Моделирование и оптимизация процесса загрузки оборудования заготовками в многономенклатурном производстве на основе группового метода

Во Введении раскрыта актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, показаны научная новизна и практическая значимость результатов проведенной работы.
В Главе 1 приведены результаты анализа современной организации процесса загрузки оборудования заготовками в машиностроении. Анализ показал высокую значимость группового метода наладки систем загрузки как инструмента совершенствования организации многономенклатурного производства. Установлено, что конструктивно значительная часть современных систем загрузки оборудования обладает потенциалом для организации групповой наладки.
Организовать процесс загрузки оборудования заготовками – значит, опираясь на конструкторско-технологические свойства заготовок, на технические характеристики оборудования и оснастки, а также на совокупность производственных условий, в первую очередь таких как квалификация наладчика и техническое оснащение его работы, установить и реализовать такие требования к наладке системы загрузки и такую последовательность подачи заготовок на станки, которые обеспечили бы заданную производительность.
На сегодняшний день принято, что отправной точкой для организации групповой обработки являются предварительно сформированные (по
конструктивно-технологическим признакам) группы изделий, а результатом подготовки производства являются групповая технология и требования к параметрам создаваемой производственной системы для реализации разработанной технологии. При организации групповой загрузки оборудования заготовками, в отличии от организации групповой обработки, предстоит решить обратную задачу: сформировать группы заготовок и очередность их подачи на оборудование, опираясь на параметры существующей производственной системы. При этом группы впоследствии могут расширяться, только если параметры новых изделий не выходят за установленные границы возможностей производственной системы.
В Глава 2 разработана и апробирована вероятностная модель работы многономенклатурной производственной системы с варьируемыми размерами партий изделий, позволяющая прогнозировать и оценивать эффективность организации наладки систем загрузки оборудования на основе группового метода.
В главе обосновано использование коэффициента машинной гибкости в качестве критерия оценки эффективности соответствующих организационных решений. Так, например, проанализирована деятельность производственной системы по изготовлению контактных гильз и наконечников для соединения электрических проводов и кабелей. Основными элементами указанной производственной системы (эПСj) являются: система загрузки: бункерно- ориентирующее устройство крючкового типа (эПС1), транспортный лоток- накопитель (эПС2), впускной отсекатель (эПС3), выпускной отсекатель (эПС5); система обработки: шпиндельный агрегат (эПС4). На Рисунке 1 в виде графической модели показано формирование затрат времени на изготовление –й партии изделий.
Рисунок 1. Временная диаграмма использования производственной системы Затраты времени на изготовление продукции для разных элементов
производственной системы обозначены Р.эПС с указанием индекса элемента. По 5

аналогии через П.эПС обозначены затраты времени на переналадку элементов системы.
Применительно к описанной производственной системе, и подобных ей систем, разработана и апробирована вероятностная модель, представляющая собой систему уравнений (1), устанавливающих количественные зависимости между рассматриваемыми параметрами:
| ( = ), ≤ ≤

= + +( + + ) Р Р.эПС1 Р.эПС2 Р.эПС3 Р.эПС4 Р.эПС5
= Р.эПС4
В ИН
=К + + + +
П П. П.эПС1 П.эПС2 П.эПС3 П.эПС4 П.эПС5
КП. = {0, ∈
, (1)
1,
∈ ( ∖ )
П
+ Р В
∑ =1 Г.М.
∑ =1
= Г.М.
6
Р
{
= Г.М.
где – количество заготовок –го типоразмера – дискретная величина из
множества натуральных значений , находящихся в диапазоне [ , ].
При вероятностном подходе:
(2) где – целочисленная случайная величина, принимающая одно из значений из
диапазона [ , ] с соответствующими вероятностями ( = );
– затраты времени на переналадку системы при переходе на выпуск П
–го типоразмера заготовок, мин;
– затраты времени на обработку –го типоразмера заготовок, мин;
– затраты времени на восстановление работоспособности системы, не В
связанные с ее переналадкой, мин;
– стойкость режущих инструментов, мин;
ИН – время на смену одного комплекта инструментов, мин;
– коэффициент машинной гибкости, характеризующий Г.М.
приспособленность производственной системы в целом для переналадки на изготовление других типоразмеров изделий;
– коэффициента машинной гибкости, характеризующий Г.М.
приспособленность производственной системы для переналадки на изготовление –го типоразмера заготовок;
| ( = ), ≤ ≤

,

КП. – коэффициент необходимости переналадки для –го типоразмера заготовок, принимающий значение единица, если переналадка требуется, или – нулевое значение, если переналадка не требуется;
– множество типоразмеров заготовок;
– множество типоразмеров заготовок, принадлежащих множеству и не требующих переналадки.
Модель была апробирована методом Монте-Карло. В соответствии с
данными, предоставленными Филиалом ООО «КЭЗ КВТ» в г.Калуге,
посредством ЭВМ генерировались псевдослучайные значения в диапазоне от
= 50 до = 500 штук на основе равномерного распределения для =
100 последовательных партий производимых изделий.
Необходимость переналадки системы загрузки задавалась как
отношение количества типоразмеров заготовок, требующих переналадки (для которых КП. = 0), к общему количеству типоразмеров заготовок:
=| ∖ |=| ∖ |. (3)
П
На Рисунке 2 представлены результаты моделирования в виде гистограмм.
П
| |
Wi, % 30
РП=0
РП=1/3 РП=2/3 РП=1
Рисунок 2. Влияние необходимости переналадки системы на коэффициент
0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 КГ.М.
0,08
машинной гибкости величине партии заготовок от 50 до 500 изделий Г.М.
Гистограммы, относящиеся отдельно к разным уровням , объединены П
сплайн-линиями. Выполненное моделирование показало, что для рассматриваемой производственной системы переход системы загрузки на групповую наладку для одной трети обрабатываемых изделий снижает значение коэффициента машинной гибкости почти на четверть по сравнению с непереналаживаемой системой загрузки, для двух третей изделий – снижение в полтора раза, а использование самонастраивающихся загрузочных систем обеспечивает снижение значения коэффициента в два раза.
В Глава 3 выявлены ограничения на организацию работы систем загрузки оборудования в производственных условиях.
В работе установлены номенклатура параметров системы загрузки, факторы, влияющие на значения параметров наладки, и их влияние на производительность; введен показатель «плотность наладки» как
характеристика конструктивной готовности системы загрузки оборудования к 7
П

групповой наладке; апробировано использование установленного параметра для оценки готовности системы загрузки оборудования к работе в условиях групповой наладки при различных накладываемых на нее ограничениях. Исследования выполнялись на примере систем загрузки с крючковыми и штыревыми бункерно-ориентирующими устройствами (БОУ).
В работе поставлена и решена практическая задача организовать работу систем загрузки путем ориентированной выдачи на оборудование девяти типоразмеров заготовок типа втулки/стаканчики, параметры которых приведены в Таблице 1 в порядке увеличения значений наружных диаметров.
Показано, что наладить, например, крючковое БОУ – значит для работы с заданной номенклатурой и очередностью подачи заготовок определить и установить величину Н вылета крючков с диаметром заборной части КР.
Экспериментально с привлечением метода ранговой корреляции Спирмена подтверждено, что производительность крючкового БОУ при разных значениях наружного диаметра, диаметра отверстия и длины втулок практически не зависит от положения крючка внутри просветов отверстий этих деталей. Это позволяет без существенной потери или роста производительности (от 3 до 5 %) осуществлять ориентирование группы различных заготовок при одной наладке.
Таблица 1. Геометрические параметров ориентируемых заготовок
Параметры Наружный диаметр втулок
ВТ, мм
Длина втулок ВТ, мм
Диаметр отверстия во втулках ВТ, мм
Типоразмер заготовки (втулки) 123456789
10,0 12,6 16,0 18,2 20,0 22,4 24,0 27,0 32,4 18,0 20,4 20,0 32,0 30,6 40,0 36,6 54,0 48,0 9,0 10,6 14,2 15,0 14,6 14,6 19,6 23,6 27,0
Выявлено, что первая группа ограничений по организации работы системы загрузки в производственных условиях связана с конструктивными ограничениями – с геометрическими и физико-механическими параметрами систем и объектов загрузки. Вторая группа ограничений – организационно- технические ограничения – связана с составом наладочных работ, квалификацией наладчика и техническим оснащением его работы, которые можно задавать в виде погрешности выполнения наладочных работ – максимального значения допуска на точность наладки ( Н).
Например, на Рисунке 3 показаны диапазоны наладок для девяти типоразмеров заготовок, параметры которых приведены в Таблице 1, и диаметре крючка КР = 10 мм с учетом погрешности наладки.
Предложен показатель «плотность наладки» как характеристика конструктивной готовности системы загрузки оборудования к работе в условиях групповой наладки. Для определения значения плотности наладки Н – отношения площади заштрихованной фигуры к площади прямоугольника,
ограниченного границами возможной наладки Н и Н и количеством типоразмеров ориентируемых заготовок , – использовано отношение:
Нmax
Н= 1 ∫ ( Н) Н, (4) ( Нmax − Нm ) Нm
где – количество заготовок, ориентированных с одной наладки.
Потенциал наладок системы загрузки можно оценить близостью значения
этого показателя к единице: чем ближе к единице – тем выше потенциал.
В работе показано, что наладки, обладающие наибольшей «плотностью», также в наибольшей степени формируют номенклатуру так называемых «базовых» наладок, что подтверждает эффективность критерия «плотность» наладки как характеристики готовности системы загрузки оборудования к работе в условиях групповой наладки. Наладки, обладающие наибольшим показателем плотности, образуют множество базовых наладок Б для
дальнейшего рассмотрения.
абвг Рисунок 3. Диапазоны наладок положения крючка диаметром КР = 10мм и допуском наладки:
а– Н =0мм;б– Н =1,2мм;в– Н =2,4мм;г– Н =3,6мм
В Глава 4 разработан и реализован метод оптимизации процесса наладки систем загрузки оборудования на основе варьирования состава наладочных работ и установления ограничений на варианты объединения заготовок в группы с целью минимизации затрат времени на наладку систем загрузки.
9

На Рисунке 4 показан граф связей, как модель формирования комплекта рекомендуемых наладок для рассматриваемого примера, между множествами типоразмеров заготовок (n=9), базовых наладок и ориентирующих элементов (крючков диаметром 4, 6, 8, 10, 12 мм).
Множество типоразмеров заготовок (индексы заготовок index i)
Множество базовых
наладок Множество ориентирующих (индексы наладок index HБ)элементов (индексы крючков
index dКР)
Рисунок 4. Граф связей между типоразмерами заготовок, базовыми наладками и комплектом ориентирующих элементов
Каждой базовой наладке из множества Б присвоен индекс типа: Н-12-7,8,9-181,2-3,6 ,
где Н – обозначение принадлежности индекса к параметрам наладки;
12 – значение диаметра крючка БОУ, мм (или индекс крючка);
7,8,9 – номера типоразмеров заготовок, которые могут быть ориентированы
посредством этой наладки (или индексы заготовок); 181,20 – наладочный размер, мм;
3,6 – допуск на наладочный размер, мм.
Оптимизация, как процесс поиска экстремума целевой функции,
представляет собой минимизацию затрат времени на групповую наладку
системы загрузки Г: Н
{
П =∑ П( ; )
1 | |
З =∑ З( КР; ) 1
= {1,2,…, }
П З
Г=[∑Т +∑Т]⟶ НПЗ
11 ⊆ Б
1; ∈ П( ; ) = {0
0; ∉
1; КР ∈
(4.1)
З( КР; ) = {0; КР ∉ , | |
где ТП – затраты времени на изменение положения одного комплекта ориентирующих элементов (крючков), мин;
ТЗ – затраты времени на замену одного комплекта ориентирующих элементов (крючков), мин;
Б – множество (комплект) базовых наладок;
– множество (комплект) рекомендуемых наладок;
– индекс рекомендуемой наладки (положения ориентирующего
элемента – крючка);
– индекс типоразмера заготовки;
КР – индекс размера ориентирующего элемента – крючка;
П( ; ) – характеристика наличия связи (необходимости использования)
или отсутствия связи между рекомендуемой наладкой и –м типоразмером заготовки, соответственно П( ; ) = 1 или П( ; ) = 0;
З( ) – характеристика наличия связи (необходимости использования) или отсутствия связи между рекомендуемой наладкой и ориентирующим элементом размера КР, соответственно З( КР; ) = 1 или З( КР; ) = 0;
П – суммарное количество рекомендуемых наладок – количество изменений положения ориентирующих элементов (крючков);
З – суммарное количество ориентирующих элементов, используемых в рекомендуемых наладках, – количество замен ориентирующих элементов (крючков).
В ходе решения задачи оптимизации варьируется состав и количество наладочных работ:
– количество П изменений положения ориентирующих элементов в ходе наладочных работ через варьирование состава комплекта рекомендуемых наладок, полностью определяющего количество настроек на размер Н;
– количество З замен ориентирующих элементов через варьирование наличия связи между рекомендуемой наладкой и типоразмером заготовки, соответственно, полностью определяющих необходимость использования того или иного ориентирующего элемента КР.
В качестве ограничения принято, что каждый типоразмер заготовок обязательно должен быть задействован в одной из базовых наладок, но не более одного раза.
Количество возможных вариаций – конечно, характер связей описывается только булевыми переменными, поэтому возможно рассчитать целевую функцию для всех существующих вариантов и выбрать наименьшее значение, используя соответствующие программные инструменты ЭВМ.
Решение задачи оптимизации позволяет определить комплект рекомендуемых наладок, состав и количество наладочных работ, обеспечивающих минимальную трудоемкость групповой наладки, в соответствии с заданным значением допуска на наладку.
В Таблице 2 приведены некоторые результаты оптимизации, а также достигнутые значения трудоемкости групповых наладок по сравнению с индивидуальными.
Таблица 2. Результаты оптимизации организации работы системы загрузки
Допуск на наладку, Т Н, мм
Трудоемкость групповой наладки, Г, мин Н
Трудоемкость индивидуальной наладки, , мин Н
3,6 2,4 1,2
Состав наладочных работ
Количество изменений положения ориентирующих элементов (количество настроек на размер Н) в ходе наладочных работ, П
5
4
Количество замен ориентирующих элементов (крючков КР) в ходе наладочных работ, З
4
3
3
51,4 46,0 44,9
106,2 110,2
118,2
В Главе 4 также установлена и формализована зависимость трудоемкости наладки систем загрузки оборудования от значений организационно- технических параметров систем загрузки, таких как состав и допустимая погрешность выполнения наладочных работ.
Эффективность принятого решения об организации групповой наладки можно оценить через отношение трудоемкостей групповой наладки (планируемый вариант) и индивидуальной наладки (базовый вариант):
П
Т Н 0,25
( Н) Г Т Б
+ ∙ П З З
=Н=Н ,
Н
(6)
П
Т Н 0,25
+ ∙ З
( Н)
Т Б (Н)
где Г и – трудоемкости групповой (планируемый вариант) и индивидуальной НН
(базовый вариант) наладок соответственно;
Т Н и Т Б – величины допусков на наладку по планируемому (новому) и
НН
базовому вариантам соответственно, мм.
Выполненные расчеты по данным, предоставленным Филиалом ООО
«КЭЗ КВТ» в г. Калуге, позволили выявить зависимость общей трудоемкости наладки системы загрузки от количества типоразмеров заготовок и
Н
величины допуска на наладку Н (см. Рисунок 5). Использование
разработанного в диссертационной работе группового подхода при организации наладки системы загрузки снижает суммарную трудоемкость наладки тем эффективнее, чем с меньшей погрешностью осуществляется наладка этих систем.
ТН, мин
150 100 50
Индивидуальная наладка Групповая наладка
n
15 3,6 ТRН, мм
Рисунок 5. Зависимость общей трудоемкости наладки системы загрузки
1,2
Процесс организации загрузки оборудования заготовками на основе группового метода представлен в работе в виде функциональной модели с применением инструментов методологии IDEF0 (см. Рисунок 6). Разработанная функциональная модель может быть реализована посредством информационных технологий в качестве автоматизированной системы организации групповой наладки систем загрузки оборудования, входящей в автоматизированную систему подготовки производства на предприятии.
2,4
Н от количества типоразмеров заготовок и величины допуска на наладку Н
Функции элементов производственной системы (ПС) Затраты времени на реализацию функций элементами ПС
Номенклатура объектов загрузки
Величины партий объектов загрузки
Квалификация наладчика
Оснащенность рабочего места наладчика
Параметры объектов загрузки
Параметры устройств загрузки
Методы теории Методы
вероятностей корреляционного анализа
Оценивание гибкости ПС и перспектив ее повышения
А1
Методы планирования и проведения экспериментов
Значения «плотностей» отдельных
Целевое значение необходимости группирования РП
Граничные значения параметров
наладки
Комплект базовых наладок
Целевое значение машинной гибкости К Г.М.
Зависимости между параметрами и показателями ПС
Состав групп заготовок для загрузки станка
Очерёдность подачи групп для загрузки станка
Оценивание потенциала системы загрузки для групповой наладки
А2
наладок
Система загрузки (экспериментальная установка)
Организатор производства
Рисунок 6. Функциональная модель процесса организации загрузки оборудования заготовками в многономенклатурном производстве на основе группового метода
Формирование групп заготовок и установление их очередности для загрузки станка
Комплект А3 наладок
Оформление решения о групповой наладке
А4
Средства вычислительной техники
Оценка эффективности групповой наладки
Рекомендации по наладке
12

Процесс организации загрузки оборудования заготовками в многономенклатурном производстве на основе группового метода можно разделить на четыре основных этапа, причем результаты каждого предыдущего этапа являются входными данными для последующих:
1. Оценивание гибкости производственной системы и перспектив ее повышения. Сущность этапа раскрыта в диссертации в Главе 2. Результатами этапа являются значения коэффициентов машинной гибкости и группирования.
2. Оценивание потенциала системы загрузки для групповой наладки с учетом существующих ограничений. Сущность этапа раскрыта в Главе 3. Результатами этапа являются: выявленные зависимости между параметрами и показателями производственной системы, граничные значения параметров наладки, значения «плотностей» отдельных наладок, комплект базовых наладок.
3. Формирование групп заготовок и установление их очерёдности для загрузки станка в заданных производственных условиях. Результатами этапа являются исследования Главы 4: состав групп заготовок для загрузки станка, оптимальные комплект наладок и состав наладочных работ, очерёдность подачи групп для загрузки станка.
4. Оформление решения о групповой наладке. Результатами этапа являются рекомендации и обоснование эффективности групповой наладки в соответствии с зависимостями, приведенными в Главе 4.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Анализ современной организации процесса загрузки оборудования заготовками в машиностроении показал высокую значимость группового метода наладки систем загрузки как инструмента совершенствования организации многономенклатурного производства. Установлено, что конструктивно значительная часть современных систем загрузки оборудования обладает потенциалом для организации групповой наладки.
2. Разработана и апробирована вероятностная модель работы многономенклатурной производственной системы с варьируемыми размерами партий изделий, позволяющая прогнозировать и оценивать эффективность организации наладки систем загрузки оборудования на основе группового метода. Моделирование, выполненное посредством разработанной модели, показало, что для системы, работающей при 100 типоразмерах загружаемых заготовок, переход загрузочных систем на групповую наладку снижает трудоемкость наладки систем загрузки на величину от 52 до 62%, что подтверждает целесообразность организации работы таких систем на основе группового метода.
3. Сформирована система ограничений, влияющих на организацию работы систем загрузки оборудования в производственных условиях: конструктивные ограничения, связанные с геометрическими и физико-механическими параметрами систем и объектов загрузки, и организационно-технические
ограничения, связанные с составом и допустимой погрешностью выполнения наладочных работ.
4. Разработан и реализован метод оптимизации процесса наладки систем загрузки оборудования на основе варьирования состава наладочных работ и установления ограничений на варианты объединения заготовок в группы с целью минимизации затрат времени на наладку систем загрузки. Определены оптимальные значения параметров групповых наладок систем загрузки, обеспечивающие более чем двукратное снижение потерь времени на наладку по сравнению с индивидуальными наладками.
5. Установлена и формализована зависимость трудоемкости наладки систем загрузки оборудования от значений организационно-технических параметров систем загрузки, таких как состав и допустимая погрешность выполнения наладочных работ. Посредством полученных зависимостей установлено, что использование группового подхода при наладке систем загрузки, например, крючкового типа, снижает длительность производственного цикла изготовления продукции на величину от 4,2 до 10,4 % путем уменьшения требуемого количества переналадок по сравнению с индивидуальными наладками. Снижение происходит тем существеннее, чем с более высокой точностью осуществляется наладка. Соответственно, созданы условия для увеличения объема выпуска продукции такой производственной системой на величину от 4,2 до 12,7 %.