公差優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。此成本應包含產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。制造成本是指產品在制造過程中發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化中的基礎問題。
設計公差與成本關系的建模方法應根據設計師所掌握的制造系統信息的不同而有所不同。當設計師能夠獲得一組經驗公差——成本數據時，可利用曲線擬合法進行建模，即根據已知的公差——成本數據擬合出公差——成本關系曲線，從而得到任意公差所對應的成本數值。在此方向上，Speckhart提出了指數模型，Spotts提出了倒數平方模型，Dong & Hu提出了多項式模型，S.H.Yeo等提出了自然樣條模型。曲線擬合法以經驗數據為基礎，其使用不需要公差設計師了解該設計產品的實際加工過程。換言之，公差設計師在使用曲線擬合法時已假定，現有的工廠加工環境與獲取經驗數據時的加工環境是一致的。而當加工環境已發生改變時(這種情況在實際中極有可能發生)，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據是經過擬合推理得出的間接數據。如果此時公差設計師能夠獲取產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據。這一要求在先進制造理念下是完全可以實現的。
虛擬制造要求對整個制造系統建模，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。在此觀念下實現的CAD/CAM集成環境即可以并行地進行產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，現在企業正是采用直接計算法計算產品成本。因此，公差優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。本文對現有成本計算方法和公差優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化的成本計算方法。
2 公差成本計算與成本會計
所有企業進行產品成本計算時，必須注意，企業普遍遵循成本會計的原則和方法進行產品成本的核算，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。
成本會計中的產品成本是將生產期間的所有直接費用和間接費用歸集到單位產品之上形成的，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，這兩者是有本質區別的。
另外，在企業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——多參數公式法。
3 多參數公式法
多參數公式法是以加工系統的狀態為依據，計算產品加工過程中與公差有關的各種損耗，其總和作為產品的公差成本。多參數公式法是在已知制造系統狀態的情況下對公差與制造成本關系的建模方法，其中加工系統的狀態是以多參數的形式出現在公式中的。利用多參數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品在制造周期中的各種損耗有關的各種參數和狀態，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、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集成的環境中實現。
#p#分頁標題#e#
由于制造系統構成及產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，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)/(平均日產量×24)，元/件·h
以上各參數均為已知量。
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在工資基數si中而不折算在ti中。
該廠近期對機床進行了更新調整，為了降低成本，調整了零件的設計公差，經實踐確定了新的最優設計方案。利用多參數公式法進行驗證，其結果符合經驗結果，體現了多參數公式法的可行性。
多參數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的制造成本的計算方法，提出了已知制造系統狀態時，對公差設計進行優化為目標的產品制造成本的估計方法，即在已知制造系統狀態時對設計公差與制造成本的建模方法。傳統的曲線擬合法以經驗數據為依據確定公差—成本曲線，因此不需要公差設計師對產品的實際加工環境做出了解。此方法在加工環境相對穩定的情況下或無法對加工環境進行調研時使用是簡潔有效的。但由于曲線擬合法所得到的是經過推理的間接數據，當制造系統狀態發生變化時，曲線擬合法無法作出相應調整，因而存在較大的系統誤差。當有條件對加工環境進行調研時，采用多參數公式法可獲取直接成本數據，且修改公式中的參數可以隨時迅速地適應加工環境的變化，因此多參數公式法具有更強的準確性與靈活性。此外應指出，多參數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集成環境及虛擬制造系統中的有力工具。