Производительность станков с ЧПУ и гибких производственных систем

Производительность технологического оборудования - количество годной продукции, выдаваемой в единицу времени. В дискретом производстве (машиностроении и приборо­строении) наиболее характерна продукция, из­меряемая штуками годных изделий (обрабо­танных, собранных, проконтролированных и т. д.). Для некоторых типов оборудования (на­пример, станков для электрофизической и электрохимической обработки) мерой про­изводительности более удобно считать количе­ство снимаемого материала.

Время при расчетах и оценке производи­тельности также может выражаться различно: при теоретических расчетах его целесообразно выражать в минутах, при производственных расчетах — в часах, рабочих сменах, месяцах, годах (соответственно масштабам производ­ственных заданий на выпуск продукции).

При бесперебойной работе оборудования его производительность (при условии, что вся выпушенная продукция является годной) опре­деляется двумя факторами: длительностью Т рабочего цикла и числом изделий, выда­ваемых за цикл. Этот показатель получил на­звание цикловой производительности. Как правило, станки с ЧПУ за рабочий цикл вы­дают единицу продукции, и поэтому формулу цикловой производительности чаше всего за­писывают в виде Q_ц = 1/T.

Каждый рабочий цикл содержит: 1) время t_р рабочих ходов, когда проводится обработка, контроль, сборка, т. е. те технологические воз­действия, ради которых и создается данное оборудование (это производительные затраты времени); 2) время t_в несовмещенных вспомо­гательных ходов, когда технологический про­цесс прерывается (это непроизводительно за­траченное время, хотя загрузка и зажим обеспечивают необходимые условия для ре­ализации технологии). Вспомогательные ходы, выполняемые автоматически действующими механизмами, являются признаком оборудова­ния с автоматическим рабочим циклом. В по­луавтоматах, в которых отсутствует один или несколько механизмов вспомогательных хо­дов, эти функции выполняют вручную (как правило, загрузка и зажим заготовок, разжим и съем изделий).

Цикловая производительность Q_ц характе­ризует лишь потенциальные возможности обо­рудования по выпуску продукции в условиях, когда станки с ЧПУ работают непрерывно, без простоев, и при этом вся выпущенная про­дукция является годной. В реальных условиях по недостижимо. Поэтому формулы произво­дительности учитывают простои оборудова­ния и выпуск бракованной продукции.

Влияние простоев оборудования на его производительность определяют с учетом коэффициента использования или внецикловых потерь.

Коэффициент использования η_ис численно показывает, какую долю планового фонда времени θ оборудование действительно функ­ционирует и выдает продукцию. Например, η_ис=0,7 означает, что 70% времени, принято­го за базу, оборудование работало, а 30% это­го времени простаивало.  По  определению,

где θ_p — суммарное время работы оборудова­ния за время θ; Σθ_п — суммарное время простоев оборудования за этот же период.

Очевидно, что фактическая производитель­ность равна теоретической цикловой, умно­женной на коэффициент использования:

Действительно, при η_ис = 0,7 выдается лишь 70% продукции, которую можно было бы получить при бесперебойной работе обору­дования, т. е. его производительные возмож­ности используются лишь на 70%.

Как при проектировании, так и при экс­плуатации оборудования оценки значения коэффициента η_ис в целом, как правило, недо­статочно. Лишь иногда при укрупненных про­ектных расчетах принимают ожидаемое значе­ние η_ис = 0,75 ÷ 0,80, что позволяет сугубо ориентировочно прогнозировать ожидаемую производительность при определенном значе­нии Т. В большинстве случаев необходима рас­шифровка, почему величина η_ис принимает те или иные значения, какие причины и виды простоев являются преобладающими. Для станков с ЧПУ характерны: а) собственные или технические простои Σθ_с, обусловленные техническими характеристиками самого обо­рудования (затраты времени на смену и регулирование инструмента, обнаружение и устра­нение отказов в работе, уборку и очистку, ремонт и профилактику и др.); они непосред­ственно связаны с технологическими процесса­ми и конструкциями машин и механизмов; б) организационные простои Σθ_орг обусло­вленные внешними факторами, которые, как правило, не связаны с технологией и конструк­цией машин (отсутствие обрабатываемых заготовок, инструмента, электроэнергии, несвое­временный приход и уход обслуживающих рабочих и др.); они определяются уровнем производства, степенью загрузки оборудова­ния в данных конкретных условиях; в) про­стои Σθ_пер для переналадки оборудования на обработку новой продукции, которые зани­мают промежуточное положение между преды­дущими видами простоев, так как частота их определяется организационными факторами, а длительность — техническими.

Суммарные простои за произвольный пе­риод времени θ

Коэффициент использования можно выра­зить как произведение частных коэффициен­тов, отражающих влияние тех или иных видов простоев:

Здесь η_тех — коэффициент технического ис­пользования, численно показывающий долю времени, в течение которого оборудование при обеспечении всем необходимым работает:

Например, η_тех = 0,8 означает, что в пе­риоды, когда оборудование обеспечено всем необходимым для выпуска продукции, оно 80% времени работает, а 20% этого времени простаивает по техническим причинам (без учета переналадок).

Коэффициент переналадок η_пер показывает долю планового фонда времени, когда при условии обеспечения всем необходимым обору­дование может функционировать, выпуская определенную продукцию:

Например, η_пер = 0,9 означает, что в пе­риоды, когда оборудование имеет все органи­зационные предпосылки для работы (есть за­готовки, инструмент, электроэнергия и пр.), оно 10% времени простаивает для перенала­док для обработки другой продукции, а 90% времени может ее выпускать с чередованием периодов бесперебойной работы и простоев.

Коэффициент загрузки η_загр показывает, какую долю планового фонда времени обору­дование обеспечено всем необходимым для работы, т, е. насколько оно загружено в данных конкретных условиях производства. Например, η_загр = 0,9 означает, что 90% фонда времени оборудование имеет все необходимое для работы (есть заготовки, инструмент, рабо­чие на месте и т. д.), а в течение 10% времени чего-то не хватает.

При комплексной автоматизации про­изводства, в том числе создании гибких про­изводственных систем, весьма редко собствен­ная производительность всех звеньев техноло­гической цепи бывает одинаковой. Поэтому только лимитирующие звенья имеют полную загрузку (η_загр → 1,0), и реальный коэффициент загрузки определяется лишь случайными пере­боями в обеспечении функционирования. Для остальных, нелимитирующих звеньев η_загр < 1,0

Преимуществом оценки фактической про­изводительности с помощью относительных коэффициентов η_ис, η_тех, η_пер, η_загр является наглядность и простота интерпретации чис­ленных значений. Например, если станок с ЧПУ загружен согласно производственной программе на 90% (η_загр = 0,9), кроме того, 10% оставшегося времени простаивает для переналадок (η_пер = 0,9), и в периоды обеспече­ния всем необходимым работает лишь 80% времени (η_тех = 0,8), то в итоге доля планового фонда времени, когда станок работает и выпу­скает продукцию, составляет

т. е. потенциальные возможности станка с ЧПУ используются на 65%.

Однако для углубленного анализа в теории и практике более употребительна оценка фак­тической производительности (с учетом про­стоев) через так называемые внецикловые по­тери (ΣВ или Σt_п).

где ΣВ — внецикловые потери как простои, приходящиеся на единицу времени бесперебой­ной работы; Σt_п — внецикловые потери как простои, приходящиеся на единицу выпущен­ной продукции, мин/шт; Σθ_п — простои обо­рудования за некоторый произвольный период времени, мин; θ_р — суммарное чистое время работы оборудования за тот же период, мин; Z — количество продукции, выпущенной за тот же период.

Внецикловые потери связаны с коэффи­циентом использования:

Суммарные внецикловые потери в соответ­ствии с классификацией простоев делятся на собственные, организационные и потери из-за переналадки:

Качественные характеристики работы стан­ков с ЧПУ учитываются в формулах произво­дительности с помощью безразмерного коэф­фициента у выхода годной продукции, числен­но равного доле годной продукции, принятой ОТК. С учетом рабочего цикла, внецикловых потерь и безразмерных коэффициентов суточ­ная производительность станков с ЧПУ (шт/сутки)

где θ — плановый фонд времени работы за сутки с учетом сменности работы.

Приведенные формулы и подобные им являются базовыми при расчетах и анализе производительности как в процессе проектиро­вания (ожидаемые значения), так и при экс­плуатации (фактические значения). На их осно­вании формируют математические модели производительности различных видов техно­логического оборудования для решения задач анализа и синтеза.

Метод получения таких аналитических за­висимостей состоит в следующем. Для данно­го конкретного типа оборудования выделяют группу параметров, которые в данном случае являются предметом анализа или расчета (х₁, х₂,..., х_n). Путем инженерного анализа оты­скивают частные функциональные зависимо­сти всех элементов затрат времени (рабочих и вспомогательных ходов, внецикловых потерь всех видов) от указанных параметров и кон­стант А_i:

Все частные зависимости подставляют в общую формулу производительности и по­лучают зависимость производительности от данных параметров, специфическую для дан­ного вида оборудования и условий производ­ства:

Полученные уравнения решают относи­тельно любого из входящих параметров в за­висимости от поставленной задачи.

Для станков с ЧПУ и ГПС применимы два основных метода расчета производительности оборудования в условиях серийного производ­ства.

1. По типовой детали-представителю. Из числа деталей, закрепленных за данным обо­рудованием, или тех, которые могут здесь обрабатываться, выделяется одна, которая принимается типовым представителем. В фор­мулах учитываются характеристики оборудо­вания при обработке данной конкретной дета­ли, т. е. задача, по существу, сводится к выводу формул и методам расчета при мас­совом производстве. Дополнительно следует лишь учесть потери на переналадку с по­мощью характеристики среднего времени переналадки θ_пер и среднего размера Z партии деталей, обрабатываемых между двумя пере­наладками, а также числа параллельно рабо­тающих станков р:

Недостаток метода заключается в трудно­сти достоверною подбора типового предста­вителя, так как выбранная деталь может иметь среднюю длительность обработки, но не средние вспомогательные ходы или время переналадки. Кроме того, формула, по суще­ству, не содержит ни одного параметра станка, технологического процесса и пр. Между тем очевидно, что производительность станков с ЧПУ определяется комплектом обрабаты­ваемых деталей и технологическим процессом их обработки; техническими характеристиками оборудования; условиями эксплуатации в дан­ном конкретном производстве. Эти факторы должны найти отражение в формулах про­изводительности.

2. По интегральным характеристикам ком­плекта изделий, закрепленных за данным обо­рудованием. Допустим, на станке с ЧПУ обра­батывается n типоразмеров деталей, каждая из которых имеет неповторяющееся сочетание характеристик: число переходов S_i при обра­ботке, число A_i обрабатывающих инструмен­тов, длительность t_pi отдельных переходов, партию Z_i обрабатываемых деталей, вспомо­гательное время t_вi и т. д. Рассмотрим инте­гральные характеристики времени обработки комплекта деталей, закрепленных за станком.

Время рабочих ходов цикла

t_p = t_p1S,

где t_р1 — среднее время единичного перехода при обработке; S - среднее число переходов при обработке одной детали;

где числитель — суммарное время обработки всех деталей комплекта (с учетом партионно­сти), знаменатель — число переходов,

Здесь числитель — число переходов при обра­ботке всего комплекта, знаменатель — число изделий в комплекте (с учетом партионности).

Время вспомогательных ходов цикла складывается из времени: замены координаты обработки (быстрый отвод инструмента, координатное перемещение стола, быстрый подвод  инструмента),  замены   инструмента в рабочем шпинделе (с использованием ин­струментального магазина) и загрузки-съема:

где t_в1—среднее время единичной замены координаты, S — среднее число переходов при обработке одной детали, т. е. среднее число за­мен координат в одном рабочем цикле; t_в2 — среднее время замены инструмента в шпинделе; А — среднее число инструментов при обработке одной детали; t_в3 - среднее время загрузки-съема. Величины t_в, t_в2, t_в3, А являются среднестатическими, как t_р1 или S.

Собственные внецикловые потери — по оборудованию, инструменту (аварийная заме­на и регулирование) и техническому обслужи­ванию могут быть выражены как простои, от­несенные к единице выпущенной продукции (Σt_c) или к единице времени бесперебойной работы (ΣВ_с). Для станков с ЧПУ типа «обра­батывающий центр», для которых длительность рабочего цикла при обработке неко­торых корпусных деталей достигает несколь­ких часов, более перспективна оценка внецикловых потерь ΣВ_с.

Выражая потери через характеристики безотказности и ремонтопригодности, полу­чим ΣВ_с = ωτ_в, где ω — параметр потока отка­зов как обратная величина среднего времени безотказной работы, выраженной в абсолют­ном времени; τ_в — среднее время восстановле­ния.

Внецикловые организационные потери так­же могут быть выражены в любой из двух форм: Σt_opг или ΣВ_оpг. Функционально свя­зать их с какими-либо характеристиками про­изводства, как правило, не удается. Численные значения организационных потерь являются характеристикой всех условий данного производства в целом.

Внецикловые потери из-за переналадки це­лесообразнее определяв относительно еди­ницы выпущенной продукции (общее время переналадки станка на обработку конкретной партии делят на величину партии):

где θ_пер — среднее время переналадки станка на обработку различных деталей комплекта, закрепленного за станком, мин; Z — средний размер партии обработки, шт.; θ₁ -составляющая среднего времени переналадки, не зависящая от числа переходов при обработке (замена и выверка приспособлений, замена программоносителей и т. д.); θ₂ — составляющая среднего времени перена­ладки, пропорциональная числу переходов при обработке (замена комплекта инструмента, обработка пробных деталей с измерением раз­меров и коррекцией инструментов или про­грамм обработки и т. д.).

Подставляя значения длительности цикла и внецикловык потерь в общую формулу производительности многооперационного обору­дования в условиях серийного производства для одного станка (р = 1), получим

Таким образом, производительность обо­рудования с ЧПУ в условиях серийного про­изводства выражена как функциональная зави­симость: 1) характеристик комплекта обра­батываемых деталей и технологических про­цессов — средней длительности единичного перехода, среднего числа переходов и обра­батывающих инструментов при обработке де­тали; 2) характеристик самого технологиче­ского оборудования и его оснастки - времени выполнения вспомогательных ходов, процес­сов загрузки и съема, надежности в работе, гибкости при переналадках; 3) характеристик того конкретного производства, в котором эксплуатируется оборудование, - организа­ционных потерь и партионности обработки.

Представленная выше формула производи­тельности и ей подобные можно использовать при расчете и анализе как ожидаемой (на ста­диях проектирования), так и реальной (в про­цессе эксплуатации) производительности. При уточненных проектных расчетах величины tp_l, S и А берут из разработанной технической до­кументации; значения t_в1, t_в2 и t_в3 также могут быть рассчитаны или приняты по аналогии. Величины Σt_c (или ΣBi), θ₁, θ₂, Σt_opг, t_в можно оценивать по итогам эксплуатационных ис­следований однотипного действующего обору­дования с той или иной степенью достоверно­сти.

При анализе производительности в усло­виях действующего производства большин­ство параметров производительности реко­мендуется оценивать по итогам исследований. Исследования проводят поэтапно.

Этап I. Характеристики комплекса обра­батываемых деталей (t_pl, S) оценивают по ре­зультатам многократных измерений, посколь­ку технологическая документация не всегда соответствует значениям технологических па­раметров на рабочих местах.

Этап II. Характеристики рабочего цикла технологического оборудования (t_B1, t_B2, t_B3 и др.) оценивают по результатам много­кратных измерений времени выполнения эле­ментов рабочего цикла с последующей мате­матической обработкой результатов (построением диаграммы распределения, расчетом средних значений и т. д.).

Этап III. Эксплуатационные наблюдения за работой оборудования в условиях серийно­го производства проводят с целью количе­ственной оценки простоев оборудования, ко­торые сопутствуют процессам его функциони­рования, с последующим расчетом и анализом эксплуатационных показателей, характеризующих как собственную надежность машин, так и уровень использования оборудования. Эксплуатационные наблюдения включают фото­графию работы оборудования и хронометраж простоев.

Наблюдения за работой оборудования дол­жны быть, по возможности, непрерывны в те­чение времени, обеспечивающего достовер­ность получения данных (обычно не менее 10—12 рабочих смен). Во время наблюдений фиксируют затраты времени планового фонда на работу и простои всех видов. По итогам составляют сводную таблицу работы и про­стоев и на ее основе - баланс затрат планово­го фонда времени, который показывает (в %), какую долю планового времени оборудование работает и какую простаивает.

Этап IV. Параметры работоспособности и станков с числовым программным управле­нием и гибких производственных систем рассчитывают: а) по фактическим циклограм­мам машин и обобщению характеристик рабо­чего цикла: t_pl, S, t_в1, t_в2, t_в3 и др.; б) по та­блицам простоев машин с использованием результатов эксплуатационных наблюдений и баланса планового фонда времени.

К параметрам работоспособности, рас­считываемым по эксплуатационным наблюде­ниям, относят коэффициент η_ис использова­ния, коэффициент η_тех технического использо­вания, собственные внецикловые передачи Σt_c, ΣB_с, потери Σt_орг из-за организационных причин или коэффициент η_загр загрузки, поте­ри t_пер вследствие переналадки, цикловую про­изводительность Q_ц, фактическую производи­тельность Q и т. д. Вместо абсолютных значений времени работы и простоев в форму­лу могут быть подставлены относительные процентные значения из баланса затрат фонда времени.

Пример. При обработке корпусных деталей средних габаритов из алюминиевых сплавов на станках с ЧПУ типа «обрабатывающий центр» время единичной обработки t_p = 0,9 мин; число переходов при обработке одной детали S = 13; время загрузки и съема t_вз = 1,5 мин; время единичного вспомогательного хо­да при замене координаты обработки и ин­струмента t_в1 + t_в2 = 0,4 мин. Группа из шести станков работает в итоге 65% планового фон­да времени (θ_р = 65 %). Время простоев Σθ_с = 10,9%; Σθ_орг=18,4%; Σθ_пер= 5,7%. За станками участка закреплено 15 типоразмеров деталей; средний размер партии Z = 100 шт., средняя длительность переналадки θ_ср.пер= 153 мин, из них составляющие θ₁ = 70 мин, θ₂ =6 мин. Выход годных деталей γ = 0,99.

По исходным данным рассчитаны пара­метры работоспособности: Т=18,7 мин; η_ис = 0,65; η_тех = 0,86; ΣВ_с = 0,17; Σt_орг = 4,95 мин/шт; η_загр = 0,72. Станки работают в одну смену (θ = 480 мин).

Уравнение сменной производительности одного станка

Технические и эксплуатационные характе­ристики станков с ЧПУ (время загрузки заго­товок и съема изделий, подводов и отводов инструмента, собственных внецикловых по­терь, длительности переналадки и т. д.) выра­жены численно, а остальные - в общем виде (характеристики изделий и условий эксплуата­ции). Таким образом, полученное уравнение является паспортной характеристикой про­изводительности станков данной модели и может быть использовано для расчетов ожидае­мой производительности в любых условиях. В конкретных условиях исследований можно рассчитать среднее время tp единичной обра­ботки, среднее число S переходов обработки одной детали, средний размер Z партии обра­батываемых деталей, организационные потери Σt_орг. В условиях проведенных эксплуата­ционных исследований эти показатели имели следующие значения: t_p1 =0,9 мин; S=13; Z=100 шт.; Σt_орг = 4,95 мин/шт; Q=16,6 шт/смену.

Изложенная методика позволяет: 1) путем сравнительных испытаний оборудования раз­личного типа для условий серийного про­изводства (например, универсальных станков и станков с ЧПУ) оценивать важнейшие фак­торы, определяющие производительность обо­рудования, целесообразную область его применения, наиболее эффективные пути совер­шенствования; 2) на основе конкретного инже­нерного анализа важнейших факторов, опреде­ляющих уровень производительности, рас­считывать и прогнозировать резервы возмож­ного повышения производительности обору­дования при его совершенствовании (напри­мер, переводе на управление от ЭВМ и встраивании в гибкие производственные си­стемы); 3) выдавать заключения и рекоменда­ции по сравнительным характеристикам и на­правлениям развития, формулировать важней­шие задачи и пути совершенствования кон­струкций.

Результаты исследований по рассмотрен­ной методике позволяют сделать ряд обобще­ний. Производительность (а также качество выпускаемых изделий, трудоемкость подготов­ки производства, обслуживания станков и т. д.) должна оцениваться в каждом случае конкрет­но, для определенных типов оборудования, ви­дов изделий, характера обработки, серийности производства, с учетом характеристик быстро­действия оборудования и надежности в рабо­те, мобильности при переналадке. При этом обязательным является применение поэле­ментного метода сравнительного анализа, ко­торому подвергаются отдельные элементы за­трат времени: на рабочие и вспомогательные ходы (в случае необходимости — с их диффе­ренциацией по составляющим), на собствен­ные внецикловые потери из-за отказов, на по­тери при переналадке с дифференциацией по видам работ и пр. Сравнение этих величин для различных видов оборудования (универ­сальных станков с ручным управлением, одно и многоместных станков с ЧПУ, станков с управлением от ЭВМ и т. д.) позволяет оце­нить, с помощью каких факторов можно по­высить производительность, какое влияние на эти факторы оказывают технические характе­ристики самих станков (быстродействие, мо­бильность, надежность, характер изделий, се­рийность их выпуска и др.).