CC BY
105
In this paper, the author studied some questions of the cutting parameters modification for use in prediction of parametric equipment failures in the field of the manufacturing design process. Machine's failure prediction procedure for designing situation based on the Sokolovsky's machining precision analysis method is presented. Optimization task for cutting parameters choosing problem and the solution example are proposed.
Key words: manufacturing system designing, cutting parameters, technological system, production uncertainty, machining precision.
Nikonorov Aleksei Igorevitch, assistant, alxn@inbox.ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
УДК 658.512
ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ ВЫБОРА ОБОРУДОВАНИЯ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
И.Л. Волчкевич
Предложены новая концепция и последовательность выбора оборудования проектируемых технологических комплексов на уровне участков и цехов. В основу концепции положено объединение этапов проектирования маршрутных технологических процессов и выбора основного технологического оборудования с последующей коррекцией принятых решений на основе анализа достигнутой производительности и степени использования оборудования.
Ключевые слова: машиностроительное производство, технологический комплекс, разработка технологических процессов, выбор оборудования.
Модернизация отечественного машиностроения требует создания новых производств на инновационной основе, технического перевооружения существующих предприятий и во многих случаях их перепрофилирования и переспециализации. Основой современных машиностроительных производств являются технологические комплексы (ТК), целенаправленно объединяющие функционально взаимосвязанные средства технологического оснащения для выполнения в фиксированных условиях заданных технологических процессов. Реализация любого из указанных направлений модернизации связана с проектированием технологических комплексов, ключевой проблемой обеспечения которого является выбор необходимого оборудования, способного эффективно и рационально обеспечивать выполнение установленных программ выпуска изделий как в близкой, так и в дальней перспективе.
Традиционно использующиеся методики выбора оборудования, как правило, отделены от формирования базовых технологических решений, используя в качестве исходных данные о суммарной трудоемкости выпус-
135
ка изделий по различным видам работ. Выбор оборудования проводят, исходя из предположения, что действительный фонд времени его работы полностью расходуется на производство продукции. Результатами такого выбора в технологических комплексах изготовления деталей на станках с ЧПУ являются невыполнение производственных программ выпуска деталей плановой номенклатуры или низкая загрузка станков. Время производительной работы станка с ЧПУ в составе современного комплекса не превышает 25.. .50 % от его действительного фонда времени [1].
Последнее является следствием:
- недостаточно обоснованных рекомендаций о рациональных областях применения станков с ЧПУ;
- отсутствия методик расчета необходимого количества станков с ЧПУ, учитывающих специфику их функционирования в составе комплексов и структуру соответствующих затрат времени функционирования;
- отсутствия достоверных данных о фактической работоспособности станков с ЧПУ.
Возникла актуальная потребность в создании методологии, объединяющей разработку маршрутных технологических процессов изготовления деталей и выбор необходимого оборудования проектируемого комплекса с учетом затрат времени на наладочные процессы, непрерывно сопровождающие изготовление.
Предлагаемая концепция выбора оборудования базируется на объединении этапов разработки маршрутных технологических процессов (МТП) изготовления деталей для проектируемого комплекса и выбора оборудования с последующей корректировкой МТП в зависимости от полученных результатов выбора (рис. 1).
Исходными данными для реализации предлагаемой концептуальной модели являются:
- множество рабочих чертежей (моделей) деталей, изготовление которых планируется в проектируемом ТК;
- программа выпуска деталей с указанием их номенклатуры, годовых объемов выпуска и сроков реализации программы.
Директивная информация (см. рис. 1), часто именуемая при разработке ТК «ограничениями», может включать в себя:
- директивные технологии, обязательные к использованию при производстве определенных видов продукции;
- директивно обозначенную необходимость или недопустимость использования определенного оборудования; ограничения архитектурно-планировочные,
- необходимость использования имеющейся площади или конкретного компоновочного решения;
- ограничения финансовые, определяющие максимальную стоимость реализации проекта ТК;
- ограничения энергетические или связанные с отсутствием (недостатком) каких-либо других ресурсов;
- ограничения, связанные с наличием или отсутствием персонала определенной квалификации;
- другие ограничения, число которых обычно значительно.
Рис. 1. Предлагаемая концептуальная модель выбора оборудования проектируемого ТК (фигурными скобками обозначены множества)
Справочная информация, используемая при проектировании ТК, может включать в себя:
- типовые технологические процессы, процессы-аналоги или базовые ТП;
- информацию о проектах-аналогах разрабатываемого комплекса;
- справочные значения величин эмпирических коэффициентов, используемых при расчетах, в том числе, удельные площади, коэффициенты использования оборудования и др.;
- стандарты и нормативы;
- другие справочные данные.
Маршрутные технологические процессы (см. рис., 1 блок А1) изготовления деталей для условий многономенклатурного производства чаще всего разрабатывают на основе процессов-аналогов [2], опыта разработчиков и директивной информации. С позиций проектирования ТК эти процессы включают:
- упорядоченные списки наименований технологических операций, выполняемых с использованием основного оборудования проектируемых ТК;
- краткое (основное) содержание выполняемых технологических операций, достаточное для их предварительного нормирования или непосредственные данные об ожидаемых трудозатратах;
- упорядоченные списки групп-типов оборудования, предполагаемого для использования при изготовлении деталей в проектируемом ТК.
Могут разрабатываться МТП для всех деталей, составляющих программу выпуска ТК, или МТП изготовления детали-представителя.
При отсутствии данных о трудозатратах выполняют предварительное нормирование операций (без детальной разработки операционной технологии) и ориентировочно определяют штучные (штучно-калькуляционные) времена по операциям МТП, а также трудоемкость изготовления каждой детали [3], [4] и др.
Так как в МТП наименования операций совпадают с наименованиями групп и типов оборудования, то информационный объект {МТП} может быть представлен двумя матрицами [5]
Матрица групп-типов оборудования
где i - порядковый номер детали в номенклатурном списке; I - число деталей в номенклатурном списке; у - порядковый номер операции в МТП; J - наибольшее число операций среди разработанных МТП.
Матрица ориентировочных значений штучно-калькуляционных
времен
Содержание матриц (1), (2) является исходными данными для определения состава и количества оборудования проектируемого ТК (см. рис. 1, блоки А2, А3).
Для участков с предметной специализацией считаем предпочтительным определение количества оборудования именно по операциям в рамках разработанного маршрута, а не по типам оборудования, которые на различных операциях могут совпадать. Это связано, во-первых, с большей точностью подобного расчета, а во-вторых - с необходимостью последующей оптимизации размещения оборудования по критерию минимума грузопотоков.
Предварительно определенные состав и количество оборудования проектируемого ТК оценивают (см. рис. 1, блок А4). Оценку выполняют как по частным (достаточность технологических возможностей, параметров рабочего пространства и т. д.), так и общим (достаточность количества оборудования для обеспечения программы выпуска, соответствие отпущенным средствам на реализацию ТК и др.) критериям. В случае неудовлетворительных результатов оценивания принимается решение о корректировке МТП, что наиболее вероятно в двух случаях:
(1)
(2)
- количество и возможности оборудования недостаточны для обеспечения заданной программы выпуска деталей;
- ожидается недопустимо низкая загрузка оборудования проектируемого ТК.
Одной из причин последней ситуации может стать округление расчетного количества оборудования до принятого, которое по общепринятой методике [6] всегда ведется в большую сторону.
Если доказана возможность выполнения заданной программы выпуска деталей, то определяют основные (отдельные) параметры проектируемого ТК (необходимые площади, численность персонала и т.д.), после чего осуществляют проверку соответствия рассчитанных параметров наложенным ограничениям. Если все ограничения выполняются, состав и количество оборудования утверждают.
Если же ограничения не выполнены и невыполнение их недопустимо, корректируют технологические решения:
- при предметной специализации ТК корректируют МТП (состав и структуру);
- при технологической специализации изменяют группы и типы применяемого оборудования.
Корректировка МТП может включать следующее.
1. Выбор других типов оборудования на некоторых операциях при сохранении общего их числа и последовательности. Этот вариант применим, если при расчете получено явно завышенное количество оборудования. Точных численных величин, ограничивающих максимально возможное количество параллельно работающего оборудования на отдельной операции, в нормативной и научно-технической литературе не приведено. Тем не менее, как показывает опыт, при получении на участках с предметной специализацией расчетных количеств оборудования, исчисляемых десятками, ограничения практически никогда не выполняются. В данном случае должно быть принято решение о применении на рассматриваемой операции другого типа оборудования, более производительного.
2. Концентрацию технологических операций. Применяется, если необходимо уменьшить производственную площадь, количество рабочих, общее число операций по каким-либо другим причинам, а также при наличии явно недогруженного оборудования на операциях, содержание которых допускает их объединение в одну.
3. Дифференциацию операций. Применяется при необходимости повышения производительности ТК по критерию цикла выдачи единицы продукции. Может быть необходима в случаях перегрузки оборудования на какой-либо из операций.
4. Вывод части технологических воздействий за рамки проектируемого ТК. Например, организация участка с технологической специализацией или выделение участков финишной обработки. Может происходить
как по причине невыполнения ограничений по занимаемой площади (слишком большое необходимое количество оборудования на ряде операций), так и в силу специфики работы определенных типов оборудования.
Если корректировка технологических решений (в частности - МТП) не принесла желаемых результатов, корректируют исходные данные.
На основе концептуальной модели (см. рис. 1) разработана общая последовательность выбора оборудования проектируемых ТК (рис. 2), практически инвариантная специализации комплекса, включающая описанные проектные процедуры.
Рис. 2. Общая последовательность выбора оборудования
проектируемых ТК
140
После корректировки технологических решений этапы нормирования, расчета необходимого количества оборудования, поверочных расчетов и анализа соответствия ограничениям повторяются. Результатом будет утверждение состава оборудования проектируемого ТК или принятие решения о корректировке исходных данных.
При проектировании ТК (инвариантно их специализации) по аналогу (рис. 3) общая последовательность действий сохраняется, включая этапы анализа выполнения ограничений и корректировки МТП.
Рис. 3. Общая последовательность выбора оборудования при проектировании ТК по аналогу
141
Различие заключается в том, что после разработки первого варианта МТП выбирается технологический процесс-аналог. Далее выполняют пересчет станкоемкостей по операциям процесса-аналога в станкоемкости по операциям разрабатываемого МТП.
В качестве аналога обычно применяются две разновидности технологических процессов. Первая разновидность - «Базовый технологический процесс», то есть процесс изготовления конструктивно близкого изделия на оборудовании иных групп и типов при другом типе производства. Задача пересчета станкоемкостей в данном случае решается через использование так называемых «коэффициентов прогрессивности», показывающих соотношение времен обработки одних объектов на разных типах оборудования [6]. Недостатками данного выбора процесса-аналога являются:
- существенно разные структуры МТП по базовому и проектируемому вариантам, что заставляет, фактически, разрабатывать проектируемый вариант полностью;
- отсутствие достоверных, основанных на результатах производственных исследований, данных о численных величинах коэффициентов прогрессивности в научно-технической литературе, что снижает точность и достоверность полученных значений станкоемкостей по разрабатываемому варианту.
Другим вариантом будет выбор в качестве аналога ТК по обработке других, но технологически подобных деталей на тех же типах оборудования и в условиях того же типа производства. Данный вариант обладает рядом преимуществ:
- структуры МТП базового и разрабатываемого вариантов будут
схожи;
- станкоемкости можно пересчитывать без учета коэффициентов прогрессивности, что существенно повышает точность расчетов.
Недостатками рассматриваемого подхода являются:
- отсутствие формализованных рекомендаций по оцениванию технологического подобия деталей и поиску проектов-аналогов на основе полученных оценок;
- приблизительность рекомендаций по выбору оборудования для производств заданных типов.
Корректировка технологических решений при технологической специализации проектируемого по аналогу ТК (см. рис. 3) может заключаться в выборе оборудования:
- обеспечивающего большую производительность по сравнению с оборудованием в проекте-аналоге, в том числе многопозиционную обработку;
- обладающего более широкими технологическими возможностями с целью сокращения общего количества станков;
- обеспечивающего меньшую себестоимость изготовления деталей.
В целом реализация предложенной концепции при проектировании ТК машиностроительного производства как в случае модернизации и технического перевооружения, так и при новом проектировании, позволит сократить время технологического проектирования, а также повысить качество принимаемых решений, уменьшив вероятность последующего невыполнения программы выпуска или малой степени использования оборудования во времени.
Список литературы
1. Волчкевич И.Л. проблема рационального использования станков с ЧПУ в отечественной промышленности // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 5. Ч. 3. С. 48-53.
2. Кондаков А.И. САПР технологических процессов: учебник для вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2010. 272 с.
3. Вороненко В.П., Соломенцев Ю.М., Схиртладзе А.Г. Проектирование машиностроительного производства: учебник для вузов / под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Дрофа, 2010. 380 с.
4. Технология машиностроения: учебник для вузов в 2 т. / под ред. Г.Н. Мельникова. М.: Изд-во МГТУ, 2001. Т.2. 640 с.
5. Технологические аспекты конверсии машиностроительного производства / под ред. А.И. Кондакова. М.-Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 271 с.
6. Мельников Г.Н., Вороненко В.П. Проектирование механосборочных цехов: учебник для вузов / под ред. А.М. Дальского. М.: Машиностроение, 1990. 352 с.
Волчкевич Илья Леонидович, д-р техн. наук, доц., проф., vil@bmstu.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
GENERAL CONCEPT OF THE EQUIPMENT CHOICE FOR NEW-DESIGNED MACHINE-BUILDING TECHNOLOGICAL COMPLEXES
I.L. Volchkevich
A new concept and equipment selection sequence for machin-building technological systems at the level of sites and shops. The concept is based on the integration of technological processes design and equipment choice stages followed by the made decisions correction based on the reached productivity and the equipment use analysis.
Key words: machine-building production, technological complex, development of technological processes, metal-cutting equipment selection.
Volchkevich Ilya Leonidovich, doctor of technical sciences, docent, professor, vil@,bmstu.ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
