Организационная структура рабочих процессов и агрегатирование машин.

Однако имеется другая сторона технологического процесса, заключающаяся в его организации на машине в пространство и во времени. От этого зависит производительность и работоспособность как самой машины, так и всего производственного потока в целом. Рассмотрим эту вторую, организационную сторону технологических процессов.

Расчленение технологического процесса.Технологический процесс можно расчленить на части, называемые операциями и переходами.

Операцией называется законченная часть процесса, выполняемая на отдельном рабочем месте или на машине. Примерами операций могут служить, формовка, изготовление стержня, сборка формы.

Переходами называются простейшие технологические элементы, на которые может быть расчленен технологический процесс или его часть – операция. Каждый новый переход характеризуется получением нового технологического результата или качества. Так, при обработке на металлорежущих станках новый отдельный переход дает новую обработанную поверхность или новую часть ее. Например, сверление двух отверстий – это два отдельных перехода. Насыпка в опоку формовочной смеси из бункера, уплотнение смеси в опоке встряхиванием, подпрессовка, съем набитой опоки с модельной плиты – все это отдельные переходы операции формовки, например верхней опоки на формовочной машине.

Последовательные переходы данного рабочего процесса можно организационно выполнять на машине различным образом, располагая и комбинируя их по времени и размещая на рабочих органах машины, например, последовательно или одновременно, на одном рабочем месте машины или нескольких и т. д. При этом сама технология процесса, т. е. последовательность обработки, выполняемой над любым проходящим через машину объектом обработки, должна, разумеется, сохраняться одной и той же.

График выполнения во времени и в пространстве отдельных технологических элементов процесса, или переходов, называется циклограммой процесса или машины. Циклограмма отражает ту или иную организационную структуру технологического процесса, которой отвечает та или иная принципиальная схема агрегатирования машины, т.е. схема размещения и сочетания ее рабочих органов, илиагрегатов.

Можно выделить три прогрессивных принципа построения организационной структуры рабочих процессов и соответственно три принципа агрегатирования машин в современном машиностроении: многопозиционной, многопоточной и многоинструментальной обработки.

Принцип многопозиционной обработки. Условимся рассматривать в дальнейшем только время, затрачиваемое рабочей машиной, а не обслуживающим ее персоналом, т.е. станкоемкость, а не трудоемкость процесса. Кроме того, все элементы процесса, относящиеся к так называемому вспомогательному времени, затрачиваемому машиной, включим в общую сумму переходов процесса наравне с переходами машинного времени.

Представим себе, что объект обработки, или изделие, находится на машине в течение всего времени обработки на одном и том же рабочем месте (на одной позиции обработки) и над ним производятся по очереди все последовательные переходы процесса с помощью соответствующих агрегатов и машины (рис. 2.2).

Такая организационная структура процесса с разделением переходов по времени и совмещением их по месту называется однопозиционной и соответственно такие машины – однопозиционными.

При работе на однопозиционной машине затрата машинного времени на одно изделие, или штучное цикловое время равно сумме времени всех переходов.

Рис. 2.2. Схема (а) и циклограмма (б) однопозиционной однопоточной машины

Если однопозиционная машина имеет только одно рабочее место и, следовательно, на ней одновременно обрабатывается только одно изделие, то такая машина называется однопоточной. Для нее штучное время равно также темпу, или ритму t выдачи машиной изделий.

Таким образом, для однопозиционной однопоточной машины имеем

(1)

Предположим теперь, что изделия, или объекты обработки, устанавливают в фиксирующие, или базирующие, приспособления, которые имеются на транспортирующем органе машины (например, на карусели или на транспортирующем конвейере другой формы) и с которых их не снимают до конца обработки. На этом транспортирующем органе изделия передвигаются от одной позиции обработки к другой, от этой второй позиции – к третьей, и так далее, до выхода из машины в готовом виде. При этом на каждой позиции над находящимися на них изделиями, без нарушения их первоначальной установки, выполняются стационарными агрегатами и одновременно переходы в порядке последовательности технологического процесса, и сами позиции расположены в той же последовательности (рис. 2.3).

Такая организационная структура процесса с разделением переходов по месту и совмещением их по времени называется многопозиционной, и соответственно такие машины – многопозиционными.

Приведенный на рис. 2.3. пример относится к многопозиционной машине с периодическим движением транспортирующего органа. Выполнение переходов на каждой позиции по этой схеме происходит во время стоянок карусели, а в промежутках транспортирующий орган перемещается на один шаг между позициями. Штучное время, или темп выпуска изделий при одном потоке, будет

(2)

 

Рис. 2.3. Схема (а) и циклограмма (б) многопозиционной однопоточной машины с периодическим движением транспортирующего органа: 1, 2, 3, 4 – позиции

 

При хорошей расчленяемости технологического процесса па переходы приблизительно одинаковой продолжительности производительность такой многопозиционной машины будет значительно более высокой по сравнению с производительностью однопозиционной машины. Производительность будет тем большей, чем на большее число переходов расчленен процесс, т.е. чем больше число позиций m имеет машина. При идеальной расчленяемости процесса (разбивке его на переходы одинаковой продолжительности) штучное время составит

(2а)

Если процесс плохо расчленяется и наравне с короткими переходами есть какой-либо переход очень большой продолжительности, то все другие переходы вынуждены ожидать конца его выполнения, и производительность будет низкой.

В многопозиционной машине стационарные рабочие агрегаты конструктивно размещаются порознь, обеспечивая^; хорошую допустимость для текущего обслуживания. Это создает условия для лучшей работоспособности и меньших внецикловых потерь времени по сравнению с однопозиционной машиной, где все рабочие агрегаты территориально должны быть сосредоточены на одном рабочем месте. Точно так же использование рабочих агрегатов в многопозиционной машине значительно увеличивается, потому что при каждой стоянке карусели работают сразу все агрегаты (в однопозиционной машине только поочередно).

Многопозиционные машины с периодическим движением транспортирующего органа используют для таких процессов, выполнение которых требует длительного контакта между орудием и объектом обработки. Для тех же процессов, которые можно выполнять на ходу, можно применять многопозиционные машины с непрерывным движением транспортирующего органа. В такой машине также имеется один комплект стационарных агрегатов, выполняющих отдельные переходы над изделиями одновременно с непрерывным транспортированием этих изделий. Позиции обработки в таком случае превращаются в некоторые зоны обработки. Примером таких процессов является уплотнение форм под пескометом, зачистка шлифовальным кругом плоскостей склейки стержней, устанавливаемых в кондукторах на вращающейся карусели, и т. п.

При равномерной выдаче изделий с машины шаг изделий на непрерывно вращающейся карусели должен быть постоянным. Если при этом в каждой зоне обработки должно находиться одновременно только одно изделие, то шаг соответствует зоне наиболее длительного перехода и штучное время, или темп выпуска изделий при одном потоке, будет

(3)

а при идеальной расчленяемости процесса па переходы одинаковой продолжительности

(3а)

где – число позиций.

Если же в зонах обработки могут находиться по несколько последовательно проходящих изделий, то шаг изделий на транспортирующем органе определяется чисто геометрически по габаритным размерам изделий и орудий обработки. В этом случае темп выдачи машиной изделий будет равен времени прохождения этого шага изделий транспортирующим органом.

Кроме более высокой производительности, многопозиционная машина с непрерывным транспортирующим движением имеет перед многопозиционной машиной с периодическим транспортирующим движением также преимущества благодаря большим возможностям форсирования.

Форсирование машины с периодическим движением транспортирующего органа возможно только путем ужесточения технологических режимов, т.е. выполнения переходов обработки за более короткие промежутки времени, соответственно с менее продолжительной стоянкой на позициях. При этом одновременно ужесточаются и динамические режимы работы при транспортировании.

При форсировании машины с непрерывным движением транспортирующего органа, хотя скорости движения его и увеличиваются, ужесточения динамических режимов не происходит, так как транспортирующее движение остается равномерным, без ускорений разгона и торможения. Что касается технологических режимов, то форсирование такой машины возможно в некоторых пределах и без их ужесточения, путем расширения зон обработки за счет сокращения разрывов между позициями.

Однако машины с непрерывным движением хорошо сочетаются лишь с такими технологическими процессами, выполнение которых осуществимо на ходу, без наличия длительного контакта рабочего орудия с предметом обработки.

Для процессов же, требующих длительного контакта орудий с предметами обработки, конструкция таких машин значительно усложняется, так как рабочим агрегатам в этих случаях приходится придавать попеременно-возвратные челночные движения. Агрегат при выполнении своего перехода должен соединяться и двигаться вместе с транспортирующим органом машины, а затем быстро возвращаться в исходное положение.

 

Рис. 2.4. Схемы многопоточной машины с однопозиционной обработкой в потоках с неподвижными (а) и вращающимися на карусели (б) агрегатами и циклограммы процессов без смещения (в) и со смещением (г) фаз циклов в потоках

 

Большинство технологических процессов в литейном производстве требует длительного контакта орудия с предметом обработки. Поэтому для них чаще применяют многопозиционные машины с периодическим транспортирующим движением, называемые также индекс-машинами, или машинами с индексирующими столами.

Принцип многопоточной обработки. Многопоточная обработка заключается в том, что на машине одновременно обрабатывается n параллельных потоков, или ручьев, изделий соответственно на n рабочих местах, которые имеет машина. Многопоточные машины могут быть как однопозиционными, так и многопозиционными.

Однопозиционная n-поточная машина имеет n рабочих, мест, оснащенных полным комплектом агрегатов, необходимых для выполнения всех переходов технологического процесса. Эти комплекты агрегатов, или рабочие места, представляющие собой единичные однопозиционные машины, могут быть расположены либо стационарно (рис. 2.4, а), либо помещены на непрерывно вращающемся столе – роторные машины (рис. 2.4, б).

Рис. 2.5. Схема многопоточной машины с многопозиционными индексирующими столами в потоках (а) и циклограмма процесса (б)

В первом случае для снятия готовых изделий и установки новых очередных изделий рабочий или загрузочные устройства должны перемещаться вдоль фронта рабочих мест или единичных машин. В этом случае можно, однако, иметь и неподвижно расположенные загрузочные устройства, число их должно быть равный – числу единичных машин, или комплектов агрегатов.

В случае роторных машин загрузка и снятие изделий с машины упрощаются и сосредоточиваются в одном месте.

Циклы последовательных переходов на отдельных n рабочих местах, или в n потоках, могут выполняться без сдвига фаз (рис. 2.4, в) или со смещением во времени (рис. 2.4, г). Работа со сдвигом фаз циклов в потоках характерна дли схемы (рис. 2.4, б) расположения единичных машин на роторе.

Для многопоточной однопозиционной машины, очевидно, имеем

(4)

где – продолжительность цикла единичной машины; – число потоков.

На рис. 2.5. приведена схема трехпоточной машины с четырехпозиционными индекс-машинами в потоках. За время полного оборота карусели на индексирующих столах в каждом потоке выполняется один полный цикл, т.е, остановка и передвижение между позициями. При этом загрузка изделий на машину для обработки и снятие с нее готовых изделий могут быть сосредоточены территориально в одном месте. Циклы процесса в отдельных потоках равномерно смещены.

Можно представить себе также многопоточную машину, имеющую на общей непрерывно вращающейся карусели отдельные многопозиционные машины с непрерывно вращающимися столами (рис. 2.6). Здесь время полного оборота общей карусели равняется времени прохождения вращающимся столом единичной машины зоны инструмента с наиболее длительным переходом, т. е. шага изделий на столе единичной машины. Циклы в отдельных потоках равномерно смещены, загрузка и снятие изделий централизованы.

Рис. 2.6. Схема многопоточной машины с многопозиционными непрерывно вращающимися столами в потоках (а) и циклограмма процесса (б)

Штучное время, или темп работы многопоточной машины с многопозиционными индексирующими столами, в каждом потоке составляет

(5)

а при идеальной расчленяемости процесса в потоках на позиции равной продолжительности

(5а)

Для многопоточной машины с многопозиционными непрерывно вращающимися столами в каждом потоке

(6)

а при идеальной расчленяемости процесса

(6а)

где – число позиций.

Необходимо отметить, что многопозиционная и многопоточная обработки по сравнению с однопозиционной однопоточной обработкой могут дать увеличение производительности во столько раз, сколько имеется позиций обработки (при идеальной расчленяемости процесса и непрерывном транспортирующем движении) или нее потоков обработки.

Рис. 2.7. Циклограммы процессов однопозиционной (а) и многопозиционной (б) обработки с одновременным выполнением групп переходов 2–3 и 4–5 многоинструментальными агрегатами

 

Принцип многопозиционной обработки имеет следующие преимущества: 1) не требуется умножения числа рабочих агрегатов в m раз, по числу позиций, в то время как при многопоточной обработке число агрегатов возрастает в n раз – по числу потоков; 2) в m раз возрастает степень использования рабочих агрегатов, чего не происходит при многопоточной однопозиционной обработке.

Тем не менее многопоточная схема имеет и свое преимущество перед многопозиционной, а именно: не требуется расчленяемости процесса на переходы приблизительно равной продолжительности, в то время как для эффективного применения многопозиционных схем это требование обязательно.

Принцип многоинструментальной обработки. Многоинструментальная обработка заключается в выполнении одновременно нескольких переходов на одной и той же позиции с помощью нескольких инструментов. Для такой обработки нужно, чтобы по технологической последовательности процесса было допустимо выполнять над изделием совмещаемые переходы одновременно. Точно так же рабочая машина по своей конструкции должна допускать одновременность выполнения этих работ.

Многоинструментальную обработку можно применять как при однопозиционной, так и многопозиционной схеме. На рис. 2.7, а показана циклограмма процесса, состоящего из шести переходов, при выполнении его на однопозиционной машине, причем переходы 2–3, и 4–5 выполняются попарно одновременно, группами (парами соответствующих инструментов (или агрегатов) машины, т.е. по принципу многоинструментальной обработки. Времена переходов 3 и 5, таким образом, совмещаются полностью с временами переходов 2 и 4. Вследствие этого производительность машины увеличивается. Штучное время и соответственно темп машины при одном потоке изделий

(7)

где – сумма времен совмещенных переходов.

Если все переходы процесса выполняются группами, в каждой по переходов одновременно, то, очевидно,

(7а)

где – коэффициент многоинструментальности, или же инструментальность процесса.

На рис. 2.7, б представлена циклограмма того же процесса, но выполняемого на многопозиционной машине с индексирующим столом с одновременным выполнением групп переходов 2–3 и 4–5 многоинструментальными агрегатами. Штучное время и темп для такой машины при идеальной расчленяемости процесса будут составлять

(8)

а при разделении всех переходов на группы, по i одновременно выполняемых на каждой позиции,

(8а)

Наконец, если многоинструментальную обработку применяют для многопозиционной схемы с непрерывным движением транспортирующего органа, то при идеальной расчленяемости процесса

(9)

Если же дополнительно к этому еще возможно выполнение всех переходов группами, по i одновременно выполняемых на каждой позиции, то

(9а)

Число позиций многопозиционной многоинструментальной машины уменьшается на число совмещаемых переходов, а при инструментальности, равной i по всему процессу, число позиций сокращается в i раз.

Многоинструментальная обработка как однопозиционная, так и многопозиционная может быть применена и в потоках многопоточных машин. При этом в случае идеальной расчленяемости многопозиционных процессов на переходы одинаковой продолжительности получаются следующие выражения для штучного времени, или темпа работы машины.

1. Для однопозиционной n-поточной и многоинструментальной обработки

(10)

а при - инструментальной обработке сплошь по всему процессу

(10а)

2. Для -позиционной -поточной обработки с многопозиционными индексирующими столами в каждом потоке и частичной многоинструментальной обработкой

(11)

а при -инструментальной обработке по всему процессу

(11а)

3. Для m-позиционной -поточной обработки с многопозиционными непрерывно вращающимися столами в каждом потоке и частичной многоинструментальной обработкой

(12)

а при -инструментальной обработке по всему процессу (на всех позициях)

(12а)

Общая классификация рабочих машин. Общая классификация рабочих машин по признаку организационной структуры процесса или принципов агрегатирования приведена в табл. 1.

Рабочие машины можно разделить по признакам: 1) позиционности – на классы I, II и III; 2) поточности – на группы А и В; 3) инструментальности обработки – на подгруппы 1 и 2. Марка машины этой классификации обозначается тремя индексами, включающими класс, группу и подгруппу; например, IA1, IIIB2 и т. п.

В табл. 1 приведены эти обозначения, а также выражения для темпа работы машин t при идеальной расчленяемости процесса на переходы равной продолжительности в многопозиционных машинах и возможности i-инструментальной обработки по всему рабочему процессу.

Из изложенного следует, что применение как принципа многопозиционной обработки, так и принципов многопоточной и многоинструментальной обработки дает возможность получить более высокую производительность процессов и машин, и поэтому все эти принципы следует использовать при проектировании.

В литейном производстве принцип многоинструментальной обработки ограничен выполняемыми технологическими процессами. Кроме того, применение высокопроизводительных схем многопоточных многопозиционных машин к основному переделу литейного производства – изготовлению литейной формы приводит к достаточно сложным и громоздким конструкциям. Они целесообразны главным образом для автоматизации таких процессов, как зачистка заливов и базовых мест на отливках, особенно в условиях массового производства.

 

Таблица 1

Общая классификация рабочих машин по организационной структуре процесса

 

Группа (поточность)	Подгруппа (инструмен- тальность)	Классы (позиционность)
I однопозиционные	II с индексирующим столом	III с непрерывно движущимся столом
А (однопоточные)	1 одноинстру-ментальные	IA1	IIA1	IIIA1
2 многоинстре-метальные	IA2	IIA2	IIIA3
В (многопоточные)	1 одноинстру-ментальные	IB1	IIB1	IIIB1
2 многоинстре-метальные	IB2	IIB2	IIIB2

Примечание: m – число позиций; n – число потоков; i – число одновременно работающих инструментов; – сумма времени всех переходов процесса; – время пробега индексирующего стола между позициями.

 

В качестве одного из целесообразных вариантов сочетания многопозиционной и многопоточной обработки можно также привести случай многопозиционной обработки на индекс-машине, одна из позиций которой имеет очень продолжительное время перехода, несоизмеримое с продолжительностью переходов на других позициях. Эта лимитирующая позиция индекс-машины заменяется внешней многопоточной роторной машиной, дающей возможность сократить задолженность данной позиции в несколько раз.

Большинство технологических процессов основного формовочного передела литейного производства требует длительного контакта орудия с предметом обработки. Поэтому для автоматизации изготовления литейных форм и стержней чаще всего применяются многопозиционные машины с индексирующими столами. Эти машины оказываются достаточно высокопроизводительными для современного уровня технического развития и организации машиностроения в удобно встраиваются в автоматические линии.

Выбор технологического процесса. Технологический процесс, закладываемый в основу проектируемой автоматической машины или линии, должен прежде всего обеспечивать необходимое качество получаемых отливок, о чем уже говорилось ранее. Помимо этого, целесообразность выбора и приспособленность технологического процесса для автоматизированного производства необходимо оценивать по следующим факторам: 1) общему удельному объему и продолжительности работ; 2) условиям труда; 3) расчленяемости на элементы малой и, по возможности, одинаковой продолжительности; 4) длительности контакта между орудием и объектом обработки.

Рис. 2.8. Влияние степени механизации на экономику производства: 1 – малая степень механизации; 2 – более высокая степень механизации; 3 – выигрыш в годовых затратах.

 

Как механизация, так в особенности и автоматизация должны базироваться не на старом, а на улучшенном, рационализированном технологическом процессе. Можно привести ряд примеров из практики современного литейного производства, когда механизация и автоматизация тех или иных работ стали возможны только после разработки принципиально новых технологических процессов или их элементов. Так, например, применение быстро упрочняющихся стержневых связующих типа фурановых смол позволяет изготовлять оболочковые стержни на автоматических машинах с отверждением в оснастке непосредственно на участке формовки и сборки форм и др.

Следует также особо отметить, что экономически оправдывается не всегда наивысшая степень механизации и автоматизации, а некоторая наименьшая, оптимальная для данных условий ее степень. Чем больше степень механизации, тем больше стоимость основных средств, которая списывается в течение определенного промежутка времени и ложится некоторой постоянной долей на суммарную себестоимость выпуска, независимо от объема производства, в некотором его интервале (рис. 2.8). Однако, чем больше степень механизации, тем менее круто поднимается с ростом выпуска продукции линия переменных расходов v, в которую входит и оплата обслуживающего персонала.

Суммарные затраты с + v при малом выпуске получаются при малой степени механизации меньшими, чем при слишком большой степени механизации, нерентабельной для такого малого выпуска продукции. Наоборот, при большом выпуске экономически оправдывается высокая степень механизации. Таким образом, для каждого проектируемого цеха, линии, участка должна быть выбрана надлежащая, оптимальная степень механизации, дающая наибольший экономический эффект.