НАН Беларуси (отделение физико-технологических наук, зам. академика-секретаря)
Минск, Беларусь
УДК 621.7 Обработка давлением. Пластическое формообразование. Формоизменяющие операции (без снятия стружки). Отделка в целом. Соединение материалов. Процессы (технология), инструменты, машины и оборудование
УДК 620 Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
Рассмотрены мировые тенденции за последние полвека и перспективы развития на ближайшие десятилетия ком-плексов технологического оборудования. Проведен всесторонний анализ применяемых стадий и этапов проектиро-вания обрабатывающего оборудования с помощью построения традиционных для механики машин расчетных схем. Показано, что перспективы применения потоков энергии для интенсификации процессов обработки, должны анали-зироваться на ранних стадиях проектирования, с использованием теплофизических и электрофизических критериев для изучения формирующихся связей в системе. Предложено приступать к проектированию мехатронных систем станочных комплексов, с анализа структурных связей информационных технологий в гибридном производстве, вклю-чающем традиционные и аддитивные технологии. Рекомендовано использовать последовательности критериев пе-реноса для анализа процессов образования структур материала и поверхностного слоя при термомеханической и электрофизической обработке. Критерии тепломассопереноса устанавливают последовательность структурооб-разования в обрабатываемом материале при увеличении мощности воздействий. Критерии, характеризующие по-токи энергии, при электрофизической обработке оказывают влияние на последовательность поверхностных явлений и определяют процесс формирования свойств материала. Показана организация обратных связей при управлении технологическим оборудованием через степени свободы инструментов, частиц наносимого материала и удаляемого слоя, посредством дополнительных воздействий потоками энергии. С учетом контуров прямых и обратных связей в технологической системе, следует выбирать системы числового программного управления и проектировать ком-плекс станочного оборудования как мехатронную систему. Комплекс гибридного технологического оборудования с позиций компьютеризации производственной деятельности, а также его модули, следует проектировать как устройства компьютерной периферии, построенные по той же архитектуре, что и ЭВМ
мехатронные системы, гибридные станочные комплексы, теплофизические и электрофизические критерии, традиционные и аддитивные технологии
Введение
Совокупность средств производства или производящих машин, включающих: технологические, транспортные, энергетические и информационные машины, получила название технологических комплексов. Такие комплексы автономно функционируют и с использованием программного управления, в установленных пределах значений, обеспечивают требуемые характеристики качества изделий [1 – 3].
Комплексы технологического оборудования прошли в своем развитии ряд этапов. По сравнению с универсальным станочным оборудованием современное компьютерно-управляемое производство, использующее компоненты искусственного интеллекта, позволяет повысить эффективность оборудования в десятки раз при обеспечении все более возрастающих требований к качеству продукции [4 – 6].
Мировые тенденции развития технологических комплексов
Началом первого этапа развития технологических комплексов (рис. 1) можно обозначить автоматизацию 1970-х гг. на основе числового программного управления (ЧПУ). В постиндустриальных странах уже с середины 1980-х гг. наметился переход от обрабатывающих центров к гибким производственным системам с элементами интеллектуального производства [7].
Развитие средств микроэлектроники явилось базой для создания мехатронных систем, которые включают как электромеханическую, так и электронно-управляющую части. Мехатронные системы обеспечивают синергетическое объединение узлов точной механики с электротехническими, электронными и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциями [8, 9].
Новые этапы развития гибкой автоматизации производственных систем связаны, прежде всего, с предельной концентрацией средств производства и управления, а также с сокращением сроков конструирования, проектирования, технологической подготовки и изготовления изделий. В результате мехатронные технологические комплексы объединяются в гибридное компактное интеллектуальное производство (CIM – Compact Intelligent Manufacture), базирующееся на сочетании различных интенсивных, в том числе и аддитивных технологий, прогрессивного технологического оборудования и интегрированной системы управления [10].
Современный уровень развития информационных технологий в промышленности обеспечил переход к использованию технологий создания, поддержки и применения единого информационного пространства во времени на всех этапах жизненного цикла продукции: от ее проектирования до эксплуатации и утилизации, то есть к CALS-технологиям (Continuous Acquisition and Life-cycle Support). Единое информационное пространство позволяет интегрироваться разрозненным комплексам компактного производства в виртуальное предприятие, создаваемое из различных пространственно удаленных подразделений, которые обладают единой информационной ERP-системой (Enterprise Resource Planning) для использования в компьютерной поддержке этапов жизненного цикла продукции [11].
После пространственно-временной интеграции производственных процессов и жизненного цикла изделий следуют этапы, обеспечивающие компактность производства на основе технологий аддитивного производства (AM – Additive Manufacturing). Аддитивные технологии синтеза композиционного материала и формообразования изделия обеспечивают высокую эффективность за счет сокращения длительности и количества производственно-технологических этапов жизненного цикла изделий [12].
Анализ производства и адресной поставки кастомизированных изделий, с учетом внешней и внутренней логистики предприятий, можно дополнить прогнозом на ближайшее будущее, которое обусловлено новой парадигмой производства, связанной с промышленным интернетом вещей (IIoT – Industrial Internet of Things) и называемой «Индустрия 4.0».
В основе зарождающихся этапов новой эпохи лежит массовая компьютеризация и глобализация интернета. Дальнейшее развитие производства прогнозируют на базе машинного обучения (ML – Machine Learning) и искусственного интеллекта (AI – Artificial Intelligence). Сочетание робототехники и 3D-печати на основе машинного обучения с интернетом вещей в глобальной сети и искусственным интеллектом уже сегодня позволяют создавать полностью автоматизированные производства [5, 6].
Одновременно с эволюцией производственных технологий идет прогресс биомедицинских технологий, с которыми связывают «Индустрию 5.0». По прогнозам уже после
Анализ традиционных стадий и этапов
проектирования оборудования
Мехатронные станочные системы включают механическую (кинематическую), электромеханическую (энергетическую), электронную и управляющую (использующую компьютеры и микропроцессоры) части. В нее входят: датчики состояния как внешней среды, так и самой системы управления; источники энергии; исполнительные механизмы; усилители; вычислительные элементы (компьютеры и микропроцессоры). Мехатронная система представляет собой единый комплекс электромеханических и электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется непрерывный обмен энергией и информацией [8, 9].
Функционально простую мехатронную систему комплекса технологического оборудования можно подразделить на следующие составные части [1, 5]: исполнительные устройства (объект управления и приводы), информационные устройства (датчики внутреннего состояния системы и датчики состояния внешней среды) и систему управления (компьютер и микропроцессоры). Взаимодействие между этими частями, реализующее прямые и обратные связи в системе, осуществляется через устройство сопряжения (интерфейс). Система управления включает аппаратные средства и программное обеспечение, которое управляет согласованной работой аппаратных средств и обеспечивает синхронизацию процессов сбора и обработки данных, поступающих от информационных устройств, с процессами, управляющими исполнительными устройствами (рис. 2).
При проектировании механической части технологического оборудования, используемого в традиционном и в перспективном производстве, применяются как известные, так и новые схемы формообразования и послойного синтеза изделий, а также интенсивные процессы модифицирования материалов концентрированными и распределенными потоками энергии [5, 13].
Традиционно исходные данные для проектирования технологического оборудования содержит техническое задание конкретного заказчика, включающее только:
– данные о материалах и готовых изделиях;
– производительность оборудования;
– характер и тип производства;
– уровень автоматизации и встраиваемость в современное высокотехнологичное производство.
Последовательность проектирования технологического оборудования для производства традиционного типа включает укрупненные стадии, опирающиеся на расчетные схемы:
1) компоновка и выбор кинематической схемы;
2) модульное построение по ограниченному набору агрегатов и узлов;
3) выбор схемы и проведение прочностных расчетов;
4) выбор схемы и проведение динамических расчетов;
5) выбор термодинамической схемы и расчет температур;
6) точностные расчеты геометрических и кинематических связей;
7) расчеты надежности и долговечности с экономическим обоснованием ресурса оборудования;
8) анализ человеко-машинной системы, включающий охрану труда.
Расчет основных систем технологического оборудования производится по детализированным стадиям для: несущих систем; направляющих движений; приводов движений и других.
Проектирование основных систем технологического оборудования проводится по техническим требованиям, предъявляемым: механическим агрегатам, технологической оснастке и средствам автоматизации; системам смазки и охлаждения; электрооборудованию и программируемым системам; системам диагностики, с учетом техники безопасности и эргономики станка.
В первую очередь при проектировании строятся схемы систем, с учетом ограничительных наборов агрегатов и узлов. Затем после структурного синтеза проводится параметрическая оптимизация, определяющая основные параметры систем технологического оборудования.
Применение потоков энергии для интенсификации процессов обработки
При формировании комплексов технологического оборудования для автоматизированного производства, использующего управление многочисленными приводами, концентрированными и распределенными потоками энергии, перечисленных стадий проектирования недостаточно. Связано это с тем, что требуется дополнительно рассматривать схемы технологических модулей и определять параметры оборудования, описывающие подвод инструмента и распределение потоков энергии и материала (рис. 3).
Создание формы изделия в аддитивных технологиях происходит путем добавления материала, с использованием источников энергии, в отличие от традиционных технологий механической обработки, основанных на удалении инструментом «лишнего» материала.
Широко применяемые в мировом производстве технологии позволяют заключить, что наиболее перспективно применение оборудования по наращиванию слоев и формообразованию поверхностей изделий, использующего различные сочетания материалов и источников энергии. Это в свою очередь ставит задачи распределения компонентов материалов и потоков энергии не только по заданному контуру или поверхности, но и по глубине от поверхности изделия, а также по характеру подачи материала и энергии [5, 13].
Использование последовательностей критериев переноса для анализа процессов образования структуры материала многократно сокращает объем экспериментальных исследований технологии по формированию поверхностного слоя при термомеханической и электрофизической обработке. Критерии тепломассопереноса устанавливают последовательность структурообразования в обрабатываемом материале при увеличении мощности воздействий. Критерии, характеризующие потоки энергии, при электрофизической обработке оказывают влияние на последовательность поверхностных явлений и определяют процесс формирования свойств материала [13].
Организация обратных связей при управлении технологическим оборудованием через степени свободы инструментов, частиц наносимого материала и удаляемого слоя, посредством дополнительных воздействий потоками энергии, позволяет управлять устойчивостью процессов формирования поверхностного слоя. Поэтому, с учетом контуров прямых и обратных связей в технологической системе, следует выбирать системы числового программного управления и проектировать комплекс технологического оборудования как мехатронную систему [1, 5].
Рассматривая комплекс технологического оборудования с позиций компьютеризации производственной деятельности, его модули, узлы и детали следует проектировать как устройства компьютерной периферии, построенные по той же архитектуре, что и ЭВМ.
Структурные связи информационных
технологий в аддитивном производстве
Анализ процессов производства деталей без использования формообразующей оснастки (3D-печати), в зависимости от агрегатного состояния исходного материала, размерности потоков формообразующей среды и последовательности технологических операций [1, 5], позволяет в виде диаграммы структурных связей описывать совокупность методов прямого «выращивания» изделий (рис. 4).
Диаграмма структурных связей представляет собой направленный замкнутый граф и описывает автомат с конечным числом состояний. Вершины графа изображают процессы создания изделий без формообразующей оснастки и представляют логические операции: трансляцию информации (ІІ); движение потоков вещества и энергии (ІІІ); запуск (І) и остановку (ІV) автоматического цикла [14, 15].
Описание алгоритмами в соответствии с терминами логических операций процессов 3D-печати по диаграмме структурных связей дает возможность анализировать существующие и разрабатывать новые методы прямого «выращивания» изделий [1, 5].
Заключение
Анализ стадий и этапов проектирования технологического оборудования, мировых тенденций за последние полвека и перспектив развития на ближайшие десятилетия гибридных мехатронных станочных комплексов показывает, что отечественное станкостроение в последние десятилетия не развивалось должными темпами. Ставка делалась на приобретение лучших зарубежных образцов оборудования ведущих фирм или станков и средств их оснащения недорогого массового производства.
В этой связи, научное сопровождение развития станкостроения при цифровизации производства, в настоящее время становится крайне необходимым и должно строиться на фундаментальной и поисковой основе, совместными усилиями академической, отраслевой и вузовской науки.
Всесторонний комплексный анализ проектирования обрабатывающего оборудования с помощью построения традиционных для механики машин расчетных схем показал, что перспективы применения новых технологий, использующих искусственный интеллект, потоки энергии для интенсификации процессов обработки и модифицирования материалов, должны анализироваться на ранних стадиях проектирования.
Предложено приступать к проектированию мехатронных систем станочных комплексов с анализа структурных связей информационных технологий в гибридном производстве, включающем как традиционные, так и аддитивные технологии, и использовать теплофизические и электрофизические критерии для изучения формирующихся связей в технологической системе.
1. Теоретические основы проектирования технологи-ческих комплексов / А.М. Русецкий [и др.]; под общ. ред. А.М. Русецкого. Минск: Беларус. навука, 2012. 239 с.
2. Конструирование и оснащение технологиче-ских комплексов / А.М. Русецкий [и др.]; под общ. ред. А.М. Русецкого. Минск: Беларус. навука, 2014. 316 с.
3. Автоматизация и управление в технологиче-ских комплексах / А.М. Русецкий [и др.]; под общ. ред. А.М. Русецкий (гл. ред.), П.А. Витязь (зам. гл. ред.), М.Л. Хейфец (зам. гл. ред.). Минск: Беларус. навука, 2014. 375 с.
4. Обеспечение качества изделий в технологи-ческих комплексах / С.А. Чижик [и др.]; под общ. ред. М.Л. Хейфеца. Минск: Беларус. навука, 2019. 248 с.
5. Хейфец М. Л. Проектирование мехатронных технологических комплексов для традиционного и ад-дитивного производства // Доклады Нац. акад. наук Беларуси. 2020. Т. 64. № 6. С. 744-751.
6. Перспективные технологии машинострои-тельного производства / О. П. Голубев [и др.]; под общ. ред. Ж. А. Мрочека и М. Л. Хейфеца. Новополоцк: Полоцк. гос. ун-т, 2007. 204 с.
7. Сироткин О. Технологический облик России на рубеже XXI века / О. Сироткин // Экономист. 1998. № 4. С. 3-9.
8. Мехатроника / Т. Исии [и др.]; пер. с яп. С.А. Масленникова; под. ред. В.В. Василькова. М.: Мир, 1988. 314 с.
9. Bradley D.A. Mechatronics - Electronics in Prod-ucts and Processes. London: Chapman & Hall, 1993. 376 p.
10. Delchambke A. Computer-aided Assembly Plan-ning. London: Chapman & Hall, 1992. 276 p.
11. Компьютеризированные интегрированные производства и CALS-технологии в машинострое-нии / Б.И. Черпаков [и др.]; под ред. Б.И. Черпакова. М.: ГУП «ВИМИ», 1999. 512 с.
12. Gibson I. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Raid Prototyping, and Direct Digital Manufac-turing / I. Gibson, D. Rosen, B. Stuker. N.Y.: Springer, 2015. 498 p.
13. Хейфец М.Л., Крутько В.С., Грецкий Н.Л. Проектирование технологических процессов и обору-дования, использующих поля и потоки энергии на ос-нове анализа критериев подобия // Доклады Нацио-нальной академии наук Беларуси. 2021. Т. 65, № 5. С. 628-635.
14. Нейман фон Дж. Теория самовоспроизводя-щих автоматов. М.: Мир, 1971. 342 с.
15. Винер Н. Кибернетика или управление и связь в живом и машине. М.: Совет. радио, 1958. 296 с.
