Имитационное моделирование процессов агрегатно-сборочного производства

Современное агрегатно-сборочное производство (АСП) представляет собой совокупность сложных технологических процессов, которые невозможно изучать как единое целое. Поэтому, учитывая специфику сборочных работ в самолетостроении: многодетальность планера, большое разнообразие применяемых конструкционных материалов, разнообразие технологических процессов и средств их оснащения, сложность пространственных форм, малая жесткость большинства конструкций планера из-за чего становится необходимым применение многочисленной и сложной технологической оснастки [1]. Все это требует последовательно и правильное структурирование всех процессов для построения моделей.

В качестве инструментария для исследования производственных процессов сборочного производства наиболее эффективно использовать средства имитационного моделирования.

Имитационная модель производственного процесса заключается в моделировании отдельных подпроцессов, описание их свойств (габаритные размеры, применяемые средства технологического оснащения, трудоемкость и т.д.) и далее создание взаимосвязей между ними. Для авиационных предприятий в которых, как правило, сложная производственная структура целесообразно построение составной многоуровневой имитационной модели.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью данного исследования является разработка объектно-ориентированной методологии имитационного моделирования процессов АСП, а также других сложных производственных процессов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материал исследования включает данные о действующих на предприятии технологических процессов, конструкторской документации, инструкций, оборудования, производственных площадях, экономических затратах, методы исследования основаны на современных информационных технологиях.

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В настоящее время рынок программного обеспечения средств имитационного моделирования стремительно развивается. Пользователю предлагается большой выбор систем, предназначенных для различных подходов к имитационному моделированию (Таблица 1).

Наиболее популярным из приведенных в таблице средств имитационного моделирования является DELMIA (Dassault Systemes), при помощи которого решаются задачи планирования и оптимизации процессов сборочного производства. Система основана на PPR (Product, Process and Resources – продукт, процесс, ресурс) модели данных об изделии. Т.е. каждая имитационная модель включает в себя 3D-модель изделия, протекающие процессы на производстве и необходимые ресурсы для выполнения процесса . Программное обеспечение DELMIA имеет возможность интеграции с PDM-системами (напр., ENOVIA Smarteam), а также с различными САПР (напр., NX, CATIA, SolidWorks) [2].

Программное обеспечение компании Siemens: Plan Simulation, представляет собой объектно-ориентированную среду имитационного моделирования. Plant Simulation используется во многих производственных отраслях. Одним из недостатков данного программного обеспечения, как и DELMIA, является то что они используют только один из подходов к имитационному моделированию (объектно-ориентированный) [3].

Система AnyLogic, компании XJTechnologies, использует в своей работе все три основных подхода к имитационному моделированию: дискретно-событийный, агентный и системную динамику, а также позволяет получать как обычные, так и оптимизационные решения. В этой связи, система AnyLogic перспективна для использования в построении моделей для сложных процессов АСП.

ТЕХНОЛОГИЯ СТРУКТУРИРОВАНИЯ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА

Наиболее эффективным методом структурирования моделей объекта является метод предложенный Томасом Саати [4, 5]. Данный метод заключается в изучении сложного процесса путем разбивки его на подпроцессы. Объект сборки следует рассматривать как совокупность сложных систем, разбитых на подсистемы, учитывая всю информацию о сборочной единице (СЭ) применяемых материалов и их свойствах, конструкторской и технологической документации, трудоемкости и циклов, количество рабочих на участке, необходимость в средствах технологического оснащения и т.п.

Очевидно, что обобщенная структура конфигурации объекта сборки может быть представлена в виде сложного графа, состоящего из сложного множества узлов, каждая из которых соответствует определенному критерию структурирования объекта сборки и операций. Связи между узлами интерпретируются его ребрами. Схема графа представлена на рисунке 1.

В данном графе А ₀ – это начальное состояние объекта сборки. Принимаем, что А = { t, k, э, п} соответственно A – это множество значение t – технологических, k – конструкторских, э – экономических, а также п – информация о производственных площадях. Далее объект сборки следует классифицировать исходя из следующих вершин графа, каждая из которых является подграфов. Подграфы приведены в таблице 2.

Классифицируя объект производства по классификаторам, приведенным в таблице 2 ( R, K, P, C, M, Г ) делается вывод, к какому виду сборки относится объект. Вершина графа S также включает в себя информацию о имеющемся технологическом оснащении на предприятии, состоянии оборудования, привязки его к производственным площадям, количестве рабочих, необходимых для работы, и т.п. Далее выполня-

Таблица 1. Программное обеспечение средств имитационного моделирования

Подход к имитационному моделированию	Средства имитационного моделирования
Дискретно-событийное моделирование	GPSS, AnyLogic, Arena, DELMIA, Extend, PowerSim Studio, Witness, ProMоdel, Pilgrim, Taylor Simulation, SimScript, FlexSim и др.
Системная динамика	AnyLogic, Arena, SimBioSys, eMPlant, Plant Simulation, SimuLab, VenSim, PowerSim, Pilgrim, Dynamo, Stella, Ithink и др.
Агентное моделирование	AnyLogic, SimAgent, SimBioSys, AgentSpea, TeleScript, RePast, NetLogo, Ascape, Mason и др.

Рис. 1. Структура процессов АСП в виде сложного графа

ются последовательности сборочных работ, обозначенные как T₁, T₂, T₃ , данные вершины графа включают всю последовательность работ исходя из технологического процесса, утвержденного на предприятии, трудоемкость каждой операции и суммарную стоимость нормо-часа для каждой категории работ и т.д. После проведения работ производятся контрольные измерения, относящиеся в вершине графа КИ. В итоге объект производства переходит в состояние A₁ обозначающее его конечное состояние на этапе АСП, после которого объект сборки передается на другие этапы сборки.

ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

Построение имитационной модели происходит на базе разработанного бизнес процесса с помощью методики IDEF0 [6].

При построении функциональной модели IDEF0 используется процессный подход, согласно которому все функции разбиваются на подпроцессы. На первом этапе построения бизнес процесса строится диаграмма верхнего уровня А-0, в данной диаграмме имеется только 1 функциональный блок и полное количество дуг (опе- раций) соответствующих процессу сборки. Пример диаграммы А-0 представлен на Рисунке 2.

Данную диаграмму можно разложить на дочерние диаграммы (рис. 3.), которые состоят из подпроцессов функционального блока А-0.

При построении имитационной модели процессов АСП необходимо учитывать большое количество характеристик сборки, поэтому многоуровневую имитационную модель следует строить исходя из бизнес-процессов, построенных при помощи методики IDEF0.

Многоуровневая имитационная модель строится в системе Anylogic с использованием ее стандартных компонентов. Для описания сложных многокомпонентных задач, которые невозможно описать с применением стандартных функций, используются Java классы – это программный код, написанный на языке Java (рис. 4.)

Примерами операций, для которых необходимо использования языка Java:

• -    Сборка по базовым отверстиям (БО), т.к. используется сложный геометрический контур, а также необходимо учитывать точность геометрических размеров;

• -    Сверление и рассверливание отверстий;

• -    Клепка.

Технология производства

Стандарты

Комплектующие для сборки объекта.

Технологическая, конструкторская документация

Изделие А

Произвести сборку объекта А

Рабочее

Инструменты

Персонал

Рис. 2. Функциональный блок А-0

Таблица 2. Расшифровка вершин графа

Вершин а графа	Наименование	Составляющие и их описание	Изображение подграфа
R	Степень расчлененности	R 1 -Агрегат; R 2 - Отсек; R 3 - Секция; R 4 - Панель; R 5 -Узел; R 6 - Подузел	R ( R| )   ( R2 ) f R3 ) ( ^ ; ( R5 )
K	Конструктивные контуры аэродинамического обвода	K 1 - Цилиндрическая поверхность; K 2 - Линейчатая поверхность; K 3 - Поверхность двойной кривизны.	( к j ( K, j              J
P	Принадлежность объекта сборки	P 1 - Фюзеляж; P 2 -Крыло; P 3 - Оперение; P 4 - Гондолы.
С	Тип соединения	С - Клепаные, резьбовые; С2 - Сварные; Сз - Паяные; С4 - Клеевые; С5 - Комбинированные.	( c
M	Метод базирования	М 1 - Прямой метод базирования; М 2 - Косвенный метод базирования.
Г	Степень герметизации	Г 1 - Условно-негерметичные; Г 2 - Гермокабины; Г 3 - Топливные отсеки.	( r )
S	Вид сборки	S 1    - Сборка в стапеле; S 2    - Внестапельная сборка; S 3    - Детально-узловая сборка.	CSi у Cs о
T 1 , T 2 , T 3	Последовательность сборочных работ

Дожементы СП	—-	Фиксация шпангоутов
		1
Контроль зазоров между шпангоутами и ложементами СП
Установка шпангоутов, базируя по 60
		1
Ложементы СП		Фиксация одшийак
		1
Контроль зазоров между обшивками и ложементами СП
Установка обшивок. базируя по 60
Установка стрингеров и ленты

Рубильники СП                       |             11	Фиксация стрингеров
г--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
Сберление и рассберлибание отверстий, клёпка ------------	Стресс, болт-заклепки
Контроль клёпки                     |              |	Контрольно-измерительные приборы

Контроль кочестйа Верхней панели фюзеляжа

I

ГотоОый агрегат

Рис. 3. Дочерняя диаграмма на примере сборки панели фюзеляжа

• ■ MyClaas

/RF ” Кзмстгуктср по умолчанию public MyCLassQ1

вOverride public String toStringO { return super. toScr Lug O'

/**

* Эю числа используется при сохранении состояния модели<Ьг>

• * Его рекомендуется изменить а случае изменения класса

*/ private static final Long serialVeraionTJIO - LL;

Рис. 4. Java класс

Рис. 5. Многоуровневая имитационная модель

Рис. 6. График сборки объекта

После описания всех процессов строится многоуровневая имитационная модель (рис. 5). Построение велось, учитывая все сходные параметры объекта сборки и вышеописанные структуры графа. Каждый элемент системы соответствует рабочей операции и включает в себя все данные (технологические, конструкторские, экономические, производственные).

В результате построения многоуровневой имитационной модели получаем график сборки объекта (рис. 6).

Результаты построения модели позволят выстроить систему управленческих решений с выбором наиболее оптимального пути сборки по наименьшей трудоемкости, циклам сборки и экономическим затратам.