Практическое занятие №17. Основы создания реконфигурируемых производственных систем

 

Промышленное производство за последние несколько лет значительно изменилось. Потребительский рынок выдвигает свои требования, которые характеризуются увеличением введения частоты новых продуктов, большие колебания в спросе на продукт и изменениями в технологии процесса изготовления деталей.

Существующие производственные системы, даже гибкие, не обладают такими воз­можностями полностью изменять структуру для конкретного продукта. Реконфигурируемые производственные системы - это новые системы с изменяемой архитектурой, которые могут вовремя адаптировать свою структуру и имеют для этого быстрые и надежные процессы планирования и внедрения изменений, могут развиваться вместе с возрастающей динамикой рынка [1].

На сегодняшний день наработан огромный опыт работы автоматизированных и авто­матических поточных линий для изготовления деталей в массовом производстве. Но его пе­ренос на сложные, многономенклатурные производственные процессы мелкосерийного про­изводства без учета его специфики не даст никакого положительного эффекта. Для этого машиностроительные производства необходимо оснастить новыми, переналаживаемыми ти­пами производственных систем, которые быстро и экономически эффективно реагировали бы на различные рыночные изменения. Выходом из сложившейся ситуации явилось бы ис­пользование реконфигурируемых производственные системы (РПС), которые состоят из пе­реналаживаемого оборудования и переналаживаемых устройств управления [2].

На сегодняшний день существует два главных типа производственных систем: авто­матизированные поточные линии и гибкие производственные системы (ГПС). Поточные же­сткие линии основываются на дорогой автоматике и производят изделия одной номенклату­ры в больших объемах. Высокая производительность достигается за счет многоинструмен­тальной обработки [3]. Применение таких систем экономически оправдано только тогда, ко­гда спрос на выпускаемые изделия превышает предложение. Изменчивость требований рын­ка велика, поэтому автоматические линии не всегда работают на полную мощность, следова­тельно, срок окупаемости возрастает. ГПС принесли в производственный процесс гибкость. Гибкость - способность произвести продукт высокого качества по низкой цене в кратчайшие сроки. ГПС состоит из дорогостоящих многоосевых станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и системы транспортировки материалов и деталей [4]. При этом система управляется одним или более компьютерами, что позволяет эй вести обработку изделий од­ной или нескольких групп без человеческого вмешательства. Из-за отсутствия многоинстру­ментальной обработки производительность ГПС ниже, чем узкоспециализированных произ­водственных систем. При этом стоимость ГПС очень высока, так как при проектировании станков с ЧПУ станкостроители стараются вложить в них изначально как можно больше раз­личных функций, чтобы сделать систему универсальной, а это дорогостоящее решение.

В мировой практике развития машиностроения с развитием ГПС широко осуществ­ляются научные исследования по созданию реконфигурируемых производственных систем, изменяющейся компоновки и конфигурации. Реконфигурируемые производственные систе­мы (РПС) должны не только переналаживаться и иметь автоматические устройства сменыинструмента, оснастки и отдельных узлов, а могли бы автоматически изменять структуру и компоновку в реальном времени из различных узлов для решения конкретной производст­венной задачи, не останавливая переходного процесса смены технологий.

Анализ публикаций, в которых рассмотрена проблема РПС, дает возможность делать вывод, что основными вопросами, затрагивающие эту тему, являются: изучение и обмен опытом по вопросам реконфигурации; теоретические и методологические подходы по фор­мированию реконфигурированного производства.

Целью данной статьи является теоретическое обоснование реконфигурированных про­изводственных систем для улучшения технологических факторов выпускаемой продукции.

В работе предлагается теоретическое обоснование новых возможностей реконфигу-рированной системы и изложены проблемные вопросы проектирования.

Новый производственный подход, сочетающий в себе высокую производительность узкоспециализированных линий с гибкостью ГПС, а также имеющий возможность реагиро­вать быстро и эффективно базируется на следующих принципах [5]:

- проектирования и внедрение в производство систем и станков с переналаживаемой структурой;

- проектирования производственной системы вокруг группы деталей с экономически эффективной гибкостью, требуемой для производства всех изделий этой группы (это сокра­щает стоимость системы).

В отличие от традиционных узкоспециализированных линий и ГПС производствен­ные возможности РПС могут изменяться плавно в зависимости от требований производителя и конечного потребителя.

В табл. 1 представлена сравнительная характеристика возможностей существующих систем с реконфигурируемыми производственными системами.

 

 

Таблица 1 Сравнение характеристик производственных систем

Типы систем	Автоматические линии	ГПС	РПС
Оборудование	Недорогая автоматика	Обрабатывающие центры	Реконфигурируемые станки
Машинная структура	Неподвижная	Неподвижная	Приспосабливается к изменениям
Продукция	Партии однотипных деталей	Изготовление в пределах известного семейства	Машинная адаптация к производству новых продуктов
Масштабируемость	Отсутствует	Да	Да
Гибкость	Отсутствует	Общая	Настроенная
Программное управление	Закрытое	Закрытое	Открытая архитектура
Сравнительная стоимость	Низкая	Высокая	Средняя

 

Основным компонентом РПС являются переналаживаемые станки - новый тип мо­дульных станков с изменяющейся структурой, что позволяет переналаживать их ресурсы (например, добавлять второй шпиндель). В добавлении к РПС также есть реконфигурируемыесистемы управления, что позволяет быстро изменить и объединить в открытую структурную среду. Такие системы соединяют промежуток между специализированными линиями и ГПС, и комбинируют преимущества обоих подходов.

Существует шесть характеристик для проектирования РПС, определение каждой ха­рактеристики следующие:

- Модульность - все системные компоненты, и аппаратные средства и программное обеспечение, должны соответствовать модульному принципу построения;

- Интегрируемость - системы проекта и компоненты должны объединяться в единую технологию;

- Обратимость - позволяет быстрое переключение между существующими продук­тами и быструю системную адаптацию для будущих продуктов;

- Диагностируемость - быстрая идентификация качества и проблем надежности, применение новых средств контроля;

- Настройка - проектирует системную возможность и гибкость (аппаратные средства и управления), чтобы соответствовать новой продукции;

- Масштабируемость - возможность расширения производственной мощности путем добавления или изменения составных модулей.

Первичная цель реконфигурируемого станка состоит в том, чтобы справиться с раз­личными изменениями в продуктах или деталях, которые будут произведены. Ниже пере­числены возможные изменения, которые должны быть учтены.

Разнообразие размеров заготовки - обеспечивается подготовкой единиц оборудования (модулей), таких как станина, шпиндельный модуль, и т. д. с различными размерами.

Геометрия детали - чтобы увеличить машинные функциональные возможности для геометрической сложности деталей, добавляются новые модули движения или заменяется один из модулей, обеспечивающий необходимое количество степеней свободы. Нет необхо­димости закупать дорогие 5 координатные обрабатывающие центра, которые не используют­ся на полную мощность, обработку обеспечит соответствующая комбинация модулей.

Программа выпуска - чтобы увеличить норму производства, способность машинного шпиндельного модуля может быть изменена от одношпиндельного модуля до двойного или даже мультишпиндельного модуля. Мультишпиндельный модуль - очень сильный инструмент, чтобы увеличить производительность. Собранные из блоков шпиндельные модули с различным диапазоном скорости - примеры использования реконфигурируемых станков. Число шпинделей может измениться, чтобы приспособить желательную норму производст­ва. Каждый шпиндели является модулем с осью Z.

Точность механической обработки - обеспечивается объединением в единую струк­туру всех соответствующих интерфейсов реконфигурируемых станков. Нежелательное до­полнение может иметь отрицательный эффект на машинную точность после реконфигура­ции. Соответствие между машинными модулями очень важный аспект, поскольку точность механической обработки определена объединенными движениями инструмента и работы модулей и их интерфейсов. Точность механической обработки также изменяется под влияни­ем статической и динамической жесткости машины, тепловой деформации машины.

Автономия модуля - большинство подвижных модулей и модули диска снабжены электричеством и связаны с контроллером проводами. Некоторые из них также требуют гид­равлики и сжатого воздуха.

Интерфейсы между модулями, которые будут собраны, должны быть стандартизиро­ваны, точно произведенные. Методологии должны также быть развиты, чтобы быстро изме­рить и корректировать выравнивание модулей. Сокращение статической и динамической же­сткости при интерфейсе - проблема, которая будет решена.

Решающее значение реконфигурации - это использование системного подхода в про­ектировании производственного процесса, что позволяет одновременную реконфигурацию всей системы, аппаратного обеспечения станков и программного обеспечения системы управления.

РПС позволяет добавлять при необходимости новые функции в отличие от ГПС, в ко­торые заранее включено множество ненужных для данного производственного процесса функций. Также в отличие от узкоспециализированных линий и ГПС производственную мощность можно менять как угодно. Конфигурация системы может быть определена как на­бор станков и средств их оснащения и связь между ними. Изменение производственных мощностей достигается за счет изменения конфигурации системы, т. е. реконфигурации.

Таким образом, РПС экономически эффективней, чем существующие сейчас произ­водственные системы.

В настоящее время развитие реконфигурируемых производственных систем находит­ся на самой начальной стадии. Нет единого систематизированного подхода к изучению всех аспектов данной проблемы, нет разработанных методологий и алгоритмов изучения и проек­тирования систем, методы проектирования разработаны лишь для частных случаев. Нет еди­ной научной основы, она только создается.

В работе рассматриваются проблемные области, связанные с проектированием ре­конфигурируемых систем. Исходными данными для проектирования является заданная но­менклатура изделий, узлов и деталей, подлежащих изготовлению и сборке (цеховой список); годовая программа выпуска по каждому наименованию изделий и деталей.

Любой процесс проектирования инновационной системы включает опасные элемен­ты; поэтому важно управление риском. Процесс снижения риска, связанный с техническими аспектами, непосредственно связывается с возможностью управление эффективно и профес­сионально процесс разработки проекта.

Во-первых, все необходимые машинные спецификации должны быть четко определе­ны. Концептуальный проект машины как система и все ее главные элементы, является вто­рым важным шагом. Приблизительно 70 % важных функций и свойства машины и ее веро­ятности, чтобы работать успешно определяются на данном этапе. Чтобы уменьшить риск, концептуальное и детальное проектирование должно сопровождаться исследованиями, мо­делированиями.

Детальное проектирование машинных элементов должно быть точным и должным образом согласованно устранять ошибки и потребность корректирующих средств, которые имеют место только после производства.

Необходимо удостовериться в начале, прежде чем запустить процесс, что существует допустимая и детализированная интеграция реконфигурируемого станка, калибровка и про­цесс тестирования.

Все машинные части должны быть осмотрены, и только руководитель проектов мо­жет одобрить интеграция частей, которые отклоняются от требований в рисунках.

Компоновка реконфигурируемого станка главным образом состоит из коммерчески доступных машинных модулей.

В худшем режиме реконфигурируемый станок может использоваться в качестве стан­дартного станка с ЧПУ, и следующее поколение будет создано, только добавляя несколько из новых модулей.

Общая открытая архитектура, которая определяет, где модули могли быть привязаны на шасси, чтобы обеспечить устойчивость и безопасность, и как модули будут соединены и интегрированы друг с другом, рассматривает три аспекта:

- механика (например, скобки, болты, канавки, и т. д.);

- питание (электрическое, гидравлическое, и т. д.);

- информация (сигналы датчика, вычисления и средства управления).

Процесс создания реконфигурируемой системы машин синтезируется в единую ин­тегрированную систему автоматизированных процессов проектирования технологии и соз­дания системы машин, приводящих к значительному сокращению сроков подготовки произ­водства, значительному сокращению производственных затрат, повышению эффективности машиностроительного производства.

Для РПС технико-эксплуатационные параметры такие, как производительность, на­дежность, точность и другие, устанавливаются при смене компоновки, когда формируется структура в последовательности многоуровневого выявления связей между элементами, свя­зей между сформированными подсистемами на различных уровнях структурной иерархии непосредственно в режиме преобразования системы.

РПС является высокоавтоматизированным производством, для которого заданной функцией является выпуск продукции требуемого качества в необходимом количестве. На­дежностью автоматизированного производства является, прежде всего, способность к беспе­ребойному выпуску годной продукции. Основной проблемой надежности автоматизирован­ного производства является создание высокопроизводительных автоматических систем ма­шин с малыми проблемами производительности, с минимальным количеством обслуживаю­щих и ремонтных работ. Вся структура РПС разительно отличается от существующих сис­тем. В автоматизированном производстве поступает сигнал о неработоспособности системы, обнаружение и устранение, т. е. ремонт либо настройка [6]. На все это затрачивается столь ценное и дорогостоящее в машиностроении время. В РПС происходит другая ситуация. При наступлении отказа, какого - либо элемента (механизма, устройств, аппаратуры) происходит автоматическая замена ненадежного элемента, не дожидаясь его окончательного ремонта. Тем самым увеличивается жизненный цикл системы.

 

ВЫВОДЫ:

На сегодняшний день реконфигурация появляется как важная новая тенденция в про­ектировании производственных систем. Поэтому, реконфигурируемое производство - широ­кая область, которая продолжает привлекать к ее детальной разработке. В настоящее время развитие реконфигурируемых производственных систем находится на самой начальной ста­дии. Некоторые из исследовательских тем области включают такие аспекты, как экономиче­ское моделирование цикла жизни производственных систем, оптимальная конфигурация, ре­конфигурация контроля и информационных систем.

Создание реконфигурируемых производственных систем является необходимым в ус­ловиях современной рыночной экономики.

Практическое занятие №18. Методические подходы к подготовке заявок на изобретения

 

Cегодня мы начинаем изучение совершенно нового предмета, которо-

го пока не существует в программах вузов. Нам с вами вместе предстоит

создать этот предмет, так как от вашей активности и готовности к твор-

честву будет зависеть содержательность и наполненность занятий.

Итак,что же такое технический менеджмент? Менеджмент-это управ-

ление производством,совокупность принципов,методов,средств и форм уп-

равления производством,которые разрабатываются и применяются с целью

повышения эффективности производства и увеличения прибыли.

Технический менеджмент - это совокупность принципов, методов,

средств и форм управления техникой, а точнее развитием техники.

Но разве можно научиться управлять тем, не знаю чем? Можно ли уп-

равлять развитием техники, не зная механики, сопромата,электротехни-

ки,физики,теории машин и механизмов, материаловедения,обработки материалов-всех знаний, которые дает технический университет или вуз?

Однако все мы пользуемся техникой и управляем ею, не зная даже

принципов ее устройства: утюг, телефон, телевизор, автомашина - мы используем только их функциональные свойства.

Но вот надо отремонтировать вещь - и мы вынуждены или обращаться

к специалисту, или узнавать принципы ее работы и особенности связей

между ее деталями. А чтобы усовершенствовать вещь, надо уже знать и

физические законы, которым она подчиняется и физические свойства ее

деталей.

А уж для создания новой вещи необходимо, очевидно, владеть всеми

знаниями о будущей вещи - ее физикой, химией, знать математические за-

кономерности, описывающие взаимодействие ее деталей между собой и с

внешним миром.

Как же управлять развитием техники, не владея всей суммой этих

знаний? Ведь невозможно овладеть всеми знаниями во всех областях тех-

ники!

Как же быть? Стать узким специалистом в какой-то области можно

- так и делают, но в результате остаются обнаженными стыки наук, где

как раз и спрятаны новые открытия. Именно поэтому многие новые откры-

тия делали дилетанты. Что такое дилетант? Дилетант - это любитель,

занимающийся каким-то искусством или наукой без специальной подготовки.

 

Академик Образцов / отец артиста С.В.Образцова, который создал

"Театр кукол" в Москве / говорил, что " Новое в науке и искусстве чаще

всего открывают любители, потому что у нового нет профессии. Паровозник

вряд ли изобретет электровоз. Он будет все время улучшать отдельные

части парового двигателя, а любитель догадается воткнуть электромотор.

Станиславский - любитель, и Эдисон, и Циолковский и Форд. В общем,

профессионал, выросший из любительства, чаще всего новатор ".

Основы многих наук были заложены дилетантами. Теплотехника / врач

Р.Мейер, пивовар Д.Джоуль, врач Г.Гельмгольц /; математика / юристы

А.Ферма и Г.Лейбниц, биолог Л.Эйлер, врач ДАламбер, цирюльник С.Пуас-

сон, военный Р.Декарт /; юрист Э.Хаббл - автор теории разбегания га-

лактик; лингвист Ч.Таунс - один из авторов лазера, врач Р.Эшби - один

из основателей кибернетики.

Я не призываю вас к дилетантизму во всем. Принцип хорошего спе-

циалиста: все знать о немногом и понемногу обо всем. Но как говорил

исследователь творчества Петр Климентьевич Энгельмейер в книге, издан-

ной в 1910 году "Дилетантизм имеет одну хорошую сторону и одну дурную.

Хорошая его сторона, т.е. сила дилетанта, состоит в том,что его мысли

свободны для новых комбинаций, не будучи заранее парализованы традици-

ей школы. А слабость дилетанта сказывается в плохом отстаивании своих

идей, так как ему не достает той эрудиции, которая необходима для

прочного обоснования идей".

То есть надо и быть дилетантом и не быть им. Это диалектическое

противоречие. В процессе изучения технического менеджмента мы будем с

вами на практике разрешать, продуктивно разрешать это противоречие.

Оказывается, как доказали своими работами наши ученые-дилетанты

Г.С.Альтшуллер, Ю.П.Саламатов, Б.Л.Злотин, А.В.Зусман и другие - су-

ществуют общие законы развития технических систем, зная которые можно

прогнозировать развитие конкретной технической системы.

Законы развития технических систем и возможность прогнозирования

их развития будут первыми темами наших занятий.

В результате анализа и обобщения основных приемов, используемых

изобретателями на базе изучения свыше 40 тысяч заявок и патентов, ро-

дилась теория решения изобретательских задач /ТРИЗ/, с которой мы с

вами должны познакомиться. Эта теория использует понятие Веполя – вещества и поля, их взаимосвязей при решении конкретных изобретательских задач. Теория веполей также будет предметом нашего изучения. В результате этого же анализа были изучены и выделены системы стандартов, для решения изобретательских задач, множество физических, химических,механических и геометрических эффектов, а также общих приемов решения задач. По возможности, вы будете знакомиться со всем этим арсеналом..

Вы познакомитесь в теории и на практике с алгоритмом решения

изобретательских задач АРИЗ-85, формальным аппаратом, который помогает

выделить техническое противоречие и разрешить его.

В наш век персональных ЭВМ грешно не использовать их возможности.

Кафедрой менеджмента в машиностроении по инициативе профессора Г.В.Давыдовой приобретены две программы, реализующие наработки ТРИЗа. Это программа "Дебют" - своеобразный справочник стандартов, эффектов и приемов, и программа "Изобретающая машина" - программа для изобретателей, прошедших курс обучения ТРИЗу.

С обеими этими программами мы с вами познакомимся, а с програм-

мой "Дебют" вы будете самостоятельно работать.

Завершим мы наш курс знакомством с законами развития творческой

личности. Думаю, что в конце курса вы сами определите, стоит ли выби-

рать эту судьбу.

Цель нашего предмета раскрепостить ваше мышление, показать, что

не боги горшки обжигают, и целеустремленный человек может решить любые

задачи, которые ставит перед ним техника и жизнь.

Хотелось бы, чтобы в результате изучения технического менеджмента

хотя бы у некоторых из вас родились собственные идеи-изобретения, ко-

торые вы захотели бы осуществить. В этом случае по этим идеям вы раз-

работаете под руководством профессора Давыдовой Г.В. бизнес-план и по-

пытаетесь реализовать его на практике.

 

 

История человечества неразрывно связана с историей техники. Тех-

ника возникла одновременно с образованием человеческого общества. Че-

ловек вынужден был изобретать, чтобы выжить. Но и техника формировала

человека, создавала предпосылки для возникновения новых потребностей.

Такова диалектическая взаимосвязь между человеком и техникой.

Техника часто напоминает джинна, выпущеного из бутылки. Только этого

джинна загнать в бутылку уже не удастся.

Я напомню основные изобретения человечества, а вы подумайте,

что они с человеком сделали.

- Праща, палица, нож, топор, копье, лук и стрелы, меч, шлем, щит,

- латы;

- колесо, колесница, телега,карета;

- дом, стена, крепость;

- лодка, корабль, парус, мельница;

- порох, пушка, снаряд, ружье, пулемет, автомат;

- паровая машина, паровоз, пароход;

- электромотор,эл.лампочка, трамвай, троллейбус, электропоезд;

- автомобиль, трактор, танк, самолет;

- ракета;

- химическое оружие, химиотерапия, удобрение, синтез материалов;

- телефон, телеграф, радио, телевидение, ЭВМ, голография, лазер;

- генетика, синтез живых существ, биологическое оружие;

- атомная энергия.

Большинство этих изобретений сделаны методом проб и ошибок (МПиО).

Этот метод известен человечеству с древнейших времен, но был сформули-

рован в 1898 году. Американский психолог Э.Торндайк обосновал и приме-

нил МПиО в своих исследованиях по обучению. Он считал, что главное в

решении задач - это приобретение мыслительных навыков, которые появля-

ются в результате множественного повторения хаотичных попыток. Т.е.

человек обучается по принципу кошки в "проблемной" клетке: голодная

кошка, посаженная в клетку, будет метаться по ней, пока случайно не

откроет. Второй раз она откроет клетку быстрее, а на каком-то этапе

начнет открывать сразу.

Муравей на бесконечной былинке.

Исследования интеллекта животных в "проблемном" ящике: 10 дверей, одна

открыта, корм в третьей двери справа от открытой.