ПОВЫШЕНИЕ надежности И производительности ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

М.С.Уколов, К.А.Батышев

Производительность и надежность – важнейшие показатели, объективно отражающие технический уровень средств автоматизации и производства в целом. Производительность определяется как количество годной продукции, выдаваемой в единицу времени :

. (1)

Основу технологических систем (ТС) автоматизированного производства составляют станки с ЧПУ. Для точного расчета и оценки производительности необходимо исследовать все составляющие потерь времени в условиях автоматизированного производства (рис. 1).

Рисунок 1. Обобщенная модель обработки заготовок на станках с ЧПУ; ИС – инструментальная система; СУ – система управления; Р – резец;

ПР – промышленный робот; – пуско-наладочный период.

Автоматический рабочий цикл – это интервал времени между двумя одноименными операциями при бесперебойной работе машины:

(2)

где и – время рабочих и холостых ходов; – время вспомогательное.

Величина – время движения резца к заготовке на ускоренной подаче на участке l₁. Величина – время отвода резца от детали в «нулевую» точку на ускоренной подаче (участки и ). Таким образом, с учетом составляющих , и время холостых ходов равно:

. (3)

Вспомогательное время цикла:

, (4)

где – время загрузки (установки) заготовки в патрон;

– время разгрузки детали со станка (может быть частично совмещено).

Используя формулы (1- 4), получим формулу для расчета штучного времени изготовления одной детали с учетом всех составляющих потерь ТС:

(5)

где – время пуско-наладочное (подготовительно-заключительное), включающее составляющую (время на подготовку станка к работе, осмотр и прогрев станка, настройка, проверка УП) и составляющую (затраты времени инструментальной системы – кодирование инструмента, наладка вне станка, подача к станку, установка на станке); n– количество деталей в партии.

В теории производительности принято считать производительным время рабочих ходов (участок ). Однако при обработке металлов резанием производительным фактически является только время формообразования , т.е. время съёма металла на участке . Анализ моделии формулы (5) подтверждает, что из десяти составляющих только однаявляется производительной (теоретически) – это . Поэтому общепринятое правило «считать производительным время рабочих ходов» – не совсем корректно.

Любая эксплуатируемая ТСможет находиться в двух состояниях:

1. Состояние бесперебойной работы, когда выдается годная продукция – период .

2. Состояние, когда по различным причинам не выдается годная продукция.

Этот период равен суммарной длительности всех видов простоев .

Таким образом, общий фонд времени механической обработки заготовок:

(6)

Все составляющие периода можно разбить на пять групп

(см.рис. 1):

1. Время процесса формообразования , т.е. время снятия стружки – «полезное время ».

2. Время – движение резца на рабочей подаче до и после процесса формообразования «потерянное время».

3. Время холостых ходов (подвод и отвод режущего инструмента) – «потерянное время».

4. Время выполнения вспомогательных операций (установка заготовки в приспособление, зажим-разжим заготовки, снятие заготовки) – «потерянное время ».

5. Время пуско-наладочное – «потерянное время».

Общий период простоев можно разделить на три вида (рис. 2):

Рисунок 2. Виды простоев и затрат времени автоматизированного оборудования.

1. Собственные простои (время ).

2. Организационно-технические простои (время ).

3. Простои из-за переналадки ().

К собственным простоям относятся:

простои из-за оборудования (причины – отказы, остановы, устранение неисправностей, настройка механизмов, отладка УП);

простои из-за оснастки (причины – поломка деталей, неисправности гидро-пневмосистемы, вибрации, износ, снижение усилий зажима, потеря точности приспособлений);

простои из-за инструмента (причины – поломка, сколы, предельный износ, затупление, потеря точности, вибрации, смена, подналадка); простои из-за брака (время, когда производится бракованная продукция, считается простоем). Брак – индикатор и интегрированный показатель низкой надёжности ТС.

Простои по организационно-техническим причинам не связаны непосредственно с состоянием и уровнем надежности оборудования ТС. Они определяются в основном «человеческим фактором»: несвоевременные

приход или уход рабочего; несвоевременные пуск или останов станка; отсутствие электроэнергии, заготовок, инструмента, УП; неправильные действия работающих; уборка, осмотр, регламентные функции.

К простоям из-за переналадки оборудования для изготовления деталей другого типоразмера относятся: замена приспособлений и инструмента;

подготовка УП и обработка пробных деталей; корректировка УП. Суммарное время простоев:

(7)

В общем фонде времени простоев собственные простои являются превалирующими и обусловлены общим техническим уровнем оборудования ТС и уровнем егонадежности.

Фактическая производительность (по Г.А.Шаумяну) [1]:

(8)

Это реальная производительность с учетом всех видов потерь. В условиях серийного производства величиной можно пренебречь.

На производительность и эффективность в основном влияют собственные простои оборудования , зависящие от надежности его элементов. Собственные простои из-за отказов функционирования (внезапные отказы)

обуславливаются средним временем их восстановления t_вос и рассчитываются по формуле:

, (9)

где – параметр потока отказов (средняя частота отказов); – время восстановления.

Для анализа и оценки времени восстановления (т.е. длительности простоя из-за отказа) можно использовать зависимость:

, (10)

где – время поиска неисправностей; – время устранения отказа; – время дополнительное (время организации рабочего места ремонтника, обеспечения запчастями, материалами, приборами, инструментами и приспособлениями; наладки оборудования после устранения отказа и ремонта; изготовления пробной детали).

Для условий серийного производства влияние параметров надежности и на фактическую производительность с учетом формул 5, 8, 9, 10 (приняв ) можно оценить по формуле:

(11)

Формула (11) наглядно характеризуют роль, связь и влияние надежности на производительность.

Проблему обеспечения надежности и производительности следует решать на всех стадиях жизненного цикла изделий – на этапах проектирования,

изготовления и эксплуатации. На рис. 3дан анализосновных направлений и способов повышения надёжности и производительностиТС.В качестве примерарассмотрим дванаиболее эффективных способа – это внедрение систем технической диагностики и резервирование.

Рисунок 3. Обеспечение надежности и производительности на всех стадиях жизненного цикла технологических систем

С учетом служебного назначения изделий для них устанавливаются различные значения вероятности безотказной работы . Например, для самолетов значение . Здесь отказ в течение установленного времени ресурса недопустим. Для неответственных изделий (и бытовых приборов) . Примерно такое же значение имеют и металлорежущие станки. Оснащение станков с ЧПУ автоматизированными системами диагностики (АСД) позволяет повысить на порядок показатель , т.е. у этих станков .

Цель диагностики – обеспечить бесперебойный технологический процесс. Системы диагностики в автоматическом режиме позволяют: быстро установить наличие и вид отказа; определить неработоспособный узел; установить форму проявления отказа; разработать способ локализации отказа с минимальными затратами времени и средств. Внедрение АСД позволяет значительно повысить коэффициент технического использования оборудования, резко сократить время простоев (за счет быстрого обнаружения места и вида отказов, снижения времени на поиск и устранение неисправностей):

,

при

где – общий фонд времени работы оборудования;

– время простоя, равное .

Другой эффективный метод повышения надежности ТС – это создание избыточности. При этом уже на стадии проектирования можно повысить схемную надежность системы, в частности, – за счет резервирования. Для этого в схему ТС включаются дублирующие элементы. При выходе из строя

(или отказе) одного из элементов дублер выполняет его функции, и узел продолжает функционировать. Резервирование резко повышает надежность (и безопасность) систем и изделий.

При нагруженном («горячем») резервировании резервные элементы постоянно присоединены к основным и находятся в одинаковом с ними режиме работы (рис. 4). В этом случае отказ системы – это сложное событие, которое будет иметь место при условии отказа всех элементов. Вероятность появления одновременно всех отказов (по теореме умножения вероятностей) равна произведению:

Рисунок 4. Cхема нагруженного резерва для повышения надежности

Вероятность безотказной работы и вероятность отказа образуют полную группу событий: ,

откуда

И .

Если при резервировании вероятность безотказной работы каждого элемента и , то получим:

Итак, за счет резервирования надежность можно повысить на несколько порядков. В данном случае вероятность отказа F(t) близка к «нулю» (0,000001) при относительно невысокой надежности каждого элемента (при ). Таким образом, используя принцип резервирования, становится возможным создание надежных систем из «ненадежных» элементов.

Литература

1. Шаумян, Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов: учебник [Текст]/Г.А.Шаумян. – М.: Машиностроение, 1973. – 640 с.

2. Схиртладзе, А.Г. Надёжность и диагностика технологических систем: учебник [Текст]/А.Г.Схиртладзе, М.С.Уколов, А.В.Скворцов; под ред. А.Г.Схиртладзе. – М.: Новое знание, 2008. – 518 с.

Сведения об авторах

1. Уколов Михаил Степанович, к.т.н. доцент кафедры «Автоматизированные станочные системы и инструмент» Университета Машиностроения (МАМИ), г. Москва. Моб. 8-905-541-37-61

2. Батышев Константин Александрович, д.т.н. проф. кафедры «Машины и технологии литейного производства» Университета Машиностроения (МАМИ), г. Москва.

УДК 681.326.75

Поиск по сайту: