автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Совершенствование и разработка методов организации производства на базе металлообрабатывающих станков с ЧПУ

0У4607312

На правах рукописи

САХНО АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА НА БАЗЕ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ С ЧПУ

Специальность 05.02.22 Организация производства (Промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 6 АВГ 2010

Казань-2010

004607312

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РТ Ильин Герман Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

зав. каф. Динамики процессов и управления, КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань Сиразетдинов Рифкат Талгатович; доктор технических наук, профессор, зав. каф. Автоматизации и информационных систем, Камская государственная инженерно-экономическая академия (КамПИ), г. Набережные Челны Симонова Лариса Анатольевна

Ведущая организация: ОАО «ОКБ Сокол» г. Казань.

Защита состоится 69 2010 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д212,079.03 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева (КАИ) по адресу 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, д. 31, ауд. 504.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им. Туполева, с авторефератом - на сайте КГТУ им. А.Н. Туполева: http:// www.kai/ru.

Автореферат разослан <0 7 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Г.И. Щербаков

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В рыночно-ориентированной экономике важным является построение системы управления и организации производства, позволяющей эффективно использовать ограниченные финансовые средства при сохранении объёмов и качества выпускаемой продукции.

В настоящее время на промышленных предприятиях значительная часть станков с числовым программным управлением (ЧПУ) представлена оборудованием 90-х, 80-х и даже 70-х годов прошлого столетия. Ввиду постоянного морального устаревания указанного оборудования существует проблема обновления, реконструкции и модернизации станочного парка. При принятии решения о выборе способа модернизации необходимо учитывать специфику производства и плановые потребности.

В области организации производства предприятий можно выделить труды Туровца О.Г., Сиразетдинова Т.К., Симоновой Л.А., Родионова В.В., Сиразетдинова Р.Т., Иванова В.К., Ершова К.В., Адаева Ю.В., Базилевича Л.А., Васильева В.Н., Гинзбурга Е.Г., Каца И.Я., Кононосова А.И., Петрова М.И., Матюшина В., Тарасова А., Ревуцкого Л.Д., Фатхутдинова Р.А и др.

В работах Сиразетдинова Т.К., Иванова В.К., Сиразетдинова Р.Т., Родионова В.В. производственное предприятие - это система, состоящая из управляющей и управляемой подсистем, образующих единое целое. Система управления строится по иерархическому и функциональному принципам из четырех уровней. Нижние два - система управления технологическим процессом, третий - цехом, четвертый предприятием. Цель управления цехом - организация выпуска заданного количества изделий конкретной номенклатуры в заданные сроки и наименьшими затратами. Проблема выпуска продукции заключается з организации производственного процесса.

В работах Симоновой Л.А. предприятие представляется как иерархическая структура, основанная на взаимной подчиненности. Автор предлагает ввести коэффициенты: технические ограничения производства; фонд времени; себестоимость; степень сложности процесса изготовления изделия; затраты электроэнергии. Предусматривается корректировка весовых коэффициентов, позволяющая оптимально сформировать технологические процессы изготовления заказа в заданные сроки с минимальными затратами.

В работах приведенных авторов по организации производства приведены модели предприятия, однако модель цеха как система взаимодействующих связей предприятия и составляющих его частей и модель станка с числовым программным управлением не представлены. Предприятие представляет иерархическую трехуровневую структуру. Все необходимые ресурсы (финансы, материалы, энергоресурсы, площади) и нормативно-директивная информация поступают на предприятие, где они распределяются по цехам и далее по технологическому оборудованию. При нормальной работе непосредственно взаимодействуют соседние уровни, т.е. цех является центральным звеном в организации производства. Поэтому для усовершенствования форм и методов организации производства необходима разработка математических моделей, увязывающих взаимозависимые связи - предприятия, цеха, технологического оборудования.

В связи с вышеизложенным, совершенствование методов организации производства и исследование зависимости уровня модернизации отдельно взятого станка с ЧПУ для повышения эффективности работы механического цеха с одновременным сокращением финансовых и материальных ресурсов предприятия является актуальной задачей.

Цель и задача работы состоит в совершенствовании методов организации производства механических цехов, оборудованных металлообрабатывающими станками с ЧПУ в машиностроительной отрасли в условиях современной рыночной экономики. Для достижения поставленной цели решались следующие вопросы:

1) исследовалось состояние парка станков с устройствами числового программного управления в машиностроительной промышленности;

2) исследовались факторы, влияющие на современное состояние станочного парка предприятий;

3) разрабатывались математические модели механического цеха и металлообрабатывающего станка с ЧПУ;

4) разрабатывалась методика технико-экономического обоснования модернизации механического цеха технологическим оборудованием предприятия;

,5) - проводились численные исследования взаимосвязанных отношений механического цеха и станков с ЧПУ;

6) проводились расчеты и практические исследования по внедрению модернизированного устройства ЧПУ для металлообрабатывающего станка с ЧПУ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики теория распределенных систем, методы целочисленного линейного программирования, методы анализа показателей доходности, основанных на дисконтированных оценках, метод анализа чувствительности критериев эффективности, метод сценариев. В качестве объектов исследования выбрано производство авиационной промышленности, механические цеха которого оборудованы металлообрабатывающими станками с устройством числового программного управления (УЧПУ) на базе пультов «ПФСТ - 12-500» и «Электроника-НЦ31».

Научная новизна работы заключается в следующем:

' 1) разработана математическая модель механического цеха с использованием теории распределённых систем для описания процесса организации производства;

2) разработана математическая модель металлообрабатывающего станка с ЧПУ как элемента процесса организации производства на основе теории распределённых систем;

3) разработан метод оптимального выбора модели станка на основе математической модели задачи, в виде целевой функции и ограничений, представленных системой линейных уравнений;

4) разработана методика технико-экономического обоснования модернизации, механического цеха с имеющимся технологическим оборудованием, которая может быть использована на этапе проектирования производства и его модернизации;

5) предложена методика выбора инвестиционного проекта модернизации станочного парка, основанная на динамических методах анализа критериев

эффективности и учета оценки инвестиционных рисков анализируемых вариантов модернизации;

6) развит логико-математический метод размещения технологического оборудования в механическом цеху с соблюдением санитарно-технических норм и правил техники безопасности при условии минимизации производственной площади.

Практическая ценность. Для усовершенствования методов организации производства в машиностроительной промышленности разработаны математические модели и соответствующие методы решения задачи оборудования механического цеха металлообрабатывающими станками с ЧПУ предприятия, а также предложено разработанное устройство числового программного управления на основе микропроцессора фирмы Агше1 АТМеда 128, позволившее при минимальных финансовых расходах увеличить производительность и точность обработки деталей на станках, уменьшить энергетические затраты механического цеха. Результаты диссертационной работы использованы на предприятии авиационной промышленности.

Апробация диссертационной работы. Результаты диссертационной работы доложены на Всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука, технологии, инновации», г.Новосибирск, 2008г., Международных молодёжных НТК «Туполевские чтения» в 2007-2008 г.г.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 3 в трудах научно-технических конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация содержит 140 страниц машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 60 наименований, в том числе 5 работ автора и приложения на 2-х листах.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методы определения типов и количества станков механического цеха;

- математическая модель механического цеха как территориально распределённая система;

- математическая модель металлообрабатывающего станка с ЧПУ как элемент территориально распределённой системы;

- логико-математическая модель территориального расположения станков в цеху;

- методика технико-экономического обоснования инвестиционного проекта по выбору варианта модернизации металлообрабатывающих станков с ЧПУ.

Содержание диссертации Во введении обоснована актуальность темы, раскрыта степень разработанности проблемы, сформулированы цель и задача исследования, определены объект и предмет исследования, методологическая и теоретическая основы диссертации, ее информационная база, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены апробация результатов и структура работы.

В первой главе определены вопросы, которые необходимо решить для усовершенствования методов организации производства. Проведён комплексный анализ состояния парка станков предприятий в машиностроительной промышленности, а также факторов и устройств, определяющих производственную мощность предприятий.

В результате проведенного анализа автором выявлены следующие ключевые технические задачи: развитие методов организации производства требует разработки новых и адаптации существующих; организация структуры подготовки производства характеризуется не только определённым составом его частей, но и особенностями связей между ними, т.е. принципом строгой последовательности, пропорциональности и прямоточности работ, заключающейся в

совершенствовании пространственного расположения структурных единиц с учётом использования ресурсов четырех видов: люди (рабочие), основные фонды, производственное оборудование, материалы. Для организации производства необходимо использовать коэффициенты загрузки по трудовым ресурсам

Р Т

К,_=—по технологическому оборудованию К .=-—, площадям К]Л,

РА Т.хК

ф Д Л

§ .

=—¡2-, где - Р^-плановая численность работников, ч; Рф - фактическая численность

V

работников, ч.; Т^ - трудоёмкость работ оборудования за период времени год, квартал, месяц, смену, час; Тд - действительный фонд времени работы оборудования при сменности работ, ч; Кп - коэффициент переработки норм; требующаяся площадь с учётом количества оборудования трудовых ресурсов, м ; вф-фактическая площадь занятая под производственное оборудование, м2.

Важной задачей организации производства является обоснованный выбор состава цеха, который в мелкосерийном производстве специализируется по предметно-замкнутой форме построения участков, т.е. ориентируется на конечный результат, что сокращает производственные связи и упрощает управление ходом работ. Квалифицированное использование технико-экономического анализа является непременным условием, обеспечивающим выявление реально существующих резервов повышения эффективности производства для принятия конструктивных, экономически обоснованных управленческих решений. Сущность эффективного планирования производством заключается в построении экономико-математических моделей процессов и логико-математического описания всех составляющих процессов работ, связей между ними и установления количественных оценок. С помощью данных моделей рассматриваются календарные и количественные показатели по цеху и производству в целом. Математические модели отражают связь между отдельными видами работ, взаимообусловленную и технологическую последовательность выполняемых-работ. Именно эти качественные и количественные факторы определяют сложность процесса форм и методов организации производства. Организация процессов производства и принятие решения о модернизации средств труда трёбуют определённых финансовых затрат, которые в настоящее время могут быть

получены за счёт инвестиционных вложений. Инвестирование представляет собой важный аспект деятельности динамично развивающейся организации с приоритетом долгосрочной рентабельности. Поэтому актуальна задача оптимизации инвестиционного портфеля, теория принятия решения которого связана с разработкой математической модели и методов обоснования решений. Для определения направления работ по совершенствованию методов организации производства проведён анализ современного состояния парка станков механического цеха предприятий машиностроительной отрасли; определены факторы и устройства, оказывающие основное влияние на производительность и функциональные возможности станков с ЧПУ; рассмотрены способы модернизации производства и технико-экономическая целесообразность модернизации производства. Анализ современного состояния производства показал, что физический износ станочного парка по основным видам оборудования составляет 15-25 %, а моральный износ превышает 70%. Наиболее обобщенное

отображение износа на интервале жизни определяется по формуле: К™ = 1-(1-

К™-*")(1-К,™^")(1-К»»■*»»), где К"5"ф"1 - коэффициент физического износа; К"™фу™ -

коэффициент функционального износа; К"™"»« - коэффициент экономического износа.

При значении Кш„, приближающемуся к 1, что соответствует фактическому сроку службы, оборудование списывается с баланса по утилизационной стоимости. Полное погашение первоначальной стоимости происходит за амортизационный срок. Усовершенствование станков с ЧПУ происходило при обновлении УЧПУ на новой радиоэлектронной базе с элементами, имеющими более высокие частотные характеристики, с более высокой надёжностью, с меньшими энергетическими и стоимостными параметрами. В условиях малых объёмов производства готовой дродукции и ограниченных финансовых возможностей ставится вопрос об оценке экономической эффективности замены станков с ЧПУ или проведении модернизации существующих. Станки с ЧПУ экономичны только в условиях интенсивного их использования и при трёхсменной эксплуатации. В тоже время отказаться от них нецелесообразно, так как они по сравнению с универсальными станками сокращают сроки подготовки производства до 70%, сокращают продолжительность изготовления продукции до 60%, экономят средства на проектирование и изготовление технологических оснасток до 80% и повышают производительность труда.

Поэтому исследование качественного и количественного состава механического цеха и поиск методов и средств, обеспечивающих эффективную модернизацию действующего парка металлообрабатывающих станков с ЧПУ на предприятиях авиационной промышленности, является для усовершенствования организации производства задачей актуальной.

Во второй главе предложены методы использования имеющегося парка станков. Первый метод предусматривает расчет количества станков при сокращении выпуска готовой продукции при уже сложившихся структурах предприятия. Задача принятия управленческого решения является линейной, и с помощью линейного программирования определяется минимальное количество

станков для планового выпуска продукции при минимальных материальных затратах.

Уравнения, связывающие количество деталей и суммарные материальные затраты, можно представить уравнением вида ! = с, -х, +с2 -х2 + ... + с„ -х„, где Х| -количество деталей, обрабатываемых на г'-м станке, с; - суммарные материальные и энергетические расходы (-того станка при изготовлении одной детали. Стоимость обработки деталей на ¿-м станке равна с, х,; с1<с2<...<с„ . Количество деталей, обрабатываемых на /-м станке, должно удовлетворять ограничениям х, <Ьп 1 = 1, п.

Пусть по плану цех должен обработать на данном парке станков Ь деталей. Следовательно, должно удовлетворяться условие: х{ +х2 +... + хп -Ь, где Ь,-максимальное количество деталей, которое можно обработать на ¡-м станке. Решение задачи приводит к ограничениям: 1) 6-6,-Ь2 ~...-Ь„ <0; 2)6-6, ~Ьг-...-Ь„ >0.

В первом случае определяется количество К станков, обеспечивающих программу соотношениями: х, = Ь,,х2 =Ь,,...хь =Ьк;...хи| = Ь — Ь, -...-Ьь хм =0,...х„ =0, т.е. оптимально используются К станков, а п - (К+1,) станков можно отключить. Во втором - необходимо увеличить количество станков.

Второй метод определения количества технологического оборудования механического цеха при условии временного ограничения.

При использовании данного метода необходимо учитывать размер партии деталей, время обработки заготовки и время на переналадку станков. Обозначим: y¡ - количество операций, выполняемых на 1-м станке; а: -производительность ¡-го станка (количество операций в единицу времени); I, -время обработки детали на ¡-том станке. Таким образом, количество операций у для полной обработки одной детали составит:

у = у,+ у2+...+ у„=а,1 + а,1г+...+ апIп; Должно выполняться условие 1,= 12=...= ^ - время механической обработки одного типа; Т^п*^ - время

обработки одной детали;

Для изготовления Ь деталей потребуется Ьу операций, т.е: Ьу =

Ка^+а^+.-.+аЛ); Если ограничиться календарным временем планирования выпуска продукции то:

6 = (а, ■(, + а2 • Г2 +... + а„ ■ /)^6■ а1(, • »7• (, <Гг,

где Т1=Т1+(Ь~\)-11- время, соответствующее сроку изготовления Ь деталей, к

2>„

—— =аср - средняя производительность металлообрабатывающих станков с ЧПУ, К

К - число станков, задействованных в изготовлении деталей (в частном случае К = п). Если а, , то необходимо брать к,-а, ■!,>)>,, где к; - количество соответствующих моделей станка с ЧПУ.

Метод технико-экономического обоснования оптимального выбора станков с ЧПУ по общепринятому компромиссу между «стоимостью» и «эффективностью»

В цеху имеется п станков. Производительность j-ro станка за единицу времени (час, смену) составляет а^ Каждый j-й станок в течение этого времени расходует i-й фактор производства (i=l,2,...,m) [металла, электроэнергии, инструментов, рабочего времени и т. д.], равный величине di.

Запасы факторов производства составляют d|,d2,...,dm единиц. Время работы j-ro станка обозначим tj. Тогда задача вариантов множества может быть

представлена моделью: тах •

i-i

При условии: J^dtj <d j= 1,2,...,п где: d¡> О, i= 1,2,..., m.

и

Если станок работает непрерывно в течение принятой единицы времени, то оценка всех затрат составит:

zo= , где ^-стоимость единичного фактора производства.

(=i

Задача вариантов множества представляется моделью вида:

^d,cl ->min При условиях: ^t^ i=l>2,...,n, с;>0

i-i ' j.i

Таким образом, вектор оценок изготовления деталей металлообрабатывающими станками с ЧПУ свелся к решению двойственной задачи, которую удобно задать в виде представленной ниже таблицы 1, где С„ - суммарные затраты j-ro станка с ЧПУ; Jm - запасы факторов производства; А] - мощность главного привода; А2 -время автоматической смены инструмента; Аз - производительность; А5 - режим управления приводами станка; и т.д.

__Таблица 1

Технические характеристики станков

а, а2 аз Aj A A n

Г Вектор оценок с, ап ai2 3|3 a,j ацп-п ain Xi Количество деталей, I обработанных на j- м станке i_____

с2 ац а22 а23 a2j a2(n-l) a2n X2

с. ац a¡2 a¡3 a,j ai (n-l) a¡n X„

с ат1 am2 аз amj amn Xm

d, d-> d, d¡ d(n-n dn

Запасы факторов производства

Таблица 2

Модель Стои- Мощ- Производи-

станка мость, ность, тельность

тыс. руб. кВт Q дет/час

16К20ФЗ 1000 10 10

16К20Т1 hTioo 11 12

МК6713 Л500__ 14 14

САК 16 2500 4 4

САК80 3000 15 16

FTL5085di 2200 7,5 8

В качестве примера рассмотрена задача по выбору токарных станков

отечественного или

зарубежного производства (таблица 2).

Обозначим за х, количество станков ¡-ой модели, обеспечивающих максимальную производительность при

ограничениях по стоимости и потребляемой мощности. Математическая модель задачи: Целевая функция: 10х1+12х2+14хз+4х4+16х5+8хб-нпах

Ш

Система ограничений: по производительности: 1'0х1+12х2+14х3+4х4+16х5+8 ^29 по мощности:

10х,+1 1х2+14х3+4х4+1 5х5+7,5х6^ 32

10х,+1 1х2+24хз+4х4+15х5+7,5х6^ 4

seat

-pf—1 - ---

- ----:

-э

по стоимости:

Рис. 1.

1000х,+1100х2+1500хз+2500х4+3000х5+2200х6^ 5600 1000xi+1100х2+1500хз+2500х4+3000х5+2200х6^ 1000 При условии: (i=l,6).

Результат решения данной системы с помощью надстройки «Поиск решения» MS Excel (рис. 1.) показал, что максимальную производительность при минимальной стоимости при заданных ограничениях по мощности обеспечивают отечественные станки первой и второй моделей.

Для экономической оценки целесообразности модернизации производства был произведен инвестиционный анализ 6 вариантов вложения средств. Рассматриваемые варианты

предполагают различный уровень модернизации, а именно, комплексная, «малая», три варианта «средней» и глубокая.

Анализ деятельности критериям, временные приведенный индекс

инвестиционной был проведен по учитывающим факторы: чистый эффект (ЫРУ); рентабельности

Зависимость ЫРУ от изменения цена на второй вид изделий при различных вариантах модернизации

цена за ед. изделия (тыс.руб.)

■NPV комп.модернизации ■NPV 3 вида модернизации •NPV 5 вида модернизации

■NPV малой модернизации ■NPV 4 вида модернизации •NPV глубокой модернизации

120 000 100 000 0000 £ ? 60 ООО

Об1М выпуска изделий 2 т

„ ■'-Г*-?'*7

инвестиций (PI); дисконтированный ' #########

срок окупаемости инвестиций (DPP); ###### £ f / (

модифицированная внутренняя норма

прибыли (MIRR). Для учета анализа

рисков инвестиционных проектов были «8

S р

рассмотрены следующие методы: g анализ чувствительности критериев J 40000, эффективности (NPV, MIRR, DPP и др.); метод сценариев. 0

Только вариант «малой» -20™ р„<ои„.идаш„, модернизации позволит предприятию, ^"^«¡ЭЗЕЖ Ж

варьируя объемом выпуска и ценой

единицы продукции, сохранить Рис 2., Рис.3,

положительную динамику прибыли (Рис. 2., Рис. 3.), что в условиях острого дефицита финансовых ресурсов является предопределяющим фактором.

В третьей главе для определения количественных и качественных связей предприятия, цеха и станка с целью организации производства разработаны математические модели цеха и станка, увязывающих отношения по производительности, мощности, стоимости, трудозатратам и площади.

Если предположить, что цех содержит три вида станков: токарные, фрезерные и многоцелевые, то учитывая, что все станки взаимосвязаны с позиционным ожиданием доставки и замены заготовок, инструментов, а также транспортировки стружки, то механический цех можно представить как единое целое, состоящее из отдельных и разделенных между собой оЬъектов, т.е.цех можно представить как единое целое А, состоящее из отдельных и разделенных между собой объектов, предназначенных для выполнения общих функций: A={Ai; Ai, А3}, Л, с A, i=(l,2,3), где Ai-множество станков; Ai - множество станков фрезерных А2 - множество станков токарных; А3 - множество станков многоцелевых. Вместе с тем, станок представляет собой систему, для которой критическим является его размещение в определенном двумерном пространстве, называемой территориально-распределенной. А, = {at; а2; аз; а,}, а, е А„ i=(l,2,3,4), где а; -множество устройств станка, а, - микро ЭВМ, а2 - управляющая программа, а3 -устройство числовых программных управлений, а) - металлообрабатывающий станок.

В этом случае цех можно рассматривать как территориально-распределенную систему (ТРС) статических подсистем с конечным множеством точек функционирования компонентов. Для математической модели цеха можно использовать интерполяционную систему как совокупность множеств, для которых установлен определенный набор соответствий. Для реализации множества F система должна быть обеспечена материальными, энергетическими, финансовыми, рабочими и информационными ресурсами. Множество ресурсов обозначим D. Областью существования системы (цеха) а является двумерное физическое

метрическое пространство. Местоположение станков рассматриваемой системы (цеха) опишем отношением вида: й,сЛхо-- План цеха можно представить бинарным отношением вида: дг £ а х М, где М - план цеха. Каждый станок цеха А,еА выполняет определенное подмножество функций Р0сР, поэтому можно записать следующее отношение: Распределение ресурсов по МОС цеха

можно представить отношением: я4с£>хЛ Изменение выполняемых функций и используемых ресурсов можно представить как: д. е £х£\/?6 с ОхЕ, где Е -используемые ресурсы, разделенные по станкам А, цеха. Для описания динамики процесса необходимо ввести множество моментов времени Т. д7сГхЛх£, Яг сТхАха ■ Таким образом, механический цех как ТРС можно представить математической моделью вида:

Ф = <Т, Р, А, Е, от, М, Я,, Я2, Яз, И*,1*5, И«, К?, Математическая модель станка. Цех как ТРС разделен на отдельные подмножества А!( Аз, Аз с соответствующей заменой общего плана цеха М на точечные составляющие плана металлообрабатывающих станков, определяющие территориально-распределенную систему, то есть: М = {М^М^Мз}. 1

Частные модели наследуют все компоненты общей модели, на основе которой можно сформировать дерево моделей распределенной системы.

Таким образом, частная модель для МОС с ЧПУ как элемент цеха А;сА может быть представлена элементом распределенной системы вида:

ФАг<Т,Р0,Р1,р2,Рз,А1,А2,Аз,Е,О1,О2,Оз,с,МД1Д2Дз,К4Д5,К<,Д7,К8Д9,а,,а2,аз,а4>.

Представленные модели могут быть использованы в качестве формальной базы для решения задач модернизации и оптимизации.

п \

В общем случае уравнение целевой функции можно представить: ^х, *11<Т Система уравнений ограничений запишется так: 1) к, + к2 +... + к„ = 1;

2)4,*/, +к2*12+...+к„*1„ <24; 3)£1м*х, <!,„; 4)£1_ < £„; 5)£>, .

/.1 <«1

При условиях: х1 > 0;х2 > 0...х, > 0. Соотношение затрат рабочего

' '■ -----------".Т Г ■ V Г-'* Я- >

времени в станко-часах на один ' > - та

станок составляет: фрезерной ' '.3s.ts.v--.-

„ ^ »■■чат"«1".)'

обработки - /,//; токарной ! '"'* * '

обработки - 1г/г, на

. >Л1

многоцелевом станке -(,/'. ■

!

Затраты рабочего времени на один станок для обработки деталей составляют 0,15-ю часть фрезерных работ, 0,35-ю часть токарных работ и 0,5-ю часть работ на многоцелевых станках. Рис. 4.

и

Станки с ЧПУ целесообразно использовать 24 часа в сутки. Механический цех может работать 6000 часов в год.

В диссертации рассмотрено 3 варианта произвольного расположения станков.

Результат одинаковый - по 11 станков. В соответствии со сводной технологической картой выбираем вариант №1: - 5 фрезерных, 4 токарных, 2 многоцелевых (Рис. 4.). На основе логико-математической модели рассмотрено три варианта размещения станков в цеху с выполнением условия минимизации производственной площади и 1 сокращения времени подготовки производства. Рациональное размещение технологического оборудования позволяет оптимально использовать производственные площади цеха. При соблюдении одинаковых требованиях норм санитарных и по технике безопасности второй вариант размещения | технологического оборудования (Рис. 5.) обеспечивает выигрыш полезной площади до 1,75 раза.

Рис. 5.

В четвертой главе в соответствии с расчетами и анализом, проведенном в

1,2,3 главах, предлагается провести модернизацию механического цеха со станками с ЧПУ с заменой устройств числового программного управления выполненных на ПФСТ -12-500 и Электроника НЦ-31, на устройство управления станками УУС-50-ЗМИ (Рис.6). Сотрудниками кафедры РЭКУ КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) совместно с автором диссертации (ответственный исполнитель), разработано устройство, выполненное на микропроцессоре фирмы

Рис.6.

Atmel ATMega 128, которое позволяет увеличить наработку на отказ устройства более чем в 3 раза, снизить электропотребление (потребляемая мощность Электроника НЦ-31 1000Вт, УУС50-ЗМИ-10Вт), увеличить функциональные возможности станков с сохранением всех режимов работы.

Основные результаты и выводы.

В данной работе изложены научно-обоснованные технические и экономические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны:

1. Проведён системный анализ современного состояния парка станков с устройствами числового программного управления. Анализ показал, что в машиностроительной промышленности станки с УЧПУ эксплуатируются в течение 15 - 25 лет. Обновление технологического оборудования по причине экономических затруднений производится в недостаточном объёме. Металлообрабатывающие станки с УЧПУ подвержены износу физическому, моральному и стоимостному. Базовая часть станков, на которой устанавливается оборудование, подвержена физическому износу. Однако она находится в относительно хорошем состоянии и ещё долгое время может эксплуатироваться.

•2. Анализ факторов, влияющих на состояние парка показал, что физический износ составляет порядка (15 - 20)%, моральный износ касается в основном устройств числового программного управления и он находится в пределах до (60 -70)%. Устройства числового программного управления на базе пультов «ПФСТ -12 - 500» и «Электроника - НЦ31» выполнены на морально устаревшей элементной базе, т.е. резисторах MJIT, конденсаторах МБМ, транзисторах П201, тиристорах КУ202 и др., промышленный выпуск которых прекращён, т.е. эти УЧПУ - неремонтопригодные, поэтому требуется замена УЧПУ на новые, выполненные на современной элементной базе, например, на основе программируемого микропроцессора фирмы Atmel ATMega 128.

3. Разработанные математические модели механического цеха, как территориально распределённой системы, и металлообрабатывающего станка с ЧПУ, как элемента территориально распределённой системы, позволяют решением системы уравнений методом целочисленного линейного программирования определить:

а) рациональное количество станков по функциональному предназначению и общее количество станков, необходимых для обеспечения планового выпуска продукции;

б) модели станков и их количество при условиях обеспечения необходимой производительности и минимальных финансовых и энергетических затратах по общепринятому компромиссу между «стоимостью» и «эффективностью».

. 4. Предложен метод технико-экономического обоснования, позволивший провести оценку экономической эффективности инвестиционных вложений по шести различным вариантам модернизации металлообрабатывающих станков с ЧПУ. В результате применения данного метода была выявлена целесообразность модернизации существующего станочного парка по одному из предложенных вариантов - «малой» модернизации, который обеспечит совершенствование

технологии производства, повысит производительность станков при минимальных затратах, что приведет к снижению себестоимости изделия. Вероятность получения отрицательного значения NPV в предлрженном варианте для изделия с минимальной ценой, составляет 48%, что в два раза ниже, чем в варианте комплексной и глубокой модернизации станочного парка, которые не позволяют предприятию выйти даже на точку безубыточности. При данном варианте модернизации предприятие может выпускать все виды изделий, варьируя выпуск и цену конечной детали, даже при самом пессимистичном варианте развития событий. Вероятность того, что значение чистой приведенной стоимости будет превышать значение наиболее благоприятного исхода, составляет 4,8% при производстве изделий первого вида, и 6,9% при производстве изделий третьего типа.

5. Проведены численные исследования взаимосвязанных отношений механического цеха и станков с ЧПУ с помощью предложенной целевой функции, объединяющей площади цеха, габариты станков, временное использование станков и плановый выпуск продукции и ограничения, представленные системой линейных уравнений, решение которых проведено с применением надстройки MS Excel, что позволило провести оптимизацию территориального расположения станков по критерию минимизации занимаемой площади станками. Размещение технологического оборудования с соблюдением требуемых норм санитарных и по технике безопасности может отличаться по полезной площади занимаемой металлообрабатывающими станками до 1,75 раза.

6. Внедрённое в производство модернизированное устройство управления станками с ЧПУ «УУС50 - ЗМИ» с внешней Flash - памятью позволило:

• а) повысить функциональные возможности технологического оборудования, точность обработки деталей, сократить габариты и вес УЧПУ;

б) повысить надёжность, долговечность и обеспечить ремонтопригодность УЧПУ;

в) исключить применение записи управляющих программ в память на магнитной ленте, что снизило стоимость программоносителей;

г) Flash - память сохраняет программы по обработке всей номенклатуры деталей для каждого станка, что упрощает и сокращает подготовительное время для переналадки станков с ЧПУ, которое в общем случае составляет до 30% общего времени обработки деталей.

Список работ, отражающих основное содержание диссертации Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Зайдуллин С.С., Комаров Ю.Л., Моисеев B.C., Сахно А.С «Вариант математической модели металлообрабатывающего станка с ЧПУ» // «Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева», №2, Казань, 2009, - С. 62-63.

2. Комаров Ю.Л., Сахно А.С «Технико-экономическое обоснование модернизации парка металлообрабатывающих станков с ЧПУ» // «Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева», №4, Казань, 2009, - С. 126-130.

В других материалах научных конференций:

3. Сахно A.C. Инвестиционный анализ модернизации парка станков с ЧПУ авиационного произвол ства//«ХУ Туполевские чтения»: Материалы Международной молодежной научной конференции, Казань, 2007, - С. 394-396..

4. Сахно А.С, Афанасьев В.В. Модернизация станков с числовым программным управлением для развития современного авиационного производства. // «XVI Туполевские чтения»: Материалы Международной молодежной научной конференции, Казань, 2008, - С. 89-91.

5. Сахно A.C. Развитие и совершенствование форм и методов организации производства авиационной промышленности. И Всероссийская научная конференция молодых ученых: «Наука, Технологии, Инновации», Изд-во: Новосибирский гос.технический университет, Новосибирск, 2008, - С. 76-78.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Учл.печл. 0,93. Уч.-изд.л. 0,97. Тираж 100. Заказ Н113

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111 Казань, К.Маркса, 10

Введение.

Глава 1. Организация процессов подготовки производства на предприятии машиностроительной промышленности.

1.1 Организационные вопросы подготовки производства предприятия. ъ-1.2 Анализ современного состояния парка станков с ЧПУ.

1.3 Факторы и устройства, влияющие на производительность и функциональные возможности станков с ЧПУ.

1.4 Способы модернизации производства.

1.5 Технико-экономическое обоснование целесообразности модернизации производства.

Глава 2. Методы определения количества технологического оборудования механического цеха авиационного предприятия.

2.1 Метод определения рационального использования парка станков предприятия.

2.2 Определение количества технологического оборудования механического цеха при условии временного ограничения.

2.3 Метод технико-экономического обоснования оптимального выбора станков с ЧПУ по общепринятому компромиссу между «стоимостью» и «эффективностью».

2.4 Инвестиционный анализ. Оценка экономической эффективности реальных инвестиций по техническому переоснащению.

Глава 3. Организация производства механического цеха оборудованного металлообрабатывающими станками с ЧПУ.

3.1 Вариант математической модели механического цеха.

3.2 Вариант математической модели металлообрабатывающего станка с ЧПУ.

3.3 Определение типа и количества станков с ЧПУ в механическом цеху.

Глава 4. Модернизация устройства числового программного управления металлообрабатывающих станков.

4.1 Структурно-информационный анализ устройств числового программного управления.

4.2 Представление траектории обработки.

4.2.1 Структура системы управления станком.

4.2.2 Определение фазовых значений системы управления станками с ЧПУ.

4.3. Микропроцессорная система автоматического и ручного управления станками с ЧПУ УУС-50-ЗМИ (импульсное управление).

4.3.5 Порядок работы с микропроцессорной системой УУС50 -ЗМИ.:.

4.3.6 Основное меню работы.

4.3.7 Меню останова.:.

4.4. Надёжность станков с ЧПУ.

В рыночно-ориентированной экономике важным элементом является построение системы управления предприятием, позволяющей эффективно использовать финансовые средства, при этом полностью сохранить объёмы и качество выпускаемой продукции.

В настоящее время на промышленных предприятиях значительная часть станков с числовым программным управлением (ЧПУ) представлена оборудованием 90-х, 80-х и даже 70-х годов прошлого столетия. Сейчас настало время рассмотреть задачу о целесообразности замены станочного парка на новое оборудование или провести модернизацию имеющегося. В качестве критерия принятия решения необходимо провести технико-экономическую оценку при сохранении эффективности работы предприятия.

Ввиду постоянного морального устаревания указанного оборудования существует проблема обновления, реконструкции и модернизации станочного парка.

При замене на новое оборудование необходимо учесть:

- закладку нового фундамента;

- возможность частичного использования существующего фундамента;

- стоимость нового оборудования;

- сроки полезной эксплуатации старого и нового оборудования;

- остаточную стоимость существующего оборудования;

- ежегодные амортизационные отчисления по обеим вариантам.

Необходимо заметить, что сложная и дорогая импортная техника требует соблюдения жёстких условий эксплуатации.

При модернизации станочного парка возможны следующие варианты:

- капитальный ремонт станочного парка;

- частичная замена (электродвигателей, приводов, электроконтактной аппаратуры, электронной части и устройства ввода и вывода программ управления).

Сравнительные преимущества модернизации станочного парка:

- обеспечение значительного расширения функциональных возможностей;

- повышение точности и скорости выпуска продукции за счет частичной или полной автоматизации производственного процесса;

- получаются качественно новые характеристики станка: возможность управления и контроля с удаленного компьютера, возможность обработки деталей в нескольких плоскостях с автоматической сменой j инструмента;

- возможность встраивания имеющегося оборудования в автоматизированную систему управления производством;

- экономия электроэнергии.

Преимущества капитального ремонта станков:

- возможность увеличить ресурс работы станков;

- возможность восстановить технические и эксплуатационные характеристики станков:

- возможность снизить долю брака:

- обеспечение снижения шума и безопасности при эксплуатации.

Решение проблемы обновления, реконструкции или модернизации станочного парка могут быть решены только оптимальной организацией производства предприятия.

Вопросами организации производства предприятий посвящены работы Туровца О.Г., Сиразетдинова Т.К., Симоновой JI.A., Родионова В.В., Сиразетдинова Р.Т., Иванова В.К., Бухалкова М.И., Адаева Ю.В., Базилевича Л.А., Васильева В.Н., Гинзбурга Е.Г., Каца И.Я., Кононосова А.И., Петрова М.И., Масленикова А.И., Амирханова Ш.Д., Матюшина В., Тарасова А., Ревуцкого Л.Д., Фатхутдинова P.A. и др.

В работах Сиразетдинова Т.К., Иванова В.К., Сиразетдинова Р.Т., Родионова В.В. производственное предприятие как система управления состоит из управляющей и управляемой подсистем, связанных между собой каналами передачи информации и образующими вместе единое целое. Структуры системы управления (СУ) строятся по иерархическому и функциональному принципам выделения подсистем в четыре уровня.

Первый (низший) состоит из множества СУ отдельными технологическими опреациями. Второй — включает СУ производственными участками и технологическими линиями. Совокупность СУ первого и второго уровней называют системой управления технологическим процессом (СУТП). Третий соответствует СУ цехами. Цель управления цехом - организация выпуска заданного количества изделий конкретной номенклатуры в заданные сроки и наименьшими затратами. Четвертый СУ предприятие в целом. Цель управления - выпуск готовой продукции в заданном количестве при различных технико-экономических показателях.

В работах Симоновой Л.А предприятие представляется как иерархическая, структура, основанная на взаимной подчиненности. Автор предлагает ввести коэффициенты: - технические ограничения производства; фонд времени; себестоимость; степень сложности процесса изготовления изделия; затраты электроэнергии, и предусматривается корректировка весовых коэффициентов, позволяющая оптимально сформировать технологические процессы изготовления заказа в заданные сроки с минимальными затратами.

В работах приведенных авторов по организации производства приведены модели предприятия, однако модель цеха, как система взаимодействующих связей с предприятием и составляющих его частей, и модель станка с числовым программным управлением не представлены. Предприятие представляет иерархическую трехуровневую структуру. Все необходимые ресурсы (финансы, материалы, энергоресурсы, площади) и нормативно-директивная информация поступает на предприятие, где они распределяются по цехам и далее по технологическому оборудованию. При нормальной работе непосредственно взаимодействуют соседние уровни, т.е. цех является центральным звеном в организации производства. Поэтому для усовершенствования методов организации производства необходима разработка математических моделей, увязывающих взаимозависимые связи — предприятия, цеха, технологического оборудования.

В связи с вышеизложенным, совершенствование методов организации производства и исследование зависимости уровня модернизации отдельно взятого станка с ЧПУ для повышения эффективности работы механического цеха с одновременным сокращением финансовых и материальных ресурсов предприятия является актуальной задачей.

Цель и задача исследования

Цель работы состоит в совершенствовании методов организации производства механических цехов, оборудованных металлообрабатывающими станками с ЧПУ в машиностроительной отрасли в условиях современной рыночной экономики.

Для достижения поставленной цели решались следующие вопросы: а) исследовались состояния парка станков с устройствами числового программного управления в машиностроительной промышленности; б) исследованы факторы, влияющие на современное состояние станочного парка предприятий; в) разработаны математические модели механического цеха и металлообрабатывающего станка с ЧПУ; г) разработан метод технико-экономического обоснования модернизации механического цеха технологическим оборудованием предприятия авиационной отрасли; д) проведены численные исследования взаимосвязанных отношений механического цеха и станков с ЧПУ; е) проведены практические исследования модернизированного станка с ЧПУ.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики теория распределенных систем, методы целочисленного линейного программирования, методы анализа показателей доходности, основанных на дисконтированных оценках, метод анализа чувствительности критериев эффективности, метод сценариев. В качестве объектов исследования выбрано производство авиационной промышленности, механические цеха, 8 которого оборудованы металлообрабатывающими станки с устройством числового программного управления (УЧПУ) на базе пультов «ПФСТ — 12 -500» и «Электроника-НЦ31».

При рассмотрении уровней модернизаций станков с ЧГГУ в работе проанализированы шесть вариантов различной модернизации существующего станочного парка: а) комплексная модернизация предприятия, т.е. замена имеющегося парка станков с ЧПУ на новое технологическое оборудование; б) проект «малой» модернизации, включающей замену модулей УЧПУ; в) замена приводов, устройств ввода и вывода управляющих программ, датчиков обратной связи; г) замена модулей УЧПУ, приводов, устройств ввода и вывода управляющих программ, датчиков обратной связи, модулей памяти; д) замена модулей УЧПУ. приводов, устройств ввода и вывода управляющих программ, модулей памяти, двигателей постоянного тока; е) вариант «глубокой» модернизации, включающий стоимости работ по замене модулей памяти, устройств ввода и вывода управляющих -программ, датчиков обратной связи, двигателей, блоков приводов, масляных насосов.

Научная новизна работы

Разработана математическая модель механического цеха с использованием теории распределенных систем для описания процесса организации производства.

Разработана математическая модель металлообрабатывающего станка с ЧПУ, как элемента процесса организации производства, на основе теории территориально-распределенных систем.

Разработанные математические модели задачи в виде целевой функции и ограничений, представленных системой линейных уравнений, решение которых проведено методом целочисленного линейного программирования с применением программных средств MS Excel, позволили обосновать 9 качественный и количественный состав парка станков механического цеха по критерию минимизации материальных и финансовых ресурсов на основе общепринятого компромисса между «стоимостью» и «эффективностью.

Разработан метод технико-экономического обоснования модернизации механического цеха технологическим оборудованием, который может быть использован на этапе проектирования производства и модернизации его.

Предложена методика выбора инвестиционного проекта модернизации станочного парка, основанная на динамических методах анализа критериев эффективности и учета оценки инвестиционных рисков анализируемых вариантов модернизации.

Развит логико-математический метод размещения технологического оборудования в механическом цеху с соблюдением санитарно-технических норм и правил техники безопасности, при условии минимизации производственной площади.

Практическая ценность работы

Для усовершенствования методов организации производства в машиностроительной промышленности разработаны математические модели и соответствующие методы решения задачи оптимального оборудования механического цеха металлообрабатывающими станками с ЧПУ предприятия, а также предложено разработанное устройство числового программного управления на основе микропроцессора фирмы А1те1 АТМе§а 128, позволившее при минимальных финансовых расходах увеличить производительность и точность обработки деталей на станках, уменьшить энергетические затраты механического цеха. Результаты диссертационной работы использованы на предприятии авиационной промышленности.

На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:

- методы определения модели станка по общепринятому компромиссу между «стоимостью» и «эффективностью»;

- методы определения типов и количества станков механического цеха;

- математическая модель механического цеха как территориально распределённая система;

- математическая модель металлообрабатывающего станка с ЧПУ как элемент территориально распределённой системы;

- методика технико-экономического обоснования инвестиционного проекта по выбору варианта модернизации металлообрабатывающих станков с ЧПУ.

Личный вклад автора в диссертационную работу состоит в совершенствовании методов организации производства в машиностроительной промышленности, основанных на разработке математических моделей взаимосвязанных и взаимозависимых связей предприятия, механического цеха и металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в технико-экономическом обосновании целесообразности модернизации станочного парка механического цеха, в проведении анализа, синтеза и расчётов отношений механического цеха и станков с ЧПУ на основе решения целевой функции и системы уравнений, определяющих ограничения накладываемых на целевую функцию.

Структура и объём диссертации

Диссертация содержит 140 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 11 таблиц и состоит из введения четырёх глав, заключения, списка литературы из 60 наименований и приложения на двух листах.

выход

Функция «Запуск (N0003)». После нажатия клавиши «ввод» УУС50 - ЗМИ выводит на монитор все введённые коррекции и отражения, после повторного нажатия клавиши «ввод», станок начинает отрабатывать выбранную управляющую программу.

При отработке управляющей программы «N005» на монитор УУС50 — ЗМИ выводится номер исполняемого кадра, текущая скорость привода подач и значения координат Х,У,2.

N 005 m 292 мм/мин х = - 01 123 345 мкм у = 00 000 000 мкм z = 00 000 000 мкм

Если в управляющей программе имеются технологические команды М или 04, то исполнение программы приостанавливается и на мониторе УУС50 - ЗМИ выводится сообщение: подтв.МОЗ

N0005) завершить ручн. управление корр. скорости

Для продолжения исполнения программы необходимо нажать клавишу «ввод» продолжить (N0005) завершить ручн. управление корр. скорости

Процесс обработки детали можно остановить в любой момент нажатием клавиши «стоп». В результате перемещение по всем координатам тормозится с максимальным ускорением, но инструмент остаётся на обрабатываемом контуре.

Оператор (рабочий) может выполнить в такой же последовательности все функции, перечисленные на мониторе.

4.3.7 Меню останова

При появлении на мониторе УУС50 - ЗМИ информации «Сбой программы» во время обработки детали, необходимо нажать клавишу «стоп». После этого происходит остановка привода подач с максимальным ускорением.

На мониторе высвечиваются все функции обработки детали. Выбор функции для дальнейшей обработки детали осуществляется нажатием клавиш ^ " ^. Курсор , ~переместится к названию выбранной функции. Для исполнения операций необходимо нажать клавишу «ввод».

Если необходимо продолжить обработку детали, то выбирается функция ^ «продолжить»: продолжить - станок продолжит обработку детали по прерванной программе.

Если необходимо прервать обработку детали, то выбирается функция «завершить»: завершить - станок прекращает выполнение управляющей программы, и на мониторе УУС50 — ЗМИ высвечивается основное меню. Прекращается перемещение инструмента. Текущие координаты останутся без изменения на момент останова обработки детали.

Если потребуется дальнейшая обработка детали в режиме ручного 'управления, то выбирается функция «ручное управление»: ручн. управление - УУС50 - ЗМИ при нажатии клавиш х+,х-,у+,у-,г+,г-вырабатывает управляющие команды для перемещения инструмента. На мониторе указываются текущие координаты инструмента.

УУС50 - ЗМИ позволяет переход в автоматический режим, при этом , инструмент возвращается в исходную точку, с которой начал осуществляться' ручной режим. Для этого, после окончания ручного управления, необходимо нажать клавишу «ввод».

Если при обработке детали возникла необходимость корректировки скорости, то выбирается функция «коррекции скорости»: корр. скорости — при нажатии клавиш у+,у- скорость привода подач изменяется на +10%,-10% соответственно. Минимальное значение коррекции скорости - 10%, максимальное — 100%. При коррекции скорости предельно допустимые значения скорости и ускорения привода подач не происходит.

Установленный коэффициент коррекции скорости действует до момента его принудительного изменения.

4.4. Надёжность станков с ЧПУ

Для станков с ЧПУ предложен комплексный показатель надёжности — удельная длительность восстановления В, характеризующаяся отношением показателей ремонтопригодности Тр и времени безотказной работы безотказности Т

9] гп т 24

В = ^Г = Т— (4.10) т И

I ¡=1 где ^ - время затраченное на обнаружение и устранение отказа ]-го станка, ч.

1;ш - суммарная наработка I- го станка за период наблюдения, ч.; N - число станков в цеху; ш — суммарное число отказов станков с ЧПУ в цеху.

Исследование отказов и простоев оборудования с ЧПУ позволило разбить все виды отказов на группы со свойственными каждой группе закономерностями.

Отказы электрооборудования станков, включая СЧПУ, распределяются по экспоненциальному закону: тэ=*х\ (4.11) где время безотказной работы электрооборудования станка с ЧПУ;

Р(1)э — вероятность безотказной работы электрооборудования станка с ЧПУ; ^ - интенсивность отказов.

Основным показателем ремонтопригодности является время восстановления работоспособности устройства, которое определяется:

4.12) где 1:к - время поиска и локализации отказавшего элемента; 1Р - время устранения отказа;

1от -время до начала восстановления устройства от момента отказа; 1:вост - время доставки исправного элемента; ^ - время прибытии специалиста для ремонта;

1подг - время подготовки к включению;

1:пер - время перерыва обслуживающего персонала.

Для станков с ЧПУ установлены нормы надёжности:

1) для одноинструментальных - В=0,05-:-0,07;

2) для станков с инструментальным магазином В=0,07 -:- ОД;

3) для устройств ЧПУ В=0,005 -:-0,02.

Вероятность безотказной работы деталей и механизмов станка имеют разнообразный характер, для их описания принимают трёхпараметрическое ' распределение Вейбулла:

Р(Ч)т =е-(,/а)а"г) (4.13) где а, Ь, г — постоянные параметры распределения.

Общая вероятность безотказной работы станков с ЧПУ определится:

Р(0= Рфэ * Р(1)т (4.14)

Переход УЧГТУ на микропроцессоры существенно снизил отказы систем управления станками с ЧПУ.

Ремонтопригодность характеризуется средним временем пребывания станка 4 в неработоспособном состоянии, которое необходимо для проведения технического обслуживания, выявления и устранения отказов.

Точность определения показателей ремонтопригодности оценивается с помощью расчётов дисперсий времени восстановления, среднего времени восстановления и средней продолжительности технического обслуживания.

Интенсивность отказов электрооборудования станка с ЧПУ определится как ' сумма интенсивности отказов всех элементов входящих УЧПУ по формуле:

4.15) 1 где п - количество элементов в УЧПУ.

Интенсивность отказов электрооборудования станков с ЧПУ цеха равна:

К=±К, (4.16)

П=1 здесь N — количество станков с ЧПУ в цеху.

Наработка на отказ электрооборудования станков с ЧПУ цеха определится:

4.16)

ЛР

Разработанное устройство управления станками с ЧПУ УУС50 - ЗМИ предназначено для замены пультов программного управления типа ПФСТ - 12 - 500 и устройств, имеющих в своём составе «электронику НЦ - 31».

Пульт программного управления ПФСТ -12 — 500 предназначен для управления с помощью магнитной ленты многокоординатными станками и другим технологическим оборудованием, использующим фазовую систему программного управления. В частности такой пульт на авиационном предприятии управляет вертикально - фрезерным станком ФП-7, предназначенным для обработки деталей летательных аппаратов, ограниченных сложной фасонной поверхностью типа балок и лонжеронов.

Технические характеристики пульта программного управления ПФСТ-12

500

1) управление станком по 3 — м координатам

2) два режима управления станком: а) программное управление станком; б) ручное управление станком.

3) скорость перемещения ленты (воспроизведение) - 50 мм/сек.;

4) Ширина ленты - 35 мм;

5) Толщина ленты — 60 мк . или 120 мк.;

6) Ёмкость бобины — 500 м. 320 м.;

7) Длительность рабочего цикла — 160 мин. 195 мин.;

8) Фазовая погрешность при скорости 50 мм/сек. — 3 °

9) нормы точности пульта: а) радиальное биение тон — вала - 0,02 мм.; б) радиальное биение роликов - 0,03 мм.; в) биение торцов направляющих роликов — 0,03 мм.; г) не параллельность тонвала и прижимного ролика - 0,02

10) вес 150 кГ.;

11) потребляемая мощность 250 Вт.

12) габариты, мм. 1115x700x500 Конструктивно пульт выполнен:

1) лентопротяжный механизм, в состав которого входят: а) 2 двигателя и электромагнит, б) сопротивления ПЭВД, ПЭВ 5 шт., в) реле Зшт., г) диод Д304. д) конденсаторы МБГТ -3 шт., е) трансформатор ТПВ -50.

2) панель рабочей координаты содержит: а) стабилитроны Д803- 3 шт.; б) транзисторы МП 41А -4шт., П210 — 2 шт., в) сопротивления МЛТ 31шт., г) конденсаторы МБМ — 21 шт.

3) панель опорного сигнала состоит: а) транзисторы П41, П210, П214 - 12 шт., б) конденсаторы МБГО, КСО - 11 шт., в) резисторы МЛТ - 23 шт., г) диод-814, д) трансформаторы — 2 шт.

4) блок питания: а) трансформаторы - 3 шт., б) дроссель, диоды Д242А - 6 шт., в) конденсаторы ЭГЦ — 4 шт.

Электроника НЦ -31 содержит:

-резисторы МЛТ -61 шт., конденсаторы -35 шт., транзисторы 1Т403Б -6 шт., диоды КД203 - 85 шт., тиристоры КУ202Е -6 шт., муфты электромагнитные -6 шт., реле 43 шт., трансформаторы -5 шт., микро переключатели -26 шт., двигатели - 3 шт.

Характеристика оперативной системы управления:

- число координат -2;

- количество одновременно управляемых координат -2;

- разрешающая способность: продольная - 0,01; поперечная — 0,005;

- максимальное программируемое перемещение (импульсов) -9999;

- ввод данных с клавиатуры;

- потребляемая мощность - 1000 Вт.

Количества радио элементов в «УУС50 — ЗМИ» в 3 -: 4 раза меньше чем в устройствах « ПФСТ- 12- 500» и «Электроника - НЦ 31», поэтому время наработки на отказ Т° увечится более чем 3 раза.

Анализ конструктивного исполнение пульта программного управления ПФСТ-12-500 и «электроники — НЦ 31» показал, что эти устройства выполнены на 'старой элементной базе, промышленный выпуск которых прекращён. Поэтому главный параметр надёжности — ремонтопригодность, т.е. удельная длительность восстановления В - не может быть выполнен, т.е. устройства не могут быть отремонтированы после отказа радио элементов.

В связи с вышеизложенным, УЧПУ металлообрабатывающих станков с ЧПУ подлежат замене на более современные, исполненные на микропроцессорах, либо к подлежат модернизации, аналогично разработанному устройству УУС50 — ЗМИ. Выводы k 1. Проведённая модернизация устройства числового программного управления повысила функциональные возможности технологического оборудования, точность механической обработки деталей, сократила габариты и вес устройства.

2. УУС50 - ЗМИ исключает необходимость применения памяти на магнитной ленте, что повышает надёжность, долговечность УЧПУ.

3. Применение Flash - памяти позволило сохранять программы по обработке всей номенклатуры деталей для каждого станка с ЧПУ, что упрощает и сокращает подготовительное время для переналадки металлообрабатывающих станков, которое в общем случае составляет до 30% общего времени обработки деталей.

4. Вероятность безотказности УУС50 - ЗМИ в три раза выше по сравнению с устройствами числового программного управления ПФСТ — 12 - 500 и «Электроника - НЦ — 31».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе изложены научно обоснованные технические и экономические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны:

1. Проведён анализ современного состояния парка станков с устройствами числового программного управления. Анализ показал, что в машиностроительной промышленности станки с УЧПУ эксплуатируются в течение 15-25 лет. Обновление технологического оборудования по причине экономических затруднений производится в недостаточном объёме. Металлообрабатывающие станки с УЧПУ подвержены износу физическому, моральному и стоимостному. Базовая часть станков, на которой устанавливается оборудование, подвержена физическому износу. Однако она находится в относительно хорошем состоянии и ещё долгое время может эксплуатироваться.

2. Анализ факторов, влияющих на состояние парка показал, что физический износ составляет порядка ( 15 — 20)%,. моральный износ касается в основном устройств числового программного управления и он находится в пределах до (60 - 70)%. Устройства числового программного управления, на базе пультов «ПФСТ - 12 - 500» и «Электроника - НЦ31», выполнены на морально устаревшей элементной базе, т.е. резисторах МЛТ, конденсаторах МБМ, транзисторах П201, тиристорах КУ202 и др., промышленный выпуск которых прекращён, т.е. эти УЧПУ неремонтопригодные, поэтому требуется замена УЧПУ на новые, выполненные на современной элементной базе, например, на основе программируемого микропроцессора фирмы АЦт1е1 АТМе§а 128.

3. Разработанные математические модели механического цеха, как территориально распределённой системы, и металлообрабатывающего станка с ЧПУ, как элемента территориально распределённой системы, позволяют решением системы уравнений методом целочисленного линейного программирования определить: а) рациональное количество станков по функциональному предназначению и общее количество станков необходимых для обеспечения планового выпуска продукции. б) по общепринятому компромиссу между «стоимостью» и эффективностью» модели станков и их количество при условиях обеспечения необходимой производительности и минимальных финансовых и энергетических затратах.

4. Предложен метод технико-экономического обоснования, позволивший провести оценку экономической эффективности инвестиционных вложений по шести различным вариантам модернизации металлообрабатывающих станков с ЧПУ. В результате применения данного метода была выявлена целесообразность модернизации существующего станочного парка по одному из предложенных вариантов - «малой» модернизации, который обеспечит совершенствование технологии производства, повысит производительность станков при минимальных затратах, что приведет к снижению себестоимости изделия. Вероятность получения отрицательного значения КРУ в предложенном варианте для изделия с минимальной ценой, составляет 48%, что в два раза ниже, чем в варианте комплексной и глубокой модернизации станочного парка, которые не позволяют предприятию выйти даже на точку безубыточности. При данном варианте модернизации предприятие может выпускать все виды изделий, варьируя выпуск и цену конечной детали, даже при самом пессимистичном варианте развития событий. Вероятность того, что значение чистой приведенной стоимости будет превышать значение наиболее благоприятного исхода, составляет 4,8% при производстве изделий первого вида, и 6,9% при производстве изделий третьего типа.

5. Проведены численные исследования взаимосвязанных отношений механического цеха и станков с ЧПУ с помощью предложенной целевой функции, объединяющей площади цеха, габариты станков, временное использование станков и плановый выпуск продукции и ограничения, представленные системой линейных уравнений, решение которых проведено с применением надстройки MS Excel, что позволило провести оптимизацию территориального расположения станков по критерию минимизации занимаемой площади станками. Размещение технологического оборудования с соблюдением требуемых норм санитарных и по технике безопасности может отличаться по полезной площади занимаемой металлообрабатывающими станками до 1,75 раза.

6. Внедрённое в производство модернизированное устройство управления станками с ЧПУ «УУС50 — ЗМИ» с внешней Flash — памятью позволило: а) повысить функциональные возможности технологического оборудования, точность обработки деталей, сократила габариты и вес УЧГГУ; б) повысить надёжность, долговечность и обеспечить ремонтопригодность УЧПУ; в) исключить применение записи управляющих программ в память на магнитной ленте, что снизило стоимость программоносителей; г) Flash - память сохраняет программы по обработке всей номенклатуры деталей для каждого станка, что упрощает и сокращает подготовительное время для переналадки станков с ЧПУ, которое в общем случае составляет до 30% общего времени обработки деталей.

1. Туровец О.Г., Родионов В.Б., Бухалков М.И. Организация производства и управление предприятием. Изд - во «ИНФРА - М» 2005

2. Иванов В.К., Сиразетдинов Т.К., Управление системами и процессами в машиностроении. Изд-во Марийский гос.технич.ун-т., Йошкар-Ола, 2008.

3. Сиразетдинов Т.К., Родионов В.В., Сиразетдинов Р.Т., Динамическое моделирование экономики регионов: Изд-во Академия наук РТ, 2005.

4. Сиразетдинов Р.Т., Определение области решения основной задачи управления, Сб. Оптимизация процессов в авиационной технике, межвузовский сборник, Изд-во КАИ, Казань, 1982.

5. Симонова JI.A., Руднев М.И. Интегрированное информационное обеспечение процесса технологическими маршрутами в рамках ERP-системы. Камский гос. политехи. Ин-т.- М. Academia? 2005.

6. Шинкевич И.А. .Оценка стоимости машин, оборудования и транспортных средств. Академия оценки и права. Моск. госуд. технологичёский университет 2008.

7. Матюшин В., Тарасов А. «Компас промышленной реструктуризации», ж.№2, март 2004

8. Ковалёв А.Г., Тевелева О.В., Шинкевич И.А. Определение износа при массовой оценке кузнечно-прессовых машин. M ,2007

9. Быкова В., Ковалёв А.П. Как оценить износ оборудования. Оборудование №3 (специальное приложение к журналу Эксперт)

10. Литвин В.М., Набережнов Г.М., Песошин В.А., Шлеймович М.И. Сжатие данных в системах числового программного управления. Монография, Школа, Казань, 2007

11. Гжиров Р.И. , Серебреницкий П.П. Программирование обработки на станках с ЧПУ. Справочник «Машиностроение» Ленинградское отделение 1990

12. Ревуцкий Л.Д. Сущность экономического износа предприятия и упрощённые методы его оценки. Изд. «Машиностроение», №9, М. 2006

13. Ревуцкий Л.Д. Потенциал и стоимость предприятия, М., Перспектива, 1997

14. Ревуцкий Л.Д. Производственная мощность, продуктивность и экономическая активность предприятия, Оценка управления, учёт и контроль. М., Перспектива, 2002.

15. Попеску А.И. и др. Износ технологических машин и оборудования при оценке их рыночной стоимости. М., РОО. 2002

16. Модернизация станков с ЧПУ( на базе ЧПУ Siemens), www.technopolus. ru.

17. Модернизация станков с ЧПУ фрезерной группы www.ruchservomotor.ru

18. Модернизация устройств ЧПУ www.tflex.kiev.ua.21. NCSystemswww.ncsystems.ru

19. Литвин В.М., Набережнов Г.М., Шлеймович М.П. Модернизация фазовых систем числового программного управления. Вестник КГТУ.-Казань,2005

20. Мукин И.М. Справочник молодого токаря, Всесоюзное учебно-педагогическое изд-во Профтехиздат, М. 1982

21. Потапов В.А. Опыт американских и германских фирм по ремонту, восстановлению и модернизации станочного оборудования. РЖ. ВИНИТИ, М.2008

22. Статистический сборник «Транспорт России 2007». Основные фонды и степень износа основных фондов организаций транспорта. — М., Росстат, 2007.

23. Ковалёв А.Г., Кушель A.A. и др. Основы оценки стоимости машин и оборудования. Учебник под ред. Федонивой М.А., М. Финансы и статистика.2006

24. Бочаров В.В. Финансовый анализ: Учеб. пособие. СПб.: Питер, 2001 20

25. Ковалев В.В. Методы оценки инвестиционных проектов М.: «Финансы и статистика», 2000.

26. Бочаров В.В. Методы финансирования инвестиционной деятельности предприятий. М.: «Финансы и статистика». 1998.

27. Ван Хорн Дж. Основы управления финансами: Пер. с англ./под ред. Елесеевой И.И. М.: «Финансы и статистика», 1996.

28. Грачева М.В. Анализ проектных рисков: Учеб. пособие. М.: ЗАО «Финстатинформ», 1999.

29. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (вторая редакция): Официальное издание. М.: Экономика, 2000.

30. Родионов В.В., Суетина Т.А., Методика оценки затрат инновационного проекта. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2002, №4.

31. Сахно A.C.,. Инвестиционный анализ модернизации парка станков с ЧПУ авиационного производства / XV Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция: Материалы конференции.-Казань: Изд-во Казан.гос.тех.ун-та. 2007.

32. Кошечкин С.А. Концепция риска инвестиционного проекта -http://www.cfin.ru/finanalysis/koshechkin.shtml

33. Лукасевич И .Я. Анализ финансовых операций. — М.: Финансы, ЮНИТИ 1998

34. Данилаев П.Г. Методы оптимизации: Учебное пособие. Казань: Изд во Казан. Гос. Техн. ун-та, 2002

35. Комаров Ю.Л., Сахно A.C. Технико-экономическое обоснование модернизации парка металлообрабатывающих станков с ЧПУ .Вестник Казан .то с .тех.ун-та №4, 126-130,2009.

36. Чернов H.H. Металлорежущие станки Изд-во Машиностроение М. 1988

37. Фещенко В.Н. ,Махмутов Р.Х. Токарная обработка Изд-во Высшая школа М.1984

38. Каталог импортных станков и оборудования по металлу, www.gig-ant.com

39. Уэйн Л. Уинстон (Wayne L. Winston)AHäini3 данных и моделирование бизнеса в Microsoft Excel

40. Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях. Изд-во Мир М.1974

41. Схрейвер А. Теория линейного и целочисленного программирования : в 2-х т. т2. Пер. с анг. М. Мир 1991 242.

42. Годовой отчет ОАО «КАПО им. С.П. Горбунова» 2007 2008 гг.

43. Садовский В.Н. Проблемы общей теории систем как метатеории. Системные исследования. Ежегодник 1973. -М.: Наука 1973.

44. Моисеев B.C. Основные положения методологии комплексной автоматизации испытаний изделий авиационной техники. Изв. вузов. Авиационная техника, 1996, №3.

45. Василевский Л.И, Полян П.М. Системно-структурный подход и экономическая география. Системные исследования. Ежегодник 1978. М.: Наука 1978.

46. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. -М.: Наука, 1976.

47. Зайдуллин С.С., Моисеев B.C. Модели распределенных систем и задачи комплексной автоматизации их проектирования и эксплуатации. КГТУ им. А.Н. Туполева, Деп. в ВИНИТИ, 28.03.2000, № 818-В00.

48. Квейд Э. Анализ сложных систем. М. «Сов. Радио», 1969

49. Зайдуллин С.С., Моисеев B.C. Математические модели и методы управления территориально распределёнными системами. «Мастер Лайн», Казань, 2005.

50. Зайдуллин С.С., Комаров Ю.Л., Моисеев B.C., Сахно A.C. Вариант математической модели металлообрабатывающего станка с ЧПУ. Вестник Казан.гос.тех.ун-та. №2, 62-63. 2009.

51. Программно-информационные комплексы автоматизированных производственных систем.- М.: Издательство «Высшая школа», 1990. — 224с.

52. Долин П.А. Справочник по технике безопасности Изд-во. Энергия М. 1973

53. Киселёв В.К. Фазовые системы числового программного управления станками. Изд. 2-е переработанное и дополненное. М., «Машиностроение», 1976.

54. Научно технический отчёт по договору № НЧ503050 (1150/2001КГТУ — КАПО). Научный руководитель темы д.т.н., профессор Ильин Г.И.

55. Микропроцессорная система автоматического и ручного управления станками с ЧПУ УУС50 — ЗМИ. Руководство по эксплуатации. ООО Лаборатория Конверсионных Технологий, Казань 2008.