Инжиниринг

Умное производство знаний на примере проекта, выполненного компанией «Солвер» в ОАО «Авиадвигатель»

Необходимость автоматизации и роботизации нередко вызывает смешанные чувства у предприятий, планирующих или уже ступивших на этот путь. С одной стороны, это настойчивое требование сегодняшнего дня, с другой – огромные затраты и отсутствие готовых решений как на российском, так и на зарубежных рынках – ведь только нестандартные проекты, четко привязанные к конкретным условиям позволяют машиностроительным предприятиям реализовать подлинные инновации, а значит, получить в результате высокую эффективность.
15 января 2014

Открытое акционерное общество «Авиадвигатель» известно в мире как ведущее в России конструкторское бюро, разрабатывающее двигатели для гражданской и военной авиации, а также промышленные газотурбинные установки и электростанции на основе авиационных технологий.

С года основания предприятия в 1939 г. по 1953 г. создано семейство мощных звездообразных поршневых двигателей воздушного охлаждения, которые устанавливались на самолеты Поликарпова, Туполева, Лавочкина, Сухого, Ильюшина, Антонова, вертолеты Миля, Яковлева, сыграв важную роль в победе в Великой Отечественной и в послевоенное время.

В начале пятидесятых предприятие приступило к созданию новой газотурбинной техники. Каждый авиационный двигатель этого периода можно охарактеризовать словами «первый» и «лучший».

промышленный робот, авиадвигатель, солвер

Установленный в 1960 году на Ту-124 двигатель Д-20П стал первым отечественным авиационным двухконтурным двигателем. За ним последовал наиболее совершенный двигатель своего времени Д-30, положивший основу семейства передовых авиационных двигателей. Это и самые экономичные на тот период Д-30КУ и Д-30КП (Ил-62М, Ту-154М, Ил-76), и непревзойденный Д-30Ф6 для истребителя-перехватчика МиГ-31, и ПС-90А – двигатель, на котором российская авиация вступила в XXI век. Он поднимает в небо самолеты нового поколения Ту-204, Ту-214, Ил-96-300 и новейшую модификацию транспортного самолета Ил-76МФ, а также «борт номер один» президента РФ Ил-96-300ПУ.

Перспективной разработкой предприятия сегодня является новый двигатель ПД-14, который будет использоваться на ближне- и среднемагистральных самолетах, а также в промышленных газотурбинных установках. Двигатель обладает рядом неоспоримых преимуществ перед конкурентами по весу, экономичности и ресурсу. Запрос на него есть не только на отечественном рынке, но и от ряда зарубежных партнеров, поскольку это технологически совершенно новое и прогрессивное изделие. Разумеется, пропуском на мировой рынок является его сертификация по международным правилам.

Модернизация производства, авиадвигатель, солвер

В мировом авиастроении существуют три типа стратегий сертификации изделий. Согласно первой стратегии испытывается каждый новый экземпляр двигателя целиком, т.е. именно в том объеме, чтобы с запасом выполнить техническое задание по всем параметрам, в том числе и по ресурсу. Это влечет за собой колоссальные временные и финансовые затраты.

Вторая стратегия, целью которой все также является продление ресурсных показателей до требуемого уровня, освобождает от необходимости проводить полные испытания двигателя. Сертифицированный производитель имеет право самостоятельно испытывать узлы и детали двигателя, используя специальные установки.

Третья же стратегия исключает необходимость испытания деталей двигателя как такового и позволяет испытывать только образцы материалов. По этим результатам испытаний делается заключение о возможности эксплуатировать деталь, узел, конструкцию в целом в течение обозначенного срока. Эта стратегия применяется в «Авиадвигателе».

Качество, надежность, конкурентоспособность конечного изделия, а в рассматриваемом случае это авиадвигатель всегда определяются и находятся в прочной связке со свойствами материалов, из которых он изготавливается. Безусловно, речь идет о высокотехнологичных, инновационных материалах – именно они в совокупности с технологиями задают высокие характеристики продукции. Поэтому к материалам на этапе внедрения нового изделия в производство предъявляется ряд жестких требований, которые никак не могут быть упрощены – в противном случае изделие либо не будет соответствовать заданным критериям, либо необходимые качества будут нестабильны, что опять же неизбежно отразится на его качестве, надежности и конкурентоспособности.

В силу известных исторических обстоятельств отечественная металлургия, являясь поставщиком высокотехнологичных материалов, в том числе и для авиастроения, несколько отстает от мировой в направлении создания современных авиационных сплавов. За последние десятилетия не было внедрено ни одного нового материала. Сократить это отставание предприятие «Авиадвигатель» намерено в рамках реализуемого сейчас проекта по созданию и производству двигателя ПД-14, совершив серьезный рывок и реально приблизиться к современным требованиям. Это просто необходимо как российской авиации, так и авиастроительным предприятиям, чтобы занять достойное место среди мировых лидеров отрасли.

Роботизированная производственная линия, авиадвигатель, солвер, инженерный консалтинг, промышленный робот

В ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ – ОБРАЗЕЦ МАТЕРИАЛА

Образец материала является ключевым звеном в накоплении банка данных исследуемых материалов. Заданные геометрические параметры образца остаются неизменными на протяжении многих лет, и основная задача инженеров – это точное соответствие им при любом изменении в технологиях производства, а также при его модернизации.

Исследуется не материал как таковой (т.е. не материал в слитке), а его характеристики уже после того, как он прошел определенную технологию производства и механическую обработку заготовки, т.е. когда материал уже имеет конкретные размеры, формы. Исследуется то, что потом пойдет непосредственно в деталь. Так реализуется упомянутая выше третья стратегия – исследование некоторого большого количества образцов, проведение специальных испытаний образцов, вырезаемых из заготовок деталей.

промышленный робот, производственная линия

Производство

Раньше на предприятии «Авиадвигатель» был участок, который специализировался на изготовлении опытных образцов с использованием обычных станков и с участием рабочих и технологов. Поскольку требовалось большое количество образцов, это приводило к тому, что было чрезвычайно трудно обеспечить необходимую стабильность качества изготовления. А делая упор на качестве, невозможно было обеспечить необходимую производительность изготовления. На универсальных станках можно производить штучную продукцию, в лучшем случае количество изготавливаемых образцов будет измеряться сотнями штук. Для наработки же достоверной базы материалов нужны десятки тысяч образцов. Обеспечить необходимую стабильность качества при таком объеме выпуска можно только посредством автоматической линии, доверив производственные процессы роботам.

автоматизированная промышленная линия, солвер, авиадвигатель

Предприятием была сформирована четкая задача – в рамках модернизации производства в кратчайшие сроки создать и сертифицировать современный автоматизированный участок по изготовлению образцов для исследования конструкционных свойств материалов. Причем доля ручного труда в рамках такого участка должна быть сведена к минимуму – проводиться должны только работы по настройке и переналадке оборудования и системы управления на разные образцы. Кроме того, участок должен включать в себя самые передовые технологические решения, доступные на сегодняшний день. Все это характеризовало проект технического перевооружения как уникальный и действительно инновационный. То, что «Авиадвигатель» решил взять на себя роль первопроходца, достойно уважения.

Был объявлен тендер на разработку и реализацию проекта. Его результаты выявили следующий факт – ни одна компания, включая давних партнеров завода, не рискнула взяться за решение этой сложной проблемы. Это можно объяснить тем, что высокотехнологичных роботизированных участков, с подобным объемом решаемых задач с безупречным качеством, отвечающим мировым требованиям, в России до недавнего времени просто не было. Это и понятно, наши предприятия только в начале тернистого пути к комплексной автоматизации и освоения технологий безлюдных производств. Однако справедливости ради стоит отметить, что не нашлось «желающих» взяться за реализацию проекта в полном объеме и среди известных европейских компаний – задача уникальна, отсутствие готовых решений, много подводных камней в виде технологических трудностей, таких как, например, сопряжение самого разнообразного оборудования в единый комплекс, обеспечение его четкой и производительной работы, необходимость проведения огромной работы по созданию «умной» составляющей, обеспечивающей логику работы комплекса.

автоматизированная производственная линия на Авиадвигателе

На момент тендера у компании «Солвер» уже был солидный опыт в реализации промышленных проектов. Это внедрение современных технологических процессов, высокотехнологичных станков, производственных участков, проектирование и внедрение с нуля новых механообрабатывающих производств. Была и большая практика работы с авиастроительными предприятиями. Уже был у компании и опыт в роботизации производств. Трезво оценивая свой потенциал, «Солвер» предложил предприятию взяться за реализацию проекта.

Проект технического перевооружения развивался стремительно. Он начался в начале лета 2011 года. Уже через два месяца инженерными консультантами была представлена концепция будущего участка по производству образцов, и уже в конце ноября 2011 года были согласованы все необходимые договоры. К лету 2012 года был разработан рабочий проект по внедрению участка. В конце июня прошли первые поставки оборудования. В комплексе было представлено оборудование из Японии, Германии, Австрии, Швейцарии, Франции, Англии и России. Однако автоматизированный участок включал в себя не только современнейшие станки и промышленные роботы, но и сложнейшую математическую составляющую, построенную на базе промышленного контроллера Siemens.

производственная, роботизированная, автоматизированная линия, на базе, промышленного контроллера Siemens

Проблема заключалась в том, что у разного оборудования разные интерфейсы связи (Profinet, Profibus, RS-232). Объем поставленного по техническому заданию оборудования превысил возможности существующих интерфейсов и программных модулей. Поэтому специалистами «Солвер» были разработаны практически с нуля индивидуальные схемы взаимодействия всех единиц технологического оборудования, преодолены определенные сложности при увязке всех этих протоколов обмена данными в единый промышленно-логический контроллер. В результате эта задача была решена, и система управления работает устойчиво и надежно.

Проект изначально выделялся тем, что содержал в себе огромное количество совершенно разных технологических операций. Цифры впечатляют. К примеру, чтобы раскроить общую заготовку на ряд заданных перечнем маленьких заготовок-образцов, необходимо было последовательно отработать 960 управляющих программ. Чтобы провести механическую обработку, начиная от взятия заготовки роботом, заканчивая ее упаковкой, – еще порядка сотни управляющих программ.

Сегодня раскрой материала на гидроабразивной установке, лазерная маркировка образцов и считывание кодов, токарно-фрезерная обработка, шлифовальная, полировальная, продувка, мойка и сушка, термообработка, измерение и упаковка, сборка тары и упаковочная маркировка – все эти операции связываются в единый комплекс с помощью четырех роботов.

Главная математическая задача промышленного робота – это оптимизация загрузки ресурсов точнейших в мире обрабатывающих центров. Робот не имеет строгой и неизменной последовательности выполнения действий. Было запрограммировано почти два десятка циклов, каждый из которых включает в себя определенный набор управляющих программ и определенный набор траекторий. Какой цикл и в каком объеме нужно выполнять система определяет сама на основании исходных данных задания на производство, вводимых оператором через универсальный интерфейс.

авиационный двигатель

Построенный производственный участок не имеет аналогов в мире. По словам управляющего директора, генерального конструктора ОАО «Авиадвигатель» Александра Иноземцева, сегодня «испытания образцов материалов ведутся в новых, современных, аккредитованных АР МАК лабораториях ОАО «Авиадвигатель», ЦИАМ и ВИАМ. Для сокращения сроков испытаний материалов в «Авиадвигателе» построен не имеющий аналогов в мире роботизированный комплекс изготовления образцов».

Оператор теперь просто загружает заготовку для гидроабразивного раскроя и менее чем через 30 минут получает упакованный и промаркированный лазером образец.

В результате внедрения и запуска нового производственного участка получены высокое качество, стабильные размеры и характеристики получаемых образцов. Это позволяет иметь на выходе объективную информацию о свойствах исследуемых материалов и реально приблизиться к той цели, ради которой и затевается этот участок, – обеспечить систему сертификации стабильными по качеству высокоточными образцами материалов.

Кроме главного критерия оценки проекта – его стабильности – существует не менее важный критерий, который ранее не удавалось получить. Например, одновременная обработка в комплексе сразу нескольких деталей позволяет снизить такт выпуска. Это повышает производительность изготовления образцов, а использование промышленных роботов позволяет, выпуская продукцию 24 часа в сутки, реализовать годовую программу номиналом более 10000 штук.

Если сравнивать технологическую себестоимость существующих на сегодня технологий и технологии, реализуемой новым комплексом, то расчеты показывают, что в рамках предусматриваемой программы выпуска образцов окупаемость проекта составит 4-5 лет. Тем не менее стоит отметить, что эффективность данного проекта важно оценивать и в другой плоскости. Основной эффект дает сам факт создания необходимой базы данных. Оценить этот эффект в деньгах пока не представляется возможным, он находится выше простых сравнений себестоимостей старой и новой технологий. Да, безлюдное производство, безусловно, дорогостоящее удовольствие, однако именно оно позволяет всеобъемлюще решить поставленные задачи. Сам по себе банк данных по механическим характеристикам материалов чрезвычайно ценен. Теперь он является ноу-хау «Авиадвигателя» и серьезным конкурентным преимуществом самого предприятия и выпускаемой им продукции.

Стоит отметить, что на момент за реализацию этого амбициозного проекта не рискнул взяться никто, кроме «Солвер». На данный момент комплекс находится в финальной стадии передачи «Авиадвигателю».