公差優(yōu)化中的制造成本估算
時(shí)間:2011-05-30 08:39:14 來(lái)源:未知
1 簡(jiǎn)介
公差設(shè)計(jì)應(yīng)在使用要求及加工能力的約束下以成本最低作為目標(biāo)函數(shù)。此成本應(yīng)包含產(chǎn)品生命期中多項(xiàng)成本因素的綜合總成本，其中包括制造成本、質(zhì)量損失成本、廢次品損失成本、庫(kù)存成本及機(jī)會(huì)損失成本等。制造成本是指產(chǎn)品在制造過(guò)程中發(fā)生的各種損耗的總和，是各種成本因素中最直接、最必不可少的成本因素。因此，對(duì)公差與制造成本進(jìn)行建模是公差優(yōu)化中的基礎(chǔ)問(wèn)題。
設(shè)計(jì)公差與成本關(guān)系的建模方法應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)師所掌握的制造系統(tǒng)信息的不同而有所不同。當(dāng)設(shè)計(jì)師能夠獲得一組經(jīng)驗(yàn)公差——成本數(shù)據(jù)時(shí)，可利用曲線擬合法進(jìn)行建模，即根據(jù)已知的公差——成本數(shù)據(jù)擬合出公差——成本關(guān)系曲線，從而得到任意公差所對(duì)應(yīng)的成本數(shù)值。在此方向上，Speckhart提出了指數(shù)模型，Spotts提出了倒數(shù)平方模型，Dong & Hu提出了多項(xiàng)式模型，S.H.Yeo等提出了自然樣條模型。曲線擬合法以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其使用不需要公差設(shè)計(jì)師了解該設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)際加工過(guò)程。換言之，公差設(shè)計(jì)師在使用曲線擬合法時(shí)已假定，現(xiàn)有的工廠加工環(huán)境與獲取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)的加工環(huán)境是一致的。而當(dāng)加工環(huán)境已發(fā)生改變時(shí)(這種情況在實(shí)際中極有可能發(fā)生)，使用曲線擬合法所帶來(lái)的誤差是可想而知的。
利用曲線擬合法得出的成本數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)擬合推理得出的間接數(shù)據(jù)。如果此時(shí)公差設(shè)計(jì)師能夠獲取產(chǎn)品實(shí)際加工過(guò)程的有關(guān)信息，就能對(duì)制造成本進(jìn)行直接計(jì)算從而獲取直接成本數(shù)據(jù)。這一要求在先進(jìn)制造理念下是完全可以實(shí)現(xiàn)的。
虛擬制造要求對(duì)整個(gè)制造系統(tǒng)建模，使設(shè)計(jì)師在得出某一設(shè)計(jì)方案的同時(shí)就能擬合出實(shí)現(xiàn)該方案的整個(gè)制造過(guò)程，從而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和修改。在此觀念下實(shí)現(xiàn)的CAD/CAM集成環(huán)境即可以并行地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程的確定。因此我們?cè)诠钤O(shè)計(jì)的同時(shí)，可以獲取制造過(guò)程的有關(guān)信息，直接估算制造成本。
實(shí)際上，現(xiàn)在企業(yè)正是采用直接計(jì)算法計(jì)算產(chǎn)品成本。因此，公差優(yōu)化中對(duì)制造成本的直接估算是否能借用這一方法是值得考慮的問(wèn)題。本文對(duì)現(xiàn)有成本計(jì)算方法和公差優(yōu)化的要求進(jìn)行了分析對(duì)比，說(shuō)明了前者不能適應(yīng)后者，并提出了基于公差優(yōu)化的成本計(jì)算方法。
2 公差成本計(jì)算與成本會(huì)計(jì)
所有企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品成本計(jì)算時(shí)，必須注意，企業(yè)普遍遵循成本會(huì)計(jì)的原則和方法進(jìn)行產(chǎn)品成本的核算，這種方法與公差設(shè)計(jì)師的要求存在著明顯的差異。在公差優(yōu)化中，應(yīng)進(jìn)行公差成本計(jì)算。公差成本即是那些與公差設(shè)計(jì)有關(guān)的，對(duì)公差設(shè)計(jì)敏感的成本因素的總和。成本會(huì)計(jì)中的很多因素在公差成本計(jì)算中是完全可以忽略的。
成本會(huì)計(jì)中的產(chǎn)品成本是將生產(chǎn)期間的所有直接費(fèi)用和間接費(fèi)用歸集到單位產(chǎn)品之上形成的，包括材料費(fèi)、工人及管理人員工資、機(jī)床折舊及修理費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、差旅費(fèi)等。而公差成本只考慮產(chǎn)品加工過(guò)程中的各種損耗，計(jì)算那些與公差設(shè)計(jì)有關(guān)的損耗，這兩者是有本質(zhì)區(qū)別的。
另外，在企業(yè)成本計(jì)算中常以工時(shí)作為成本的一種衡量尺度，將技術(shù)難度等附加要求折算成工時(shí)，從而補(bǔ)償工人工資。因此工時(shí)往往不能代表實(shí)際加工所占用的時(shí)間。而公差設(shè)計(jì)師由于要考慮機(jī)會(huì)成本等因素，其工時(shí)概念應(yīng)具有實(shí)際的時(shí)間意義。
因此筆者根據(jù)以上特點(diǎn)，針對(duì)公差設(shè)計(jì)提出了不同于成本會(huì)計(jì)法的成本核算法——多參數(shù)公式法。
3 多參數(shù)公式法
多參數(shù)公式法是以加工系統(tǒng)的狀態(tài)為依據(jù)，計(jì)算產(chǎn)品加工過(guò)程中與公差有關(guān)的各種損耗，其總和作為產(chǎn)品的公差成本。多參數(shù)公式法是在已知制造系統(tǒng)狀態(tài)的情況下對(duì)公差與制造成本關(guān)系的建模方法，其中加工系統(tǒng)的狀態(tài)是以多參數(shù)的形式出現(xiàn)在公式中的。利用多參數(shù)公式法對(duì)制造成本進(jìn)行估算，要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)公差的同時(shí)就要明確該公差所對(duì)應(yīng)的整個(gè)制造工藝過(guò)程以及與產(chǎn)品在制造周期中的各種損耗有關(guān)的各種參數(shù)和狀態(tài)，如機(jī)床準(zhǔn)備時(shí)間與啟動(dòng)費(fèi)用、機(jī)床折舊率、刀具磨損率、加工時(shí)間及工資系數(shù)、車(chē)間基礎(chǔ)消耗等。這樣既符合虛擬制造的概念，也可以在CAD/CAM集成的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。
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由于制造系統(tǒng)構(gòu)成及產(chǎn)品加工工藝路線的不同，在制造過(guò)程中的損耗會(huì)有所差異，因此多參數(shù)公式法的具體形式也會(huì)有所差異，在此僅以一實(shí)例說(shuō)明多參數(shù)公式法的運(yùn)用。對(duì)于某工廠某一零件的表面特征為
(1)
式中：i——該零件特征的工序序列，1，2，…n
toi——工序i所用機(jī)床的單件準(zhǔn)備時(shí)間(toi=機(jī)床準(zhǔn)備時(shí)間/每?jī)纱螠?zhǔn)備中加工數(shù)量)，h
ti——工序i所用的實(shí)際加工時(shí)間，h
si——工序i的每小時(shí)加工工資定額，元
oi——工序i所用機(jī)床的每小時(shí)折舊額，oi=(機(jī)床價(jià)格-殘差)/機(jī)床壽命小時(shí)數(shù)，元/h
mi——工序i所用刀具的時(shí)損耗金額，元
b——每小時(shí)單件車(chē)間基礎(chǔ)消耗(車(chē)間基礎(chǔ)消耗包括能源、管理費(fèi)用等)，b=車(chē)間日平均消耗(元)/(平均日產(chǎn)量×24)，元/件·h
以上各參數(shù)均為已知量。
式(1)在計(jì)算成本時(shí)未考慮材料費(fèi)用，這是因?yàn)楣钤O(shè)計(jì)幾乎不影響對(duì)毛坯的選擇。式(1)得出的是單件，甚至是對(duì)于某一零件特征的單件公差成本。式(1)中的ti是實(shí)際工時(shí)，由于工序不同而引起技術(shù)含量不同體現(xiàn)在工資基數(shù)si中而不折算在ti中。
該廠近期對(duì)機(jī)床進(jìn)行了更新調(diào)整，為了降低成本，調(diào)整了零件的設(shè)計(jì)公差，經(jīng)實(shí)踐確定了新的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。利用多參數(shù)公式法進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果符合經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，體現(xiàn)了多參數(shù)公式法的可行性。
多參數(shù)公式法考慮了某一零件特征在加工過(guò)程中的各種損耗，是對(duì)該特征公差與制造成本的建模方法。在多參數(shù)公式法中未考慮車(chē)間管理對(duì)成本的影響。但某些車(chē)間管理因素，如廢次品處理、庫(kù)存管理等對(duì)公差設(shè)計(jì)是敏感的。公差設(shè)計(jì)師應(yīng)在計(jì)算總成本時(shí)，應(yīng)在制造成本以外，另行考慮這些問(wèn)題。
4 總結(jié)
筆者分析比較了傳統(tǒng)的制造成本的計(jì)算方法，提出了已知制造系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，對(duì)公差設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化為目標(biāo)的產(chǎn)品制造成本的估計(jì)方法，即在已知制造系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)公差與制造成本的建模方法。傳統(tǒng)的曲線擬合法以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)確定公差—成本曲線，因此不需要公差設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際加工環(huán)境做出了解。此方法在加工環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的情況下或無(wú)法對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行調(diào)研時(shí)使用是簡(jiǎn)潔有效的。但由于曲線擬合法所得到的是經(jīng)過(guò)推理的間接數(shù)據(jù)，當(dāng)制造系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，曲線擬合法無(wú)法作出相應(yīng)調(diào)整，因而存在較大的系統(tǒng)誤差。當(dāng)有條件對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行調(diào)研時(shí)，采用多參數(shù)公式法可獲取直接成本數(shù)據(jù)，且修改公式中的參數(shù)可以隨時(shí)迅速地適應(yīng)加工環(huán)境的變化，因此多參數(shù)公式法具有更強(qiáng)的準(zhǔn)確性與靈活性。此外應(yīng)指出，多參數(shù)公式法更加適應(yīng)虛擬制造及并行工程的要求，可作為在CAD/CAM集成環(huán)境及虛擬制造系統(tǒng)中的有力工具。