Инновации и наукоемкие производства являются главной движущей силой динамически устойчивого роста общественного производства. Работы современных авторов доказывают актуальность и перспективность создания однородных производственных сред [1–3]. Однородные производственные среды (ОПС) – это такие производственные системы, при построении которых учитываются принципы конструктивной однородности, переменности структуры и параллельности операций. Подобные структуры состоят из элементарных производственных модулей (ЭПМ), имеющих одинаковые настраиваемые связи для обмена информацией и материальными потоками, функционально полных в рамках реализуемого производства и настраиваемых на одну из функций (операций). За счет изменения количества ЭПМ и их функциональных возможностей такие системы обладают, можно сказать, неограниченными возможностями по изменению своей производительности. В таких средах достигается безызбыточность компоновочных решений, максимально удовлетворяющих изменяющимся критериям функционирования производства.
Областью исследования являются процессные инновации, под которыми подразумеваются новые методы организации производства. Целью работы является анализ возможных вариантов компоновочных решений стационарных однородных производственных сред с одновременной настройкой орудий труда.
Материалы и методы исследования
Результаты исследования получены с применением общенаучных методов параметрического и корреляционного анализа.
Результаты исследования и их обсуждение
По признаку стационарности (мобильности) ЭПМ и предметов труда в системе координат ОПС делятся на три класса: стационарные, полустационарные и нестационарные (мобильные) [4, 5].
В стационарных ОПС осуществляется транспортировка предметов труда по технологической среде, которая состоит из элементарных модулей, стационарно установленных на рабочих местах. В полустационарных ОПС предметы труда фиксируются на рабочие места, а орудия труда транспортируются, образуя вокруг предметов труда оптимальную технологическую среду. Нестационарные ОПС характеризуются мобильностью как орудий, так и предметов труда в ходе технологического процесса. При этом в каждом из этих классов среды по способу настройки орудий труда делятся на среды с предварительной настройкой и среды с одновременной настройкой.
Среды с предварительной настройкой состоят из ЭПМ, требующих предварительной настройки компонентов для выполнения заданной группы технологических операций.
Среды с одновременной настройкой состоят из ЭПМ, которые в своем составе постоянно содержат необходимые ресурсы для реализации всех операций.
В стационарных ОПС с одновременной настройкой (СОН) каждый модуль в любой момент времени содержит функционально полный набор компонентов (технологических устройств) 
(S – число ЭПМ в ОПС), позволяющих выполнить всю совокупность операций 
, реализуемых в ОПС и подготовленных к немедленному исполнению. В этих условиях все ЭПМ в каждый момент времени являются совершенно одинаковыми по составу и возможностям, если не учитывать отказы отдельных устройств и блоков в модулях [6, 7]. Любой модуль в СОН может выполнять все функции системы со своей относительно низкой единичной производительностью, представляя собой, таким образом, ОПС в минимальном составе. Обработка каждого изделия в таких ОПС начинается и завершается в пределах одного ЭПМ после выполнения соответствующих транспортных операций.
В СОН компоненты элементарных модулей на этапе создания среды стационарно устанавливаются на фиксированные рабочие места. Это приводит к ограничениям по их перемещению внутри ОПС и к снижению функциональных возможностей. Операции настройки в СОН предполагают действия по возобновлению в ЭПМ расходуемого ресурса и смены износившихся инструментов и оснастки, которые вместе с предметами труда перемещаются по среде в результате транспортных операций.
Фиксация универсальных (функционально полных) орудий труда на рабочих местах ведет к их избыточности при обработке усредненных изделий и пониженному коэффициенту использования всего ресурса, что предопределяет снижение экономичности системы. В конкретный момент времени используется лишь часть оборудования каждого модуля, другая часть простаивает, но готова к немедленному использованию, что предопределяет высокую реактивность и производительность. Избыточность оборудования ЭПМ можно определить через следующий коэффициент:
КМ 
, (1)
где My – число устройств, используемых в ЭПМ; To – общий фонд времени работы ЭПМ; ti – рабочее время i-го устройства.
В тех случаях, когда все оборудование модуля постоянно используется 
, коэффициент избыточности близок к нулю. Другой вариант, когда, например, одно устройство в модуле работает, а другие являются вспомогательными и функционируют в редкие моменты времени: 
. В этом варианте значение коэффициента избыточности приближается к 1. Для примера будем считать, что в состав элементарного модуля входят три подсистемы: технологическая, манипуляционная и накопительная. Использование НС связано с хранением в накопительных ячейках предметов материального потока. Пусть в НС модуля имеется Мя ячеек. Время использования каждой ячейки в рабочий период составляет 
. Тогда среднее время использования накопительной системы:
. (2)
Время использования соответственно технологической, манипуляционной и накопительной подсистем примем равным: tт = 0,9To; tм = 0,3To; tн = 0,9Tо. В этом случае коэффициент избыточности модуля равен Км = 0,3. Обратим внимание на то, что в примере tт + tм > Тo. Это условие соответствует параллельному функционированию подсистем в процессе работы модуля.
Можно получить коэффициент избыточности всей ОПС:
(3).
СОН относятся к наиболее живучим по критерию функциональной полноты сред. Это связано с тем, что каждый модуль обладает всем набором операций 
, реализуемых в ОПС. Живучесть по критерию функциональной полноты среды достигается в СОН за счет избыточности, содержащейся в каждом ЭПМ.
Один из возможных вариантов стационарной ОПС с одновременной настройкой представлен на рис. 1.
Рис. 1. Вариант компоновки стационарной ОПС с одновременной настройкой и индивидуальной накопительной системой Nг = 6, Nгнс = 6; 1 – технологическое оборудование, 2 – свободно-программируемый робот, 3 – индивидуальная накопительная система, 4 – терминальная система управления
Здесь принято расположение ОПС на плоскости, когда модули образуют параллелогоны, например шестиугольники. Каждый из однородных функционально полных модулей содержит технологическое оборудование, свободно программируемый робот, терминальную систему управления на базе ЭВМ и индивидуальную накопительную систему, расположенную на границах модуля. Накопители соседних модулей имеют общие грани, доступные внутримодульным средствам-роботам двух соседних модулей. Таким образом, для реализации материальных потоков (изделий, инструмента, отходов и т.д.) могут быть использованы связи с шестью соседними модулями. За счет цепочки последовательных передач от модуля к модулю можно выполнять транспортную операцию между любыми произвольно расположенными модулями ОПС.
Предлагаемая структура ОПС занимает под модули всю площадь – без неиспользуемых участков. Если поставить задачу плотной упаковки ОПС не на плоскости, а в пространстве, то каждый модуль будет занимать элементарный объем параллелоэдра. Возможное число накопителей, размещаемых на гранях параллелоэдров, увеличивается. Робот в каждом модуле должен выполнять свободно-программируемые движения в пространстве параллелоэдра, связывая соседние модули транспортными потоками. В некоторых случаях целесообразно не фиксировать ЭПМ на рабочих местах. Если в среде предусмотреть средства перемещения модулей относительно друг друга, то эта возможность позволит, например, выводить любой модуль на периферию среды для пополнения расходуемого ресурса, замены инструментов, профилактики, контроля и ремонта оборудования. Перемещение модулей обеспечивает среде свойство мобильности, следовательно, появляется дополнительная гибкость. Мобильность ЭПМ в этом случае не выводит среду из класса стационарных, так как по-прежнему предметы труда транспортируются по ОПС. Процедура транспортировки модулей по среде упрощается, если каждый из них обладает индивидуальной накопительной системой и является конструктивно самостоятельной единицей.
В качестве стратегии продвижения модуля к границе среды могут быть выбраны принципы построения игры «15». На рис. 2 показана последовательность продвижения четвертого ЭПМ к границе среды. Последовательность включает две фазы перехода (рис. 2, а). В первой фазе первый модуль перемещается влево и освобождает свою позицию для четвертого модуля (рис. 2, б). Во второй фазе четвертый модуль занимает освободившуюся позицию (рис. 2, в). Это не единственный вариант при показанном исходном расположении модулей в ОПС; в другом варианте в первой фазе третий модуль перемещается вверх.
Рис. 2. Последовательность перемещений элементарных модулей в среде для вывода ЭПМ № 4 на границу ОПС
Решение выбора варианта принимает система управления ОПС согласно некоторому правилу и текущей обстановке в среде, а также с учетом расположения входов и выходов материального потока.
Штриховкой показано свободное рабочее место элементарного модуля
Использование в каждом ЭПМ функционально-полного набора оборудования имеет свои недостатки, связанные со следующим:
− со снижением коэффициента использования всех ресурсов и снижением экономичности в целом;
− с ограниченной рабочей зоной технологического оборудования в каждом ЭПМ, что ведет к сложностям по взаимодействию модулей между собой при выполнении технологических операций, например при одновременной обработке крупногабаритных изделий элементарного производственного модуля;
− с ограничением зоны действия внутримодульных транспортных средств из-за накопителей, распределенных вдоль границ каждого ЭПМ, что ведет к снижению коэффициента использования производственных площадей и гибкости ОПС.
Расширение технологических и функциональных возможностей ОПС в некоторых случаях возможно при специализации элементарных модулей по технологическим и накопительным функциям. Их реализуют соответственно технологические и накопительные элементарные модули (ТЭПМ и НЭПМ). Модули расположены в пространстве таким образом, что каждый из них, являющийся центральным относительно окружающих его модулей, выполняет накопительные функции. Он установлен с возможностью доступа к нему любого из соприкасающихся (соседних) модулей, реализующих технологические операции. Основной принцип расположения НЭПМ поясняется рис. 3. Введенная специализация модулей изменяет параметры среды. Технологические модули вместо шести связей с соседними ЭПМ в новой компоновке имеют только три, что снижает число возможных транспортных маршрутов для объектов материального потока.
Сосредоточение накопительных функций в НЭПМ расширяет возможности ТЭПМ по координации совместных действий. Ячейки накопительной системы, ранее расположенные по периметру, не являются более конструктивным барьером для совместных действий модулей по обработке габаритных деталей.
Рис. 3. ОПС со специализацией элементарных модулей. (штриховкой показано расположение распределенной накопительной системы в форме накопительных модулей)
Если рассматривать вопрос живучести применительно к ОПС со специализацией модулей, то при использовании стационарных модулей-накопителей некоторые объекты материального потока могут оказаться «замороженными». Это произойдет в том случае, если границы накопительного модуля будут распределены между ТЭПМ. Для повышения живучести таких ОПС можно предложить несколько вариантов. Среди них рассмотрим два.
Первый вариант связан с расширением рабочей зоны манипуляционных операций технологических модулей. Если модули будут иметь возможность доступа к накопительным граням соседних модулей, то живучесть накопительной системы существенно повысится. К каждой ячейке накопителя будут иметь доступ три ТЭПМ, что больше даже по сравнению с ОПС без специализации модулей, в которых к одной ячейке могут обратиться только два соседних модуля в средах с сосредоточенными операциями. Рабочая область манипуляционных операций одного ТЭПМ показана на рис. 4.
Рис. 4. Рабочая область манипуляционных операций второго ТЭПМ (показано штриховкой) НЭПМ – накопительный элементарный модуль ТЭПМ – технологический элементарный модуль
Второй вариант предусматривает использование вращающегося вокруг своей оси модуля-накопителя. Это обеспечивает доступ к каждой ячейке накопителя шести ТЭПМ, что приводит к дальнейшему повышению живучести накопительной системы. При этом сложность ТЭПМ, связанная с расширением рабочей области, не увеличивается. Технологические модули могут по-прежнему выполнять только сосредоточенные операции. Этот путь предполагает повышенную связность ТЭПМ, имеющих доступ к одному НЭПМ, благодаря манипуляционным операциям. Вращение НЭПМ возможно лишь в те отрезки времени, когда ни один ТЭПМ не обменивается с накопителем. Координацию и согласованные движения шести ТЭПМ и одного НЭПМ выполняет система управления. Приоритеты обслуживания одним накопителем шести модулей могут быть различными. Эти приоритеты могут изменяться в процессе функционирования среды в зависимости от текущей производственной ситуации. Повышение производительности накопительных операций связано с возможностью вращения НЭПМ в обоих направлениях. Подвижность накопительного модуля, несомненно, повышает качество ОПС, но одновременно увеличивает ее сложность как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации.
Заключение
Инновационная экономика неразрывно связана с созданием и внедрением новых видов технологического оборудования, систем управления и производственных процессов, дающих наивысшую эффективность. Разработанные и предложенные в статье варианты компоновки стационарной ОПС с одновременной настройкой с индивидуальной накопительной системой, а также со специализацией элементарных модулей могут учитываться разработчиками в каждом случае решения оптимизационной задачи. Благодаря переходу к производственным системам, состоящим из однотипных модулей с регулярными информационными и материальными связями между ними, существенно упростится их разработка, изготовление, наладка и эксплуатация. В таких системах возможно достижение безызбыточности компоновки, что наилучшим образом сможет соответствовать изменяющимся критериям функционирования производственных систем.
Библиографическая ссылка
Коновалова О.А., Нурулин Ю.Р., Редько С.Г. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ ОДНОРОДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СРЕД С ОДНОВРЕМЕННОЙ НАСТРОЙКОЙ // Фундаментальные исследования. – 2022. – № 7. – С. 52-56;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=43283 (дата обращения: 24.04.2024).