических материалов по дисциплине «Моделирование роботов и робототехнических систем» в ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Публикации. Основные положения, изложенные в диссертации, опубликованы в 5 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация общим объемом 194 страницы состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 107 наименований, 9 приложений. Основной текст диссертации изложен на 175 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 21 таблицу.

Основные выводы и результаты исследования:

1. На основании проведенного анализа научно-технической проблемы автоматизированного проектирования сборочно-сварочных робототехнологических систем (РТС), выявлена потребность в новом методическом обеспечении, основанном на современных информационных технологиях, для реальных задач современного производства, которая отвечает специфическим отраслевым требованиям.

2. Проведено сравнительное исследование методов и инструментальных средств моделирования сложных производственных систем и заданы ограничения по их применимости для исследования сборочно-сварочных РТС. В результате исследования выбран метод имитационного моделирования, реализующий объектно-ориентированный подход к проектированию.

3. Разработанная методика исследования и оптимизации сборочно-сварочных РТС на платформе иерархических имитационных моделей и объектно-ориентированного подхода позволяет обоснованно проводить исследование и оптимизацию сборочно-сварочных РТС, алгоритм методики учитывает специфику объекта исследования.

4. Рассмотрены альтернативные варианты поиска решений при оптимизации сборочно-сварочных РТС, выявлены их преимущества и недостатки, даны рекомендации по их применению в зависимости от постановки задачи и характеристик объекта исследования. Также проведена адаптация метода поиска решений с использованием генетических алгоритмов для задачи синтеза структуры РТС с использованием имитационного моделирования.

5. Для заданного класса систем в рамках разработанной методики предложены критерии эффективности, построенные на базе комплекса взаимосвязанных оценок производительности комплекса, загрузки оборудования и среднего объема производственных запасов, и исследовано их применение.

6. Для оценки применимости предлагаемой методики для сборочно-сварочных РТС рассмотрен типовой фрагмент сборочно-сварочной РТС, обосновано подобие данного примера реальным сборочно-сварочным РТС и проведено его экспериментальное исследование.

7. Проведенный анализ позволил сформулировать рекомендации и ограничения применения предлагаемой методики исследования сборочно-сварочных РТС. Выявленные ограничения обусловлены природой объекта исследования, методологией исследования и уровнем развития современных аппаратных вычислительных средств.

8. Применение разработанной методики в ОАО «АвтоВАЗ» для выбора и верификации основных проектно-технологических параметров сварочного комплекса кузовов автомобилей семейства ВАЗ-1117/18/19 «Калина» позволило сократить затраты на подготовку и оснащение производственного комплекса.

Теоретические и практические результаты работы использованы при проектировании комплекса сварки кузовов автомобилей ВАЗ-1117/18/19 «Калина» в ОАО «АвтоВАЗ», г. Тольятти, в 2002;2004 г. г., о чем свидетельствует соответствующий акт.

Применение приведенного в данной работе способа исследования и оптимизации сборочно-сварочных РТС по сравнению с используемыми на отечественных предприятиях подходами позволяют сократить сроки проектирования (до 20%), оптимизировать состав и работу сборочно-сварочных РТС, что позволяет полноценно использовать производственные и финансовые возможности предприятий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проводимая в последние годы политика повышения конкуренции предложения на отечественном рынке высокотехнологичных товаров народного потребления позволяет существенно повысить технологический уровень и потребительские свойства предлагаемой продукции, обеспечивает сдерживание и, зачастую, снижение цен, то есть позволяет воспользоваться подлинно рыночными механизмами регулирования деятельности промышленных предприятий.

Проведение подобных преобразований без внедрения новых технологий проектирования и организации современных конкурентоспособных производств не позволяет полностью реализовать потенциал и достигнуть их конечных целей. Безусловной тенденцией в проектировании высокотехнологичных производств является использование роботов и робототехнологических систем. Наиболее широкое применение РТС нашли в технологических процессах сборки и сварки изделий, где в условиях массового производства требуется не только выполнять большое количество однотипных операций, но и соблюдать их высокую точность и надежность. Однако в связи со сложностью организации подобных производств важно иметь методику, которая бы позволила в сжатые сроки провести качественное проектирование и оптимизацию РТС, обеспечивая эффективность работы дорогостоящего оборудования.

Существует множество традиционных способов проектирования и исследования производственных систем. Однако в настоящее время наиболее широко распространенным и эффективным инструментом для решения подобного рода задач является компьютерное имитационное моделирование. Имитационное моделирование позволяет учитывать сложность проектируемых производственных систем и обеспечивает простоту разработки моделей, удобство использования и очевидность результатов, способно учесть стохастичность ее параметров.

Для обеспечения возможности использования имитационного моделирования при исследовании и оптимизации сборочно-сварочных РТС необходимо в данной работе проведена адаптация общей схемы использования имитационных моделей и способов оптимизации к выделенному классу задач, с учетом специфики объекта исследования.