Комплексная оценка производственной технологичности изделий

Введение. Развитие машиностроительного производства в современных условиях невозможно без серьезного наращивания научных исследований, связанных с разработкой теории и методических принципов формализации всех этапов производства изделий, являющихся основой будущих интеллектуальных систем поддержки создания и изготовления технических объектов. Наиболее сложными в этом аспекте выступают задачи конструкторской и технологической подготовки производства [1][2]. Несмотря на многочисленные работы в данном направлении, до настоящего времени не созданы автоматизированные системы, позволяющие взять на себя даже незначительные функциональные действия конструкторов и технологов, связанные с выполнением творческих проектных решений.

Обязательным условием технологической подготовки эффективного функционирования механообрабатывающих систем является мониторинг и анализ складывающейся производственной ситуации, а также информации о состоянии оборудования и средствах технологического обеспечения. Только обладая в полной мере этими сведениями можно принимать рациональные производственные решения. Даже опытный технолог не в состоянии собрать и проанализировать такой большой объем информации. Поэтому решения принимаются зачастую субъективно и необоснованно, проектирование технологических процессов и их реализация разнесены во времени, а использование вычислительных систем тормозится отсутствием моделей, описывающих процесс технологической подготовки производства.

Решению поставленных задач посвящены научно-исследовательские работы по созданию системы планирования многономенклатурных технологических процессов [3], в основе которых лежит концептуальный подход к формализации всех проектных процедур обеспечения технологической подготовки механообрабатывающих производств, позволяющих учесть конкретные особенности, технологические возможности оборудования и оснастки. Одной из таких проектных процедур является оценка обеспечения технологичности изделий, чему традиционно уделяется недостаточно внимания. Роль данного этапа существенно недооценена.

Все технико-экономические показатели функционирования производственной системы определяются сложностью выпускаемой продукции и степенью оснащенностью производственных мощностей. Часто имеет место несогласованность этих двух показателей, что приводит к невозможности обеспечения требований к качеству выпускаемой продукции, простоям и нерациональному использованию оборудования. Именно при оценке технологичности изделий, наряду с известными задачами и методами их решения, должны быть получены объективные данные о целесообразности изготовления изделий в условиях конкретной производственной системы.

Материалы и методы. Большое значение имеют научные исследования в области создания формализованных моделей установления связей между технологическими и конструкторскими задачами подготовки производственных машиностроительных систем. В связи с увеличивающимся мировым соперничеством в производственной сфере, первоочередной задачей является повышение эффективной работы оборудования при реализации технологических процессов с учетом соответствия заданных требований к качеству деталей, которые, в свою очередь, устанавливаются в процессе конструирования.

Вопросы, поставленные современными условиями функционирования производственных комплексов, связаны с обеспечением производственной технологичности изготавливаемых изделий. В настоящее время методы оценки технологичности изготавливаемых изделий, с учетом необходимости соответствия требованиям стандартов, напрямую зависят от квалификации технолога (конструктора) и их знаний. Такой подход не гарантирует рационального принятия технических решений и сдерживает автоматизацию проектных процедур.

Оценка технологичности, как этап подготовки производства, выполняется для установления взаимосвязи между затратами на изготовление изделия и его конструктивными особенностями. Результаты такой оценки зачастую имеют противоречивый характер, отсутствует полноценное математическое описание процедуры ее проведения.

Для разрешения сложившейся ситуации целесообразным представляется реализация на практике следующих шагов [4–6]:

• установление относительных весовых характеристик показателей технологичности на основе параметров изготовляемых изделий. Труднореализуемым, но первостепенным является решение этой задачи на стадиях разработки рабочей конструкторской документации, когда отсутствуют технологические решения по изготовлению;
• развитие существующей номенклатуры количественных показателей для выполнения процедуры оценки производственной технологичности, которые позволяют учесть специфические подходы к подготовке производства для конкретных производственных комплексов.

При создании методического обеспечения проектной процедуры оценки технологичности изделий необходимо учитывать, что оно должно основываться на обширной конструкторско-технологической базе данных с учетом ее структуры и взаимосвязей между элементами моделей, используемых при проектировании и реализации технологических процессов. Система планирования многономенклатурных технологических процессов отвечает этим требованиям и позволяет, наряду с возможностью проведения оценки известных и применяемых в производстве количественных показателей, предложить новые [7].

В соответствии с принципами, заложенными при создании системы планирования технологических процессов, основным критерием эффективности является время работы производственной системы по изготовлению всего комплекта изделий. Оно включает все затраты производственного цикла и напрямую связано с себестоимостью производства деталей. Базируясь на этом положении, авторами предложен подход, позволяющий на основе установления взаимосвязей между элементами, входящими в оценку себестоимости изготовления деталей, и количественными показателями производственной технологичности дать заключение о значимости данных показателей для конкретных производственных условий.

Результаты исследования. Последовательность реализации разработанного подхода включает в себя несколько проектных процедур, реализация которых позволяет учесть, как конструктивные особенности обрабатываемых деталей, так и организационно-технологические особенности производственной системы, учитывающие состав и технологические возможности оборудования, а также специфику программы выпускаемых изделий.

Первоначально на уровне технологической операции была установлена степень влияния показателей технологичности посредством оценки возможного влияния на составляющие при расчете штучно-калькуляционного времени (Т_шт.к.). На рис. 1 представлена детализация структуры (Т_шт.к.) для токарной операции, используя которую был проведен анализ и установлены возможности влияния производственных показателей технологичности на каждое отдельное значение в расчетах (Т_шт.к.). Аналогичные исследования, позволившие установить аналитические зависимости между количественными показателями производственной технологичности и структурными элементами технологических операций, были выполнены для других групп технологического оборудования.

Установлены взаимосвязи между показателями технологичности и затратами по всем статьям технологической себестоимости обработки заготовки С_ОП (рис. 2), а также затратами, связанными с организационными простоями оборудования С_пр.о.i. (рис. 3).

Для оценки влияния количественных производственных показателей, связанных с затратами времени оборудования при простое, создана модель прогнозирования потоков событий поступления партий деталей на изготовление на определенную операцию и потоков обработанных деталей с использованием аппарата теории массового обслуживания. Данный методический подход использован в системе планирования технологических процессов [8][9]. В качестве примера на рис. 4 представлены результаты в виде диаграммы Ганта. Такой подход позволяет учесть конструкторско-технологические характеристики деталей, особенности конкретной производственной системы и складывающуюся производственную ситуацию.

На рис. 5 представлена укрупненная схема структуры для определения затрат производства при изготовлении деталей, использованная для оценки удельного веса количественных показателей оценки технологичности в системе планирования технологических процессов. Выполнен анализ возможности влияния каждого показателя на эффективность функционирования всей производственной системы при изготовлении партии заданных деталей для конкретных производственных условий.

Результаты представленного анализа и установленные взаимосвязи между показателями технологичности и эффективностью работы механообрабатывающих систем позволили перейти к решению вопроса об установлении значимости количественных показателей производственной технологичности. Представленный фрагмент (рис. 6) содержит в реляционной форме информацию о вышеперечисленных связях и дополнен сведениями об удельном весе элементов затрат (в процентах). Данные получены на основе статистической обработки результатов функционирования реальной производственной системы. В случае отсутствия такого рода сведений имеется возможность использовать общемашиностроительные или отраслевые.

Для установления весовой значимости показателей производственной технологичности остается только решение задачи, заключающейся в определении их влияния непосредственно на каждый элемент в представленной структуре производственных затрат. Решение данной задачи выполнено с привлечением аппарата парных сравнений при принятии решений (итеративный процесс Бержа [10]). Данный метод позволил определить степень влияния показателей технологичности относительно других показателей применительно ко всем структурным элементам производственных затрат. В таблице 1 представлено в качестве примера попарное сравнение показателей технологичности относительно основного времени (То).

Промышленная проверка и апробация разработанных моделей выполнялась в условиях ООО «ГАЗПРОММАШ», специализирующегося на серийном выпуске подогревателей газа прямого действия с промежуточным теплоносителем и модифицированного ряда станций, регуляторов, блоков фильтров и клапанов, кранов высокого давление. Исходными данными для проведения экспериментов являлись: сформированная и заполненная база данных, содержащая информацию по технологическим возможностям оборудования (производственное подразделение № 1), информация по реальному состоянию и технико-экономические характеристики функционирования участка (таблицы 2–6), программа изготавливаемых деталей (чертежи отдельных деталей представлены на рис. 7, 8).

Результаты расчетов степени относительного влияния количественных показателей производственной технологичности деталей на отдельные структурные элементы производственных затрат (участок №1 ООО «ГАЗПРОММАШ») представлены в таблицах 7–10.

1.1 — показатель обрабатываемости материала;

1.2 — показатель сложности конструкции детали;

1.3 — коэффициент точности и шероховатости поверхностей детали;

1.4 — показатель унификации конструктивных элементов;

1.5 — показатель использования материала;

1.6 — показатель возможности изготовления заданной номенклатуры деталей;

1.7 — показатель использования технологических возможностей производственных систем;

1.8 — показатель технологичности детали по однородности технологического оборудования;

1.9 — показатель прогнозирования уровня загрузки технологического оборудования при обработке заданной номенклатуры деталей;

1.10 — показатель многовариантности принятия решений при проектировании технологического процесса;

1.11 — показатель многовариантности принятия решений при реализации технологических процессов;

1.12 — показатель производственной технологичности детали, отражающий возможность соблюдения принципа единства баз при разработке технологического процесса в части поверхности детали, являющейся основной конструкторской базой;

1.13 — показатель производственной технологичности детали, отражающий возможность соблюдения принципа единства баз при разработке технологического процесса в части поверхностей деталей, являющихся вспомогательными конструкторскими базами.

На основе представленных моделей и ранее известных зависимостей расчета количественных показателей была проведена оценка производственной технологичности деталей. При этом было использовано разработанное и зарегистрированное авторами программное обеспечение. Таким образом, с учетом информации о реальном состоянии производственной системы проведена корректировка конструкторской документации, номенклатуры, последовательности реализации изготовления отдельных групп деталей и планирование технологической подготовки производства. Сравнительный анализ результатов расчетов представлен в таблице 11.

Обсуждение и заключение. Результаты представленных теоретических исследований и их апробация в условиях реального производства позволили предложить метод оценки производственной технологичности деталей. Он позволяет провести комплексную оценку на основе разработанных аналитических зависимостей определения весовых коэффициентов, определяющих значимость каждого показателя технологичности с позиции эффективности функционирования механообрабатывающей системы. Отличительной особенностью и научной новизной работы является учет реально складывающейся производственной ситуации при оценке технологичности. Это позволяет использовать данную проектную процедуру не только традиционно на начальных стадиях технологической подготовки производства, но и на этапах реализации технологических процессов с целью рациональной организации производства.

Созданные формализованные модели создают основу для полной последовательной автоматизации проектных действий при выполнении оценки технологичности изделий и обеспечивают предпосылки для создания перспективной интеллектуальной системы прогнозирования рациональности изготовления деталей на конкретном производстве и принятия обоснованных организационных и технологических решений.