Современное серийное и крупносерийное производство выдвигает требования создания гибких производственных систем, сочетающих в себе высокую производительность и быструю переналаживаемость. Такие системы, предназначающиеся для устойчивой группы близких по конструкции и технологии обработки деталей с достаточно большими годовыми программами выпуска, наиболее целесообразно создавать, основываясь на методе концентрации операций и принципе агрегатирования. При этом гибкость системы достигается за счет смены инструментов и инструментальных блоков, перестройки силовых головок и переналадки (или замены) приспособлений для закрепления деталей изменения цикла работы станков.
        Задачи оптимального проектирования ТСМ для серийного производства значительно сложнее аналогичных задач для массового производства. Широкое применение блочно-модульного принципа построения систем, применение сменных многошпиндельных коробок, переналаживаемых манипуляторов и роботов для загрузки, транспортирования и разгрузки деталей, использование программируемых контроллеров (ПК) для перестройки циклов управления работой оборудования и компьютеров для управления процессом в целом создают условия эффективного использования метода высокой концентрации операций в серийном и мелкосерийном производстве, но не снимают задачу поиска оптимальных вариантов технологических процессов и схем построения ТСМ.
        Таким образом, в условиях групповой обработки важной является проблема синтеза оптимальной структуры гибкой станочной системы из унифицированных узлов для конкретной группы деталей с заданными годовыми программами выпуска.
        Проблема синтеза гибких станочных линий для условий серийного производства содержит следующие задачи:
        – разработку группового технологического маршрута обработки деталей;
        – генерирование необходимого множества вариантов структурно-компоновочных схем станочных систем, различающихся по степени концентрации операций;
        – оценку эффективности вариантов и разработку метода оптимизации, приемлемого для решения задач технологического;
        – проектирования гибких систем.
        Для решения задачи оптимизации в этих условиях также попользован метод направленного поиска.
        В качестве критерия эффективности вариантов используются приведенные затраты на годовой выпуск продукции, вычисляемые с разной степенью приближения в зависимости от того, на каком этапе «ветвления» проводится оценка эффективности (табл. 1).

Таблиця 1. Формулы для расчета критерия оптимальности

Уровень оценок	Формулы для расчета критерия оптимальности
I
II
III

Обозначения: 3 – приведенные затраты на обработку всей группы деталей; i – номер детали; j – номер станочной операции (номер станка); 3_i – приведенные затраты на обработку годовой программы выпуска i-й детали в течение времени F_j (руб.); N_j – годовая программа выпуска i-й детали (шт.); δ = 1,15 – коэффициент заработной платы с начислениями; β – общие накладные расходы в долях заработной платы, включающие расходы на текущий ремонт оборудования; S_cт – заработная плата станочника(руб/мин); Т_Фij(Т'_Фij) – трудоемкость обработки i-й детали на j-м станке, имеющем групповую (простейшую) компоновку (мин/шт.); Е_н = 0,15-0,20 – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; а = 0,143 – коэффициент амортизационных отчислений; F_д – действительный годовой фонд времени работы системы (мин); F_j – часть годового фонда времени, отводимая на обработку i-й детали (мин); m – число станочных операций для полной обработки группы деталей; А_ij – стоимость одного станка j-го вида в простейшей компоновке, предназначенного для обработки только i-й детали (руб.); а_i – число станков i-го вида для обработки группы деталей в течение времени F_Д; B_ij(B’_ij) – сумма удельных (отнесенных к 1 мин работы станка) потерь времени на устранение отказов механизмов B_отij (В'_отij), замену инструментов B_инij(B'_инij), ожидание наладчиков B_оij(B'_оij), при обработке i-й детали на j-м станке в групповой (простейшей) компоновке; T_ij(T’_ij) – время цикла j-го станка, имеющего групповую (простейшую), предназначенную для обработки только i-й детали компоновку (мин/шт.); Т_j(Т'_j)– такт выпуска i-й детали гибкой технологической системой (технологической системой для обработки только i-й детали) (мин/шт.); a_ij – число станков j-го вида (простейшей компоновки) для обработки i-й детали в течение времени F_Д; T_налij (T_налij) – потери времени на одну наладку j-го станка на обработку i-й детали, определяемые но групповой (простейшей) компоновке; 3(П_l) – приведенные затраты на обработку j-й подгруппы деталей (руб.); Δ = 1,3-1,6 – коэффициент, учитывающий занятость наладчика предварительной настройкой инструментов и наблюдением за работой станка; S_н – заработная плата наладчика (руб/мин); А_i – стоимость одного станка i-го вида в групповой комплектовке (руб.); И_i – стоимость годовой эксплуатации инструмента на i -м станке (руб.); f_ij – коэффициент многостаночного обслуживания; П_l – i подгруппа деталей; p – число подгрупп; γ – коэффициент, учитывающий наложенные (дополнительные) простои станков.

        Для оценки «перспективности» рассматриваемого подмножества по определенному правилу выбирают вариант – представитель (наиболее эффективный из вариантов подмножества) и вычисляют приведенные затраты, которые при указанных условиях будут нижней оценкой для приведенных затрат по всем вариантам подмножества. Перспективным для дальнейшего разбиения считается то подмножество, для которого нижняя оценка приведенных затрат является наименьшей. Кроме того, для успешного функционирования метода необходимо, чтобы нижняя оценка одного и того же варианта изменялась только в сторону увеличения по мере углубления процесса «ветвления» (увеличения числа шагов оптимизации). Это достигается вследствие увеличения числа учитываемых при вычислении приведенных затрат факторов (за счет более детальной проработки вариантов – представителей подмножеств). Дополни тельные факторы должны в меньшей степени влиять на приведенные затраты по сравнению с основными, уже учтенными ранее.
        Рассмотрим применение этого метода для синтеза оптимальных структурно-компоновочных схем, станочных систем. Групповая обработка приводит к ряду особенностей функционирования станочной системы:
        а) станочная система для обработки группы деталей сложнее станочной системы для обработки подгруппы деталей или любой из деталей группы;
        б) продолжительности циклов и загрузка отдельных станков зависят от вида обрабатываемой детали, что приводит к увеличению простоев станков в результате несинхронности их работы и пропуска обработки некоторых деталей (если отсутствует склад и процесс построен по поточному методу);
        в) необходимость переналадок станочной системы при смене вида обрабатываемой детали.
Эти особенности приводят к необходимости учета дополнительных факторов при вычислении приведенных затрат на обработку всех деталей группы и более точного расчета нижних оценок для каждого из рассматриваемых подмножеств вариантов. В частности, для объективного сравнения конкурирующих вариантов необходимо оптимальное решение частных задач, таких, как выбор величины партии деталей и частоты переналадок, выбор последовательности запуска деталей, минимизирующей затраты времени на переналадку.

        Первый шаг. В соответствии с классификацией схем (см. рис.) все множество вариантов разбивается на три класса. По определенному правилу выбирают варианты – представители каждого класса и вычисляют приведенные затраты на годовой выпуск деталей группы по приближенным формулам, исходя из 100%-ной надежности станков, отсутствия потерь времени на переналадки и затрат на инструмент. При подсчете трудоемкости обработки каждой детали и капитальных затрат на оборудование исходим из простейших компоновок станочной системы, не учитывая стоимости тех элементов структурно-компоновочных схем, которые не используются при обработке данной детали (силовые головки, однопозиционные станки, отдельные позиции многопозиционных станков и т. п.). Это позволяет получить нижние оценки приведенных затрат для каждого класса.
        При подсчете числа станков на каждой станочной операции необходимо учесть снижение их загрузки вследствие несинхронности работы и незанятости обработкой некоторых деталей группы. Для этого годовой фонд времени распределяют деталями группы в соответствии со станкоемкостями их обработки и годовыми программами выпуска:

        Если обозначить Т_ij – время цикла i-го станка (в простейшей компоновке) при обработке j-й детали, то можно получить
        – число станков i-го вида, необходимых для обработки j-й детали в течение времени F_j, а
        – число станков для обработки всех деталей в течение времени F_Д.
        Таким образом, приведенные затраты на обработку всех деталей группы в течение года могут быть подсчитаны как сумма приведенных затрат на обработку каждой из деталей в течение времени F_j по формуле
        где Т’_фij – трудоемкость обработки j-й детали на i-м станке в простейшей компоновке (мин/шт.), подсчитываемая по формуле
        в которой Т'_ij – время цикла i-го станка при обработке j-й детали (мин); f – коэффициент многостаночного обслуживания.
        Сравнивая оценки эффективности вариантов каждого класса, полученных но формуле (2.3), выбирают перспективный класс структурных схем.

        Второй шаг. Перспективный класс разбивают на три подкласса, соответствующих последовательной, параллельной и параллельно-последовательной обработке деталей (рис. 2.9). Определяют варианты – представители подклассов. Приведенные затраты рассчитывают по формуле (табл. 2.3, II уровень оценок), в которой более точно вычисляются трудоемкости обработки деталей и число станков в результате учета собственных простоев станков вследствие отказов механизмов оборудования и замены инструментов, а также потерь времени на переналадки. При этом последние рассчитывают приближенно, исходя из минимальных затрат времени на одну наладку станка на обработку между данной детали (T’_налij), числа L наладок в течение года, определяемого величиной партии и годовой программой данной детали. Таким образом, на этом шагу используем формулы

        где В'_обij и В'_инij – удельные потери времени в результате отказов оборудования и замены инструментов.
        Перспективный подкласс схем выбирают при сравнении вариантов по приведенным затратам.

        Третий шаг. Для каждого варианта в перспективном подклассе определяется число параллельных потоков (p>1), необходимых для обработки всех деталей группы, которая разбивается на l подгрупп П1,П2,…,Пn, с числом деталей n1, n2,...,n_p в каждой подгруппе. Детали в подгруппах объединяются таким образом, чтобы обеспечить равномерность загрузки оборудования по потокам, а также максимально упростить компоновки станочной системы для обработки деталей подгрупп. Приведенные затраты на обработку всей группы деталей подсчитывают как сумму приведенных затрат на обработку каждой из подгрупп:

        Расчет З проводим по самым точным формулам (III уровень оценок), рассматривая «компоновки станков, необходимые для обработки всех деталей подгруппы, и определяя их число с учетом потерь времени вследствие отказов оборудования и замены инструментов, ожидания наладчиков, а также с учетом наложения простоев и переналадок станков:         При этом Т_налij рассчитывают с учетом оптимальной последовательности запуска деталей подгруппы в обработку. Трудоемкость обработки деталей подсчитывают по формуле
        учитывающей фактическое время занятости станочника обслуживанием станка и активным наблюдением за его работой.
        Кроме того, в приведенные затраты включаются заработная плата наладчиков и стоимость инструмента. Таким образом,
        Вариант структурно-компоновочной схемы, для которого приведенные затраты минимальны, является оптимальным при условии, что все оценки, полученные на первом и втором шагах, для других вариантов оказываются выше. В противном случае необходимо вернуться к тем подмножествам вариантов, которые имеют нижние оценки эффективности меньше З, и уточнить их по формулам второго и третьего шагов.