Трухин В.В. Проектирование гибких производственных систем

Подождите немного. Документ загружается.

Рассмотрим основные понятия ГАП. Обобщенным понятием, рас-

пространенным на все организационные структуры и виды ГАП, явля-

ется понятие гибкая производственная система (ГПС).

ГПС – это несколько единиц технологического оборудования,

снабженного средствами и системами, обеспечивающими функциони-

рование оборудования в автоматическом режиме; при этом ГПС долж-

на обладать свойством автоматической переналадки при переходе на

производство новых изделий в пределах заданной номенклатуры. По

организационным признакам ГПС подразделяют на следующие виды:

гибкая автоматизированная линия (ГАЛ), гибкий автоматизированный

участок (ГАУ), гибкий автоматизированный цех (ГАЦ), гибкий автома-

тизированный завод (ГАЗ). ГАЛ и ГАУ состоят из гибких производст-

венных моделей (ГПМ) или отдельных единиц технологического обо-

рудования.

Под ГПМ понимается единица технологического оборудования,

оснащенная системой ЧПУ или каким-либо другим устройством ПУ и

функционирующая как самостоятельно, так и в составе ГПС; при этом

все функции, связанные с изготовлением изделия, должны осуществ-

ляться автоматически.

2.2. Принципы создания ГПС

Принцип совмещения производительности и универсальности

Наибольшая производительность достигается на автоматических

линиях в крупносерийном и массовом производстве, с одной стороны,

практически невозможна их перестройка, а с другой – гибкость универ-

сального оборудования в мелкосерийном, среднесерийном и недопус-

тимо малая производительность, достигаемая на нем.

Появление в последние годы средств перенастройки оборудования

программным путем уже позволяет устранить данное противоречие.

Принцип совмещения предполагает нахождение оптимального со-

единения универсальности и автоматизации в программно-

управляемом и программно-перенастраиваемом оборудовании.

Нахождение оптимума является задачей технико-экономического

анализа для конкретной реализации ГПС.

Принцип модульности

ГПС строят на базе модулей. Под модулем понимают первичный

элемент, выполняющий автономно или в составе ГПС более высокого

уровня законченную операцию.

Модуль, являясь компонентом ГПС, сам может состоять из ком-

понентов. Компонент модуля, как и модуль, может быть самостоятель-

но разработан, изготовлен и внедрен, однако присущие ему функции

управления или технологические функции может выполнить в составе

модуля.

Принцип иерархичности

ГПС представляет собой многоуровневую структуру: на самом

нижнем уровне находятся гибкие автоматизированные модули, затем

гибкие автоматизированные линии, следующие уровни – это ГПС уча-

стка, цеха, предприятия в целом.

Модуль и иерархичность позволяют создавать проекты любого

необходимого уровня вплоть до автоматизированного предприятия.

Принцип преимущественной программной перенастройки

Оборудование ГПС, как основное, так и вспомогательное, при

смене изделий перенастраивается путем ввода новых управляемых про-

граммных модулей. Перенастройка модулей вручную допустима в ми-

нимальных объемах и только в случаях очевидной экономической не-

эффективности реализации программной перенастройки.

Принцип обеспечения максимальной предметной

замкнутости производства

Построение ГПС с максимальным достижением предметной замк-

нутости обусловливается наибольшей эффективностью внедрения бри-

гадных форм организации труда, повышением ответственности персо-

нала за конечный результат труда.

Максимальная предметная замкнутость – необходимое условие

сокращения длительности производственного цикла за счет уменьше-

ния времени на межоперационное пролеживание, дополнительный кон-

троль и транспортировка деталей и сборочных единиц с участка на уча-

сток, из цеха в цех и т.д.

2.3. Основные характеристики ГПС

2.3.1. Выпускаемая продукция

Организационная основа ГПС – это групповое производство, яв-

ляющееся формой организации дискретных (прерывных) производст-

венных процессов, экономико-организационной основой которых явля-

ется целевая подетальная специализация участков и цехов, а техноло-

гической составляющей – унифицированная групповая форма органи-

зации технологического процесса (ТП).

Основа технологической унификации ТП – классификация дета-

лей и их поверхностей по конструктивно-технологическому признаку

на базе общности оборудования, наладки и инструментальной оснастки,

например классификация деталей машиностроения (рис. 2).

Рис. 2. Классификация деталей машиностроения

Номенклатура

деталей

Детали правильной

формы 92 %

Детали неправильной

формы 8 %

Тела

вращения

34 %

Призма-

тические

54 %

Пло-

ские

4 %

Фигурные

(рычаги)

6 %

Про-

фильные

2 %

Короткие

22 %

Длинные

12 %

Сплошные

4 %

Корпусные

50 %

Группирование деталей для одновременной обработки на одной

ГПС включает три группы условий:

а) геометрические параметры изделий, которые в основном опре-

деляют типоразмер включаемых в ГПС станков, при этом подобие

формы или идентичность технологических переходов перестают играть

решающую роль в составлении деталей, главными критериями стано-

вятся габариты и масса;

б) технологические параметры, определяющие возможность пол-

ной обработки каждой группы деталей на одном станке в одну – две

операции или необходимость их доработки на других станках системы;

в) организационно-экономические характеристики, например об-

работка группы деталей для одновременного поступления на сборку,

или группы деталей, обрабатываемых из одной заготовки. Группирова-

нию подлежат не только детали, но и функциональные узлы, стандарт-

ные детали и изделия.

Опыт показывает, что в новое изделие обычно переходит 30–50 %

деталей старых, 20–40 % модернизированных, 10–20 % создаются

вновь.

Модификация и разработка новых деталей с использованием уни-

фицированных поверхностей позволяет сократить их разнообразие и

включить их в существующие группы деталей.

Принцип использования типовых и унифицированных поверхно-

стей при проектировании деталей реализуется в САПР К, входящую в

интегрированную производственную систему.

Технология обработки новых деталей также разрабатывается с

учетом технологии трех обрабатываемых групп деталей, что позволит

включить новые детали в эти же группы для обработки и на этих же

ГПС.

2.3.2. Гибкость

Понятие гибкости производственной системы является многокри-

териальным и неоднозначным. Многообразие задач, решаемых метода-

ми гибкой автоматизации, не дает возможности сформулировать еди-

ные методы комплексной численной оценки гибкости, позволяющие

сравнивать различные системы.

Поэтому целесообразно оценивать три формы гибкости:

 структурная – это свобода в выборе последовательности обра-

ботки; возможность замены при выходе из строя любой единицы обо-

рудования на аналогичную; возможность наращивания системы на ос-

нове модульного принципа;

 технологическая гибкость – способность производить заданное

множество типов деталей различными способами; сравнения можно

производить по индексу гибкости

100



, (1)

где N – номенклатура деталей, выпускаемых системой за определенный

период времени; K – доля деталей, изготавливаемых на системе впер-

вые (процент обновления номенклатуры); n – число одинаковых дета-

лей в партии;

 организационная гибкость – в значительной мере определяет

структуру ГПС.

При проектировании организационно-производственной структу-

ры важно обеспечить, с одной стороны, максимальную загрузку обору-

дования, обеспечивающую эффективное использование оборудования,

сокращающее численность рабочих (технологический принцип), а с

другой стороны, стремиться обеспечить минимальный производствен-

ный цикл изготовления изделий (предметный принцип).

Для систем с широкой и непрерывно изменяющейся номенклату-

рой наиболее применим технологический принцип организации струк-

туры. Для устранения ее недостатков необходимо иметь высокоэффек-

тивную гибкую систему календарного планирования и оперативно-

диспетчерского управления с централизованным распределением работ,

то есть управление ГПС от центральной ЭВМ или интеграция ГПС.

2.3.3. Степень автоматизации

По степени автоматизации выделяют:

 высокая степень – автоматическое управление и трехсменный

режим работы;

 средняя степень – непрерывное автоматизированное управле-

ние при многостаночном обслуживании (коэффициент многостаночно-

го обслуживания К

> 2);

 малая степень – коэффициент многостаночности К

< 2.

Целесообразный уровень автоматизации технологического обору-

дования ГПС во многом определяется типом производства.

Для крупносерийного производства целесообразно использовать

специализированные ГПМ, состоящие из многоинструментальных и

многопозиционных станков, управляемых от УЧПУ и обслуживаемых

ПР, которые образуют ГАЛ с организацией транспортно-

технологического потока от станка к станку. Автоматизация переналад-

ки не дает эффекта, так как выполняется редко.

В среднесерийном производстве имеется возможность (в связи с

увеличением партий запуска) отработки УП, режимов резания для

обеспечения устойчивого ТП (для получения легкоудаляемой из зоны

резания дробленой стружки). ГПС компонуется ГПМ, в том числе ав-

томатически переналаживаемыми.

В мелкосерийном и единичном производстве ГПС состоит из

станков с ЧПУ с автоматизированной загрузкой и доставкой заготовок

непосредственно к рабочим местам вместе с требующимся инструмен-

том и оснасткой. Один оператор-наладчик обслуживает 2–4 станка.

Системы программно-математического обеспечения ТПП, оперативно-

производственного планирования и учета здесь наиболее развиты и эф-

фективны.

Технически и экономически целесообразным становится автома-

тизация контроля состояния режущего инструмента и его замены, из-

мерения деталей, ввод коррекции УЧПУ, переналадка оборудования,

общий контроль за процессом обработки и состоянием оборудования.

2.3.4. Надежность функционирования

Высокий уровень автоматизации ГПС достигается за счет значи-

тельного усложнения оборудования при существенном росте его стои-

мости. В связи с этим проблема обеспечения надежности приобретает

особую актуальность.

На примере ГПС убедительно подтверждается правило: чем слож-

нее машина, тем выше вероятность ее отказа. Опыт создания и эксплуа-

тации ГПС показывает, что без решения проблемы надежности невоз-

можно достичь необходимого уровня эффективности эксплуатации та-

ких систем.

По данным Экспериментального научно-исследовательского ин-

ститута металлорежущих станков (ЭНИМС) параметрические отказы

составляют всего 8–10 % от общего числа отказов, то есть надежность

современного оборудования в решающей степени определяется функ-

циональной надежностью.

Передовые зарубежные фирмы (Япония, Англия, Австрия) обес-

печивают для ГПМ режим работы в 21–23 часа в сутки при 1–3 часах

обслуживания, 6 рабочих днях в неделю и одном дне профилактики.

Наиболее уязвимым местом ГПС являются инструментальная сис-

тема (20,8 % от общего числа); система управления (12,2 %); гидравли-

ка (6,4 %); датчики, тесторы (5,7 %); устройства ограждения (5,5 %);

электрооборудование (4,8 %).

По продолжительности простоев к общему числу система загрузки

деталей занимает 20,1 %; система группового управления – 18,2 %; уст-

ройства смены инструмента – 14,6 %; устройства регулировки инстру-

мента – 14,1 %; станок – 12,1 %; инструмент – 6,8 % и т.д.

В качестве показателей оценки надежности ГПС используют:

1. Коэффициент технического использования

ти

об рем

Т Т Т



 

, (2)

где Т – суммарное время пребывания в работоспособном состоянии

всех ГПМ в составе ГПС, ч; Т

об

– суммарное время технического об-

служивания всех ГПМ плюс суммарное неперекрываемое время техни-

ческого обслуживания вспомогательного оборудования, вызывающего

простой одного или нескольких ГПМ в составе ГПС, ч; Т

рем

– суммар-

ное время планового и непланового ремонта всех ГПМ плюс суммарное

неперекрываемое время планового и непланового ремонта вспомога-

тельного оборудования, вызывающего простой одного или нескольких

ГПМ в составе ГПС, ч.

2. Режим работы ГПС – это количество часов работы в сутки и в

том числе в безлюдном режиме.

3. Установленная наработка на отказ (в сутки, неделю)





, (3)

где N – число станков в ГПС; t

– наработка i-го станка на отказ за час

работы; m – число отказов всех N станков.

4. Ресурс или долговечность, в часах





, (4)

где x

– величина фактического ресурса i-го станка.

5. Коэффициент готовности оборудования к работе

ТТ



 , (5)

где Т

– наработка на отказ; Т

– среднее время восстановления.

6. Ремонтопригодность, ч





, (6)

где

τ – среднее время восстановления i-го станка.

2.3.5. Производительность

Производительность технологического оборудования есть количе-

ство годной продукции, выдаваемой в единицу времени.

Однако просто штучная производительность для ГПС не дает пра-

вильного представления об объеме работы, выполненной на станках,

включенных в систему, и всей ГПС за какие-то промежутки времени

(это связано с разнообразием деталей, имеющих подчас очень различ-

ную станкоемкость). Штучная производительность не дает представле-

ния и об объеме выпуска ГПС за год, так как чем длиннее период, тем

меньше определенность.

Существуют два метода определения производительности: по ка-

кой-либо средней детали, характерной для ГПС, или по суммарной

станкоемкости обработки за какой-то отрезок времени (час, сутки, ме-

сяц).

В обоих случаях необходимо точно определить все виды потерь

рабочего времени и их причины.

Производительность ГПС складывается из производительности

ГПМ, входящих в ее состав. При этом следует исходить из независимой

работы станков и учитывать только основные ГПМ (дополнительные

станки, как правило, работают параллельно, обладают высокой произ-

водительностью и не сдерживают работу ГПС).

Среднештучная годовая производительность может быть рассчи-

тана:

 

ср

шт

шг





, (7)

где





ср

шт

t – среднештучное время по всем деталям, обработанным в

ГПС.

 

шт

ср

n t













, (8)



– число одинаковых деталей вида (i); n – число видов деталей;

шт

t –

штучное время обработки детали вида (i); N – количество ГПМ в ГПС;







iyуф

thdF

– фактическое годовое время работы ГПС в часах;

– количество (планируемое) рабочих дней в году с учетом субботних,

выходных и праздничных;

– количество установленных часов рабо-

ты ГПС в сутки (16, 20, 24), из которых какое-то количество в "безлюд-

ном" режиме;



t – суммарные фактические простои ГПМ и ГПС в це-

лом в расчете на год.

Среднесуточная производительность за сутки –

шс



, час –

шч



минуту –

шм



соответственно:

   



















ср

шт

ср

штy

шг

шс

Q 1

6060

; (9)

 



















ср

штyy

шг

шч

Q 1

; (10)

 



















ср

штyy

шг

шм

Q 1

. (11)

Штучная производительность ГПС

 

ср

шт

штi

шт

nNF

















. (12)

Фактическое годовое время работы ГПС в часах и составляет ее

производительность в станко-часах, т.е. по суммарной станкоемкости

обработки всех деталей за год:

ГПСф



. (13)

Отношение



характеризует совершенство ГПС (это коэф-

фициент использования годового фонда времени); F – годовой фонд

времени, равен 8760 ч. Чем ближе K к единице, тем совершеннее ГПС.

Штучное время может быть подсчитано как сумма времен выпол-

нения различных проходов и холостых ходов: