Lego-технологии при изготовлении шкафов электропитания современных радиолокационных станций

Введение

С момента становления радиоэлектронной промышленности по сегодняшний день про­изводство составных частей мощных радиоэ­лектронных комплексов (РЭК) остается высокозатратным процессом в первую очередь из-за характера продукта. Типичные устройства из состава комплекса содержат сотни или даже тысячи отдельных деталей и сборочных еди­ниц, при этом объем выпуска таких устройств может составлять несколько десятков штук в год. В этом случае стоит говорить о мелкосе­рийном и, более того, единичном производстве.

Тип производства определяется коэф­фициентом закрепления операций за одним рабочим местом или единицей оборудования (коэффициентом серийности) [1]:

где O - число различных операций;

Р - число рабочих мест, на которых выпол­няются операции.

Существующие типы производства ха­рактеризуются значениями коэффициентов К_з.о, представленными в табл. 1.

Чем ниже значение К_з.о, тем уже специа­лизация сотрудника, выше возможная степень автоматизации производства и, как следствие, производительность труда. Сегодня на каждом рабочем месте массового производства для выполнения одной элементарной операции привлекаются исполнители невысокой квалификации. При этом используется специальное высокопроизводительное оборудование, ко­торое размещается по ходу технологического процесса (ТП) и связывается конвейерами в единую поточную линию.

По мере снижения серийности включа­ются принципы концентрации операций с вы­полнением групп операций на одном рабочем месте и все активнее используется универсальное многоцелевое оборудование. Для многоно­менклатурного среднесерийного производства экономически выгодно применять гибкие про­изводственные системы, для которых исполь­зуются автоматизированные системы техноло­гической подготовки производства (АСТПП) и автоматизированные системы управления тех­нологическими процессами (АСУТП).

При производстве устройств из состава РЭК значение К_з.о часто достигает сотен опера­ций на рабочее место, а количество выпускае­мых изделий и размеры операционных партий комплектующих изделий, поступающих на ра­бочие места, исчисляются единицами и десят­ками штук. Наработанные методы достижения высокой производительности труда для такого типа производства практически непримени­мы, поскольку при непоточном производстве технологические границы дифференциации определяются необходимостью получить за­конченную сборочную единицу в результате выполнения серии операций на рабочем месте, а не требуемым ритмом.

На рабочих местах выполняются техно­логические операции, повторяющиеся нерегу­лярно, используется универсальное оборудова­ние, при этом 60 % времени и более уходит на механосборочные и электромонтажные опера­ции. Для этого требуется высококвалифициро­ванный персонал, от которого зависит качество выпускаемой продукции, что в конечном сче­те является причиной высокой себестоимости аппаратуры. В табл. 2 представлены трудоем­кость и стоимость сборки ячейки распреде­лительной, выполненной (800 элементарных операций) персоналом разной квалификации: электромонтажниками 2-5-го разряда.

В настоящей статье предлагается подход к формированию ТП для единичного и мелко­серийного производства, при использовании которого можно заметно сократить время из­готовления изделий в том числе при привле­чении среднеквалифицированного персонала. Для этого рассмотрим жизненный цикл систем и обратим внимание на стадии разработки, за­тем напомним о детских конструкторах и ин­струкциях по их сборке и наконец на основе методики создания таких инструкций сфор­мулируем концепцию технологии создания ТП для мелкосерийного производства. Пер­вые результаты применения новой технологии выглядели ошеломляюще: при партии 10 шт. средние трудозатраты сборщика средней ква­лификации на сборку ячейки с использовани­ем стандартных операционных карт составили около 36 человеко-часов, но при использова­нии технологических карт нового типа сборка ячейки осуществлялась в течение одного двух­сменного рабочего дня. Результатам и рассмо­трению ближайших перспектив предложенной технологии посвящен раздел «Создание 3D технологической документации и производи­тельность сборки».

Стадии жизненного цикла систем

Универсальным ответом на растущие потреб­ности современной экономики в технически сложном оборудовании и системах стало фор­мирование принципиально новой дисципли­ны - прикладного системного инжиниринга, предметом которой являются методология разработки и внедрение таких систем. В Рос­сии используется понятие «системная разра­ботка», представляющее собой единый под­ход к проектированию, созданию и функцио­нированию системы. В основе этого подхода лежит редукционизм, декомпозиция сложных проблем на более простые, изделий - на со­ставные части, а проектов (систем) в целом - на фазы реализации или жизненного цикла [2].

Используем схему деления, представ­ленную на рис. 1, для определения резервов снижения себестоимости материального про­дукта (устройств из состава РЭК) и в качестве скелета процесса при создании нового интел­лектуального продукта.

При постоянных затратах на исследо­вание себестоимость устройств будет опре­деляться в основном производственными за­тратами (фаза «создание») и затратами на подготовку производства на стадиях проекти­рования и отчасти разработки.

Решающую роль в достижении произ­водственных целей играют разработка и эф­фективное описание ТП, т. е. последовательно­сти и содержания действий (технологических операций) для получения готового продукта. Степень детализации описания ТП зависит от типа производства. Для массового производ­ства требуется полное описание всех техноло­гических операций в очередности их выполне­ния с указанием переходов и технологических режимов в операционных картах. Высокая стоимость технологической подготовки про­изводства при этом окупается снижением за­трат непосредственно на производственный процесс. Со снижением серийности и повыше­нием концентрации производства доля затрат на подготовку растет, и приходится прини­мать меры к их снижению, в том числе за счет средств на разработку ТП.

Экономически выгодным становится ото­бражение последовательности действий кон­турно с минимальными подробностями. Для мелкосерийного производства используются маршрутное или маршрутно-операционное описание ТП, а в качестве основных техноло­гических документов - маршрутные карты. В первом случае в маршрутной карте приводится порядок и сокращенное описание операций без указания переходов и технологических режи­мов, во втором оно дополняется полным опи­санием некоторых операций в других докумен­тах (например, картах типовых операций) [3]. Для дальнейшего снижения себестоимости на стадии проектирования используются системы автоматизированного проектирования ТП [4]. Как правило, в них содержатся собственные базы данных (справочники, чертежи деталей, библиотеки оборудования, наборы типовых ТП) или используются внешние, и после диа­логовой постановки задачи в автоматическом режиме формируется требуемая технологиче­ская документация (ТД).

В существующей форме оба рассмотрен­ных выше подхода не дают кардинального улучшения ситуации, если речь идет о мелкосе­рийной сборке сложных устройств. Для этого нужен новый интеллектуальный продукт, кото­рый позволил бы нанести удар по кажущемуся неприступным бастиону - себестоимости са­мого процесса мелкосерийной сборки. Чтобы осуществить это, необходимо пройти все ста­дии жизненного цикла этого продукта. Для начала проанализируем имеющиеся альтер­нативы и создадим подходящую модель для разрабатываемого будущего ТП. 

Исследование. Игра в кубики как модель ТП 

История конструкторских наборов берет на­чало в 1880 г., когда будущие пионеры возду­хоплавания Отто и Густав Лилиентали при­думали комплект миниатюрных строитель­ных блоков трех типов (цветные кирпичики, брикеты и кровля) для детей. Наборы Anker содержали инструкции, по которым ребенок мог собрать модель здания (рис. 2, а). Один из таких наборов, насчитывавший 160 блоков, принадлежал А. Эйнштейну.

К сегодняшнему моменту одними из наиболее популярных стали конструкторские наборы Lego на основе полых пластиковых кирпичиков, защелкивающихся друг с дру­гом цилиндрическими шипами и трубками. В наборы входит множество других деталей: панели, конусы, колеса, шестерни. Высокая точность изготовления (10 мкм) деталей Lego позволяет легко и надежно стыковать их друг с другом и собирать модели автомобилей, по­ездов, зданий, роботов.

Флагманские наборы, рассчитанные на детей 4-7 лет, содержат десятки деталей раз­личных форм, а для детей 10-14 лет разраба­тываются комплекты для сборки технически сложных объектов из тысячи и более деталей (рис. 3). При рассмотрении процесса их сбор­ки с производственной точки зрения можно заметить, что коэффициенты закрепления опе­раций за детскими «рабочими местами» грубо совпадают с типичными значениями для про­изводства РЭК.

Подобно сборке конструкций из детских наборов, сборка устройств из состава РЭК представляет собой процесс механического (или электрического, если речь идет об элек­тромонтаже) соединения деталей и электрора­диоэлементов.

Что же позволяет детям справляться с задачами, требующими во «взрослой» произ­водственной жизни привлечения высококвали­фицированных специалистов?

Проблема заключается в том, что, полу­чив комплект маршрутных (и даже операцион­ных) карт стандартного образца, неквалифици­рованный исполнитель оказывается абсолютно беспомощным перед кипой малопонятных ин­струкций.

Для решения этой проблемы в состав ТД стали включать графические иллюстрации к технологическим картам (чертежи деталей с нумерацией всех поверхностей, эскизы опера­ций в том числе с изображением используемого инструмента). Иллюстрации оформляются от­дельно в виде карт эскизов либо располагаются непосредственно в поле операционной карты на специально отведенном месте (рис. 4, а).

Использование эскизов облегчает про­цесс восприятия сложной информации, однако не меняет ситуации кардинально в первую оче­редь из-за половинчатости решения: 2D-чертежи в черно-белой графике представляют собой бледный отпечаток реальности и являются всего лишь дополнением к формализованному тексту.

Разработчики развивающих конструктор­ских наборов изначально отталкиваются не от формального описания мира, но обращаются к детскому образному, невербальному мыш­лению. Дети от двух лет легко воспринимают яркие объемные изображения. Они могут со­бирать модели довольно сложных объектов по инструкциям, состоящим из одних «картинок». 10-летний ребенок, имея только графическую инструкцию (рис. 4, б), способен за несколь­ко часов собрать модель вертолета Lego, со­вершив более 300 законченных механических операций.

У взрослого человека визуальный канал восприятия информации имеет наибольшую пропускную способность, поэтому можно ожи­дать, что операционное описание ТП в максимально иллюстративной форме позволит сократить время сборки в сравнении с тради­ционными формами оформления ТП. Однако конечная эффективность такого подхода силь­но зависит от затрат на разработку Lego-по­добной ТД.

Разработка. Поиски инструментария

На следующем этапе, после анализа и поста­новки задачи, необходимо разработать ин­струменты и определить методологию ее ре­шения. В данном случае речь идет о том, как и какими инструментами следует вести разра­ботку ТД нового типа.

Использование систем автоматизирован­ного проектирования (САПР) ТП для разра­ботки ТП ограничивается индивидуальностью порядка сборки, а значит, и схем ТП, а также в отличие от техпроцессов обрабатывающего производства отсутствием формализованных описаний большинства переходов. Кроме того, все САПР ТП ориентированы на выдачу тех­нологических карт стандартизованной формы.

Для того чтобы сформировать комплект Lego-подобной ТД, необходимо понять, как создаются инструкции Lego. Комбинируя Lego-элементы, можно самостоятельно со­брать нестандартную конструкцию и даже со­ставить инструкцию по ее сборке. В книге [5] для этого рекомендуется использовать цифро­вую фотокамеру. Прежде всего предлагается сделать снимки всех необходимых для сбор­ки деталей. Затем фотографировать каждый шаг процесса установки и стыковки деталей, т. е. снимать сборку операцию за операцией: отдельных узлов (сборочных единиц) и кон­струкции в целом. После этого импортировать фотографии в текстовый редактор или про­грамму видеомонтажа. Однако большинство изображений создается с помощью программ компьютерного проектирования, используя которые можно спроектировать всю конструк­цию [5].

Современные CAD-системы - это мощ­ный инструмент по созданию конструкторской документации на основе 3D-моделирования [6]. При этом на одних и тех же стадиях жизненного цикла работа конструкторского коллек­тива моделирует работу персонала, занятого в основном производстве. Сначала на основе эскизов (обработка заготовок) или импортиру­ются из баз данных (закупка комплектующих) создаются 3D-модели элементов, затем произ­водится 3D-сборка моделей сборочных единиц (узловая сборка) и 3D-конструкции изделия в целом (общая сборка), только в качестве сред­ства производства вместо инструментов и тех­нологического оборудования, применяемых в реальном производстве, используются кон­структорские САПР.

Отличие виртуального процесса сбор­ки от реального заключается в том, что кон­структор способен сохранить промежуточные результаты (состояния материального продук­та) после каждой операции, и, следовательно, эти 3D-модели могут стать основой для новой технологии описания техпроцессов, которую в дальнейшем будем называть Lego-техноло­гией. Другое дело, что последовательность виртуальных операций по 3D-сборке может отличаться от предписываемой техпроцес­сом создания материального продукта. В дан­ной ситуации можно разобрать законченную 3D-модель изделия на элементы и собрать за­ново в соответствии с разработанным тради­ционным образом ТП (или просто скрыть не­нужные элементы). Однако еще лучше сразу после появления концепции нового устройства начать проектировать ТП, параллельно созда­вая конструкторскую документацию. Создание 3D ТД и производительность сборки После того как найден подходящий инстру­мент и определено, как его использовать, была предпринята попытка разработать техпроцесс сборки реального устройства двумя способами.

Начало разработки было общим. Поря­док действий обычный, как при разработке стандартного ТП:

• разработка маршрута изготовления в форме структурированного иерархического дерева;
• построение схемы операций по марш­руту ТП;
• выбор инструментов и оснастки, опре­деление технологических режимов.

Затем необходимо подготовить два вида технологических карт: операционные стан­дартного образца (v1.0) и Lego-подобные (v2.0) по спроектированному макету. Для создания карт нового типа использованы обычные кон­структорские САПР (рис. 5) и 3D-модели из состава электронной конструкторской доку­ментации. Поместив 3D-модель сборочной еди­ницы в рабочую область, разработчик выстав­лял нужное освещение и угол обзора, скрывал часть деталей, оставляя только установленные по состоянию на начало (или конец) опера­ции, и проводил рендеринг объекта. Для пол­ного описания операции добавлялись 3D-модели устанавливаемых деталей с указателями места монтажа, а также перечни деталей - в верхнюю зону карты. Маршрут сборки и Lego-карты v2.0 магистральной ветви пред­ставлены на рис. 6. При этом среднее время изготовления карты v2.0 составило около 20 мин на одну Lego-карту (чуть более полминуты на элементарную операцию), что сравнимо со временем изготовления операционных карт v1.0 стандартного образца на специализиро­ванных САПР и значительно меньше времени подготовки технологических карт вручную.

Для проверки сформулированных ра­нее предположений и оценки эффективности Lego-технологии было решено передать до­кументацию обоих типов сборщикам средней квалификации и сравнить результаты ее ис­пользования.

Получены ошеломляющие результаты: при партии 10 шт. средние трудозатраты на сборку ячейки с использованием обычных операционных карт составили около 36 чело­веко-часов; при использовании Lego-карт сбор­ка ячейки осуществлялась в течение одного двухсменного рабочего дня. Отчасти это можно объяснить использованием деталей с допусками, характерными для проведения сборки методом полной заменяемости (серийные за­водские реле, автоматы, контакторы, элементы корпуса и т. п.), и применением компенсаторов.

По итогам первых практических прове­рок сборщики и представители военной при­емки высказали пожелания о необходимости дополнительных текстовых комментариев, по­каза используемого инструмента и многие дру­гие, с учетом которых начался процесс деталь­ного проектирования дизайна технологической Lego-карты v2.1. Общее поле листа Lego-ин­струкции с 3D-моделью изделия в начальном и конечном состояниях сохранилось. Также были добавлены все необходимые атрибуты стандартной операционной карты: текстовые пояснения, указания на используемый инстру­мент, схемы установки деталей и т. п. (рис. 7).

Недостающие изображения (фото, 3D-модели) инструмента и технологического обору­дования (паяльных станций и др.) были взяты с сайтов поставщиков или изготовлены самосто­ятельно. В результате была создана модель ТП с агрегированием таких типов информацион­ных моделей, как образные (фото инструмента, 3D-модели сборочных единиц, деталей и крепе­жа), смешанные (схемы установки деталей и т. п.) и знаковые (текстовые пояснения).

Lego-карты v2.1 были использованы при сборке более сложного изделия - шкафа рас­пределительного (ШР), ТП которого без уче­та сборки семи ячеек насчитывает около 2600 элементарных сборочных операций, некоторые из которых требовали пригонки.

Время сборки ШР сборщиком высокой квалификации с применением обычных опера­ционных карт составляло 128 ч, или 2,95 мин на элементарную операцию. Сборщику средней квалификации при использовании Lego-карт для сборки хватило 80 ч (1,85 мин/операция). Дан­ные по затратам, включая разработку ТП с при­менением Lego-технологии, сведены в табл. 3.

Из таблицы видно, что использование Lego-технологии для описания технологиче­ского процесса сборки окупается уже при раз­мерах партии в 1 шт. Время выполнения операции меньше зависит от размеров партии, нежели при использовании традиционных тех­нологических карт. Тем не менее можно про­гнозировать эффективность Lego-технологии не только для единичного производства. За­висимость трудозатрат на одну операцию от размеров партии по результатам сборки яче­ек распределительных представлена на рис. 8 (сплошные кривые - результат аппроксимации функциями вида y = b + ax^c).

Анализ соответствующих кривых для сборки персоналом средней и высокой квалификации с использованием традиционных ТК (красная и фиолетовая кривые) и средней квалификации с использованием Lego-карт (голубая кривая) показывает, что последний вариант эффективнее по крайней мере до объ­емов 100-150 шт.

В соответствии со стратегией CALS (не­прерывная информационная поддержка поста­вок и жизненного цикла изделий) актуальным представляется создание электронных версий ТП v2.x (на сегодняшний момент реализова­на версия в Microsoft PowerPoint - рис. 9, б) для планшетов и промышленных ПК, кото­рые можно устанавливать непосредственно на рабочих местах или доступных серверах. На этапах применения и модернизации жизнен­ного цикла изделий аналогичным интеллек­туальным продуктом предстают интенсивно внедряемые в последние 10-15 лет интерак­тивные электронные технические руководства (ИЭТР). Основная задача ИЭТР состоит в сни­жении сроков ремонта и обслуживания техни­ки за счет предоставления информации в мак­симально удобной форме. Такие руководства включают в себя базы данных и электронные системы отображения.

Один из наиболее популярных стандар­тов в этой области, первоначально разработан­ный для технических публикаций в авиастро­ении, ASD S1000D, применяется для модулей данных (каталоги компонентов, описания прин­ципов работы и процедур обслуживания и ре­монта), объединенных в общую базу. На его основе разработаны и отечественные ГОСТы. В пользовательской зоне окна ИЭТР отобража­ются графические изображения, текстовая ин­формация и таблицы. Как правило, иллюстрации выполняются в черно-белой векторной графике: сборочные чертежи, изображения в аксономе­трии или перспективе (рис. 9, а) [7]. Стандарт позволяет добавлять картинки и 3D-модели, но это относится в первую очередь к индивидуаль­ным модулям и базам отдельных разработчиков, общие базы (в том числе каталоги компонентов) на это не ориентированы.

Черно-белая графика несколько снижает эффективность иллюстративного подхода - стандартные уровни сокращения времени об­служивания и ремонта оцениваются в 25-30 %. Однако с ее помощью можно сделать публика­ции совместимыми и применять общие базы данных без увеличения времени разработки с использованием специализированных про­грамм. При создании следующих электронных версий ТП на основе Lego-технологии пред­ставляется перспективным использовать анало­гичные модульные структуры с формированием необходимых баз данных, сохранив в качестве основы для иллюстраций цветные 3D-модели.

При дальнейшем развитии Lego-техноло­гии могут применяться в технологиях сборки узлов антенн и СВЧ-устройств. На рис. 10 при­веден пример 3D-модели приемопередающего модуля (НИМ) Х-диапазона активной фазиро­ванной антенной решетки (АФАР). АФАР в своем составе обычно содержит сотни и даже тысячи ППМ, поэтому повышение производи­тельности технологий монтажа ППМ весьма актуально уже на этапе изготовления опытного образца и при серийном производстве.

Заключение

Разработана новая технология описания ТП мелкосерийного производства (Lego-техно­логия) на базе компьютерного 3D-моделиро- вания и подхода Lego к созданию инструкций по сборке детских конструкторских наборов.

В результате первой практической про­верки Lego-технологии была подтверждена возможность резкого повышения производи­тельности труда по крайней мере на сборке устройств распределения электропитания из состава РЭК при относительно невысоких тру­дозатратах на разработку ТП. Достигнутые результаты свидетельствуют о несомненных перспективах использования Lego-техноло­гии при разработке ТП. Дальнейшее развитие Lego-технологии может происходить по не­скольким направлениям:

• совершенствование формы технологи­ческих Lego-карт;
• организация параллельной разработки конструкторской и технологической докумен­тации;
• создание баз данных инструментов и оборудования;
• интеграция Lego-подхода с современ­ными САПР ТП;
• создание электронных версий ТП v2.x для планшетов и промышленных ПК, которые можно устанавливать на рабочих местах высо­коконцентрированного производства.