titulnyEfektívnosť materiálového toku a procesov je možné dosiahnuť optimalizáciami a simulačnými modelmi. Simulačné modely majú schopnosť odhaliť neefektívne miesta a operácie vo výrobnom procese už pri jeho návrhu [1].

V článku je opísané využitie software Plant Simulation na tvorbu simulačného modelu výrobného procesu obrábacieho centra VTC200C. Na optimalizáciu výrobného procesu bol využitý genetický algoritmus [7], [8]. Je to algoritmus, ktorý sa sám učí a hľadá najlepšie riešenie na základe vstupných dát. Optimalizácia je vykonaná na základe výstupných dát zo simulačného modelu. Na základe výsledkov optimalizácie bol navrhnutý efektívnejší výrobný plán vo vybranej firme.

Opis súčasného stavu
Firma vyrába komponenty vo výrobnej hale na viacerých obrábacích centrách súčasne. Jednotlivé obrábacie centrá sú rozložené po hale a nevytvárajú výrobnú linku. Výrobný plán je stanovený na dané obdobie a je potrebné, aby sa výroba uskutočnila za čo najkratší čas. Každé obrábacie centrum má svoj samostatný výrobný plán, pozostávajúci z viacerých sérii obrobkov, ktorý sa dodržuje pri výrobe. Pri spustení výroby a využívaní viacerých obrábacích centier súčasne, nastáva problém počas procesu menenia nástrojov, z dôvodu využívania rovnakých nástrojov na viacerých obrábacích centrách súčasne.
Systém MATRIX eviduje pohyb a stav nástrojov, ktoré sa nachádzajú v sklade, avšak MATRIX nevie povedať, kde sa nástroj nachádza, iba kedy bol nástroj vybraný zo skladu. Nastáva situácia, pri ktorej sa nástroj nevráti do skladu a zároveň je potrebný na výrobu nasledujúceho výrobku. Tento stav nastáva pri situáciách, keď sa operátor obrábacieho centra rozhodne, že nástroj bude potrebný neskôr pri výrobe iného typu výrobku na stroji, pri ktorom pracuje a nezoberie do úvahy možnosť, že nástroj môže byť potrebný pri inom obrábacom centre.
Ďalšie potrebné riešenie je z pohľadu optimalizácie výrobného plánu, ktoré spočíva v redukovaní úkonov vkladania a vykladania nástrojov pri menení výrobnej série obrobkov a zníženie priebežného času výrobného plánu.
Na obr. 1 je znázornená výrobná hala firmy. Na layoute je zobrazené obrábacie centrum VTC200C, sklad nástrojov MATRIX a v ľavom rohu layoutu sa vykonáva kontrola obrobkov.

Obr. 1 Layout výrobnej haly v danej firme
Obr. 1 Layout výrobnej haly v danej firme

Výrobný postup na stroji VTC200C

Výrobný postup na CNC obrábacom centre VTC200C pozostáva z merania a kalibrácie nástrojov, výroby a úpravy hrán a kontroly rozmerov obrobku. Počas výroby sa opotrebovávajú rezné platničky nástrojov a ich výmena je súčasťou výrobného procesu.

Meranie a kalibrácia nástrojov pri procese výmeny nástrojov pri zmene série výroby
Prvou a základnou operáciou je výber a kalibrácia nástrojov, ktoré sú potrebné na obrábanie daného obrobku. Operátor je informovaný o výrobnom pláne predákom výrobnej haly. Pri ukončení výroby predošlej série obrobkov dochádza ku procesu výmeny nástrojov. Výmenu a kalibráciu vykonáva nastavovač, ktorý má informáciu, aké nástroje sú potrebné pri výrobe nasledujúceho obrobku. Nastavovač vyberie potrebné nástroje a z MATRIXU (obr. 2) vyberie rezné platničky. Rezné platničky namontuje na nástroj a vykoná kalibráciu nástroja.
Nástroj má definovanú pozíciu v zásobníku nástrojov. Nástroje sa menia na základe technickej dokumentácie ku jednotlivým výrobkom a vkladajú sa do zásobníka spolu s držiakom, ak sa na danej pozícii nachádza rozdielny držiak s nástrojom, je potrebné predošlý držiak s nástrojom vybrať a vložiť nový. Ak predchádzajúci držiak je rovnaký a nástroj je rozdielny, prebehne výmena nastroja. Pri sériovej výrobe je potrebné veľké množstvo rôznych rezných nástrojov a držiakov.

Obr. 2b Systém MATRIX sklad rezných doštičiek Obr. 2b Systém MATRIX sklad rezných doštičiek
Obr. 2 Systém MATRIX - sklad rezných doštičiek

Nástroje používané pri výrobe na obrábacom centre VTC200C

Na tab. 1 je znázornený príklad nástroja a jeho technické parametre dôležité pre simuláciu. V technickej dokumentácii sa nachádza meno a priemer používaného nastroja (Stopková fréza ø16). V zozname používaných nástrojov sa nachádzajú viaceré nástroje s rovnakým menom, ale s rozličnými technickými parametrami nástroja.

Obr. 3 Nástroj a jeho špecifikácie
Tab. 1 Nástroj a jeho špecifikácie

Na rozlíšenie slúži označenie nástroja (GSXVL 4160-R10-2.5D), slúžiace na presnú identifikáciu nástroja. Nástroj sa vkladá do presne určeného držiaka (ISO 40 TENDO E compact). Niektoré typy držiakov je možné použiť na viacero typov nástrojov. Životnosť nástroja (50min) je udávaná v minútach a udáva nám, či je nástroj ešte použiteľný alebo je potrebné vymeniť reznú platničku. Taktiež v technickej dokumentácii je udaný úbytok životnosti v minútach (1:25 min) pri vyrobení jedného kusu výrobku. Tieto parametre sú dôležité pre simuláciu a mapovanie, ako často sa nástroje opotrebovávajú a následne vymeniť rezné platničky. Ďalším parametrom je počet rezných hrán na nástroj. Rezné platničky majú viacero rezných hrán. Priemerný počet rezných hrán na jeden nástroj je 4. Počet rezných platničiek je stanovený na základe technickej dokumentácie. Tieto parametre sú dôležité pri simulovaní procesu vymieňania rezných platničiek.

Obr.3 Meracie zariadenie nástrojov Zoller Venturion 450 a proces merania nástrojov Obr.3b Meracie zariadenie nástrojov Zoller Venturion 450 a proces merania nástrojov
Obr. 3 Meracie zariadenie nástrojov Zoller Venturion 450 a proces merania nástrojov

Kalibrácia je vykonávaná na meracom zariadení Zoller Venturion 450. Nástroj sa upne do držiaka nástrojov na meracom zariadení a sondou je zmeraný rozmer a poloha reznej platničky. Tento proces merania sa absolvuje, pre každý nástroj vkladaný do stroja pred výrobou.

Obrábacie centrum VTC200C
Práca sa zaoberá simuláciou a optimalizáciou výrobného plánu obrábacieho centra VTC200C. Zásobník na nástroje má 29 pozícií a 1 pozíciu pre meraciu sondu. Stroj je 3 - osový s možnosťou pridania štvrtej osi. Obrábacie centrum má obrábaciu komoru rozdelenú na dve časti, čo umožňuje urýchľovať výrobu. Pri niektorých obrobkoch je potrebné obrábať obrobok z dvoch strán. V pravej časti komory sa obrobí vrchná časť obrobku, zatiaľ čo v druhej časti komory sa opracováva predošlý obrobok z druhej strany. Týmto procesom dochádza ku eliminovaniu prestojov vo forme otvárania, zatvárania dverí a manipuláciou obrobku.

Obr.4 Obrábacie centrum VTC200C a zásobník nástrojov Obr.4b Obrábacie centrum VTC200C a zásobník nástrojov
Obr. 4 Obrábacie centrum VTC200C a zásobník nástrojov

Úprava hrán obrobkov je vykonávaná pomocou ručných nástrojov. Úpravu vykonáva operátor, zatiaľ čo obrábacie centrum je v prevádzke a nepotrebuje zásah operátora. Operátor opracováva obrobky na pracovnom stole vedľa obrábacieho centra.

Obr. 5 Pracovný stôl na úpravu hrán obrobkov a ručné nástroje na úpravu hrán Obr. 5b Pracovný stôl na úpravu hrán obrobkov a ručné nástroje na úpravu hrán
Obr. 5 Pracovný stôl na úpravu hrán obrobkov a ručné nástroje na úpravu hrán

Kontrola rozmerov obrobku

Kontrola rozmerov obrobku (obr. 6) je vykonávaná vždy pri prvom výrobku série. Kontrola rozmerov slúži na správne nastavenie a uloženie obrobku do prípravku a vykonávaná na meracom zariadení [2]. Výroba nemôže pokračovať pokiaľ obrobok nespĺňa zadefinované tolerancie rozmerov.

Obr. 6 Proces kontroly rozmerov obrobku
Obr. 6 Proces kontroly rozmerov obrobku

Proces výmeny rezných platničiek počas výrobného procesu

Pri opotrebovaní rezných platničiek operátor preruší výrobu na obrábacom centre a vyberie opotrebovaný nástroj. Nástroj vloží do držiaka na nástroj a otočí každú reznú platničku za podmienky, že nie sú opotrebované všetky rezné hrany reznej platničky. Po otočení rezných platničiek je potrebné vykonať kontrolu a meranie platničiek, ktorá sa vykonáva na meracom stroji Zoller Venturion 450 (obr. 7).

Obr. 7 Proces menenia rezných platničiek
Obr. 7 Proces menenia rezných platničiek

Meranie procesných časov
Meranie výrobných časov bolo vykonávané pri výrobe výrobku 105911_BremStraeger (brzdový štít). Výroba pozostáva z dvoch operácií. Z technickej dokumentácie je možné získať hodnoty jednotlivých rezných nástrojov v zábere na výrobok. Túto hodnotu bolo potrebné rozšíriť o konštantu na jeden nástroj, ktorá sa získavala z merania výrobného času a je využitá pri vytváraní simulačného modelu. Výrobný čas bude rozšírený o vypočítanú hodnotu.
Pre simuláciu sme potrebovali sčítať výrobné časy oboch operácií, vylúčiť najvyššiu a najnižšiu hodnotu a vytvoriť priemernú hodnotu výrobného času. Následne bolo potrebné odčítať nameranú hodnotu od hodnoty z technickej dokumentácie a podeliť ju počtom nástrojov použitých na výrobu105911_BremStraeger. Dosiahli sme konštantu, ktorá sa bude v simulácii pripočítavať ku všetkým výrobným časom, na základe počtu použitých nástroj na daný výrobok.
Po meraniach sme zistili priemerný výrobný čas na výrobok bez maximálnej a minimálnej hodnoty: 1141 sekúnd, pri použití 17 nástrojoch je pridaná hodnota na jeden nastroj 5,85 sekundy.
Pri analýze boli namerané hodnoty menenia rezných platničiek. Do simulácie bolo potrebné zadefinovať hodnotu menenia jednej reznej platničky. Hodnota bola získaná meraním a následne vypočítaná z aritmetického priemeru na jednu reznú platničku. Hodnota pre simuláciu je 43 sekúnd. Táto hodnota je v simulácií využívaná pri výpočte času menenia nastroja.

Výrobný plán obrábacieho centra VTC200C
Vo výrobnom pláne sa nachádza 14 typov obrobkov, ktoré sú obrábané na obrábacom centre VTC200C. Výrobný plán je stanovený na dva týždne a obsahuje 1842 vyrobených kusov. Vo výrobnom pláne sa nachádzajú zložitejšie obrobky s dlhými výrobnými časmi, ale aj jednoduchšie obrobky s kratšími výrobnými časmi.

Vytvorenie parametrického simulačného modelu obrábacieho centra VTC200C v prostredí Plant Simulation
Parametrický simulačný model je vytvorený v simulačnom prostredí Plant Simulation. Plant Simulation je program využívaný na vytváranie simulácií materiálového toku, výrobných liniek, skladov, ale má možnosť vytvárať rôzne druhy simulácii vo výrobnom procese [4,5]. Simulácia nebude pokrývať výrobnú linku, ale výrobný proces jedného obrábacieho centra a pohyby nástrojov v ňom.
Parametrický model je vytvorený s možnosťou budúceho rozšírenia a pridania do simulácie viaceré obrábacie centrá a pokryť celú výrobnú halu [3]. Toto rozšírenie by slúžilo na mapovanie materiálového toku výrobnej haly a využitie pracujúceho personálu. Výhoda parametrického modelu spočíva v možnosti zmeny základných hodnôt bez toho, aby sa menil algoritmus. Na obr. 8 je znázornená základná schéma simulačného modelu výrobného pracoviska obrábacieho centra VTC200C.

Obr. 8 Schéma simulácie v Plant Simulation
Obr. 8 Schéma simulácie v Plant Simulation

Pred podrobným opisom programu a jeho funkčnosti je dôležité opísať simulovanie a nastavenie výrobných pracovníkov a objektu Zasobnik_Stroj1.

Objekt výrobní pracovníci
V Plant Simulation na simulovanie pracovníkov slúži skupina objektov:
- WorkerPool, miesto zobrazujúce neaktívnych a dostupných pracovníkov,
- Worker, pracovník,
- Broker, objekt slúžiaci na riadenie pracovníkov na základe ich kompetencii.
Workeri sú rozdelení do dvoch WorkerPoolov. V objekte s názvom WorkerPool sa nachádza Operator a Nastavovac a v objekte s názvom WorkerPool1 sa nachádza Merac. Tieto vlastnosti sa nastavujú v nastaveniach workerov, v záložke attributes a okne Services. Jednotlivé kompetencie pracovníkov sú znázornené na obr. 9.

Obr. 9 Kompetencie pracovníkov v simulačnom modeli A Operator B Merac C Nastavovac
Obr. 9 Kompetencie pracovníkov v simulačnom modeli A) Operator B) Merac C) Nastavovac

Objekt Zasobnik_Stroj1
Objekt Zasobnik_Stroj1 reprezentuje zásobník obrábacieho stroja a poskytuje pracovné dáta získané z vstupných databáz ku jednotlivým nástrojom a operáciám pri výrobe. Objekt Zasobnik_Stroj1je vo forme 30 riadkovej tabuľky z toho 29 riadkov reprezentuje pozície v zásobníka obrábacieho centra VTC200C. Posledná pozícia je určená pre sondu a neuvažuje sa v simulácii.
Dáta obsahujúce objekt Zasobnik_Stroj1:
- pozícia v zásobníku (poradové číslo pozície v zásobníku obrábacieho centra VTC200C),
- názov nástroja (názov jednotlivého nástroja uloženého na danej pozícii),
- označenie nástroja (bližšia charakteristika nástroja),
- držiak nástroja (názov držiaka prislúchajúcemu nástroju),
- počet rezných hrán na reznej platničke,
- maximálna životnosť nastroja [s],
- aktuálna životnosť nastoja [s],
- percentuálna životnosť nastroja[%],
- výmena nástroja T/F (hodnota slúžiaca ako indikácia pre simuláciu pri poklese životnosti nástroja pod kritickú hodnotu a je nutná výmena rezných platničiek),
- počet rezných platničiek na nástroji,
- čas výmeny nastroja[min],
- čas výmeny držiaka s nástrojom[min],
- dĺžka práce[min] (čas nástroja v zábere na jeden kus obrobku),
- využívanie nastroja (True/False signalizuje používanie nástroja na momentálny vyrábaný obrobok).

Opis funkčnosti simulačného modelu
Simulačný model je parametrický, z čoho vyplýva, že simulácia je založená na vstupných dátach, ktoré sú zadefinované v excel súboroch. Tieto dáta obsahujú informácie vychádzajúce z technickej dokumentácii poskytnutej firmou a sú to informácie ako napr. nástroje potrebné na jednotlivé výrobky, výrobné časy, parametre nástrojov atď. Niektoré hodnoty sú zadefinované priamo v modeli a sú potrebné na správny chod simulácie. Funkčnosť a podrobné informácie o týchto objektoch a údajoch budú opísané v nasledujúcej časti príspevku.

Príprava vstupných dát pre simuláciu
Prvý krok v simulácii je vykonávaný importovaním excel súboru do prostredia Plant Simulation. Objekt Import vo forme tabuľky má funkciu prepojiť .xls (excel) súbory obsahujúce všetky informácie o nástrojoch, parametre nástrojov a ich použitie na výrobkoch. Výhodou využitia Importu je prehľadná a jednoduchá manipulácia so vstupnou databázou nástrojov, pre simuláciu vo forme .xls tabuľky. Ukážka importovaných dát na obr. 10.
Tabuľka obsahuje nasledovné údaje:
- názov nástroja,
- označenie nástroja,
- držiak nástroja,
- pozícia nástroja v zásobníku,
- počet rezných hrán rezných platničiek,
- maximálnu životnosť nástroja,
- počet rezných platničiek na nástroji,
- čas výmeny,
- čas výmeny nástroja s držiakom,
- rezné časy nástrojov pre jednotlivé obrobky.

Obr. 10 Importované dáta z excelu do prostredia Plant Simulation
Obr. 10 Importované dáta z excelu do prostredia Plant Simulation

Ďalším krokom Method_Init je vyplnenie tabuľky objektu Databaza_nastrojov. Databaza_nastrojov reprezentuje statickú databázu s rovnakými hodnotami ako Import a slúži ako základný prehľad o nástrojoch a ich využití. Je vytvorená do objektu Pracovna_Databaza_nastrojov vo forme tabuľky. Slúži na zaznamenávanie aktuálnych životností a počet dostupných rezných hrán na všetkých nástrojoch. Spolu s vytváraním vstupných databáz Methoda_Init má za úlohu pripraviť objekt Vyrobne_casy na základné hodnoty z technickej dokumentácie. Táto operácia je potrebná z dôvodu menenia hodnôt výrobných časov počas simulácie o pridané konštanty a upravenie hodnôt na reálne hodnoty výrobných časov výrobkov.
Ako posledná operácia Method_Init je nastavenie objektu Zasobnik na počiatočné hodnoty. Objekt Zasobnik je SubFrame simulačného modelu a reprezentuje zásobník stroja VTC200C.

Simulovanie výrobného procesu obrábacieho centre VTC200C
V tejto časti príspevku je opísaný nasimulovaný výrobný postup a všetky operácie a objekty potrebné ku vykonaniu tohto procesu.
Výrobný proces na obrábacom centre VTC200C sa skladá z viacerých operácií:
- vkladanie a vykladanie nástrojov potrebných na výrobu,
- výroba,
- ručná úprava hrán,
- kontrola rozmerov výrobku,
- proces výmeny rezných platničiek.

Simulačný model obsahuje viaceré pomocné operácie a objekty potrebné pre vytvorenie simulácie, v skutočnosti sa však tieto operácie nevykonávajú a nie sú nosnými prvkami simulácie.
V ďalšej časti príspevku vzhľadom na rozsiahlosť riešenia sa sústredíme objasnenie niektorých činností a na dosiahnuté výsledky.

Simulovanie procesu výmeny nástrojov v simulačnom modeli
Proces výmeny nástroja sa začína prepnutím hodnoty Pouzivanie_nastroja všetkých nástrojov upnutých v objekte Zasobnik_Stroj1 na False. Ak ide o prvý výrobok výrobného plánu, táto operácia sa nevykoná.
Následne sa vynulujú 4 počítadlá slúžiace na zber dát zo simulácie výrobného procesu. Sú to objekty Variable s nastavením v záložke Value a v možnosti Data type je vybratá možnosť time a initial value je nastavená na 0.
Cas_vkladania – čas vkladania jedného nástroja do zásobníka,
Cas_vykladania- čas vykladania jedného nástroja zo zásobníka,
Cas_menenia_VRD – dĺžka výmeny rezných platničiek pri opotrebení,
Celkovy_Setup_cas – celkový čas prestojov počítaný na jednu sériu výrobkov.
Dáta sú zapisované počas výrobnej série. Pri zmene sérii sa hodnoty uložia do objektu Setup_Casy vo forme tabuľky, ktorá slúži ako prehľad časových prestojov počas výroby jednotlivých výrobkov.
Dáta sú zapisované počas výrobnej série. Pri zmene sérii sa hodnoty uložia do objektu Setup_Casy vo forme tabuľky, ktorá slúži ako prehľad časových prestojov počas výroby jednotlivých výrobkov.
Nasledujúci proces pracuje s databázou Pracovna_databaza_nastrojov a objektom Zasobnik_Stroj1. Prehľadávanie Pracovna_databaza_nastrojov je vykonané spojením zadefinovanej konštanty Dlzka_Prace_ a názvu entity z obr. 11 a). Spolu vytvárajú názov: Dlzka_Prace_Bremstraeger_105911_01. Na základe tohto názvu program vyberie potrebný nástroj pre výrobok, ak jeho hodnota je nenulová. Na obr. 12 je znázornený stĺpec hodnôt dĺžky práce pre výrobok Bremstraeger_105911_01.

Obr. 11 a Rozdielne názvy entity Obr. 11 b Rovnaké názvy entity
Obr. 11 a) Rozdielne názvy entity b) Rovnaké názvy entity
Obr. 12 Stĺpec hodnôt dĺžky práce pre výrobok Bremstraeger 105911 01
Obr. 12 Stĺpec hodnôt dĺžky práce pre výrobok Bremstraeger_105911_01

Po nájdení potrebného nástroja program prekopíruje všetky príslušné dáta z objektu Pracovna_databaza_nastrojov do objektu Zasobnik_Stroj1. Algoritmus zapisuje dáta nástroja do zadefinovaného riadku, reprezentujúceho pozíciu v zásobníku. V objekte Zasobnik_Stroj1 sú zapísané nástroje potrebné pre výrobnú sériu. Pri zapisovaní dát do objektu Zasobnik_Stroj1 sa všetkým novo vloženým, alebo upraveným nástrojom, nastaví hodnota True v stĺpci Pouzivanie_nastroja. Nepoužívaným nástrojom pre výrobnú sériu ostala hodnota False, ktorá signalizuje nepoužívanie nástroja pre aktuálnu výrobnú sériu (obr. 13).

Obr. 13 Ukážka objektu Zasobnik Stroj1
Obr. 13 Ukážka objektu Zasobnik_Stroj1

Grafická signalizácia zásobníku stroja
Ďalším krokom programu je spustenie metódy Spustanie_nastrojov. Táto metóda riadi objekt SubFrame s názvom Zasobnik a slúži ako grafické znázornenie zásobníka nástrojov. V objekte Zasobnik (obr. 14) sa nachádza 30 pozícii z toho 29 pozícii sú pozície pre rezné nástroje a 1 pozícia je určená na Sondu. Pri každej pozícii nástroja sa mení signalizácia na základe:
Rezný nástroj je upevnený v pozícii a využíva sa pri výrobnom procese.
Rezný nástroj je upevnený v pozícii, ale využíva sa pri výrobnom procese.
V pozícii zásobníka sa nenachádza rezný nástroj.
Pozície v zásobníku sú pomenované N1-29. Pri vložení rezného nástroja do pozície zásobníka sa automaticky zobrazí označenie rezného nástroja a či sa pri momentálnom výrobku používa. ObjektZasobnik je vytvorený pomocou 30 SingleProc-ov, ktorým sa menia ikony objektu podľa signálov a 30 Variable objektov, kde sa zapisuje označenie nástroja uloženého v danej pozícii. Metóda Spustanie_nastrojovpracuje s objektom vo forme tabuľky s názvom Pozicie_nastrojov, ktorá je zobrazená na obr. 14. Prvý stĺpec s názvom Pozícia reprezentuje číselné označenie miesta v zásobníku. Stĺpec Signalizacia a Oznacenie_nastroja majú charakter object. V stĺpci Signalizacia sú objekty SingleProc a v Oznacenie_nastroja sa nachádzajú objekty variable.

Obr. 14 Objekt Pozicie nastrojov a objekt Zasobnik pri výrobe Bremstraeger Obr. 14b Objekt Pozicie nastrojov a objekt Zasobnik pri výrobe Bremstraeger
Obr. 14 Objekt Pozicie_nastrojov a objekt Zasobnik pri výrobe Bremstraeger

Optimalizovanie výrobného plánu
Simulačný model výrobného procesu na obrábacom centre VTC200C poskytol dáta pre optimalizáciu výrobného plánu zadaným vybranou firmou. Optimalizácia je vykonaná pomocou prvku GAWizard. GAWizard pracuje na základe genetického algoritmu. Na základe výstupov zo simulačného modelu bola vytvorená optimalizácia výrobného plánu, ktorá spočívala v znížení prestojov pri zmene výrobných sérii. Optimalizácia má za úlohu nájsť optimálny výrobný plán z pohľadu výmeny nástrojov, aby výmena nástrojov bola efektívnejšia.
Nastavovali sme Optimazation direction slúžiaci na hľadanie maxima alebo minima optimalizovanej hodnoty. V našom prípade je zvolené minimum. Ďalšími parametrami sú Number of generations a Size of generation. Sú to parametre udávajúce presnosť výsledkov genetického algoritmu. Optimization parameter určuje parametre, s ktorými bude algoritmus pracovať. Optimalizovaná hodnota je zadaná v sekcii Fitness calculation a je vybratá hodnota Celkovy_setup_vyrobny_plan. Genetický algoritmus bol nastavený na 10 generácii s veľkosťou 30 výpočtu, tieto hodnoty boli vybrané za účelom dosiahnuť čo najlepší výsledok. Optimálnu hodnotu našiel algoritmus v 5. generácii a prerušil následné prepočítavanie možností.

Výsledky riešenia
Na základe vstupných dát prvok GAWizard zoptimalizoval výrobný plán. Na obr. 15 a) je zobrazený výrobný plán, pôvodné a nové poradie výrobkov. Novým poradím pri výrobnom pláne sme znížili hodnotu (obr. 15 b) Celkovy_setup_vyrobny_plan na 2dni 11hodín 37minút a 12 sekúnd.

Obr.15 a Optimalizovaný výrobný plán Obr.15 b Časy prestojov pri novom výrobnom pláne
Obr.15 a) Optimalizovaný výrobný plán, b) Časy prestojov pri novom výrobnom pláne

Optimalizáciou výrobného plánu bolo dosiahnutie zníženie prestojov pri výrobnom procese o 40 minútu a 46 sekúnd. Optimalizácia spočíva v zmenení poradí výrobkov vo výrobnom pláne za účelom efektívnej výmeny upnutých a vkladaných nástrojov do zásobníka obrábacieho centra VTC200C.
Prvok GAWizard disponuje možnosťou vytvoriť HTML report. V reporte sa nachádzajú informácie ohľadom simulačného modelu, kedy bola optimalizácia vykonaná, koľko trvala a výsledok optimalizácie. Report obsahuje aj dva informačné grafy.
Graf na obr. 16 zobrazuje najlepší priemerný a najhorší výsledok v generácii. Na osi Y sa nachádzajú časové hodnoty a na osi X je počet generácii. Graf znázorňuje postupné hľadanie lepšieho optimalizovaného parametru. V prvej generácii sú znázornené najvyššie hodnoty pre optimalizačný parameter. V poslednej generácii má krivka neklesajúci charakter a indikuje nájdenie minimálnej hodnoty optimalizačného parametra.
Na obr. 17 je znázornený graf zobrazujúci všetky vypočítané hodnoty genetickým algoritmom. Graf znázorňuje najvyššie aj najnižšie hodnoty výsledkov.

Obr. 16 Graf priebehu hľadania minima v genetickom algoritme
Obr. 16 Graf priebehu hľadania minima v genetickom algoritme
Obr.17 Graf vypočítaných všetkých hodnôt počas priebehu genetického algoritmu
Obr.17 Graf vypočítaných všetkých hodnôt počas priebehu genetického algoritmu

Ďalšou úsporou pri simulácií je ušetrený čas v chôdzi pracovníka s názvom Operator pri procese výmeny rezných platničiek. Po optimalizácii sa nástroje opotrebovávajú viaceré naraz a tým je zabezpečená efektívnejšia výmena rezných platničiek. Operátor vymení viacero nástrojov naraz a tým sa ušetrí chôdza Operátora ku pracovisku sú znázornené štatistické hodnoty Operatora (obr. 18a). Pri pôvodnom výrobnom pláne Operator pracuje 98,01% celkového výrobného času a prejde 30102 metrov počas výrobného plánu. Na obr. 18 b) je vidieť zmenu týchto hodnôt na 98,18% práce a pokles hodnoty chôdze na 26 883metrov.

Obr. 18 a Štatistiky Operator pred optimalizáciou Obr. 18 b Štatistiky Operatora po optimalizácii
Obr. 18 a) Štatistiky Operator pred optimalizáciou, b) Štatistiky Operatora po optimalizácii

Závery
V príspevku bol opísaný návrh parametrického simulačného modelu v prostredí Plant Simulation, ktorý sa použil slúžiaci na optimalizáciu výrobného plánu na obrábacom centre VTC200C. Pri vytváraní simulácie bolo vytvorených viacero variant simulačného modelu a na základe prezentovania v danej firme, bola vybraná finálna verzia simulačného modelu. Prvotný návrh spočíval v jednoduchej simulácii obrábacieho centra VTC200C, ale po konzultácii s danou firmou sa pridali aj ďalšie pracoviská a procesy spojené s výrobným procesom.
Simulačný model priniesol optimalizáciu výrobného plánu o 40 minút a 46 sekúnd. Táto hodnota je dosiahnuteľná bez zásahu do výrobného procesu. Zmena by spočívala v zmenení poradia výrobného plánu. Simulačný model má potenciál byť rozšírený o ďalšie výrobné stroje a tým vytvoriť simulačný model celej haly a zefektívniť koordináciu medzi všetkými strojmi. Firma plánuje začať využívať simulačné a optimalizačné programy. Práca slúži aj ako ukážka pre danú firmu na možnosti využitia programu Plant Simulation a ako aj bez väčších investícii je možné zlepšiť efektivitu výrobných procesov. Simulácia priniesla skrátenie chôdze pracovníka a zefektívnenie procesu vymieňania rezných platničiek. Pri optimalizácii bol využitý prvok GAWizard využívajúci učiaci algoritmus. Geneticky algoritmus využíval výsledky simulácie ako vstupné dáta a na základe dát sa optimalizovalo poradie výrobkov vo výrobnom pláne bez väčších zásahov do výroby.

Článok bol spracovaný aj podporou projektu KEGA 027STU-4/2019 Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky.

Literatúra:
[1] Králik, M. - Jerz, V. - Paštéka, M. Optimization of the Machine and Device Layout Solution in a Specific Company Production. In Proceedings of the International Symposium for Production Research 2019 : ISPR 2019. Cham : Springer Nature Switzerland, 2020, S. 91-103. ISBN 978-3-030-31342-5. V databáze: SCOPUS: 2-s2.0-85076217817.
[2] Králik, M. - Tekulová, Z. - Chodasová, Z. Meranie na súradnicových meracích strojoch ako súčasť kvalitnej údržby strojových súčiastok. In Národné fórum údržby 2016 : zborník prednášok zo 16. ročníka medzinárodnej konferencie. Vysoké Tatry, 31.5. -1.6. 2016. 1. vyd. Bratislava : Slovenská spoločnosť údržby, 2016, S. 200-207. ISBN 978-80-554-1219-1.
[3] Randuška, D. Optimalizácia výrobného plánu na obrábacom centre VTC200C s využitím genetického algoritmu v simulačnom prostredí Plant Simulation pre spoločnosť Knott. Vedúci práce: doc. Ing. Marian Králik, CSc.
[4] Malega, P (2015): Možnosti simulácie výroby v Plant Simulation. In: The 18th International Scientific Conference Trends and Innovative Approaches in Business Processes “2015”, ISBN 978-80-553-2255-1
[5] SIEMENS (2019). Tecnomatix - Plant Simulation. Copyright © 2018 Siemens Product Lifecycle Management Software
[6] Němec, J. (2016). Effectiveness of Evolutionary Algorithms, In: https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=126810, Brno University of Technology
[7] Sekaj, I. (2004): Riešenie problémov pomocou genetických algoritmov. Automatizace, 47 (2004), N. 9, 552 – 554.
[8] Melanie, M. (1998) “An Introduction to Genetic Algorithms”. In MIT Press, ISBN 0-262-13316-4
[9] Bako, B., & Božek, P. (2016). Trends in simulation and planning of manufacturing companies. Procedia Engineering, 149, 571-575.
[10] Božek, P., & Kňažík, M., & Štollmann, V. (2014). Modern Planning and Control and Virtual Verification of Process Continuity of a New Production Line. Applied Mechanics and Materials Vol. 708, 167 – 172.

TEXT/ FOTO Marián Králik