Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

291

Деление на участки-секции с установкой накопителей заделов является

универсальным приемом при создании автоматических линий (см. гл. 6). Пре-

дельными структурными вариантами являются: одноучастковая линия с гибкой и

жесткой межагрегатной связью (1 ≤ n

≤ q). Число вариантов зависит от числа

станков в линии, т.е. от степени дифференциации технологического процесса.

Рассмотрим кратко формирование этих вариантов.

Единая линия из четырех станков (q = 4) может быть структурно построена

по трем вариантам: n

= 1; 2; 4. То же число вариантов будет и для линий из пяти

станков (технически возможно и применяется деление линии на участки с нерав-

ным числом станков, например при n

= 2 в секциях будет сблокировано два и

три станка). Линия из q = 6 станков может быть построена по четырем вариантам:

– с жесткой связью (n

= 1);

– из двух участков (n

= 2) по три станка;

– из трех участков (n

= 3) по два станка;

– с гибкой межагрегатной связью [(n

= 6), см. рис. 9.2].

Аналогично формируются структурные варианты и для линий с большим

числом позиций. Варианты с n

> q/2 исключены из рассмотрения как малопер-

спективные (например, деление линии из четырех станков на три участка, линии

из шести станков – на четыре и пять участков и т.д.).

Для повышения пропускной способности лимитирующих операций кроме

дифференциации обработки применяют дублирование станков, т.е. установку на

лимитирующих позициях обработки двух и более параллельно работающих стан-

ков. Такие линии получили наименование "линии с ветвящимися потоками".

Число их вариантов может быть весьма велико и ограничивается лишь требуе-

мым уровнем производительности.

Сравнение Q

= 190 шт./мин и Q

тр

= 420…480 шт./мин показывает, что це-

лесообразно рассматривать лишь те варианты, где число параллельно работаю-

щих станков лимитирующих операций не выше трех (m = 3), а при достаточной

степени дифференциации технологического процесса (q > 6) – не более двух

(m = 2).

В качестве примера на рис. 9.7 приведены возможные структурные вариан-

ты построения линии с жесткой связью и с ветвящимися потоками при шести

рабочих позициях (q = 6). Технологический маршрут с распределением обработ-

ки по позициям был приведен на рис. 9.5. Время обработки по позициям (мин):

I – 0,40; II – 0,70; III – 0,55; IV – 0,75; V – 0,95; VI – 0,30.

Вариант на рис. 9.7, а – обычная однопоточная линия с явно неравномерной

дифференциацией технологического процесса. По варианту на рис. 9.7, б на ли-

митирующей позиции V вместо того, чтобы дифференцировать обработку и по-

лучить таким образом линию с q = 7 рабочими позициями, можно установить два

параллельно работающих станка. Тогда, как и в семипозиционной линии, лими-

тирующей по времени будет операция чистового обтачивания поверхностей вала

1 – 3 [на рис. 9.5 поз. IV, t

(7) = 0,75 мин]. Чтобы не дробить и эту операцию,

создавая восьмипозиционную линию, в линии можно установить еще один ста-

нок-дублер и, таким образом, наряду с основным, однопоточным вариантом ли-

ния с шестью рабочими позициями может иметь еще четыре варианта построения

с ветвящимися потоками (см. рис. 9.7, б – д).

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ОТБОР ВАРИАНТОВ

292

Число возможных вариантов линий с ветвящимися потоками при различной

степени дифференциации технологического процесса (q = 4…7) приведено ниже.

Число рабочих позиций линии q 4 5 6 7

Максимальное число потоков на операциях р 3 2

Число вариантов линий с ветвящимися потоками 4 5 4 3

Общее число вариантов (включая однопоточный) 5 6 5

Как видно, линии с числом рабочих позиций q = 4…7 дают в общей слож-

ности 16 реализаций с ветвящимися потоками. Таким образом, число вариантов

при использовании принципа построения линий с ветвлением потоков возрастает

в несколько раз.

Если проанализировать общее числе вариантов линии при варьировании

только тремя структурными параметрами: числом рабочих позиций (4 ≤ q ≤ 13);

участков-секций (1 ≤ n

≤ q); станков-дублеров (m = 0, 1, 2,..., q – 1), становится

очевидно, что предшествующие качественный анализ и отбор оставляют для рас-

смотрения еще несколько сотен вариантов, оптимальный может быть выбран

только количественными методами.

Глава 9. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИ

Рис. 9.7. Структурные варианты

линии с ветвящимися потоками

обработки:

–

пози

ии об

аботки

293

9.4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА

Количественные расчеты с целью сужения числа вариантов и выбо-

ра оптимального варианта следует проводить в четыре этапа:

1) выделение общей выборки вариантов по критерию обеспечения

заданного диапазона производительности (

maxmin

QQQ ≤≤ );

2) выделение вариантов с оптимальными структурными параметрами;

3) выделение минимальной выборки рациональных вариантов по

критерию экономической оптимальности (Э

max

) с весьма близкими пока-

зателями;

4) выбор единственного варианта сочетанием количественных нека-

чественных подходов.

Ожидаемую производительность вариантов линии Q

рассчитываем

по формуле (см. гл. 6) по лимитирующей позиции:

tqt

1с

хр

загр

)(

480

∑

, (9.1)

где m – число станков-дублеров, m = 0, 1, 2, 3,...; q – число рабочих пози-

ций (станков) в линии, 4 ≤ q ≤ 13; t

(q) – время рабочих ходов цикла как

функция принятых режимов обработки и числа позиций, 0,35 ≤ t

(q) ≤ 1,65

(см. данные на с. 290); t

– время холостых ходов цикла как функция вы-

бранного варианта компоновки, t

= 0,25 мин;

∑

С – ожидаемые вне-

цикловые потери комплекта инструмента как характеристика надежно-

сти,

∑

С = 0,12 мин/шт., t

с 1

– ожидаемые внецикловые потери механиз-

мов одного станка как характеристика надежности, t

с 1

= 0,02 мин/шт.;

– число участков, на которое делится линия, 1 ≤ n

≤ q; w – коэффици-

ент возрастания простоев лимитирующего участка из-за неполной ком-

пенсации потерь накопителями (см. гл. 6); η

загр

– коэффициент загрузки

линии как характеристика условий ее эксплуатации.

Оценивается ожидаемая производительность линии с учетом неиз-

бежных организационных простоев (передача смены, отсутствие рабочих

и др.), что учитывается коэффициентом η

загр

, представляющим собой до-

лю времени в пределах планового фонда, когда линия обеспечивается

всем необходимым для работы. Согласно результатам эксплуатационных

исследований η

загр

можно принимать в пределах 0,88…0,93. В данном

случае будем считать, что η

загр

= 0,9.

Значение коэффициента w также определяется путем обобщения ре-

зультатов эксплуатационных исследований. При вместимости накопите-

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА

294

лей Е = 30…50 мин и более w как функция числа участков может быть

охарактеризована следующими величинами, полученными по результа-

там эксплуатационных исследований (см. гл. 10).

Число участков

в линии

1 2 3 4 5 6

Возрастание

потерь выпускного

участка w

– 1,1 1,15 1,18 1,20 1,25

Расчеты по формуле (9.1) для однопоточных линий без станков-

дублеров (m = 0) даны ниже.

q 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

(q),

мин

1,65 1,30 0,95 0,75 0,70 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35

Q, шт./смена, при n

, равном:

1 200 237 300 345 352 393 402 416 428 442

2 205 250 325 376 395 450 465 484 496 535

3 – – 335 390 408 472 485 512 548 575

4 – – – – 420 482 508 528 578 602

5 – – – – – – 524 540 590 620

6 – – – – – – – – 600 635

q 210 262 347 400 435 515 545 580 625 675

Для однопоточных линий (р = 1, m = 0) эти результаты приведены в

виде диаграммы на рис. 9.8. Каждая точка на диаграмме означает прогно-

зируемую величину Q

одного из конкурирующих вариантов (общим

числом 50). Простейшая однопоточная линия с жесткой межагрегатной

связью (р = 1, q = 4, n

= 1) имеет реальную производительность намного

ниже требуемой (Q = 200 шт./мин).

Как видно из рис. 9.8, только девять конкурирующих вариантов од-

нопоточных линий (отмечены черными кружками) удовлетворяют тре-

буемому диапазону производительности (420 ≤ Q ≤ 485, заштрихованная

зона). Они имеют следующие показатели:

Номер варианта ………. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

q ……………………….. 8 12 8 13 9 10 9 9 10

………………………. 4 1 8 1 2 2 3 4 3

………………………. 420 428 435 442 450 465 472 482 485

К ним необходимо добавить конкурирующие варианты линий с вет-

вящимися потоками. Их ожидаемую производительность можно рассчи-

Глава 9. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИ

295

тывать по той же формуле (9.1)

при учете специфических осо-

бенностей таких линий, рас-

смотренных выше.

Итак, дублирование

станков на тех или иных пози-

циях обработки сокращает

время рабочих ходов линии по

сравнению с их продолжи-

тельностью при однопоточном

варианте, поскольку данная

позиция перестает быть лими-

тирующей и менее производи-

тельной будет обработка на

последующей по длительно-

сти позиции. При двух дубли-

рующих станках лимитирующей оказывается, как правило, третья по про-

должительности рабочая позиция. На величину внецикловых потерь дуб-

лирование позиций (ветвление рабочих потоков) не влияет.

Обозначим число станков-дублеров в линии через m. Из сравнения

с Q

min

видно, что при простейшем структурном варианте (однопоточ-

ная линия с жесткой связью из четырех станков) даже две параллельные

линии с независимой работой не обеспечат требуемого уровня произво-

дительности. Поэтому формирование конкурирующих вариантов и рас-

чет ожидаемой производительности начинаем с линии из пяти станков

(q = 5). Диаграмма длительности цикла обработки по рабочим позициям

I – V приведена на pис. 9.9, a.

Рис. 9.9. Диаграмма к расчету ожидаемой производительности

вариантов линии с ветвящимися потоками

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА

Рис. 9.8. Ожидаемая производительность

вариантов линии с различным

числом позиций и участков-секций

296

Однопоточный вариант – линия из пяти последовательно работаю-

щих станков (см. рис. 9.9, б) – имеет ожидаемую производительность

= 237 шт./смена. При этом длительность рабочего цикла линии

Т = t

+ t

= 1,30 + 0,35 + 1,65 мин. При добавлении в линию каждого оче-

редного дублера условно можно считать, что длительность цикла на дан-

ной позиции сокращается в 2 раза.

При жесткой межагрегатной связи (n

= 1, w = 1,0) и добавлении в

линию одного станка-дублера на поз. I (m = 1, см. рис. 9.9, в) длитель-

ность рабочего цикла по лимитирующей позиции Т = t

+ t

= 0,95 +

+ 0,35 = 1,30 мин.

Суммарные собственные внецикловые потери

qtt

i с1с

С +=

∑∑

= 0,12 + 5⋅0,02 = 0,22. Производительность

285

22,030,1

9,0480

480

хр

загр

⋅

∑

шт./смена.

При добавлении двух станков-дублеров (m = 2, см. рис. 9.9, г) дли-

тельность цикла Т = 0,70 + 0,35 = 1,05 мин. Производительность

340

22,005,1

9,0480

⋅

Q шт./смена.

Добавление очередного станка-дублера (m = 3, см. рис. 9.9, д) при-

водит к тому, что лимитирующей снова оказывается поз. II. Производи-

тельность

415

22,082,0

432

Q шт./смена.

Четвертый станок-дублер (m = 4, см. рис. 9.9, е) должен встраивать-

ся на поз. II, где теперь будут три параллельно работающих станка. Дли-

тельность цикла определится обработкой на поз. I: Т = 0,40 + 0,35 = 0,75 мин.

Производительность

445

22,075,0

432

Q шт./смена.

Возможен и такой структурный вариант, когда станки-дублеры бу-

дут на всех позициях, кроме последней (см. рис. 9.9, ж).

Как видно, параллельная обработка значительно увеличивает число

возможных вариантов, в том числе удовлетворяющих требованиям к

производительности 420 ≤ Q

тр

≤ 485 шт./смена.

Глав

9. ВЫБОР ПРИНЦИПИА

ЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИ

297

Отметим, что данная выборка уже удовлетворяет некоторым усло-

виям экономической оптимальности. Варианты с Q

< Q

min

неоптимальны,

так как для обеспечения требуемого выпуска нужно иметь две такие ли-

нии с их недогрузкой. Варианты с Q

> Q

max

неоптимальны, поскольку

они дороже, а выпуск будет не более Q

max

, т.е. опять недогрузка.

По результатам всех расчетов заданному диапазону производитель-

ности отвечают 9 вариантов однопоточных линий (см. рис. 9.9) и 22 ва-

рианта линий с ветвящимися потоками, а также два варианта двух неза-

висимо работающих линий.

Итого: по итогам расчетов производительности из многих сотен ва-

риантов осталось 33. Их можно сопоставлять по экономическим критери-

ям методом полного перебора.

Однако в гл. 6 было показано наличие для каждого типа линий оп-

тимальных структурных параметров (числа участков в линии), которые

заведомо более экономичны, чем варианты с неоптимальной структурой.

Оптимальное число участков в линии из q позиций согласно форму-

ле (6.19)

у.опт

0,35К

ЗплК35,0 +

где Bq – суммарные внецикловые потери времени в линии при жесткой

межагрегатной связи (n

); К

– капитальные затраты по тому же варианту;

α – относительная стоимость одного накопителя по сравнению со стои-

мостью одной позиции линии; Зпл – годовой фонд заработной платы.

Поскольку В есть простои на единицу отработанного времени, а не

на единицу продукции, необходим пересчет:

хр

1с

)(

tqt

∑

где

∑

С и t

– потери на единицу продукции.

Рассчитаем в качестве примера оптимальные структурные парамет-

ры автоматической линии из восьми позиций.

Ожидаемая стоимость линии при жесткой межагрегатной связи

= 150 тыс.у.е., фонд заработной платы Зпл = 11,2 тыс.у.е., стоимость

одного накопителя 8 тыс.у.е.:

;30,0

23,070,0

02,0812,0

⋅+

=Bq 43,0

000150

88000

⋅

=α ;

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА

298

5,2

15035,0

2,1115035,0

43,0

30,0

⋅

+⋅

=n .

Таким образом, автоматическую линию из восьми позиций эконо-

мически оптимально расчленять на n

= 2…3 участка, линию из 12 стан-

ков – на четыре участка и т.д.

В итоге оптимальные структурные характеристики имеют только 13

вариантов из оставшихся 33, т.е. конкурентность сократилась в 2,5 раза.

Сопоставление оставшихся вариантов по любым критериям эконо-

мической эффективности, например по минимуму приведенных затрат

(см. гл. 2), формально позволяет найти оптимальный вариант, отвечаю-

щий условию

minС

→

Графически пять вариантов с наилучшими ожидаемыми экономиче-

скими показателями (обеспечение требуемой производительности при

минимуме приведенных затрат) представлены на рис. 9.10. Эти варианты

можно назвать рациональными.

Рис. 9.10. Рациональные варианты автоматической линии обработки валов:

1 – исходный накопитель; 2 – станки; 3 – межоперационные накопители;

I – VIII – позиции обработки

Глава 9. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИ

299

Казалось бы, оптимальным должен быть признан вариант с показа-

телями (см. рис. 9.10, а) q = 6, n

= 2, m = 3, однако показатели остальных

четырех вариантов экономически отличаются не более чем на 5 %!

Эти расчеты проводятся на этапе технического предложения, все

исходные данные по стоимости, эксплуатационным затратам, надежно-

сти и т.д. недостаточно достоверны и могут в реальной линии отличаться

на 20…30 % и более.

Поэтому следует говорить о группе рациональных вариантов с наи-

более высокими ожидаемыми показателями. Иными словами, – как это

ни парадоксально – выбор варианта, принимаемого за основу при даль-

нейшем проектировании, не может быть сделан строго по экономиче-

ским критериям.

Надо выделять выборку вариантов с наилучшими экономическими

показателями, а окончательный выбор нужно проводить по неформаль-

ным критериям, учитывающим характер и условия данного производст-

ва, и пр. Такими критериями могут быть: конструктивная сложность сис-

темы, занимаемая площадь, доступность в наладке и обслуживании,

удобство выполнения ремонта и др.

Наиболее очевиден критерий конструктивной сложности. По укруп-

ненной оценке, наиболее простым является вариант по рис. 9.10, б. Об-

щее число станков восемь, в то время как в остальных вариантах девять и

десять; стоимость такого варианта наименьшая. Поэтому есть основание

принять его за основной для дальнейшего проектирования линии.

Таким образом, в результате шагового отбора из нескольких сотен

возможных структурно-компоновочных вариантов построения линии

обработки вала по рис. 9.4 в качестве оптимального следует принять

однопоточную автоматическую линию из пяти рабочих позиций (тех-

нологический процесс дифференцирован на пять частей), разделенную

на два участка-секции, с тремя станками-дублерами. Ожидаемые ха-

рактеристики линии: стоимость К = 130 тыс. у.е. Длительность рабочего

цикла по лимитирующему станку Т = 1,65 мин, производительность

Q = 450 шт./смена.

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА

Глава 10

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

10.1. ЦЕЛИ И СОДЕРЖАНИЕ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ

История техники знает мало примеров, когда вновь созданные тех-

нологии и конструкции сразу оказывались совершенными или хотя бы

высоконадежными. Чем серьезнее и перспективнее выглядят технические

новшества в замыслах разработчиков, тем труднее и мучительнее идет

процесс их отработки и доводки, в первую очередь – по надежности

функционирования (более подробно о процессе становления новшеств

см. в заключении)

Поэтому образцы любого вновь приобретаемого, а не только спро-

ектированного автоматизированного оборудования должны проходить

приемосдаточные испытания. Чем лучше такие испытания организованы,

тем реальнее, что данное оборудование даст высокую техническую и

экономическую эффективность. Задачи испытаний кратко были изложе-

ны в разд. 7.3.

Испытания у изготовителя включают в себя:

1) подготовку к испытаниям, в том числе внешний осмотр с устра-

нением возможных утечек жидкостей и газов; проверку наличия и пра-

вильности ограждений и других защитных элементов конструкций; про-

верку геометрической точности перемещений механизмов; опробование

механизмов и устройств на включение-выключение, взаимодействие при

перемещениях; проверку на пробой электроизоляции, укомплектованности

оборудования, соответствия требованиям техники безопасности и т.д.;

2) испытания на холостом ходу: осуществляются прогоны без обра-

ботки в течение нескольких смен с подключением всех механизмов и

устройств при возможной загруженности всех механизмов транспорти-

рования заготовками. При этом проверяют: давление масла в гидросис-

темах, температуру в нагреваемых объемах, вакуум внутри вакуумных

камер и т.д., фиксируют все возникающие отказы;

3) испытания в работе сначала отдельных устройств, затем комплек-

та оборудования в целом с последовательным выполнением всех техно-

логических операций в течение нескольких часов. Необходимые заготов-

ки и инструментальное оснащение поставляет в этом случае заказчик.

При этом проверяют: настройку и работоспособность контрольных при-

боров, характер схода стружки и удаления смазочно-охлаждающей жид-