Автоматизация и роботизация технологических процессов на примере машиностроительного предприятия

Сегодня тысячи компаний по всему миру делают ставку на использование роботов в своем производстве. Ведущие российские предприятия также следуют этому тренду, чтобы сохранить или повысить свою конкурентоспособность. Об опыте внедрения робототехнического комплекса на одном из отечественных машиностроительных заводов, осуществленного при активном участии специалистов компании «Солвер», пойдет речь в этой статье.

Работа компании «Солвер» с предприятием-заказчиком проекта по реализации программы технического перевооружения механического производства была начата четыре года назад. Вначале был разработан экспериментальный проект, охватывающий все механообрабатывающие операции производства и рассчитанный на трехэтапную программу модернизации предприятия в период с 2013 по 2016 год. Целью проекта являлось создание системы автоматизированного производства номенклатуры деталей с высокими требованиями по точности и качеству обработки. Предполагалось, что это будет достигнуто в том числе переходом на современное высокопроизводительное технологическое оборудование с использованием роботизированных комплексов и комплекса современных средств автоматизации подготовки производства.

При разработке технологической концепции развития предприятия основными условиями были:

  • создание роботизированного производственного модуля с возможностью его последующего встраивания в гибкие производственные системы;
  • минимизация количества и номенклатуры применяемого для этой цели технологического оборудования, что предполагает задействование многофункциональных обрабатывающих центров, широко оснащенных средствами автоматизации, различной технологической оснасткой, передовым режущим и вспомогательным инструментом.

Для построения новой производственной модели производства по методологии «Солвера» созданная им совместно с предприятием-заказчиком проектная группа сформировала номенклатуру деталей, которую предполагалось перевести на новые технологии. Номенклатура включала в себя порядка трехсот наименований деталей. Выбранные детали были разбиты на восемь групп, исходя из их схожести по конструктивным и технологическим признакам, в каждой группе были выделены детали-представители. Затем в системе автоматизированного сквозного проектирования по чертежам заказчика были разработаны 3D-модели этих деталей и технологические процессы обработки.

Подготовка технологов-программистов по работе и программированию промышленных роботов в проектном центре «Солвер»Подготовка технологов-программистов на производственной базе предприятия

Для изготовления деталей специалисты инженерно-консалтинговой фирмы разработали оптимальные технологические процессы изготовления, определили состав необходимого металлообрабатывающего оборудования, технологической оснастки и режущего инструмента. Определение «оптимальный» в данном контексте отнюдь не является преувеличением при описании сделанной работы. Оптимальность предлагаемых решений была подтверждена расчетами основных экономических показателей эффективности перехода на новые технологии, переданными руководству предприятия до начала закупок оборудования и его внедрения.

Предложенные предприятию новые технологии и решения, представленные в отчете по экспериментальному проекту, характеризовались применением:

  • роботизированного и многофункционального оборудования;
  • технологии настройки инструмента вне станка;
  • паллетной системы с нулевой точкой для фрезерных и токарных станков;
  • различных видов лезвийной обработки на одном станке;
  • синхронной обработки несколькими инструментами;
  • современного высокоэффективного режущего инструмента;
  • дополнительного специального оснащения оборудования;
  • ряда уже используемых на заводе технологий и оборудования.

Расчетный срок окупаемости инвестиций в реализацию проекта составил около трех лет.

Основные решенные задачи первого этапа технического перевооружения, начатого в 2013 году, включали:

  • разработку и внедрение робототехнического комплекса (РТК) для обеспечения работы в безлюдном режиме на базе поставленного ранее вертикального фрезерного центра;
  • разработку и внедрение специальной автоматизированной оснастки (приспособления) для изготовления крупногабаритных деталей «Пояс» на фрезерном обрабатывающем центре;
  • разработку и внедрение новой технологии обработки детали «Консоль» на 5-осевом обрабатывающем центре.

Технологическая подготовка производства деталей, пусконаладочные работы поставленного оборудования, организация обучения производственного персонала, технологическая отработка номенклатуры деталей на созданном автоматизированном производстве – все эти задачи были решены специалистами инженерно-консалтинговой компании и предприятия, вошедшими в совместную проектную группу.

Пример программы подготовки технологов-программистовПодготовка операторов-наладчиков на РТК и фрезерном центре

Для успешной реализации проекта внедрения, а также для того, чтобы достигнутые по его окончании результаты были стабильными на протяжении долгого времени, особое внимание уделялось подготовке специалистов предприятия. Она проводилась в два этапа:

  • в проектном центре компании «Солвер» (он находится в Воронеже) на базе учебного центра КАМП1 (Кадровое агентство модернизации производства). Обучение проходило индивидуально для каждого специалиста по разработанным и согласованным с предприятием программам обучения;
  • непосредственно на производстве предприятия после поставки оборудования.

Порядок и объем выполненных по проекту работ выстраивались по авторской методологии «Солвер», специально разработанной для внедрения новых производственных процессов на машиностроительных предприятиях. В ее основе лежит создание инженерными консультантами уникальной (для каждого конкретного предприятия) нормативной базы2. Система документов нормативной базы содержит описания бизнес-процессов внедряемого производственного процесса, информационно поддерживающие их документы, а также нормативы их выполнения. В нормативной базе аккумулирована вся информация для поддержания необходимой компетенции специалистов предприятия на достаточном для стабильного функционирования бизнес-процессов уровне. Таким образом, если специалисты предприятия выполняют внедренные процессы в соответствии с установленными нормативами, то бизнес-результат нового производственного процесса будет достигнут и сохранится стабильным на всем протяжении его использования.

Нормативная база проекта охватывает все этапы внедряемого нового производства:

  • разработку 3D-моделей деталей, конструкций, а также технологических процессов их изготовления;
  • разработку требуемой специальной оснастки и режущего инструмента;
  • разработку норм расхода режущего инструмента;
  • разработку управляющих программ, настройку станка на изготовление партии деталей и отладку программ;
  • настройку станка на изготовление партии деталей и непосредственно производство деталей.

В нормативную базу входят документы, содержащие детальное описание бизнес-процессов и позволяющие выполнять их в соответствии с установленными нормативами; документы, разработанные на основе государственных, отраслевых стандартов и стандартов предприятия; документы с описанием функционального назначения, правил эксплуатации внедряемого оборудования и программного обеспечения, программы обучения работе на внедряемом оборудовании и работе с программным обеспечением, перечни вопросов для сертификации персонала по работе на оборудовании и с программным обеспечением. Кроме того, с нормативной базой передаются акты приемки и сдачи бизнес-процессов, акты приемки и передачи документации.

Применение системы ZERO-POINT для базирования заготовок на поворотном столе и накопителе паллетПодготовленная и переданная предприятию нормативная база становится для его специалистов не только источником полной информации по новым внедренным процессам (ведь она привязана непосредственно к номенклатуре проектных деталей), но и базой знаний, которую будет целесообразно использовать при решении других производственных задач.

Специалисты предприятия осваивали новые бизнес-процессы, опираясь на показатели из нормативной базы, но уже по другим – «своим» деталям (конечно же, из программы выпуска). По этим деталям затем и осуществлялась сертификация знаний, полученных ими при обучении. При этом инженерные консультанты брали на себя ответственность за то, что разработанные ими бизнес-процессы оптимальны, а нормативы будут освоены заводчанами. Другими словами, заводские специалисты самостоятельно внедряли детали, аналогичные деталям-представителям, при участии и под контролем инженерных консультантов, а результатом такой совместной работы стало полное достижение заводчанами проектных нормативов.

Так выглядит участок подготовки паллетИзвлечение и установка режущего инструмента из шпинделя станка

Для мониторинга хода обучения и уровня знаний специалистов предприятия использовался так называемый экран нормативной базы3. Этот методологический инструмент позволил с обговоренной периодичностью – раз в месяц – проводить анализ текущего состояния дел (результат освоения норматива от «отлично» до «неудовлетворительно» отражается на экране зеленым, желтым, красным и черным цветами, которые меняются по мере продвижения в обучении). И затем на основе полученных результатов своевременно и оперативно принимать необходимые оперативные управленческие решения для исправления и предупреждения различного рода «перекосов» в обучении специалистов.

В целом в ходе реализации проекта было внедрено полтора десятка деталей – деталей-представителей и сертификационных деталей, подготовлено и сертифицировано 11 специалистов: разработчиков техпроцессов и управляющих программ для станков с ЧПУ, наладчиков и операторов станков; специалистов по обслуживанию оборудования. Сертификация специалистов предприятия, проведенная по итогам освоения внедренных бизнес-процессов, стала залогом того, что технико-экономические показатели эффективности нового производственного процесса будут максимально близкими к запланированным.

  • Масштабной и уникальной задачей являлся запуск роботизированного комплекса на базе вертикально-фрезерного центра, манипулятора, накопителей паллет и инструмента, обеспечивающего работу в безлюдном режиме. Для решения задачи были предприняты следующие шаги:
  • осуществлены модернизация работающего на производстве станка: дооснащение станка дополнительной осью, включая электронику стойки ЧПУ и электрику приводов; дооснащение автоматикой дверей; перепрограммирование системы PLC станка; установку и настройку интерфейса связи станка с роботом;
  • разработана методология роботизации многономенклатурного единичного производства;
  • разработаны управляющие программы для контроллера манипулятора по его взаимодействию с системой ЧПУ станка при работе с рабочей зоной станка, накопителем паллет и накопителем инструмента;
  • разработаны управляющие программы для обработки деталей «Кронштейн» и «Узел» в составе РТК.

Необходимость обеспечения бесперебойной работы РТК предусматривала предварительную подготовку заготовок на каждую операцию технологического процесса на основании разработанных циклограмм загрузки РТК. Для этого была применена система ZERO-POINT, которая обеспечила высокую точность базирования заготовок в специально разработанных приспособлениях, установленных на паллетах.

Предварительная подготовка паллет с заготовками осуществлялась на специально организованном участке. Для обеспечения режима безлюдного производства также было отработано взаимодействие РТК с прошедшим модернизацию обрабатывающим центром в части извлечения и установки режущего инструмента в шпиндель станка из дополнительного (второго уровня) накопителя инструмента с помощью манипулятора.

В рамках проекта внедрения также была поставлена задача в области обработки крупногабаритных деталей на фрезерных обрабатывающих центрах с использованием автоматизированных приспособлений. Так, для обработки деталей «Пояс» на фрезерном станке было спроектировано и изготовлено специальное автоматизированное приспособление с пневматическим и гидравлическим приводом.

Для повышения гибкости использования приспособление может работать в двух режимах: ручном и автоматическом. В автоматическом режиме работы управление зажимом-разжимом соответствующей группы пневмо- и гидроцилиндров происходит по команде программы ЧПУ станка, при этом реализуется одна из трех стратегий механической обработки: обработка «на клин», обработка бортов или одновременная обработка «на клин» и бортов. Разработанное и изготовленное приспособление позволило сократить общее время обработки деталей типа «Пояс» до пяти раз.

Сборка автоматизированного приспособления для фрезерного станкаДля изготовления деталей «Элемент каркаса» и «Консоль» на фрезерном обрабатывающем центре было найдено уникальное решение, устранявшее ограничения доступа инструмента в рабочую зону обработки. Эта задача решалась совместно с производителем станка путем изготовления специального поворотного стола со сквозным отверстием большого диаметра.

 В начале обработки «Консоли» производилось автоматизированное измерение угла атаки в концевом сечении и модификация нулевой точки для осреднения угла атаки. Обработка на станке «Элемента каркаса» и «Консоли» осуществлялась с заменой ложементов в универсальном приспособлении. Механическая обработка происходила полностью за один установ с перезакреплением «кулака» для обработки наружной и внутренней стороны. Внедренная технология обработки крупногабаритных деталей позволяет сократить общее время обработки деталей до восьми раз.

Этот поворотный стол был специально изготовлен в рамках проектаВ процессе выполнения проекта внедрения специалисты компании «Солвер» провели анализ эффективности использования внедряемого оборудования. На его основании были выявлены системные проблемные места, разработан и осуществлен комплекс мероприятий, направленных на повышение эффективности использования оборудования и сокращение производственных издержек. Эти мероприятия затрагивали как техническую, так и управленческую стороны. Их реализация создала предпосылки для обеспечения выхода производства на запланированную мощность и достижения загрузки оборудования до 85% при двухсменном режиме работы.

При анализе эффективности использования внедренного оборудования было выявлено наличие потерь рабочего времени при наладке станков на партию деталей и отработке управляющих программ. Для устранения данных потерь было решено поставить на участок станка с ЧПУ HNC-навигатор4 оператора и сводный монитор начальника цеха.

HNC-навигатор оператора устанавливается непосредственно рядом с технологическим оборудованием и является в своем роде «системой ЧПУ оператора», он позволяет регистрировать действия рабочих при выполнении сменно-суточных заданий, фиксировать работу оборудования, выполнять функционал, заложенный системой. В HNC-навигатор оператора были внесены все документы нормативной базы, позволяющие оперативно обращаться к конструкторско-технологической документации по обрабатываемым деталям, к «мануалам» по настройке и эксплуатации станка, контролировать время изготовления деталей, сверяясь с утвержденными нормами, вовремя отслеживая отставания от цеховых графиков.

HNC-навигатор оператора и сводный монитор начальника цехаСводный монитор начальника цеха устанавливается на его рабочем месте и даст возможность осуществлять мониторинг состояния выполнения заданий каждым станком, оперативно выявлять незапланированные остановки оборудования из-за поломки, ошибки оператора, нарушения обеспечением рабочего места заготовками и т.п. Все это позволяет руководителю своевременно и оперативно принимать решения по исправлению нештатных ситуаций.

В результате реализации описанного выше проекта были созданы уникальные системы автоматизированного производства, которые выводят предприятия на совершенно иной, более высокий технологический уровень производства деталей. Руководители предприятия выказали заинтересованность в масштабировании достигнутых успехов на все предприятие с целью повышения его конкурентоспособности.

Анализ эффективности использования внедряемого оборудования

1. Подробнее о подготовке специалистов и  производстве «на заказ» в Кадровом агентстве модернизации производства можно прочитать в  «УмПро №3(23)/2013» и «УмПро №2(26)/2014».

2. Подробней о нормативных базах можно прочитать в «УмПро №1(21)/2013.

3. Подробней о нормативных базах можно прочитать в «УмПро №1(21)/2013.

Версия для печати
Авторы: Радислав БИРБРАЕР, Евгений ДОСЫЧЕВ, инженерно-консалтинговая компания «Солвер»
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: