Инновационное проектирование цифрового производства в машиностроении


ИННОВАЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА В МАШИНОСТРОЕНИИ

Лабораторный практикум
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 658.5:621
ББК 30.606:34.4
      И66

Авторы:
Селиванов С. Г., Шайхулова А. Ф., Поезжалова С. Н., Яхин А. И.

Рецензенты:
генеральный директор ОАО НИИТ, д-р техн. наук, проф. Юрьев В. Л.; зав. каф. технологических машин и оборудования инженерного факультета БАшГУ д-р техн. наук, проф. Авдеев Р. Г.


И66 Инновационное проектирование цифрового производства в машиностроении : лабораторный практикум / [Селиванов С. Г. и др.]. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 240 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0921-6

      Даны основы инновационного проектирования цифровых производств для технического перевооружения предприятий машиностроения. Издание обеспечивает практическую подготовку специалистов для разработки технологических инноваций в ходе выполнения технологической подготовки производства, опытно-технологических работ, разработки проектных технологических процессов, технического перевооружения производства и управления инновационными проектами с помощью компьютерного моделирования и оптимизации проектных решений.
      Для студентов технических направлений и специальностей бакалавриата, магистратуры, подготовки и переподготовки специалистов для предприятий машино- и приборостроения.

                                                          УДК 658.5:621
                                                          ББК 30.606:34.4









ISBN 978-5-9729-0921-6

        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Перечень основных сокращений...............................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................6

РАЗДЕЛ I. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА....................................10
    Лабораторное занятие 1.1.
    Кластеризация деталей и расчет производственной программы с помощью искусственной нейронной сети Кохонена.......10
    Лабораторное занятие 1.2.
    Оптимизация проектных технологических процессов с помощью каскадной нейронной сети....................37

РАЗДЕЛ II. РАЗРАБОТКА ПРОЕКТОВ ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА..............................................60
    Лабораторное занятие 2.1.
    Разработка компоновок производственно-технологических комплексов цифрового производства и чертежей планировок мехатронного оборудования.............................60
    Лабораторное занятие 2.2.
    Компоновка робототехнических комплексов цифрового производства в системе Matlab.........................89
    Лабораторное занятие 2.3.
    Проектирование производственно-технологических комплексов цифрового производства в системах «КОМПАС 3D»
    и «Autodesk Factory Design Suite»....................107

РАЗДЕЛ III. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТОВ ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА..........................130
    Лабораторное занятие 3.1.
    Имитационное моделирование гибкой автоматизированной линии в системе Open CIM.............................130


3

Оглавление

    Лабораторное занятие 3.2.
    Имитационное моделирование роботизированного производства на базе технологии нанесения жаростойкого металлокерамического покрытия......................152
    Лабораторное занятие 3.3.
    Автоматизация бизнес-планирования и оценки эффективности инновационного проекта цифрового производства в системе
    Project Expert......................................181
    Лабораторное занятие 3.4.
    Автоматизация управления проектом цифрового производства в системе Matlab...................................207

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................223

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................224

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................226


4

Перечень основных сокращений



АСНИ  - автоматизированная система научных исследований          
АСУП  - автоматизированная система управления предприятиями      
АСУТП - автоматизированная система управления технологическими   
      процессами                                                 
АСТПП - автоматизированная система технической подготовки        
      производства                                               
ГПС   - гибкая производственная система                          
ГАЛ   - гибкая автоматизированная линия                          
ГАУ   - гибкий автоматизированный участок                        
ГТД   - газотурбинный двигатель                                  
ИНС   - искусственная нейронная сеть                             
КПП   - конструкторская подготовка производства                  
НИИ   - научно-исследовательский институт                        
НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы 
ОКР   - опытно-конструкторские работы                            
ОПК   - оборонно-промышленный комплекс                           
ОТР   - опытно-технологические работы                            
ОУП   - оперативное управление производством                     
РТК   - робототехнический комплекс                               
САПР  - система автоматизированного проектирования               
ТЗ    - техническое задание                                      
ТПП   - техническая подготовка производства                      
ЧПУ   - числовое программное управление                          
CAD   - Computer Aided Design (системаавтоматизированного        
      проектирования)                                            
CAM   - Computer Aided Manufacturing (система автоматизированной 
      технологической подготовки производства)                   
CAE   - Computer Aided Engineering (система расчетов, контроля,  
      управления)                                                
CALS  - Continuous Acquisition and Life Cycle Support (система   
      непрерывного совершенствования и поддержки жизненного      
      цикла продукции)                                           
IDEF  - Integration Definition for Function Modeling (методология
      функционального моделирования)                             
SADT  - Structured Analysis and Design Technique (информационная 
      технология структурного анализа и проектирования           
      функциональных моделей систем)                             
PDM   - Product Data Management (система управления данными      
      об изделии)                                                

5

        ВВЕДЕНИЕ



     Актуальность. Аналитический обзор инновационной деятельности на машино- и приборостроительных предприятиях развитых стран показывает на приоритеты развития производств пятого технологического уклада, которые основаны на широком применении цифровой вычислительной техники.
     Ряд аналитиков утверждает, что приближается новая цифровая революция, на этот раз в производстве. Она опирается на идеи, которые ранее привели к оцифровыванию коммуникаций и вычислительных процессов, но теперь программированию будет поддаваться и физический мир, а не только виртуальный. Цифровое производство, основанное на широком применении компьютерной техники в производстве продукции, позволит разрабатывать и производить материальные объекты. Широкий доступ к данным технологиям вскоре бросит вызов традиционным моделям организации производства.
     Цели и задачи. Мероприятия по реализации промышленной политики создания цифровых производств, мехатронных технологий в настоящее время нередко предусматривают разработку:
    - инструментов инновационной промышленной политики создания цифровых производств (целевых программ, дорожных карт, норм проектирования и т. п.);
    - инновационных и/или инвестиционных проектов создания цифровых производств;
    - методов управления инновационными проектами (программами) создания цифровых производств на предприятиях;
    - функций инновационной подготовки цифровых производств на предприятиях;
    - мероприятий для согласованного организационного, информационного, программного и технического обеспечения цифровых производств в условиях распределенной обработки данных.
     Целью данного лабораторного практикума является приобретение студентами практических навыков проектирования современных цифровых производств машиностроительного профиля в ходе инновационного проектирования технического перевооружения машиностроительного производства.


6

Введение

     Научно-технический уровень. Для выполнения лабораторных занятий данного практикума предусмотрено применение прогрессивных методов технологического проектирования:
    - использование средств искусственного интеллекта, в частности искусственных нейронных сетей Кохонена и каскадных нейронных сетей для оптимизации проектных технологических процессов цифрового производства;
    - применение темплетного метода и 3D-моделирования производственно-технологических комплексов цифрового производства, в том числе в комнате виртуальной реальности;
    - использование аналитического и имитационного моделирования, как для компоновки робототехнических комплексов, гибких производственных систем, так и для анализа их эффективности;
    - системный анализ освоения новых технологий цифрового производства и управления инновационными проектами для обеспечения загрузки производственных мощностей в системах динамического моделирования.
     Практическая полезность определяется задачами увеличения объемов производства и сокращения сроков разработки и постановки на производство техники новых поколений, обеспечения роста ее конкурентоспособности на внешних рынках, гибкости производства при изменениях в продуктовой линейке, номенклатуре и производственной программе выпуска продукции на основе создания кластера предприятий цифровых производств нового поколения.
     Выполнение названных задач обеспечивается разработкой:
    - заданий на проектирование базовых (стандартных, типовых, групповых, модульных) проектных технологических процессов и разработку проектов модульного и/или мехатронного технологического оборудования для цифровых производств предприятий;
    - технических заданий и инновационных проектов совместимых интегрированных (гибких, адаптированных, мультиагентных, корпоративных информационных систем) автоматизированных систем управления цифровыми производствами, локальных вычислительных сетей и многофункциональных периферийных технических средств ускоренной обработки информации, в том числе суперкомпьютерных систем, их элементной базы, микросистемной техники, специальных систем управления (CIM, ГАП, ГАЛ, ГАУ, ГПМ, РТК, модульного оборудования, обрабатывающих центров и другого оборудования с ЧПУ, автоматизированных транспортноскладских систем, автоматизированных испытательных стендов,

7

Введение

      средств автоматизации контроля), которые предусматривают широкое использование средств искусственного интеллекта;
    - программного и информационного обеспечения, компонентов автоматизированных систем управления цифровыми производствами (АСУ, АСНИ, САПР, АСТПП, АСУТП, PDM, CAD, CAM, CAE, CALS, PMIS и других автоматизированных систем проектирования и управления, в том числе средств искусственного интеллекта для проектирования и управления цифровыми производствами);
    - мероприятий инновационного проектирования производственнотехнологических комплексов цифрового производства, ускоренного монтажа, отладки технологических комплексов и освоения мощностей цифровых производств;
    - проектов технического перевооружения вспомогательных производств, обеспечивающих инструментальную подготовку цифровых производств на предприятиях.
     Названные мероприятия и разработки по созданию цифровых производств на предприятиях машиностроительного профиля предусматривают также организацию:
      производственно-технологических центров группового производства на базе модульного (мехатронного) оборудования с ЧПУ;
    - многономенклатурных и групповых поточных линий цифрового производства;
    - роботизированных производственных участков и производственнотехнологических центров на базе как стационарных автоматических манипуляторов с программным управлением, так и трансманипуляторов;
    - автоматизированных транспортно-складских комплексов на базе трансманипуляторов, автоматических кранов-штабелеров с программным управлением и другого автоматического оборудования транспортно-технологических схем перемещения тарно-штучных грузов;
    - гибких производственных систем;
    - производственно-технологических центров интегрированного производства (CIM);
    - производственно-технологических центров интеллектуального («умного») производства;
    - сборочных и испытательных производственно-технологических центров цифрового производства, а также цифровых производств на базе прецизионных и нанометрических технологий сборки;
    - компьютеризированных автоматических линий гальванопокрытий;

8

Введение

    -  цифровых производств металлов и сплавов со специальными свойствами, получения заготовок и их термообработки;
    -  цифровых производств на базе технологий создания и обработки композиционных и керамических материалов, полимеров и эластомеров;
    -  цифровых производств микроэлектроники, наноэлектроники для производства новой техники;
    -  цифровых производств на базе технологий высокоскоростной обработки, которые обеспечивают многократное увеличение производственных мощностей предприятий;
    -  центров прототипирования и аддитивных технологий;
    —  центров компетенций соответствующего профиля на предприятиях и в научных учреждениях.

9

РАЗДЕЛ I.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА



Лабораторное занятие 1.1.
Кластеризация деталей и расчет производственной программы с помощью искусственной нейронной сети Кохонена



     Содержание
     Введение
     1. Теоретическая часть
     2. Описание используемых программных комплексов
     3. Задание
     4. Методика выполнения задания
     5. Контрольные вопросы
     6. Требования к отчету
     7. Критерий оценки результатов
     Список литературы

Введение


     Объектом исследования является производственная программа деталей для разработки технических предложений инновационных проектов создания цифровых производств.
     Предметом исследования являются методы классификации и группирования деталей (кластеризации) для разработки ведомости производственной программы, дальнейших расчетов парка оборудования, планировки технологического оборудования, в том числе мехатронного оборудования, промышленных роботов, трансманипуляторов, автоматизированных транспортно-складских систем и определения производственной структуры технологических комплексов цифрового производства.
     Методы исследования. Компьютерное моделирование с использованием искусственных нейронных сетей Розенблатта, LVQ, Кохонена, PNN в системе Matlab.

10

Лабораторное занятие 1.1

     Цель исследования - освоение метода расчета приведенной производственной программы участка (линии) цифрового производства.
     Задачи исследования:
    1) практическое освоение средств программной реализации и компьютерного моделирования для определения с помощью средств искусственного интеллекта производственной программы объекта цифрового производства;
    2) разработка на ЭВМ ведомости приведенной производственной программы объекта цифрового производства.

    1. Теоретическая часть

1.1. Методы расчета приведенной программы

     Основой для проектирования серийного и массового машиностроительного производства, в том числе и цифрового производства серийных типов, чаще всего являются:
    -  ведомость производственной программы, которую рассчитывают по результатам кластеризации - классификации и группирования деталей (изделий);
    -  проектные (перспективные, директивные) технологические процессы обработки деталей (изделий).
     Примечание: в условиях единичного типа производства исходными данными являются объемы выпуска продукции и ведомость трудоемкости (станкоемкости).
     В условиях инновационного проектирования цифрового производства исходными данными для проектирования (участка, линии, цеха цифрового производства) являются:
    1) детали-представители групп (приложение рис. П1);
    2) чертежи деталей;
    3) проектные технологические процессы изготовления деталей-представителей групп изделий, близких по конструктивнотехнологическим признакам;
    4) данные о производственной мощности (или пропускной способности) участка, линии, цеха;
    5) тип производства.
     При наличии большой номенклатуры изделий, схожих по конструктивно-технологическим признакам, в серийных типах производства нет необходимости разрабатывать все проектные технологические процессы

11

Раздел I. Технологическая подготовка цифрового производства

на все изделия производственной программы. В этом случае расчеты принято вести по приведенной программе на основании проектного технологического процесса изготовления изделия-представителя.
     Для разработки ведомости приведенной производственной программы необходимо всю номенклатуру деталей классифицировать для определения групп или типов изделий, сходных по конструкции и технологии изготовления. В каждой группе выделяют изделие-представитель, по которому выполняют все последующие проектные расчеты. В качестве изделий-представителей принимают наиболее характерные изделия данной группы, и к ним предъявляют следующие требования:
    -  число изделий-представителей должно быть преобладающим в годовой программе;
    -  общая годовая трудоемкость (станкоемкость) изделий-представителей должна составлять значительную величину от общей годовой трудоемкости данной группы;
    -  наличие в группе изделий-аналогов, сходных по конструктивным признакам, габаритным размерам и массе.
     Под приведенной производственной программой понимают номенклатурный перечень изделий с указанием их количества. Эти изделия (детали) в заданном количестве должны быть изготовлены цехом (участком, линией) за плановый период (год).
     Таким образом, производственная программа является основой для всех последующих расчетов цеха (участка, линии), любого производственного подразделения цифрового производства.
     Приведенная программа участка связана с величиной производственной мощности (пропускной способности) следующим соотношением:


N - ^1
пр .   >
t шт

(1)


где Мпр - производственная мощность (пропускная способность участка;
     tшт - трудоемкость изготовления детали-представителя.
     В практике проектирования приводимые изделия данной группы принято приравнивать к изделию-представителю с учетом соотношений по массе, серийности программы, сложности механической обработки и другим параметрам. Таким образом:
NПр -Е nfᵢ ■ KJₜ,                     (2)
где Nпр - приведенное число изделий;
     Пр - число изделий данной группы (i);
     Kji - коэффициент привидения.

12