Глава 3

ОРГАНИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Глава 3. 1

ОРГАНИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА.. 1

2.3.1. Автоматические линии. 2

2.3.2. Робототехнические комплексы.. 4

2.3.3. Гибкие производственные системы.. 7

2.3.4. Расчет емкости склада ГПС.. 9

Задачи. 10

2.3.1. Автоматические линии

В условиях массового и крупносерийного производства ши­рокое применение находят автоматические линии (АЛ). Коли­чество включенного в состав линии оборудования зависит от сложности обрабатываемых деталей: от 5—10 (для деталей средней сложности) до 100—150 единиц (при массовом произ­водстве деталей сложной формы).

Производительность АЛ (цикловая) при условии полного отсутствия простоев

где — число изделий, изготовленных за один цикл; — время одного цикла;

где и - основное и вспомогательное время обработки изделия.

При учете затрат времени на техническое и организаци­онное обслуживание можно рассчитать потенциальную и фактическую производительность автоматической линии:

.

Для отражения уровня цикловых непроизводительных по­терь АЛ рассчитывается коэффициент технического использо­вания , а для учета всех потерь — коэффициент общего использования :

Показателем, определяющим функционирование АЛ, слу­жит такт

где — время транспортирования изделия с одной позиции линии на другую.

При расчленении линии на участки с различным тактом создаются компенсационные заделы

где — время создания задела; — минимальные и максимальные такты на соседних участках; — допустимая величина колебания тактов (при условии фиксированных объе­мов накопителей).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Автоматическая роторная линия (АРЛ) — система ротор­ных автоматов, расположенных в технологической последова­тельности, объединенных системой управления, автоматически­ми механизмами и устройствами для транспортирования пред­метов обработки и удаления отходов.

На АРЛ в машиностроении выполняются следующие опера­ции: холодная и горячая штамповка; прессование из металло­порошков; обработка пластических масс; точное литье; токар­ная обработка тел вращения (сверление, подрезание и др.); нанесение покрытий; сборка и упаковка; контроль формы и размеров изделия.

На начальном этапе проектирования требуется определить основные технико-экономические параметры роторных линий. Основанием для проведения предварительных расчетов служат чертежи изделия, технологические процессы обработки, харак­теристики действующего оборудования, программа выпуска изделия. При расчете производительности следует иметь в ви­ду, что в качестве теоретической производительности можно использовать минимальную производительность АРЛ и технически достижимую

В практике расчетов минимальную производительность оп­ределяют как производительность АРЛ, при которой суммар­ные затраты на высвобождение одного рабочего не превыша­ют суммарных затрат на оплату труда этого рабочего в тече­ние нормативного срока окупаемости (5 — 7 лет). Величина затрат равна примерно 15 — 16 тыс. руб. В используемых в промышленности АРЛ сумма затрат на высвобождение одного рабочего составляет от 2000 до 8000 руб. Величина (шт/мин) в общем виде рассчитывается как

где — лимитная скорость транспортировки, м/мин; — шаг технологического ротора, м.

Таблица 2.3.1. Скорость транспортирования, м/мин

Длина, мм

Диаметр, мм

До 30

30 – 100

100 – 120

До 10

90

80

65

10 –30

85

75

55

30 – 50

75

60

50

Скорость не может превышать требуемых значений, так как при этом становится невозможной надежная передача предметов обработки. Предельные линейные скорости, которые можно выбрать при разработке АРЛ, в зависимости от габа­ритов деталей сведены в табл. 2.3.1.

Для предметов обработки, не требующих дополнительных затрат времени, шаг может быть рассчитан по эмпирической формуле, мм:

где Р — технологическое усилие, Н; kn — коэффициент; kn = 1,3— 1,0 (при росте усилия Р kn убывает).

Для ряда операций, в которых определяющим параметром служит время обработки, назначается исходя из допусти­мых размеров ротора (учитывая число позиций и диаметр ротора d):

где — число позиций, необходимых для обработки в задан­ное время ; — время обработки (выдержки);

где — общее число позиций ротора; — число позиций, нужное для приемки, выдачи деталей и холостого пробега;

Коэффициент зависит от характера механической операции (при резании = 0,75 — 0,85).

Необходимое количество АРЛ для выполнения программы выпуска

где N — программа выпуска; — производительность АРЛ; — действительный фонд времени работы АРЛ; — коэф­фициент, учитывающий потери по организационным и техноло­гическим причинам.

При W<0,8 следует рассмотреть эффективность работы ли­нии в одну смену и определить возможность создания много­номенклатурной АРЛ.

При проектировании АРЛ возникает необходимость рас­считать сметную стоимость вновь создаваемой линии:

где — трудоемкость ОКР, чел-мес.; — стоимость одного человеко-месяца; — стоимость оборудования.

Трудоемкость определяется как

где — трудоемкость создания базового объекта при наличии типовых проектных решений (равна 30 чел-мес.); — коэф­фициент поправки.

Коэффициент поправки определяется на основании данных о сложности, новизне и производительности линии:

где — коэффициент, зависящий от размеров и числа объе­диняемых операций; — зависит от новизны разработки; — зависит от общей кинематической схемы.

Коэффициент новизны изменяется в пределах 1,0 — 5,5: (1,0 — использование типовых линий, 5,5 — разработка линий, не имеющих прототипа).

Коэффициент кинематической сложности зависит от типа линии. Принимается равным единице для простых АРЛ (1 — 2 ротора) и достигает 3,0 для АРКЛ (автоматическая роторно-конвейерная линия).

Коэффициент сложности зависит от и числа объеди­няемых операций (табл. 2.3.2).

Одним из показателей эффективности применяемых АРЛ является величина затрат на высвобождение одного рабочего:

где — число высвобождаемых рабочих; — стоимость вы­свобожденного реализованного оборудования; — стоимость высвобожденных площадей; величина не должна превышать определенного уровня затрат на высвобождение одного рабочего (15—16 тыс. руб.).

Таблица 2.3.2. Коэффициент сложности

Количество объединенных операций

Для АРЛ с малым временем обработки

Производительность, шт/мин

До 100

100 – 200

200 – 300

300 – 400

400 –1000

Для АРЛ с длительным временем обработки

До 10

10 –20

20 – 30

30 – 40

40 –100

1

1

1,6

2

2,5

3

2 –3

1,3

2

2,5

3,2

3,8

4 – 6

1,6

2,5

3

4

4,7

7 – 9

1,9

3

4

4,7

5

10 – 15

2,3

3,6

4,5

5

5,5

2.3.2. Робототехнические комплексы

Робототехнические комплексы (РТК) в механообработке требуют при внедрении решения ряда задач, связанных с авто­матизацией смены изделий и инструмента на оборудовании, с автоматизацией транспортных операций по перемещению изде­лий в процессе обработки.

В отличие от АЛ и АРЛ критерием функционирования РТК служит условие наиболее полной загрузки включенного в его состав оборудования.

На загрузку оборудования оказывают влияние следующие факторы: схема компоновки РТК и выбор транспортных средств; трудоемкость обрабатываемых деталей; соотношение времени работы станков и обслуживающих средств.

В РТК в качестве транспортного средства используются промышленные роботы. Оптимальный режим функционирова­ния робота выбирается путем моделирования большого коли­чества производственных ситуаций (т. е. задача имеет комбинаторный характер).

Для несложных схем компоновок (рис. 2.3.1 и 2.3.2) воз­можно построение циклограмм и определение аналитических зависимостей загрузки робота и оборудования. Так, для системы,

Рис. 2.3.1. Планировка РТК:

Р - робот; Н – накопитель; Рис. 2.3.2. Планировка РТК:

А - станок Р – робот, Н – накопитель,

А, В, С – станки

приведенной на рис. 2.3.1, длительность цикла изготовления деталей

где —время транспортирования детали; —время загрузки накопителя; - время разгрузки накопителя; - ­время (основное) обработки детали.

Рис. 2.3.3. Планировка РТК:

А, В, С, Д, Е – станки; Н1, Н2 – накопители; Р – робот

Более сложные (и не выраженные аналитически) зависи­мости возникают при изучении ситуации, когда деталь обраба­тывается на трех и более станках, предметы труда не передаются от станка к станку и время обработки на каждом станке разное.

Пример. Рассчитать возможные коэффициенты загрузки оборудования и робота при компоновочной схеме рис. 2.3.3.

Расстояние перемещения робота 10 м, скорость его переме­щения на это расстояние изменяется от 0,2 до 1 м/с (0,2; 0,4; 0,8; 1,0). Среднее время обработки деталей колеблется от 50 до 100, 200, 400, 800 с. Приоритет обслуживания от станка А к станку Е.

Таблица 2.3.3. Коэффициенты загрузки оборудования

Скорость перемещения робота, м/c

Среднее время обработки, с

50

100

200

400

800

0,2

11,2

22

46

69

74

0,4

23,12

53

69

77

82

0,8

48

76

92

86

90

1,0

66

80

92

96

96,7

Расчет проводится перебором всех вариантов следующим образом (данные сведены в табл. 2.3.3).

Рис. 2.3.4. Циклограмма работы РТК

Задаемся временем обработки — 50 с. При м/с на перемещение робот затратит 50 с, при этом он успеет обслу­жить за 25 с (из накопителя) станок А и вернуться к накопите­лю за деталью для станка В. Станок А 25 с будет простаивать с обработанной деталью и 100 с без детали (путь к накопите­лям). Станок В будет обрабатывать 50 с и 75 с простаи­вать (25 с — пока робот обслужит станок А и 50 с — на ожидание детали). Таким образом, коэффициент загрузки обо­рудования составит 50: (125+50)/100% =28%. Остальное обо­рудование робот не успеет обслужить.

Для упрощения расчетов можно строить циклограммы, ана­логичные представленным на рис. 2.3.4 и 2.3.5. Все оборудование (условно) загружено на 11,2% .

При м/с на перемещение по трассе робот затратит 25 с.

Рис. 2.3.5. Циклограмма работы РТК

Робот успеет обслужить один раз станок С. Далее робот обслуживает только станки А и В. Загрузка станка А соста­вит 53,3%, загрузка станка В — 40,3%. Все оборудование загру­жено на 23,12% (циклограмма рис. 2.3.5). Далее расчет прово­дится для всех и всех времен обработки.

2.3.3. Гибкие производственные системы

Гибкая производственная система (ГПС), являясь высшей формой автоматизации, включает в себя в различных сочетани­ях оборудование с ЧПУ, РТК, гибкие производственные модули и различные системы обеспечения их функционирования.

Производительность оборудования гибкой производственной системы целесообразно оценивать как степень использования фонда времени оборудования, входящего в ее состав:

где — время работы по управляющей программе; — фонд времени -го оборудования, входящего в состав ГПС.

Для оценки производительности отдельного оборудования, кроме того, можно рассчитать коэффициент загрузки:

где — вспомогательное время за рассматриваемый период; — время обслуживания единицы оборудования.

При использовании групповой технологии обработки дета­лей на ГПС целесообразно закреплять детали за оборудова­нием. Критерием закрепления деталей служит минимум перена­ладок. Таким образом, можно сформировать структуру ГПС.

Для каждой группы деталей i может быть рассчитано необ­ходимое количество оборудования на каждой операции :

где — программа выпуска; — процент потерь времени на восстановление оборудования; — процент организационных потерь времени; — фонд времени работы оборудования; — производительность оборудования (потенциальная).

Дополнительное количество станков, простаивающих под пе­реналадкой,

где — время переналадки; — размер партии -й детали.

Условие объединения деталей и k можно записать:

или, сокращая:

где — функция, вычисляющая целую часть от х.

Если имеется несколько пар деталей, удовлетворяющих условию, то выбирается пара деталей по критерию :

В дальнейших расчетах для объединенной группы деталей величина

В результате получим список деталей, закрепленных за обо­рудованием, и количество необходимого оборудования:

Для расчетов используется программа FLEX, написанная на языке ФОРТРАН. Схема алгоритма приведена на рис. 2.3.6.

Рис. 2.3.6. Блок-схема алгоритма оптимизации

структуры ГПС

Таблица 2.3.4

Детали

1

2

3

4

5

Токарные операции

5,3

2,2

2,9

3,1

6,2

0,2

0,15

0,3

0,2

0,8

Таблица 2.3.5

Группы

1-2

8

7

0,048

1-3

9

8

0,06

1-4

9

8

0,047

1-5

12

12

-

2-3

6

5

0,08

2-4

6

5

-

2-5

9

9

-

3-4

7

6

0,06

3-5

10

10

-

4-5

10

10

-

1-4-2

11

10

+

1-4-3

11

11

-

1-4-5

15

16

-

1-4-2-3

13

13

-

1-4-2-5

17

18

-

Пример. Проверить возможность объединения деталей на токарной операции. Исходные данные сведены в табл. 2.3.4.

Количество станков задано, поэтому проверим условие объ­единения (расчет сведен в табл. 2.3.5). Из таблицы видно, что условие соблюдается для сочетаний: (1—2), (1—3), (1—4), (2—3), (2—4), (3—4). Минимум =0,047.

Объединяем пару (1 — 4): 8.

Рассматриваем дальнейшие возможности объединения: (1 — 4) — 2, (1– 4 )–3 , (1— 4)–5.

Объединяем детали (1 — 4 — 2): 10, так как только для соче­тания (1 — 4 — 2) выполняется условие объединения.

Для сочетаний (1 — 4 — 2) —3 и (1 — 4 — 2) —5 условие не соб­людается. Окончательное решение:

(1— 4 –2 ): 10, (3) : 3, (5) : 7.

2.3.4. Расчет емкости склада ГПС

Одним из наиболее возможных критериев определения ем­кости склада может служить вероятность его переполнения (т. е. сохранение работоспособности).

Склад представляет собой определенное количество ячеек (как в местных накопителях, так и в центральном складе). Ем­кость ячейки, как правило, может быть принята равной размеру партии деталей. Для надежного функционирования и упроще­ния оснастки необходимо проводить специализацию ячеек: за­креплять их за определенным оборудованием. Тогда вероятность его переполнения

где — вероятность переполнения ячеек, закрепленных за -м оборудованием.

Величины могут принимать различные значения. Для рас­чета количества ячеек можно принять их равными для всех видов оборудования: .

Однако если поставить задачу минимизации общего коли­чества ячеек, то значения могут быть другими (но задача имеет сложный нелинейный характер).

Определим вероятность нахождения на складе партий деталей через коэффициент загрузки оборудования :

.

Решив это уравнение, получим

.

Учитывая, что поток заявок в сети, обслуживаемой складом, пуассоновский, то можно определить в -й группе оборудо­вания, состоящей из станков:

где — среднее время обработки одной партии деталей; — среднее время между поступлениями партий деталей на обработку (в том числе и становящихся в очередь при ее наличии).

Суммарная емкость склада

Пример. Пусть даны три станка с коэффициентами загрузки .

Зададим вероятность переполнения склада 0,989. Рассчитать емкость склада.

Рассчитаем среднюю вероятность:

Тогда


ячеек.

Задачи

25 Определить, при какой программе выпуска будет эф­фективно внедрение автоматической линии стоимостью 100 тыс. руб., обслуживаемой двумя операторами в смену (годовой фонд заработной платы операторов принять равным 14,5 тыс. руб.).

Показатели базового варианта: стоимость оборудования — 96,3 тыс. руб.; программа выпуска—125 тыс. шт. изделий в год; годовой фонд заработной платы рабочих — 60,48 тыс. руб.

26. Деталь проходит обработку на 10 операциях (табл. 2.3.6). Определить возможность ее обработки на АЛ при годо­вой потребности в деталях 200 тыс. шт. (фонд времени рассчи­тывать для двухсменной работы).

27. Определить емкость накопителей между участками АЛ, если ритмы равны соответственно 0,79 и 0,81 мин, а время соз­дания задела — одна смена.

28. Определить производительность АРЛ, трудоемкость ее создания и количество линий для выпуска крышек электровыключателей, получаемых прессованием (Æ=50 мм, =40 мм, =30 кН). Программа выпуска — 800 тыс. шт/год.

29. Определить количество линий (АРЛ) и их производительность для выпуска деталей: 1) колпачка диаметром 70 мм, длиной 100 мм, Р=70 кН; 2) втулки диаметром 65 мм, длиной 105 мм, P=70 кН; 3) втулки диаметром 75 мм, длиной 94 мм, Р=70 кН. Объем выпуска — соответственно 8 и 12 млн. шт.

Таблица 2.3.6. Длительность операций обработки детали

Операция

Длительность, мин

Оборудование

1

1,28

Токарный станок

2

0,65

Фрезерный станок

3

0,25

Фрезерный станок

4

0,41

Фрезерный станок

5

2,645

Сверлильный станок

6

1,15

Токарный станок

7

1,18

Токарный станок

8

1,20

Фрезерный станок

9

0,75

Токарный станок

10

0,59

Токарный станок

30. Рассчитать коэффициент загрузки оборудования и про­мышленного робота по схеме компоновки (см. рис. 2.3.3). Ско­рость перемещения робота по трассе может быть выбрана 0,15, 0,30, 0,4, 0,6, 0,8 м/с. Время обработки на станках А и В — 50, 160, 250, 400 с; на станках С, D, Е — 70, 200, 500, 800 с соот­ветственно. Временем разгрузки и загрузки пренебречь. = 15 м.

31. Определить диапазон трудоемкостей обрабатываемых деталей на РТК по компоновочной схеме (см. рис. 2.3.3) при ус­ловии коэффициента загрузки 80% и изменения скорости робо­та от 0,4 до 0,75 м/с (L=10 м).

32. Построить циклограмму работы РТК по схеме компо­новки (см. рис. 2.3.3) при условии, что станки обслуживаются в порядке А, С, В, время транспортировки может быть принято 10, 20, 30 с, время обработки — 30, 90, 120, 200 с. Время раз­грузки и загрузки — 5 с.

33. Определить необходимое количество оборудования при проектировании ГПС для обработки группы деталей. Данные взять из табл. 2.3.6.

34. Используя данные предыдущей задачи и таблиц 2.3.7, 2.3.8 и 2.3.9, провести оптимизацию структуры ГПС по крите­рию минимума переналадок.

Таблица 2.3.7

Группа деталей

1

2

3

4

5

6

Размер партии, шт.

150

120

120

150

200

100

Программа, тыс. шт.

6000

6000

4300

2700

5300

6000

Таблица 2.3.8

Операции

Производительность оборудования

Потери на восстановление, %

Потери по организационным причинам, %

1

0,2

10

6

2

0,5

11

6

3

0,72

13

6

35. Рассчитать емкость склада для системы из 5 станков (коэффициенты загрузки соответственно равны 0,67; 0,82; 0,94; 0,89; 0,63) при условии, что вероятность переполнения склада не превышает 0,98.

Таблица 2.3.9. Время переналадки, ч

Операции

Группа деталей

1

2

3

4

5

6

1

2,5

3

3

6

2

4

2

3

5

10

3

3

4

3

12

5

4

6

8

12