Когда страна ставит перед собой цели по достижению технологического суверенитета, импортонезависимости, когда перед страной стоит задача к 2030 году войти в топ-4 по объему ВВП, когда экстенсивный рост за счет найма персонала уже недоступен, то наиболее оправдан расчет на повышение производительности и внедрение инновационных технологий. Неслучайно государство сейчас активно поддерживает это направление – иначе мы рискуем оказаться аутсайдерами в гонке промышленно-развитых стран.
Роботы в России внедряются, в первую очередь, на автозаводах. Это наследие иностранных производств, в прошлом локализованных в России, да и на Автовазе сварочные роботы применялись еще в 80-е годы прошлого века. Распространение роботов происходит и в других отраслях, роботизируются сварка, сборка, покраска, упаковка, операции складской логистики. Вполне логично, что роботизация начинается с базовых производственных и технологических процессов. Однако уже на этом этапе следует задуматься: что же дальше? А дальше этап контроля. Важно не допускать, чтобы при росте производительности падало качество, и этап его контроля превращался в то самое узкое место, которое будет стопорить отгрузку готовой продукции. Поэтому параллельно с вопросами роботизации производственных процессов важно искать ответы на вопросы роботизации контроля качества.
В продолжении данной статьи мы будем говорить именно о роботизации и автоматизации контроля геометрии деталей.
Роботизация позволяет устранить простои и повысить общую скорость измерений. Идеальный рецепт – это беспрерывная работа измерительной системы с минимальными паузами на подготовку и установку детали, запуск программы, обработку результатов. Роботизация позволяет интегрировать результаты измерений в общую цифровую базу предприятия, что, в свою очередь, помогает накапливать статистические данные и анализировать процессы в течение времени, заранее предупреждая ситуации, когда ключевые параметры выходят за пределы допустимых значений.
Роботизированные решения, которые действительно способны значительно повлиять на эффективность работы предприятия, как правило, требуют больших инвестиций. Такие инвестиции крайне сложно выделить из собственных оборотных средств. С учетом длительности реализации таких проектов решение действовать с привлечением внешних источников финансирования становится неизбежным. Хорошей̆ новостью является то, что меры поддержки внедрения промышленных роботов разрабатываются как на федеральном, так и на региональном уровнях. Так, например, Комитет по промышленной политике, инновациям и торговле Санкт-Петербурга планирует в 2025 г. запустить новую меру поддержки для городских предприятий – субсидии на возмещение затрат по внедрению роботизированных систем и комплексов. Предполагается, что компенсация на покупку промышленных роботов иностранного производства может достигать 30% от их стоимости. Средства можно также направить на оплату сопутствующих работ по доставке и вводу в эксплуатацию, а также на оплату таможенных пошлин. При этом важно учитывать, что роботизация – не только затраты, но и возможность повысить капитализацию своего предприятия, в том числе в части нематериальных активов, которые играют значительную роль при участии в тендерах на специальные программы софинансирования и субсидирования.
Разобраться в технических аспектах и нюансах работы систем автоматизации измерений может быть сложным, но это вполне возможно – есть профильные интеграторы, есть реализованные проекты, есть специалисты, есть информация.
Профессиональный ответственный интегратор – это, как правило, эксперт не только в области работы роботов, но и области тех процессов, которые должны быть роботизированы. Интегратор роботизированных решений для контроля геометрии деталей должен разбираться в процессах и принципах измерений, иметь подтвержденный опыт и очень хорошо понимать особенности высокоточного контроля деталей сложной геометрии. Интегратор, который дорожит своей профессиональной репутацией, должен уметь подобрать оптимальную для конкретного производства конфигурацию, исходя из производственных планов заказчика, его возможностей и ограничений, дать исчерпывающую консультацию по подготовке помещения к установке роботизированной ячейки, дальнейшему ее использованию и обслуживанию.
Следующий вопрос – глубокое понимание производственных задач заказчика. Какой процесс планируется роботизировать? Действительно ли нужно это делать? Так, например, нет смысла внедрять роботизацию для измерений 20 разрозненных деталей. В предпроектной работе интегратор с заказчиком и заказчик сам с собой должны быть предельно правдивыми в вопросах выбора тех задач, которые подлежат автоматизации и роботизации. На этом этапе велик риск выдать желаемое за действительное, чрезмерный оптимизм за реальные производственные планы, а у этого риска очень высокая цена. Приступая к роботизации измерений деталей, следует ответить на несколько вопросов: какова серийность деталей, требуется частичный или 100% контроль, сколько времени уходит на измерения, какой персонал сейчас задействован на этом этапе, есть ли подходящее по площади и условиям окружающей среды пространство для размещения роботизированной ячейки, нужна ли будет резервная линия.
Самым важным элементом мозаики роботизации являются вопросы оценки эффективности, определения потенциального роста производительности, окупаемости. Именно эта информация необходима для обоснования закупки, выделения бюджета, получения субсидий, определения экономических целей предприятия на несколько лет вперед.
Ключевым фактором для правильной оценки эффекта является учет всех параметров и вводных при сравнении решения, в котором с измерительной системой взаимодействует человек (вариант 1), с решением, когда человек полностью или в части функций заменяется роботизированной системой (вариант 2). По умолчанию в таких используются автоматические измерительные системы, например, ЧПУ координатные измерительные машины (КИМ), так как автоматизировать работу с ручными средствами измерений не представляется возможным. Варианты с оснащением робота штангенциркулем мы рассматривать не будем, так как, на наш взгляд, это как раз та история, когда овчинка выделки не стоит.
В качестве инструмента для базового расчета экономического обоснования роботизации вполне можно применить обычный Excel. Разумеется, экономисты могут воспользоваться теми методиками и инструментами, которые используются на предприятиях и подготовить полноценный расчет с учетом дополнительных параметров и показателей, которые им доступны. Но за основу берется именно та логика расчета, о которой пойдет речь далее.
Рассмотрим задачу, которую можно назвать типичной для многих машиностроительных предприятий.
Предприятие на одном из этапов производства проводит контроль геометрии объемных деталей сложной формы, габаритами примерно 150х150х120мм, с несколькими отверстиями. Производится 3-4 типа таких деталей, серийность 10 000 шт. каждого типа в год (итого 30 000-40 000 шт. в год). Текущая производительность измерений – 25-30 деталей в 8-часовую смену при трехсменном графике, с учетом плановых остановок это оценочно составляет около 25 000-30 000 шт. в год.
Измерения происходят на ЧПУ координатной измерительной машине с моторизованной головкой PH10M и датчиком SP25M – это очень распространенный вариант. Отметим, что система работает в режиме ЧПУ по программе. Основная задача предприятия – рост производительности на 25- 30%, то есть достижение показателя в 37 500 - 40 000 деталей в год.
Вариант 1. Оператору привозят партию деталей нескольких типов, он вручную идентифицирует деталь (определяет ее тип, читает номер детали), закрепляет ее в оснастке, находит необходимые файлы и программу измерений именно для этой детали. Далее в ручном режиме оператор проводит черновое базирование детали, и только после этого машина начинает работу в автоматическом режиме. После измерений оператор формирует и сохраняет протокол измерений для каждой детали, при необходимости – распечатывает. При такой схеме непосредственно автоматические измерения занимают 6-7 минут, а весь остальной процесс – почти 10 минут. И даже при использовании одной и той же оснастки, что позволяет сократить время на проведение базирования, время на подготовку все равно составляет не меньше 7 минут. При этом всю смену оператор работает с машиной напрямую, непосредственно участвуя в измерениях, за вычетом перерывов, технических пауз, времени на подготовку оборудования к работе и на окончание смены.
Вариант 2. Это система автоматизации измерений INTEGRA Auto, состоящая из двустороннего магазина деталей Auto Rst с интегрированным роботом-податчиком, логического контроллера управления PLC, панели управления, программного обеспечения, включая систему хранения и статистического анализа данных. Детали располагаются в оснастке на паллетах, каждая из которых содержит QR-код с идентификатором детали. В начале смены оператор загружает магазин (для нашего примера на 48 деталей, причем возможна загрузка деталей разного типа) и запускает работу системы. Робот в заданной очередности забирает детали из магазина, считывает QR-код, располагает деталь в заранее определённое место в измерительной системе, все необходимые файлы и программа измерений данной конкретной детали загружаются автоматически. Также автоматически результаты измерений сохраняются в базе данных, при этом используется цветовая индикация «брак/не брак», а при необходимости можно обратиться к детальным результатам измерения каждой детали даже спустя несколько месяцев или лет, ограничено это только объемом хранилища данных. При это доступна возможность постоянного отслеживания графика по критически важным параметрам и тренда к их выходу за пределы допуска. Обнаружение такого тренда позволяет заблаговременно внести коррекции в процедуру обработки детали (перенастроить станок, сменить резец и т.п.), не допуская появления первых бракованных деталей.
Параметры, учитываемые при сравнении:
- время на подготовку в начале смены (включая время на подготовку оборудования, загрузку магазина и т.п.);
- время на установку, запуск программы, сохранение протокола;
- время на измерение одной детали (или нескольких при их параллельном измерении);
- общее время цикла;
- технические паузы, например на автокалибровку измерительной системы;
- паузы (при работе человека) – минимум 5 минут каждый час;
- длительность смены, рабочий график предприятия.
- время на окончание смены (отключение оборудования или его передача сменщику, разгрузка магазина деталей и т.п.);
- емкость магазина деталей, время до его полной разгрузки;
- стоимость системы автоматизации, срок амортизации, стоимость и периодичность технического обслуживания. Стоимость измерительной системы в данном случае не учитывается, т.к. предполагается, что она уже имеется на предприятии и одинаково применяется в обоих вариантах;
- уровень зарплаты персонала, общий объем ФОТ с учетом времени занятости, включая социальные отчисления.
На основе этих данных проводятся расчеты, которые показывают, как автоматизация повлияет на производительность и затраты.
В зависимости от ситуации и степени полноты данных можно учесть дополнительные параметры, например, если предприятие знает полную себестоимость производства каждой детали и размер прибыли, то экономисты предприятия могут учесть это при расчете окупаемости.
Результатом сравнения двух вариантов решения стали следующие показатели:
- Прирост производительности с автоматизацией: + 28%
- Экономия ФОТ/год (3-сменный режим) с автоматизацией: 4 056 000 руб.
- Прирост количества измеренных деталей/год (3-х сменный режим) с автоматизацией: 7200 шт
В целом можно сказать, что задача предприятия решается. Но все-таки цель – производительность в 40000 шт/год – еще не достигнута.
Чтобы достигнуть требуемой производительности можно рассмотреть вариант, при котором используются две ЧПУ КИМ. Если измерения проводятся только силами оператора, то во время этапа автоматических измерений одной детали он готовит все для измерения другой детали. Такое встречается на практике, в частности, на одном из заводов, выпускающем газотурбинные двигатели, действует схема работы, при которой два оператора работают сразу с пятью машинами. Разумеется, такой режим требует более высокой квалификации оператора, опыта работы с конкретными деталями (оператор должен, что называется, набить руку), повышает нагрузку и увеличивает риск ошибки.
Для выхода на целевые показатели производительности для работы с двумя КИМ было рекомендовано применить одну автоматизированную систему подачи. Это может быть как и ранее упомянутый вариант с двусторонним поворотным магазином Auto Rst, так и применение линейного магазина Auto Lst с роботом на направляющей рельсе.
В этом случае изменение показателей в расчете станет следующим:
- Прирост производительности с автоматизацией: + 35%
- Экономия ФОТ/год (3-сменный режим) с автоматизацией: 3 744 000 руб.
- Прирост количества измеренных деталей/год (3-сменный режим)с автоматизацией: 15 517 шт (то есть округленно требуемые 40 000 шт. в год)
Можно сделать вывод, что использование автоматизированных систем более эффективно в связке с несколькими измерительными машинами. Если детали требуют контроля на разных типах оборудования, например, объемные детали контролируются на координатной измерительной машине, а плоские детали на видеоизмерительной машине (ВИМ), то такой контроль можно проводить в рамках одного измерительного цикла, указывая для каждой детали в базе данных, на какой именно машине требуется его проводить.
Ниже приведены визуализации решений с КИМ и ВИМ, а также с несколькими КИМ и комбинацией из нескольких КИМ и ВИМ.
Поворотный магазин деталей, робот-податчик, КИМ и ВИМ
Линейный магазин деталей, робот-податчик на рельсе, пять КИМ
Линейный магазин деталей, робот-податчик на рельсе, два КИМ и два ВИМ
Обратимся к другой ситуации, когда стоит задача повысить производительность контроля крупногабаритных деталей.
В этой ситуации предприятие производит оси вагонов. Длина деталей составляет в среднем 2,5 м, вес каждой – до 100 кг с учетом оснастки. На предприятии уже внедрена частичная автоматизация процесса производства, перемещение заготовок между участками производится, в том числе, роботизированным методом.
Проектом предусматривается контроль деталей на координатных измерительных машинах в ЧПУ режиме. Целевой показатель – 11 осей в час.
Ограничивающим фактором для достижения плановых показателей является способ установки деталей. Перемещение и установка вагонных осей в ЧПУ КИМ происходит при помощи неточного механизма. Установка происходит с низкой скоростью, чтобы обеспечить точность позиционирования детали, а также минимизировать риск повреждения прецизионно- изготовленной гранитной рабочей плиты ЧПУ КИМ и ее компонентов.
Для достижения более высокой производительности в проект сразу заложено использование двух параллельно работающих КИМ. Однако при текущей схеме обработки деталей и их транспортировки это обеспечивает контроль всего до 5-5,5 валов в час.
Для дополнительного ускорения процесса предлагается внедрение автоматизации измерений, состоящее из системы перемещения деталей на 2 оси, датчиков положения портала КИМ, контроллера управления. При этом погрузочный механизм устанавливает заготовку не на саму КИМ, а на точку, вынесенную в сторону от нее. После этого вал на оснастке автоматически перемещается по направляющим в зону измерений в самой КИМ. Это позволяет проводить процедуру существенно быстрее, так как конструкция машины не мешает погрузке, скорость опускания может быть выше, ведь спуск осуществляется не на гранитную прецизионную плиту, а на более неприхотливую систему подачи. При этом во время установки одной оси вторая ось уже отправляется в зону измерений, что минимизирует простой КИМ. Данные об измерениях также сохраняются в единую базу.
В данном случае расчет дает следующие показатели:
- Прирост производительности при автоматизации: + 44% (+2,5-3 детали в час, всего 7,5-8 деталей в час)
- Экономия ФОТ/год (3-х сменный режим) при автоматизации: 4 251 000 руб.
- Прирост количества измеренных деталей/год (3-х сменный режим) при автоматизации: 13 200 шт.
Такие расчеты становятся базой для оценки целесообразности будущих инвестиций, соотношения их с результатом. Что лучше: сразу инвестировать больше или ограничиться двумя системами, оценить их работу в течение определенного времени, соотнести плановые показатели с фактическими, в том числе потенциальный рост или снижение этих планов со временем?
А какой процент брака допустим и допустим ли вообще? Может быть, стоит рассмотреть контроль меньшего количества валов, а для снижения брака ввести дополнительный контроль на одном из предыдущих этапов обработки? А имеется ли достаточная площадь для размещения большего количества систем?
Возможно даже потребуется полная симуляция всего производственного цикла с учетом нескольких решений на базе программных решений типа «цифровой двойник».
Подобные вопросы – часть этапа внедрения любой автоматизации. А ответы на них требуют интенсивной совместной работы с профессиональным интегратором роботизированных решений для измерения и контроля деталей.
Рассмотрим вариант внедрения автоматизации в систему высокоскоростного бесконтактного сканирования лопаток газотурбинного двигателя. В данном случае время измерения одной лопатки – а это детали сложной формы со специфическими параметрами – меньше, чем в самой первой задаче, где применялась классическая ЧПУ КИМ, и составляет 4-5 минут. Скорость и производительность измерений здесь критична, так как лопатки требуют 100% контроля.
В этом варианте работа оператора носит характер, схожий с тем, что мы видели в первой задаче, за исключением того, что установка лопатки происходит в зажимной патрон, то есть в одно и то же место, поэтому чернового ручного базирования не требуется.
То есть общий цикл измерения меньше и даже при работе человека составляет 9-10 минут с учетом всех подготовительных операций.
Будет ли в данной ситуации, когда скорость измерения уже достаточно высока, давать эффект внедрение дополнительной автоматизации?
Схема автоматизации такая же, как и в первой задаче: поворотный магазин INTEGRA Auto Rst, робот-податчик, система паллет с QR-кодами, PLC-сервис и управляющее программное обеспечение. Фиксация детали происходит при помощи пневмопатрона. Однако, ввиду меньших габаритов деталей, вместимость магазина увеличивается до 60 деталей (по 30 с каждой стороны магазина).
Расчет показывает прирост производительности в 24-25%, что несколько ниже, чем при схеме с КИМ, но все равно существенно. В абсолютных цифрах это означает прирост в более чем 8000 лопаток в год и это только на одной измерительной системе в одной лаборатории. На таких предприятиях работают несколько лабораторий, ведь объем производимых и полностью контролируемых лопаток составляет десятки тысяч в год.
Экономия ФОТ – около 3 900 тыс. руб. в год при 3-сменном графике.
Используя данную логику расчета можно оценить целесообразность внедрения автоматизации.
Важно понимать и помнить, что при оценке каждой ситуации можно варьировать параметры и оценивать, как они влияют на финальный результат. Например, в разных регионах и на разных предприятиях уровень оплаты персонала может отличаться. При добавлении в производство деталей другого типа может измениться время непосредственных измерений. Можно менять тип и емкость магазина деталей – например, для того, чтобы совместить общее время смены и время измерения всех деталей в магазине и избежать загрузки/разгрузки магазина посреди смены. Точно также при смене типа измерительной системы и скорости ее работы эффект от внедрения автоматизации может измениться.
Рассмотренные нами случаи в целом показывают, что рост производительности за счет внедрения систем роботизации измерений превышает 25%. Каждое предприятие может оценить, является ли этот показатель значимым для него, соотнести расчётный прирост выпуска деталей с плановым.
При учете дополнительных данных, имеющихся у экономистов предприятия, возможно оценить и окупаемость. При расчете окупаемости обязательно учитывается ставка кредитования. При этом в данный момент меры государственной поддержки по развитию роботизации включают в себя и программы субсидирования, и льготные кредиты. В Санкт-Петербурге ставка такого кредита составляет всего 3%. Такой показатель существенно изменяет окупаемость проекта.
Однако, не всегда потенциальный прирост производительности и экономический эффект являются решающими условиями для внедрения автоматизации и роботизации. Сейчас в России ситуация с нехваткой персонала складывается таким образом, что использование роботов часто вообще является единственной возможностью продолжить работу предприятия. Это касается регионов, откуда случился отток специалистов в центральные регионы и города – Москву, Санкт-Петербург, Казань и др. И речь идет о том, что работать на определённых участках производства просто физически некому. Использование роботов вместо людей становится вынужденным.
