Концепция комплексной автоматизации в массовом производстве

В зависимости от объема выпуска (размера производственной программы) и характера изготовляемой продукции различают три основных типа производства: единичное, серийное и массовое. Тип производства определяется коэффициентом закрепления операций: где п₀, п_р — число технологических операций и число рабочих на производственном участке соответственно («_р принимается для планового периода, равного одному месяцу).

В соответствии с типом производства коэффициент к₃₀ принимает следующие приблизительные значения: 1 < Лг₃₀ <10 — массовое или крупносерийное; 10 < к₃₀ < 20 — серийное; 20 < к₃₀ < 40 — мелкосерийное. Если коэффициент к₃₀ не регламентируется, то производство считается единичным.

Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой (1...5 типоразмеров), большим объемом выпуска (сотни тысяч и миллионы штук в год), стабильностью программы (3...5 лет). Примерами массового производства являются: автомобиле- и тракторостроение, сельскохозяйственное машиностроение, приборостроение (например, производство печатных плат), производство подшипников и т. п.

Основные организационные особенности массового производства: узкая специализация рабочих мест, за каждым из которых закреплена только одна постоянно повторяющаяся операция, сравнительно низкая квалификация рабочих, расположение оборудования по ходу технологического процесса в порядке выполнения операций. Указанные особенности определяют поточный метод работы, являющийся наиболее эффективной формой организации производства. Поточный метод обеспечивает: значительное сокращение производственного цикла (в несколько раз), межоперационных заделов и объемов незавершенного производства; возможность применения высокопроизводительного оборудования; снижение трудоемкости и себестоимости изготовления продукции; простоту планирования движения заготовок и управления производством; возможность комплексной автоматизации производственных процессов.

Организационной основой поточного производства является поточная линия. В массовом производстве применяется, как правило, узкоспециализированное оборудование, технологическая оснастка и инструмент. Поэтому основным принципом автоматизации массового и крупносерийного производства является создание специализированных комплексно-механизированных поточных линий и их высшей формы — автоматических линий (АЛ), настроенных на выпуск определенного вида продукции. Для специализированных линий характерна высокая производительность и надежность при низкой технологической гибкости, так как в конструкции таких линий обычно не предусматривается возможность переналадки на другие типоразмеры изделий. Транспортные системы поточных линий выполняют или в виде непрерывно движущегося конвейера (например, в линиях сборки автомобилей), или в виде тактового конвейера. Выбор типа конвейера определяется комплексными характеристиками производства. Структура поточной линии во многом определяется ее компоновкой: линейная, круговая, линейно-круговая (определяет структуру роторных линий) [3, 14, 23].

При проектировании автоматизированной поточной линии необходимо решить две важные задачи:

• 1) провести синхронизацию оборудования линии по производительности;
• 2) реализовать мероприятия по повышению коэффициента использования линии.

Синхронизация по производительности достигается за счет дублирования оборудования на операциях с максимальной длительностью (?_тах). Дублирование можно осуществлять по параллельной (рис. 1.6, а) или по последовательной (рис. 1.6, б) схемам. При дублировании на операциях с Г_тах необходимо установить п = ^_ГМ/1_Г единиц оборудования (здесь г_т — тактовое время линии). Дублирование по параллельной схеме существенно усложняет конструкцию транспортной системы за счет устройств разделения и соединения потоков. Дублирование по последовательной схеме неизбежно увеличивает длину линии. При этом время выполнения операции разделяется между станками-дублерами.

а

6

Рис. 1.6. Схемы синхронизации оборудования поточной линии по производительности: а — с разветвлением транспортного потока; б — без разветвления

Тактовое время, или регламентированный промежуток времени выпуска с поточной линии единицы продукции, вычисляют по формуле

60 Ф/

5

где Ф — годовой фонд времени с учетом потерь на ремонт оборудования (при односменном режиме работы Ф = 2000 ч);

/ — число смен;

П_г — годовая программа выпуска изделий с учетом запчастей и среднего процента нормированного брака.

Годовая программа определяется по формуле, шт.,

П_г = П_ит_д(1 + (3/100 + а/100),

где П_и — программа выпуска изделий;

т_л — число деталей в одном изделии;

(3 = 10 % — доля запчастей;

а = 0,5 % — доля брака по механической обработке (по литью а до 10 %).

Повышение коэффициента использования Г| линии достигается за счет встраивания в транспортную систему межоперационных накопителей (МН) деталей. Для этого линию разделяют на участки, между которыми устанавливают МН. Разделение на участки производят из условия равновеликих внецикловых потерь [3, И]. Каждый МН представляет собой емкость, на '/₂ заполненную деталями (рис. 1.7). В случае отказа оборудования перед МН питание последующего оборудования осуществляется из МН. В случае отказа оборудования за

ТО ^мн ТО

а

МН

в

Рис. 1.7. Схема работы межоперационного накопителя в поточной линии несинхронного типа:

(/ - МН не включен (штатная работа линии); б — МН включен на питание Т02 (отказ Т01); в — МН включен на заполнение (отказ Т02); ТО — технологическое оборудование

МН детали из предыдущего оборудования поступают в свободную емкость накопителя. В обоих случаях линия не останавливается, пока идет ремонт оборудования. Поскольку емкость МН конструктивно ограниченна, то эффективность МН обычно максимальна при времени устранения отказа порядка 10... 15 мин. Во время штатной работы линии МН выключен.

Поточные линии со встроенными МН относятся к линиям несинхронного (нежесткого) типа. Линии без МН являются синхронными (жесткими) линиями, коэффициент использования которых меньше, чем у несинхронных линий, так как эти линии полностью останавливаются при любом сбое и отказе. Характерным примером линий синхронного типа являются роторные линии, у которых технологические и транспортные роторы жестко связаны единой зубчатой передачей (рис. 1.8) [23.

Рис. 1.8. Зубчатая передача /, связывающая загрузочный 2, технологический 3 и транспортный 4 роторы линии (фрагмент)

Концепция комплексной автоматизации в мелкосерийном производстве

Серийное производство характеризуется увеличенной номенклатурой изделий, изготовляемых периодически повторяющимися партиями с меняющимся объемом выпуска. Размер партии т одновременно обрабатываемых заготовок с учетом бесперебойной работы оборудования рассчитывают по формуле

т = а_т0,

где 0 — производительность технологического оборудования в шт/ч;

а_т = 8 т_с — периодичность запуска партии в часах;

/ — число смен (берется 8-часовая смена);

/7_С = 3, 6, 12, 24 — число суток (рекомендуемая периодичность запуска партии продукции).

Значение п_с зависит от годовой программы П_г деталей. Нижняя граница числа заготовок т_г, которые должны быть обработаны за один час, равна, шт/ч:

т_г - П_г/Ф.

В зависимости от размера партии запуска т различают: крупно-, средне- и мелкосерийное производства. К серийному производству можно отнести станкостроение, транспортное машиностроение, производство прессов, насосов, оборудование легкой и пищевой промышленности. В зависимости от объема выпуска продукции серийное производство может быть организовано по поточному и непоточному принципам. Непоточный принцип предполагает обработку заготовок партиями на каждой операции, при этом станки располагаются группами (по типам) без связи с последовательностью операций. Недостатком непоточного производства является увеличенное время на вспомогательные операции, в частности на транспортирование деталей от одной группы станков к другой, в комплектовочную кладовую, на мерительный пост и т. д.

В условиях бурного развития технологий и резко возрастающей потребности в новых видах изделий с быстрой сменяемостью моделей доля мелкосерийного многономенклатурного производства в общем объеме промышленной продукции во всем мире стала преобладающей. До недавнего времени мелкосерийное производство характеризовалось низкой степенью автоматизации и высокой трудоемкостью изготовления изделий. Это объяснялось основным недостатком традиционных средств автоматизации — узкой специализацией, связанной с изготовлением определенного вида изделий. При переходе на новый вид продукции сложнейшие автоматические комплексы приходилось существенно изменять или разрабатывать заново, что приводило к резкому возрастанию стоимости и сроков подготовки производства. Требовалось сформулировать концепцию комплексной автоматизации в мелкосерийном производстве с учетом его особенностей:

• • большая номенклатура выпускаемых изделий (от 25 до 500 и более типоразмеров);
• • относительно небольшие размеры партий по типам изделий (от 10 до 10⁴ шт.);
• • нестабильность годовой программы из-за быстрой сменяемости моделей изделий (от нескольких дней до нескольких месяцев).

В то же время годовые объемы выпуска изделий в мелкосерийном производстве могут быть сравнимы с объемами выпуска продукции массового или крупносерийного производства. Указанные особенности мелкосерийного производства требовали создания систем автоматизации, обладающих технологической гибкостью, т. е. возможностью переналадки оборудования при смене типа изделия в пределах научно обоснованного типоразмерного ряда. В настоящее время основу систем автоматизации в мелкосерийном производстве составляет гибкий производственный модуль (ГПМ). На базе ГПМ формируются гибкие производственные системы (ГПС), комплексы и участки с использованием оборудования с ЧПУ, промышленных роботов, информационно-вычислительных систем с объединением их в единую диспетчерскую службу. Обеспечение технологической гибкости очень трудоемкое и дорогое мероприятие, и для облегчения этой инженерной задачи используют принцип модульного конструирования технических средств и стандартизации оснастки, инструмента, заготовок. При переналадке ГПС заменяются: управляющие программы, захватные устройства роботов (при необходимости), инструментальные блоки, устройства загрузки-выгрузки деталей, при необходимости технологические спутники и элементы транспортно-накопительной системы. Среднее время переналадки оборудования должно быть по возможности минимальным, так как это позволяет снизить разницу в производительности по сравнению со специализированными поточными линиями в массовом производстве. Основу ГПМ составляет базовый комплект (БК), который инвариантен к переналадкам в пределах принятого типоразмерного ряда изделий (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема гибкого производственного модуля

Базовый комплект является непереналаживаемой частью ГПМ и составляет 70...85 % от его объема. БК включает: единицу технологического оборудования (ТО) и устройство загрузки-выгрузки деталей (УЗВ). Добавив к БК операционный накопитель (ОН) заготовок и де-талей, получим ГПМ, который связан с автоматическим складом (АС) и другими ГПМ с помощью транспортного робота (ТР). ГПМ является автономной единицей автоматизированной системы, которая может функционировать в трехсменном режиме без участия человека. Примеры ГПМ показаны на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Общий вид ГПМ на базе токарного (а) и фрезерного (б) обрабатывающих

центров:

1 — ОЦ; 2 — обслуживающий робот; 3 — ОН; 4 — ТР; 5 — загрузочное устройство

На рис. 1.11 приведены структурные схемы обрабатывающего и сборочного комплексов ГПС на основе ГПМ.

Пример структуры механообрабатывающего производства, включающего заготовительные и основные гибкие автоматизированные

ЭМТО

с АС ГД

на АСГП

сАСК

б

Рис. 1.11. Структурные схемы обрабатывающего (а) и сборочного (б) комплексов ГПС

на основе ГПМ:

ППрУ — подготовка программ управления; УЦ — управляющий центр; УК — участок кассетирования; АК — автомат кассетирования; УС — участок сборки; ЛСУ — линия сборки узлов; ЛСИ — линия сборки изделий; КФ — контроль финишный изделий; ЗК,

ПК — заполненные и пустые кассеты соответственно

а

участки, представлен на рис. 1.12, а общий вид ГПС механообработки — на рис. 1.13.

Концептуальные подходы к проблеме комплексной автоматизации массового и мелкосерийного производства хорошо иллюстрирует

і

і

Заготовки

инструмент

Отходы

Рис. 1.12. Структура механообрабатывающего производства, включающего заготовительные и основные гибкие автоматизированные участки:

УИО — участок инструментального обеспечения; СЭО — система энергообеспечения;

СП ПС — система поддержания параметров среды

Рис. 1.13. Общий вид ГПС механообработки (пример):

• 1,4 — модули токарной обработки; 2 — АС; 3 — модуль фрезерной обработки; 5 — ТР;
• 6-УВК

О 2 5 100 200 500 п, т/р

Рис. 1.14. Зоны эффективной автоматизации в зависимости от типа производства: т — размер партии заготовок; п — число типоразмеров

диаграмма, на которой изображены зоны эффективной автоматизации в зависимости от типа производства (рис. 1.14).

Организационно-технологические основы комплексной автоматизации массового и мелкосерийного производства

Организационно-технологической основой создания поточных линий и ГПС является классификация предметов обработки и типизация технологических процессов. Классификация заготовок и деталей имеет целью распределить предметы обработки и сборки на группы по родственным конструктивно-технологическим признакам и создать базу данных для конструкторов, проектирующих автоматизированные системы уровня переналаживаемых поточных линий и ГПС. Конструкторская база данных необходима и технологам для разработки библиотеки типовых технологических процессов 11, 6, 8, 12, 27].

Классификация деталей на группы производится в основном двумя методами (рис. 1.15):

• • методом визуального контроля, т. е. простым осмотром деталей и выявлением их подобия по форме и габаритам, качеству поверхности и точности изготовления;
• • методом анализа технологических маршрутных карт.

I класс - тела вращения (ТВ)

(//<*»!) (1Ш> 1)

Диски

(//<*

Гладкие Полые Ступенчатые

1

Спецвалы Эксцентриковые (с шестерней, валы (коленвалы, шлицами и т.п.) распредвалы)

-Чт-в-в-ц

II класс - корпусные детали (КД)

детали (А ~ В ~ С) детали (С < А,С < В)

/ /—ч

Рис. 1.15. Пример классификации предметов обработки

Число групп при классификации предметов обработки во многом зависит от опыта конкретного технолога. Однако для приближенной оценки оптимального числа групп п можно пользоваться неравенством

п

I

/=1

¹ ипг'ч

> т.

н>

где t_ШJІ — штучно-калькуляционное время обработки заготовок /-й партии;

т, — объем /-й партии, шт.;

Т_н — нормативная загрузка оборудования ГПС в нормо-часах (паспортные данные).

Для создания технологической базы данных в каждой классификационной группе выделяют деталь-лидер, или комплексную деталь (КоД), которая содержит все поверхности обработки совокупности деталей, имеющих одинаковый план операций, осуществляемых в основном едиными методами с использованием унифицированного оборудования, приспособлений и инструментов (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Пример выделения детали-лидера в группе валов класса «тела вращения»

На деталь-лидер разрабатывается подробный технологический процесс (ТП), который является типовым для деталей данной группы (рис. 1.17).

Tl-Л Т2 ТЗ ТГ Т2' ТГ-Л

Рис. 1.17. Примеры формирования типовых технологических процессов: а, Ь,с,(! — операции технологического процесса Т; Т-Л — типовой процесс-лидер

Технологическая база данных содержит набор типовых технологических процессов для деталей-лидеров всех классификационных групп. При разработке технологического процесса на любую конкретную деталь технолог в диалоге с ЭВМ проводит необходимую коррекцию типового ТП для данной группы. Это позволяет сократить сроки технологической подготовки производства в разы. По результатам классификации деталей и типизации ТП все детали кодируются и заносятся в базу данных. Пример кодирования деталей: 12345 5789 A BCD. Первые цифры 12345 — это шифр типа детали и ее конструктивные характеристики (l/d для тел вращения; А/В или А/С для корпусных деталей; внешний и внутренний формообразующие элементы; вид плоскостной обработки; прочие элементы, например отверстия, зубья и т. п.). Вторые цифры 5789 — это дополнительный шифр таких признаков детали, как: материал и форма исходной заготовки, точность обработки, качество поверхности и др. Четыре дополнительных разряда A BCD — вторичный код последовательности операций и других признаков по желанию предприятия-заказчика.

Полученное число классификационных групп деталей позволяет определить число и типы ГПМ, входящих в состав проектируемой ГПС. Число ГПМ можно брать по числу групп или в ряде случаев использовать каждый ГПМ для двух групп деталей. Расчетное число ГПМ данного типа определяется по формуле

Т_с

^ЛГПМ - + ^пр>

где Т_с — суммарная трудоемкость обработки заготовок на данном ГПМ, н/ч;

я_р = 1 — число резервных ГПМ.

Для расчета числа гибких поточных линий используется аналогичная формула.

Приведем пример расчета числа ГПМ.

Пусть ГПС проектируется для обработки 300 типов заготовок, т. е. номенклатура составляет п_н - 300. В результате проведенной классификации технологи получили 15 групп заготовок (к - 15). Следовательно, каждая группа содержит я_тр = 300/15 = 20 типоразмеров заготовок. Таким образом, получаем, что необходимо проектировать ГПМ 15 типов с возможностью переналадки каждого модуля на 20 типов заготовок.

Общее число ГПМ определим из годовой программы выпуска деталей. Известно, что трудоемкость изготовления всех типов деталей составляет 120 тыс. н/ч. Годовой фонд времени ГПМ в трехсменном режиме равен Ф = 6000 н/ч. Используя расчетную формулу, получим:

^гпм -

120 000 6000

+ 1 = 20+ 1 =21.

Расчет показывает, что для большинства классификационных групп заготовок достаточно использовать один ГПМ одного типа. Для изготовления групп заготовок с большим объемом выпуска необходимо более одного ГПМ.

После классификации заготовок и типизации технологических процессов необходимо организовать производственные участки, специализирующиеся на изготовлении деталей определенного класса. Существует две организационные формы участков: технологическая (по типам технологического оборудования) и предметная (по объектам производства). Технологическая форма предполагает компоновку участка по группам однородных станков (рис. 1.18, а). Недостатком этой компоновки считается увеличение трудозатрат на производство продукции за счет неизбежных возвратных транспортных петель между группами станков. Предметная форма позволяет компоновать участок по принципу технологического потока, состоящего из несколь-

Токарный

Виды обработки

Фрезерный Т участок I

Сверлильный

участок

участок

ТС

i ^

/1 j ¹ __^ L _-Г _ L

Материалы, заготовки

а

б

Рис. 1.18. Схемы компоновки производственных участков по технологической (а) и

предметной (б) организационным формам:

ТС — токарный станок; ФС — фрезерный станок; СС — сверлильный станок; ШС — шлифовальный станок; ЗРС — зуборезный станок; СМ — сборочная машина

ких параллельных ветвей (рис. 1.18, б). Эта компоновка позволяет исключить указанный недостаток для технологической формы. Однако для мелкосерийного производства не всегда удается реализовать принцип технологического потока. Чаще применяется комбинированная организационная форма, объединяющая обе указанные компоновки производственных участков.