Расчет и проектирование гибкой производственной системы

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально – педагогический

университет»

Машиностроительный институт

Кафедра технологии машиностроения и методики профессионального обучения

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ГИБКОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ

Контрольная работа по дисциплине

«Автоматизация производственных процессов»

Код задания 8.

Выполнил студент

группы ЗТО-409с А. Г. Иванов

Проверил

Доцент, канд. техн. наук В. А. Штерензон

Екатеринбург 2011

1.1. Определим конкретные исходные данные для своего варианта и занесём их в таблицы

Таблица 1

Таблица 2

1.2. Расчет гибкой производственной системы и ее элементов

1.2.1. Определим число деталей N, которые должны быть обработаны в системе за плановый период Т. Для упрощения транспортных операций организуем работу ГПС по принципу «станок-склад-станок» (Это означает, что каждая деталь при обработке по каждой операции вводится через склад). Тогда число деталей N, обрабатываемых в системе, есть

N = 50 + 40 + 15 + 40 + 20 = 165 шт.

1.2.2. Определим общее количество деталеопераций Nобщ:

где Ni – количество деталей i-го наименования;

W – число операций при изготовлении детали i-го наименования;

N – количество типов различных деталей.

Nобщ = 50 * 3 + 40* 4 + 15* 4 + 40* 4 + 20* 5 = 630 шт.

1.2.3. Определим общие трудозатраты Qобщ по обработке Nобщ деталеопераций за плановый период Т = 24 часа:

Где Qj – трудоемкость одной операции (j=1,…Wi) детали Ni.

Qобщ = 50* (5+7+12) + 40* (3+8+16+7) + 15* (7+9+9+11) + 40* (6+3+5+10) +

+ 20* (4+8+5+11+6) = 1200+1360+540+960+680=4740 мин

1.2.4. Определим среднюю трудоемкость s выполнения одной деталеоперации:

s = 4740 : 630 = 7,52 мин.

1.2.5. Определим средний интервал а поступления деталей на станок (среднее время между запросами на обслуживание):

где Т – планируемый период изготовления деталей.

a = 24* 60* 0,9 : 630 = 2,06 мин.

1.2.6. Определим общее количество гибких модулей m:

В формуле принимается ближайшее целое число с избытком.

m = 4740 : (0,9* 24* 60) = 3,66

Принимаем 4 модуля.

1.2.7. Определим коэффициент загрузки u одного ГПМ:

u = 7,52 : (4* 2,06) = 0,91

1.2.8. Определим необходимое количество накопителей k:

k = (0,91* 0,91) : (1-0,91) = 0,8284 : 0,09 = 9,205

Принимаем 10 накопителей.

Проанализируем полученные результаты : получена ГПС, в которую входят 4 гибких производственных модулей и 10 столов –накопителей. Данная ГПС может обрабатывать заданную номенклатуру деталей за 24 часа при коэффициенте загрузки каждого модуля u=0,91, среднем времени обработки одной детали s=7,52 мин и среднем интервале между поступлениями детали a=2,06 мин. Большое число столов-накопителей объясняется тем, что коэффициент загрузки ГПМ очень высок, и практически в любой момент поступления детали в систему ни один ГПМ не свободен от обработки. Кроме того, обеспечить такое высокое значение и технически сложно по соображениям надежности. Реально достижимые значения u лежат в пределах

0,8 < u < 0,9

Поскольку ни a, ни s изменить нельзя, т.к. они заданы обрабатываемой номенклатурой и плановым периодом, изменить u можно только, добавив в ГПС еще один ГПМ. Примем m = 5. Пересчитаем коэффициент загрузки ГПМ и количество накопителей:

u = 7,52 : (5* 2,06) = 0,73;

тогда количество накопителей получится равным

k = 0,73* 0,73 : (1-0,73) = 0,5329 : 0,27 = 1,97

Принимаем 2 накопителя.

Таким образом, ГПС включает в себя 5 ГПМ и 2 стола-накопителя. За 24 часа она обрабатывает 630 деталеопераций общей трудоемкостью 4740 минут при среднем коэффициенте загрузки модуля 0,73, среднем времени обработки одной деталноперации 7,52 минут, среднем интервале времени между деталеоперациями в системе 2,06 минут.

1.3 Расчет склада и транспортных средств для ГПС

1.3.1 Расчет вместимости и размеров склада

Расчет вместимости склада проводим для общего объема поступлений R = Nобщ = 630 деталеопераций по формулам:

Sобщ = Sо + Sраб,

где Sо – страховой запас;

Sраб – рабочий объем.

Под страховым запасом So понимают запас деталей, обеспечивающий с определенной вероятностью бесперебойную работу ГПС между двумя поступлениями деталей на склад. Величина So определяется по формуле

,

где R– общий объем потребления (и поступления) деталей;

z – количество поступлений на склад (может принимать только целые значения);

f - вероятность возникновения дефицита (т.е. ситуации, при которой склад не сможет обеспечить подачу деталей в ГПС).

Очевидно, что при f = 1 (стопроцентная вероятность дефицита) So = 0, т.е. страховой запас отсутствует и система практически работать не сможет. При f = 0 So = R, т.е. величина склада равна общему объему поступления. В этом случае склад никогда не будет использован полностью.

Общая предварительная емкость склада Sобщ определяется по формуле

,

где g – вероятность переполнения склада.

При g = 1 склад будет вмещать только страховой запас и малейшее отклонение от времени поставки приведет либо к переполнению склада, либо к дефициту деталей. При z = 1 общая предварительная емкость склада Sобщ равна страховому запасу Sо. В формулах и значения Sо и Sобщ округляются до ближайшего большего целого значения.

Так как в исходных данных количество поступлений z деталей на склад не задано, самостоятельно задаемся значениями z =1, 2, 4, 6, 8 и проводим расчеты для каждого z. На основании расчетов выбираем наиболее подходящий вариант.

Пусть количество поступлений на склад z = 1. Поставляем исходные числовые данные в формулы:

страховой запас Sо:

Округляем Sо до 508

общая предварительная емкость склада:

количество этажей Кэ:

,

где Hдоп – максимально допустимая высота складского помещения;

Кэ = 5 : (1,1* 0,5) – 1 = 8,09

В данном случае можно округлить Кэ до 8.

количество ячеек по длине склада К:

К = 508 : 8 = 63,5

Округляем К до 64.

высота склада Н:

H = 8* 1,1* 0,5 = 4,4м

длина склада L:

L = 64* 1,1* 0,6 = 42,24 м ~ 42,3 м

уточненное количество ячеек Sобщ:

Sобщ = 8* 64 = 512

Варианты расчета для различных количеств z поступлений деталей в склад за плановый период Т=24 ч сведены в таблицу:

2.3.2. Расчет затрат времени на транспортировку деталей

Расчет затрат времени на транспортировку деталей по ГПС осуществляем по формулам:

- время транспортирования одной детали

- суммарное время транспортирования

где Jт.р. – число принятых транспортных роботов.

Расчет времени Тск выполняется по формуле

,

где Txy – время, затраченное внутрискладским транспортом при одновременном перемещении по двум координатам;

Tx , Ty – время, затраченное внутрискладским транспортом при раздельном перемещении по координатам (соответственно x или y);

Тдоп - время, затраченное на манипуляции с деталью (тарой, спутником) в ячейке склада или на перегрузочном столе.

При вероятностном законе заполнения ячеек склада средние времена пробегов траспортного робота определяются в зависимости от соотношения высоты и длины склада H и L и соответствующих скоростей перемещения робота Vy и Vx:

- для H/L £ Vy/Vx

,

,

,

- Для H/L > Vy/Vx

Время Тдоп можно принять для всех вариантов примерно равным 10 секунд.

а) Первоначально определим затраты времени для транспортного складского робота. Транспортный складской робот осуществляет изъятие детали из ячейки склада и передачу детали на стол-накопитель, а также обратное действие – транспортировку детали со стола-накопителя в ячейку склада. Для удобства и простоты организации работы склада берем один складской робот. Для складского робота принимают То = 0.

Пусть количество поступлений деталей на склад z = 1.

H/L = 4,4 : 42,3 = 0,104 Vy/Vx = 12 : 50 = 0,24

Так как H/L < Vy/Vx , то расчет ведем далее:

Txy = (4,4* 4,4* 50) : (3* 42,3* 12* 12) = 968:18273,6=0,053 мин

Tx = 42,3 : 50 = 0,846 мин

Ty = 0

Тск = 0,053 + 0,846 + 0,17 = 1,069 мин

Ттр = 2* 1,069 = 2,138 мин

Суммарное время транспортирования всех деталеопераций, приходящееся на один складской робот

Тсум = 2,138* 630 = 1346,94 мин = 22,45 ч.

Тсум не должно превышать 0,8* Т = 19,2 ч. По результатам имеем 22,45>19,2. При количестве поступлений деталей на склад z = 1 транспортный cкладской робот не справляется с объемом работ по складу. Аналогичные расчеты выполняем для z = 2, 4, 6, 8 и результаты сводим в таблицу:

Как видно из таблицы, склады с z = 1, 2, с одним транспортным роботом работать не могут – робот не справляется даже с объемом работ только по складу, хотя по скоростным качествам он может быть вполне подходящим.

б) определим затраты времени и загрузку транспортного линейного робота. Транспортный линейный робот осуществляет транспортировку деталей со стола-накопителя к гибким модулям (станкам) на обработку и обратно от модулей к столу-накопителю (и далее на склад) после обработки. При первичном проектировании ГПС берем один транспортный линейный робот. Если результаты расчетов будут неудовлетворительны, увеличим количество линейных роботов.

Расчет загрузки транспортного линейного робота зависит от соотношения количества ГПМ и накопителей и их расположения в ГПС.

Рассмотрим следующие варианты расположения накопителей в ГПС:

- вариант №1: модули m и накопители k установлены в одну линию;

столы-накопители гибкие производственные модули

-

-

перегрузочный стол

линейный робот

склад складской робот

- вариант №2: накопители k введены в состав ГПМ и количество накопителей увеличено до количества модулей (в нашем случае с 2-х до 5-ми); модули установлены в одну линию;

столы-накопители гибкие производственные модули

перегрузочный

стол

склад

складской робот линейный робот

- вариант №3: накопители k введены в состав ГПМ и количество накопителей увеличено до количества модулей (в нашем случае с 2-ти до 5-ти); модули установлены в две линии;

складской робот

перегрузочный стол гибкие производственные модули

линейный робот

склад

столы-накопители

- вариант №4: накопители введены в состав склада и не влияют на загрузку транспортного линейного робота; модули установлены в одну линию.

склад

столы- линейный робот

накопители

ГПМ

Для транспортного линейного склада время транспортирования Ттр равно Ттр= 2* То так как для линейного робота время Тск = 0. Время транспортировки от склада к приемным столам ГПМ и нагрузка на один линейный робот определяется по формулам:

где Lоср – средняя длина пробега линейного робота;

Vox – скорость линейного робота.

Для принятого количества ГПМ m, числа накопителей n, габаритах снаряженного спутника (тары) A*B*C, а также заданном расстоянии между приемными столами ГПМ d можно записать

,

где: q – количество накопителей, расположенных вне ГПМ в одну линию вдоль транспортного пути (q £ n);

w – количество ГПМ, расположенных вдоль транспортного пути (w £ n).

Примечание: 1) длина накопителя равна длине тары A;

2) ввод накопителя в состав модуля увеличивает длину модуля на половину длины тары – на 0,5*А.

Значения w и q выбираются в соответствии с планировочными решениями ГПС.

Рассчитаем среднюю длину ГПС (ход линейного транспортного робота) для указанных выше четырех вариантов:

- вариант №1: q – количество накопителей вне ГПМ, q= k = 2;

w – количество ГПМ вдоль пути следования транспортного робота, w = m = 5;

Lоср = 0,5* (5 * 5+2* 0,6 * 1,2) = 13,22 м

То = 13,22 : 40 + 0,17 = 0,5 мин

Тсум = 2* 0,5* 630 = 630 мин = 10,5 ч <0,8 Т = 19,2 ч

- вариант №2: накопители введены в ГПМ, m = k = 5; модули установлены в одну линию

Lоср = 0,5* 5* (5 + 0,5* 0,6) = 13,25 м

То = 13,25 : 40 + 0,17 = 0,5 мин

Тсум = 2* 0,5* 630 = 630 мин = 10,5 ч <0,8 Т = 19,2 ч

- вариант №3: накопители введены в ГПМ, m = k = 5; модули установлены в две линии

Lоср = 0,5* 3* (5 + 0,5* 0,6) = 7,95 м

То = 7,95 : 40 + 0,17 = 0,37 мин

Тсум = 2* 0,37* 630 = 466,2 мин = 7,77 ч < 0,8 T = 19,2 ч

- вариант №4: накопители с составе склада, модули m = 5 в одну линию

Lоср = 0,5* 5 * 5 = 12,5 м

То = 12,5 : 40 + 0,17 = 0,48 мин

Тсум = 2* 0,48* 630 = 604,8 мин = 10,08 ч < 0,8 Т = 19,2 ч

Как видно из расчетов, линейный робот справляется с работой во всех вариантах. Возможно ли использование одного робота для решения всех транспортных задач – на складе и на производственном участке? Теоретически такой вариант возможен – для варианта склада с z = 8 и варианта планировки №3. В этом случае общее время транспортировки будет равно

Ттр = 12,52 + 7,77 = 20,29 ч

коэффициент загрузки в этом случае будет равен

Кз = Ттр : Т = 20,29 : 24 = 0,845,

что значительным образом превышает реально достижимые значения.

Также возможны 3 варианта склада и 4 варианта производственного участка. Выбор нужного варианта определяется конкретными производственными условиями – наличием свободных площадей, возможностью обеспечения частой доставки на склад и т.п.

Выбираем последний вариант склада с z=8 и третий вариант участка.

Окончательный вариант ГПС:

Задано деталеопераций – 630;

Общая трудоемкость – 4740 мин;

Плановый период – 24 ч;

Гибких модулей – 5

Столов-накопителей – по расчету 2, увеличено до 5

Склад – 136 ячеек (8х17)

Среднее время подачи деталеоперации 2,06 мин

Среднее время обработки деталеоперации – 7,52 мин

Коэффициент загрузки модулей – 0,73

Число загрузок склада за плановый период – 8

Складской робот – 1, с коэффициентом загрузки 12,52 : 24 = 0,52

Линейный робот – 1, с коэффициентом загрузки 7,77 : 24 = 0,33