公差優(yōu)化中的制造成本估算
時間:2011-05-30 08:39:14 來源:未知
1 簡介
公差設計應在使用要求及加工能力的約束下以成本最低作為目標函數(shù)。此成本應包含產(chǎn)品生命期中多項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、庫存成本及機會損失成本等。制造成本是指產(chǎn)品在制造過程中發(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，對公差與制造成本進行建模是公差優(yōu)化中的基礎問題。
設計公差與成本關系的建模方法應根據(jù)設計師所掌握的制造系統(tǒng)信息的不同而有所不同。當設計師能夠獲得一組經(jīng)驗公差——成本數(shù)據(jù)時，可利用曲線擬合法進行建模，即根據(jù)已知的公差——成本數(shù)據(jù)擬合出公差——成本關系曲線，從而得到任意公差所對應的成本數(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)驗數(shù)據(jù)為基礎，其使用不需要公差設計師了解該設計產(chǎn)品的實際加工過程。換言之，公差設計師在使用曲線擬合法時已假定，現(xiàn)有的工廠加工環(huán)境與獲取經(jīng)驗數(shù)據(jù)時的加工環(huán)境是一致的。而當加工環(huán)境已發(fā)生改變時(這種情況在實際中極有可能發(fā)生)，使用曲線擬合法所帶來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)過擬合推理得出的間接數(shù)據(jù)。如果此時公差設計師能夠獲取產(chǎn)品實際加工過程的有關信息，就能對制造成本進行直接計算從而獲取直接成本數(shù)據(jù)。這一要求在先進制造理念下是完全可以實現(xiàn)的。
虛擬制造要求對整個制造系統(tǒng)建模，使設計師在得出某一設計方案的同時就能擬合出實現(xiàn)該方案的整個制造過程，從而對設計方案進行評價和修改。在此觀念下實現(xiàn)的CAD/CAM集成環(huán)境即可以并行地進行產(chǎn)品設計及工藝過程的確定。因此我們在公差設計的同時，可以獲取制造過程的有關信息，直接估算制造成本。
實際上，現(xiàn)在企業(yè)正是采用直接計算法計算產(chǎn)品成本。因此，公差優(yōu)化中對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題。本文對現(xiàn)有成本計算方法和公差優(yōu)化的要求進行了分析對比，說明了前者不能適應后者，并提出了基于公差優(yōu)化的成本計算方法。
2 公差成本計算與成本會計
所有企業(yè)進行產(chǎn)品成本計算時，必須注意，企業(yè)普遍遵循成本會計的原則和方法進行產(chǎn)品成本的核算，這種方法與公差設計師的要求存在著明顯的差異。在公差優(yōu)化中，應進行公差成本計算。公差成本即是那些與公差設計有關的，對公差設計敏感的成本因素的總和。成本會計中的很多因素在公差成本計算中是完全可以忽略的。
成本會計中的產(chǎn)品成本是將生產(chǎn)期間的所有直接費用和間接費用歸集到單位產(chǎn)品之上形成的，包括材料費、工人及管理人員工資、機床折舊及修理費、運輸費、差旅費等。而公差成本只考慮產(chǎn)品加工過程中的各種損耗，計算那些與公差設計有關的損耗，這兩者是有本質(zhì)區(qū)別的。
另外，在企業(yè)成本計算中常以工時作為成本的一種衡量尺度，將技術難度等附加要求折算成工時，從而補償工人工資。因此工時往往不能代表實際加工所占用的時間。而公差設計師由于要考慮機會成本等因素，其工時概念應具有實際的時間意義。
因此筆者根據(jù)以上特點，針對公差設計提出了不同于成本會計法的成本核算法——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)，計算產(chǎn)品加工過程中與公差有關的各種損耗，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)的情況下對公差與制造成本關系的建模方法，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)公式法對制造成本進行估算，要求設計師在設計公差的同時就要明確該公差所對應的整個制造工藝過程以及與產(chǎn)品在制造周期中的各種損耗有關的各種參數(shù)和狀態(tài)，如機床準備時間與啟動費用、機床折舊率、刀具磨損率、加工時間及工資系數(shù)、車間基礎消耗等。這樣既符合虛擬制造的概念，也可以在CAD/CAM集成的環(huán)境中實現(xiàn)。
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由于制造系統(tǒng)構成及產(chǎn)品加工工藝路線的不同，在制造過程中的損耗會有所差異，因此多參數(shù)公式法的具體形式也會有所差異，在此僅以一實例說明多參數(shù)公式法的運用。對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所用機床的單件準備時間(toi=機床準備時間/每兩次準備中加工數(shù)量)，h
ti——工序i所用的實際加工時間，h
si——工序i的每小時加工工資定額，元
oi——工序i所用機床的每小時折舊額，oi=(機床價格-殘差)/機床壽命小時數(shù)，元/h
mi——工序i所用刀具的時損耗金額，元
b——每小時單件車間基礎消耗(車間基礎消耗包括能源、管理費用等)，b=車間日平均消耗(元)/(平均日產(chǎn)量×24)，元/件·h
以上各參數(shù)均為已知量。
式(1)在計算成本時未考慮材料費用，這是因為公差設計幾乎不影響對毛坯的選擇。式(1)得出的是單件，甚至是對于某一零件特征的單件公差成本。式(1)中的ti是實際工時，由于工序不同而引起技術含量不同體現(xiàn)在工資基數(shù)si中而不折算在ti中。
該廠近期對機床進行了更新調(diào)整，為了降低成本，調(diào)整了零件的設計公差，經(jīng)實踐確定了新的最優(yōu)設計方案。利用多參數(shù)公式法進行驗證，其結果符合經(jīng)驗結果，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程中的各種損耗，是對該特征公差與制造成本的建模方法。在多參數(shù)公式法中未考慮車間管理對成本的影響。但某些車間管理因素，如廢次品處理、庫存管理等對公差設計是敏感的。公差設計師應在計算總成本時，應在制造成本以外，另行考慮這些問題。
4 總結
筆者分析比較了傳統(tǒng)的制造成本的計算方法，提出了已知制造系統(tǒng)狀態(tài)時，對公差設計進行優(yōu)化為目標的產(chǎn)品制造成本的估計方法，即在已知制造系統(tǒng)狀態(tài)時對設計公差與制造成本的建模方法。傳統(tǒng)的曲線擬合法以經(jīng)驗數(shù)據(jù)為依據(jù)確定公差—成本曲線，因此不需要公差設計師對產(chǎn)品的實際加工環(huán)境做出了解。此方法在加工環(huán)境相對穩(wěn)定的情況下或無法對加工環(huán)境進行調(diào)研時使用是簡潔有效的。但由于曲線擬合法所得到的是經(jīng)過推理的間接數(shù)據(jù)，當制造系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，曲線擬合法無法作出相應調(diào)整，因而存在較大的系統(tǒng)誤差。當有條件對加工環(huán)境進行調(diào)研時，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)可以隨時迅速地適應加工環(huán)境的變化，因此多參數(shù)公式法具有更強的準確性與靈活性。此外應指出，多參數(shù)公式法更加適應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。