李 沨, 華 霖, 熊 登, 曾 力

(武漢船用機械有限責(zé)任公司 科技與信息化中心,武漢 430084)

0 引 言

離散制造行業(yè)通常主要從事單件、小批量生產(chǎn)活動,自動化水平較低,其產(chǎn)品的工業(yè)過程經(jīng)常變更,屬于人員密集型行業(yè)。因此,評價離散制造行業(yè)的數(shù)字化車間的生產(chǎn)效率的方法與流程制造行業(yè)截然不同。

對于以機加工為主的車間而言,通常采用設(shè)備綜合效率(Overall Equipment Effectiveness,OEE)[1]評價數(shù)控機床的利用率,進而評價車間的產(chǎn)出和生產(chǎn)效率。OEE是時間開動率和性能開動率與合格品率的乘積,其本質(zhì)是設(shè)備負荷時間內(nèi)實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值。然而,對于離散制造行業(yè)而言,數(shù)控機床的利用效率受排產(chǎn)計劃、裝夾校正和質(zhì)量檢驗等多種因素的影響,其評價方法與自動化生產(chǎn)線上的數(shù)控機床效率評價方法有明顯區(qū)別。

隨著各行業(yè)對智能制造技術(shù)的深入應(yīng)用,數(shù)字化車間逐漸增多,制造數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)管理(Manufacturing Data Collection &Status Management,MDC)系統(tǒng)[2]和制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)[3]在離散行業(yè)的數(shù)字化車間內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。目前這2種系統(tǒng)關(guān)注的重點分別是機床狀態(tài)和作業(yè)任務(wù)管理。結(jié)合行業(yè)現(xiàn)狀進行分析,這2個系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的結(jié)合度較低,在提升車間精益管理和數(shù)控機床效率方面發(fā)揮的作用還不明顯。

本文從離散制造行業(yè)的數(shù)字化車間管理實際出發(fā),研究科學(xué)評價數(shù)控機床效率的計算模型,并將數(shù)控機床所處的狀態(tài)細化為加工狀態(tài)、加工前準備狀態(tài)、加工過程準備狀態(tài)、空閑狀態(tài)、停機狀態(tài)和純關(guān)機狀態(tài)等6種。這些狀態(tài)的判定方法是通過對設(shè)備運行狀態(tài)與生產(chǎn)過程執(zhí)行狀態(tài)進行聯(lián)合分析,充分將人機交互與設(shè)備監(jiān)控結(jié)合起來。在武漢船用機械有限公司的液貨產(chǎn)品數(shù)字化車間內(nèi)實際應(yīng)用該評價方法,驗證其有效性。

1 數(shù)控機床效率評價方法

對于大型離散制造行業(yè)的機械加工環(huán)節(jié)而言,影響機床效率的因素有很多,核心的優(yōu)化方向是盡可能地提高工作時間段內(nèi)的切削時間占比,因為機床只有在實際切削過程中才能發(fā)揮其作用。

大型零件在生產(chǎn)組織過程中的應(yīng)用環(huán)節(jié)主要分為加工環(huán)節(jié)和輔助環(huán)節(jié),其中輔助環(huán)節(jié)通常是指零件的轉(zhuǎn)運、起吊、裝夾校正和質(zhì)量檢測等。在一定的工作時間內(nèi),輔助時間越長,加工時間越短,數(shù)控機床的運行效率越低。

本文提出采用分步優(yōu)化的方法提高數(shù)控機床運行效率,具體步驟是:

1) 通過各類信息化手段加快生產(chǎn)節(jié)奏,盡可能地縮短零件輔助時間;

2) 通過數(shù)控程序仿真縮短空走刀路徑,提高加工時間內(nèi)的有效切削時間占比。

具體方法是將企業(yè)的MDC系統(tǒng)與MES相結(jié)合,其中:MDC系統(tǒng)主要用于對設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控;MES主要用于對生產(chǎn)計劃和作業(yè)過程進行管理。對生產(chǎn)任務(wù)信息與設(shè)備運行狀態(tài)進行融合,細化出6種機床運行狀態(tài)[4]。機床運行狀態(tài)判斷邏輯見圖1;機床運行狀態(tài)解釋見表1。

表1 機床運行狀態(tài)解釋

圖1 機床運行狀態(tài)判斷邏輯

基于機床的6種狀態(tài),統(tǒng)計加工時間、計劃時間、加工前準備時間、加工過程準備時間和空閑時間等數(shù)據(jù),結(jié)合離散加工生產(chǎn)的特點,從任務(wù)維度分析機床各時段的分布,運用生產(chǎn)效率評價機床任務(wù)維度利用情況,具體公式為

(1)

T1=t1+t2+t3+t4+t5

(2)

式(1)和式(2)中:η1為生產(chǎn)效率;T1為任務(wù)從開始到結(jié)束所用總時間;t1為派工響應(yīng)時間;t2為加工前準備時間;t3為加工時間;t4為加工過程準備時間;t5為報檢時間;t6為2個任務(wù)之間的等待時間。圖2為任務(wù)維度機床時間段分布圖。

圖2 任務(wù)維度機床時間段分布圖

對于單個任務(wù)而言,加工時間在理想狀態(tài)下與零件標準工藝切削時間一致,若要提高生產(chǎn)效率,必須減少加工準備和報檢等生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié)的時間。若任務(wù)維度效率能有效提高,單臺設(shè)備在既定的計劃時間內(nèi)能完成更多任務(wù)。因此,提出利用運行效率指標評價設(shè)備的利用效率,具體公式為

(3)

式(3)中:η2為運行效率;T為自動排程(Advanced Planning and Scheduling,APS)系統(tǒng)中設(shè)備在日歷時間內(nèi)的上班時間(例如單班作業(yè)對應(yīng)的生產(chǎn)計劃時間為8 h,雙班作業(yè)對應(yīng)的生產(chǎn)計劃時間為16 h);n為統(tǒng)計周期內(nèi)設(shè)備完成的任務(wù)數(shù);s1～sn為各任務(wù)中的加工時間。

2 數(shù)控設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

根據(jù)上述分析開發(fā)相應(yīng)的數(shù)控設(shè)備狀態(tài)管控(Machine Management and Control,MMC)系統(tǒng)和移動生產(chǎn)管理APP。

MMC系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)Hadoop框架[5],與MES和MDM(Master Data Management)主數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成,主要功能是對機床數(shù)據(jù)進行采集、計算、存儲和展示。該系統(tǒng)具有高吞吐、低延時和穩(wěn)定的特性,能保證采集的數(shù)據(jù)指標的準確性,從而保證機床各類效率評價指標計算的準確性和可靠性,為企業(yè)管理者提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

移動生產(chǎn)管理APP從人和設(shè)備2個維度出發(fā),全面管理離散制造中的起重、報檢、轉(zhuǎn)運、設(shè)備維保和安全等生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié)。通過可視化的報表統(tǒng)計分析,實現(xiàn)輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息透明化,減少操作者等待行車、專檢、設(shè)備維修和異常處理等生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié)消耗的時間,進而縮短機床停機時間和準備時間。

2.1 機床數(shù)據(jù)采集與集成

MMC系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)指標主要來源于機床控制系統(tǒng)和MES,共計28個(見表2),其中:機床控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指標主要包括狀態(tài)信息、控制軸信息和程序信息等;MES的數(shù)據(jù)指標主要包括任務(wù)編號、任務(wù)狀態(tài)及各狀態(tài)開始和結(jié)束時間等。

表2 效率相關(guān)采集指標

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

MMC系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖3;MMC系統(tǒng)首頁見圖4;移動生產(chǎn)管理APP功能界面見圖5。

圖3 MMC系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖4 MMC系統(tǒng)首頁

圖5 移動生產(chǎn)管理APP功能界面

移動生產(chǎn)管理APP由設(shè)備維保模塊、起重報工模塊和報檢呼叫模塊組成,其中:設(shè)備維保模塊的主要功能是設(shè)備故障上報和維保提醒,促使維修人員按要求進行設(shè)備保養(yǎng),減少因設(shè)備發(fā)生故障而導(dǎo)致停機的時間;起重報工模塊和報檢呼叫模塊主要用于為管理人員每周分析統(tǒng)計報檢和起重的任務(wù)數(shù)量、響應(yīng)時間、工作時間等指標,制訂激勵措施,提高報檢和起重效率,減少加工過程準備時間。

3 典型應(yīng)用案例

下面以武漢船用機械有限責(zé)任公司的液貨產(chǎn)品數(shù)字化車間為例,對該方法的有效性進行驗證。該車間現(xiàn)有38名工人,19臺機床,主要生產(chǎn)貨油泵和噴水推進產(chǎn)品,屬于典型的離散型制造,通過采用本文所述方法,機床利用效率得到了顯著提升。

3.1 機床利用效率提升方法應(yīng)用

管理者通過車間內(nèi)的顯示屏和看板實時掌握各機床的運行狀態(tài)、報檢和異常報警等信息,同時每周以周報的形式統(tǒng)計分析各機床的效率指標,并根據(jù)管理經(jīng)驗設(shè)定基準值。車間操作人員通過機床實時狀態(tài)看板掌握機床的運行狀態(tài),以及當日累計加工時間和準備時間等信息,通過手機移動生產(chǎn)管理APP終端發(fā)起起重、報檢和設(shè)備維修等業(yè)務(wù)。機床實時狀態(tài)看板見圖6;報檢與異?？窗逡妶D7。

3.2 設(shè)備效率指標分析

根據(jù)本文所述設(shè)備運行效率計算公式,結(jié)合液貨車間實際生產(chǎn)情況,對車間內(nèi)的19臺設(shè)備在2021年1月—2023年6月的平均運行效率進行統(tǒng)計分析,結(jié)果見圖8。由圖8可知,機床運行效率隨時間呈振蕩上升的趨勢,從最開始的31.26%提高到了約55.53%,效率提升效果顯著。

4 結(jié) 語

綜上所述,采用基于機床6種運行狀態(tài)的機床效率評價方法能實現(xiàn)對離散制造行業(yè)機床運行效率的有效評價,主要原因是通過數(shù)字化手段,有效縮短了生產(chǎn)輔助時間,同時提高了加工時間內(nèi)的實際切削時間占比?；谠摲椒ㄩ_發(fā)的數(shù)控設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)和生產(chǎn)管理APP已在武漢船用機械有限責(zé)任公司液貨產(chǎn)品數(shù)字化車間得到應(yīng)用,取得了較好的應(yīng)用效果,顯著提升了其數(shù)控機床的運行效率。