Моделирование автоматизированного производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О.Ю. Фролов, Е.И. Борзенко

МОДЕЛИРОВАНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Учебно-методическое пособие

Томск

Издательский Дом Томского государственного университета

2016

УДК 658.512
ББК 32.965-5-05

Ф912

Ф912

Фролов О.Ю., Борзенко Е.И.
Моделирование автоматизированного производства: учебнометодическое пособие. – Томск: Издательский Дом Томского 
государственного университета, 2016. – 32 с.

Рассматриваются особенности моделирования планировок автомати
зированных участков и цехов с целью создания цифровой модели предприятия. Показаны методы расчета и оптимизации материальных потоков, энергопотребления и коэффициентов использования оборудования 
автоматизированного производства. Сформулированы задания для самостоятельной работы студентов.

Для проведения лабораторных работ используется программный 

комплекс Autodesk Factory Design Suite.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов бака
лавриата и магистратуры технических направлений, подготовки специалистов для предприятий машиностроения и приборостроения.

Учебно-методическое пособие разработано при финансовой поддержке 

Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках

государственного задания № 2014/223 (код проекта 1943)

РАССМОТРЕНО И РЕКОМЕНДОВАНО К ПЕЧАТИ Советом
физико-технического факультета ТГУ
Протокол № 46 от «1» июля 2016 г.
Председатель Совета ФТФ Э.Р. Шрагер

© Томский государственный университет, 2016
© Фролов О.Ю., Борзенко Е.И., 2016

СОДЕРЖАНИЕ

1. СОЗДАНИЕ ПЛАНИРОВКИ ПРЕДПРИЯТИЯ...................................4

1.1. О ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ ПРОИЗВОДСТВА.................................................4
1.2. СОЗДАНИЕ ПЛАНИРОВКИ В 2D.............................................................. 6
1.3. РЕДАКТИРОВАНИЕ ПЛАНИРОВКИ В 3D................................................ 10
1.4. ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ................................................... 14

2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА .......................... 15

2.1. ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ......................................... 15
2.2. АНАЛИЗ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ.................................................... 19
2.3. РАСЧЕТ ЭНЕРГОЗАТРАТ И КОЭФФИЦИЕНТОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 
ОБОРУДОВАНИЯ.......................................................................................... 27
2.4. ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ................................................... 30

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ............................................................... 30

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................... 31

1. СОЗДАНИЕ ПЛАНИРОВКИ ПРЕДПРИЯТИЯ

Лабораторная работа № 1

Цель работы: построить двумерную модель планировки автомати
зированного участка или цеха и создать ее трехмерную визуализацию.

1.1. О цифровой модели производства

На сегодняшний день многие производители в отрасли машиностро
ения и приборостроения сталкиваются с проблемами модернизации и 
обновления производственных мощностей. Процесс внедрения оборудования занимает довольно продолжительное время, требует затрат множества ресурсов и капиталовложений. От выбора того или иного оборудования зависит экономическая целесообразность модернизации предприятия.

Процесс проектирования производственных систем состоит из трех 

основных этапов, которые могут сопровождаться множеством проблем. 
Выделим некоторые из них. На первом этапе необходим анализ текущего 
состояния объекта проектирования, который как правило производится 
вручную и отнимает значительное количество времени и ресурсов. Второй этап включает циклический процесс проектирование–оптимизация 
проекта–анализ проекта. Во время этого этапа инженеры не всегда используют такие инструменты проектирования, которые бы обеспечивали 
необходимый уровень детализации той или иной компоновки оборудования. Существует ограниченный набор средств анализа потока материалов 
на производственных линиях, либо эти средства не выполняют тех функций, которые необходимы для решения задач оптимизации производственных технологий в существующих условиях. Очень часто ключевые 
участники проекта не понимают, например, содержание двумерных (2D)
чертежей и впоследствии не успевают вовремя внести важные комментарии или существенные замечания по проекту. Соответственно, на третьем 
этапе ввода в эксплуатацию оборудования могут возникнуть ошибки в 
последовательности монтажа, которые приведут к задержкам сроков производства.

Для преодоления или минимизации вышеперечисленных факторов, 

отрицательно сказывающихся на ходе проектирования можно воспользоваться специализированным программным комплексом Autodesk Factory 
Design Suite. Компания Autodesk разработала технологию электронных 
макетов, с помощью которой производители конструируют, верифицируют, оптимизируют и управляют цифровыми моделями изделия на всех 

этапах его создания – от идеи до реального воплощения. Для инженеров 
использование единой цифровой модели предприятия на этапе проектирования несомненно является преимуществом с точки зрения скорости 
обмена информацией со смежными подразделениями. Производителям и 
их заказчикам результаты испытаний, анализа и проверки изделий так же
дают реальное представление о проектируемом технологическом процессе, сокращают затраты на изготовление дорогостоящих физических образцов и сроки вывода продукции на рынок. Autodesk Factory Design 
Suite, используя технологию электронных макетов изделий, помогает рационально компоновать оборудование в производственных помещениях, 
быстро оценивать альтернативные варианты планировок и находить их 
оптимальные конфигурации (например, с точки зрения организации схемы материальных потоков) до начала монтажа оборудования. Перечислим типовой состав и ключевые особенности программного комплекса 
Autodesk Factory Design Suite:


AutoCAD Architecture и AutoCAD Mechanical содержат инструменты
архитектурного
проектирования, специализированные 

функции машиностроительного черчения. Позволяют проводить 
анализ процесса транспортировки материалов между рабочими 
станциями;


Autodesk Inventor позволяет создавать цифровые модели оборудования и помещения для рассмотрения вариантов компоновки 
всего производства;


Autodesk Navisworks предназначен для объединения трехмерных 
(3D) моделей и данных в разнородных форматах их хранения, 
осуществления координации проектов, проверки цифровой модели на коллизии (пересечения 3D моделей в пространстве) и пространственные ограничения;


Autodesk 3ds Max Design и Autodesk Showcase являются средствами визуализации, которые позволяют демонстрировать работу оборудования с помощью фотореалистичных графических 
изображений и 3D-анимации, преобразовывать проектные данные в высококачественные изображения, видеоролики и интерактивные презентации.

Необходимо также отметить, что при переходе от 2D-плана AutoCAD

к 3D-модели Inventor используется библиотека параметрического оборудования с двунаправленной ассоциативностью, поэтому заново выполнять построения не требуется. Для создания модели существующих помещений могут использоваться так называемые облака точек, получен

ные при лазерном сканировании, что значительно сокращает потребность 
в ручных измерениях [1, 2].

В общем случае процесс построения трехмерной компоновки произ
водственного цеха сводится к нескольким этапам [3]:


создание 3D модели здания с несущими конструкциями и стенами;


создание 3D-моделей основного и вспомогательного технологического оборудования, элементов интерьера и экстерьера производственной площадки;


компоновка созданных 3D-моделей оборудования по планировке 
цеха, отладка модели;

Выходными данными процесса проектирования являются:

архитектурные и строительные решения;


различные решения по компоновке цеха, оптимальным технологическим маршрутам движения изделий;


решения по инженерным коммуникациям;


результаты расчетов требуемого количества оборудования, параметров технологических процессов.

1.2. Создание планировки в 2D

Рассмотрим методику создания в пакете Autodesk Factory Design Suite

двумерной компоновки автоматизированной линии механообработки, 
показанной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. План размещения оборудования на линии механообработки

Откройте Autodesk AutoCAD Architecture и создайте новый пустой 

файл чертежа. На панели инструментов Factory в меню Палитры активируйте окно Обозреватель компонентов (рис 1.2) и разместите его так, 
как показано на рис. 1.3.

Рис 1.2. Расположение кнопки Обозреватель компонентов на панели инструментов Factory

Рис. 1.3. Окна Обозреватель компонентов (слева) и просмотр компонентов (справа)

Раскройте папку Системные компоненты и изучите доступные в 

вашей версии программного обеспечения модели оборудования. Для 
большей наглядности при изучении каталога системных компонентов 
можно использовать окно Просмотр компонентов (рис. 1.3), щелкнув на 
любом компоненте правой кнопкой мыши и выбрав пункт Просмотр.

Пользуясь строкой Поиск компонентов обозревателя компонентов 

найдите позицию «Многоцелевой станок с ЧПУ типа CNC». Для того, 
чтобы использовать модель станка, загрузите ее, щелкнув правой кнопкой 
мыши на миниатюре или строке и нажав на пункт меню Загрузить компонент, как показано на рис. 1.4. Для быстрого доступа к компоненту 
станка добавьте его в избранное.

Рис. 1.4. Вкладка Загрузить компонент в контекстном меню библиотеки компонентов

Помимо двух многоцелевых станков автоматизированная линия, по
казанная на рис. 1.1, содержит следующее технологическое оборудование, которое необходимо загрузить и добавить в избранное, выполняя 
описанную выше последовательностью действий (компоненты пронумерованы в соответствии с их расположением на рис. 1.5):

1.
Вилочный погрузчик;

2.
Поддон (Европа);

3.
Контроллер робота;

4.
Защитное ограждение (цепь);

5.
Контейнер (сплошной);

6.
Прямой роликовый конвейер;

7.
Подступенок для робота;

8.
Прямой ленточный конвейер (цепь);

9.
Factory_Stig.

Согласно рис. 1.5 установите загруженные компоненты на плоскости 

чертежа. Для этого из строки избранного в обозревателе компонентов 
перетащите единицу технологического оборудования на плоскость чертежа, щелкните левой кнопкой мыши, установите необходимый угол поворота и нажмите клавишу Enter. Во время локализации компонентов на 
чертеже можно пользоваться стандартными операциями редактирования 
такими как Перенос, Копирование, Поворот, Зеркальное отображение
и т.п., выделив необходимый компонент и выбрав пункт Средства редактирования в контекстном меню правой кнопки мыши.

Рис. 1.5. Часть планировки, построенная в Autodesk AutoCAD

Обратите внимание, что на данном этапе построения планировки ис
пользуются два вида моделей конвейеров: схематичная модель – ленточный конвейер (цепь) и модель, соответствующая реальным габаритам 
конвейера – роликовый конвейер. Конвейер-цепь (а также защитное 
ограждение) располагается на чертеже как полилиния аналогично рисованию стандартного отрезка в AutoCAD. Для того чтобы правильно соединить два конвейера реальных габаритов, необходимо пользоваться 
соединителями компонентов (рис. 1.6), которые автоматически задают 
правильную ориентацию 3D моделям.

Рис. 1.6. Соединители компонентов

1.3. Редактирование планировки в 3D

Чтобы создать и просмотреть трехмерную визуализацию, а также 

расположить дополнительное оборудование в рабочей зоне автоматизированной линии выполните синхронизацию текущего проекта с Autodesk 
Inventor. Для этого на вкладке Factory нажмите кнопку Синхронизация 
Inventor (рис. 1.7). Когда программа предложит закрыть текущий документ AutoCAD и сохранить его, в диалоговых окнах подтвердите эти действия.

Рис. 1.7. Кнопка Синхронизация Inventor на панели инструментов Factory

Через некоторое время запустится Autodesk Inventor, и вы увидите 

трехмерную версию созданной планировки, как показано на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Предполагаемый вид планировки автоматизированной линии

в трехмерном представлении

В меню Пользовательский интерфейс вкладки Вид отметьте галоч
ками отображение панелей Обозреватель компонентов, Просмотр компонентов Factory и Свойства Factory. Расположите открывшиеся окна 
(рис. 1.9) в рабочей области так, чтобы к ним удобно было обращаться.

Как видно из рис. 1.8, области поворота ленточных конвейеров авто
матически преобразовались в криволинейные горизонтальные ленточные 
конвейеры, а защитное ограждение было преобразовано в набор соединенных между собой секций. Обратите внимание, что свойства некоторых единиц оборудования, например, ширину конвейера, количество секций в защитном ограждении можно просмотреть и отредактировать в 
окне Свойства Factory (рис. 1.9). Для ориентации рабочей области пользуйтесь видовым кубом, который расположен в верхнем правом углу области обзора (рис. 1.10).

В окне обозревателя компонентов найдите и загрузите робот 

IRB6600_255_255. Левой кнопкой мыши перетащите компонент в рабочую область, как показано на рис. 1.11, и, используя появившиеся точки