離散制造模式下的數控機床效率評價方法及其應用實踐

李 沨, 華 霖, 熊 登, 曾 力

(武漢船用機械有限責任公司 科技與信息化中心,武漢 430084)

0 引 言

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

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

隨著各行業對智能制造技術的深入應用,數字化車間逐漸增多,制造數據采集與狀態管理(Manufacturing Data Collection &Status Management,MDC)系統[2]和制造執行系統(Manufacturing Execution System,MES)[3]在離散行業的數字化車間內得到了廣泛應用。目前這2種系統關注的重點分別是機床狀態和作業任務管理。結合行業現狀進行分析,這2個系統在實際應用中的結合度較低,在提升車間精益管理和數控機床效率方面發揮的作用還不明顯。

本文從離散制造行業的數字化車間管理實際出發,研究科學評價數控機床效率的計算模型,并將數控機床所處的狀態細化為加工狀態、加工前準備狀態、加工過程準備狀態、空閑狀態、停機狀態和純關機狀態等6種。這些狀態的判定方法是通過對設備運行狀態與生產過程執行狀態進行聯合分析,充分將人機交互與設備監控結合起來。在武漢船用機械有限公司的液貨產品數字化車間內實際應用該評價方法,驗證其有效性。

1 數控機床效率評價方法

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

大型零件在生產組織過程中的應用環節主要分為加工環節和輔助環節,其中輔助環節通常是指零件的轉運、起吊、裝夾校正和質量檢測等。在一定的工作時間內,輔助時間越長,加工時間越短,數控機床的運行效率越低。

本文提出采用分步優化的方法提高數控機床運行效率,具體步驟是:

1) 通過各類信息化手段加快生產節奏,盡可能地縮短零件輔助時間;

2) 通過數控程序仿真縮短空走刀路徑,提高加工時間內的有效切削時間占比。

具體方法是將企業的MDC系統與MES相結合,其中:MDC系統主要用于對設備的運行狀態進行監控;MES主要用于對生產計劃和作業過程進行管理。對生產任務信息與設備運行狀態進行融合,細化出6種機床運行狀態[4]。機床運行狀態判斷邏輯見圖1;機床運行狀態解釋見表1。

表1 機床運行狀態解釋

圖1 機床運行狀態判斷邏輯

基于機床的6種狀態,統計加工時間、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據,結合離散加工生產的特點,從任務維度分析機床各時段的分布,運用生產效率評價機床任務維度利用情況,具體公式為

(1)

T1=t1+t2+t3+t4+t5

(2)

式(1)和式(2)中:η1為生產效率;T1為任務從開始到結束所用總時間;t1為派工響應時間;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個任務之間的等待時間。圖2為任務維度機床時間段分布圖。

圖2 任務維度機床時間段分布圖

對于單個任務而言,加工時間在理想狀態下與零件標準工藝切削時間一致,若要提高生產效率,必須減少加工準備和報檢等生產輔助環節的時間。若任務維度效率能有效提高,單臺設備在既定的計劃時間內能完成更多任務。因此,提出利用運行效率指標評價設備的利用效率,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)系統中設備在日歷時間內的上班時間(例如單班作業對應的生產計劃時間為8 h,雙班作業對應的生產計劃時間為16 h);n為統計周期內設備完成的任務數;s1～sn為各任務中的加工時間。

2 數控設備狀態管控系統設計與開發

根據上述分析開發相應的數控設備狀態管控(Machine Management and Control,MMC)系統和移動生產管理APP。

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

移動生產管理APP從人和設備2個維度出發,全面管理離散制造中的起重、報檢、轉運、設備維保和安全等生產輔助環節。通過可視化的報表統計分析,實現輔助生產環節信息透明化,減少操作者等待行車、專檢、設備維修和異常處理等生產輔助環節消耗的時間,進而縮短機床停機時間和準備時間。

2.1 機床數據采集與集成

MMC系統采集的數據指標主要來源于機床控制系統和MES,共計28個(見表2),其中:機床控制系統的數據指標主要包括狀態信息、控制軸信息和程序信息等;MES的數據指標主要包括任務編號、任務狀態及各狀態開始和結束時間等。

表2 效率相關采集指標

2.2 系統開發

MMC系統總體架構見圖3;MMC系統首頁見圖4;移動生產管理APP功能界面見圖5。

圖3 MMC系統總體架構

圖4 MMC系統首頁

圖5 移動生產管理APP功能界面

移動生產管理APP由設備維保模塊、起重報工模塊和報檢呼叫模塊組成,其中:設備維保模塊的主要功能是設備故障上報和維保提醒,促使維修人員按要求進行設備保養,減少因設備發生故障而導致停機的時間;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計報檢和起重的任務數量、響應時間、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 典型應用案例

下面以武漢船用機械有限責任公司的液貨產品數字化車間為例,對該方法的有效性進行驗證。該車間現有38名工人,19臺機床,主要生產貨油泵和噴水推進產品,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用

管理者通過車間內的顯示屏和看板實時掌握各機床的運行狀態、報檢和異常報警等信息,同時每周以周報的形式統計分析各機床的效率指標,并根據管理經驗設定基準值。車間操作人員通過機床實時狀態看板掌握機床的運行狀態,以及當日累計加工時間和準備時間等信息,通過手機移動生產管理APP終端發起起重、報檢和設備維修等業務。機床實時狀態看板見圖6;報檢與異常看板見圖7。

3.2 設備效率指標分析

根據本文所述設備運行效率計算公式,結合液貨車間實際生產情況,對車間內的19臺設備在2021年1月—2023年6月的平均運行效率進行統計分析,結果見圖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 語

綜上所述,采用基于機床6種運行狀態的機床效率評價方法能實現對離散制造行業機床運行效率的有效評價,主要原因是通過數字化手段,有效縮短了生產輔助時間,同時提高了加工時間內的實際切削時間占比。基于該方法開發的數控設備狀態管控系統和生產管理APP已在武漢船用機械有限責任公司液貨產品數字化車間得到應用,取得了較好的應用效果,顯著提升了其數控機床的運行效率。