Методика группирования деталей и оборудования для построения производственных ячеек замкнутого цикла Текст научной статьи по специальности «Математика»

Слитников Константин Леонидович -

аспирант кафедры «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета

Данилов Игорь Кеворкович -

доктор технических наук, доц., зав. кафедрой «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета Беликов Андрей Павлович-кандидат технический наук, доц. каф. «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета

Slitnikov Konstantin Leonidovich -

postgraduate student «Cars and Engines» of Saratov State Technical University

Danilov Igor Kevorkovich -

doctor of technical sciences, head of the department of «Cars and Engines» of Saratov State Technical University

Belikov Andrey Pavlovich -

candidate of technical sciences, docent of the department of «Cars and Engines» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 16.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011

УДК 658.52.011

М.В. Туркин

МЕТОДИКА ГРУППИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЯЧЕЕК ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

Рассматриваются принципы группирования деталей и производственного оборудования для построения производственных ячеек замкнутого цикла. Предлагаемый алгоритм применим для широкого спектра производственных ситуаций и позволяет оптимизировать группы деталей и оборудования согласно требуемым параметрам.

Групповая технология, гибкое производство, структурная оптимизация, группирование деталей

MACHINE PART GROUPING METHODS FOR MANUFACTURING

CELL FORMATION

This paper deals with the different machine part grouping methods for manufacturing cell formation. The proposed algorithm is applicable for a wide range of manufacturing environments. It allows to perform grouping based on the parameters that best reflect the production system requirements.

Group technology, flexible manufacturing, structural optimization, machine part grouping

Введение. Машиностроительная отрасль промышленности является основной движущей силой развития современной инновационной экономики, т.е. создания ориентированных на инновационную деятельность производственных систем, постановки на производство новой, конкурентоспособной продукции средствами разработки новых технологий, обеспе-154

M.V. Turkin

чивающих долгосрочное превосходство над продукцией вероятных конкурентов. Таким образом, современное машиностроительное производство может дать мощный импульс для сокращения сроков разработки научно-технической продукции для оборонных и гражданских отраслей промышленности «от идеи - до внедрения».

Значимость организационно-технологической структуры производственного процесса как важнейшего направления в построении производственной системы, в последние годы возросла. Во-первых, архитектура производственного процесса остается центральным звеном, определяющим темпы разработки и постановки новых изделий на производство. Во-вторых, организационная структура производственного процесса обеспечивает решение главных задач ускоренной постановки новой продукции на производство, быстрого завоевания предприятием-производителем определенного сегмента рынка и обеспечения прибыли. В-третьих, организационная структура производственного процесса определяет систему технологической подготовки производства (ТПП) которая, в свою очередь, играет ключевую роль в освоении новых (модифицированных наукоемких) изделий, внедрение которых на производство, как правило, сопровождается выполнением НИОКР по освоению новых материалов, технологий и оборудования.

От того, как будет построена структура производственно-технологического процесса зависит, в конечном счете, конкурентоспособность всей отечественной индустрии не только машиностроительного профиля, но и других отраслей народного хозяйства - потребителей машиностроительной продукции.

Все эти обстоятельства позволяют утверждать, что оптимизация структуры производственно - технологического процесса является в настоящее время центральной, системообразующей частью всего комплекса работ по выпуску высококачественных изделий, ускорению постановки новых изделий на производство и инновационному развитию машиностроительной отрасли в целом.

В настоящее время на большинстве предприятий машиностроительной отрасли РФ используется многоуровневая система организации производства, сложившаяся в 50-е годы прошлого столетия. Данная структура основана на административном делении производства на корпуса и входящие в них цеха. Цеха группируются по типу производств, таких как заготовительное, механическое, механосборочное, сборочное и т.д. В каждом отдельном цехе производственное оборудование группируется по общности служебного назначения. Таким образом, создаются отдельные участки из шлифовальных, фрезерных, токарных, сверлильных и других станков. При подобной организации производства изделия (заготовки) в зависимости от технологии изготовления последовательно проходят необходимые участки, на которых выполняются требуемые операции. По окончании операции изделие поступает на промежуточный склад, где находится до передачи на следующую операцию. После окончания обрабатывающих операций изделия направляются на склад готовой продукции, откуда поступают на агрегатную или окончательную сборку.

Данная архитектура производственного процесса имеет крайне сложную систему маршрутов перемещения изделий как между производственным оборудованием, так и между цехами в целом, что приводит к следующим последствиям для предприятия:

- сложность планирования и управления производственным процессом;

- длительные циклы изготовления изделий;

- большой объем незавершенного производства и длительный срок пролеживания детально сборочных единиц между операциями;

- дублирование вспомогательных операций;

- потери при транспортировке изделий;

- необходимость в многоступенчатой системе ТПП.

Вышеперечисленные последствия существующей производственной структуры многократно усиливаются с увеличением сложности производимых изделий, так как увеличиваются количество требуемых технологических операций и точность их выполнения, что, в свою очередь, еще больше усложняет маршрут движения изделий.

Повышение эффективности производственных систем машиностроительных предприятий ОПК РФ возможно за счет перехода на модульный принцип организации производства вместо цехового.

Организация производства в каждом из производственных модулей построена по принципу производственных ячейках (ПЯ). Каждая из ПЯ представляет собой участок замкнутого производственного цикла, в котором технологическое оборудование расположено по ходу технологического процесса. Расположение оборудования по видам обработки согласно маршрутно-операционным технологическим процессам резко сокращает грузопотоки и обеспечивает кратчайшие пути прохождения ДСЕ через все этапы производственного цикла, что, в свою очередь, уменьшает объемы незавершенного производства (НЗП) и увеличивает коэффициент загрузки оборудования.

Рис. 1. Матрица соответствия деталей и переходов

Существующие принципы группирования деталей и оборудования. В основе построения эффективного производства замкнутого цикла лежит определение групп производимых изделий и группировки соответствующего оборудования для их изготовления.

Митрофанов [1] и большинство отечественных исследователей подходили к проблеме группировки производимых изделий через использование матриц соответствия между деталями и соответствующими поверхностями или между деталями и технологическими переходами (см. рис. 1). Поскольку технологический переход является частью технологической операции, выполняемой одними и теми же средствами технологического оснащения, то использование его в качестве критерия группировки не позволяет привязать группы деталей к конкретным группам производственного оборудования.

Альтернативным подходом является применение классификаторов для формирования групп производимых деталей. В основе данного метода лежит принцип разделения множест-156

ва объектов по заданным технологически-конструктивным признакам на подмножества, которые являются классифицированными группами (см. рис. 2).

ххх хх х_

| Вид детали по технологическому процессу ___Группа материала

Размерная характеристика

Рис. 2. Пример классификатора

Эффективность применения данного подхода напрямую зависит от объема и качества конструкторско-технологической информации по каждому производимому изделию. Таким образом, очевидна существенная трудоемкость использования данного метода при широкой номенклатуре и сложности производимых изделий, которые характерны для предприятий ОПК.

БигЫё§е [2] предложил принцип формирования групп производственного оборудования путем построения матриц деталей-станков. Данный принцип построен на формировании матрицы, в которой колонками являются производимые детали, а строками - производственное оборудование, и 1 означает использование данной единицы оборудования соответствующей деталью (см. рис. 3).

■С ■(■( ■ ■ детали© )@и(и(1&.2&3) И'4&5) ■(6&я(7&3)}@Д@И(РСо

■с ■(■( ■(■(детали® )@и(и(1&2&3) ■(4&5) а(6&л(7&3)}@])®И(И(о1

Рис. 3. Матрица соответствия до и после диагонализации

Следующим шагом является построение блочно-диагональной матрицы, которая указывает соответствующие группы деталей и оборудования (см. рис. 3).

В = Р- АР, (1)

где Б - диагональная матрица, А - матрица деталей-оборудования, Р - матрица собственных векторов матрицы А.

Необходимо отметить, что данный метод применим только в том случае, если матрица деталей-оборудования диагонализуема.

При широкой номенклатуре производимых изделий и неравномерной загрузки производственного оборудования на блочно-диагональной матрице становится невозможно выделить отдельные группы изделий и оборудования.

КиБ1ак [3] сформулировал математическую задачу по формированию конечного числа групп изделий и производственного оборудования. На основе матрицы деталей-оборудования формируется матрица подобия с использованием:

5ц= У^иг

* , (2)

где

й = I1; если агк = ак к |о Ъу№

Полученная матрица должна быть квадратной, симметричной и удовлетворять треугольному неравенству. Подобие между двумя единицами оборудования 1 и ] указывает количество деталей, использующих обе эти единицы оборудования. Таким образом, оборудование группируется для увеличения меры подобия.

- = 11 , (3)

где хч ~ * , если единица оборудования [ распределена в группу с ключевым оборудованием ] и = 0 - в остальных случаях.

= 1Л5

1

= Р}

—

Ху- = 0 или 1

Целевая функция (3) максимально увеличивает сумму подобий, что в свою очередь создает группы производственного оборудования. Практика показала отсутствие алгоритма, гарантирующего оптимальное решение данной задачи [4].

Существующие алгоритмы группирования деталей и оборудования полагаются сугубо на единственный критерий оценки - необходимость конкретной единицы оборудования для производства определенного изделия. Подобный подход не учитывает важнейшие производственные факторы, такие как объем производства, длительность производственного цикла, последовательность производственных операций и т.д.

Таким образом, очевидна необходимость в новом подходе к нахождению соответствия между группами изделий и необходимого для их производства оборудования.

Предлагаемый алгоритм группирования изделий и оборудования. Первым шагом предлагаемого алгоритма является построение матрицы соответствия деталей и оборудования по схеме предложенной БигЫё§е, IX.

В следующем шаге необходимо рассортировать строки и колонки матрицы таким образом, чтобы выделились определенные группы деталей и оборудования необходимого для их производства. Другими словами перейти от хаотичного распределения к распределению 1 во взаимно исключающих группах по диагонали матрицы. Для этого каждой колонки 1 (с лева) присваивается вес Щ = ^а,,.™1,, где - значение матрицы в точке, = 2(™-'1 а п -

I

количество деталей.

В свою очередь, каждому ряду ] (с верху) присваивается вес IV, = у\/;,хи', , где аИ

]

значение матрицы в точке, = = - количество единиц оборудования.

■ ( ■(■(£ м-а !;'&:)■< 24 2*5 24 2*3 2*2 24 2*0&) @ нщ

Исходная матрица соответствия Далее необходимо переставить ряды и колонки из расчета уменьшающихся весовых значений (см. рис. 5).

Матрица соответствия после сортировки рядов

■( »(К Е м-а !;&:)■( 2Ч 24 24 гЧ гЧ 24 ) @ ^

Матрица соответствия после сортировки колонок

■ ( ■(■(£ м-а !;'&:)■< 24 2!5 24 2*3 2*2 24 2*0&) @ нщ

Рис. 5. Матрица соответствия после сортировки рядов и колонок

В особых случаях, когда определенные единицы оборудования являются узкими местами, т.е. используются многими деталями, необходимо применить вышеописанный алгоритм, так как если бы их не было, и добавить после сортировки.

Для оценки эффективности группирования предлагается использовать параметр:

а , , с

,

где а - количество 1 в диагональных блоках; Ь - максимально возможное количество 1 в диагональных блоках; с - количество 0 вне диагональных блоков; ё - максимально возможное 158

количество 0; q - коэффициент, принимающий значение от 0 до 1 в зависимости от размера матрицы соответствия.

Для матрицы соответствия с рис. 5 коэффициент эффективности группирования равен:

13 , 18

H = 0,5 х — + (1 - 0,5) х — = 0,8В

17 1S

При расстановке оборудования по ходу технологического процесса важной является проблема синхронизации времени цикла каждой из операций. В связи с этим следующим шагом в предлагаемом алгоритме группирования является простановка в матрице соответствия значений трудоемкости обработки каждой детали на каждой единице оборудования (см. рис. 6).

■ с ■£■(£ м Э ,:&)■( 2*6 2*5 24 2*3 2*2 24 2тОв:} @ vjtf

Рис. 6. Матрица соответствия со значениями циклов обработки

После этого становятся видны те единицы оборудования, которые определяют «такт» производственного процесса. На примере матрицы соответствия на рис. 6 видно, что единица оборудования под номером 2 является узким местом, определяющим пропускную способность данной производственной ячейки. Таким образом, для синхронизации производственного цикла ячейки необходимо провести параметрическую оптимизацию режимов обработки на оборудовании 2 с целью снижения времени обработки. Альтернативой при высоких объемах производства является приобретение дополнительной единицы такого же оборудования для параллельной обработки деталей.

При широкой номенклатуре производимых изделий важным становится время переналадки оборудования от одного типа деталей к другим. Таким образом, в построенную на первом шаге матрицу соответствия необходимо внести значения времени переналадки каждой единицы оборудования для каждой детали, которая на него попадает.

В случаях когда невозможно построить взаимноисключающие группы оборудования и, как следствие, требуется использование оборудования из других производственных ячеек, становится важным учитывать объем межъячеечного передвижения деталей. Для этого в матрицу соответствий вносятся значения производственных объемов за определенный период времени для каждой единицы оборудования. В получившейся матрице критерием оптимизации становится объем межъячеечного производства.

Заключение. Построение производственных ячеек замкнутого цикла в условиях высокотехнологичного, широкономенклатурного, мелкосерийного производства осложняется отсутствием эффективной методики группирования выпускаемых деталей и оборудования. Представленный в данной работе алгоритм группирования имеет возможность оптимизации по различным параметрам в зависимости от особенностей существующего производства путем внесения критических показателей в матрицу соответствия. Таким образом, преимуществом представленного в данной работе алгоритма перед уже существующими является его гибкость, так как он может быть подстроен под широкий спектр производственных ситуаций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства / С.П. Митрофанов. Л.: Машиностроение, 1983. 407 с.

2. Burbidge J.L. Production flow analysis / J.L. Burbidge // Production Engineer, 50, 139152, 1971.

3. Kusiak A. The generalized group technology concept / A. Kusiak // International Journal of Production Research, 25, 561-569, 1987.

4. Srinivasan, G. Nonhierarchical clustering method for the group technology problem / G. Srinivasan, T.T. Narendran // International Journal of Production Research, 29, 463-478, 1991.

5. Shargal M. Evaluation of search algorithms and clustering efficiency measures for machinepart matrix clustering / M. Shargal, S. Shekhar, S.A. Irani // IIE Transactions, 27, 43-59 (1995).

Туркин Михаил Владимирович - Turkin Mikhail Vladimirovich -

начальник технологического бюро ФГУП head of production engineering office FSUE

«НПЦ газотурбостроения «Салют», «Gas-turbine engineering research

г. Москва and production center «Salut», Moskow

Статья поступила в редакцию 13.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011

УДК 621.924.93

В.В. Шпилев, М.К. Решетников

ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ РЕЗКИ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ЕЁ ТВЕРДОСТЬ, ОВАЛЬНОСТЬ И КОНУСООБРАЗНОСТЬ

Приведены проведенные авторами экспериментальные исследования в области гидроабразивной резки, описано влияние подачи режущей головки, твердости обрабатываемого материала и расхода абразива на шероховатость обработанной поверхности, её твердость, конусообразность и овальность.

Гидроабразивная резка, математическая модель

V.V. Shpilev, M.K. Reshetnikov

IMPACT OF ON WATERJET CUTTING ROUGHNESS OF THE MACHINED SURFACE,

ITS HARDNESS, OVAL AND CONICAL

The article presents the authors conducted experimental research in the field of waterjet cutting, filing describes the effects of the cutting head, the hardness of the material flow and abrasive roughness of the machined surface, its hardness, taper and roundness.

Waterjet cutting, the mathematical model

Метод гидроабразивной резки - альтернатива не только механической, но и лазерной, плазменной, электроискровой и кислородной резке, а при необходимости обработки материалов, не терпящих температурного воздействия, является единственно возможным и наиболее эффективным и универсальным из родственных методов. Следует отметить, что до настоящего времени теории струйной гидроабразивной обработки, охватывающей все стороны процесса, еще не существует, поэтому исследование этого процесса представляет определенный научный интерес.

Экспериментальные исследования процесса гидроабразивной резки проводились с целью технико-экономического обоснования использования этого процесса взамен существующей технологии. Основная часть экспериментов проводилась на базе ФГУП «Саратовский агрегатный завод» (ФГУП «САЗ») и Саратовского государственного технического университета (СГТУ). 160