Имитационная модель производственной системы как средство оптимизации конструктивно-технологических и организационных решений сборочного производства

О.С. Самсонов,

М.Е. Саутенков,

М.О. Шенаев,

ФГУП «НИЧ «МАТИ», г. Москва

Реализация концепции проектирования под заданную стоимость является одним из важнейших направлений обеспечения конкурентоспособности изделий авиационной техники (АТ).Для решения задачпрогнозирования, планирования и управления стоимостью серийных самолетов необходимо иметь инструментарий, позволяющий выполнять расчеты затрат трудовых, материальных и финансовых ресурсов, требуемых для серийного производства авиационной техники. Задача технико-экономического обоснования проекта является особенно актуальной на его ранних стадиях при выборе концептуальных конструктивно-технологических и организационно-технических решений (КТОР) сборочного производства: выбор схемы кооперации, расчет баланса производственных мощностей, необходимых для выполнения программы выпуска, разработка программ технического перевооружения предприятий.

Для комплексной оптимизации сборочного производства изделий АТ требуется разработка и применение методов и средств, формализующих сложные многовариантные связи между конструкцией, технологией и организацией производства и позволяющих выполнять количественную и качественную оценку параметров проекта.Одним из наиболее действенных методов оценки эффективности сборочного производства является разработка имитационных моделей, описывающих производственные процессы как взаимодействие электронных моделей (ЭМ) изделий и производственных систем и обеспечивающих возможность отработки производственных процессов в условиях многономенклатурности производства, вариантности конструкции изделий, технологических процессов и производственных ресурсов.

В качестве основного критерия оптимизации сборкивыбирается технологическая себестоимость, при оценке которой необходимо учитывать кроме трудоемкости сборки различные группы факторов, влияющие на проектирование, изготовление и эксплуатацию средств технологического оснащения (СТО).

При реализации проектов создания пассажирских самолетов (МС-21) зарубежные консалтинговые фирмы предлагают концептуальные решения по технологии и организации сборочных производств, содержащие планировки производственных линий, описание рабочих станций, последовательность выполнения работ. Для обоснования решения проводится предварительная оценка трудоемкостей, циклов, потребных производственных мощностей, площадей и т.д. Предлагаемые решения иллюстрируются с использованием электронных макетов, однако компьютерные анимации, имитирующие процессы функционирования производственных систем, не являются имитационными моделями (в классическом понимании), поскольку не позволяют реагировать на изменение параметров модели и выполнять расчет и оптимизацию различных вариантов организации производства.

С учетом требований к организации конструкторско-технологического проектирования и особенностей реализации проектов создания изделий АТ выбор и оптимизация КТОР сборочного производства является многоуровневым процессом, включающим в себя следующие этапы:

1. Формирование исходных данных, включая определение базовых показателей проектируемого изделия на основе анализа зарубежных и отечественных изделий АТ, выбранных в качестве прототипов.

2. Формирование концептуальных решений по конструкции, технологии и организации производства и их оценка на основе экономико-математических моделей, адаптированных к условиям реализации проекта.

3. Формирование в режиме параллельного проектирования электронных моделей изделий, технологических процессов и производственной системы. При этом используются специализированные CAD/CAM-системы, реализующие процедуры вариантного проектирования и локальной оптимизации. Полнота моделей и точность оценки определяется стадией проекта (эскизный, технический, рабочий проект).

4. Формирование и оценка производственных конфигураций серийных экземпляров изделий.

5. Комплексная оптимизация КТОР сборочного производства на основе имитационного моделирования и расчета технико-экономических показателей производственной программы сборки.

В работе[1] подробно описана структура и содержание интегрированной информационно-программной среды конструкторско-технологического проектирования,для формирования которой использована базовая формула параллельного проектирования:

S(A) rS(P) ®S(T) (1)

где:

S(A) – модель исходного объекта (изделия);

S(P) – модель порождающей среды (технологического проектирования);

S(T) – модель объекта проектирования (технологического процесса);

r– процедурно-алгоритмические модели, реализуемые базовым функционалом систем проектирования (синтез моделей, расчет параметров, интерпретацию и визуализацию результирующих моделей).

Комплекс моделей конструкторско-технологического проектирования позволяет формировать технологические модели изделия S^P(A_I^Т), модели элементов технологического оснащения S^Р(P_I^T) и использовать их при формировании модели технологического процесса S^Р(Т_I^А). При этом технологический процесс представляется в виде множества технологических операторов (операций, переходов), под воздействием которых меняется состояние моделей изделия и элементов технологического оснащения.Блок нормирования осуществляет расчет трудоемкости выполнения технологических операций и процесса в целом, но не позволяет проводить анализ спроектированной технологии по критериям технологической себестоимости (с учетом затрат на оснастку) и эффективности организации производства.

Для оптимизации производственных процессов с учетом этих критериев в структуре информационно-программной среды выделен блок, реализующий процедуры проектирования производственных систем (рис.1).

рис.1. Схема взаимодействия моделей параллельного проектирования

При этом сохранены базовые классы моделей: порождающие и результирующие модели объектов проектирования (изделий, технологических процессов, производственной системы), а также взаимосвязи между различными средами проектирования. Так, технологические модели изделий, с одной стороны, входят в структуру моделей изделий (А), а с другой стороны являются компонентами моделей технологических процессов (Т). Модели средств технологического оснащения (P^Т), проектируемых под конкретную технологию и изделие, являются компонентами модели производственной системы (P^А).

Порождающая среда S(P^A) содержит параметрические модели проектирования рабочих мест, участков, сборочных линий, транспортных коммуникаций, складского оборудования и т.д. Результатом проектирования является электронная модель производственного подразделения (3D-планировка), конфигурация которой может меняться в соответствие с графиком технического перевооружения.

Горизонтальные стрелки на схеме между порождающими моделями (первого и второго уровней) отражают связи (в общем случае многовариантные) между элементами разных сред. Этот уровень является библиотекой интегрированных конструктивно-технологических решений (КТР), поскольку описывает для типовых конструктивно-технологических элементов деталей и сборочных единиц возможные варианты их технологической реализации с использованием элементов производственной системы.

Комплекс моделей параллельного проектирования позволяет формировать согласованные конструктивно-технологические и организационно-технические решения сборочного производства, сбалансированные по степени детализации и проработки на различных стадиях проектирования.

При реализации проектов создания изделий АТ для управления технической документацией базового изделия и его модификаций используется понятие конфигурации. В соответствие с нормативными документами [2] управление конфигурацией рассматривается, как задача формирования текущей конфигурации объекта на основании базовой конфигурации и правил конфигурирования. Использование механизмов управления конфигурацией позволяет обеспечить рациональное хранение информации об изделии по объектам, общим для разных модификаций, сократить трудоемкость запуска конструкторской документации, проведение и отслеживание конструктивных изменений в различных модификациях. Подробное описание модели управления производственной конфигурацией изделия приведено в работе [1].

При реализации проектов создания изделий АТ для управления технической документацией базового изделия и его модификаций используется понятие конфигурации. В соответствие с нормативными документами [2] управление конфигурацией рассматривается, как задача формирования текущей конфигурации объекта на основании базовой конфигурации и правил конфигурирования. Использование механизмов управления конфигурацией позволяет обеспечить рациональное хранение информации об изделии по объектам, общим для разных модификаций, сократить трудоемкость запуска конструкторской документации, проведение и отслеживание конструктивных изменений в различных модификациях. Подробное описание модели управления производственной конфигурацией изделия приведено в работе [1].

В контексте решаемой задачи объектами конфигурирования являются изделие, технологические процессы и производственная система, поэтому при формировании производственной конфигурации необходимо учитывать как связи внутри объектов одного класса (например, между элементами конструктивной структуры изделия при конфигурировании конструкторской документации), так и связи между объектами различных классов (конструкция « технология « производственная система). При анализе производственной конфигурации выполняются расчеты показателей технологичности и эффективности производства для конкретного серийного изделия.

Имитационная модель сборочного производства должна обеспечивать возможность отработки и оптимизации производственных процессов в условиях многономенклатурности производства, вариантности конструкции изделий, технологических процессов сборки и производственных ресурсов. Для этого в имитационной модели должны быть реализованы процедуры формирования состояний электронных моделей изделий и элементов производственных систем в заданных временных интервалах. Тогда структура имитационной модели сборочного производства S^ИМ(A,T,P) может быть описана как множество следующих компонентов:

S^ИМ(A,T,P)=(S^У(K),Г^Ц,N^Э,t), (2)

гдеS^У(K) – модель управления конфигурациями изделий;

Г^Ц – обобщенный цикловой график производственной программы;

N^Э – технико-экономические показатели эффективности производства;

t – системное время.

При изменении t, т.е. перемещении по временной шкале, модель S^У(K) формирует конфигурации изделия А, технологических процессов Т и производственной системы P, а модель циклового графика Г^Ц – состояния электронных моделей изделий и производственной системы. Дискретность в описании динамических объектов имитационной модели (количество состояний объектов в заданный временной период) и степень детализации моделируемых производственных процессов (до уровня этапов, операций, переходов) зависит от специфики решаемой задачи и горизонта планирования. При этом может осуществляться локальная и комплексная отработка производственного процесса.

Локальная отработка процесса сборки на одном рабочем месте включает в себя моделирование в пространстве и во времени взаимодействия электронных моделей изделия, исполнителей и оснащения при выполнении операций технологического процесса, а также дополнительных и вспомогательных операций, связанных с обслуживанием и настройкой оборудования, комплектацией и др. При этом осуществляется проверка собираемости, доступа в зону выполнения работ, анализ условий труда в рабочих зонах, перемещения рабочих органов оборудования и сборочной оснастки. Данный функционал реализован в системе ТеМП.

Комплексная отработкапроцесса сборки в производственном подразделении (участке, линии, цехе) проводится для оптимизации организационной схемы сборки. Отработка организационных решений на имитационной модели сборочного производства может выполнятьсяследующими методами:

· детерминированный – при этом осуществляется выявление «узких» мест, оценивается эффективность транспортных и материальных потоков, наличие свободных производственных ресурсов;

· вероятностный – при этом выполняется анализ надежности производственной системы и устойчивости производства к отказам оборудования.

Для поиска «узких» и «широких» мест применяется функционал поиска критического пути циклового графика и расчета загрузки оборудования. При этом «узким» местом считается этап критического пути циклового графика, имеющий наибольшую длительность. Нормализация«узких» мест осуществляется параллельным выполнением этапов, интенсификацией технологического процесса за счет увеличения числа рабочих станций,исполнителей, количества рабочих смен, замены СТО. «Широкие» местахарактеризуются наличием оборудования с низким коэффициентом загрузки. В этом случае свободные ресурсы могут быть использованы для выполнения дополнительных заказов, а также формирования обходных технологий, что повышает устойчивость производственного процесса. Реализация стохастического подхода к имитационному моделированию сборочного производства осуществляется на основе анализа зависимости количества отказов оборудования от величины межремонтных интервалов с использованием аппарата теории вероятностей и математической статистики.

Имитационноемоделирование сборочного производства включает в себя следующие процедуры:

· определение временного интервала, в рамках которого планируется осуществить моделирование процесса сборки;

· выявление номенклатуры изделий, находящихся в производстве в данный календарный период в соответствие с программой сборки;

· формирование электронных моделей сборочных единиц, технологических процессов и производственных систем соответствующих конфигураций;

· формирование сводного циклового графика производственной программы сборки, включающего в себя цикловые графики сборки изделий, в т.ч. этапы, связанные с процессами вспомогательного производства;

· динамическая имитация и визуализация производственных процессов в виде набора состояний электронных моделей изделий и элементов производственных систем, генерируемых с определенной частотой по временной шкале;

· расчет и анализ показателей эффективности производства для отдельных этапов и временного интервала в целом. В случае выявления неэффективных решений формируются изменения в компонентах модели и процесс моделирования повторяется.

Модель производственной системы является одним из основных компонентов имитационной модели сборочного производства (рис.2), т.к. позволяет определять состав располагаемых ресурсов, использовать ограничения различных уровней при формировании последовательности и расчёте длительности этапов циклового графика, определять величину накладных расходов, проводить анализ производственных подразделений на наличие транспортных зон, рациональность расположения рабочих мест, анализ рабочих зон для выполнения производственных и транспортировочных работ.

При комплексной оптимизации сборки имитационная модель производственной системы должна использоваться в контексте сводного циклового графика производственной программы, включающего в себя цикловые графики изготовления и сборки изделий, этапы технологической подготовки производства, планово-предупредительных ремонтов, графиков технического перевооружения предприятия.

Этапы разработки модели производственной системы:

§ Формирование организационной структуры производственной системы в виде дерева, описывающего зависимость входящих элементов (Кооперация à Заводà Цех à Линия à Станция à Оборудование и т.д.). При этом определяется атрибутивный состав элементов организационной структуры, отражающий величину цеховых расходов (затраты на электроэнергию, обогрев помещения, аренду, ремонт производственных помещений и т.п.). Каждый из элементов модели производственной системы может содержать различные варианты исполнения, применение которых описывается конфигурационными правилами с учетом сроков эксплуатации.

§ Формирование состава ресурсов производственной системы с использованием классификаторов СТО и инструмента, содержащих информацию о производительности, применимости по видам работ, ресурсные характеристики истоимостные показатели.

§ Формирование 3D-планировок производственной системы, определяющих расположение производственных подразделений, СТО и оборудования в подразделении, наличие транспортных зон и дальность перемещения сборочных единиц между рабочими местами.

§ Формирование календарных цикловых графиков, описывающих жизненный цикл производственной системы и ее элементов на основании графиков планово-предупредительных ремонтов, технологической подготовки производства и плана технического перевооружения завода.

рис.2. Имитационная модель сборочного производства

Формирование и ведение электронных цикловых графиков, имеющих вложенную структуру, осуществляется в системе ТеМП с использованием моделей технологических процессов. При этом последовательность выполнения этапов определяется двумя видами ограничений: задаваемых директивно и рассчитываемых автоматически с учетом загрузки элементов производственной системы.Сравнение перечня потребных ресурсов, необходимых для реализации циклового графика и формируемых по модели технологического процесса с перечнем располагаемых ресурсов, сформированных по модели производственной системы, осуществляется автоматически.

Модель производственной системы описывается следующими видами ресурсов:

1. Оснастка и оборудование, представленные в виде электронных моделей с необходимым атрибутивным составом.

2. Средства механизации и инструмент.

3. Энергетические ресурсы, представленные в виде размерной характеристики (расход в единицу времени).

4. Людские ресурсы, характеризуемые видами выполняемых работ и квалификацией исполнителей.

Моделирование и динамическая отработка производственных процессов реализуется под управлением модели комплексного циклового графика. При этом осуществляется мониторинг состояния электронных технологических моделей изделий и элементов производственной системы (ожидание поставки, монтаж, отладка, ремонт, демонтаж) на заданный временной интервал. Формирование сбалансированных конструкторско-технологических и организационных решений выполняется на основе анализа и отработки различных вариантов конструкторских и технологических моделей изделий, а также моделей производственных систем, создаваемых на различных стадиях реализации проекта

В настоящее время разрабатывается интегрированный программно-информационный комплекс конструкторско-технологического проектирования, в котором использованы программные продукты компании Siemens PLM Software (ООО «СИС») и российская система ТеМП (Технологическое Моделирование Процессов). В цепочку программных продуктов ООО «СИС» входят системы, обеспечивающие сквозную информационную поддержку процессов конструкторско-технологического проектирования и подготовки производства. Ряд этих систем (Teamcenter, NX) используется для формирования и ведения конструкторских и технологических составов изделия (с учетом правил конфигурирования), централизованного хранения нормативно-технической и справочной информации, моделей технологических процессов, сформированных в различных CAM (CAPP)-системах.

Программные модули системы ТеМП применяются для проектирования технологических процессов сборки с использованием в качестве исходных данных электронных моделей изделия и элементов производственной среды, сформированных в среде NX – Teamcenter, формирования технологических электронных моделей сборочных единиц, поддержки методологии многоуровневого вариантного проектирования технологии сборки и цикловых графиков сборочного производства с использованием интеллектуальной информационной среды. Взаимодействие систем реализовано за счет применения портала интеграции Teamcenter –ТеМП, обеспечивающего передачу конструкторских данных (TeamcenteràТеМП) и технологических данных (моделей технологических процессов) (ТеМПàTeamcenter) для дальнейшего использования в системах планирования.

Разработанный функционал системы ТеМП по имитационному моделированию апробирован в ходе реализации ряда проектов создания изделий АТ и показал свою эффективность при оптимизации конструктивно-технологических и организационных решений сборочного производства.

Литература

1. Самсонов О.С. Оптимизация сборки изделий авиационной техники на основе моделирования процессов производства. В журнале «Технология машиностроения» 8 (122) М: Издательский центр «Технология машиностроения» 2012 г., с.: 24-32.

2. ГОСТ Р ИСО 10007-2007 Менеджмент организации. Руководящие указания по управлению конфигурацией. ISO 10007:2003. Quality management systems - Guidelines for configuration management (IDT).