Имитационное моделирование гибкого штамповочного производства

2005

Доклады БГУИР

июль-сентябрь

№ 3

УДК 681.5.015:919.711.3

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИБКОГО ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

С В. ЛУКЬЯНЕЦ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 5 июня 2005

Исследуется гибкий автоматизированный участок штамповки деталей из полосы. На основе разработанного алгоритма функционирования участка составлена программа его моделирования на языке вР88. Рассмотрены различные сочетания значений емкости кассеты, числа заготовок в полосе и числа заготовок в таре и установлены зависимости коэффициентов загрузки оборудования от числа партий деталей. Обоснованы рекомендации по областям применения одномодульных и двухмодульных участков.

Ключевые слова: гибкий производственный участок штамповки, имитационное моделирование, загрузка оборудования.

Введение

Имитационное моделирование в настоящее время нашло широкое применение при исследовании сложных производственных систем [1, 2]. Применительно к исследованию гибких производственных систем (ГПС) мощным средством имитационного моделирования является язык ОР88, предназначенный для имитации систем массового обслуживания. К достоинствам этого языка относятся структурное подобие модели реальному объекту, возможность управлять масштабом времени. Сравнительно просто учитывать правила соблюдения приоритетов, случайные процессы с различными законами распределения, логические функции и другие факторы. Язык ОР88 доступен для изучения, обладает дружественным интерфейсом при использовании, имеет хорошую документацию, реализует автоматическую распечатку обширной информации. При исследовании ГПС дает хорошие результаты при определении производительности и времени производственного цикла, степени загрузки основного и вспомогательного оборудования, определении узких мест, емкости загрузочно-накопительных устройств и складов. Язык ОР88 целесообразно использовать при проектировании ГПС уровней гибкий производственный модуль, линия, участок, цех. Одним из таких уровней является рассматриваемый гибкий автоматизированный участок штамповки деталей из полосы.

Компоновочная схема участка

Компоновочная схема гибкого автоматизированного участка (ГАУ) штамповки деталей из полосы представлена на рис. 1.

Кассеты с полосами поступают с цехового склада на склад участка 2. Напольный транспортный робот 1 подает их из склада на приемный стол 3. С приемного стола тележка 11 подает кассеты в магазин 4. По мере его заполнения кассета с полосами поступает через устройства 5 и 7 в пресс 15. После штамповки детали идут на провал, а отходы — на ножницы 8. Транспортер

(не показан) доставляет детали к накопителю деталей 9, а отходы — к накопителю отходов 10, которые представляют собой поворотные четырехсекционные столы. После заполнения всей тары она отвозится тележкой 11 на склад.

ГПМ штамповки; О — оператор; 1 — напольный робот; 2 — склад; 3 — приемный стол; 4 — магазин полосовых заготовок; 5 — устройство автоматической подачи полос; 6 — магазин штампов с устройством их автоматической установки; 7 — устройство автоматической подачи; 8 — ножницы для резки отходов; 9 — накопитель деталей; 10 — накопитель отходов; 11 — двухсекционная транспортная тележка; 12 — система управления; 13 — приемовыдающий поворотный стол; 14 — рольганг; 15 — пресс

Алгоритм моделирования

Рассмотрим алгоритм моделирования работы одномодульного участка. Схема алгоритма приведена на рис. 2. Здесь введены обозначения: ATEL — автоматическая тележка; PRESS — пресс; ELEV — элеватор; РОБС — устройство подачи полосы в штамп; КАКР — поворотный стол накопителя деталей и отходов; X1 — количество кассет под отходы; Х2 — количество кассет под детали; Х3 — количество кассет с полосами; Х4 — количество отштампованных полос; Х5 — количество кассет с отштампованными деталями; Х6 — текущее количество остатка полос; Х7 — текущее количество кассет с деталями; Х9 — текущее количество деталей; Р — количество полос в партии; n— число полос в кассете; z — число заготовок в одной полосе;

zö — число заготовок, укладываемых в тару до ее заполнения; K0 = Njz^ , где N — программа

выпуска деталей за две смены, zQ — количество заготовок, соответствующее заполнению тары

K N K N под отходы, K ö = —, K =-.

zö znk

Блоки алгоритма 1...12 соответствуют загрузке оборудования; 14... 18, 20 — циклу штамповки полос одной кассеты; 29, 31 — штамповке остатка полос; 19, 21, 23, 26, 28, 30, 32, 34 — замене тары, заполненной деталями и отходами, на пустую тару (внутри цикла) и переходу к блоку 7 (к перезагрузке); 38.40 — разгрузке оборудования при окончании партии и пере-16

ходу к блоку 1 (переналадке); 42 — разгрузке оборудования в конце второй смены. Рядом с блоками указано время выполнения операций в секундах.

Начало

ATEL установить тару под отходы

15

45

да

5

ATEL

установить тару

под детали

6

X2 = X2 + 1

7

нет X 2 > K ^"--ъ.

15

45

PRESS установить штамп

20

ф

10

ELEV переместить на одну позицию

6 12

13 ^^^ P > 14 ПК да

ч

PODC подать полосу в штамп

15

PRESS штамповка полосы

16

X4 = X4 + 1

17

X9 = X9 + z

60 63

ч?

з

нет

6

z

ф

18

X9 > z

»i да

20

X 4 > пК

22 да

X5 = X5 + 1

ф

27 да

ELEV переместить на одну позицию

29 *

PODC подать полосу в штамп

31

PRESS штамповка полосы

z

60 63

Ф

19

28 да

ATEL забрать тару с деталями на склад

30

ATEL забрать тару с отходами на склад

32

ATEL взять тару со склада и установить под детали

30

180

30

180

15

45

Ф

Ф

нет

нет

3

6

X6 = X6 + 1

35

X9 = X9 + z

ATEL снять пустые кассеты и подать их на склад

39

АТ снять тару с накопите на с Еь с деталями ля и подать клад

40

РЯ1 убрать штам 1п в магазин

30

180

30

180

20

AT снять тару с накопите на с EL с отходами ля и подать клад

30

180

Ф

45

Конец

Рис. 2. Алгоритм имитационного моделирования одномодульного ГАУ штамповки деталей из полосы

нет

Программирование и расчет на ЦВМ

На основании разработанного алгоритма на языке GPSS составлена программа имитационного моделирования (рис. 3). За единицу модельного времени принята 1 с.

SIMULATE

КОМ VARIABLE

КТМ VARIABLE

KZM VARIABLE

TAR VARIABLE

VAR VARIABLE

RAR VARIABLE

WAR VARIABLE

LAR VARIABLE

GENERATE ASSING

MET2

MET5G

MET1

MET4G

MET3

MET4

MET6

MET5

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

ASSING

SPLIT

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

TRANSFER

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

TERMINATE

ASSING

TEST GE

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

ASSING

TEST GE

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

ASSING

QUEUE

SEIZE

DEPART

ADVANCE

RELEASE

TEST GE

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

TEST GE

QUEUE

SEIZE

DEPART

ADVANCE

RELEASE

QUEUE

SEIZE

DEPART

ADVANCE

P10/P11 P10/P12 P10/(P14#P13) P14# 60/63 P9+P14 P10 - P5#P13 P12/2 P13#P14 , , , 1 10,800 12,300 13,50 14,10 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

8,V$RAR 9,0

15, V$TAR 11, V$WAR

16, V$LAR 1, MET1 ATEL

30, 15 ATEL ,MET40 PRESS 20

PRESS 1+, 1

P1, V$KOM, MET50

ATEL

30, 15

ATEL

2+, 1

P2, V$KTM, MET3

ATEL

30, 15

ATEL

3+, 1

OTO1

ELEV

OTO1

3

ELEV

P3, V$KZM, MET4 ELEV

9, 3 ELEV

P10, P16, MET7

TOR1

PODC

TOR1

6

PODC

BOR1

PRESS

BOR1

P15

MET10

MET7

MET11 MET8

MET 15

FIN

RELEASE

ASSING

ASSING

TEST LE

TEST GE

ASSING

ASSING

TEST L

TEST NE

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

QUEUE

SEIZE

DEPART

ADVANCE

RELEASE

QUEUE

SEIZE

DEPART

ADVANCE

RELEASE

ASSING

ASSING

TEST L

TEST GE

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

TRANSFER

ASSING

QUEUE

SEIZE

DEPART

ADVANCE

RELEASE

ASSING

TEST GE

TEST E

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

TRANSFER

GATE LS

SEIZE

ADVANCE

RELEASE

TERMINATE

GENERATE

LOGIC S

TERMINATE

START

END

PRESS 4+, 1

9, V$VAR P9, P12, MET15 P4, P13, MET5 5+, 1 4, 0

P5, V$KZM, MET6 P8, 0, MET8 ELEV

3

ELEV TOR2 PODC TOR2 6

PODC BOR2 PRESS BOR2 P15 PRESS 6+, 1

9, V$VAR P9, P12, MET15 P6, P8, MET7 ATEL 105, 75 ATEL ATEL 105, 75 ATEL PRESS 20

PRESS , FIN 9, P14 MAP NAKP MAP

4

NAKP 7+, 1

P7, V$KTM, MET10 P7, V$KTM, MET11 ATEL 105, 75 ATEL ATEL 105, 75 ATEL , MET2 150, MET2 ATEL 105, 75 ATEL 1

46080 , , , 1 150

1

Рис. 3. Программа моделирования одномодульного участка штамповки деталей из полосы

При расчетах на ЭВМ использованы следующие исходные данные: программа выпуска деталей за модельное время 0,8-2-28800 с в зависимости от их сложности N=80...24000 шт.;

z = 10 шт. и z = 50 шт.; пк = 50 шт.; пк = 100 шт.; пк = 2000 шт.; z т=300 шт.; z т=600 шт.; z т =900 шт.

Результаты расчетов представлены в виде графиков на рис. 4-10.

На рис. 4 показана зависимость коэффициента загрузки пресса zpRESS от количества партий деталей п при фиксированном значении емкости кассеты (Eк =100 полос) и различных сочетаниях фиксированных значений числа заготовок в одной полосе (З=10 и З=50) и числа заготовок, укладываемых в тару до ее заполнения (Eт =300, Eт =600, Eт =900). Число партий п по оси абсцисс здесь и в дальнейшем отложено в логарифмическом масштабе.

ЕК = 100, З = 50

20 30 40 50

Рис. 4. Зависимость коэффициента загрузки пресса zpREss от количества партий п при Eк=const и различных сочетаниях З и Eт

На рис. 5 представлена зависимость коэффициента загрузки пресса от количества партий п для З=10, Eт =600 и различных значений Eк.

З = 10 Ет = 600

3 4 5

30 40 50

Е' = 900

80 -•

70

60

50

40

30

е., = 200

55

Е = 100

к

Е.. = 50

50

45

40

35

30

20

100 п,шт

10

Рис. 5. Зависимость коэффициента загрузки пресса zPRESS от количества партий п для З=10, Eт=600 и различных значений Eк

Рис. 6 и 7 отображают зависимости коэффициентов загрузки автоматической тележки от числа партий п при различных сочетаниях значений Eк, Eт, З.

2 3 4 5

20 30 40 50

Рис. 6. Зависимость коэффициента загрузки автоматической тележки ^атеъ от количества партий п при различных значениях Ет и Ек=100, З=10

2 3 4 5

20 30 40 50

Рис. 7. Зависимость коэффициента загрузки автоматической тележки ^атеъ от количества партий п при различных значениях Ет и Ек=100, З=50

На рис. 8 показана зависимость коэффициента загрузки устройства подачи полос в пресс от числа партий соответственно.

Ек = 100, З = 10

Е к = 100, З = 50

2 3 4 5

20 30 40 50

Рис. 8. Зависимость коэффициента загрузки устройства подачи гроБо от числа партий п при Ек=100 и различных значениях З

На рис. 9 и 10 изображены зависимости среднего времени т и производительности (количества отштампованных деталей за две смены) от числа партий.

30

20

10

100 п,шт

10

40

30

20

10

100 п,шт

10

30

20

10

100 п,шт

10

т,с

3,0 -

2,0 - - ЕТ = 300

т

ЕТ = 900

Ек = 100 З = 50

2 3 4 5

20 30 40 50

Рис. 9. Зависимость среднего времени т от числа партий п при Ек=100 и различных значениях Ет и З

2,5

Е._ = 100

Е = 900

т

10

10 -'-1-1-1-1—I—'-'-'-1-1-'-1—I—'-*

2 3 4 5 10 20 30 40 50 100 п,шт-

Рис. 10. Зависимость количества отштампованных деталей N от числа партий п

при Ек=100 и различных значениях Ет и З

Анализ этих результатов показывает следующее. Наиболее загруженным оборудованием является пресс. Коэффициент его загрузки достигает 80%. Эта загрузка соответствует небольшому количеству партий деталей, обрабатываемых за две смены, максимальной емкости тары под заготовки Ет и максимальному числу заготовок в одной полосе З. Нижнее значение этого коэффициента отвечает максимальному числу партий при нижних пределах значений Ет и З. Так, для п<30 Ет=300 и З=10, коэффициент гРкЕЗЗ «(46.48) %. Влияние на гРкЕЗЗ величины емкости кассеты незначительно (рис. 5).

Загрузка автоматической тележки гАТЕЬ в диапазоне изменения п до 30 и ниже колеблется от 8 до 25 %. При этом влияние на величину этого коэффициента значения З мало, Ет — более существенно.

Загрузка устройства подачи полос в пресс мало зависит от числа партий п, а при п=сои81 изменяется существенно при изменении З. При изменении З от 50 до 10 коэффициент грооо возрастает примерно в 3 раза (от 10 до 32 %).

Наименее загруженным является подающий элеватор. Коэффициент его загрузки менее 2 % во всем диапазоне изменения числа партий.

Рис. 9 и 10 показывают, что в диапазоне изменений п до 30 среднее время штамповки одной детали минимально, а число обработанных за две смены деталей наибольшее. Эти величины при конкретных фиксированных значениях Ет, Ек и З практически не зависят от количества партий п. Зависимость же производительности участка от числа партий при разных значениях этих факторов существенна. Так, в рассматриваемом диапазоне п при Ек =100 и З=10 и при увеличении Ет от 300 до 900 значение т уменьшается примерно от 1,9 до 1,7 с, а N возрастает от 24000 до 28000. При Ек=100 и З=50 такому же изменению Ет соответствуют изменения т от 1,3 до 1,2 с и N от 35000 до 39000. При числе партий за две смены п>30 начинается резкое снижение производительности участка.

Заключение

Исследование гибкого автоматизированного участка штамповки деталей из полосы на основе имитационного моделирования показало, что при одномодульной конфигурации участка наибольшая производительность соответствует числу партий деталей до 30 за две смены. При этом наиболее загруженным является пресс (коэффициент загрузки достигает 80%), наименее загружен подающий элеватор (коэффициент загрузки не превышает 2%).

Как следует из результатов выполненного моделирования двухмодульного участка, загрузка всех видов оборудования практически не изменяется, только загрузка автоматической тележки возрастает приблизительно в два раза. При малых партиях деталей и одной тележке велики простои оборудования. Двухмодульный участок целесообразно использовать при больших партиях деталей.

SIMULATION MODELING OF PUNCHING FLEXIBLE MANUFACTURING CELLS

S.V. LUKYANETS Abstract

The paper focuses on automatic manufacturing cells of flat-bar punching. Using the developed operation algorithm, the GPSS simulation program is created. There are considered several combinations of various cassette capacities, numbers of part blanks in the bar, and number of blanks in the package. This yielded relations between the equipment usage factor and the batch size. There are proposed recommendations on application areas of the single-module and double-module cells.

Литература

1. Лукьянец С.В., Павлова А.В., Алдакушин А.Г. // Опыт создания и эксплуатации ГПС и ПР: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. 1-4 нояб. 1988г., Горький. М., 1988. С. 21-24.

2. Кудрявцев Е.М. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем. М., 2004.

3. Томашевский В.И., Жданова Е.Г. Имитационное моделирование в среде GPSS. М., 2003.