5.3. Автоматизация и эффективность поточного производства

Автоматизация производства – это прежде всего замена физических усилий рабочего, осуществляющих основные и вспомогательные процесса, а также умственных усилий служащих, связанных с выполнением функций управления (учет, планирование, расчет, анализ).

Автоматическая поточная линия (АПЛ) – это система машин-автоматов, размещенных по ходу технологического процесса, для исполнения основных и вспомогательных процессов с помощью объединенных автоматическими механизмами и устройствами по транспортировке, контролю, накоплению заделов, ориентации предмета обработки и удалению отходов, обеспечивая ритмичный выпуск продукции с заданными параметрами качества.

АПЛ может состоять как универсального оборудования (автоматов и полуавтоматов), так и из агрегатных станков, станков с ЧПУ, робототехнических комплексов (РТК), обрабатывающих центров, гибких модулей.

АПЛ классифицируются по следующим признакам:

1. по числу обрабатываемых деталей (ОПАПЛ –МПАПЛ);

2. по виду движения обрабатываемых деталей (НАПЛ – ПАПЛ);

3. по оснащению (станочные или многоагрегатные– роторные или одноагрегатные);

4. по возможности перенастройки (жесткие – гибкие).

Предпосылки организации АПЛ: 1) устойчивая потребность, обеспечивающая нормальную загрузку линии; 2) высокая технологичность при соблюдении полной взаимозаменяемости деталей; 3) высокая надежность средств технологического оснащения основных и вспомогательных процессов.

Первые три признака классификации аналогичны как для обычных ПЛ. На первых этапах автоматизации предметная специализация, типизация и стандартизация послужила основой жестких АПЛ. – «… негибкое массовое производство…наталкивается на экономические границы, прежде всего в тех сферах, где скачкообразно изменяется конъюнктура спроса и появляются нововведения… Углубление разделения труда влечет за собой увеличение времени простоев и ожиданий в информационном процессе» (с.11-14) (СОНТ) Достижения в области микроэлектроники, вычислительной техники, информатики и средств связи создали возможность эффективной автоматизации на гибких модулях не только массового, но мелкосерийного производства.

Среди одноагрегатных АПЛ интерес представляют роторные линии (РЛ). Ротор представляет собой барабан, на периферии которого на равном расстоянии друг от друга расположены рабочие инструменты, смонтированные в быстросъемных блоках, и рабочие органы, сообщающие инструментам в процессе вращения ротора необходимые перемещения. Ротор включает: 1) сектор питания, где поступающая заготовка входит в контакт с инструментом; 2) рабочий сектор, где инструмент совершает все движения по обработке детали по заданной операции; 3) сектор удаления обработанной детали; 4) нерабочий сектор, в котором проводится очистка, смазывание, подналадка и смена инструментов.

На РЛ обрабатываются тела вращения на роторах, позволяя совмещать время технологическое и время транспортировки. РЛ широко применяются на технологических операция обработки давлением, поверхностной закалки и напыления, сборки, контроля.

Технологическая производительности П_Т = 1/ t_М, где t_М - время непосредственной обработки детали (рабочих ходов).

Цикловая производительность П_Ц= 1 / (t_М + t_ХХ + tоз), где tхх- время холостых ходов; tоз – время ожидаемых задержек.

1. Такт роторной линии r_РЛ=l / V_ТР; V_ТР = r = 2  r / Т, где r-радиус ротора, Т- период вращения, с, мин.

2. Продолжительность цикла обработки от места загрузки до выдачи готовой детали: t_Ц =L_ТР / V_ТР (длина пути / скорость).

3. Время обработки детали за полный оборот ротора: t_Ц =L_П / V_ТР (длина полной окружности ротора / скорость).

Продолжительность цикла при повороте ротора на угол  :

t_Ц = t_П + t_КП + t_З + t_М + t_ОИ + t_Р+ t_С+ t_ХД, который включает время: передачи заготовки из транспортного ротора в инструментальный блок; контроля за положением, наличием заготовки; закрепления заготовки и подвода инструмента; машинной обработки; отвода инструмента; раскрепления детали; снятия детали и передачи ее транспортный ротор; холостые движение инструментального блока.

4. Цикловая производительность роторной машины (роторной линии) как обратная величина такта: r_ЦМ= п/ t_Ц (r_ЦЛ= V_ТР/ L_ТР).

Роторно–конвейерные линии развивают роторные, позволяя отделять инструмент от исполнительных органов, размещая его в замкнутых конвейерах, последовательно огибающих так называемые обслуживающие роторы. Это позволило повысить производительность, автоматизировать функции обслуживания инструмента, расширить номенклатуру обрабатываемых деталей.

Значительные возможности автоматизации расширили станки с ЧПУ, которые работают по программе, регулируя скорость и направления перемещения исполнительного органа, управление циклом обработки и сменой инструмента. Использование станков с ЧПУ повышает производительность, снижает себестоимость изготовляемых деталей, уменьшает долю брака, повышает точность и срок службы деталей.

В гибких автоматизированных производствах первичной ячейкой стал гибкий производственный модуль (ГПМ), который состоит из единицы технологического оборудования с ЧПУ и автономно функционирует, а также может встраиваться, образуя гибкие ПЛ, участки, цехи.

Гибкость – это свойство адаптации производственной системы перехода в пределах установленных технических возможностей из одного работоспособного функционального состояния в другое, обеспечивающего выполнение очередного задания или новой функции. Гибкость оценивается числом вариантов технических возможностей (n) и временем перехода из одного состояния в другое (_ij): g = (1 – 1/Fд  _ij) (1 – 1/n).

Техническая гибкость – это диапазон изменения характеристик технологического оборудования.

Технологическая гибкость – это диапазон изменения параметров используемой оснастки и управляющих устройств.

Организационная гибкость – определяется концентрацией выпуска однородной продукции и временем непрерывной занятости производства при заданной оснащенности.

Гибкое автоматизированное производство (ГАП) – это интегрированная система взаимосогласованных станков с ЧПУ, промышленных роботов, автоматических транспортных средств, автоматических складов, центральной управляющей ЭВМ, позволяющая выпускать в автоматическом режиме широкую номенклатуру изделий (деталей) без изменения его технологического оснащения.

ГАП увязывает как материальные потоки основных и вспомогательных процессов изготовления, так и информационные потоки автоматизации СОНТ (АСНИ, САПР, АСТПП, организационно – экономических расчетов АСОЭР) и автоматизации управления основных и вспомогательных функций ГАП, как отдельных рабочих мест, так и общего управления ГПС.

Эволюция развития гибкости в ХХ в.: базисные принципы 60-70-е гг.  Элементы гибкости 80 –е гг. Комплексная гибкость с 90-х гг.

О

Гибкость

бласти применения основных вариантов автоматизации производства представлены на следующем рисунке:

Партия выпуска, шт.

Жесткие АТП

Гибкие АТП

15 000

Производи-

тельность

ГАП

2000

Участки с ОЦ

500

Станки с ЧПУ

25

Номенклатура выпуска за год

10

2

800

100

Развитие ГАП идет в направлении:

• концентрации технологических возможностей и создании обрабатывающих центров;

• автоматизации вспомогательных операций (установки деталей и коррекции их для достижения заданной точности, замена инструмента, удаление стружки).

Создание ГАП увязывает цепочки: «новое оборудование – новая технология – новая организация производства» или «новая организация производства – новая технология – новое оборудование». На этапе подготовки определяют номенклатуру деталей и программу их выпуска, потребность и готовность кадров технологов-программистов, наладчиков, ремонтников и т.д. На этапе проектирования уточняется конфигурация и технология ГАП. На этапе строительства и монтажа реализуется проект ГАП и его обеспечение.

Ключевым параметром является структура фонда времени (время работы, время внережимное, время на восстановление работоспособности, время на планово – предупредительные работы, простои по организационным причинам). Можно оценить через относительную трудоемкость – штучная трудоемкость программы деталей к фонду времени. Важным фактором является поддержание стабильного уровня – уменьшение сбоев из-за поломок оборудования и инструмента, квалификации и соблюдения дисциплины персоналом, брак продукции. Гибкость как средство обеспечения стабильности в условиях многономенклатурного производства, обеспечивая минимум возможных потерь на переналадки.

Другой параметр гибкости – трудоемкость переналадок, которая отражается на времени работы оборудования и не отражается. Количество переналадок зависит от стандартизации и унификации деталей и типизации технологических процессов, периодичности партий запуска.

Программа выпуска (N), номенклатура (Н), количество переналадок (П) связаны неравенством: Н  П  N, на основании которого можно определить серийность продукции С = N / Н, средний размер партии запуска n = N / П = С Н/П, цикличность запуска Ц = П/Н.

С переходом на станки с ЧПУ, оснащенные встроенными микропроцессорами и собственной оперативной памятью, появилась возможность передачи программ управления из центральной ЭВМ в устройство ЧПУ, расширило информационные функции и автономные возможности регулирования в рамках АСУТП, а оперативное управление и учет работы (организационное управление по схеме «склад – производство – склад» с учетом заданной очередности запуска - выпуска) ГПС с центральной ЭВМ.

Основой организационного управления является база данных охватывающей информацию о детали, оборудовании, вариантах технологических процессов, заготовках, программные возможности нормирования и выбора маршрутов, режимов обработки. Качество информации определяется ее актуальностью (среднее время запаздывания корректировки информационной базы) и достоверностью (пределы допустимой точности, проверяемой по соответствию синтаксису и смысловому содержанию).

Хауштайн Х.Д. Гибкая автоматизация: Сокр. Пер. с нем. – М.: «Прогресс», 1990. – 200 с.

«Решение задач по ускорению развития и интенсификации требует лучшего использования фактора времени…Отставание приводит к потерям…в обрабатывающей промышленности …5% совокупного времени оборота приходится на полезное машинное время и

изготовления изделия…Наблюдается тенденция увеличения цикла (в первую очередь за счет информационных процессов) от поступления заказа на изделие до поступления его потребителю.» (с. 11)

«Расширяется многообразие и разнообразие потребностей, возрастают научные, технические и экономические возможности их удовлетворения…

с другой стороны унификация и стандартизация, ГАП пытается уменьшить это разнообразие, дающего эффект за счет снижения постоянных расходов от расширения масштабов производства, покрывая убытки от снижения цен и потерь сбыта» с.36

Точно в срок и качество гарантированное – основные факторы успеха в интегрированных системах СОНТ и ГАП, которые заменяют жесткие пооперационные поточные линии и способные выпускать малыми партиями для конкретных потребностей.

Д (маркетинг - СОНТ-САПР) –Т (снабжение) – П (ГАП) - Т(качество –сроки) - Д(послепродажное обслуживание)

Предпосылки внедрения поточного производства: достаточный размер и устойчивый выпуск; высокая степень стандартизации и типизации, технологичности конструкции; прогрессивная технология, высокий уровень механизации и автоматизации; типизация технологических процессов и средств технологического оснащения; научная организации труда и регламентированное обслуживание рабочих мест.

Эффективность поточного производства

Сфера проявления

Технико-экономическая

Социально-психологическая

Плюсы: выс-окая произв-одительность

Минусы: высокие требования к обслуживанию

Плюсы: снижение физиологиче-ской нагрузки

Минусы: монтон-ность, снижение содежательности

Эффект от такого поточного производства проявляется в следующем:

1. повышение производительности (сокращение такта);

2. сокращение длительности производственного процесса за счет параллельно выполнения работ по операциям;

3. снижение заделов незавершенного производства;

4. повышение загрузки оборудования;

5. снижение доли брака;

6. снижение себестоимости единицы продукции;

7. повышение уровня инвестиций (единовременных затрат);

8. монотонность выполнения ручных и машинно-ручных операций.

Для заданной номенклатуры продукции косвенно эффективность оценивается критической программой выпуска (q_kp), когда область планируемого (фактического) выпуска будет целесообразным, если q > q _kp. q_kp = S_C / (P – S_V).

Если у двух ПЛ цена производимой продукции Р – одинакова, а S_C1 > S_C0 и S_V1 < S_V0, q_kp = (S_V0 - S_V1) / (S_C1 - S_C0), тогда при q < q _kp эффективнее 0-я ПЛ, а при q > q _kp – 1-я ПЛ.

Если у двух ПЛ цены производимой продукции Р – различаются, а S_C1 > S_C0 и (P₁ - S_V1 ) > (P₀ - S_V0), q_kp = [(P₁ - S_V1 ) - (P₀ - S_V0) ]/ (S_C1 - S_C0), тогда при q < q _kp эффективнее 0-я ПЛ, а при q > q _kp – 1-я ПЛ.

Эффект с учетом закона массового производства описывается уравнением:

где Р – цена выпускаемой продукции с учетом надбавок или скидок, руб. / шт.;

Ус – убытки от выпуска продукции, которая не находит сбыта, руб.;

S_С – постоянные издержки, руб.;

S_V – переменные издержки, руб./шт.;

q – объем произведенной продукции, шт.;

К – капитальные вложения, руб;

Тн – нормативный срок службы капитальных вложений.

На стадии инвестирования единовременные затраты К в размере годовых сумм Ен К или К/tnp, где tnp – срок службы проекта ПЛ. Однако ПЛ, связанная по такту со смежными местами дает риск потерь (G) как линейной функции от q, который усиливается по мере достижения предельной загрузки и возраста самой ПЛ. Тогда функция закона массового производства для ПЛ примет следующий вид: S = (S_C + En K)/q + S_V + G q. Тогда можно найти первую производную удельных издержек от количества выпуска q и далее, приравняв ее к нулю, найти оптимальный выпуск q_опт. При условии, что на выпуск заданы ограничения q_kp  q  q_ПМ. Верхняя граница определяется производственной мощностью или спросом.

На эффективность ПЛ существенное влияние оказывает через показатели ее технического уровня:

1. Назначение ПЛ (производительность, разнообразие продукции, качество ее параметров).

2. Надежность ПЛ (наработка на отказ, время восстановления, срок службы).

3. Технологичность ПЛ (компактность, простота связей между рабочими местами).

4. Эргономичность ПЛ (шум, запыленность).

5. Технологичность изготовляемой конструкции (трудоемкость и удельная трудоемкость изделий).

6. Стандартизация и унификация модулей ПЛ.

7. Патентная чистота ПЛ и изготовляемой продукции.

8. Экологичность и безопасность ПЛ.

Негибкому массовому производству противостоит гибкое, которое может адекватно приспосабливаться как на изменение конструкции изделия, так и технологии, обеспечивая актуальность и разнообразие спроса. Гибкость и автоматизация производства шло направлении, с одной стороны, замены функций человека: 1) “рука” – физиологические усилия; 2) “рука” - “глаз” – исполнение, измерение; 3) “рука” – “глаз” – “мозг” – исполнение, измерение и контроль, а с другой, - увязки функций системы “человек – машина”: 1) ”лошадь”- источник преобразований; 2) “седок” – груз или предмет воздействия; 3) “телега” – средство преобразования; 4) “кучер” – элемент управления системы. Своевременное проведение СОНТ и интенсивное использование новой техники позволяет создать большую их удельную стоимость и конкуретные преимущества. Наиболее значима во времени здесь является информационная фаза.

До 1985 г ГАП (ГПС) не давала положительного экономического эффекта, так как неиспользовался временной ресурс техники и ее надежность. Положительный пример получен по заводу-автомату в г. Ногайо фирмы «Янадзаки», который включает 18 ОЦ; транспортные системы доставки инструментов и заготовки массой до 3 т, подвижные ПР для обслуживания 2-3 ОЦ; системы уборки стружки; автоматическая диагностика инструмента на оборудовании; центральная управляющая ЭВМ. Номенклатура обрабатываемых деталей – 800 заготовок 23 типов. По сравнению с заводами-аналогами число рабочих мест уменьшилось в 5 раз, а производственная площадь – в 3 раза; число работающих 12 (на три рабочих смены) – уменьшилось в 15 раз; длительность производственного цикла сократилось до 1.5-3 дня или 25-35 раз. Стоимость завода 20 млн. долларов окупилась за два года, срок освоения 2,5 года. Завод введен в 1981 г. Положительная эффективность достигнута из-за того, что завод работал в три смены, в том числе в субботу и воскресенье при отсутствии работников. Организация производства как модель вложена в память ЭВМ и с программы реализуется при формировании материальных потоков производственных процессов.

Экономические последствия автоматизации можно проследить в следующих пяти фундаментальных областях (Хауштайн Гибкая автоматизация с.169 – 171):

1. Количественная и качественная динамика спроса…Гибкая автоматизация позволяет увязать значительный объем производства с широкой номенклатурой продукции. Однако эффект от увеличения ассортимента достигается лишь тогда, когда организация кооперирования (торговли) не отстает от прогресса производства.

2. Автоматизация и характер совокупного общественного труда…Искусственный интеллект на базе ЭВМ и программного обеспечения …придает конкретному труду всеобщий характер…тем самым расширяется спрос на творческий труд.

3. Организация труда и жесткая последовательность операций…характерна для классической организации…Системы же гибкой автоматизации могут эффективно функционировать, лишь, если характеризуются значительной автономностью, децентрализацией и рациональными размерами.

4. Гибкая автоматизация требует значительные капитальные вложения... сокращает расходы на переналадку и повышает степень последующего использования оборудования.

5. Гибкая автоматизация…благодаря высокой степени децентрализации и высокого качества, обеспечивает ее высокую надежность.