CC BY
45
УДК 621.9-114
И.Л. Волчкевич, канд. техн. наук, доц., (499) 2636468, vil@bmstu.ru (Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана)
РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕНАЛАЖИВАЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА
Проведен анализ функциональных состояний станков с ЧПУ. Предложены методика и математический аппарат расчета необходимого количества оборудования с учетом затрат времени на процессы наладки и восполнение брака. Выдвинуты гипотезы о зависимости времен отладок и возвратных переналадок от времени цикла обработки детали на станке.
Ключевые слова: технологический комплекс, расчет состава оборудования, работоспособность, наладка, фонд времени.
Тенденции развития современного машиностроения показывают, что в условиях рыночной экономики неизбежно частое обновление продукции, ее совершенствование и расширение номенклатуры. Это, в свою очередь, означает переход от «традиционных» типов производства, включая крупносерийный и массовый, к производству многономенклатурному, часто переналаживаемому. Исследования, проводившиеся автором на ряде ведущих предприятий отечественного машиностроения, показали, что доля фонда времени работы станков с ЧПУ, затрачиваемая на отладочные процессы, в условиях многономенклатурного производства может достигать 50 % и более.
В то же время общепринятые методики расчета необходимого количества оборудования проектируемых технологических комплексов (ТК) либо совсем не учитывают время наладочных процессов [1], [2], либо полагают его несущественным [3], либо не дают численных значений величин, необходимых для использования в расчетах [4]. В результате при эксплуатации ТК из станков с ЧПУ в условиях многономенклатурного часто переналаживаемого производства возникает кажущийся парадокс: с одной стороны, программа выпуска не выполняется, с другой - станки считаются недозагруженными. И руководители предприятий чаще всего склонны обвинять в этом работников и начальников соответствующих цехов. Такая точка зрения ошибочна. Причина «парадокса» - в неправильном определении необходимого количества оборудования на стадии проектирования технологического комплекса и в неправильном составлении производственных программ. И в том, и в другом случаях не учитываются затраты времени на отладочные процессы.
Таким образом, при проектировании технологических комплексов в условиях многономенклатурного производства для получения достовер-
ных результатов с приемлемой точностью необходимо создать методологию, которая позволит учитывать на качественном и рассчитывать на количественном уровнях все возможные затраты времени, характерные для применяемого в ТК оборудования. Основой этой методологии нами предложено принять понятие о функциональном состоянии оборудования в рамках фонда времени его работы.
Рисунок иллюстрирует предлагаемую декомпозицию фонда времени работы оборудования. Будем считать, что за достаточно протяженный период любой из станков в составе ТК в рамках планового, например годового, действительного фонда времени Фдо будет периодически находиться в одном из состояний затрат календарного времени
1) функционирования (Х®ф=Е®0 с обработкой на станках закрепленного комплекта деталей; при этом периоды бесперебойной работы (Е®р) неизбежно чередуются со случайными простоями технического и организационного характера (Ц©п=Е®с+Е®от);
2) первичных наладок (Х©2) на обработку нового комплекта деталей, которые ранее не обрабатывались; сюда входят доработка и отладка управляющих программ, подбор и установка комплектов инструментов и оснастки, их настройка, выполнение пробных проходов с необходимыми корректировками, изготовление и контроль «первых деталей»;
3) «возвратных» переналадок (Х©3) в пределах сроков выпуска конкретного изготавливаемого комплекта; переналадки любых станков независимы друг от друга. Времена и Х®3 в сумме составляют время, затрачиваемое на наладочные процессы Х®нал;
4) «аварийных прогонов» (Х®4), повторного изготовления техдета-лей, которые были признаны не пригодными при сборке или сдаче заказчику;
Каждое из функциональных состояний характеризуется величиной затрат времени, которые в сумме составляют фонд времени работы оборудования.
Подобное распределение затрат времени будет характерно для определенной позиции при расчете участков с предметной специализацией или для определенного типа оборудования при расчете технологически специализированных участков. Основой методики расчета необходимого количества оборудования в обоих случаях будет соотнесение величин необходимого фонда времени (затрачиваемого на выпуск продукции) с остаточным фондом времени, вычисленным с учетом прогнозируемых простоев.
Способы определения необходимого и остаточного фондов времени будут различаться в зависимости от специфики организации работы на участках с различной специализацией.
Декомпозиция фонда времени работы технологического оборудования
На участках с технологической специализацией, где каждая из деталей обрабатывается на 1-2 операциях, работу каждого из станков можно считать организационно не зависимой от других. Это относится и к наладкам станков, которые проводятся для каждого рабочего места независимо, по мере необходимости.
Таким образом, для каждого из типов оборудования, применяемого на участке с технологической специализацией, можно записать основное уравнение баланса затрат времени:
I©1 +102 +1 ©3 +1 ©4 = Ср • Фдо, (1)
где С р — искомое расчетное количество оборудования.
Следовательно, сумма необходимых времен по всем категориям определяет необходимый фонд времени, кратный расчетному числу станков.
Выражая из формулы (1) С р, получим
I ©1 +1 ©2 +1 ©3 +1 ©4
С
Ф,
(2)
до
Такая же ситуация может быть и на предметно-специализированных участках в условиях многономенклатурного, часто переналаживаемого производства. В этом случае на участке могут одновременно обрабатываться разные детали, каждая из которых при движении
по своему маршруту проходит только через один из станков каждого типа. Таким образом, первичные отладки и переналадки станков будут независимы, и для расчета необходимого количества оборудования можно пользоваться формулой (2).
В условиях малономенклатурного редко переналаживаемого производства организация обработки будет другой. Партия деталей последовательно проходит ряд операций, определенных маршрутным технологическим процессом. На каждой из этих операций могут параллельно использоваться несколько единиц оборудования. Таким образом, необходимые времена обработки и аварийных прогонов будут делиться между параллельно работающими станками в первом приближении поровну. Времена же первичных отладок и возвратных переналадок останутся неизменными, не делясь на число параллельно работающих станков.
Таким образом, для данного случая основное уравнение баланса затрат времени будет выглядеть как
Ф - X ®1 + V " + V " + V ®4
Фдо--— + V "2 + V "3 +-~, (3)
до
C C
откуда
с' - Xе.+Е е4__(4)
р Фдо - (Ее2+Еез)" (4)
Отметим, что конкретные периоды и длительности первичных отладок и аварийных прогонов диктуются номенклатурой выпускаемых изделий и уровнем брака. Межналадочные периоды, составляющие в итоге сумму более вариантны, поскольку числом переналадок за период
производства комплекта деталей можно варьировать. Возможны полномасштабные выпуски каждой из деталей комплекта, тогда возвратные переналадки минимальны. Однако объемы незавершенного производства, равно как и сроки поставки велики. Полные комплекты для сборки набираются только за срок выпуска всех деталей изделия. В противоположной ситуации станки могут переналаживаться после каждой детали, что также неразумно. Поэтому необходимо выбирать оптимальные размеры партий c точки зрения обеспечения потребностей сборки.
На ранних этапах проектирования ТК путем разработки технологических процессов или использования аналогов можно оценить необходимые основные toi и, в ряде случаев - времена циклов обработки Ti каждой из деталей, либо детали-представителя на каждой из i операций. Для оценки остальных составляющих Фдо (Х©2, Z®3, Z®4) выдвинем гипотезу, согласно которой величины первичных отладок и возвратных переналадок будут пропорциональны T^ Тогда недостающую информацию можно получить, вводя нормирующие коэффициенты.
Раскроем все четыре составляющих затрат времени станков ТК через определяющие параметры, прежде всего - основные времена toi для
44
всех т деталей «изделия-представителя». Величины ?0^ на данном этапе считаем известными, равно как и годовой выпуск изделий 2год. Для расчетов вводим коэффициенты пропорциональности между основными затратами времени:
- К1 = ТЛ0 - коэффициент соотношения времени рабочего цикла Т как интервала поштучной выдачи деталей при бесперебойной работе станка, и основного времени ?0. Этот коэффициент учитывает несовмещенные вспомогательные действия (загрузку-выгрузку, выверку деталей, подводы, отводы и смены инструментов, холостые хода в рамках траекторий, внут-риоперационный контроль и т.д.);
- К2 = ©отл/Т - коэффициент пропорциональности между временем первичной наладки (отладки) станка на обработку детали, которая на данном станке ранее не обрабатывалась, и циклом обработки данной детали;
- К3 = ©пер/Т - коэффициент пропорциональности между временем единичной переналадки станка на деталь, которая ранее уже обрабатывалась («возвратная переналадка»), и длительностью рабочего цикла.
Рассмотрим составляющие времени для конкретных станков ТК через параметры, как заданные 101, 7год, так и вновь принятые К1, К2, К3.
Длительность периодов функционирования станка, то есть, межналадочных периодов в течение года определяется, прежде всего, длительностью рабочих циклов станка Т при обработке т различных деталей, составляющих необходимый комплект, а также годовой программой выпуска 2год. Однако в суммарной длительности межналадочных периодов присутствуют не только интервалы бесперебойной работы и выпуска продукции, но и простои технического и организационного характера. В итоге необходимая длительность функционирования всех станков данного типа
т 1
I ©1 = IТ . 2год--, (5)
1 Лис
где пис - коэффициент использования времени межналадочных периодов.
Длительность первоначальных наладок станка на обработку комплекта из т деталей, характерного для выбранного типового изделия-представителя (Х©2). При движении детали «вдоль технологического маршрута» станки на каждой из операций последовательно налаживаются на данную деталь по мере необходимости и возможности, то есть когда станок свободен от обработки предыдущей детали, а хотя бы одна из партии текущих деталей прошла предыдущую операцию (она необходима для отработки программы и получения «первой детали» на данной операции). Возможные «наложенные простои» станков, возникающие вследствие отсутствия синхронизации, учитываются величиной пис.
Тогда при выпуске в течение года неизменного комплекта из т деталей
m m
I ©2 = I О ■ Ki • К2 =I T • К2. (6)
1 1
Длительность возвратных переналадок (£©3) определяется из условия, что данные переналадки совершаются на всех параллельно работающих станках независимо. Как показано выше, частота их может меняться в широких пределах, что при проектировании ТК оказывает непосредственное влияние на выбор числа параллельно работающих станков, а при фиксированном составе ТК - на годовой выпуск. Итак, за период выпуска комплекта деталей n раз переналаживают станки, обеспечивая партионную обработку.
При производстве за год только одного комплекта деталей
n n
I ©3 = IО • К1 • К3 =I Tr • К3. (7)
11
Длительность «аварийных прогонов» (Х©4), то есть повторного изготовления некоторых деталей комплекта, зависит в первую очередь от доли а изделий, забракованных (или испорченных) при сборке или сдаче заказчику. Так как бракованными могут оказаться любые детали из комплекта, расчеты необходимых дополнительных простоев (а повторное изготовление есть, по существу, простой ТК) целесообразно вести по одной, средней по характеристикам, детали комплекта, с длительностью цикла T или по детали-представителю.
Тогда длительность единичного «аварийного прогона»
104 = 10Пер +10Изг , (8)
где 10пер — суммарное время переналадок, необходимых для повторного изготовления деталей; 10изг — суммарное время, необходимое для повторного изготовления.
По аналогии с вышеизложенным
q
I ©пер = I Tr • К3 , 1
где q - количество операций, необходимых для повторного изготовления детали.
В общей годовой длительности повторного изготовления ©изг по каждому из q станков, учитывая неоднократность ситуации, целесообразно учитывать вероятность возникновения технических и особенно организационных простоев коэффициентом пис, следовательно, единичное время
T
повторного изготовления 0изг = ——.
Пис
В итоге, годовые затраты времени конкретного станка на аварийные прогоны при программе 2год и доле брака а составят
46
q t q 1
IQ4 = I (T • К 3 + —) • a • Zгод = IT (К 3 +-) • a • Zгод . (9)
1 Лис 1 Лис
Как видно, наибольшую долю времени «аварийных прогонов» составляют наладки и лишь небольшую - изготовление.
Далее все значения составляющих подставляются в формулу (2) или
(4).
Достоверные численные значения предложенных коэффициентов K1, K2, K3 не представляется возможным получить теоретически. В то же время достоверность их значений в решающей степени будет определять точность расчетов необходимого количества оборудования. Единственным путем получения данной информации автор считает проведение производственных исследований на базе действующих ТК.
Список литературы
1. Макконнелл К.Р., Брю С.Л. Экономикс. М.: Инфра-М, 2003.
983 с.
2. Борисов С.Р. , Васильев В.Н. Основы предпринимательства и организации производства: учеб.пособие/ под ред. В.Н.Васильева. М.: Изд-во «Машиностроение-1», 2000.752 с.
3. Вороненко В.П., Мельников Г.Н. Проектирование механосборочных цехов. М.: Машиностроение, 1990. 352 с.
4. Иванов В.П. Проектирование производственных участков в машиностроении: практикум. Минск: Техноперспектива, 2009. 224 с.
I.L. Volchkevich
CALCULATION OF PROCESSING EQUIPMENT QUANTITY UNDER CONDITION OF VERSATILE MANUFACTURING
The analysis of NC machinery functional status is presented. A new approach and mathematical technique for the calculation of necessary equipment quantities is proposed accounting for time consumption for alignment procedures and rejects replenishing. The hypotheses are put forward of machining time per detail dependance of refining time and age related realignment.
Key words: production facility, equipment configuration calculation, operating capability, alignment, time fund.
Получено 16.09.11
