Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 6
1.1. Развитие автоматизированных производственных систем 6
1.2. Проектирование автоматизированного производства 17
1.3. Методы повышения эффективности автоматизированного производства
1.4. Цели и задачи исследования 31
Глава 2. Структура и свойства автоматизированных производств 33
2.1. Свойства автоматизированного производства 33
2.2. Структура автоматизированного производства 38
2.3. Выводы 47
Глава 3. Анализ функциональных характеристик оборудования 48
3.1. Анализ свойств корпусных деталей и возможность их изготовления в автоматизированном производстве
3.2. Анализ технологического оборудования и возможность его включения в автоматизированное производство
3.3. Анализ функций и технических характеристик транспортного оборудования
3.4. Анализ функций и технических характеристик складов 71
3.5. Анализ функций и технических характеристик спутников 74
3.6. Анализ геометрии и конструкции режущих инструментов 76
3.7. Информационная структура баз данных 79
3.8. Выводы 82
Глава 4. Постановка и решение задачи построения автоматизированного производства
4.1. Методика подбора типажа оборудования и определения структуры
4.2. Методика определения номенклатуры деталей, наиболее эффективно обрабатываемых в автоматизированном производстве
4.3. Управление технологическими процессами обработки деталей в автоматизированном производстве
4.4. Выводы 125
Общие выводы и результаты 127
Список литературы
- Развитие автоматизированных производственных систем
- Свойства автоматизированного производства
- Анализ свойств корпусных деталей и возможность их изготовления в автоматизированном производстве
- Методика подбора типажа оборудования и определения структуры
Введение к работе
Одна из важнейших задач машиностроения — автоматизация мелкосерийного и серийного производства. Объем продукции, которого достигает 70 — 75% от всего объема продукции машиностроения [21, 42]. Попытки решить ее в традиционном производстве оказались неудачны. Необходимыми оказались качественно новые технические решения. Толчком для таких решений стало бурное развитие микропроцессорной техники, обусловливающее возможность применения гибкой технологии изготовления, реализуемой в гибких системах.
По мнению английских специалистов, применение автоматизированного производства (АП) является обязательным условием выживания машиностроительных компаний в суровой конкурентной борьбе на мировом рынке [25]: конкуренция с дешевой рабочей силой развивающихся стран; более низкая себестоимость продукции, достигаемая японскими конкурирующими компаниями; более сложная с каждым годом подготовка квалифицированных кадров; быстроменяющиеся требования мирового рынка машиностроительной продукции; широкие возможности, связанные с дальнейшем развитием ЭВМ, микропроцессорной техники и их использованием в производстве.
Вместе с тем затраты на создание АП велики, они исчисляются миллионами долларов. Поэтому очень важной задачей является их оптимизация на всех этапах, а именно: проектирования, изготовления и эксплуатации автоматизированного производства. Только такой комплексный подход к определению технологии подбора и изготовления деталей, состава и структуры системы, а также управлению ходом технологического процесса их изготовления — это единственный путь оптимизации затрат на создание и эксплуатацию автоматизированного производства.
Большинство АП предназначено для обработки корпусных деталей -управление ими более сложно, т. к. диапазон длительности технологических операций для них лежит в более широких пределах, нежели для деталей типа тел вращения.
Исходя из вышеизложенного, в качестве объекта исследования выбраны автоматизированные производства общего назначения (в таких системах изготовляются детали широкой номенклатуры с производительностью от 1-2 до 10-15 дет/час), применяемые для обработки корпусных деталей.
Итак, целесообразным является решение научной задачи, заключающейся в минимизации себестоимости и времени изготовления деталей в автоматизированном производстве путем комплексного управления подбором основных элементов автоматизированного производства: деталей, технологии их изготовления, оборудования АП и установления их взаимосвязей.
Развитие автоматизированных производственных систем
Не учитывая общей тенденции роста эффективности производственных процессов, экономические предпосылки развития гибкого производства (рис. 1.1) вытекают, прежде всего, из перемены рыночной ситуации, косвенно связанной с последствием экономического кризиса первой половины 70-х годов.
Рынок вызывает необходимость быстрого реагирования на появляющийся спрос и возникающие нужды. Уже в настоящее время живучесть многих предприятий зависит в большей степени от умения приспособится к изменяющимся рыночными условиям. При этом средний цикл внедрения нововведений приближается к одному году, в то время как средний цикл эксплуатации машин не превышает 10 лет (а, например, в ФРГ в перспективных развивающихся областях равен 3-5 лет). Не менее важным является обеспечение соответствующего качества.
Изменяющиеся рыночные условия вынуждают также производить широкий ассортимент изделий в небольших партиях. Оценки C1RP показывают, что уже в настоящее время доля средне- и мелкосерийного производства в мировом масштабе больше 70%. Из результатов исследований, проведенных Carterom [1] видно, что 75% изделий в электромашинной промышленности США производится партиями не больше 50 штук. В Великобритании [2] 50% производства реализуется партиями не больше 100 штук. Это естественно, так как каждому человеку присущее стремление, иметь то, что неповторяемо, чего никто кроме него не имеет (или имеют немногие). Тенденция перехода от массового и крупносерийного к мелкосерийному и единичному производству охватывает даже области, всегда производящие товары в больших масштабах (например, автомобильная промышленность). Это вызывает необходимость использования всех резервов, имеющихся в традиционных формах организации производства (свойственных для более низкого типа производства).
Итак, насущным является создание производственных систем, использующих технические и организационные решения, обеспечивающие высокую эффективность функционирования предприятия при выполнении требований рынка.
В случае мелкосерийного и единичного производства доля накладных расходов, связанных с реализацией технологических операций, заметно ниже, по сравнению с крупносерийным и массовым производством. Исследования, проведенные в Германии показывают, что доля накладных расходов, связанных со складирование и перемещением деталей, для низших форм производства, превышает 50% себестоимости изготовления. Вспомогательные действия выполняет около 23% непосредственно производственного персонала [3].
Итак, первая среди организационных предпосылок развития гибкого производства - это возможность использования резервов, имеющихся в организации вспомогательных производственных процессов: транспорта, манипуляционных действий, складирования, технического контроля. Эти резервы четко видны из анализа структуры производственного цикла. Исследования, проведенные в Германии, показывают, что доля времени обработки в производственном цикле равна 5%. Сходные результаты получены вСША(рис.1.2)[4].
Экономические факторы развития гибкого производства. манипулирование обрабатываемой деталью. Такой же анализ для подготовительно-заключительного времени показывает, что можно добиться сокращения, прежде всего, времени, связанного с креплением, установкой и снятием инструментов и приспособлений, а также путем уменьшения времени знакомства с производственной документацией. Оказывается, что автоматизация позволяет сократить указанное время на 90%.
Некоторый резерв производственного цикла составляет также основное время, которое, прежде всего, нужно сократить путем применения более производительных методов обработки.
Следующая предпосылка развития гибкого производства вытекает из анализа использования фонда времени производственного оборудования. Показано, что при использовании номинального фонда станка примерно на 40% и доли продолжительности вспомогательных операции примерно на 70% эффективное время обработки составляет только 10% от номинального фонда. Такой вывод подтверждают эмпирические данные проведенных исследований в разных странах, в том числе, в США (рис. 1.3 [4]).
Приведенные выше рассуждения показывают основные направления совершенствования производственных процессов, которые могут быть организационного характера или быть реализованными путем технического прогресса.
Улучшения структуры использования фонда времени работы устройств можно добиться в основном такими организационными действиями, как увеличение коэффициента сменности, а также реализацией (во время нерабочих смен) действий, связанных с переналадкой и ремонтным обслуживанием станков. Аналогичных эффектов можно добиться путем технического прогресса: - автоматизацией переналадок производственного оборудования и реализацией этих действий параллельно с обработкой; - применением таких конструктивных решений производственного оборудования, благодаря которым вспомогательные действия могут быть реализованы вне рабочей установки (например: настройка инструментов, головок, патронов на специальных установках); - ограничением области вспомогательных действий (например, путем адаптивного управления с учетом износа инструмента, сокращения количества замен инструментов путем внесения коррекции во время обработки и т.д.); - автоматизацией (непрерывного) диагнозирования состояния инструмента и устранения причин неисправностей путем замены соответствующих узлов; - обеспечения технических возможностей безлюдной работы производственных ячеек длительное время и в итоге безлюдной работы в третью смену и выходные дни.
Свойства автоматизированного производства
Автоматизированное производство как объект проектирования характеризуется рядом свойств, определяющих возможности его применения, поведение в условиях функционирования технико-экономические показатели и др. Эти свойства можно разделить на две группы. Свойства первой группы могут меняться по желанию проектанта в некоторых пределах, а значит, являются управляемыми переменными или параметрами объекта. Обозначим их вектором = (x,,x2,...,x„). Свойства другой группы зависят от параметров объекта (управляющих переменных) и называются характеристиками -W = (у/х,у/2,...,у/т). Характеристики могут зависеть не только от параметров , но и от других второстепенных факторов, которые невозможно или трудно выразить в количественной форме (измерить). Поэтому их относят к внешним факторам и выражают случайными величинами Y = (ух,у2,...,ут).
Под производственной подсистемой будем понимать не статическую, а динамическую подсистему станков , то есть с учетом происходящих в ней во времени процессов. Производственная подсистема содержит, таким образом, станки, детали вместе с их технологическими процессами и способ организации ее работы (прохождения деталей через станки.) со всеми временными характеристиками. PW = (PS, Р\ TCH, U), (2.6) где: ТСН - множество технологических процессов обработки деталей множества Р , U - организация управления процессом обработки деталей в АП.
Определение подсистемы станков требует учета предназначенных для обработки в ней деталей, технологических процессов их обработки и способа управления обработкой деталей. Запроектировать подсистему станков без рассмотрения ее динамики невозможно, поэтому нужно проектировать не подсистему станков, а производственную подсистему.
Производственная подсистема накладывает ограничения (входные данные) на формирование других подсистем.
Для разработки других подсистем АП (ESP - АП, не содержащее производственной подсистемы) необходимо знать какие детали будут обрабатываться в системе, состав подсистемы станков, технологические процессы обработки деталей в гибком автоматизированном производстве. Например, невозможно спроектировать склад, не зная для хранения каких деталей и других грузов будет он использован. Немыслимо спроектировать транспортную подсистему, когда неизвестно какие грузы будут на ней перевозится, неизвестна интенсивность транспорта, которую можно определить, если заданы подсистема станков, технологические процессы обработки деталей и временные характеристики их продвижения в системе, для определения которых необходимо знать способ управления ходом обработки деталей в системе, а значит ESP =/ ({PW}) (2.10) или ESP =/ ((PS, Р\ ТСН, Щ (2.11) Таким образом, при проектировании АП в первой очередности необ ходимо разрабатывать производственную подсистему, а затем, на основании полученных результатов остальные функциональные подсистемы гибкого автоматизированного производства.
Всякий путь в графе G , соединяющий начальную и конечную верши ны, представляет собой один вариант технологического процесса обработки изделия. В процессе проектирования производственной структуры операции привязываются к производственным ячейкам (рабочим местам).
Пусть е будет отображением, привязывающим все операций определенного варианта процесса производственным ячейкам: е: О — е. Результатом отображения е является граф частичных связей производственных ячеек, связанных с реализацией определенного варианта технологического процесса изделия Р (рис.2.4). Элементы матрицы V , W обозначают интенсивность связей элементов производственной системы измеряемых, например, числом, частотой или массой транспортированных грузов.
Анализ свойств корпусных деталей и возможность их изготовления в автоматизированном производстве
Материал заготовок корпусных деталей. Большинство заготовок для корпусных деталей изготавливается из серого чугуна. В работе [46] приводится следующая статистика корпусных деталей в зависимости от материала заготовок - таб. 3.1.
Габаритные размеры деталей и структура трудоемкости обработки. Результаты технологического анализа деталей сведены в таб.3.2 [46]. На основании таб. 3.2 в работе [46] даются следующие выводы: потребность в автоматизированных системах для обработки корпусных деталей габаритных групп 1, 2, 3, 4, 5, 6 можно ориентировочно оценить пропорцией 4:2:2:1:2:2 (исходя из соотношения суммарных трудоемкостей изготовления деталей по группам); автоматизированные системы для средних и особенно мелких кор I пусных деталей должны обеспечить возможность обработки База данных о деталях База данных отехнологическомоборудовании База данных отранспортномоборудовании Программа,управляющаябазами База данных о складах — Управляющая программа
Количество сторон обработки. По данным [ 47], 18% общего числа корпусных деталей имеет одну сторону обработки. 32% деталей - две, три и четыре стороны (их обработка является возможной при повороте детали вокруг одной оси), 35% - пять, шесть и семь сторон (их обработка является возможной при повороте детали вокруг двух осей), 15% - шесть, семь и восемь обрабатываемых сторон.
Во всех случаях поверхность, на которую деталь установлена, в принципе, является недоступной для обработки, поэтому такие детали нужно обрабатывать с нескольких установов (обработка с одного установа не является возможной).
Форма обрабатываемых поверхностей. В корпусных деталях наиболее часто имеем дело с плоскими поверхностями и отверстиями.
Плоские поверхности. Статистический анализ [ 47] показал, что 78% плоскостей - это плоскости открытые, они могут быть обработаны сквозным фрезерованием в один рабочий ход, 8% требует обработки по контуру и в Таблица 3.2. Распределение корпусных деталей по габаритным группам № габаритной группы 1 2 3 4 5 6 Габарит деталей, мм длина 200 201-400 401-800 801-1250 1250-1500 2500 ширина 200 200 201-400 350 351-630 630 350 351-630 630 630 631-1200 высота 60 60 60 60. 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 Выпуск в % 57,82 14,70 7,98 3,15 7,76 2,74 1,31 0,66 0,06 0,23 0,03 0,24 0,45 0,10 0,03 2,00
Трудоемкость обработки, % 17,60 14,20 4,10 4,70 7,82 2,47 5,28 7,06 2,89 1,91 2,29 2,68 2,61 2,94 8,92 15,5 Структура трудоемкости обработки по видам работ точение 8,5 48,0 6,8 19,2 34,7 0,3 4,3 8,6 12,1 2,7 19,8 5,0 7,0 1,8 1Д 0,5 сверление 33,4 20,0 25,0 40,0 28,6 46,8 40,2 30,5 30,9 16,9 23,8 28,5 9,7 12,0 4,3 5,5 растачивание 2,8 1,7 0,8 6,9 12,3 0,7 6,7 21,4 36,0 48,9 35,5 40,2 49,8 34,4 83,2 64,0 строгание 2,3 0,6 2,7 1,3 0,8 11,4 9,0 4,6 3,0 13,8 7,2 10,8 17,7 20,0 4,3 10,5 фрезерование 37,8 19,6 43,0 28,6 17,7 30,7 29,4 28,1 13,1 8,4 9,9 10,2 10,5 20,0 3,4 12,5 шлифование 10,5 5,0 12,1 1,4 0,8 9,8 11,0 6,4 2,7 7Д 1Д 1,3 5,3 10,2 3,7 6,0 Остальные операции 4,7 5,1 9,6 2,6 5Д 0,3 0,4 0,4 2,2 2,2 3,3 4,0 - 1,4 - 1,0 Итого 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 двух, трех направлениях перемещения инструмента и 14% плоскостей нуждается во внутренней обработке.
Отверстия. Отверстия в корпусных деталях можно разделить на основные, по которым базируются опоры и присоединяемые к корпусу детали, и крепежные (для крепления детали при помощи винтов, шпилек, облегчающих сборку и базирование). Размеры диаметров основных отверстий находятся в довольно большом диапазоне (от 16 до 50 мм) и главным образом зависят от вида деталей.
Диаметры отверстий в корпусах станков имеют размеры, находящиеся (наиболее часто) в диапазоне от 20 до 180 мм, в корпусах автомашин -от 30 до 200 мм, в корпусных деталях кранов - от 40 до 320 мм, а в корпусных деталях приборов - от 16 до 60 мм. Количество отверстий в зависимости от диаметра показано в таб.3.3 [47]. Большинство отверстий - бесступенчатые - 80% [ 47].
В корпусных деталях очень много крепежных отверстий. Применяемость диаметров крепежных отверстий характеризуется следующими данными (таб. 3.4) [47].
Диаметр отверстия (мм) 3-6 6-Ю 10-16 16-20 20-25 Применяемость (%) 6 30 58 4 2 Анализ размеров и форм основных и крепежных отверстий показывает, что на каждой стороне детали имеется несколько одинаковых отверстий, процесс обработки которых также одинаков. Одинаковые от верстия образуют группы отверстий. На одной стороне детали, как правило, имеется несколько групп отверстий. На другой стороне - некото рые группы отверстий повторяются, а некоторые группы образованы вновь. Одинаковые отверстия на всех сторонах образуют свою группу отверстий. У каждой корпусной летали несколько групп отверстий и чем меньше групп отверстий, тем меньше инструментов необходимо для их обработки. Расположение обрабатываемых поверхностей на стенках детали. По данным работы [47] для 42% корпусных деталей обработку необходимо производить в параллельных плоскостях: у 43% деталей - в перпендикулярно расположенных поверхностях, а у 15% деталей плоскости расположены наклонно друг к другу.
Погрешность расположенияоси отверстий относительнобазовых плоскостей До 0,02 0,02-0,05 0,05-0,1 Свыше 0,1 Количество деталей в % 6 14 31 49 В корпусных деталях станков около 10% основных отверстий изготавливается по 5 квалитету, свыше 50% - по 6 квалитету, около 30% - по 8, 9 квалитету и до 10% - ниже 9 квалитета [48].
В корпусных деталях кранов 5% отверстий изготавливается по 6 квалитету, 15% - по 7 квалитету, свыше 50% - по 8, 9 квалитету, 25% - по 10 квалитету, остальные - по 11, 12 квалитету [48]. Точность изготовления отверстий в корпусных деталях показана в таб. 3. 6 [47].
Для рассматриваемых деталей неточность межосевого расстояния находится в пределах 0,01 - 0,2 мм. Для корпусов коробок скоростей, коробок передач и коробок несущих шестерни, скорость вращения которых превышает 15 м/с, погрешности межосевого расстояния ограничиваются значениями 0,01 - 0,025 мм. Аналогично, для корпусных деталей, несущих шестерни точных кинематических передач, погрешности межосевых расстояний ограничиваются цифрами 0,01 - 0,03 мм. Для корпусов редукторов, блоков цилиндров и коробок передач погрешности межосевых расстоянии нормируются значениями 0,03 - 0,1 мм. Корпусные детали тракторов, кранов и другие имеют погрешности межосевых расстоянии, превышающие ОД мм [47].
Распределение деталей с различными допусками на межосевые расстояния растачиваемых отверстий характеризуются следующими значениями таб.3.7 [47]. Таблица 3.7. Допуски на межосевое расстояние корпусных деталей Допуски на межосевое расстояние в мм 0,01 0,02-0,09 0,1 Количество деталей в % 12 30 58
Допуски на межосевые расстояния крепежных отверстий, а также допустимые отклонения их диаметральных размеров не указываются. На некоторых чертежах ограничиваются значениями 0,2 - 0,5 мм [47].
Методика подбора типажа оборудования и определения структуры
Автоматизированные производства, как правило, предназначены для мелкосерийного производства. Как известно, для такого типа производства широко применяют принципы групповой обработки [ 56] . В методике формирования групповых технологических процессов выделились к настоящему времени два основных направления.
Первое базируется на следующих основных этапах: - классификация деталей; - группирование деталей и выявление комплексной детали для каждой группы; - разработка технологического маршрута комплексной детали; - адресование обработки деталей группы к технологическому маршруту комплексной детали; - выбор структуры процесса обработки комплексной детали и структурно-компоновочной схемы станка (станочной системы); - определение производительности системы; - уточнение окончательного перечня обрабатываемых деталей.
При втором подходе сначала разрабатываются индивидуальные технологические маршруты обработки деталей, структура технологического процесса. Затем производится группирование деталей по подобию индивидуальных технологических маршрутов, непосредственно для выбранной структуры процесса, и осуществляется выбор структурно-компоновочной схемы станочной системы. Множество видов деталей Группирование деталей по определенным признакам
Принципы групповой обработки не могут механически переноситься на обработку деталей в АП - нужно учитывать специфику этого производства. Методы эти рассматривают только технологический процесс, оставляя в стороне проблемы организации, планирования и управления производством, которые в условиях мелкосерийного и единичного производства чрезвычайно сложны и конечно не решаются только путем применения групповой технологии и группового оснащения.
Другим их недостатком является то, что разрабатывая комплексную деталь и группируя вокруг нее конструкционно-подобные детали а также делая групповую оснастку, не рассматриваются технологические маршруты деталей, включенных в группу - детали, включенные в группу на данной операции и - обрабатываемые в групповом приспособлении, в дальнейшем обрабатываются по другим маршрутам. Это ведет к значительному увеличению незавершенного производства, удлиняются циклы изготовления деталей, что недопустимо при обработке в гибком автоматизированном производстве. Поэтому необходимо найти другое решение этой задачи.
Как известно, корпусные детали, в общем случае, даже в условиях одного промышленного предприятия характеризуются большим разнообразием, а значит, нужно их предварительно каким то образом классифицировать. В связи с этим разработаны соответствующие критерии классификации (КК): - размеры детали, - форма деталей, - материал, - характеристика заготовки, - шероховатость, - термическая обработка, - количество деталей в партии, - производственная программа в год. КК= {кь к2, ...,кт}, (4.1) где т - число критериев классификации. При разработке задачи классификации деталей, Р = №,РЇ-,..,Р"Л (4-2) где Р - множество деталей; /?"/" - число деталей р-го вида. Использован некоторый опыт классификации деталей, представленный в "Единым конструкторско-технологическом классификаторе предметов производства" [57], но учтена специфика обработки в условиях автоматизированного производства.
Детали, входящие в так сформированные группы (р —) обрабатываться по одному и тому же общему технологическому маршруту, то есть на одинаковых (взаимозаменяемых) станках. Полагается, что два станка одинаковы (взаимозаменяемы), если они одного типа и одинаково налажены - имеют одинаковые технологические возможности. Затем нужно определить целесообразность обработки деталей, составляющих группу, в данном автоматизированном производстве. Наименование свойства Занимаемое место в классификационном символе3
Размеры Длина Ширина (наружный диаметр) Высота (внутренний диаметр) 3 Форма Тип формы Вид формы Разновидность формы 6 Методика подбора типов станков и их количества. Исходными данными для подбора подсистемы станков автоматизированного производства служат базы данных о станках и корпусных деталях. Классификация деталей делает возможным выделение по определенным признакам группы деталей (if), обработка которой в АП будет наиболее рациональной.
В первую очередь из множества отобранных станков нужно определить совокупность станков (типы станков), на которых можно реализовать все виды обработок, необходимых для изготовления множества деталей. Для решения этой задачи используем алгоритм генерирования возможных вариантов (программа подбора станков). В общем случае количество полученных вариантов может быть довольно большое. Значительное их число будет обладать более широкими технологическими возможностями нежели те, которые нужны для обработки деталей, а значит, будет содержать в себе более узкие варианты (состоящее из меньшего количества типов станков), но вполне удовлетворяющие требованиям обработки деталей. Эти варианты (более широкие) будут сразу отбрасываться. Варианты, которые не являются подмножеством других (более широких) можно принимать во внимание при подборе типов станков подсистемы АП.
Среди тех вариантов, если их также окажется довольно много, выбирается один или несколько для дальнейшего анализа, учитывая цену станков и их технологические характеристики. Таким образом, имеется (для каждого варианта) множество типов станков, необходимых для обработки множества деталей.
