Принципы построения современных машиностроительных производств

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.8

Принципы построения

современных машиностроительных производств

А. А. Кутин, С. Н. Остапенко

Рассмотрены пути развития высокотехнологичных машиностроительных производств в России и ведущих зарубежных странах. Предложены подходы к построению современных предприятий на основе инновационных проектов создания цифровых производств. В статье уделено внимание процессам обеспечения технологичности проектируемых изделий и системно связанным информационным и производственным технологиям, методам организации технологической подготовки производства иуправ-ления предприятием.

Ключевые слова: цифровое производство, производственные технологии, информационная поддержка жизненного цикла изделия, бережливое производство.

Введение

Одним из главных условий технического прогресса в настоящее время является постоянное обновление выпускаемой инновационной продукции, а одним из основных требований к современному производству — обеспечение возможности освоения новой продукции при минимальных затратах времени.

При современных темпах развития науки и техники главное требование к высокопроизводительному и высокоэффективному производству сводится к следующему: производство должно быть готово и способно в любой момент безубыточно прекратить изготовление освоенной продукции и в короткий срок обеспечить подготовку производства и выпуск требуемой партии новых изделий. Решить эти задачи на единой индустриальной платформе позволяет идеология создания цифровых производств.

В большинстве случаев под термином «цифровое производство» подразумевается информационная (электронная) модель высокотехнологичного производства, охватывающая основные направления перспективных производственных технологий, новых материалов и

информационно-коммуникационного обеспечения [1]. Модель включает информацию обо всех производственных процессах, а также полный объем информации об изделии (технической, технологической, экономической, эксплуатационной), который можно дезагрегировать по этапам жизненного цикла изделия или проекта.

Применение технологий цифрового производства на предприятиях оборонно-промышленного комплекса (ОПК) позволит:

• существенно повысить гибкость производства предприятий ОПК в целях обеспечения их конкурентоспособности;

• сократить сроки постановки на производство специальной продукции новых поколений, увеличить объемы выпуска высокотехнологичной продукции;

• снизить расходы всех видов ресурсов (временных, материальных, финансовых и трудовых) на проектирование, реинжиниринг и последующее производство как существующих, так и принципиально новых образцов специальной техники;

• кардинально изменить структуру запасов вооружений, комплектующих, материалов, запасов технологической оснастки в мо-

билизационных резервах предприятий ОПК по продукции, снятой с производства, но еще находящейся в эксплуатации;

• обеспечить сокращение сроков ремонта вооружений и военной техники на предприятиях ОПК.

С учетом международных санкций и ограничений на поставку высокотехнологичного оборудования из США и стран ЕС инновационное проектирование цифровых производств для предприятий ОПК должно осуществляться в соответствии с требованиями Правительства РФ в жестких условиях импортозамещения.

Зарубежный и отечественный опыт создания новых машиностроительных производств

Особенностью инновационного развития производств в ближайшие 15 лет станет развитие технологий, обеспечивающих научно-технические прорывы в областях разработки принципиально новых видов материалов, продукции, обладающей ранее недостижимыми возможностями, а также технологий, формирующихся на стыке различных предметных областей. При этом ожидается возникновение качественно новых эффектов в различных сферах применения таких технологий. Особенно это относится к сектору производственной сферы. Ожидается формирование новых производственных технологий, обеспечивающих в рамках традиционных отраслей существенное изменение характера производственных процессов и свойств готовой продукции. Прежде всего, предполагается интеграция информационных и производственных технологий как основы создания цифровых высокотехнологичных производств.

Развитие производств тесным образом связано с формированием научно-технологических приоритетов, которые направлены на решение стратегических проблем экономического развития, обеспечение эффективного использования национальных конкурирующих преимуществ, концентрацию усилий на практической реализации технологий по созданию инновационной продукции.

Формирование научно-технологических приоритетов началось в США в 50-е годы прош-

лого столетия. В 1970-х годах в Японии начались работы по долгосрочному прогнозу технологического развития. К середине 1990-х годов подобные работы получили широкое распространение в ряде стран мира. В настоящее время большое внимание выбору научно-технологических приоритетов уделяется в Европейском союзе. Следует отметить седьмую рамочную программу научных исследований, технологического развития и демонстрационной деятельности. В рамках этой программы определены 10 направлений научно-технологического развития, и одним из основных направлений является создание цифровых производств [2].

В США Агентство передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) отвечает за разработку новых технологий для использования в вооруженных силах [3]. Миссией DARPA являются сохранение технологического превосходства вооруженных сил США, предотвращение внезапного для США появления новых технических средств вооруженной борьбы, поддержка прорывных исследований, преодоление разрыва между фундаментальными исследованиями и их применением в военной сфере. Результаты разработок непосредственно связаны с их практической реализацией на предприятиях будущего.

IDA (Institute for Defense Analysis, Институт оборонных аналитических исследований, США) проводит анализ научно-технологических приоритетов и уровня разработок в различных странах мира (Германия, Китай, Великобритания, Корея, Япония, Россия). Формируются прогнозы развития различных направлений, особое внимание уделяется междисциплинарным направлениям.

Фирма Siemens разработала программу «Промышленность 4.0», в которой основное внимание отводится методам и средствам создания в Германии полностью цифровых производств к 2025 году [4]. Аналогичные цели имеют китайская программа «Производство 2025», японская программа перехода к производствам шестого технологического уклада [5].

Исходными документами для технологического перевооружения и модернизации машиностроительных производств в России служат «Стратегия инновационного развития

Российской Федерации на период до 2020 года», «Прогноз научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года», а также утвержденный перечень приоритетных научно-технических направлений и критических технологий.

Анализ тенденций формирования в промышленности индустриально развитых стран предприятий нового технологического уклада [6] подтвердил необходимость корректировки существующего перечня критических

технологий Российской Федерации. Базовые принципы выбора приоритетов научно-технологического развития ориентированы на потенциальный рыночный спрос инновационных продуктов и никак не связаны с производственно-технологическими, организационными и кадровыми возможностями предприятий [7]. В результате такого подхода не всегда удается разработать технологии для серийного эффективного изготовления инновационной продукции. Очень часто в про-

Рис. 1. Производственно-технологический подход к формированию научно-технологических приоритетов:

|Гэф ¿} — множество 1-х требований, предъявляемых к эффективности изготовления изделия; |Гпр ¿} — множество 1-х требований, предъявляемых к производству

цессе разработки создаются только экспериментальные, опытные образцы новых машин и изделий и соответствующие им опытные технологии, которые не позволяют организовать серийное производство инновационных изделий и внести достойный вклад в увеличение ВВП. Сложившаяся практика такова, что имеющиеся формальные требования в государственных стандартах о проработке технологичности изделия не интересуют заказчика и отсутствуют в техническом задании и конструкторской документации на новое изделие, что кардинально отличает отечественную практику от зарубежной.

Новый подход к формированию научно-технологических приоритетов показан на рис. 1. По мнению авторов, такой подход позволит определять научно-технологические приоритеты на современном этапе через призму обеспечения серийного изготовления технологичных инновационных изделий.

Реализация предложенного подхода на практике позволяет проводить модернизацию и технологическое перевооружение предприятий для изготовления новых видов вооружений и военной техники. Так, на основании результатов комплексного аудита формируются Программы реструктуризации и развития промышленных предприятий ОАО «Концерн ПВО "Алмаз—Антей", реализация которых улучшает их производственные и экономические показатели. Методика комплексного аудита обеспечивает мониторинг выполнения программ и формирование предложений для их корректировки [8].

Информационные и производственные

технологии предприятий будущего

Непрерывное развитие и поддержка жизненного цикла (ЖЦ) изделий осуществляются с помощью технологий PLM (Product Lifecycle Management). Эти технологии позволяют постоянно улучшать как ЖЦ самого изделия, так и процессы взаимодействия поставщика (производителя) и потребителя [9].

Разработка информационной модели подразумевает создание единого информационного пространства (ЕИП) предприятия. Формирование единого информационного простран-

ства и реорганизация бизнес-процессов с учетом наличия электронной информации являются ключевыми факторами, определяющими эффективность использования программных и аппаратных средств.

Международные стандарты на представление электронных данных не учитывают отечественной специфики формирования марш-рутно-операционной технологии изготовления и не могут быть использованы на этапах эксплуатации и обслуживания изделия.

Для регламентирования процедур обмена электронными данными на этапах проектирования и изготовления продукции необходимо разработать стандарт предприятия, учитывающий отечественную нормативную базу. Для решения этой задачи следует детально проработать схемы информационных потоков на предприятии и после проведения их оптимизации разработать основополагающие принципы организации ЕИП, обеспечивающего не только оперативное управление информацией, но и ее достоверность. В ОАО «Концерн ПВО <Алмаз—Антей"» разработана функциональная схема управления полным жизненным циклом вооружений, военной и специальной техники [10], в том числе с учетом принципов бережливого производства [11].

Практика отечественных машиностроительных предприятий показывает, что применение РЬМ-технологий не всегда обеспечивает достижение требуемых целей.

Информационная поддержка должна охватывать не только все этапы ЖЦ изделий машиностроения, но и сопряженные процессы, выполняемые на каждом этапе. Проведенный анализ применения РЬМ-технологий позволил выявить основные проблемы невысокой эффективности их использования:

• информационные проблемы — отсутствует однозначное представление данных об изделии; не исключены потери данных при их передаче между этапами ЖЦ;

• методические проблемы — недостаточно формализованы связи между данными о компонентах изделия, производственной средой и процессами, а также алгоритмы принятия проектных решений;

• организационные проблемы — не обеспечена требуемая согласованность сопряженных

Рис. 2. Комната виртуальной реальности класса CAVE

видов деятельности; недостаточно проработаны решения, обеспечивающие формирование достоверных и непротиворечивых данных.

Кроме информационных технологий поддержки жизненного цикла изделия необходимы информационные технологии проектирования производственных систем, которые основаны на разработке и применении:

• средств 3D-моделирования производственно-технологических комплексов, цифрового производства по технологии Capturing Motion (в комнатах виртуальной реальности, рис. 2);

• технологий цифрового манекена, которые позволяют не только улучшить эргономику конструкции изделия (вооружений и военной техники), но также усовершенствовать технологические процессы и операции технического обслуживания в цифровых производствах;

• технологий математического моделирования производственных процессов на этапах конструкторско-технологического обеспе-

чения, подготовки производства, освоения новых технологий цифрового производства;

• интеллектуальных технологий (систем) инновационной подготовки цифрового производства, которые должны прийти на смену морально устаревшим системам конструкторской, технологической и организационной подготовки производства;

• имитационного моделирования материальных потоков в цифровом производстве и анализа эффективности инновационных проектов в целом.

После создания моделей всего парка технологического оборудования требуется вставить их в производственный корпус. Это удобно сделать, сформировав предварительно участки в отдельные сборки (рис. 3, а, б).

Далее при необходимости проект можно доукомплектовать дополнительными объектами (рис. 3, в) до полного создания наглядного макета интеллектуального роботизированного производства в производственном корпусе.

Кроме информационных технологий важным аспектом эффективной реализации цифровых производств является разработка новых производственных технологий. Для цифрового производства наиболее перспективны следующие технологии.

Технологии «безлюдного» производства на базе гибких производственных систем (ГПС). В настоящее время использование в наукоемком машиностроительном производстве отдельно стоящих станков с ЧПУ для автоматизированного изготовления сложных деталей имеет ряд существенных недостатков, основными из которых являются [12]:

• большие временные затраты на переналадку оборудования при смене обрабатываемой детали (изменение номенклатуры);

Рис. 3. 3D-модели оборудования производственных участков в сборках

• простои оборудования при временном разрыве в графике поступления заготовок в рамках нескольких изделий;

• невозможность эксплуатации оборудования в автономном режиме в ночные смены и выходные дни;

• невозможность оптимизации технологических процессов.

Аддитивные технологии (АТ). Предполагают формирование детали путем последовательного «наращивания» материала слой за слоем [13]. В качестве модельных материалов используются жидкие, порошковые, нитевидные полимеры, литейные воски, листовые материалы — металлопрокат, бумага, пленка, гипсовые композиции, плакированный литейный песок и др. Суть АТ-технологий состоит в послойном построении, послойном синтезе изделий — моделей, форм, мастер-моделей и т. д. — путем фиксации слоев модельного материала и их последовательного соединения различными способами: спеканием, сплавлением, склеиванием, полимеризацией — в зависимости от нюансов конкретной технологии. Идеология аддитивных технологий базируется на цифровых технологиях, в основе которых лежат цифровое описание изделия и его компьютерная модель.

Основные перспективы развития аддитивных технологий связывают с созданием новых конструкций изделий, ранее не проектируемых в связи с невозможностью изготовления (например, сложные изделия с внутренними полостями), а также с изготовлением высокоточных заготовок сложной формы для повышения коэффициента использования дорогостоящих конструкционных материалов.

Гибридные технологии. В сфере материа-лообработки гибридными технологиями в общем случае называют технологии одновременного воздействия различных методов на материал. Это могут быть обработка давлением совместно с каким-нибудь тепловыми источниками, обработка резанием с индукционным и импульсным воздействием.

Например, гибридный обрабатывающий центр HSTM 1000 Hybrid производства компании Hamuel Maschinenbau (Германия) предназначен для восстановления дорогостоящих металлических деталей, таких как лопасти компрессоров двухконтурных турбореактивных

двигателей, методом наплавления. Станок позволяет выполнять лазерное плакирование (наплавление порошкового металлического сплава), пятиосевую фрезерную обработку, полирование, контроль точности и лазерную разметку. Преимущество такого комбинированного решения — это возможность выполнить все операции за один технологический установ, благодаря чему исключается появление погрешностей повторного базирования детали и экономится много времени. Кроме того, такой гибридный станок занимает сравнительно мало места и стоит гораздо дешевле аналогичных по возможностям набора специализированных станков с ЧПУ.

В цифровом производстве, несомненно, применяются и другие технологии, прежде всего для обеспечения требуемого качества изделий. Реализация принципов цифрового производства заключается в органичном соединении прорывных информационных и производственных технологий для обеспечения принципиально новых значений показателей эффективности предприятий.

Заключение

Проведенные исследования достижений и проблем в сфере высокотехнологичных производств позволили сделать основной вывод о том, что в последние годы высокоразвитые страны и Китай проводят интенсивные разработки по созданию производств нового поколения, так называемых цифровых производств.

Разрабатываемые программы «Промышленность 4.0» «Китайское производство 2025» нацелены на создание новых производств, в которых на системной основе будут объединены этапы конструкторско-технологи-ческой подготовки производства, изготовления продукции и управления предприятием. Оптимальные типовые решения фиксируются в виде библиотек конструктивных элементов изделий и ресурсов, технологических процессов и компоновок оборудования в целях сокращения временных затрат и увеличения эффективности всех принимаемых проектных решений.

Настоящая статья открывает цикл статей по созданию современных машиностроитель-

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

ных производств, включая вопросы организации производства на принципах lean production, созданию интерактивных баз данных прогрессивного оборудования, инструмента, средств автоматизации и контроля, построению методик выбора конкурентоспособных производственных систем.

Литература

1. Григорьев С. Н., Кутин А. А., Долгов В. А. Принципы построения цифровых производств в машиностроении // Вестн. МГТУ Станкин. 2014. № 4 (31). С. 10-15.

2. Emerging Global Trends in Advanced Manufacturing. IDA, Paper P-4603, 2012. 73 p.

3. Исследовательская программа DARPA на 2015 г. SSRN 2439081, 2014.

4. Verdi Ogewell Siemens, Tesis PLMware and concept Industry 4.0 / CAD/CAM/CAE Observer N 2 (86)/2014.

5. Шестой японский прогноз развития науки, техники и технологий до 2025 г. М.: АСМС,2001, 661 с.

6. Селиванов С. Г., Гузаиров М. Б., Кутин А. А. Ин-новатика. М.: Машиностроение, 2013. 640 с.

7. Поздняк А. Ю., Шашнов С. А. Научно-технологические приоритеты для модернизации российской экономики // Форсайт. 2011. Т. 5, № 2. С. 48-56.

8. Остапенко С. Н. Комплексный аудит предприятий ОАО «Концерн ПВО "Алмаз—Антей"». Методический подход и основные результаты // Вестн. Концерна ПВО «Алмаз-Антей». 2011. № 2. С. 10-18.

9. Кульга К. С. Автоматизация технической подготовки и управления производством на основе РЬМ-системы. М.: Машиностроение, 2008. 275 с.

10. Остапенко С. Н. Функциональная схема управления полным жизненным циклом вооружений, военной и специальной техники // Вестн. воздушно-космической обороны. 2015. № 1 (5). С. 92-97.

11. Остапенко С. Н., Лушин С. В. Ключевые проблемы реализации «бережливого» жизненного цикла специальной продукции //Вестн. воздушно-космической обороны, 2015. № 2 (6). С. 117-120.

12. Кутин А. А., Туркин М. В. Высокоэффективные машиностроительные технологии на основе ГПС нового поколения // Вестн. МГТУ Станкин. 2010. № 4. С. 41-47.

13. Григорьев С. Н., Смуров И. Ю. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом // Инновации. 2013. № 10. С. 76-82.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

Мурашкина Т. И. Техника физического эксперимента и метрология: учеб. пособие — СПб. : Политехника, 2015. — 138 с. : ил.

ISBN 978-5-7325-1051-5 Цена: 180 руб.

Т. И. Мурашкина

ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТРОЛОГИЯ

Рассматриваются основные разделы теоретической метрологии: теории измерительных процедур и физического эксперимента, теории обработки экспериментальных данных при проведении измерительного эксперимента, теории планирования физического измерительного эксперимента, с которой тесно связаны такие вопросы, как разработка методик выполнения измерительного эксперимента и метрологическое обеспечение физического эксперимента.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Приборостроение» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся организацией и проведением измерительного физического эксперимента.

Гриф: Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение».

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.