2. Планировка оборудования

Планировку оборудования разрабатывают на основе компоновочного плана так же, как и для компоновки, при разработке планировки вычерчивают в соответствующем масштабе план цеха, участка с изображением строительных элементов. Масштаб для цеха выбирается 1:100, для крупных 1:200, для участков 1:50. На плане размещают площади всех участков и служб цеха, указывают магистральные проезды, производят расстановку оборудования и рабочих мест, пользуясь условными изображениями оборудования и других элементов, выполненных в том же масштабе.

В проектной практике нашли применение следующие методы разработки планировки цехов:

• метод плоскостного макетирования с использованием бумажных или картонных вырезных габаритов;

• темплетов-габаритов, выполненных на прозрачном пластике; магнитных темплетов;

• метод объёмного макетирования с использованием пространственных моделей оборудования, выполненных из дерева, пластмассы, гипса, резины и др.

Перспективным и прогрессивным методом является применение автоматизированного проектирования на основе машинной графики. Это существенно увеличивает качество проектных решений за счет проработки различных вариантов расстановки оборудования с учетом кратчайшего пути движения детали, прямоточности движения и позволяет прогнозировать и с минимальными затратами заменять основное оборудование новым, более прогрессивным, т.е. проводить реконструкцию с минимальными затратами.

В процессе планировки участка необходимо проверить соблюдение норм удельной площади на единице основного оборудования. По каждой группе станков установлены нормы удельной площади с учетом ширины проездов и проходов между технологическим оборудованием. Планировка выполнена правильно, если соблюдается следующее условие:

(30)

где F  площадь по результатам проектирования;

k_gp  количество групп оборудования на участке;

N_i  количество станков i - й группы, шт;

S_i  нормы удельной площади на один станок i - й группы.

3. Выбор варианта расположения оборудования на участках механической обработки

Расположение станков на участках и линиях механической обработки определяется:

1. организационной формой производственного процесса,

2. длиной станочных участков,

3. числом станков,

4. видом межоперационного транспорта,

5. способом удаления стружки и другими факторами.

Относительно прост выбор варианта расположения станков непрерывно- и переменно-поточных линий. Здесь последовательность размещения оборудования практически однозначно определяется последовательностью выполнения операций технологического процесса. Задача рационального размещения оборудования сводится к выбору варианта размещение станков относительно транспортного средства, числа рядов станков и общей конфигурации поточной (автоматической) линии.

Относительно транспортного средства возможны варианты продольного, поперечного, углового и кольцевого размещения станков.

Фронтальное продольное размещение станков по отношению к транспортному средству или проезду обеспечивает наиболее благоприятные условия для механизации и автоматизации межоперационного транспортирования и обслуживания рабочих мест.

При поперечном расположении условия обслуживания станка оператором ухудшаются в связи с его удалением от роликового конвейера или конвейера. Однако при использовании для автоматической загрузки станков манипуляторов или промышленных роботов портального типа это противоречие разрешается, и при этом варианте обеспечивается компактность планировки, т. е. лучшее использование производственной площади.

Расположение станков под углом к проезду (угловое) применяют для расточных, продольно-строгальных, продольно-фрезерных станков, прутковых автоматов, револьверных и других станков, длина которых значительно превышает их ширину. Прутковые автоматы при этом размещают обычно загрузочным устройством к проезду для облегчения установки прутков.

Кольцевое размещение станков благоприятно для многостаночного обслуживания, но создает трудности для использования межоперационного транспорта и инженерных коммуникаций.

Выбор того или иного варианта определяется также способом удаления стружки от станков. При использовании автоматизированных систем уборки стружки необходимо учитывать взаимное расположение станочных и цеховых стружкоуборочных конвейеров.

В зависимости от длины технологического потока и длины станочного участка применяют однорядное или многорядное размещение станков. При этом для обеспечения прямоточности зону заготовок (начало линий) располагают со стороны одного проезда, а конец линий  с противоположной стороны в направлении дальнейшего перемещения деталей на сборку.

Для линии, оборудование которой размещается в пределах длины участка, применяют однорядный вариант размещения оборудования.

Поточные линии с большим числом станков размещают в два или несколько рядов, но с обязательным условием, чтобы начало линий располагалось со стороны зоны заготовок, а конец линии  с противоположной стороны.

Для обеспечения лучшего использования отдельных станков возможно параллельное размещение линии в использованием общего для двух линий оборудования, однако в этом случае перед «общим» оборудованием необходимо предусматривать необходимые заделы для компенсации несинхронности работы двух линий.

Значительно сложнее выбрать оптимальный вариант размещения станков для подетально-специализированных участков серийного производства. На этих линиях можно одновременно изготовлять партии разных деталей, поэтому вариант размещения влияет на транспортные расходы, себестоимость продукции и капитальные вложения, на непрерывность и ритмичность производства.

Возможны три различных варианта расположения станков на предметно-замкнутых (подетально-специализированных) участках:

1. точечный, при котором отсутствуют межоперационные связи между станками;

2. рядный, при котором оборудование размещено в линейной последовательности, соответствующей ходу технологического процесса характерной детали;

3. гнездовой, при котором станки размещают группами в зависимости от межоперационных связей между ними.

Точечный вариант расположения станков возможен при полном изготовлении деталей на одном станке. Его применяют в тяжелом машиностроении при изготовлении крупных деталей, в легком и среднем машиностроении при использовании многоцелевых станков, а также на автоматных участках изготовления несложных деталей.

Рядный и гнездовой варианты расположения станков характерны для групповых поточных линий, где в зависимости от степени синхронизации работа может осуществляться, как на переменно-поточной линии с определенным тактом, или линия может быть несинхронной  прямоточной.

Возможны также комбинации указанных вариантов расположения станков внутри одного участка.

При выборе того или иного варианта в качестве основного параметра, влияющего в наибольшей степени на эффективность работы участка и линии, обычно используют грузооборот участка, характеризуемый грузопотоком Ii₁i₂ между рабочими местами i₁ и i₂:

_p

Ii₁i₂ =  N_km_k, (31)

^k=1

где N_km_k  программа k-й детали;

т_k  ее масса;

р  число детале-маршрутов между i₁ и i -м рабочими местами.

При точечном варианте расположения оборудования, когда перемещение деталей осуществляют со склада к рабочему месту и обратно, рабочие места в наибольшей интенсивностью грузопотока размещают ближе к складу, и наоборот.

Сложнее решить эту задачу для линейного и гнездового вариантов расположения оборудования. Задача оптимального размещения рабочих мест на участке в общем виде может быть сформулирована в следующем виде. Известна матрица значений грузопотоков между станками (рабочими местами) размерностью пхп, где п  число рабочих мест на участке. Также известны места расположения площадок для рабочих мест и расстояния между ними. Матрица расстояний также имеет размерность nxn. В качестве допустимого множества площадок обычно берут узлы прямоугольной или треугольной решетки либо фиксированные точки на плоскости. Надо расположить рабочие места по узлам решетки или в точках плоскости таким образом, чтобы мощность грузопотока, определяемая суммой произведений грузопотоков на соответствующие расстояния, была минимальной:

 =     Xi₁j₁ Xi₂j₂ Ii₁i₂ Sj₁j₂  min (32)

при условии

; (33)

(34)

где Xi₁j₁  булева переменная, показывающая, размещено ли i₁-e рабочее место на j₁-й площадке;

Xi₂j₂  переменная, показывающая, размещено ли i₂-е рабочее место на j₂-й площадке;

Ii₁i₂  величина грузопотока с i₁-го рабочего места на i₂-e;

Sj₁j₂  расстояние между j₁ и j₂-й площадками.

Сформулированная задача в математической постановке сводится к «задаче о назначениях» и может быть решена с помощью разработанного алгоритма. Практически такой метод решения может быть применен при небольшом числе рабочих мест (обычно не более шести-семи), так как резко возрастает размерность матриц, что затрудняет решение. Так, например, число перестановок из восьми составляет 40 320, т. е. такое число раз надо определить величины грузопотоков _i и выбрать вариант с наименьшим значением.

Задача значительно упрощается, если вариант размещения рабочих мест линейный, а расстояние между ними одинаковое. В такой постановке размерность исходной матрицы снижается, и задача сводится к «задаче о коммивояжере». Подобный подход может быть использован для оптимизации рабочих мест групповых поточных линий.

Оптимизация гнездового варианта расположения станков осуществляется приближенными методами на основе локально-оптимальных решений. При этом выбирают один из возможных вариантов закрепления станков за площадками и относительно него возможными перестановками отыскивают вариант, обеспечивающий   min. Этот вариант является локально-оптимальным. Далее выбирают несколько новых начальных расстановок и вновь отыскивают путем перестановок новые локально-оптимальные решения и из множества локально-оптимальных решений выбирают одно с минимальным значением суммарного грузопотока.

При гнездовом варианте размещения оборудование может быть сгруппированно по предметному либо по технологическому признаку. В первом случае в гнездо собирают оборудование для изготовления определенного типа деталей. Некоторое удаление от гнезд двух станков, используемых для финишной обработки, вызвано стремлением уменьшить вредное влияние вибраций вследствие работы станков, выполняющих черновую обработку. При размещении станков гнездами по технологическому признаку создают группы однотипных станков в соответствии с ходом технологического процесса характерных деталей. Однако при этом возникают сложные возвратные перемещения партий деталей и может быть использован при создании относительно небольших участков единичного производства.

При оптимизации выбора варианта расположения станков предпочтительным является проектирование технологических схем расположения рабочих мест без учета размеров и привязки к конфигурации и размерам участка. В этом случае рабочие места представляют точками, а их расположение определяется не точными координатами, а по принципу ближедальше. При линейном или гнездовом варианте планировок ранжированные данные относительного удаления рабочих мест от исходной точки позволяют легко разложить их в заданных границах участков.

Выбор рациональной планировки участков и линий ГПС имеет много общего в подходе, принципах размещения станочных модулей и критериях оптимальности, рассмотренных выше.

На оcнове анализа ГПС можно выделить несколько вариантов размещения станочных модулей.

Произвольный вариант. Несколько модулей или станков с ЧПУ произвольно размещают на площади участка. При этом варианте существенно усложняются и удлиняются транспортные маршруты, если станков, используемых при изготовлении одной детали, более трех. Однако при полном изготовлении на одном станке этот вариант приемлем.

Функциональный вариант. Станочные модули группируют по их технологическому назначению (токарные, фрезерно-расточные, шлифовальные и т. д.). Недостатком являются неизбежные встречные потоки при обработке разных деталей. Указанную схему поэтому нельзя считать перспективной, несмотря на то, что создано много ГПС данного типа.

Модульный вариант. Сходные технологические процессы обработки выполняются параллельными группами ГПМ. Указанный тип компоновки имеет более высокую надежность, так как построен по принципу резервирования и может быть применен при больших объемах выпускаемых однотипных деталей, например, на специализированных заводах по производству зубчатых колес или других типовых деталей в станкостроении.

Групповой вариант. Каждая группа модулей служит для изготовления определенной группы деталей, близких по конструктивным и технологическим признакам. Основой создания ГПС подобного типа является методология групповой технологии. Указанный тип компоновки ГПС наиболее перспективен, поскольку нацелен на изготовление законченных деталей. Кроме этого, обеспечивается возможность поэтапного создания ГАЦ, поскольку каждая группа модулей имеет автономную структуру.

В большинстве случаев для обработки в ГПС у заготовок необходимо подготовить базы, например, профрезеровать плоскость и обработать два базовых отверстая. Для этой цели вблизи ГПС целесообразно предусмотреть участок станков с ЧПУ с ручной установкой заготовок. Продолжительность обработки баз значительно меньше продолжительности основной обработки, поэтому обслуживание станков для обработки баз может быть поручено рабочим, устанавливающим заготовки на спутники для основной обработки. Кроме того, при обработке ответственных деталей возникает необходимость специальной обработки, например термической. Указанные операции целесообразно выполнять на соответствующем оборудовании, размещенном на отдельном участке или в других цехах.

В ГПС целесообразно включать подсистему перемещения деталей на сборку, а по мере создания соответствующих сборочных центров  и сборку. Наличие управляемого транспортного потока на заводе является непременным условием функционирования ГПС.

В большинстве существующих ГПС используется линейный принцип размещения ГПМ. При небольшом числе станков их размещают в один ряд, при числе станков более четырех  в два ряда. Компоновка ГПС также может быть замкнутой или П-образной.

Во многом размещение ГПМ в ГПС определяется типом автоматизированной транспортно-складской системы, с помощью которой регулируют потоки заготовок, инструментов, приспособлений, тары и деталей. В зависимости от вида применяемой транспортно-складской системы могут быть три различные схемы планировок ГПС.

Планировка с централизованным складом. Со склада заготовки в таре или на палетах передаются к станочным модулям транспортной системой. Заготовки, обработанные на одном станке, передают на следующий станок или возвращают на склад, где они хранятся, пока не освободится занятый станок. Транспортная система может быть линейного типа или замкнутая. Эта схема очень универсальна, обеспечивает возможность ее наращивания в определенных пределах.

Планировка со складом-накопителем в составе транспортной системы. Роль склада выполняет транспортная система (роликовый конвейер замкнутого типа). Загрузку и выгрузку транспортной системы обычно производят на одном месте. Подобная планировка характерна для ГПС средне- и крупносерийного производства в четко выраженной последовательностью и определенной синхронизацией по времени выполняемых операций. Как реализацию этого принципа можно рассматривать станочные модули на базе многоцелевых станков для изготовления корпусных деталей в многопозиционными накопителями.

Планировка с перемещением деталей транспортным средством в составе склада. В этом случае ГПМ непосредственно примыкают к складу, что значительно упрощает доставку заготовок и их автоматическую загрузку. Этот вариант характеризуется простотой загрузки, перемещения и хранения заготовок, но возможности расширения ГПС и замены оборудования при модернизации ограничены. В этом отношении вариант планировки с централизованным складом является предпочтительным.

ГПС, помимо транспортно-складской системы в своем составе имеют и другие системы обеспечения функционирования; системы инструментального обеспечения, автоматического контроля, загрузки заготовок на приспособления-спутники и др. Это оборудование размещают в зоне транспортной системы или автоматизированного склада.

При создании ГПС на основе роботизированных технологических комплексов (РТК) необходимо добиваться такого расположения оборудования, чтобы оно находилось в зоне досягаемости промышленных роботов и одновременно обеспечивалась безопасность операторов, осуществляющих загрузку накопителей, смену инструментов, уборку стружки и т. д. Перспективными для создания ГПС на основе РТК являются схемы планировок с конвейером-накопителем. В этом случае достигается возможность работы с малым тактом, что невозможно при использовании транспортных роботов.