Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

101

Рис. 2.7. Технологические системы машин:

а – поточная линия с выполнением вспомогательных процессов вручную;

б – автоматическая линия; 1, 2, …, q – номера станков

Как известно, при обслуживании неавтоматизированных машин ра-

бочий вручную управляет последовательностью обработки и выполняет

все вспомогательные операции (установку и съем заготовок, зажим и

разжим их в шпинделе, подвод и отвод инструментов, контроль размеров

обрабатываемых изделий, а также передачу заготовок от станка к станку,

уборку стружки, переключение режимов обработки и т.д.). Естественно,

что в условиях неавтоматизированного производства рабочий обслужи-

вает, как правило, лишь один станок.

Предположим, что имеется участок из 100 станков, которые обслу-

живают 100 рабочих. При автоматизации затраты живого труда в процес-

се обработки уменьшаются тем больше, чем выше степень автоматизации

системы машин, когда один рабочий получает возможность обслуживать

не один, а большее число станков (Z > 1). Если в поточной линии общие

затраты живого труда при Z

= 1 составляли Т

, то при обслуживании

рабочим-оператором Z cтанков и неизменной заработной плате одного

рабочего они составляют

Т . Следовательно, общая экономия живого

труда рабочих-операторов

()

11Т

ТЭ

−=−= .

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

102

Если относить экономию к первоначальному фонду заработной пла-

ты, то

.11

Z−==∆

Автоматизация рабочего цикла машины, создание автоматов и полу-

автоматов, оснащенных САУ рабочими и холостыми ходами, позволяет

ограничить обязанности рабочих-операторов сменой заготовок (на полу-

автоматах), заправкой материала в механизмы, межстаночной транспор-

тировкой. Это дает возможность одному рабочему обслуживать не один,

а два–три станка и, следовательно, сократить число обслуживающих ра-

бочих и получить экономию заработной платы. Так, при обслуживании

одним рабочим двух станков (Z = 2) экономия уже составляет 50 % зара-

ботной платы обслуживающего персонала (ε = 0,5; рис. 2.8).

Таким образом, автоматизация рабочего цикла станков (первая сту-

пень автоматизации, см. гл. 1), которая достигается иногда простейшими

техническими средствами и с минимальными затратами, позволяет сэко-

номить значительную часть трудовых затрат, необходимых в условиях

неавтоматизированного производства. Дальнейшими усовершенствова-

ниями (оснащением полуавтоматов механизмами автоматической загруз-

ки, контроля, улучшением системы эксплуатации и т.д.) можно достиг-

нуть того, что один рабочий будет обслуживать в поточной линии

Z = 4…5 станков и экономия трудовых затрат и заработной платы увели-

чится еще больше, однако, как показывает рис. 2.8, эта экономия не будет

пропорциональна числу станков, обслуживаемых одним рабочим. Если

увеличение Z в 2 раза (от одного до двух) позволяет сэкономить 50 %

фонда заработной платы, то увеличение Z еще в 2,5 раза (от 2 до 5) дает

возможность сэкономить только

40 %.

Дальнейшая экономия за-

трат живого труда возможна

только путем создания автома-

тических линий, т.е. автомати-

зацией межстаночной транспор-

тировки заготовок и накопления

заделов, созданием новых сис-

тем управления, сигнализации и

блокировки, механизмов авто-

матического контроля и подна-

ладки, уборки стружки и т.д.

Глава 2. ЭКОНОМИКА АВТОМАТИЗАЦИИ

Рис. 2.8. Зависимость экономии ручного

труда от числа станков,

обслуживаемых одним рабочим

103

При этом если технологические процессы остаются прежними, то и про-

изводительность машин сохраняется на достигнутом уровне, а автомати-

зация позволяет лишь увеличивать число станков, обслуживаемых одним

рабочим. Если при переходе от обслуживания одной машины к двум мож-

но простейшими средствами сэкономить 50 % заработной платы, то при

переходе от 50 к 100 станкам – только 1 %.

Итак, с увеличением степени автоматизации системы машин техни-

ческие трудности и затраты прогрессивно растут, а экономия трудовых

затрат падает. Следует отметить при этом, что автоматизация дает сниже-

ние числа рабочих-операторов, но не наладчиков, численность которых,

как правило, возрастает, особенно при низких показателях надежности

оборудования (см. гл. 4). Автоматизация в целях сокращения затрат ручно-

го труда может быть эффективной прежде всего в отраслях с низкой тех-

нической оснащенностью, где еще велики затраты живого труда, а следо-

вательно, и резервы их экономии. Создание автоматических линий на базе

существующего поточного производства, где один рабочий и без автомати-

зации обслуживает два–три станка, если эти линии опираются на сущест-

вующие технологические процессы и имеют целью только сокращение

числа рабочих-операторов и подсобных рабочих, малоэффективно.

Автоматизация в расчете на увеличение многостаночного обслужи-

вания выгодна лишь в тех случаях, когда она не требует больших допол-

нительных затрат сил, средств и времени благодаря применению унифи-

цированных средств автоматизации.

Третий путь – снижение стоимости средств производства (путь σ).

Этот путь связан с совершенствованием технологии производства самих

средств производства, стандартизацией и унификацией механизмов, уз-

лов и деталей машин, обеспечивающих снижение их себестоимости. Для

этого пути характерно развитие агрегатного станкостроения, поточных

методов производства новых машин, а также унифицированных средств

автоматизации. Важнейшей задачей является создание универсальных

вcтpaивaeмыx станков, пригодных как для самостоятельной эксплуата-

ции, так и для встраивания в автоматические линии. Такие станки в

большом количестве могут использоваться в автоматических линиях раз-

личного технологического назначения, что позволяет наладить их выпуск

в больших масштабах, применяя поточные методы производства, созда-

вая стабильные конструкции, надежные в эксплуатации.

Если на первых этапах автоматизации унифицированными элемен-

тами были узлы и механизмы, из которых компонуются станки различно-

го технологического назначения, то теперь элементами компоновки слу-

жат уже встраиваемые станки и унифицированные транспортные средст-

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

104

ва, что позволяет создавать автоматические линии с меньшими затратами

и в кратчайшие сроки. Унификация и стандартизация оборудования дает

возможность не только уменьшить стоимость оборудования, но и значи-

тельно сократить сроки его проектирования и освоения и, тем самым,

повысить производительность общественного труда.

Оценивая перспективность третьего пути повышения экономиче-

ской эффективности автоматизации, следует учитывать неодинаковые

реальные возможности улучшения характеристик ε и σ. Если новые ав-

томатические линии, оснащенные современными средствами автомати-

зации, позволяют сократить число обслуживающих рабочих в несколько

раз (ε = 3…5), то сократить стоимость новой техники во столько же раз

практически невозможно. Проектирование, изготовление, монтаж и от-

ладка новых машин – сложные процессы; каждый процент снижения за-

водской себестоимости новой машины является достижением.

Четвертый путь – повышение производительности средств произ-

водства, а следовательно, сокращение трудовых затрат на единицу изде-

лия (путь ϕ). Это достигается разработкой новых, прогрессивных техно-

логических процессов и созданием высокопроизводительных средств

производства.

В истории техники известно немало примеров, когда уровень суще-

ствующего производства исчерпывал свои возможности, и это неизбежно

вызывало появление новых методов производства, новой технологии и

новых высокопроизводительных средств производства.

Коренная ломка старых, привычных методов производства, рожде-

ние и развитие новых прогрессивных технологических процессов и высо-

копроизводительных средств производства – радикальный путь повыше-

ния его эффективности.

Следовательно, генеральным направлением автоматизации яв-

ляются разработка новых, прогрессивных технологических процес-

сов и создание таких высокопроизводительных средств производст-

ва, которые вообще невозможны, пока человек остается непосредст-

венным участником выполнения технологического процесса.

Характерно появление в последнее время такого понятия, как каче-

ство машин [13]. В это понятие вкладываются помимо качества выпус-

каемой продукции такие свойства, как высокие производительность и

надежность машин, комфортность условий обслуживания, отсутствие

вредного влияния на окружающую среду и т.д.

Наиболее высоким потенциалом качества обладает высокоавтомати-

зированное оборудование.

Глава 2. ЭКОНОМИКА АВТОМАТИЗАЦИИ

105

Глава 3

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИН

3.1. ПОКАЗАТЕЛИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Основными характеристиками любой технологической машины яв-

ляются качество и количество выпускаемой продукции (производитель-

ность). И если показатели качества бесконечно разнообразны в зависимо-

сти от видов продукции и требований к ним, то показатели количества

выпускаемой продукции едины для любого вида оборудования. Отсюда –

становление и развитие особого раздела науки о машинах: теории произ-

водительности машин.

Теория производительности включает в себя:

1) научно-методические основы (важнейшие понятия и определе-

ния, концептуальные положения; количественные показатели, их взаимо-

связь и методы оценки и т.д.);

2) фундаментальное направление (раскрытие причинных связей и

закономерностей построения и развития машин методами и средствами

данной теории; структурный и функциональный анализ и синтез машин и

их систем, в том числе взаимосвязь производительности с технологиче-

скими, конструктивными, эксплуатационными и другими параметрами);

3) прикладное направление (решение практических задач расчета,

конструирования, эксплуатации и исследований с использованием крите-

рия производительности).

При создании новой техники расчеты и анализ производительности

необходимы:

• на ранних этапах проектирования (техническое задание и техни-

ческое предложение), при выборе принципиальных проектных решений

(методы и маршрут обработки, структура и компоновка машин);

• на завершающих этапах проектирования (рабочий проект и тех-

ническая документация), когда уточняются характеристики реализован-

ного проекта;

• на этапах приемосдаточных испытаний, пуска и освоения при

сравнительной оценке расчетных и фактических показателей работоспо-

собности;

• в период стабильной эксплуатации, когда оцениваются возмож-

ные резервы производительности в данных конкретных условиях, а также

организуется обратная связь: от опыта применения к последующему про-

ектированию.

106

Во всех случаях количественно рассчитываются и оцениваются одни

и те же показатели, однако сначала они выступают как расчетные, ожи-

даемые величины, а далее – как фактические.

Теория производительности органически связана с такими научны-

ми разделами, как теория надежности машин, инженерная теория техни-

ко-экономической эффективности, теория дифференциации и концентра-

ции операций, теория оптимального проектирования и т.д.

Производительность машины – это количество годной продук-

ции, выдаваемой машиной в единицу времени.

Для того чтобы численно оценить производительность Q, следует

количество годной продукции Z, выпущенное за какой-то период време-

ни Θ, разделить на длительность этого периода:

.Θ= ZQ (3.1)

Размерность производительности зависит от размерности продукции

и времени. Для технологических машин характерна штучная продукция;

время может оцениваться в минутах, часах и т.д. Отсюда – размерности:

Q, шт./мин, шт./ч, шт./смена, шт./мес., шт./год.

Вместо двух последних часто употребляют выражения "месячный

выпуск", "годовой выпуск".

Разумеется, выпущенная продукция должна соотноситься не с абсо-

лютным календарным временем, а лишь с плановым фондом, когда ма-

шина должна работать.

Рассмотрим показатели производительности.

Номинальная производительность – это производительность ма-

шины при ее бесперебойной работе и отсутствии брака.

Для машин дискретного (иначе "циклического") действия характер-

но чередование несовмещенных рабочих и холостых ходов цикла Т:

хр

ttT += , (3.2)

где t

– время рабочих ходов как время технологического воздействия

(обработка, контроль, сборка и т.д.);

– время холостых ходов, не совмещенных с рабочими ходами.

Отметим первое концептуальное положение теории производитель-

ности. Так как технологическая машина создается именно для техноло-

гического воздействия, любое время функционирования, когда техноло-

гический процесс прерывается, является бесполезно затраченным, поте-

рянным для основного функционального назначения. Поэтому несовме-

Глава 3. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИН

107

щенные с обработкой холостые ходы, сколь бы необходимыми они ни бы-

ли (зажим, разжим и т.п.), по существу, есть цикловые потери времени.

Если машина дискретного действия за время цикла Т, мин, выдает р

шт. изделий, номинальная производительность есть цикловая производи-

тельность, шт./мин:

хр

. (3.3)

В простейшем случае, когда за цикл выпускается одно изделие,

хр

ttT

(3.3а)

Реплика. Математические зависимости, предлагаемые студентам, могут

быть обоснованы и доведены до их понимания либо математическим путем,

либо иллюстративно. Формулы (3.3) и (3.3а) можно строго вывести (для приме-

ра это будет сделано ниже), но проще обосновать их иллюстративно, арифме-

тически. Так, если цикл равен 0,5 мин и за это время выдается одно изделие, то

за 1 мин машина, разумеется, выдаст 2 шт.

5,0

==Q шт./мин.

Для студента это наглядно и убедительно; он и не заметит отсутствия

строгого доказательства.

В машинах непрерывного действия холостые ходы либо отсутству-

ют, либо полностью совмещены с рабочими (круглошлифовальные стан-

ки, работающие напроход: прокатные и волочильные станы, тоннельные

термические агрегаты, бумагоделательные машины и т.д.).

Если считать t

за интервал выдачи одного изделия, то при t

= 0

Q ==

, (3.4)

где K – технологическая производительность как производительность

машины непрерывного действия, работающей без остановов, ее техноло-

гический потенциал. Однако K – это характеристика и машин дискретно-

го действия. Для машин дискретного действия

хр

рр

хр

η=

= K

(3.5)

ПОКАЗАТЕЛИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

108

где

хр

=η

– коэффициент производительности, численно равный

доле рабочих ходов в длительности цикла.

Концептуально, без всякой математики, можно утверждать, что по-

лезная отдача машины (а это Q) зависит прежде всего от прогрессивности

технологического процесса, положенного в основу машины (K), и совер-

шенства ее конструкции (η). Формула (3.5) позволяет количественно

оценить оба фактора просто и наглядно. Так, если K = 2 шт./мин и

η = 0,5, то в идеальном случае (когда η = 1), при полном использовании

возможностей технологии, машина выдавала бы K = 2 шт./мин, но конст-

рукция такова, что эти возможности используются лишь наполовину,

значит Q = 2⋅0,5 = 1 шт./мин. И если машина оказалась малопроизводи-

тельной, то в этом виноваты либо непрогрессивная технология, либо не-

совершенная конструкция, либо и то и другое.

Отсюда – еще одно концептуальное положение теории производи-

тельности: идеальной считается машина непрерывного действия с пол-

ным использованием возможностей технологии; всякая дискретная ма-

шина есть частное вынужденное решение, и следует искать пути все-

мерного сокращения холостых ходов и приближения к непрерывности

действия.

Важнейшим движущим фактором совершенствования любых машин

является прогресс технологии, достигаемый интенсификацией режимов,

дифференциацией и концентрацией операций, применением новых высо-

коинтенсивных методов и процессов. Все это сокращает t

и повышает K,

рост K есть мера прогресса технологии. Но как это отражается на произ-

водительности машин? Ведь, например, применение скоростного резания

никак не связано напрямую с временем установки и закрепления загото-

вок, подвода и отвода суппортов, т.е. t

= const. Аналогично применение

высокоинтенсивных испарителей при вакуумном нанесении тонких пле-

нок никак не влияет на длительность откачки технологической камеры.

Если преобразовать формулу (3.3.а) к виду

()

ххр

tKtt

и построить график Q

= f(K) при t

= const (рис. 3.1), то можно понять,

что зависимость эта асимптотическая т.е. рост производительности ма-

шин при неизменности конструкций непропорционален прогрессу техно-

логии.

Глава 3. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИН

109

Отсюда вытекает следующее

концептуальное положение тео-

рии производительности. Каж-

дый раз, когда прогресс техноло-

гии уже не может обеспечить

значительный рост производи-

тельности, на смену сущест-

вующей машине приходит новая,

более совершенной конструкции,

с меньшими холостыми ходами.

Это дает новый толчок разви-

тию технологии, что будет про-

должаться до тех пор, пока и

новая машина не исчерпает себя.

Таким образом, развитие технологических машин есть сочетание не-

прерывного прогресса технологии с периодическими революционными

преобразованиями конструкции.

Приведем примеры. Высокоскоростное резание стало эффективным

лишь с появлением быстрозажимных патронов, механизмов быстрого

подвода и отвода суппорта и т.д. Ускорение поездов метро эффективно

при новых конструкциях вагонов, с более широкими дверями.

Фактическая производительность. Ни одна машина не может

функционировать бесперебойно. Рассмотрим типовую диаграмму функ-

ционирования, например в течение

одной рабочей смены Θ

см

(рис. 3.2).

Если бы машина всю смену ра-

ботала без останова, то зависимость

выпущенной продукции от прорабо-

танного времени при неизменности

рабочего цикла Т выражалась бы

прямой линией. К концу смены при

полностью использованном для ра-

боты времени Θ

см

= Θ

было бы по-

лучено z

шт. продукции; произво-

дительность по общему определе-

нию

рсм

ПОКАЗАТЕЛИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Рис. 3.1. Зависимость цикловой

производительности

от технологической

производительности машины

при неизменных холостых ходах

Рис. 3.2. Диаграмма времени

работы и простоев при

эксплуатации машин

110

Ясно, что Θ

= z

T, при Т = 2 мин за смену произведено z

= 240 шт.,

тогда Θ

= 2⋅240 = 480 мин. Отсюда

TTz

=== .

Это и есть вывод Q

, о котором было сказано выше.

Но реально за смену будет произведено не z

, а гораздо меньше про-

дукции, так как наряду с интервалами бесперебойной работы у машин

были простои Θ

. Последние могли произойти из-за неполадок в самой

машине, смены и регулировки инструмента, отсутствия обрабатываемых

изделий и т.д. Кроме того, существуют и регламентированные простои в

начале смены (разогрев, выведение на режим и т.д.) и ее конце (уборка и

очистка), часто это время называют подготовительно-заключительным.

Итак, плановый фонд времени работы Θ включает в себя две катего-

рии временных затрат: интервалы бесперебойной работы и время просто-

ев

∑

, т.е.

∑

Θ+Θ=Θ

пр

Фактическая производительность

исц

пр

рр

прпр

η=

Θ+Θ

∑∑∑

zzzz

. (3.6)

Здесь

∑

Θ+Θ

=η

пр

ис

– коэффициент использования, численно

равный доле планового фонда времени Θ, когда машина работает и выдает

продукцию. Так,

ис

η = 0,8 означает, что за произвольный период машина

80 % времени работала, а 20 % простаивала. С учетом формулы (3.5)

исисц

ηη=η= KQQ . (3.7)

Продолжая интерпретацию критериев оценки, можно сказать, что

производительность машины зависит от прогрессивности технологии,

конструктивного совершенства и использования этих возможностей во

времени.

Формулы (3.6) и (3.7) дают оценку по всей выпущенной продукции

(или в допущении, что вся она годная). В реальных условиях, которые

отражаются диаграммой на рис. 3.2, разделить выпущенную продукцию

Глава 3. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИН