Технологическое оборудование и принципы построения автоматизированных производственных систем

Технологическое оборудование и принципы построения автоматизированных производственных систем
План

1. 
   Высокая производительность живого и фондоотдача общественного труда
   
2. 
   . Высокая степень гибкости при высокой производительности
   
3. 
   Минимально возможный производственный цикл изготовления деталей
   

Современное производство в зависимости от объемов и частоты сменяемости выпуска изделий требуют применения современного высокопроизводительного технологического оборудования, позволяющего получать качественную продукцию с минимальными затратами.

Характерным признаком современного производства является частая сменяемость изделий при высокой производительности. Выполнить эти условия возможно путем автоматизации технологического оборудования, применением систем числового программного управления, современных информационных технологий.
В настоящее время определились два в какой-то мере противоречивых требования к современному промышленному производству: с одной стороны, сокращение сроков подготовки производства и выпуска, а также серийности промышленной продукции, а с другой -- уменьшение трудоемкости изготовления и стоимости при высоком качестве продукции.
Удовлетворение первого требования предусматривает увеличение универсальности оборудования и систем управления, позволяющих отрабатывать любые заранее не планируемые ситуации, быстро переходить на изготовление новой продукции.
Второе требование связано с необходимостью комплексной автоматизации производства, которая в настоящее время ассоциируется с применением технологического оборудования с программным управлением и ЭВМ на различных уровнях управления -- от непосредственного управления оборудованием до управления финансовой деятельностью предприятия.
В относительном противоречии этих требований в большой степени и заключаются трудности создания современного эффективно функционирующего производства. Чтобы удовлетворить противоречивым требованиям, необходимо придать производству ряд определенных свойств:
гибкость и маневренность, т. е. способность быстро перестраиваться на выпуск новой продукции;
высокий технический уровень и хорошую оснащенность новыми технологиями и оборудованием, позволяющими выпускать изделия высокого качества, большой надежности и ресурса;
экономичность, беспечивающую приемлемую для рынка продажную цену продукции, а следовательно, и минимальные затраты на ее производство, экономию всех видов ресурсов, включая возможно более широкое использование прошлого труда.
В условиях крупносерийного и массового производства основным оборудованием для механической обработки являются автоматические линии (АЛ) или состоящие из них системы.
В средне- и крупносерийном производствах используются гибкие автоматические линии, так как предъявляются специфические требования к металлорежущему оборудованию. Обычные АЛ в среднесерийном производстве нерентабельны вследствие малого коэффициента загрузки, а использование одношпиндельных многоцелевых станков с ЧПУ невыгодно, так как для изготовления больших партий деталей требуется значительное количество этого дорогостоящего оборудования. Поэтому используют ГАЛ на базе станков со сменными шпиндельными коробками (СШК), имеющие высокую производительность. В оборудовании со СШК заготовка остается неподвижной во время всего цикла обработки, а инструмент, установленный в СШК, подается в последовательности, соответствующей ходу технологического процесса обработки. Число наименований деталей, изготавливаемых на ГАЛ со СШК, зависит от программы их выпуска и трудоемкости обработки и может достигать в среднем 10-12 наименований. ГПС
В единичном и мелкосерийном производстве применяется локальная автоматизация. Необходимым элементом перехода от локальной автоматизации к гибким производственным системам (ГПС) являются роботизированные технологические комплексы (РТК). Организационно РТК могут функционировать отдельно, как самостоятельный вид оборудования, или могут быть объединены в роботизированные технологические линии (РТЛ) и роботизированные технологические участки (ОТУ).
Технологическое оборудование можно различать (разбить) по степени автоматизации.
Нулевая степень автоматизации - это неавтоматизированные машины, где без участия человека выполняются лишь основные технологические функции.
Первая степень автоматизации - это автоматизация отдельных машин-автоматов и полуавтоматов.
Вторая степень автоматизации - это автоматизация в масштабах системы машин, создание автоматических и автоматизированных линий, гибких производственных систем (ГПС) и др.
Третья степень автоматизации - комплексная автоматизация на уровне участков и цехов, предприятий в целом.
Машиностроительные заводы будущего
Перспективность предприятий машиностроительного производства оценивается с помощью технических, экономических и социальных характеристик.
Технический и экономический уровень предприятия, которое можно отнести к предприятиям «будущего». Можно определить следующими характеристиками:
1. Высокая производительность живого и фондоотдача общественного труда:
· Сокращение численности занятых рабочих на единицу выпускаемой продукции.
Например, фирма Вольво (Швеция) с общей численностью 58000 человек выпускала в 1983 г. 105 тысяч автомобилей, т.е. 1 рабочий - 18 автомобилей в год Та же фирма в г. Калмаре на заводе, работающем по новой технологии выпускает 30 тыс. автомобилей при численности занятых 600 человек, т.е. 50 автомашин на человека.
· Применение роботов во вспомогательном и основном производстве (резка, сварка, сборка и т.п.).
· 2. Высокая степень гибкости при высокой производительности
В традиционном производстве высокая гибкость возможна при использовании универсальных станков но нельзя получить высокую производительность.
3. Минимально возможный производственный цикл изготовления деталей
Если взять полное время цикла создания продукции от начала разработки технического задания до выхода готового изделия за 100%, а известно что деталь в цехе находится 1%.
Если же за 100% взять время нахождения детали в цехе, то получается, что детали на станке находится 5%, а обрабатываются на них 25-35% времени от 3%. Таким образом имеется резерв времени (99-95%) для сокращения полного цикла создания и изготовления деталей.
4. Минимизация потерь от брака и выпуск высококачественной продукции.
В автоматизированном производстве качество не зависит от квалификации оператора.
Контроль стойкости инструмента, прогнозирование поломок позволяет предотвратить появление брака.
5. Безотходная технология
Основные отходы металлообрабатывающего производства - металлическая стружка.
Проблема устранения стружки решается следующими путями:
· сокращение объема стружки за счет получения более точных заготовок, (например, переработка металла в гранулы и последующее прессование в почти готовые детали),
· использование композиционных материалов.
Сокращение отходов связано с более эффективным использованием оснастки и инструмента.
7. Высокая надежность оборудования.
Повышение надежности в первую очередь электрооборудования и электронных систем управления. Самодиагностика систем.
Социальные аспекты, характеризующие предприятие будущего.
1. рост благосостояния членов общества благодаря увеличению производительности труда, увеличению выпуска высококачественной продукции в необходимых для общества количествах при более экономичном использовании труда, материалов, энергии;
2. высвобождение человека от тяжелой и монотонной физической и умственной работы, работы в опасных и вредных для здоровья условиях;
3. возможность сокращения рабочего времени при соответствующем росте производительности труда;
4. высвобождение времени для всестороннего и гармоничного развития;
5. стимулирование повышения интеллекта человека, занятого в современном автоматизированном производстве; повышение заинтересованности в работе, наиболее полно удовлетворяющей потребности человека в квалифицированном, творческом труде.
Тема 1. Основы теории рабочих машин
Основные положения теории производительности машин и труда
В основе теории производительности машин и труда лежат следующие основные положения.
Каждая работа для своего совершения требует затрат времени и труда.
Производительно затраченным считается только то время, которое расходуется на основные процессы обработки (например, формообразование, контроль, сборку и т.д.). Все остальное время, включая время на вспомогательные (холостые) ходы рабочего цикла и внецикловые простои, является непроизводительно затраченным, т.е. потерями.
Машина считается идеальной, если при высоком потенциале производительности, качестве продукции отсутствуют потери времени на холостые ходы и простои (машина непрерывного действия, бесконечной долговечности и абсолютной надежности).
Для производства любых изделий необходимы затраты прошлого (овеществленного) труда на создание средства производства и поддержание их работоспособности и живого труда на непосредственное обслуживание технологического оборудования.
Закономерность развития техники заключается в том, что удельный вес затрат прошлого (овеществленного) труда непрерывно повышается, а затраты живого труда снижаются при общем уменьшении трудовых затрат, приходящихся на единицу продукции.
6. При окончательной оценке прогрессивности новой техники учитывается фактор времени -- темп роста производительности труда.
Важнейшим фактором производительности труда являются затраты труда на создание, обслуживание и эксплуатацию рабочей машины. Эти затраты можно представить состоящими из трех компонентов:
, - единовременные затраты прошлого труда необходимые для создания машин, оборудования, зданий, сооружений и т.п. - разовые затраты, рассчитанные на весь срок службы машины;
- текущие затраты прошлого труда (годовые) которые включают в себя часть овеществленного труда, затрачиваемого на основные и вспомогательные материалы, запасные части, электроэнергию, инструменты, топливо, смазочные материалы и т.п., необходимые для производства изделий.;
3) Тж - текущие затраты живого труда обслуживающих рабочих (годовые),
Суммарные затраты за весь срок действия средств труда
Производительность труда оценивается путем сопоставления количества выпущенной продукции с суммарными трудовыми затратами, необходимыми для ее выпуска за некоторый интервал времени N (годы):
,
где -- производительность труда;
W-- выпущенная годная продукция;
-- суммарные трудовые затраты, необходимые для выпуска продукции.
Размерность производительности труда в обобщенном виде = продукция/затраты.
Выпущенная годная продукция измеряется либо в физических величинах (штуки, единицы длины, массы, объема и др.), либо в стоимостном выражении (рубли). Суммарные трудовые затраты выражаются либо в единицах абстрактного труда (человекочасы, человекодни и т.п.), либо в денежном выражении (рубли). В соответствии с этим при расчетах производительность труда может иметь различную размерность, например шт./чел.-ч.
Количество выпущенной продукции зависит от того, сколько лет работает оборудование.
При постоянной производительности оборудования
где -- годовой фактический выпуск продукции.
Производительность труда можно записать в виде следующей формулы
, *)
где N возможный срок службы машины.
Анализ производительности труда в зависимости от сроков службы показывает ее переменный характер даже при неизменных технико-экономических характеристиках (производительность машин, их надежность, степень автоматизации и эксплуатационные затраты).
Уровень производительности труда при малых сроках службы относительно невысок, поскольку на сравнительно малый объем выпущенной за это время продукции требуются значительные затраты на средства производства (единовременные затраты). С ростом сроков службы производительность труда увеличивается, так как единовременные затраты овеществленного труда ТП раскладываются в этом случае на больший объем выпущенной продукции.
Рис. 1.1. зависимости выпущенной продукции W, эксплуатационных затрат Т и производительности в относительных единицах от сроков службы при неизменных эксплуатационных характеристиках
Коэффициент роста производительности труда
Для оценки прогрессивности новой техники, в том числе автоматов и автоматических линий, необходимо по уровню производительности труда сравнить различные варианты. Для выявления целесообразности внедрения новой техники необходимо сравнить его с действующим в производстве (базовым вариантом) и дать заключение.
Предпочтение следует отдать варианту, который обеспечивает наибольший рост производительности труда и гарантирует выполнение планируемых темпов ее роста на весь срок службы машины:
где . -- коэффициент роста производительности труда при сравнении двух технических вариантов;
-- производительность труда, которую обеспечивает исходный вариант техники (например, поточная линия);
-- производительность труда второго, сравниваемого с исходным, варианта техники (автоматическая линия).
Сравнение различных вариантов техники позволяет определить их прогрессивность, оценить ее аналитически. Например, если существующая техника обеспечивает производительность труда Ат1 = = 25 шт./чел.-ч, а новая техника Ат2 = 100 шт./чел.-ч, то
т. е. внедрение новой техники обеспечивает рост производительности труда в 4 раза.
На рис. 1.2. приведены графики производительности труда во времени для двух проектируемых вариантов новой техники, например поточной и автоматической линии при условии, что оба варианта новой техники вводятся в действие одновременно и имеют одинаковые сроки службы.
Рис. 1.2. Изменение производительности труда во времени поточной и автоматической линий, одновременно вводящихся в эксплуатацию.
Так как автоматическая линия более дорогостоящая, чем поточная (затраты на автоматизацию >1), при малых сроках службы производительность труда на поточной линии выше, чем на автоматической, поэтому и коэффициент роста производительности труда меньше единицы. Однако автоматическая линия благодаря высокой производительности и малой численности обслуживающих рабочих имеет более низкие эксплуатационные затраты при выпуске продукции, поэтому при длительных сроках службы уровень производительности труда на автоматической линии выше (> 1). Следовательно, если сроки службы автоматической линии меньше некоторой минимальной величины () целесообразнее строить поточную линию, как более дешевую, несмотря на большие эксплуатационные расходы. И наоборот, автоматическая линия выгоднее, если предполагаемые сроки ее службы достаточно велики ()
Характерным для современного этапа развития техники, в первую очередь для автоматизации производственных процессов, является рост производительности средств производства, увеличение их стоимости и сокращение численности людей, непосредственно занятых обслуживанием машин. Изменение текущих затрат прошлого труда на единицу изделия зависит от характера производственного процесса и может находиться в широких пределах.
Основные пути повышения производительности
Теория производительности машин и труда позволяет намечать наиболее эффективные пути повышения производительности труда, а следовательно, наиболее эффективные направления технического прогресса, пути автоматизации.
Количественный анализ факторов, определяющих производительность труда, позволяет выявить следующие основные пути повышения производительности труда при автоматизации производственных процессов.
Первый путь заключается в уменьшении затрат живого труда Тж за счет сокращения числа рабочих, непосредственно занятых в процессе производства. Эта экономия достигается благодаря совершенствованию средств производства и управления, изменению организации труда, внедрению вычислительной техники и иных современных средств, позволяющих выполнять работу, которую раньше выполняли при обслуживании системы машин человек.
Такой путь автоматизации имеет ограниченные возможности повышения.
Предположим, что имеется участок из 100 станков, которые обслуживают 100 рабочих. Если в поточной линии общие затраты живого труда при Z=1 составляли Тж, то при обслуживании одним рабочим-оператором Z станков и неизменной заработной плате одного рабочего они составляют Тж/Z. Следовательно, общая экономия живого труда рабочих-операторов
где Тж -- текущие затраты живого труда;
Z -- число станков, обслуживаемых одним рабочим-оператором.
Если отнести экономию к первоначальному фонду заработной платы, то получим
Так, при обслуживании одним рабочим двух станков (Z=2) экономия уже составляет 50% заработной платы обслуживающего персонала (Э/ТЖ = 0,5).
Если увеличение Z в 2 раза (от 1 до 2) позволяет сэкономить 50% фонда заработной платы, то увеличение Z в 2,5 раза (от 2 до 5) дает возможность сэкономить только 40 %.
Если при переходе от обслуживания одной машины к двум можно простейшими средствами сэкономить 50 % заработной платы, то при переходе от 50 к 100 станкам - только 1 %.
Следует отметить, что автоматизация приводит к уменьшению количества рабочих-операторов, но не наладчиков, число которых, как правило, возрастает особенно при низких показателях надежности оборудования.
Рис. 1.5. Зависимость экономии живого труда от числа станков, обслуживаемых одним рабочим