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; Т₁\Т₂ - 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.

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 их число

(2.13)

коэффициент простоя одного станка из-за ожидания при многостаночном обслуживании

(2.14)

средняя загрузка одного станка

(2.15)

Существенное влияние на среднюю величину значений А_m и А_с, а также на коэффициенты простоя оказывает отношение средней интенсивности заявок к средней интенсивности обслуживания или, иначе отношение сред­него времени обслуживания к среднему времени цикла обработки на станке

(2.16)

2.1.3.2. Станочная система с двухзахватным манипулятором и предваритель­ным вызовом на обслуживание может также анализироваться на основе теории массового обслуживания в качестве замкнутой системы, где, одна­ко, сокращается время простоя станков за счёт использования двойного захвата. Циклограмма работы такой системы приведена на рисунок 2.6. Время загрузки-выгрузки, а также доставки загатовок к станку совмещается со временем обработки на станке.

Рисунок 2.6- Циклограмма работы для станочной системы с двухзахватным манипулятором (вариант II)

Если поступает только один заказ на доставку новой заготовки к станку и предварительная заявка на обслуживание следует своевременно, то прос­той станка связан со временем Т_сз на смену заготовки. Если следуют заяв­ки на обслуживание от двух или более станков, то манипулятор может сразу начать обслуживание одного из станков. Другие станки должны ждать очередного обслуживания после того, как манипулятор освободится. Таким образом, после смены заготовки на первом станке манипулятор дол­жен установить обработанную деталь в промежуточный накопитель, взять из него заготовку и доставить к следующему станку.

Если во время обслуживания одного из станков поступают заявки от дру­гих станков, то двойной захват и предварительный вызов не делают преиму­ществ. Интенсивность обслуживания при выполнении одиночной заявки

(2.17)

где Т_сз - среднее время смены заготовки на всех станках.

Интенсивность обслуживания при выполнении двух заявок и более

(2.18)

где Т­_об - среднее время обслуживания манипулятором накопителя. Вероятность простоя манипулятора

(2.19)

Вероятность того, что один из станков не работает в ожидании обслу­жи­вания

(2.20)

а вероятность того, что два станка и более не работают

(2.21)

при к = 2, 3... m.

^{Из условия получим вероятность того, что все станки} работают

(2.22)

Среднее использование одного станка при многостаночном обслуживании

(2.23)

Коэффициент простоя станка при многостаночном обслуживании

(2.24)

2.1.3.3. Для станочной системы с перегружателями у станков (с накопи­телями у станков) время простоя станка связано только со временем смены заготовки между станком и перегружателем. Поставка деталей к перегружа­те­лю и транспортирование готовых деталей осуществляется манипулято­ра­ми во время рабочего цикла станка (рисунок 2.7) Потери времени, связанные с многостаночным обслуживанием проявля­ются только тогда, когда станок закончил рабочий цикл, а в перегружателе отсутствует следующая деталь.

Условие отсутствия простоев здесь записывается в виде

(2.25)

где М - среднее число заявок в системе на подачу заготовок.

В станочной системе по данному варианту перегружатели дают заявки транспортному устройству с той же интенсивностью, как и в выше рас­смот­рен­ных системах. Поэтому все расчётные формулы остаются преж­ними.

Интегральную вероятность заявок в системе можно получить по формуле

(2.26)

Отсюда условием отсутствия простоев при многостаночном обслуживании является:

(2.27)

Рисунок 2.7 - Циклограмма для станочной системы с накопителями у станков (с перегружателями у станков)

Коэффициент обслуживания

(2.28)

При эскизной проработке структуры станочной системы с перегружа­телями у станков рекомендуется принимать следующие значения r ( см.таблицу 2.1):

Таблица 2.1

Число станков, m	2	3	4	5
1/r	2	2,6	3,2	3,8

Использование манипулятора в этом варианте существенно выше, чем в выше рассмотренных случаях и определяется выражением

(2.29)

Использование станков

(2.30)

2.1.3.4. Станочные системы с многоместными спутниками-кассетами как правило используют при обработке небольших деталей с малым временем обработки. В системе по этому варианту каждый станок оборудован авто­оператором и потери времени связывают только с загрузкой-разгрузкой станка и сменой всей кассеты:

(2.31)

где Т_ск - среднее время смены кассеты;

n - число деталей в кассете.

Использование транспортного устройства (манипулятора) может быть определено на основании тех же расчетов, что и для варианта I. Не­об­ходимо лишь положить вместо времени T_ц время обработки деталей кассеты.

2.1.4. Рассмотрим далее станочные системы с несколькими транспортно - манипулирующими устройствами, любое из которых может обслуживать тот или иной станок. Если в системе имеется несколько манипуляторов, но каждый из них закреплён за своим набором оборудования, следует подверг­нуть анализу соответствующие подсистемы. Таким образом, станочные системы описанные в пп. 2.3.1 и 2.3.2 являются частным случаем подобного рода систем с количеством манипуляторов n = 1. И обратно, в грубом приближении, станочные системы с несколькими манипуляторами (n і 1) являются "СУПЕРПОЗИЦИЕЙ" соответствующих станочных систем с одним манипулятором в наличие. Формулы (2.10)-(2.19) легко получаются из ниже следующих:

вероятность работы всех станков (простой манипуляторов)

(2.32)

где слагаемые A и В имеют следующий вид

(2.33)

(2.34)

Соответственно реkуррентные формулы приобретут вид

(2.35)

(2.36)

2.1.4.1. Для станочных систем с однозахватными манипуляторами в формулах (2.32)-(2.36) нужно положить n₁ = n₂ = 1/Т_об . При n = 1 получим формулу (2.10). При этом число станков, ожидающих обслуживания

_(2.14)

Величина простоя станка

(2.38)

среднее число свободных манипуляторов

(2.39)

и соответствующий коэффициент простоя

(2.40)

2.1.4.2. Для станочных систем с двухзахватными манипуляторами. В фор­му­лах (2.32)-(2.36) нужно положить n₁ =1/T_сз, n₂=1/Т_об. При n = 1 получим формулу (2.19).

2.1.4.3. Для станочных систем с накопителями у станков, как и у систем с одним манипулятором, накопитель пополняется заготовками и освобож­да­ет­ся от изделий во время обработки на станке.

С учётом использования n манипуляторов условие (2.25) перепишется в виде

(2.41)

Для расчёта числа заявок можно использовать уравнение (2.26), в которое подставляется вероятность из (2.36).

Коэффициент обслуживания

(2.42)

После принятия исходной структуры она может быть оптимизирована по наиболее целесообразному прохождению деталей от станка к станку, по вариантам расположения станков в системе.

2.2.Состояние этапов промышленного робота

Состояние этапов пром.роботы приведено в таблице 2.2.

Таблица 2.2

N точки позиционирования робота	положение схвата с1	состояние схвата с2	состояние оборудования с3
Gn-1	n-1	0,схват пустой	n-1,1,обработ ка изделия
Gn	n	1,в схвате заготовка	n,0,оборудо- вание не работает
Gn+1	n+1	2,в схвате обработанное изделие	n+1

Переменная к = {0,1} характеризует состояние оборудования обслуживаемого роботом ; № точки позиционирования робота описывается общим состоянием системы,характеристика которого изложена в таблице 2.3

Таблица 2.3

содержание перехода	позиционирование робота Gxx
подход от J+1 оборудования к входу j оборудования Рj1	Gj1-Gj2
Ожидание роботом окончания работы j-го оборудования Рj2	Gj2-Gj3
Вход в рабочую зону j-го оборудования Pj3	Gj3-Gj4
Заведение схвата на изделие в j-м обоудовании Pj4	Gj4-Gj5
Захват изделия роботом Рj5	Gj5-Gj6
Cъем изделия с j-го оборудования Рj6	Gj6-Gj7
Выход из рабочей зоны j-го оборудования Pj7	Gj7-Gj8
Уход от J-го к (J+1) оборудованию Рj8	Gj8-Gj9
Подход от (j-1) k J-му оборудованию _Pj9	Gj9-Gj-1,9
Вход в рабочую зону j-го оборудования Pj10	Gj-1,9-Gj10
Заведение изделия в j-oе оборудование Рj11	Gj10-Gj12
Отпускание изделия роботом Pj12	Gj12-Gj13
Cнятие схвата с изделия Pj13	Gj13-Gj14
Выход из рабочей зоны j-го оборудования Pj14	Gj14-Gj15
Уход от j-го к j-1 оборудованию Pj15	Gj15-Gj-1,16
Проход мимо j-оборудования при переходе (j+1) => (j-1) Pj16	Gj16-Gj-1,1
Проход мимо j-го оборудования при переходе от 2-го к (J-1) -у Pj17	Gj-1,17-Gj17

Циклограмма рабочего процесса показывает загрузку каждого станка и манипуляторов за время цикла работы станочной системы.Примеры циклограмм приведены выше (см.рисунки 2.5-2.7,п.2.1)

2.3.Описание алгоритмов.Примеры

2.3.1.Математическая модель теории массового обслуживания,описанная в п.2.1,реализована прямым алгоритмом на основании общей формулы формулы (2.32)и формул (2.9 -2.18),который осуществлен средствами стандартного алгоритмического языка ПАСКАЛЬ в виде библиотечного модуля,который может быть использован любыми современными системами программирования (Borland C,Borland C++,Borland Pascal,Borland Delphi и т.п.). Текст модуля приведен в приложении П1,описание основных алгоритмов библиотечного модуля приведено в таблице 2.4

Таблица 2.4

Имя алгоритма(Procedure,Funct ion)	формула	тип данных
0	(2.32-2.34)	Data:Record(исходные данные)
Function Pkj,вероятности простоев Num станков	(2.35-2.36)	num:Integer;(целое);data:record
Procedure CorrectTheData,анализ вводимых данных и диагностика ошибок	-	Var Data:Record; Var ErrorCode:Byte (Код ошибки 0..255)
Procedure GetResults;производит все вычисления в соответсвии с набором исходных данных	Rs.P0:=p00(D); Rs. Am:=1-Rs.P0; Rs. Ac:=Pac(d); Rs. Nc:=PNc(d) ; Rs.Kc:=kcc(d); Rs. Nc:=PNc(d); Rs.Mi:=MInt(d); Rs.Mv:=PMV(d);	Data:Record; Возвращает ТИП результата и код ошибки Var RS:Res; Var ErrorCode:Byte

Программы,разработанные в дипломном проекте,за исключением РТК,используют стандартный диалговый интерфейс фирмы Borland или MicroSoft.Общий алгоритм этого интерфейса заключается в следующем:

Обработка событий от клавиатуры и устройств ввода\вывода;

Обработка сообщений предназначеных элементам управления;

Обеспечение работы с файловой структурой;

Вызов процедуры главного алгоритма,после ввода данных с клавиатуры или(и) других устройств,и вывод результатов работы или(и) графики,после завершения работы алгоритма,посредством инициации соответсвующих программных ресурсов.Текст программ и необходимые к ним скомпилированные ресурсы (библиотеки), а также рекомендации по их компиляции,необходимые инструкции,записаны на дискете 3,5 дм 1.44 Mb, которая является приложением к дипломной работе.

Примечание:программа РТК,не разработана стандартными средствами в виду их отсуствия на момент ее создания (TurboPascal 5.0),и в данный момент ведется ее разработка для Windows 95 (32 -х разрядная среда).Алгоритм этой программы излагается следующим образом:

1.Ввод данных с клавиатуры:наименование перехода,ее продолжительность,состояние промышленного робота (см.таблицы 2.2 и 2.3),запись в ОПЕРАТИВНУЮ ПАМЯТЬ.

2.Все переходы введены ? Если “ДА”,то идем далее (3),иначе (1)

3.Запись введенных переходов в текстовый файл

4.Подсчет общего времени прибывания робота в зоне оборудования Тj и вывод на терминал

5.Вычисление масштабных отношений величин времени к разрешению термина и поточечное вычерчивание диаграмм(1-переход связан с ординатой Yj,J={1..17}.

2.3.2 Рассмотрим пример анализа станочной системы,с однозахватным манипуляторм,включающей четыре станка (m=4),где среднее время обслуживания Тц = 8 мин,а среднее время обслуживания станков манипулятором Тоб =0,5 мин.

Опредилим по уравнению (2.16)

= 0,5:8 = 0,0625.

Вероятность того,что все станки работают,а манипулятор стоит,расчитываем по уравнению (2.10):

2 3 4

P0=1:(1+4*0,0625+3*4*0,0625+2*3*4*0,0625 +0,0625 )=0,7705

Вероятности Рк могут быть определены по рекуррентной формуле (2.4)

Р1 = (4-0)*0,0625*0,7705 = 0,1926;

P2 = (4-1)*0,0625*0,1926 = 0,0361.

Среднее использование манипулятора по (2.11)

Ам = 1 - 0,7705 = 0,2295 0,234 т.е. 23,4 % ;

среднее использование одного станка по уравнению (2.14):

Ас = 3,7365 = т.е. 93,4 % ;

коэффициент простоя при многостаночном обслуживании определим по формуле (2.13)

Кс = 0,046 = т.е .1,2 %.

Далее,рассмотрим следующий пример:Та же станочная система,обрабатывает другой набор деталей с тем же временем обслуживания,но другим временем цикла Тц = 4 мин.

= 0,5:4 = т.е. 13 % ;

Вероятность простоя манипулятора

Р0 = 1: 1,78 = т.е. 56 %;

Вероятность загрузки робота в этом случае составит

Ам = 100 - 56 = 44 %;

Ас = 3,41 = 3 т.е. 85,3 %;

Кс = 0,17 = т.е.4 %.

В связи с сокращением времени цикла вдвое по сравнению с предыдущим примером,соответсвенно удвоилось число операций манипулятора,а простой станков при многостаночном обслуживании возрос примерно в 4 раза.При столь относительно больших потерях времени вследствие многостаночного обслуживания требуются дополнительный экономический анализ и рассмотрение других вариантов ввода деталей в систему и их доставки к станкам.Графический анализ этих параметров представлен на риснках 2.8-10.

Рисунок 2.8 -Распределение подачи заявок на обслуживание

Рисунок 2.9 - Использование станков и манипулятора

Рисунок 2.9.-Коэффициент простоя оборудования

3.ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ
3.1.Технические характеристики используемых ЭВМ,операционные системы

Для эксплуатации,разработанных в дипломной проекте программ,достаточно персонального компьютера на базе 486 процессора,с сопроцессором,оперативной памятью не менее 640 Kb и размерностью жесткого диска(ЖД) от 20 Mb,- для программ разработанных для MS-DOS;для программ разработанных для Win95 - оперативная память не менее 32 Mb,размер ЖД не менее 1,7 Gb.

Любая из программ,написанных под MS-DOS успешно может работать на 286 процессорах,с размерностью ЖД от нескольких МегаБайт и размерность ОП не менее 640 Kb.Кроме того программы GPS 4 и РТК cкомпилированы в “защищеном” режиме и успешно работает под руководством любой версии Windows компании MicroSoft.

Программы (gps 5) для Windows работоспособны только на ПК с указанными выше требованиями.

3.2.Анализ параметров ГПС на компьютере

Анализ параметров гибких производственных систем на основе описанной выше теории массового обслууживания производится программой GPS(stnsys),написаной как для MS-DOS(GPS IV), так и Win32(GPS V).Рисунки рабочих окон этих программ приведены на рисунках 3.1-3.4.Программа GPS V аналогична программе GPS IV и разработана средствами визуально-ориентированной Среды Delphi 3/ и работа с этой программой устанавливается с общими правилами работы в среде ОС Windows/10/.

Рисунок 3.1-После запуска программы ГПС 4

Рисунок 3.2 -Окно программы GPS V

Рассмотрим подробно программу АНАЛИЗА параметров станочных систем для ОС MS-DOS/3,4,5,6,7/

Программа анализа параметров станочных систем (ГПС) реализована стандартными средствами пакета Borland Pascal 7.0 (1992), поддерживающей cоответствующий стандартный интерфейс. В него входят общие принципы работы на ЭВМ, использующие горячие клавиши, меню, строки состояний.

3.2.1. Строка состояний программы Gps.exe содержит информацию о клави­шах управления программой и расположена в 24-строке экрана (т.е. в пос­ледней). Эту строку состояний будем называть главной или строкой стату­са ПРОГРАММЫ. Для того, чтобы вызвать нужную команду, необходимо нажать клавишу, которая указана в строке статуса, например, - ОТ­КРЫТЬ (прочитать с диска файл с исходными данными).

AltX - ВЫХОД из программы в ОС ДОС;

F1 - ПОМОЩЬ (краткая справка о программе);

F2 - СОХРАНИТЬ (записать данные на диск);

F5 - ДАННЫЕ (ввод исходных данных);

F6 - ЭКР (вывод результатов расчета на экран);

F9 - РАСЧЕТ (запуск исходных данных на расчет).

Для активизации команды из строки состояний при наличии уст­ройства типа "мышь", необходимо навести указатель "мыши" на нужную строку и произвести легкое нажатие ее левой кнопки (в дальнейшем будем говорить "щелкнуть указателем" мыши).

Примечание: строка статуса отражает доступность выше указанных ко­манд, в случае когда все окна программы неактивны (закрыты).

3.2.2. Меню программы GPS.EXE включает основное меню (развертываю­щиеся) представленные в верхней строке экрана в виде строки состояний с ниже указанными опциями:

~F~ ФАЙЛ - общее меню, содержащее команды:

~1~ НОВЫЙ РАСЧЕТ

~2~ ПРОЧИТАТЬ С ДИСКА(открыть F3)

~3~ ЗАПИСАТЬ НА ДИСК(сохранить F2)

~4~ ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА (Аlt+P)

~5~ СМЕНА КАТАЛОГА

~6~ ВЫХОД В ДОС (Alt+X)

ВРЕМЕННЫЙ ВЫХОД В ДОС

~E~ Измен.\контроль данных - содержит

ИЗМЕНЕНИЕ ДАННЫХ (F4)

КОНТРОЛЬ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ (Ctrl+Ins)

~C~ Опции - включает

ТИП СТАНОЧНОЙ СИСТЕМЫ (Insert)

НАСТРОЙКИ (для обслуживающего персонала)

~R~ РАСЧЕТ

ВЫПОНИТЬ РАСЧЕТ (F9)

ВЫВОД РЕЗУЛЬТАТОВ (F10)

СОДЕРЖИМОЕ СТЕКА(показывает

вероятности Рк)

Рисунок 3.3-Меню опции ~Файл~

Вызвать меню можно щелкнув указателем мыши по его назва­­нию, указанному в верхней строке статуса или одновременным сочетанием нажимае­мых клавиш и буквой указанной в названии ~ ~. Например, Alt+F вы­зывает меню "Файл". К верхней строке состояний можно перейти из СТРО­КИ СТАТУСА ПРОГРАММЫ нажав клавишу F10 (local menu) и выбрав кла­вишами управления курсором соответствующее название меню.

Примечание данное в п. 3.2.1 распространяется и на этот пункт. Символы ~ ~ выделяют управляющий символ, который сам выделен желтым цветом.

3.2.3. Клавиши быстрого управления ("Горячие" клавиши), для вызова не­ко­­торых команд разворачивающегося меню можно включать сочетанием клавиш, оговоренных в меню.

Например, чтобы установить тип станочной системы, необязательно вы­зы­вать меню "КОНФИГ.СТАН.СИСТЕМЫ", достаточно нажать клавишу .

3.2.4. Другие элементы диалога под которыми будем понимать кнопки "(Buttons)", строки ввода "(PInputLine)", кластеры "(Clauster)": считается выбранными (активными), если они выделены активным (белым) цветом по отношению к другим элементам.

Активизация (перебор) элементов диалога осуществляется клавишей ТА­БУЛЯЦИИ , или щелчком мыши:

кнопка в программе выражена зеленым прямоугольником, отбрасываю­щим тень. Внутри кнопки указывается название действия, которое происхо­дит при ее нажатии. В программе GPS имеются следующие кнопки: "Ок" (эквивалентна нажатию клавиши - ВВОД), "ПЕЧАТЬ", "ОТМЕНА", "ВВОД", "СПРАВКА", "ОТКРЫТЬ" и т.п. Для нажатия кнопки, необходимо

выбрать ее либо щелчком мыши, либо клавишей и нажать ;

строка ввода представляет из себя синий прямоугольник, с "привязан­ным" к нему названием строки ввода. При выборе строки ввода, название выделяется активным цветом, причем курсор помещается в прямоугольник, в котором должен происходить алфавитно-цифровой набор по всем правилам машинописного редактирования (можно пользоваться клавишами управле­ния курсором, клавишей забой. По окончании ввода клавишу ВВОДА нажимать не рекомендуется, вместо этого необходимо либо мыш­кой, либо клавишей перейти к следующему диалоговому элементу (строке ввода, кнопке и т.п.);

кластер по своему назначению предназначен для выборки из группы элементов одного элемента (или же целой подгруппы). Внешне он похож на список строк, которые активизируются клавишей или отмечаются мышкой, можно также пользоваться сочетаниями клавиш Alt +~цифра + буква~ выделенная в строке). Напротив помеченного элемента ставится "Кры­жик" в виде (.) или [x]. В программе GPS представлены два кластера. Пер­вый осуществляет выбор типа станочной системы (вызывается клавишей ), второй - представлен в окне печати результатов расчета и опре­де­ляет тип распечатки.

3.2.5. Окном программы называется прямоугольная область экрана, обве­ден­ная рамкой. Рамка окна содержит его название и пиктограммы - сверт­ки окна и максимизации. Окно в программе считается активным, если цвет обрамляющей его рамки - белый; символом [*] обозначается пиктограмма закрытия окна (выбирается мышкой), символом [.] - максимизации разме­ров окна.

Для перемещения окна вдоль рабочей области экрана необходимо мыш­кой "захватить" указанную часть рамки и перетащить на новое место, т.е. не отпуская левой кнопки мышки, сместить ее указатель на новое место.

Окно функционально предназначено для отображения информации, ко­манд с которыми Вам представляется возможность работать в данный мо­мент. Окно, как правило, содержит текстовую информацию и может содер­жать любое сочетание всевозможных элементов диалога, описанных ранее.

В программе представлены следующие окна:

- окно для выбора открываемого файла (вызывается по F3);

- окно для выбора сохраняемого файла (вызывается по F2);

- окно справки (вызывается по F1);

- окно ввода исходных данных предназначено для ввода численных зна­че­ний или редактирования. Содержит строки ввода и кнопки (вызывается по F5 или F4);

- окно контроля за правильностью набора исходных данных (вызывается нажатием сочетания клавиш Ctrl+Ins);

- окно результатов расчета, содержащее выходные данные (вызывается по F6);

- окно выбора конфигурации станочной системы (вызывается клавишей Insert).

Закрытие активного окна может быть произведено нажатием кнопки, при выборе операции, например, "ОТМЕНА" или клавишей . Необходимо помнить, что при открытии окна перечень операций, выполняемых окном целиком представлен в данном окне, т.е. oперация или команда не принад­ле­жащая окну считается недействительной в его пределах вплоть до его зак­ры­тия. Например, при вызове окна ввода исходных данных невозможно вы­пол­нить любую команду, указанной в строке статуса, пока окно не будет зак­рыто.(см.рисунок 3.4)

Рисунок 3.4 - Окно ввода исходных данных

3.2.1. Для ввода исходных данных GPS.EXE необходимо после запуска прог­раммы нажать клавишу F5, после этого появится окно ввода исходных данных, содержащее строки ввода (6...8 строк ввода) (рисунок 3.3), а также кнопки: "~В~вод", "~О~тменить", "~П~ример" и "~С~правка". После того, как в строках ввода будут указаны соответствующие значения, наж­ми­­те кнопку "ВВОД". Если Вы случайно вызвали это окно, то следует на­жать кнопку "ОТМЕНИТЬ". Если вы хотите посмотреть данные примера использования программы, нажмите кнопку "ПРИМЕР", а затем сделайте вы­зов окна в режиме редактирования (т.е. нажмите клавишу F4).

Кнопка "СПРАВКА" откроет Вам окно содержащее текст небольшой справ­ки, которое после закрытия (Esc), вернет Вас к окну ввода. В случае ВВОДА исходных данных компьютер автоматически проследит за правиль­ностью набора исходных данных в соответствии с выбранной станочной сис­темой, с выдачей справки об ошибке, если таковая возникнет.

3.2.2. Режим редактирования (изменения) исходных данных ничем не отли­чается от режима ввода, за исключением того, что в строках ввода помеща­ется информация, введенная раньше.

3.2.3. Сохранить исходные данные после ввода в программу, на внешнем носителе диска с целью повторного использования или редактирования. Для этого нажмите клавишу F2. Перед Вами откроется окно, содержащее строку ввода, для ввода имени файла, окно со списком имеющихся уже на данный момент на диске файлов и 4 кнопки "ОК", "Сброс", "ОТМЕНА", "replace".

Указать в строке ввода имя файла (латинскими буквами) и нажать кноп­ку "ОК". Можно также клавишей или нажатием кнопки "Replace" перейти к списку файлов (если он непустой) и выбрать мышью или клави­ша­ми управления курсором имя файла из имеющихся, затем нажать кнопку "ОК", в этом случае, Ваши исходные данные будут сохранены под этим име­нем.

Если Вы хотите отменить (т.е. закрыть окно сохранения исходных дан­ных) операцию нажмите кнопку "Сброс" или "ОТМЕНИТЬ" или клавишу ¦

3.2.4. Для открытия файла исходных данных следует выполнить команду "ОТКРЫТЬ", нажав клавишу F3, при этом появится аналогичное окно, как и в случае сохранения исходных данных. Затем нужно произвести анало­гич­ные манипуляции с соответствующим окном, как и в п. 3.3, т.е. ввести имя файла или выбрать его из имеющихся, нажав кнопку "открыть".

3.2.5. Для установки типа (конфигурации) станочной системы, нужно н­а­жать клавишу , в результате чего появится окно с предложением выбрать (переопределить) тип станочной системы .

Окно содержит информацию о типе станочной системы, установленной в данный момент. Установка происходит по общим правилам работы с диало­го­выми элементами, т.е. после выбора станочной системы, необходимо за­вершить операцию нажатием кнопки "~У~становить", т.к. в противном слу­чае изменения будут считаться недействительными.

Рисунок 3.5 -Выбор станочной системы

3.2.6. Для запуска данных на расчет после того как данные загружены в динамическую память машины и установлен вариант станочной системы необходимо нажать клавишу ; если данные не содержат ошибок расчет будет выполняться.

Возможные причины ошибок могут состоять в том, что: а) тип станочной истемы не соответствует набору исходных данных; б) данные могут быть не достаточно исчерпывающими; в) одно из значений исходных параметров ле­жит вне области определения задачи (пункт а) является прямым следст­ви­ем п. б) ).

После завершения расчетов на экран будет выведено окно, со­дер­жащее результаты расчета (для вывода которых на печать нужно нажать кнопку "ПЕЧАТЬ", а в файл - "ФАЙЛ").