Станочные системы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1.ОБЩАЯ ЧАСТЬ 8

1.1.Описание технологического оборудования в составе ГПС 8

1.2.Выбор состава технологического оборудования, входящего в РТК 10

1.3.ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА 12

2. АНАЛИЗ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ 12

2.1. Описание математической модели численной оценки эффективности работы ГПС 12

2.2.Состояние этапов промышленного робота 29

2.3.Описание алгоритмов.Примеры 31

3.ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ 35

3.1.Технические характеристики используемых ЭВМ,операционные системы 35

3.2.Анализ параметров ГПС на компьютере 35

3.3. Построение графов промышленного робота 44

3.4.Вспомогательные программы 46

3.5. КОНТРОЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ 47

4.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 51

4.1.Организация аппаратного и программного обеспечения 51

4.2.Методика расчета экономических показателей ГПС 52

ВВЕДЕНИЕ

В условиях современных микропроцессорных технологий, появилась возможность оптимизации инженерно-технических задач еще на ранних стадиях проектирования. Создание математических моделей минимизирует затраты времени проектировщика, обеспечивая тем самым выбор оптимального решения инженерной задачи в кратчайший срок.

В машиностроении, при проектировании производственных систем решается задача об оптимальном соотношении фактических возможностей, затрат, и необходимых конфигураций средств производства. Легко переналаживаемые линии, называемые гибкими производственными системами(ГПС), открывают широкие возможности для повышения производительности, качества деталей, для снижения многих видов затрат и потребности в рабочей силе. На это можно рассчитывать, если изготовляемые детали перспективны, а оборудование спроектировано и близко к оптимальному для данных условий производства. Например, если режущий инструмент универсальный, а количество станков ограничено, то, как правило, используется ручное транспортирование, загрузка и смена заготовок. Если используется станок со специальной многошпиндельной головкой(т.е. набор режущего инструмента широк), число станков в системе велико, т о целесообразно использовать автоматическую загрузку деталей-заготовок, автоматическую транспортировку и диагностику режимов работы станков, с использование центральной ЭВМ. Следует также иметь в виду ,что наибольший эффект дает механизации как основных так и вспомогательных операций. При частичной автоматизации ,затраты ниже, но и эффективность существенно снижается, так если вместо разработки новой автоматической системы, оснастить существующие станки роботами, загрузочно-разгрузочными устройствами, то производительность труда при этом повышается не более чем на 50 %. Нередко при комплексной автоматизации новая техника добавляется к старому оборудованию без удаления морально устаревших устройств системы. Вследствие этого вся новая система оптимальна только на отдельных участках, и даже после ее окончательной автоматизации она не становится оптимальной по основным проектным критериям... Первой задачей при разработке концепции автоматической станочной системы является тщательный анализ ассортимента деталей и разделение их на комплекты. Под комплектом подразумевается группа однородных деталей, объединяемых в одну представительную деталь с некоторыми усредненными параметрами. Так, на одном заводе анализ всех деталей типа тел вращения показал, что рабочие переходы и требуемый набор зажимных устройств для патронных деталей и для валов существенно различаются. При этом, целесообразно при достаточном масштабе выпуска этих двух комплектов деталей вести их обработку на двух различных системах. Для анализа ассортиментных деталей используют различные методы. Так, например, можно подвергнуть рассмотрению всю совокупность деталей и полный набор технологических методов, инструментов и соответствующего оборудования. При этом возможна следующая последовательность анализа:

• определение необходимого рабочего пространства исходя из геометрических параметров деталей;

• уточнение состава оборудования с учетом необходимых технологических процессов и режимов обработки; требуемый набор режущих инструментов в связи со структурой элементарных поверхностей;

• анализ вариантов при обработке различных деталей на разных установках; анализ переустановок (перезакреплений) деталей с минимизацией числа рабочих позиций;

• требуемая пропускная способность станков и всей системы по условию заданной производительности и с учетом требований точности обработки;

• анализ системы по характеру транспортных потоков и складирования деталей;

• анализ систем управления, контроля, диагностики.

Определив все частные потери времени, можно рассчитать производительность станочной системы и на основе математического моделирования найти средний цикл обработки и полную пропускную способность.

Эффективность ГПС в значительной степени зависит от рационального выбора обрабатываемых изделий, технологических процессов и оборудования. При оценки целесообразности создания ГПС необходимо учитывать три группы факторов:

1) необходимость улучшения условий труда или исключения из производственного процесса человека по соображениям социальным и технике безопасности;

2) невозможность или нерациональность использования более простых технических средств;

3) сложность и соответственно большая стоимость создания ГПС. Решение всех выше перечисленных задач может решатся на уровне компьютерного моделирования по заданным наперед исходным данным.

В дипломном проекте,рассматривается программа анализа ГПС,которая позволяет определять загрузку станков и транспортных средств, включенных в систему, принять решение об оптимальности компоновки ГПС и количестве вспомогательного и технологического оборудования.

1.ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1.Описание технологического оборудования в составе ГПС

Интенсивное развитие наиболее прогрессивных областей техники вызывает частое обновление продукции. В этих условиях длительность разработки, изготовления и освоения необходимого автоматического оборудования может превысить периодичность смены изделий, для производства которых оно предназначено. Вместе с тем в последнее время утвердились тенденции к сокращению размеров серий и увеличения ассортимента выпускаемых деталей, в результате чего более 80 % производства относится к мелкосерийному. Необходимую гибкость производства изделий обеспечивает применение оборудования с программным управлением на базе микропроцессорной и компьютерной техники, станков числового программного управления (ЧПУ) . В настоящее время такое технологическое оборудование объединяют в единые производственные комплексы, посредством транспортной и управляющей систем, которые называются гибкими производствен- ными системами (ГПС). Основные признаки ГПС: гибкость, автоматизированность, наличие общей транспортной системы. В общем случае ГПС состоит из трех основных систем: технологической, ранспортно-накопительной и управления(см.рисунок 1.1)

Рисунок 1.1- Структура ГПС

Технологическая система осуществляет обработку изделий, их контроль, подготовку и смену инструмента и оснастки, загрузку и разгрузку технологического и контрольно-измерительного оборудования , промежуточное накопление и хранение материалов, полуфабрикатов, изделий, комплектующих элементов, инструмента и оснастки, отвод отходов производства. Для выполнения этих функций в эту систему входит основное технологическое и контрольно-измерительное оборудование, средства промежуточного накопления(накопители),хранения, переориентации: базирования и транспортирования изделий и инструмента (транспортные тележки, роботы),роботы. В качестве основного технологического оборудования чаще всего в ГПС используются многоцелевые станки (станки с СиПУ или УАСИ).

Транспортно-накопительная система ГПС производит промежуточное хранение и перемещение изделий, инструмента и оснастки между оборудованием технологической системы, а также приемку и выдачу изделий, инструмента и оснастки внешним производственным подразделениям, их хранение, комплектацию, приемку и выдачу технологической системе. Для выполнения этих функций в транспортно-накопительную систему входят транспортные средства(тележки, транспортеры, роботы),позиции хранения, комплектации, приемки и выдачи изделий и инструмента (например, автооператоры).

Система управления ГПС координирует работу всех ее подсистем, станков и контролирует состояние производства. Отвечает в большей или меньшей степени за процесс проектирования технологических изделий, разработки технологических процессов и программ для станков ЧПУ.В настоящее время система управления организуется как локальная вычислительная сеть.

Рисунок 1.2 - Система управления ГПС

1.2.Выбор состава технологического оборудования, входящего в РТК

При проектировании РТК выделяются следующие четыре основных этапа (рисунок 1.3):

• подготовка исходных данных при проектировании РТК на основе анализа технологического процесса;

• определение состава участков РТК, каждый из которых содержит только по одному роботу;

• проектирование таких участков РТК;

• проектирование РТК в целом путем объединения разработанных ранее участков.

На первом этапе проектирования общая последовательность проектирования РТК может быть описана следующим алгоритмом, писаном в общем виде:

1.Анализ технологического процесса, формирования исходных данных для проектирования ;

2.Формирование участков, обслуживаемых отдельными роботами; выбор количество роботов R, распределения между ними оборудования,,места Мп и способа передачи изделий между роботами;

3.Если технологический процесс требует корректировки, то идем на 1 ,иначе

4.Переход к проектированию следующего участка РТК

5.Проектирование участка РТК; выбор количества роботов, последовательности расположения оборудования в соответствии с технологическим процессом, дополнительных позиций для промежуточного хранения, траекторий манипулирования, порядка перемещений схватов роботов по этим траекториям, компоновки роботов, расположения роботов и оборудования и т.п.

6.Все участки РТК ? Если НЕТ, то 4 ,иначе

7.Корректировать формирование участков РТК? Если ДА, то идем на 2 ,иначе

8.Корректировать технологический процесс ? Если ДА, то на 1,инче

9.Корректировать участки РТК, если ДА, то идем на 2,иначе

10.Конец.

На основании полученных данных строится предположение о составе технологического оборудования, обслуживающего одного робота. Формируются транспортные пути и производится общая компоновка оборудования, решается вопрос о хранении заготовок и выбирается способ их передачи между станками, в зависимости от которого производится выбор соответствующих накопительных устройств. Например, выбор позиций хранения ПХ при последовательном исполнении технологических операций однозначно определяет последовательность обслуживания робота, выбор манипулирующего устройства (робота) зависит от видов изделий, геометрических размеров обслуживаемого им оборудования, а также от массы и размеров заготовки, кроме того, оценивается общая производительность системы, выявляется число простоев вспомогательного оборудования.

Рисунок 1.3 - Алгоритм проектирования РТК

1.3.ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

Основной целью дипломного проекта является разработка программного обеспечения ПО для анализа и моделирования технико-экономических показателей гибких производственных систем ГПС.

Основными задачами дипломного проекта являются:

• изучение вопроса проектирования ГПС;

• анализ проектирования ГПС на основе теории массового обслуживания;

• анализ математической модели теории массового обслуживания и ее изучение;

• разработка алгоритма на основе теории массового обслуживания;

• создание вычислительных программ на базе разработанного алгоритма для ПК ;

• решение задач проектирования ГПС на уровне РТК;

• разработка алгоритмов проектирования РТК ;

• разработка программы построения диаграммы перемещений робота и проектирование РТК на ее основе.

• разработка экономических аспектов проектирования ГПС;

2. АНАЛИЗ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

2.1. Описание математической модели численной оценки эффективности работы ГПС

Проблема обслуживания множества машин представляется следующим образом [ 1 ]. После определения необходимого числа станков, измерительных и вспомогательных позиций необходимо установить структуру автоматического транспорта деталей (заготовок) в системе, а также организацию ввода заготовок и вывода готовых изделий. При этом возникает вопрос о том, сколько рабочих позиций может обслужить тот или иной вид транспорта - загрузочные устройства, транспортные тележки или промышленные роботы. Обслуживание нескольких станков одним манипулятором (роботом) снижает затраты и даёт возможность выполнять этим устройством частично функции транспортирования. С другой стороны, при многостаночном обслуживании возникают условия для потерь время ожидания станком обслуживания, если одновременно на нескольких позициях возникает потребность в новых заготовках. В этом случае манипулирующее устройство может подать заготовку только на один станок, в то время как остальные станки должны простаивать в ожидании обслуживания.

На рисунках 2.1, 2.2 приведены диаграммы распределения времени для станков-автоматов и станочных систем.

Рисунок 2.1 - Диаграмма распределения времени станков-автоматов:

Т - текущее время, мин; Т_к - штучно-калькуляционное время, мин; Т_ш - штучное время, мин; Т_р - время на ремонт, мин; То - операционное время, мин; Т_п - потери времени, мин; Т_м - машинное время, мин; Т_в- вспомогательное, мин; Т₁Т₂ - цикловые внецикловые потери, мин; Т_ц - время цикла, мин; Т_пз - подготовительно -заключительное время, мин; Т_н - непродуктивное время, мин

Рисунок 2.2 - Диаграмма распределения времени станочных систем: Т_в - вспомогательное время на контроль (1), смену инструмента (2), позиционирование (3); Тмс - время ожидания при многостаночном обслуживании; Т_ц - время цикла на станке .

Время ожидания обслуживания Т_мс вследствие многостаночного обслуживания приводит к потерям, которые приближенно определяют на основе теории массового обслуживания. Рассмотрим станочную систему из пяти станков (рисунок2.3).

Рисунок 2.3 - Структура станочной системы для обработки тел вращения: С1, С3, С5 - станки для токар ной обработки, С2, С4 - станки для сверления и фрезерования; Н1, Н2 - накопители; В - мани пулятор .

Вспомогательное время Т_в можно разделить на время контроля, смены инструмента, позиционирования и смены обрабатываемой детали. Опера­ционное время Т_о' есть время, необходимое для полной автоматической обработки, состоит из основного времени Т_м и времени, требуемого для контроля Т_к, смены инструмента Т_см и позиционирования Т_поз в процессе обработки детали:

Т_о' = Т_ц = Т_м + Т_к + Т_см + Т_поз.

Во время смены заготовок станок простаивает, причём соответствующее время относится к одной обрабатываемой детали. Время ожидания при многостаночном обслуживании Т_мс является частью цикловых потерь. Анализ циклограммы работы станочной системы позволяет сделать следую­щие выводы [ 1 ]:

- продолжительность ожидания для манипуляторов существенно меньше продолжительности ожидания станком обслуживания;

• при малом времени ожидания манипулятора имеют место состояния,при которых два или более станка одновременно требуют новых деталей;

• подобные состояния с двумя или более совпадающими запросами на обслуживание поступают сравнительно редко и общий простой невелик;

• частота заявок на обслуживание зависит от ассортимента деталей, осбенно от времени цикла обработки отдельных деталей;

• время ожидания при многостаночном обслуживании Т_мс не зависит от частоты заявок и отдельного простоя станка в ожидании манипулятора.

2. Среднее время цикла и среднее время обслуживания связаны с тем, что заказы на обслуживание носят случайный характер. Средняя частота или интенсивность поступления заказов на обслуживание станков станоч­ной системы в единицу времени определяется как

   ^(2.1)

   где Т_ц - среднее время цикла для всех N деталей, обрабатываемых в станочной системе на протяжении рассматриваемого интервала времени.

^(2.2)

Доказано [1], что распределение заказов на обслуживание близко к закону распределения Пуассона. В этом случае функция вероятности для заказов на обслуживание станков, вспомогательных позиций (накопителей) и конт­рольных станций

(2.3)

для к = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ..., m,

где m - количество обслуживаемых объектов.

Вероятность Р_о при к = 0 означает отсутствие заказов на обслуживание; вероятность Р₁ - означает вероятность заказа от одного объекта и т.д.

В предельном случае: вероятность Р_м означает одновременное требование на обслуживание от всех m объектов станочной системы. Для расчёта вероятности целесообразно применить рекуррентную формулу в виде

(2.4)

2.1.3. Рассмотрим варианты многостаночного обслуживания на примере станочной системы, состоящей из трёх станков, обслуживаемую одним манипулятором (рисунок 2.4).

В варианте I транспортная тележка или робот транспортирует обработан­ную деталь от станка к промежуточному накопителю и укладывает её там, забирает новую заготовку (деталь), и транспортирует её к станку, устанав­ливая на рабочую позицию для зажима. Во время всего периода, необходи­мого для загрузки-выгрузки, станок простаивает. Время Т_сз смены заготовки и есть время обслуживания, т.е. Т_об = Т_сз (рисунок 2.5).

Вариант II отличается от варианта I тем, что транспортная тележка или робот имеет двойной захват. Перед окончанием обработки станок даёт за­каз на доставку следующей заготовки. Ещё во время обработки манипуля­тор забирает новую заготовку из промежуточного накопителя и достовляет её к станку. После непосредственной смены обработанной детали на новую заготовку деталь доставляется в промежуточный накопитель. Время обслу­жи­ва­ния складывается из следующих частей (рисунок 2.5)

Т_об(II) = T₁ + T₂ + T_cз + Т₁' + T₂' (2.5)

где Т₁ и Т₁' - время загрузки-выгрузки детали из промежуточного нако­пителя;

T₂, T₂' - время транспортрования от станка к накопителю (станку).

При этом варианте (II) потери времени на смену заготовок сокращаются, т.к. совмещены со временем работы станка.

При варианте III каждый станок оборудован автооператором-перегружа­телем, а в некоторых случаях и накопителем у станка. Простой станка при смене заготовки зависит от времени захвата обработанной детали, поворота автооператора и установки новой детали на рабочую позицию для зажима.

Рисунок 2.4- Варианты станочных систем при обслуживании трех станков одним транспортным устройством (манипулятором): НЦ - центральный накопитель; П1, П2, П3 - перегружатели; А - автооператоры для кассет; Р - кассеты

В отличие от варианта II полное время обслуживания при этом существен­но сокращается, т.к. не требует перемещения транспортного устройства между станками и центральными накопителями сразу в одну операцию. При смене детали на одном станке транспортное устройство может доставлять заготовку к перегружателю другого станка. Только при доставке заготовки после окончания цикла может быть потеря во времени за счёт многостаноч­ного обслуживания. Однако имеется и здесь возможность часть деталей затребовать на следующий станок, если он свободен для этого, и избежать потерь времени при перемещении к накопителю.

Рисунок 2.5- Циклограммы к вариантам I (a) и II (б) станочной системы: С1 - станок; В1 - манипулятор с однозахватным схватом; B2 - манипулятор с двойным захватом

Вариант IV предусмотрен для обработки деталей с весьма малым време­нем цикла. Детали доставляются к станкам в кассетах, а у каждого станка имеется перегружатель, как правило, в виде промышленного робота. Потери времени Т_сз складываются из времени смены заготовок и времени смены всей кассеты. При этом, однако, суммарное время обработки всех деталей одной кассеты настолько велико, что потери времени на смену кассеты и соответствующее время ожидания при многостаночном обслуживании весь­ма мало, и им можно пренебречь.

Время обслуживания каждого станка отличается от времени обслужива­ния других станков вследствие различия времени смены заготовки, разного времени перегрузки деталей и, особенно, вследствие разного пути транс­пор­­ти­рования.

Для расчетов используется среднее время обслуживания исходя из про­хож­дения через систему типовой детали

(2.6)

где i - число типовых транспортных перемещений в системе; Т_обi - время обслуживания одного станка, а также вспомогательной или измерительной операции; n_oi - число деталей с типовым транспортным перемещением. Время транспортирования можно рассчитать как

(2.7)

где S_т - средний путь между станком и накопителем;

V_т - скорость транспортного устройства.

Интенсивность обслуживания станков определяется как

(2.8)

2.1.3.1. Станочная система с однозахватным манипулятором, представляет собой замкнутую систему ожидания формы М/M/1 с внутренней органи­за­цией FIFO (firstin first out) на следующем основании: каждая заявка стан­ка на обслуживание удовлетворяется; в случае, когда манипулятор занят, т.е. обслуживает другой станок, заявка становится на очередь и станок ожи­­дает, пока манипулятор не освободится; манипулятор рассматривается как замкнутая система, т.к. число обслуживаемых станков и, соответствен­но, число заявок осуществляется в некоторой последовательности, при ко­то­рой приоритет даётся заранее поданной заявке; при наличии нескольких неисполненных заявок устанавливается очередность на исполнение; обозна­чение M/M/1 показывает, что характер заявок и процесс обслуживания соответствуют марковскому процессу [2], a число обслуживающих уст­ройств равно единице.

В станочной системе число заявок на обслуживание может быть равно

к = 0, 1, 2, ..., m, где m - общее число станков и других рабочих позиций. Поэтому возможны следующие состояния системы:

E0 (k=0) - все станки в работе, манипулятор стоит;

E1 (k=1) - все станки, кроме одного, работают, манипулятор обслужи­вает тот станок, от которого поступила заявка;

E2 (k=2) - работают m-2 станка, на одном станке происходит смена заготовки, один станок ожидает обслуживания;

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

En (k=n) - работают m-n станков, на одном из них - смена заготовки,n-1 ожидают обслуживания;

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Еm (k=m) - ни один станок не работает, один станок обслуживается манипулятором, остальные станки ожидают очереди на исполнение заказа.

В соответствие с теорией массового обслуживания вероятность перехода в состояние Е_к зависит от случайного поступления заявок на обслужива­ние, связанных со временем цикла (2.1)-(2.2) и временем на выполнение об­слу­живания (2.6)-(2.8)

(2.9)

где к = 1, 2 ..., m;

P_о - вероятность того, что все станки работают

(2.10)

зависимость (2.9) легко представить в виде:

(2.11)

где ^.

Манипулятор работает при состояниях системы Е1, ..., Еm, и вероят­ность его простоя

(2.12)

Число станков, ожидающих обслуживания и находящихся в очереди на исполнение заказа, вытекает из состояний Е2-Em. При этом, один станок обслуживается, а (к-1) - ждут обслуживания; среднее