Nghiên cứu ứng dụng vịêc lập chương trình sản xuất động dựa vào mô hình mạng petri

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội

Nguyễn Việt Hùng

Nghiên cứu ứng dụng việc lập chơng trình sản
xuất động dựa trên mô hình mạng Petri.

Chuyên nghành: Công nghệ chế tạo máy
Luận văn thạc sĩ cơ khí

Ngời hớng dẫn khoa học:
GS. TS Nguyễn Đắc Lộc

Hà Nội 2005


2

Mơc lơc
Trang phơ b×a ........................................................................................ 1
Mơc lơc ................................................................................................... 2
Danh mơc các chữ viết tắt .................................................................... 4
Mở đầu.................................................................................................... 5
Chơng 1: Tổng quan các vấn đề về hệ thống sản suất..................... 6
1.1 Hệ thống sản xuất tích hợp CIM ................................................. 7
1.2 Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS................................................ 12
1.3 Các vấn đề chung cđa hƯ thèng CIM vµ FMS ............................. 13
1.3.1 TÝnh linh ho¹t ..................................................................... 13
1.3.2 CÊu tróc hƯ thèng ............................................................... 16
1.4 Các vấn đề cơ bản của hệ thống CIM và FMS ............................ 17

1.4.1 Bố trí trang thiết bị và mặt b»ng s¶n xt .......................... 17
1.4.2 Robot phơc vơ hƯ thèng ..................................................... 25
Chơng 2: Hệ thống Mini CIM............................................................ 34
2.1 Nghiên cứu hệ thống Mini CIM hiện có ..................................... 34
2.1.1 Máy công cơ gia c«ng CNC trong hƯ thèng....................... 35
2.1.2 Robot phơc vơ cho hƯ thèng .............................................. 35
2.1.3 HƯ thèng ®iỊu khiĨn của CIM ............................................ 37
2.1.3.1 Điều khiển logic hoạt động của băng tải trong hệ
thống Mini CIM ....................................................... 37
2.1.3.2 Hoạt động cđa hƯ thèng Ethernet trong hƯ thèng
Mini CIM ................................................................ 43
2.1.3.3 Phần mềm CimSoft ................................................. 49
2.1.4 Các bớc vận hành hệ thống .............................................. 51
2.1.4.1 Chuẩn bị chơng trình............................................. 51
2.1.4.2 Chạy chơng trình................................................... 51
2.2 Nghiên cứu ứng dụng trên hệ Mini CIM hiÖn cã ........................ 52


3

Ch−¬ng 3: Më réng hƯ thèng theo h−íng lËp ch−¬ng trình sản xuất
động nhờ vào mô hình mạng Petri và ứng dụng ................................ 57
3.1 Lập chơng trình sản xuất động dựa theo mô hình mạng Petri .. 57
3.1.1 Mô hình mạng của hệ thống sản xuất ................................ 59
3.1.2 Cấu trúc hƯ thèng lËp kÕ ho¹ch linh ho¹t FPS ................... 61
3.1.3 Khả năng vạch chơng trình phụ thuộc vào các giới hạn
ảnh hởng............................................................................ 63
3.1.3.1 Những hạn chế của hệ thống sản xuất .................... 63
3.1.3.2 Cấu trúc của chơng trình....................................... 63
3.1.3.3 Khả năng ảnh hởng về giới hạn thời gian ............. 64

3.1.3.4 Nhiệm vụ của nguời lập chơng trình..................... 65
3.1.4 Khả năng vận hành chơng trình dựa vào việc mô phỏng
mạng thời gian Petri TPN................................................... 66
3.1.4.1 Mục tiêu về khả năng vận hành chơng trình......... 66
3.1.4.2 Thủ tục phân loại điều khiển................................... 67
3.1.5 Mô phỏng điều khiển động mạng petri định thời gian....... 68
3.2 Më réng øng dơng trong hƯ thèng MiniCim............................... 70
3.2.1 Xây dựng chơng trình khả năng hoạt động của hệ thống...70
3.2.2 Mở rộng chơng trinh khả năng hoạt động có thể xảy ra
của hệ thống ....................................................................... 73
Chơng 4: Kết luận ............................................................................... 77
Tài liệu tham khảo ................................................................................ 78
Phụ luc
Phụ lục 1: Cơ sở lập trình cho Robot trong hệ thống CIM, giới thiệu ngôn
ngữ MCL II
Phụ lục 2: Giới thiệu phÇn mỊm CimSoft.


4

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
AGV:

Automatic Guided Vehicles (Sù vËn chun tù ®éng dÉn h−íng).

CAD:

Computer Aided Design (Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính).

CAM:

Computer Aided Manufacturing (Sản xuất có sự trợ giúp của máy
tính).

CAP:

Coputer Aided Planing (Hoạch định kế hoạch có sự trợ giúp của
máy tính).

CAPP:

Computer Aided Process Planing (Hoạch định quy trình công nghệ
có sự trợ giúp của máy tính).

CAQ:

Computer Aided Quality (Kiểm tra chất lợng sản phẩm có sự trợ
giúp máy tính).

CIM:

Computer Integrated Manufacturing (Sản xuất tích hợp máy tính).

CNC:

Computer Numerical Control (Điều khiển số máy tính).

DNC:

Direct Numerical Control (Điều khiển số trực tiếp).

DCCN:

Dây chuyền công nghệ.

FPS:

Flexible Planning System (Hệ thống lập kế hoạch linh hoạt)

FMS:

Flexible Manufacturing Systems (Hệ thống sản xuất linh hoạt).

FIFO:

First In First Out (Vào trớc ra trớc).

HTLH:

Hệ thống linh hoạt.

LPT:

Longest Procesing Time (Thời gian gia công lâu nhất).

LWKR: Least WorK Remained (Công việc còn lại ít nhất)
MWKR: Most WorK Remained (Công việc còn lại nhiều nhất).
MCU:

Machine Control Unit (Khối điều khiển máy).

NC:

Numerical Control (Điều khiển số).

PLC:

Programmable Logic Controler (Bộ điều khiển logic lập trình).

JIT:

Just In Time (Đúng luc kịp thời).

SPT:

Shortest Processing Time (Thời gian gia công ngắn nhÊt).

TPN:

Timed Petri Net (M¹ng thêi gian thùc).


5

Mở đầu
Trong thời đại hiện nay để đáp ứng nhu cầu cuộc sống ngày càng cao
của con ngời, kỹ thuật ngày càng phải phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu
cầu đó. Trong nghành Cơ khí chế tạo máy, việc thành lập các hệ thống sản
xuất chế tạo là quan trọng và cần thiết để đáp ứng các sản phẩm cơ khí nhanh,
chất lợng tốt và có tính kinh tế cao cho nhu cầu đó.

Hiện nay các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS có mức độ tự động hoá
cao, sử dụng các máy điều khiển số CNC, các robot phục vụ cho hệ thống và
các hệ thống vận chuyển tích trữ phôi. Và hệ thống sản xuất tích hợp CIM
kết nối các hệ thống tự động riêng lẻ thành hệ thống sản xuất có trợ giúp của
mạng máy tính đáp ứng các sản phẩm chất lợng có tính năng suất và hiệu
quả kinh tế cao. Các hệ thống trên đợc lập chơng trình sản xuất hợp lý, linh
hoạt ®Ĩ ®iỊu khiĨn hƯ thèng ®¸p øng mơc ®Ých ®Ị ra.
HƯ thèng lËp kÕ ho¹ch linh ho¹t FPS cã thĨ phân tích và điều chỉnh để
đáp ứng mục đích cho các hệ thống sản xuất. Vấn đề mấu chốt là chơng trình
đa ra cho hệ thống khi hoạt động phải luôn đáp ứng đợc mục đích công việc
của hệ thống và xử lý công việc xảy ra trong hệ thống.
Các vấn đề về hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và tích hợp CIM cũng
nh các vấn đề về lập chơng trình sản xuất động dựa vào mô hình mạng thời
gian Petri đợc phân tích và nghiên cứu trong luận văn.
Vì ở Việt Nam các hệ thống sản xuất FMS hay CIM còn nhiều hạn chế
thực tiễn và là lần đầu tiếp xúc, nghiên cứu vấn đề cũng nh khả năng còn
nhiều hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những sai sót do vậy em
rất mong đợc sự chỉ bảo nhiều hơn của các thầy cô và đồng nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đắc Lộc đà tận tình giúp đỡ,
chỉ dẫn em trong quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn. Và em
xin chân thành cảm ơn các thầy phòng thí nghiệm CIM khoa Cơ khí trờng
Đại học Bách Khoa Hà Nội đà giúp đỡ em để hoàn thành luận văn.


6

Chơng 1
Tổng quan các vấn đề về hệ thống sản xuất
Sự phát triển của các hệ thống sản xuất là gắn liền với sự phát triển về
công nghệ và máy gia công.

Công nghệ phát triển qua các giai đoạn:
- Công nghệ thủ công.
- Công nghiệp hoá với sự ra đời của nghành chế tạo máy công cụ.
- Từ tự động hoá cơ khí sang tự động hoá có sự trợ giúp của máy tính.
Theo hớng phát triển công nghiệp đó cần thiết lập các hệ thống sản xuất
kết nối năng suất của dây chuyền tự động hoá cứng với tính linh hoạt. Hệ
thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems) đợc thiết lập
tạo ra lực lợng sản xuất mới, có khả năng đáp thay đổi bối cảnh xà hội đáp
ứng nh cầu ngày càng lớn, tạo ra yếu tố chiến lợc trong cạnh tranh kinh tế
và quốc phòng.
Từ sự ra đời đầu tiên của máy phay điều khiển số NC do viện nghiên
cứu công nghệ Masschusetts vào năm 1952 dần phát triển đến vào những năm
70 hệ điều khiển CNC ra đời đà cải thiện hơn hệ điều khiển NC.
Cùng với sự phát triển mạnh của công nghệ tin học, sự xuất hiện của các máy
tính hiện đại có khả năng ghép nối quá trình thiết kế với quá trình gia công
thành một dự án tồng thể với sự trợ giúp của máy vi tính CIM (Computer
Integrated Manufacturing) sản xuất có sự trợ giúp của máy tính đà tạo ra sự
thay đổi lớn trong các nhà máy xí nghiệp. CIM cũng có thể gọi là hệ thống
sản xuất tích hợp CAD/CAM, chức năng thiết kế và chế tạo đợc gắn kết với
nhau, gia công linh hoạt, có khả năng gia công đạt hiệu quả kinh tế cao, thời
gian thực hiện ngắn từ ý tởng sản phẩm đến khi tạo ra sản phẩm thực phục vụ
thị trờng. Mô hình CIM đạt đợc tính linh hoạt tối u giữa các thiết bị gia
công và tổ chức quá trình gia công.


7

1.1 HƯ thèng CIM.
Hai c«ng nghƯ tiÕn tiÕn CAD (Computer Aided Design thiết kế có sự
trợ giúp của máy tính) và CAM (Computer Aided Manufacturing sản xuất

có sự trợ giúp của máy tính) có liên quan chặt chẽ tới sự hình thành của hệ
thống thiết kế chế tạo tự động có sự trợ giúp của máy tính khi kết nối hai hệ
với nhau hình thành hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính
CIM và các quá trình sản xuất thực hiện bằng hệ thống này gọi là quá trình
sản xuất tích hợp. Trong hệ thống CIM chức năng thiết kế và chế tạo đợc gắn
kết với nhau, hỗ trợ nhau, cho phép tạo ra sản phẩm nhanh chóng bằng các qui
trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả. Các thiết bị sản xuất tự động và các máy
riêng biệt đợc kết nối với các thiết bị chuyền tải thông tin tạo thành hệ thống
nhất, cho phép khép kín chu trình gia công, chế tạo sản phẩm.
Khái niệm về CIM.
CIM là giải pháp sử dụng các hệ thống máy tính và các hệ thống tự
động hoá để thực hiện và điều khiển sản xuất.
Nh vậy, khái niệm CIM chia quá trình sản xuất thành hai hoạt động là:
- Quá trình xử lý dữ liệu, thông tin: đợc thực hiện bằng các hệ thống máy
tính bao gồm các công việc:
+ Thiết kế đối tợng sản xuất CAD: thiết kế kết cấu sản phẩm bằng máy
tính.
+ Hoạch định sản xuất chế tạo sản xuất CAP (Computer Aided Planning)
hay chuẩn bị công nghệ bằng máy tính CAPP (Computer Aided Process
Planning).
+ Điều khiển các nguyên công trong qúa trình sản xuất chế tạo và tiến
hành các chức năng nghiệp vụ liên quan cần thiết khác nhau cho hoạt động
sản xuất kinh doanh, nghĩa là tiến hành chế tạo sản phẩm có sự trợ giúp
của máy tính.


8

- Các quá trình hoạt động vật lý đợc thực hiện bằng các hệ thống tự động
hoá nh máy công cụ, các trạm lắp ráp, robot, các hệ thống vậ chuyển vật

liệu, các hệ thống cung ứng và bảo quản vật t tự động và các hệ thống
kiểm tra để điều khiển chất lợng.
Các thiết bị này thay đổi vật liệu và vận chuyển vật liệu trong xởng, thực
hiện các phép đo kiểm và chuyền thông tin phản hồi đến ngời vận hành. Các
thiết bị này tự động hoá các quá trình vật lý
Mô hình hệ thống sản xuất tích hợp CIM.
Theo phơng thức giống các thiết bị phân xởng tự động hoá các hoạt
động vật lý và các chức năng xử lý thông tin, tạo điều kiện cho mọi chức năng
này đợc tích hợp với nhau chặt chẽ. Để đạt đợc CIM mọi vấn đề về dự án
sản xuất phải đợc tích hợp sao cho có thể phân chia và chuyền tải thông tin
tới các thành phần khác và cung cấp hình ảnh toàn cục về trạng thái của cơ sở
sản xuất tại mọi thời điểm.
HÃng DENFOR đa ra mô hình hệ thống CIM bao gồm:
- Các máy gia công CNC (phay khoan, tiện).
- Các Robot thực hiện công việc.
- Máy tính chủ có bảng điều khiển CNC nối với máy quét và bảng số
hoá.
- Các máy tính cá nhân có nối mạng với máy chủ.
- Băng tải CNC dùng cho các bộ gá phôi (Pallet).
- Trạm lắp ráp vận hành bằng kí nén trong hệ thống tự động.
- Hệ thống chứa và lấy phôi tự động (AS / RS) phục vụ các bệ gá phôi
tự động.
- Hệ thống xe vận chuyển định hớng tự động (AGV).
- Hệ thống kiểm tra chất lợng sản xuất có trang bị máy đo toạ độ
điều khiển số.
- Hệ phần mềm tơng ứng với các hệ điều khiển và lập trình gia c«ng.


9

Phân tích hệ thống.
Trớc hết cần so sánh giữa hai giải pháp chế tạo sản phẩm cơ khí là giải
pháp thông thờng và giải pháp có sự trợ giúp của máy tính thể hiện trên hình
vẽ 1.1

Thiết kế
sơ bộ kết
cấu sản
phẩm

Tạo sản
phẩm
mẫu

Thiết kế
hiệu chỉnh
(chính xác)
kết cấu sản
phẩm

Thiết kế/
chuẩn bị
công nghệ
chế tạo sản
phẩm (quá
trình công
nghệ tối
u)

Triển khai

quá trình
sản xuất
chế tạo sản
phẩm và
kiểm tra
chất lợng
sản phẩm

a. Quá trình tạo sản phẩm theo cách thông thờng.

CAD
(có mô
phỏng sản
phẩm)

Quy hoạch/
chuẩn bị
công nghệ
với CAM

Triển khai
quá trình
công nghệ
với CAM
và CAQ

b. Quá trình tạo sản phẩm nguyên lý CIM
Hình vẽ 1.1: So sánh hai giải pháp chế tạo sản phẩm.
Giải pháp CIM sẽ giảm đợc thời gian sản xuất là 70% và giảm đợc
giá thành sản xuất là 70% so với giải pháp thông thờng xét cho quá trình chế

tạo một sản phẩm cơ khí mới. Giải pháp CIM trong sản xuất có thể giảm giá
thành sản xuất, giảm thời gian lu kho của phôi liệu, thành phẩm, giảm thời
gian gia công, gimả thời gian phụ, giảm chi phí về lơng sản xuất, nâng cao
tính linh hoạt của quá trình sản xuất, tạo ra các sản phẩm đa dạng về kết cấu,
cho phép thực hịên giải pháp tối u hoá động trong qúa trình gia công, nâng
cao tuổi bền dụng cụ cắt, nâng cao chất lợng sản phẩm, cải thiện điều kiện


10

làm việc, quá trình gia công đợc quy hoạch và ®iỊu khiĨn víi ®é tin cËy cao,
diƯn tÝch mỈt b»ng sản xuất không lớn, giảm sự cố và tai nạn lao động. Nhng
ngợc lại khi áp dụng CIM thì đội ngũ lao động phải có trình độ tin học, công
nghệ cơ khí phù hợp.
Để chế tạo một sản phẩm trên hệ thống CIM phải tạo ra một kế hoạch
sản xuất tức là thực hiện các khâu:
- Chuẩn bị sản xuất CAP hay CAPP.
- Quá trình chế tạo gia công sản phẩm gắn với các máy gia công đợc
điều khiển bằng máy tính CAM.
- Đảm bảo chất lợng gia công CAQ: sử dụng các thiết bị đo đợc
điều khiển bằng máy tính.
Toàn bộ quá trình sản xuất cần phải đợc lập kế hoạch và điều khiển,
phải đảm bảo sao cho phôi liệu, dụng cụ, bán thành phẩm phải đợc đa lên
máy gia công kịp thời theo tiến độ sản xuất chung. Nh vậy phải có một hệ
thống các chơng trình quy hoạch và điều khiển sản xuất hoạt động nhờ các
dữ liệu sản xuất đợc đa vào các máy gia công điều khiển CNC. Hệ thống
đợc đảm bảo tính tơng thích phù hợp trên cơ sở quá trình xử lý tối u về các
thông tin kinh tế kỹ thuật.
Tóm lại hệ thống sản xuất CIM có các u điểm sau:
- Nhanh chóng cho ra đời sản phẩm mới.

- Rút ngắn thời gian giao hàng.
- Quản lý vật t hàng hoá sat thực tế.
- Rút ngắn kế hoạch sản xuất.
- Giảm thời gian gia công, giảm lao động trực tiếp.
- Nâng cao năng suất và chất lơng sản phẩm.
- Tăng khả năng cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thi trờng.


11

CIM
CAD/CAM
CAD
CAP

PPC
-

C
A
Q

-

CAM

hoạch định sx (ch.
trình, số lợng, thời
hạn).
tạo lập hợp đồng

sản xuất.
Giám sát hợp đồng
sản xuất.

a. Mô hình hệ CIM.
CIM
CAD

CAP

CAM

CAQ

PPC
Cơ sở dữ liệu
a. Sự kết nối trong hệ thống CIM.
Hình vẽ 1.2: Mô hình và sự kết nối trong hệ thống CIM
Mơc tiªu chÝnh cđa CIM: cđng cè mèi quan hƯ giữa xí nghiệp và khách
hàng, nó giúp nhà cung cấp lập kế hoạch sản xuất và phân phối hiệu quả hơn,
cung cấp cho khách hàng sản phẩm chất lợng tốt, giá cả hợp lý rút ngắn thời
gian giao hàng. Phần cốt lõi của CIM là mô hình xí nghiệp về sự cơ cấu lại bộ
máy tổ chức để đạt đợc các mục tiêu này việc tái cơ cấu bộ máy tổ chức đòi
hỏi phải nghiên cứu kỹ lỡng về thực hiện với sự hỗ trợ đắc lực của đội ngũ
quản lý và chuyên viên đợc đào tạo tốt.


12

1.2 Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS.

Khái niệm.
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems), sử
dụng các máy hay trung tâm gia công CNC theo phơng pháp tập trung
nguyên công, tự động hoá, tích hợp hoá, và linh hoạt hoá ở mức độ cao, có
chất lợng và năng suất gia công cao. Đây là phơng án theo xu hớng phát
triển hiện nay để nâng cao hiệu quả sản xuất cơ khí có kết cấu giống nhau hay
tơng tự nhau trên một dây chuyền công nghệ có tính linh hoạt cao và tự động
hoá cao.
Các vấn đề cơ bản.
- FMS là hệ thống gia công nối ghép mềm các máy công cụ đơn lẻ
hay trung tâm gia công CNC với dòng cung ứng phôi, dụng cụ tự
động hoá vàchu trình điều khiển linh hoạt.
- Trong hệ thống FMS có thể gia công các chi tiết cơ khí thuộc nhiều
kiểu sản phẩm cơ khí khác nhau với nhiều đơn đặt hàng khác nhau.
- Các quá trình diễn ra trong hệ thống đợc một máy tính trung tâm
điều khiển.
- Các hệ thống FMS có thể đợc thiết lập theo phơng pháp gia công
hay theo đối tợng gia công.
Về cơ bản các hệ thống FMS là một bộ phận của hệ thống CIM, hầu
nh các u điểm của hệ thống CIM cũng là các u điểm của hệ thống FMS,
các đặc điểm của CIM cũng nh các đặc điểm của FMS nhng ở mức độ khác
nhau. Trớc tiên mức độ linh hoạt của FMS đa dạng hơn rất nhiều so với CIM
nói chung, điều đó cũng có nghĩa là số chủng loại sản phẩm của FMS đa dạng
hơn rất nhiều so với CIM nhng số lợng của một số loạt sản phẩm nhỏ hơn
CIM.
Hệ thống sản xuất đúng lúc JIT (Just In Time). Đây là hệ thống sản
xuất đợc thực hiện bëi ý t−ëng cđa h·ng Toyota Motor, triÕt lý s¶n xt ®óng


13

lúc kịp thời đợc dựa trên một chiến lợc cuốn hút trong đó chi những sản
phẩm cần thiết sẽ đợc sản xuất với sự dự trữ là nhỏ nhất.
1.3 Các đặc tính chung của hệ thống CIM và FMS
1.3.1 Tính linh hoạt.
Tính linh hoạt có thể định nghĩa nh một tập hợp các thuộc tính của
một hệ thống sản xuất nhằm bổ trợ sự thay đổi trong những hoạt động sản
xuất hoặc những khả năng thay đổi nó. Tính linh hoạt có nghĩa là sự tồn tại
của nhiều bậc tự do trong một tình huống lựa chọn (quyết định 1). ở các hệ
thống gia công linh hoạt có thể thực hiện nhiều kiểu phơng án gia công cho
một loại chi tiết để phù hợp với các điều kiện đầuvào khác nhau. Tính linh
hoạt thể hiện ở khả năng thích nghi của quá trình công nghệ và dây chuyền
công nghệ khi đối tợng sản xuất thay đổi, điều kiện cơ bản để đảm bảo cho
quy trình công nghệ và dây chuyền công nghệ có tính linh hoạt cao là khả
năng điều phối nhanh của hệ thống sản xuất (máy công cụ, đồ gá, hệ thống
cấp phôi, dao cụ..) khi ta thay đổi đối tợnggia công về kết cấu, số lợng chế
tạo, thêi gian chÕ t¹o v.v. Nh− vËy tÝnh linh ho¹t gần liền với giải pháp điều
phối hệ thống sản xuất để đạt đợc hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật. Khái
niệm linh hoạt nói chung và hệ thống chế tạo linh hoạt nói riêng là sự tích hợp
của nhiều khái niệm và công nghệ vào trong một hệ thống tự động sản xuất ở
trình độ cao (Highly Production System at High Level).
Mét hƯ thèng linh ho¹t cã thĨ đợc phân cấp theo hệ số linh hoạt. Hệ số linh
hoat này chia làm hai loại:
- Hệ số linh hoạt xét theo kết cấu của đối tợng gia công
(Configuration).
Gọi kiểu/ chủng loại chi tiết gia công theo định hớng của xí nghiệp là n. Số
chủng loại/ kiểu chi tiết có thể gia công chung trên cùng một dây chuyền công
nghệ là m. Khi đó hệ số linh hoạt theo kết cÊu Fc.

14

Nh vậy dây chuyền công nghệ đợc thiết kế phải có khả năng chế tạo
đợc số chủng loại chi tiết mà xí nghiệp đòi hỏi theo kế hoạch sản xuất hoặc
định hớng sản xuất của mình. Do đó ta có điều kiện đánh giá sau m n.
Đối với dây chun c«ng nghƯ.
Fc =

m
n

(1.1)

Fc ≤ 1; Fc hƯ sè linh hoạt của dây chuyền công nghệ càng lớn tính linh
hoạt của dây chuyền công nghệ càng cao.
Đối với một trạm làm việc hoặc một nguyên công trong dây chuyền
công nghệ.
Fci =

mi
n

(1.2)

Fci hệ số linh hoạt của dây chuyền công nghệ tại nguyên công i
mi: số kiểu chi tiết đợc gia công chung tại trạm hoặc tại nguyên công
thứ i.
mi n
- Hệ số linh hoạt xét theo thời gian điều chỉnh kỹ thuật.
Gọi tổng thời gian cần thiết cho việc điều chỉnh dây chuyền công nghệ khi nó

tự thay đổi kết cấu sản phẩm là Tsn.
Gọi thời gian chế tạo cơ bản của chi tiết trên dây chuyền công nghệ là Tmlt
Tmlt = nm (Tm + Q.T0 + Tno )

Trong ®ã:

(1.3)

Tm: thời gian điều chỉnh.
T0: thời gian vận hành máy.
Tn0: thời gian không vận hành máy.
Q: số đơn vị sản phẩm trong một loạt sản phẩm.
Nm: số nguyên công hay máy mà chi tiết phải đi qua để đợc gia

công hoàn thành.
Đối với dây chuyền công nghệ:


15

Fci =

mi
n

(1.4)

Đối với một trạm làm việc hoặc cho một nguyên công trong dây chuyền công
nghệ.
Fti =

Tmi
Tmlti

(1.5)

Trong đó:
Tmi là thời gian điều chỉnh máy tại trạm làm việc i hay nguyên công i.
Tmlti là thời gian chế tạo gia công cơ bản tại trạm làm việc i hay nguyên
công i.
Một hệ thống linh hoạt phải đáp ứng đợc các yêu cầu về tính linh hoạt xét
theo các khía cạnh sau:
- Tính linh hoạt máy.
Đây là khả năng thích ứng của các chủng loại máy gia công trong hệ
thống khi ta thay đổi các loại sản phẩm cũng nh kích thớc của chúng. Các
loại máy này đòi hỏi có tính linh hoạt caokhi cần thay đổi chơng trình gia
công cũng nh thay đổi dụng cụ một cách tự động. Các máy CNC đáp ứng
hoàn toàn các yêu cầu này.
- Tính linh hoạt lộ trình.
Tính linh hoạt lộ trình có nghĩa rằng sản phẩm có thể sản xuất hoặc lắp
ráp theo nhiều lộ trình khác nhau. Những lộ trình thay thế có thể đợc thực
hiện trên các máy khác nhau dùng cho sản xuất hoặc lắp ráp.
Tính linh hoạt lộ trình đảm bảo cho ta có thể gia công một chủng loại
chi tiết với các thứ tự công nghệ khác nhau. Tính linh hoạt này càng cao thì
mức độ điều tiết khai thác tận dụng khả năng của hệ thống càng tốt.
- Tính linh hoạt quá trình.
Tính linh hoạt quá trình cũng đợc biết nh tính linh hoạt đề cập tới
những khả năng thay đổi trong sản phẩm bởi việc thực hiện các thao tác tơng
tự, sản sinh những sản phẩm tơng tự hoặc những phần có thể thích nghi đa

16

dụng. Nó điều tiết những sự thay đổi trong sản phẩm vì sự sử dụng những tài
nguyên dùng chung.
- Tính linh hoạt sản xuất.
Linh hoạt sản xuất đề cập tới khả năng tạo ra những sản phẩm mà
không thêm thiết bị chính, mặc dù những thiết bị phụ trợ khác có thể đợc yêu
cầu.
- Tính linh hoạt sản phẩm.
Hệ thống linh hoạt đợc thiết kế sao cho nó có thể đáp ứng nhanh nhất
đòi hỏi của khách hàng về sản phẩm nh chủng loại, hình dáng, kết cấu, thời
gian, số lợng v.v với sự thay đổi ít nhất về giá thành.
- Tính linh hoạt mở rộng.
Tính linh hoạt này đảm bảo thay đổi hệ thống khi cần thiết một cách
nhanh chãng, hƯ thèng cã thĨ më réngkhi cÇn më réng sản xuất, cũng nh có
thể co lại khi một vài thành phần của hệ thống gặp sự cố hoặc đang bảo
dỡng. Tính linh hoạt này cần đợc quan tâm đặc biệt khi quy trình xí nghiệp
nh về mặt bằng, về các mô đun trong hệ thống phần cứng cũng nh phần
mềm.
1.3.2 Cấu trúc hệ thống.
Một hệ thống linh hoạt bao gồm hai thành phần chính sau:
- Các hệ thống cơ cấu chấp hành.
- Các hệ điều khiển.
Các hệ thống cơ chấp chấp hành.
+ Các trạm làm việc (workstation) bao gồm các máy công cụ CNC đợc
trang bị các cơ cấu thay đổi dụng cụ một cách tự động.
+ Các hệ thống vận chuyển phôi, bán thành phẩm và thành phẩm tự động
qua các trạm gia công cũng nh hệ thống kho

17

+ Các hệ thống cấp dỡ phôi bán thành phẩm cho các trạm gia công và các
hệ phục vụ khác.
Các hệ điều khiển bao gồm:
+ Các bộ điều khiển phần cứng, các hệ thống máy tính nối mạng cục bộ
các PLC v.v.
+ Các phần mềm phục vụ cho các hệ điều khiển.
1.4 Các vấn đề cơ bản của hệ thống CIM và FMS.
Để nghiên cứu sâu về CIM và FMS có rất nhiều vấn đề cần quan tâm,
trong đó có thiết kế nhờ sự trợ giúp của máy tính (CAD), lập kế hoạch sản
xuất có sự trợ giúp của máy tính (CAP), đảm bảo chất lợng với sự trợ giúp
của máy tính (CAQ), sản xuất có sự trợ giúp của máy tính (CAM) và lập quy
trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính (CAPP), các tế bào gia công của
hệ, hệ thống tự động vận chuyển vật t, các Robot phục vụ cho hệ thống,
mạng cục bộ và các phần mềm hỗ trợ v.v. Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn
này ta chi đề cập đến một vài vấn đề quan trọng.
1.4.1 Bố trí trang thiết bị và mặt bằng sản xuất.
Chuẩn bi kỹ thuật cho sản xuất, bao gồm chuẩn bị về mặt không gian và
thời gian. Trong đó chuẩn bị về mặt thời gian là tìm ra loạt sản xuất hợp lý và
phơng thức di ®éng s¶n phÈm tèi −u ®Ĩ cho thêi gian s¶n xuất là thấp nhất.
Chuẩn bị về mặt không gian là xác định cấu trúc không gian và mặt bằng sản
xuất một cách hợp lý sao cho thời gian vận chuyển và giá thành vận chuyển là
thấp nhất. Trong đó vị trí của các máy đợc sắp xếp phù hợp với nhiệm vụ của
chúng và mối tơng quan giữa chúng với nhau. Một trong những vấn đề quan
trọng bậc nhất đặc trng cho các hệ thống sản xuất là việc bố trí mặt bằng sản
xuất của hệ thống. Đây là một trong những công việc chính trong vấn đề tổ
chức sản xt, nã ¶nh h−ëng trùc tiÕp tíi thêi gian chu kỳ sản xuất do đó ảnh
hởng tới năng suất lao động và giá thành sản phẩm.

18

Ngời ta có thể bố trí mặt bằng sản xuất theo nhiều kiểu chủng loại u
tiên, ví dụ trong các dây chuyền sản xuất loạt lớn ngời ta thờng bố trí các
cụm máy theo chức năng gọi là mặt bằng kiểu chức năng (cũng gọi là mặt
bằng kiểu quá trình). Trong bố trí này các máy móc đợc liên kết với nhau
theo chức năng của chúng chẳng hạn tất cả các máy phay với nhau, tất cả các
máy tiện với nhau v.v. Ng−êi ta cịng cã thĨ bè trÝ mỈt bằng sản xuất theo kiểu
sản phẩm, ví dụ trong các dây chuyền lắp ráp. Cũng có thể bố trí mặt bằng
theo kiểu kết hợp chức năng sản phẩm. Thông thờng mặt bằng sản xuất
cũng bao giờ cũng đợc bố trí phù hợp với các mối quan hệ theo trình tự của
quá trình công nghệ. Vì vậy đối với mỗi một loại hệ thống sản xuất riêng biệt
bao giờ ta cũng có một loại mặt bằng tối u. Thậm chí cho mỗi loại sản phẩm
cũng tồn tại mặt bằng tối u cho nó. Đi sâu vào vấn đề này xin xem thêm tài
liệu Một số vấn đề về tổ chức sản xuất trong công nghệ chế tạo máy của
PGS.TS Lê Văn Vĩnh (bài giảng chuyên đề cao học) Hà Nội 1997.
Trong các hệ thống gia công linh hoạt việc bố trí mặt bằng còn quan
trọng hơn vì tính chất tự động hoá cao, các quá trình quan hệ với nhau rất chặt
chẽ, vốn đầu t rất lớn nên việc tối u hoá mặt bằng sản xuất, tối u hoá chu
kỳ là rất cần thiết. Heragu và Kusaid vào năm 1988 đà phân tích hơn 50 hệ
thống sản xuất linh hoạt để đ ra phân loại mặt bằng sản xuất theo họ sản
phẩm cho một hệ thống linh hoạt dựa vào hƯ thèng vËn chun nguyªn vËt
liƯu. Chóng ta sÏ giíi thiệu qua năm loại mặt bằng này.
- Mặt bằng một hàng thẳng và hai hàng thẳng.
Trong loại mặt bằng này một hệ thống tự động vận chuyển nguyên vật
liệu rất có hiệu quả cho mặt bằng theo đờng thẳng, các máy móc đợc bố trí
theo đờng thẳng dọc theo chiều dài của hệ thống tự động vận chuyển nguyên
vật liệu trên hình vẽ 1.3 và 1.4.

19

M1
HTTDVCNVL
M1

M2

M2

M3

HTTDVCNVL
M3

M6

Hình vẽ 1.3

M5

M4

Hình vẽ 1.4

- Mặt bằng cung tròn.

M3

Nếu trong hệ thống gia
công linh hoạt có một Robot

M2

M4

phục vụ cho nhiều máy gia công
thì ngời ta thờng bố trí theo
M1

kiểu mặt bằng cung tròn. Các

M5
R

máy gia công bố trí theo vòng

Dỡ chi tiết

Cấp phôi

cung quanh Robot nh hình vẽ
1.5.

Hình vẽ 1.5
- Mặt bằng theo vùng.
Trên hình vẽ 1.6 Robot phụ trách cả một vùng mặt bằng. Nó di chuyển

giữa các máy để cung cấp phôi và dỡ chi tiết nhờ vào các cánh tay dài.
M1

M2

M3

M4

R
M9
M5

M10
M6

M7

Hình vẽ 1.6

M8


20

- Mặt bằng kiểu vòng lặp.
Mặt bằng kiểu này sử dụng một hệ thống băng tải để vận chuyển các
chi tiết phôi theo một vòng lặp. Các loại máy móc đợc sắp xếp quanh hệ
thống băng tải nh hình vẽ 1.7.
8

7

6

9
1

5
2
3

4

Hình vẽ 1.7
Trong đó:
M = máy.
R = robot.
1 = là trạm dỡ

6 = máy khoan đứng

2 = là trạm cấp phôi

7 = máy phay

3 = trạm phay khoan

8 = trạm làm sạch

4 = trạm tiện

9 = trạm kiểm tra

5 = trung tâm gia công nằm ngang

10 = hệ thống băng tải.

- Mô hình mặt bằng một hàng thẳng
Mô hình này đợc nghiên cứu kỹ nhờ Neghabat (1974), Heragu và
Kusaik (1988). Tại mô hình này các máy đợc xếp theo một đờng thẳng,
mục tiêu nhằm xác định khoảng cách và thứ tự các máy sao cho tổng giá
thành vận chuyển chi tiết giữa các máy đạt cực tiểu. Ta đa ra các ký hiệu:
m = số lợng máy.
Fij = tần suất vận chuyển giữa tất cả các cặp máy (cho i j).
Cij = giá thành vận chuyển đơn vị giữa các cặp máy (cho i j).


21

Li = chiều dài của máy thứ i
Dij = khoảng cách giữa hai máy i và j.
Xj = khoảng cách giữa máy thứ j và đờng chuẩn thẳng đứng trên hình
1.7
Khi đó ta có hàm giá thành cần tối thiểu lµ:
m −1

Z =∑

m

∑c

f ij xi − x j1

(1.6)

1
(li + l j ) + d ij
2

(1.7).

i =1 j =i +1

ij

Trong ®ã:
xi x j

cho tất cả i và j = 1, 2, , m-1
và j = i+1, 2, .., m-1
Công thức (1.6)biểu diễn tổng giá thành vận chuyển giữa các máy. ràng
buộc (1.7) để đảm bảo không có sự chồng chất lên nhau giữa các máy. mô
hình này có thể đợc giải bằng thuật toán tổng quát tìm min đối với hệ phơng
trình tuyến tính có các hệ số nguyên. Nhng có thể đa ra giải thuật đơn giản
sau.
Giải thuật cho các loại mặt bằng kiểu cung tròn và một hàng thẳng.
Mục tiêu của thuật giải là thu nhỏ tổng giá thành vận chuyển giữa các
máy.

xj
xi
Máy thứ i
li

Máy thứ j
dij

Lj

Hình vẽ 1.8: Vị trí của các máy so với đờng chuÈn


22

Dữ liệu cần có:
- Số lợng máy m.
- Tần suất vận chuyển giữa tất cả các cặp máy (cho i # j), fij
- Giá thành vận chuyển đon vị giữa các cặp máy (cho i # j), cij
Bớc 1: từ các ma trận tần xuất và giá, xác định ma trận xuất phát điều
chỉnh luồng nh sau:
F = f ij = f ij cij

(1.8).

Bớc 2: xác định

[

f p 'q ' = max f ij , i, j

]

(1.9)

Đạt đợc giải pháp bộ phận bằng cách nối i với j. Đặt
f i' j' = f

j 'i '

=

Bớc 3: xác định
f

p 'q '

= max f i 'k . f

j 'l

: k = 1,2,3....m : l = 1,2..., m

(1.10)

B−íc 3.1: nèi q’ vµo p vàthêm q vào giải pháp bộ phận
Bớc 3.2: xoá hµng p’ vµ cét q’ khái ma trËn f ij .
Bớc 3.3: nếu p = i, đặt i = q, nếu không đặt j = q.
Bớc 4: quay lại bớc 3 cho đến khi tất cả các máy đợc phục vơ trong
gi¶i tht.

VÝ dơ tÝnh:
Trong mét hƯ thèng s¶n xt linh hoạt bao gồm năm máy đợc phục vụ
bằng hệ thống tự động vận chuyển bố trí theo đờng thẳng. Các dữ liệu về tần
suất vận chuyển giữa các máy, giá thành vận chuyển đơn vị giữa các máy và
khoảng cách làm việc an toàn giữa các máy đợc cho theo b¶ng sau:


23

Bảng 1.1: tần xuất vận chuyển giữa các máy
Máy

1

2

3

4

5

1

0

20

70

50

30

2

20

0

10

40

15

3

70

10

0

18

21

4

50

40

18

0

35

5

30

15

21

35

0

Bảng 1.2: giá thành vận chuyển đơn vị giữa các máy.
Máy

1

2

3

4

5

1

0

2

7

5

3

2

2

0

1

4

2

3

7

1

0

1

2

4

5

4

1

0

3

5

3

2

2

3

0

Bảng 1.3: khoảng cách giữa các máy
Máy

1

2

3

4

5

1

0

2

1

1

1

2

2

0

1

2

2

3

1

1

0

1

2

4

1

2

1

0

1

5

1

2

2

1

0

Bảng 1.4: kích thớc của các m¸y
M¸y

M1

M2

M3

M4

M5

KÝch th−íc

10*10

15*15

20*30

20*20

25*15


24

Giải pháp
Bớc 1: xác định ma trận điều chỉnh luồng nh− sau:
1

2

3

4

5

1

0

40

490

250

90

2

40

0

10

160

30

3

490

10

0

18

42

4

250

160

18

0

105

5

90

30

42

105

0

B−íc 2: tõ ma trËn ®iỊu chØnh lng ta xác định đợc máy 1 và3 trong
giải pháp bộ phận, sau đó nối chúng lại.

Bớc 3: thêm máy 4 vào giải pháp bộ phận, nh đợc nối nó với máy 1.
Xoá hàng 1 và cột 1 từ ma trận.
Bớc 3.1: thêm máy 2 vào giải pháp bộ phận, nh đợc nối nó
với máy 1.
Xoá hàng 4 và cột 4 từ ma trận.
Bớc 3.2: thêm máy 5 vào giải pháp bộ phận.
Bớc 4: vì tất cả các máy đà đợc nối, dừng quá trình lại. Sự nối tiếp
giữa các máy chung cuộc là 5, 2, 4, 1, 3. Nó đợc thu xếp cho sự điều chỉnh
luồng trọng lợng ngày càng tăng trong khi giữ kết nối giữa các máy.
Tơng ứng mặt bằng chung cuộc đợc sắp đặt về thứ tự và khoảng cách giữa
các máy đợc cho thấy nh hình vẽ 1.9.


25

Hệ thống vận chuyển tự động

M5

M2

2

M4

2

M1

1

M3

1

Hình vẽ 1.9: Sơ đồ mỈt b»ng cđa vÝ dơ.
1.4.2 Robot phơc vơ hƯ thèng.
Tõ Robot đợc dùng với nghĩa là lao động trong một vở hài kịch tờng
tợng mang tên Robot vạn năng của Rossum viết bởi Karel Capek vào năm
1921. Kỹ thuật Robot, cùng với sự phát triển trong những lĩnh vực vi xử lý và
điều khiển số đà đạt đợc nhiều tiến bộ trong lĩnh vực tự động hoá. Vào năm
1954 Cyril Walter Kenwardowr Anh và G.C. Devol ở Hoa Kỳ đà là những
ngời đầu tiên phát triển công nghệ Robot. Ngôn ngữ lập trình cho Robot kiểu
đầu tiên phát triển tại Viện nghiên cứu Stanford (SRI) vào năm 1973 trong
nghiên cứu có tên gọi là WARE, sau đó là ngôn ngữ AL vào năm 1974. Hai
ngôn ngữ phát triển sau này trong ngôn ngữ VAL thơng mại cho Unimation
bởi Victor Scheinman và Bruce Simano. Vào những năm 1980 vài hệ thống
lập trình ngoại tuyến đà đợc phát triển. Từ đó vài kiểu Robot đà đợc xây
dựng và vài ngôn ngữ lập trình cho Robot đà đợc phát triển.
Robot là thiết bị có 3 dặc trng sau:
- Đợc tự động hoá: có thể vận hành không cần giúp đỡ của con
ngời.
- Có thể lập trình lại đợc: nó có thể đợc lập trình để thực hiện nhiệm
vụ của nó theo các cách khác nhau.
- Có thể làm đợc nhiều việc khác nhau hoàn toàn nh lắp ráp và gá
lắp phôi cho máy c«ng cơ.