Разработка структурно-функциональной модели функционирования интеллектуальной роботизированной производственной ячейки

EDN: HUDGOH

Современное развитие рынка малых космических аппаратов нано-класса CUBESAT характеризуется ужесточением требований к срокам вывода продукции, высокой степенью кастомизации, необходимостью частой смены полезной нагрузки и оперативной адаптации производственных мощностей к продукции. В этих условиях ключевым фактором конкурентоспособности предприятий становится способность их производственных систем к быстрой переналадке при сохранении высокого качества сборки и экономической эффективности. Традиционные методы организации сборочных производств космических аппаратов, основанные на длительной переналадке специализированной оснастки и ручном труде, не позволяют в полной мере удовлетворить возрастающие требования.

Для организации серийного роботизированного производства была разработана структурнофункциональная модель функционирования интеллектуальной роботизированной производственной ячейки (рисунок 1), обеспечивающая быструю перестройку производства, начиная с этапа проектирования продукции и заканчивая сдачей продукции заказчику. Модель описывает взаимодействие внутренних процессов предприятия на всем жизненном цикле изготовления продукции, в том числе ключевые процессы создания ИРПЯ и их перестройки при смене продукции.

Так же были сформированы действия, связанные с переналадкой производства:

• 1)    Подготовка. Нужно провести анализ новой конфигурации аппарата и сформировать инструкции в AR формате для оператора заранее.

• 2)    При создании ИРПЯ нужно реализовать систему автоматической смены инструментов робота, в том числе возможное снятие кондукторов и адаптеров. Требуется предусмотреть монтаж кондукторов под новую полезную нагрузку и автоматическую калибровку системы технического зрения под габариты компонентов.

• 3)    Требуется обеспечить загрузку новых траекторий из цифрового двойника, в том числе автоматическую настройку параметров монтажа. При этом новые траектории должны быть разработаны и протестированы заранее.

• 4)    Тестирование ИРПЯ после переналадки, должна включать проверку точности и пробный цикл сборки 1 аппарата. Требуется предусмотреть монтаж кондукторов под новую полезную нагрузку и автоматическую калибровку системы технического зрения под габариты компонентов.

• 5)    Требуется предусмотреть монтаж кондукторов под новую полезную нагрузку и автоматическую калибровку системы технического зрения под габариты компонентов.

• 6)    Требуется обеспечить загрузку новых траекторий из цифрового двойника, в том числе автоматическую настройку параметров монтажа. При этом новые траектории должны быть разработаны и протестированы заранее.

Рисунок 1 – Структурно-функциональная модель функционирования ИРПЯ

• 7)    Тестирование ИРПЯ после переналадки, должна включать проверку точности и пробный цикл сборки 1 аппарата.

В таблице 1 представлен пример функционирования данной модели на примере перехода с научной миссии (спектрометр) на коммерческую (оптическая камера).

Таблица 1 – Пример функционирования модели

Этап	Действия	Время
Демонтаж	Снятие кондуктора для спектрометра, автоматическая смена паяльника на грейфер.	15 мин
Установка	Монтаж кондуктора под камеру, калибровка зрения под габариты 150^150 мм.	25 мин
Программирование	Загрузка траекторий монтажа камеры из цифрового двойника.	10 мин
Тестирование	Проверка точности позиционирования (±0.04 мм), пробная сборка.	30 мин
Итог	Общее время переналадки: 80 минут (ранее — 4 часа).

Так же для функционирования данной модели были разработаны рекомендации, связанные с вспомогательной интеграцией в ИРПЯ элементов Индустрии 4.0. Они включают в себя:

• 1)    IoT-датчики: Мониторинг вибраций, температуры, влажности в реальном времени.

• 2)    AI-аналитика: Прогнозирование износа оснастки на основе данных цифрового двойника.

• 3)    MES-система: Управление OEE (Overall Equipment Effectiveness), планирование переналадок.

Благодаря данным разработкам можно сделать вывод, что модель обеспечивает гибкость и скорость адаптации ИРПЯ под новые задачи, что критически важно для рынка CUBESAT с его быстро меняющимися требованиями.

Для оценки эффективности переналадки ИРПЯ были сформированы следующие критерии и показатели:

• 1)    Скорость переналадки. Целью критерия является минимизация времени простоя. Под временем полного цикла переналадки понимается демонтаж старой оснастки и установка новой, а также калибровка программ роботов).

• 2)    Стоимость переналадки. Целью этого критерия является снижение затрат на переналадку. Под затратами на переналадку включается труд, энергию, износ оборудования.

• 3)    Ремонтопригодность и надежность. Целью этого критерия является минимизация простоев из-за поломок.

• 4)    Точность после переналадки. Целью критерия является сохранение качества сборки за счет показателей погрешности позиционирования компонентов.

• 5)    Гибкость и адаптивность. Целью критерия является поддержка разнообразных конфигураций.

• 6)    Безопасность. Целью критерия является защита персонала и оборудования.

• 7)    Энергоэффективность. Целью критерия является снижение энергопотребления.

Примеры из практики представлены в таблице 2.

Оптимизация этих показателей позволяет сократить время переналадки на 60%, повысив конкурентоспособность производства CUBESAT.

Разработка и внедрение эффективной системы быстрой переналадки технологического оснащения ИРПЯ для сборки малых космических аппаратов нано-класса типа CUBESAT является условием достижения гибкости и экономической эффективности производства.

Для создания подобных ИРПЯ требуется формирование автономной команды, способной решать сложные инженерные задачи. В связи с этим была разработана организационная структура команды, которая способна создавать ИРПЯ для производства МКА НК типа CUBESAT (рисунок 2).

Она была построена по матричному принципу с выделением трех функциональных блоков:

• 1)    Заказчик — определяет требования и принимает результат;

• 2)    Команда исполнителей — реализует проект (ключевой блок);

Таблица 2 – Примеры других компаний

Компания	Улучшение	Показатели
Skoltech	Внедрение магнитных кондукторов	Время переналадки: 4 ч ^ 1.5 ч
Tyvak	Использование 3D-печатной оснастки	Стоимость переналадки: $800 ^ $300
Planet Labs	Интеграция ИИ для калибровки	Точность: ±0.1 мм ^ ±0.04 мм

Рисунок 2 – Структура проектной команды

• 3)    Поставщик — обеспечивает ресурсами.

Центральной фигурой в этой схеме является «Руководитель проекта», который обладает уникальной кросс-дисциплинарной компетенцией, позволяющей ему понимать задачи каждого специалиста и эффективно координировать их работу.

На первом этапе формирования любого проекта происходит взаимодействие сотрудников ко- манды проекта с потенциальным заказчиком. Маркетолог с технологом и руководителем проекта определяют с заказчиком целевые показатели, составляют техническое задание и подписывают договор на выполнение работ. Причем «Руководитель проекта» и «Технолог проекта» при составлении ТЗ могут обращаться к будущему «Главному разработчику проекта», который в свою очередь может привлекать «Инженер-конструктора, симуляциониста», «Программиста роботов, пуско-наладчика», «Инженера-электроника».

На втором этапе, после подписания договора на выполнение работ полноценно начинает работать команда исполнителей, которая делиться на 2 подгруппы: проектировщики и реализаторы. «Главный разработчик проекта» совместно с «Технологом проекта» и «Инженер-конструктором, си-муляционистом» разрабатывают 3D-модель ИРПЯ, в том числе технологическое оснащение, планировочное решение ячейки, создают цифровой двойник производственного процесса и осуществляют подбор компонентов, взаимодействуя с «Отделом снабжения».

После разработанной 3D-модели ИРПЯ «Главный разработчик проекта» передает конструкторскую документацию (КД) «Инженеру-электронику», для того чтобы он мог проработать данный проект, разработать электрическую документацию, схемы подключения оборудования и составить перечень необходимых компонентов для формирования шкафа управления ИРПЯ. Далее необходимая документация должна перейти в отдел снабжения.

Параллельно данному процессу КД передается и «Специалисту изготовления оснастки», для того чтобы он мог начать следующий физический этап проекта, изготавливать технологическое оснащение».

В это время «Инженер-электроник» производит монтаж электрических шкафов. «Программист роботов, пуско-наладчик» на основе ранее разработанного «Инженер-конструктором, симуляци-онистом» цифрового двойника начинает формирование управляющих программ для роботов и вспомогательного, периферийного оборудования, а также настройку SCADA системы.

После того, как «Поставщик» поставил всё необходимое оборудование, должен начинаться финальный, третий этап проекта «Пуско-наладочные работы».

На этом этапе полноценно включается вторая часть команды. «Слесарь-монтажник» совместно с «Инженером-электроником» осуществляет монтаж оборудования, «Программист роботов» физически запускает роботов и корректирует их управляющие программы. В случае возникновения отклонений, «Главный разработчик проекта» имеет право задействовать всех членов команды для устранения этих отклонений. Если возникшие во время пуско-наладочных работ проблемы не имеют технических решений, то тогда в работу должны включаться «Главный технолог» и «Руководитель проекта». Их участие может потребоваться в качестве пересмотра технологического процесса выполнения операций или согласования возможных изменений ТЗ с «Заказчиком».

Заместителем «Руководителя проекта» может стать только «Главный разработчик проекта»

Для эффективного управления такой командой «Руководитель проекта» должен обладать всеми знаниями и компетенциями, которые присутствуют в команде, а также иметь компетенции в сфере маркетинга.

В результате формирования такой команды, компания будет иметь преимущества, а именно:

Полный цикл — команда охватывает все этапы: от требований до пусконаладки.

Цифровая непрерывность — симуляционист и программист работают в единой среде, минимизируя ошибки переноса ПО.

Гибкость — наличие собственного специалиста по оснастке позволяет быстро изготавливать и дорабатывать нестандартные элементы.

Управляемость — руководитель с широкой компетенцией выступает «переводчиком» между узкими специалистами.

Данная структура позволяет реализовывать проекты по созданию ИРПЯ для сборки CUBESAT в формате «под ключ», обеспечивая высокое качество, соблюдение сроков и соответствие требованиям заказчика.

В результате был разработан комплексный инструментарий организации ИРПЯ для сборки CUBESAT, включая структурно-функциональную модель функционирования интеллектуальной роботизированной производственной ячейки. Результаты напрямую касаются технологической подготовки производства, проектирования оснастки и разработки технологических процессов для обработки сборки уникальных изделий микро-масштаба. Результаты также позволяют существенно сократить время и стоимость ТПП, повысить точность, гибкость и общую эффективность (OEE) сборочных операций.

Разработанные решения являются ключевыми к обеспечению перехода от теоретических подходов и требований роботизации к созданию реальной, высокоэффективной и гибкой производственной системы для сборки малых космических аппаратов нано-класса типа CUBESAT.