Инжиниринг

Сборка по 3D модели: часы и минуты вместо недель

Разработка компании «Нью Лайн Инжиниринг» позволяет производителям штучных, кастомизированных и мелко- и среднесерийных изделий металлообработки быстро освоить выпуск новой продукции, обеспечить ее высокое качество и при этом уйти от необходимости изготавливать огромное количество стационарной уникальной оснастки и по нескольку раз ее переделывать по мере доработки собираемых изделий. Об этом ноу-хау компании — сборочных стапелях для сборки трубопроводов по цифровым моделям — рассказывает ее генеральный директор Павел Лебедь.
20 августа 2019

— Машиностроение — это далеко не всегда конвейер, миллионные серии продукции. Значительный его сегмент — это мелкосерийное и среднесерийное производство, где изделия выпускаются не миллионами, а десятками, сотнями или тысячами. К слову, под эту категорию сегодня вполне подпадает российский авиапром и производство авиадвигателей. Сюда же отнесем и нынешний тренд — гибкие переналаживаемые кастомизированные производства Индустрии 4.0. На всех этих производствах за последние 30 — 40 лет существенно обновились технологические переделы, произошли революционные изменения технологического уровня. Если 30 лет назад основу производства составляли универсальные станки, то сейчас практически все предприятия используют в основном станки с ЧПУ. На смену гальваническим ваннам, в которые вручную загружались изделия, пришли гальванические линии с автоматическими перегрузчиками, компьютерным контролем и т.д. Современные сварочные автоматы в разы повысили производительность и качество сварочных работ. Роботизированные линии позволяют осуществлять автоматизацию целого ряда переделов. И все эти локальные инновации массово распространяются на все производства.

Но есть в машиностроении один передел, который за все это время практически не подвергался какойлибо модернизации. Это последний передел в цепочке производства — сборка узлов и конечных продуктов. Зайдите сейчас на сборочный участок любого завода — и почти наверняка вы увидите там практически то же самое, что в нем было 30 — 40 и даже 60 лет назад. То есть в лучшем случае это будет некое универсальное сборочное приспособление, а чаще — даже не универсальное, а уникальное, сделанное для каждого конкретного изделия обычно силами заводского механического цеха. Эти громоздкие, тяжелые конструкции на каждом предприятии скопились за многие годы в огромных количествах. И все они требуют регулярной поверки.

рной поверки. Почему сборку обошли перемены? Проанализировав ситуацию, мы пришли к выводу о том, что до сих пор во всем промышленном мире, включая Россию, отсутствуют устоявшиеся релевантные и массово применяемые технологии, позволяющие получить произвольную геометрию сборки по 3D модели. И по этой причине производителям приходится для каждого конкретного изделия сооружать сборочный стапель, неся все связанные с этим издержки. Если это изделие пошло в серию и его стали изготавливать десятками или сотнями тысяч, то такой сборочный стапель себя вполне оправдает. Но в ряде случаев предприятию требуется изготовить всего одно изделие, причем, с неясными перспективами его дальнейшего производства. Возьмем, к примеру, опытное производство компании, выпускающее авиадвигатели. Заводское КБ спроектировало трубопровод для нового двигателя. Трубопровод — сварной, состоящий из множества деталей — полуштамповок, патрубков, отводов. Его необходимо собрать, при этом нет никаких гарантий, что в дальнейшем этот трубопровод повторится в неизменном виде при доработке этого двигателя. Может быть, по результатам испытаний в него будут внесены изменения, или же он вовсе не пойдет в серию. При этом компания разрабатывает в год два-три новых двигателя, в каждом из которых — несколько сотен трубопроводов. Значит, ей понадобится в год изготовить полторы тысячи весьма дорогостоящих сборочных приспособлений, не зная, потребуются ли они в будущем. И скорее всего, более двух третей из них в итоге не понадобятся.

Цифровой стапель сборки трубопроводов, изготавливается для ПАО Туполев

 

С этой проблемой в первую очередь сталкиваются опытные заводы. Конечно, они хотят уйти от необходимости изготавливать такое количество стационарной уникальной оснастки и по нескольку раз ее переделывать по мере доработки собираемых изделий. Дело это очень затратное, к тому же собственные инструментальные производства предприятий обычно работают над такими заданиями довольно долго.

Как на заводах пытаются решить эту проблему? Один из вариантов — взять станочную оснастку, станочное УСП и попытаться с их помощью осуществить сборку необходимой геометрии. Если эта геометрия сложная, как, например, для трубопроводов двигателей, то процесс выглядит так: выставляется кубик из УСП, с помощью измерительной руки определяется его положение в пространстве. При обнаружении его смещения кубик сдвигается, снова фиксируется. Если очередной замер вновь показывает смещение элемента, весь цикл повторяется. И такие перемещения, с целью безупречно выставить одну деталь, могут занять много часов, а то и несколько рабочих смен. Очевидно, что это не лучшее решение.

Конечно, оптимальным вариантом в данном случае был бы универсальный стапель для сборки по цифровым моделям. Что собой представляет 3D-модель — трехмерная карта сборки оснастки? Это — детали, которые входят в сборку и их взаимное расположение относительно друг друга в пространстве. И по этой модели надо выставить фиксирующие элементы, в которые затем можно было эти детали уже в «железе» расположить так, чтобы они в этом пространстве нужным образом сконфигурировались относительно друг друга, полностью соответствуя виртуальной 3D-модели. Как этого добиться? Нужно иметь возможность сравнивать то, что происходит в физическом мире с идеальной виртуальной трехмерной картой сборки. То есть требуется некая система, которая позволит осуществлять связь между миром цифры и физической реальностью, миром виртуальной модели и реальных заготовок и оснастки в «железе». Однако такого надежного, хорошо работающего посредника, всюду применимого, в мире нет. Именно поэтому технологии сборки не претерпели особых изменений за последние 30 лет.

Конфигурация молочных стоек проектируются в виртуальной реальности в специальном программном модуле

 

А как же измерительная рука? — спросят практики. Конечно, этот инструмент позволяет получать обратную связь о том, насколько ваш физический объект соответствует виртуальному пространству. Как это работает, мы уже рассмотрели чуть выше на примере с использованием УСП. Однако у измерительной руки есть существенные недостатки: она работает не постоянно и вам потребуется всякий раз проводить измерение заново. А на это уходит много времени. К тому же рука действует в весьма ограниченном диапазоне пространства.

Что предлагает компания «Нью Лайн Инжиниринг»? Нашу разработку — сборочные стапели для сборки трубопроводов по цифровым моделям. Это — оптическая измерительная система, которая в зоне своего действия непрерывно отслеживает расположение элементов, задаваемых ей как базовые точки. Стапель определяет их расположение и координаты в пространстве, так как оснащен откалиброванными камерами с высокой степенью точности — до пяти сотых. Можно сказать, что она работает как система технического зрения и позволяет в режиме онлайн видеть, где находится физический объект — элемент собираемого продукта, и соотносить это с тем, где он должен быть расположен на виртуальной карте сборки. Таким образом, она представляет собой стабильно и надежно действующую систему-посредника, позволяющую связать два мира — реальный и цифровой. По сути, это система дополненной реальности, где есть физическая реальность и дополнение к ней в виде некой информации.

Специальную оптику уникальной конфигурации для этой системы оптического технического зрения по нашему заказу и по заданным нами параметрам изготавливают наши немецкие партнеры.

Для эффективной работы этой системы требуются также механические устройства — стойки, позволяющие перемещаться, позиционироваться в пространстве с большой степенью точности — 0,05-0,1 мм. При этом они должны обладать большой жесткостью, ведь в процессе сборки изделий они получают различные нагрузки. Это и вес собираемых деталей, и усилия сборщика, использующего эти стойки как жесткий стапель. И они должны выдерживать все эти нагрузки без потери своей позиции. В то же время эти стойки должны быть легкими и удобными в настройке по разным осям.

Еще одна составляющая системы — удобный интерфейс, который позволяет оператору выставлять эти стойки в пространстве, опираясь на информацию, получаемую от оптической системы. Эта информация отправляется в систему управления, имеющую в своем составе большой монитор для оператора, на котором вся история про связь между реальным миром и миром виртуальных моделей трансформируется в понятные инструкции для сборщика. Там есть элементы игроформы: сборщик, помимо цифр нужного и реального расположения точек по осям, видит еще и что-то типа прицела, которым ему надо попасть в нужную точку. Он совмещает два вектора — тот, в котором должна располагаться линия, с тем, где она находится в данный момент, и видит, какие непосредственно ручки настройки стойки нужно крутить, чтобы эти векторы совпали. И непосредственно наблюдает, как эти линии сближаются, и таким образом осуществляет выставление стойки. В результате мы имеем систему, позволяющую за очень короткое время выставить по 3D-модели геометрию любой сложности для любого изделия. То, что прежде занимало многие часы, теперь требует всего несколько десятков минут.

Этой нашей разработке уже пять лет. Причем она постоянно эволюционирует: за каждый год мы выпускаем по два-три поколения стоек. И каждое новое их поколение обладает все большей точностью и жесткостью, и все легче настраивается. Это очень долгий путь: у нас работают очень сильные конструкторы, но даже они те решения, к которым мы пришли сейчас, не могли предугадать в его начале. На данный момент производится уже тринадцатое или четырнадцатое поколение этих конструкций.

Надо понимать, что эта система стоит достаточно дорого. Однако для сравнения можно подсчитать, во сколько обходится компании использование старой системы для сборки, производство уникальной стапельной и сборочной, а иногда еще и контрольной оснастки. Берем стоимость изготовления одного стапеля, затем умножаем эту сумму на количество стапелей, которое может понадобиться, приплюсовываем стоимость их поверки, хранения, обслуживания и т.д. А потом еще посчитаем, сколько времени теряется на всех этих операциях. В результате приходит понимание, что использование нашей системы намного выгоднее, окупается она очень быстро — за несколько лет. Причем, не только в госкорпорациях, но и в частных промышленных компаниях.

Но главный аргумент за использование нашей системы даже не в этих расчетах. Ведь в чем заключается фундаментальное отличие между любыми изделиями машиностроительного производства, выпускаемыми со времен СССР, и продуктами постсоветского российского машиностроения? В том, что российские изделия полностью спроектированы в «цифре». Сейчас многие предприятия, история которых начиналась в советские годы, выпускают модернизированные версии бывших нецифровых изделий. А для того, чтобы осуществить эту модернизацию, их необходимо переводить в «цифру». И очень многие российские КБ сейчас заняты процессами оцифровки и последующей их модернизации уже в 3D. И документация на модернизированное изделие готовится опять же в «цифре». Так что процесс вытеснения с рынка нецифровых изделий уже не остановить. Также практически исчезла нецифровая инфраструктура проектирования — огромные КБ с кульманами, многокомнатными архивами и т.д. Будущее, а во многом уже и настоящее, принадлежит производству в «цифре» по 3D-моделям. Когда речь идет об изготовлении, к примеру, какого-нибудь фрезерованного корпуса, решение понятно: на всех предприятиях сейчас есть станки с ЧПУ, где можно сформировать соответствующую управляющую программу и после отработки режимов получить качественное изделие. Все научились это делать. Но пока еще никто не научился осуществлять сборку по цифровым моделям. Однако к этому все равно придется приходить.

Теперь к вопросу о трудоемкости традиционной новой технологии сборки. Если сравнивать трудоемкость сборки по уникальному стапелю, предназначенному для одного изделия, с использованием цифрового стапеля, то, с учетом вспомогательного времени на подготовку, выставление стоек, настройки на геометрию и т.д., новая технология чуть проигрывает в трудоемкости. Потому что уникальный сборочный стапель у вас уже есть, его не надо настраивать, а можно сразу приступить к сборке. Но это сравнение — некорректное, поскольку на новые цифровые изделия у вас нет уникальных стапелей. Вы можете их использовать при производстве старой номенклатуры. Но если речь идет о модернизации, кастомизации продукции, о выпуске новых изделий и о создании в контуре компании новых производств, правильнее будет сравнивать не трудоемкость сборки, а суммарную трудоемкость разработки и изготовления уникального стапеля, его поверки, сборки на нем, и трудоемкость сборки на цифровом стапеле. А это — часы и даже минуты против недель.

Сейчас, после периода мечтательной эйфории по поводу цифровых технологий, в отечественном машиностроении нарастает скепсис в отношении цифровых сервисов. С точки зрения краткосрочной стратегии российское производство сталкивается всегда с одной и той же проблемой — неимоверной силой инерции. Типичные рассуждения многих хозяйственников: мол, у нас есть готовые технологии, готовая оснастка и спрос на готовые изделия, и потому проще ничего не делать, ничего не менять. Но это путь отказа от конкурентоспособности, заведомо ведущий в тупик. Рассмотрим это на примере той же сборки. Раньше документация, к примеру, на самолет представляла собой комплект чертежей на бумаге и много томов пояснений к ним. А также определенное количество технологического «железа» — различные эталоны, оснастки, фрагменты стапелей и т.д. — которое передавалось от КБ и опытного завода в серийное производство. И без этого неотъемлемого дополнения к документации было невозможно что-либо произвести. В чертежах не было геометрии, не было точных сведений о ней. Сейчас в таком виде проектную документацию уже не передают, наступила эра 3D-моделей — четких, точных, математических моделей в «цифре». И если на предприятии не понимают, что у них нет технологии для воспроизведения этих 3D-моделей, это значит, что там не смогут освоить выпуск новых изделий. Или же завод потратит долгие годы и миллионы рублей на изготовление уникальной сборочной оснастки, а ко времени ее готовности уже само изделие морально устареет. Так что если говорить о предприятии с горизонтом планирования более, чем в 10-20 лет, намеренном быть конкурентоспособным на мировом рынке, у него один выход — внедрять цифровые технологии.

Сейчас в России основные, базовые потребители нашей системы — это корпорации из сферы авиации и космоса. К примеру, она используется на производствах НПО «Энергомаш». Есть для этой системы ниши и в автопроме. В целом автопром — это массовое производство, там выгоднее изготовить уникальную сборочную оснастку, а не универсальную цифровую. Но в этой отрасли также есть и опытные производства, и R&D. Именно эти службы автокомпаний являются форвардами, генераторами идей, создателями прототипов, и цифровая сборочная оснастка может быть там востребована. Идеальный же заказчик для нас в автопроме — это производство болидов класса Формулы 1. За каждым болидом стоит опытный завод, который его непрерывно улучшает. После каждого заезда болида в нем что-то меняется. И именно в этом производстве требуется максимальная гибкость и оперативное реагирование на конструкторские инновации. Именно здесь нужна максимальная чуткость и гибкость производства. Мы также разработали концепт для судостроительных трубопроводов, основанный на тех же принципах, но с гораздо большими габаритами и большей грузоподъемностью стоек. Если площадь нашего стола для сборки авиадвигателей — два на полтора метра и этого вполне достаточно, то для судостроителей нужна монтажная плита 16 м на 6 м. И, соответственно, другие габариты стоек. По предварительным расчетам, внедрение нашего продукта позволит сократить время производства корабля или лодки на 3-5 месяцев.