Русяев, Александр Сергеевич. Метод автоматизированного проектирования механосборочных участков на основе компьютерного моделирования и генетических алгоритмов

Краткое описание

Русяев, Александр Сергеевич. Метод автоматизированного проектирования механосборочных участков на основе компьютерного моделирования и генетических алгоритмов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.12 / Русяев Александр Сергеевич; [Место защиты: Оренбург. гос. ун-т].- Оренбург, 2013.- 155 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/1211

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

04201365526 На правах рукописи
Русяев Александр Сергеевич
МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ
05.13.12 - Системы автоматизированного проектирования (машиностроение)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук А.И. Сергеев
Оренбург 2013 
Содержание
Введение 4
ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1 Структурный и параметрический синтез производственных систем 8
1.2 Системы оперативно-календарного планирования 14
1.3 Методы и программные продукты для имитационного моделирования. 21
1.3.1 Tecnomatix 24
1.3.2 DELMIA 28
1.3.3 Factory Design Suite ЗО
1.4 Метод автоматизированного построения циклограмм работы оборудования 31
1.5 Обзор диссертаций в области проектирования и реконструкции производственных систем 34
1.6 Выводы по первой главе 37
1.7 Цель и задачи исследования 38
ГЛАВА 2 ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ С УЧЕТОМ ОПЕРАЦИЙ РАЗДЕЛЕНИЯ И СБОРКИ 39
2.1 Особенности моделирования как метода исследования сложных производственных систем 39
2.2 Описание процесса разработки подсистемы моделирования производственных процессов с учетом операций разделения и сборки 41
2.3 Математическое обеспечение 51
2.4 Алгоритм моделирования производственного процесса, учитывающий операции разделения и сборки 54
2.5 Алгоритм анализа состава изделия 60
2.6 Программная реализация системы моделирования производственных процессов с учетом операций разделения и сборки 62
2.7 Проверка адекватности 66
2.8 Выводы по второй главе 74
3 ПОСТРОЕНИЕ РАСПИСАНИЯ РАБОТЫ МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ 75
3.1 Алгоритм расчета трудоемкости обработки изделия с учетом групп оборудования 75
3.2 Алгоритм генерации сменных заданий 77
3.3 Оптимизация производственного расписания 82
3.4 Статистическая обработка результатов моделирования выборки сменных заданий 84
3.5 Выводы по третьей главе 89
4 РАЗРАБОТКА МЕТОДА СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА МЕХАНОСБОРОЧНЫХ УЧАСТКОВ 90
4.1 Разработка генетического алгоритма структурно-параметрического синтеза 90
4.2 Структурно-параметрический синтез с применением метода Хука-Дживса 100
4.3 Структурно-параметрический синтез с применением метода покоординатного спуска 101
4.4 Оптимизация расположения оборудования 104
4.5 Метод структурно-параметрического синтеза механосборочных участков 106
4.5 Выводы по четвертой главе 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
Список использованных источников 114
Приложение А (справочное) Исходные данные к проверке адекватности.. 128 Приложение Б (справочное) Код процедуры оптимизации сменного
задания 131
Приложение В (справочное) Исходный код генетического алгоритма 134
Приложение Г (справочное) Исходный код метода Хука-Дживса 137
Приложение Д (справочное) Исходный код метода Золотого сечения 139
Приложение Е (справочное) Исходный код процедур оптимизации
расстановки оборудования 141
Приложение Ж (справочное) Исходный код процедур передачи результатов
в САПР КОМПАС 145
Приложение И (справочное) Внедрение результатов исследования 150
Приложение К (справочное) Сведения о квалификации соискателя 153
Введение
Реконструкция и техническое перевооружение предприятий предпоч-тительнее создания аналогичных мощностей за счет нового строительства, так как вложенные средства окупаются в среднем в 3 раза быстрее. В ус¬ловиях формирования нового технологического уклада задачи реконст¬рукции и технического перевооружения актуальны для подавляющего боль¬шинства машиностроительных предприятий страны.
Конкуренция на рынках сбыта изделий ужесточила требования к эф-фективности производства, к экономии материальных и людских ресурсов, в том числе и за счет повышения уровня автоматизации производственных процессов. В этой связи особые требования предъявляются к проектам мо¬дернизации производства, используемым методам проектирования, к срокам и качеству выполнения проектных работ [1].
Используемые традиционные методы проектирования высокотехноло¬гичных механосборочных участков (МСУ), основанные на усредненных рас¬четах, оказываются малоэффективными и слабо коррелируют с автоматизи¬рованным производственным процессом. Необходимо совершенствование методов автоматизированного проектирования МСУ, основанных на компь¬ютерном моделировании протекающих в них производственных процессов.
С этих позиций, совершенствование процессов автоматизированного проектирования механосборочных участков, основанное на использовании современных возможностей средств вычислительной техники, является акту¬альной научной задачей, решение которой имеет большое значение для эко¬номики страны.
Решение данной задачи возможно путем разработки метода автомати-зированного проектирования МСУ, основанного на компьютерном модели¬ровании производственных процессов и обеспечивающего автоматизирован¬ный структурно-параметрический синтез МСУ.
Использование разработанного метода позволит обеспечить оптималь¬
ность принимаемых проектных решений по критериям эффективности экс-плуатации механосборочных участков.
Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно- исследовательской работы № 01201155447 «Методология создания высоко-автоматизированных систем нового поколения с заданными свойствами» на кафедре систем автоматизации производства Оренбургского государст¬венного университета. Этапы работы финансировались в рамках выполнения грантов № 1.6.11 «Разработка методологии создания термостабильных меха- тронных станков», а также № 14.В37.21.1863 «Разработка инструментов ин¬женерного анализа для построения высокоавтоматизированных станочных систем» Минобрнауки России по Федеральной целевой программы «Науч¬ные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 го¬ды».
Цель работы: совершенствование процессов проектирования механо-сборочных участков на основе разработки и использования современных ме¬тодов компьютерного моделирования.
Задачи исследования:
1) анализ существующих методов и инструментов проектирования ме-ханосборочных участков;
2) формализованное описание производственных процессов, представ¬ленных множеством заготовительных, формообразующих, контрольных, сборочных и транспортных операций, выполняемых на МСУ с комбиниро¬ванным составом оборудования;
3) разработка алгоритма функционирования МСУ с учетом вариатив-ности содержания сменно-суточных заданий и возможностью статистической обработки результатов моделирования;
4) разработка метода автоматизированного проектирования механосбо¬рочных участков на основе применения алгоритмов структурно-параметрического синтеза;
5) программная реализация разработанных алгоритмов.
Объект исследования - процесс проектирования механосборочных уча¬стков для условий позаказной работы предприятия.
Предмет исследования - формализация проектных процедур структур¬но-параметрического синтеза МСУ.
Методы исследования. Использованы основные положения теорий про-изводительности, расписаний, массового обслуживания, методы математиче¬ского моделирования, циклограмм, математической логики, методы оптими¬зации, методы эволюционного синтеза, технология объектно-ориентиро¬ванного программирования.
Для подтверждения достоверности разработанных моделей и их про¬граммной реализации использованы методы оценки чувствительности модели, формальных процедур верификации, проверки на тестовых примерах, сравне¬ния полученных результатов моделирования с результатами работы програм¬мы-аналога.
Научная новизна включает:
- алгоритм моделирования производственных процессов, представлен¬ных множеством заготовительных, формообразующих, контрольных, сбо¬рочных и транспортных операций, выполняемых на МСУ с комбинирован¬ным составом оборудования;
- метод автоматизированного синтеза расписаний, основанный на ис-пользовании метода циклограмм для моделирования работы оборудования и усеченного перебора для поиска оптимальной по текущим критериям очере¬ди запуска заготовок в обработку;
- формализованное описание процедур структурно-параметрического синтеза механосборочных участков;
- формализованный метод структурно-параметрического синтеза МСУ, основанный на применении компьютерной модели механосборочного участ¬ка с учетом операций разделения (сборки) объектов производства, оптимиза¬ции производственного расписания и эволюционных методов оптимизации.
Практическую значимость имеет программная реализация разработан- ного метода автоматизированного проектирования механосборочных участ¬ков, включающая:
- программный модуль моделирования МСУ, позволяющий оценить эффективность работы МСУ при заданных параметрах и структуре оборудо¬вания;
- программный модуль синтеза производственных расписаний «Raspis_Optimal», позволяющий генерировать оптимальную последователь¬ность партий запуска для выборки вариантов сменных заданий;
- программа «Komponovka 1.3», рассчитывающая координаты расста¬новки оборудования по заданным критериям эффективности;
- интегрированный с САПР КОМПАС программный модуль «Plan3D», позволяющий, исходя из заданного критерия эффективности (производи¬тельность, загрузка оборудования, фактическая длительность цикла выпол¬нения заказа) сформировать оптимальные параметры оборудования и струк¬туру механосборочного участка.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Установлено, что современным подходом к проектированию участков механосборочного производства служит тщательный анализ проектных ре¬шений по выбору структуры и параметров производственного оборудования путем компьютерного моделирования функционирования МСУ при выпол-нении множества технологических процессов изготовления изделий.
2. Выполнено формализованное представление процесса функционирова¬ния механосборочного участка, основанное на методе циклограмм, описы¬вающее динамику изготовления деталесборочных единиц и применимое для большинства видов машиностроительных изделий.
3. Разработан алгоритм синтеза оптимальных производственных расписа¬ний, позволяющих сократить длительность выполнения заказов на изготов¬ление изделий на 15-20 %.
4. Разработан метод проектирования механосборочных участков, отли¬чающийся использованием процедур оперативно-календарного планирова¬ния и компьютерного моделирования функционирования МСУ. Доказано, что включение в метод процедур ОКП при проектировании позволяет повы¬сить эффективность МСУ при эксплуатации на 23 %.
5. Разработана, протестирована и опробована программная реализа¬ции разработанных алгоритмов и процедур, позволяющая на основе ком¬пьютерного моделирования функционирования и анализа структуры и пара¬метров МСУ сформировать комплекс проектных решений, реализуемый в формате ЗБ-модели расстановки оборудования и текстовой спецификации параметров оборудования.
Список использованных источников
1 Вумек, Д. П. Бережливое производство: Как избавиться от потерь и добиться процветания вашей компании / Джеймс П. Вумек, Дэниел Т. Джонс / Пер. с англ. - М. : Альпина Бизнес Букс, 2004. - 473 с.
2 Проектирование автоматизированных участков и цехов: учеб. для машиностроит. спец. вузов / В. П. Вороненко, В. А. Егоров, М. Г. Косов и др.; Под ред. Ю. М. Соломенцева. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2000. - 272 с.
3 Лищинский, JI. Ю. Структурный и параметрический синтез гибких производственных систем : Л. Ю. Лищинский. - М. : Машиностроение, 1990. - 321 с. : Библиогр. : с. 306-311.
4 Экономический словарь. - Режим доступа: http://abc.informbureau. com/html/yooaeoeaiinou_idiecaianoaa.html. - Загл. с экрана. - Проверено
10.06.2012.
5 Немцев, В. Н. Экономический анализ эффективности промышлен¬ного предприятия: учебное пособие. 2-е изд. Магнитогорск: МГТУ - 2004. - 208 с.
6 Гутенев, В. В. Станкостроение - в поисках траектории роста /
В. В. Гутенев // Ритм. - 2013. - №4 (82). - С. 24 - 29.
7 Голоктеев, К. Управление производством: инструменты, которые работают / К. Голоктеев, И. Матвеев. - 2008. - 208 с.
8 Ротер, М.Учитесь видеть бизнес-процессы. Практика построе¬ния карт потоков создания ценности / Майк Ротер, Джон Шук; Пер. с англ. - М. : Альпина Бизнес Букс : CBSD, Центр развития деловых навыков, 2005. - 144 с.
9 Форд, Г. Сегодня и завтра / Г. Форд. - М. : Поппури, 2004. - 176 с.
10 Оно, Т. Производственная система Тойоты. Уходя от массового производства, пер. с англ. / Т. Оно. - М.: Институт комплексных стратегиче¬ских исследований, 2005. - 192 с.