Станочный парк, определяющий производственную мощность предприятия, должен быть компактным, потреблять минимум ресурсов на содержание и иметь потенциал «цифровизации». Оценка его сбалансированности и управляемости структурными свойствами — предмет технической политики машиностроительных предприятий — требует выработки новых методических подходов.

Введение

Постоянное внимание к станочному парку определяется не только его высокой стоимостью, существенно влияющей на экономические показатели деятельности предприятия через фондоотдачу. Станочный парк является сложным инженерно-техническим комплексом и в последние годы стал ключевым объектом управления для организации цифрового производства, требуя автоматизированных средств контроля работоспособности оборудования (задача технической диагностики) и диспетчирования интенсивности его функционирования в производственных процессах (задача операционного мониторинга). Данные задачи формируют информационную основу для организации системы технического обслуживания и сервиса станков (ТОиР) и MES-управления производством (оперативно-календарное планирование и диспетчирование производства). Правильная техническая политика позволяет не только обновлять, обслуживать, ремонтировать фонды, но и своевременно утилизировать морально и физически устаревшую и изношенную технику, повышая конкурентоспособность предприятий по себестоимости и качеству продукции [1, 2, 3, 4].

В настоящее время техническое состояние и производственные возможности станочных парков большинства российских предприятий не прозрачны для вышестоящих структур управления обрабатывающими отраслями РФ. Типовой ситуацией является наличие в парке значительного числа устаревших механических станков прошлого столетия и небольшого числа современного мехатронного оборудования с цифровым уровнем автоматизации. Такая диспропорция характеризуется термином «балласт многоукладности станочного парка» как негативный фактор, экономически тянущей предприятие «на дно» рынка [5]. В этом случае цифровое производство в рамках всего предприятия невозможно реализовать из-за доминирования техники, неспособной к оцифровке. Предприятия с негативной многоукладностью станочного парка могут себе позволить лишь локальные цифровые участки, аккумулируя на них современное оборудование, что не всегда реализуемо по производственным возможностям.

Для оценки содержания задач оптимальной реструктуризации станкопарков предприятий «под цифровое производство» кратко рассмотрим основы промышленной концепции «Индустрия 4.0, которая базируется на следующих 6‑ти подсистемах [6]:
1. PLM (Product Lifecycle Management) — «управление жизненным циклом изделия» — интегрированная информационная технология сквозного управления бизнесом предприятия.
2. Big Data — Большие Данные — задачи управления, структурирования, интерпретирования, анализа и использования массивов данных, характеризующихся аббривиатурой VVV:
• Volume (объём) — величина физического объёма данных
• Velocity (скорость) — скорость прироста объёма данных
• Variety (многообразие) — одновременная обработка различных типов данных, структурированных и неструктурированных.
3. SMART Factory — «Умное производство». Фундаментом Smart Factory является концепция Digital Manufacturing — это организационно-техническая система имитационного моделирования производств, основанная на продвинутых симуляторах на базе CAD. Существует несколько систем виртуализации производства, такие как: DELMIA Digital Manufacturing (Dassault Systèmes); Tecnomatix (Siemens PLM Software); Factory Design Suite (Autodesk); Visual Components и др.
4. Cyber-physical systems (CPS) — Киберфизические системы. Интернет вещей не может существовать без киберфизических систем, так как CPS является его инфраструктурой. К этому относится вся совокупность технических средств оснащения и обеспечения производственных процессов, в первую очередь станочный парк современного поколения, работающий, как минимум, на основе СЧПУ.
5. Internet of Things (IoT) — Интернет вещей на базе беспроводных сетей, облачных вычислений, технологий межмашинного взаимодействия, программно-конфигурируемых сетей.
6. Interoperability — Интероперабельность (функциональная и семантическая совместимость) как способность компьютерных систем обмениваться данными с однозначным общим смыслом, тезаурусом и форматами, понятными взаимодействующим участникам и автоматизированным средам. Совместимость является требованием для обеспечения возможности машинно-вычислимой логики, логического вывода, обнаружения знаний и др. Интероперабельность — это критически важная составляющая «Индустрии 4.0», которой пока в России не уделяют достаточного внимания. При работе над проектами модернизации производства обязательно нужно проводить проверку на интероперабельность автоматизированного оборудования и программного обеспечения. Это должно быть жестким правилом организации тендерных процедур при покупке оборудования с ЧПУ и программного обеспечения. Примером попыток решения глобальных проблем интероперабельности является проект Umati для мирового станкостроения, закладывающий единые стандарты сбора данных с технологического оборудования.

Таким образом, цифровое производство — это глобальная многоуровневая организационно-техническая среда, основанная на интеграции в единое информационное пространство физических объектов, операций и сопутствующих процессов на основе технологий PLM, Big Data, Smart Factory, Cyber-physical systems, Internet of Things, Interoperability, что позволяет создать эффективную бизнес-модель предприятия за счёт формирования интеллектуальной среды рационального управления системами автоматизации, средствами производства и технологического оснащения (станочный парк), цифровой организации процессов. К их числу относятся разработка различных цифровых платформ промышленного интернета вещей и анализа больших данных, машинного зрения и дополненной реальности, программных продуктов для создания высокопроизводительных гибридных систем хранения данных, различных интеллектуальных технологий «умного» производства, цифровая бизнес-архитектура и многое другое [7, 8, 9].

Приведенные цифровые компоненты «Индустрии 4.0» в №№ 2, 4, 5 и 6 имеют прямую связь с инженерно-техническими аспектами, касающиеся станочного парка предприятия.

К сожалению, в отечественной инженерной среде имеет место упрощенное восприятие поставленной «цифровой» задачи, сводящей сложные проблемы мехатронной модернизации станочного парка «под цифру» к «датчикам, устанавливаемых на устаревшее оборудование». Практическая реализация такого мобильного «встраивания на «местах»» ненадежна, а информативность такой «псевдоцифровизации» оборудования будет критически низкой и недостаточной для полноценного решения ставящихся задач цифровой модернизации производственных систем [10].

К примеру, современные зарубежные предприятия внедряют высокоуровневые решения: системы шлюзов для мультисенсорной сети, оснащенной опциями мобильной связи, обладающей расширенными функциями для сбора, обработки и передачи массивов данных процессов; новые системы мониторинга станков, направленные на устранение простоев путем контроля их технического состояния. Это свидетельствует о том, что эффективное решение задач цифровизации требует мультидисциплинарной системности и компетентности в наукоемких инновациях технической, организационной и информационной направленности. Наибольший интерес для нас представляют решения по станочному парку предприятий, имеющих долгую историю своего роста и существования, с целью выявления критически важных аспектов развития автоматизированных производств будущего поколения.

С целью оценки релевантных характеристик станочных парков предлагаем применять приведенную ниже методику анализа их структурных свойств, чтобы корректно формировать планы технологического обновления производства с учетом целевых требований, отражающих специфику и стратегию развития предприятий с учетом особенностей выпускаемой ими продукции.

Целевые требования к парку механообрабатывающего оборудования и особенности структуры станочных парков российских предприятий

Как правило, массив данных об оборудовании задается в виде следующего перечня характеристик, которые подвергаются в дальнейшем статистическому анализу и оценке (таблица 1).

На рис. 1 представлен состав существенных факторов производственного состояния парка механообрабатывающего оборудования и проанализировано их влияние на целевые требования к технологической базе предприятий РФ [1-3]. На основе приведенной иерархии требований и факторов влияния устанавливаются связи параметров технического состояния оборудования (износ, загрузка, типоразмерные характеристики, модельный ряд станков) с возрастным составом, уровнем автоматизации станочной техники и многоукладностью парка с целью формирования комплекса показателей для оценки производственного состояния станочного парка предприятий в разрезах цифровизации производства, диверсификации деятельности и импортозависимости. Упомянутые связи выявляются путем генерации совокупности сводных таблиц по разработанной методике, позволяющей сформировать искомые устойчивые связи и тенденции по станочному парку, которые затем отражаются в планах модернизации.

Рис. 1. Взаимосвязи целевых требований с параметрами производственного состояния парка оборудования

Для правильного формирования многомерного комплекса требований к станочному парку и автоматизированному производству приведем перечень современных тенденций развития металлообработки и подходов к структуризации станкопарков предприятий [4, 7, 8, 9].
Современные технологии механообработки и средства их оснащения значительно расширили производственный потенциал станочного парка при одновременной его компактности за счет:
— повышения производительности и пропускной способности станочных мест;
— концентрации разнородных технологических процессов на одном рабочем месте (комбинированные и многоцелевые станки);
— гибкости и быстрой переналаживаемости на выпуск новой продукции за счет встраивания средств промышленной автоматизации в оборудование и средства его опционного оснащения;
— применения современных цифровых технологий подготовки производства (электронные модели обрабатываемых деталей, автоматизация подготовки управляющих программ, имитационное моделирование формообразования, оптимизация режимов для прогнозирования результатов обработки и др.);
— применения высокотехнологичных средств инструментального, метрологического и опционного оснащения,
— дистанционного мониторинга загрузки, контроллинга технического состояния и работоспособности.

Малые партии и позаказный выпуск продукции определяют доминирующие требования к гибкой автоматизации производства, что, в свою очередь, предполагает приобретение универсального высокоавтоматизированного оборудования мехатронного (цифрового) типа для встраивания в производственные процессы предприятий [5].

Сформированы новые требования к технической подготовке производства и проведению современной технической политики в отношении планов обновления станочного парка [1]. При этом должна преодолеваться проблема многоукладности производства, заключающаяся в том, что в производственных процессах одновременно участвуют разные поколения оборудования, требующие разных, часто взаимоисключающих, подходов к организации производства, среды обеспечения, оснащения, сервиса, ремонта техники и технологий инженерной поддержки.
Низкий коэффициент обновления станочных парков предприятий РФ обусловлен отсутствием плановой системы вывода устаревшей и изношенной техники из производственных фондов. Коэффициент обновления станочного парка в СССР составлял 5–6% в год, а в настоящее время в России он составляет не более 0,3%. В развитых странах этот показатель составляет 8–10%. Регулирование этого нормативного требования является предметом технической политики в промышленности РФ.

Важным показателем эффективного производства является соотношение автоматизированных и ручных станков в общем объеме парка, что характеризует уровень применения высоких обрабатывающих технологий (по прецизионности и качеству формообразования) и цифрового управления производством. За рубежом количество используемого оборудования с ЧПУ приближается к 50%, а у предприятий, производящих технологическую оснастку (пресс-формы, штампы, литейные формы) достигает 85%. Большая загрузка станков с ЧПУ и их удельный вес в объеме парка в сравнении с ручными станками свидетельствует о развитости на предприятии цифровых инструментов технологической подготовки производства и наличии современных кадров — станочников и технологов.

Существенную роль в металлообработке играют технические характеристики (ТХ) станочного оборудования, позволяющие обеспечивать разные способы формообразования по эффективности, энергоемкости и технологичности. В этой связи все большую дифференциацию получают технологии высокоскоростной, высокопроизводительной и многоцелевой обработки, обработка резанием с минимальным расходом смазки (сухая обработка), а также твердая обработка. При этом требования производительности могут быть снижены в целях обеспечения точности обработки деталей, поскольку приоритетом для обрабатывающих систем металлообработки сейчас являются требования качества формообразования. В мелкосерийном производстве интенсификация (форсаж режимов) обработки на станочных местах не оказывает критического влияния на длительность производственного цикла изготовления конечной продукции.

Принципы категорирования общего перечня оборудования для решения задач анализа

Категорирование станочного оборудования необходимо для его ранжирования и выявления технологических приоритетов для цифрового производства и иных целей развития. Для решения задач анализа состояний станочного парка порядок категорирования исследуемого оборудования представлен в таблице 2.

Разработанная целенаправленная система структуризации данных и требований позволила сформировать методику анализа станочного парка в целом по предприятию для разных групп технологического оборудования.

Описанный методический подход позволил полноценно изучить структурно и параметрически состав парка механообрабатывающего оборудования, используемого на предприятиях РФ, его техническое состояние и цифровой потенциал путем формирования перечней разных категорий оборудования, различающегося:
— технологическими признаками;
— степенью автоматизации (с ЧПУ/ручные);
— частотой используемости типоразмерных моделей по выбранным технологическим группам;
— категориями уникальности (прецизионностью, сложнопрофильностью формообразования, крупногабаритностью, специальными станками-автоматами и др.).

Примеры анализа структурного состава станочных парков механообрабатывающего оборудования предприятий РФ

Сведения о составе станочного парка РФ взяты из различных открытых источников и обобщены статистически [1, 2,3,4 и др.]. Авторы не претендуют на абсолютную точность приведенных ниже статистических оценок, но предполагают, что их можно рассматривать как репрезентативную выборку данных, отражающую общие структурные свойства станочных парков большинства машиностроительных и обрабатывающих предприятий РФ.

Для апробации предложенной методики на конкретном предприятии следует запросить фактические данные об основных фондах и сведения о применении станочного оборудования (табл. 1) с последующей статистической обработкой этих данных по методике (табл. 2) и шаблонам, приведенным в нижележащих рисунках.

Структурный анализ станочного парка включает оценки:
• численности и временных периодов формирования парка предприятия,
• возрастной состав и число поколений станочной техники в парке,
• технологической специализации,
• удельного веса импорта,
• основных поставщиков российского оборудования (производители-разработчики),
• категорирования парка по группам анализа: типоразмерный ряд, модельный ряд, универсальность (САУ — ЧПУ, автоматы, агрегаты), прецизионность, крупногабаритность, уникальность, специализация.

Структура станочного парка количественно и в долях (%) характеризуется многоукладностью парка (возрастными поколениями станков), технологической специализацией (группами типов оборудования), категориями автоматизации (станки с ручным управлением и станки с ЧПУ), универсальностью оборудования и удельным весом импортной техники в общем составе парка.

Возрастной состав оборудования изменяется в широком временном диапазоне ввода его в эксплуатацию — с начало 20 столетия до последних лет, поэтому в общем перечне парка объединены станки разных поколений, относящихся к разным технологическим укладам.

Ретроспективный анализ позволяет рекомендовать группирование станочного парка конкретного предприятия на следующие возрастные периоды по поколениям станочной техники (рис. 2):
1‑й период (до 1970 года) — поколение механических станков с ручным управлением военного периода;
2‑й период (с 1970 по 1990 гг.) — поколение станков с аналоговыми системами числового программного управления (ЧПУ) и механических станков с ручным управлением советского периода;
3‑й период (с 1991 по 1999 гг.) — поколение станков советского периода в период стагнации и резкого снижения объема и качества поставок;
4‑й период (с 2000 по н. в.) — поколение современных станков с ЧПУ и высокотехнологичных станков с ручным управлением периода начала активной закупки зарубежной станочной техники предприятиями РФ.

Рис. 2. Временная картина формирования станочного парка российских предприятий (верхняя кривая — станки с ручным управлением, нижняя кривая — станки с ЧПУ)

Общий объем станочного парка предприятий РФ включает доли отечественного оборудования и станков импортного производства. Примерный структурный состав станочного парка показан на рис. 3.

Рис. 3. Пример выявления общих структурных оценок парка механообрабатывающего оборудования типового машиностроительного предприятия

Анализ данных рис. 3 показывает, что станочное оборудование со сроками ввода в эксплуатацию менее 20 лет (группа станков 2000–2018 гг.) квалифицированно используется в производстве, что подтверждено гистограммой распределения, близкой к нормальному закону (по огибающей вершин столбцов диаграммы). Оборудование со сроками ввода в эксплуатацию более 20 лет имеет форму распределения интенсивности использования, свидетельствующую о неритмичной загрузке.

Наиболее работоспособный состав российского оборудования (с износом менее 60%) составляет около 70% современного парка 2000–2018 годов поставки, и включает не более 20% станков советского периода 1980–1999 годов поставки.

Констатируем, что удельный вес автоматизированного станочного оборудования на предприятиях РФ не превышает 20%. Наибольшая доля российских станков с ручным управлением сосредоточена в токарной и фрезерной группах. Примерное равенство российских и зарубежных станков с ручным управлением имеет место в сверлильно-расточной и шлифовальной группах.

Технологический состав групп оборудования станочных парков предприятий РФ соответствует статистической распределенности типовых обрабатываемых деталей (тел вращения, корпусных, зубчатых и т. п.), отражая заводскую специфику выпускаемой продукции по габаритности, конструктивной сложности, типовым формам деталесборочных единиц, а также требований к их прецизионности (шлифовальное, доводочное оборудование) (рис. 4, 5).

Рис. 4. Удельный вес групп механообрабатывающего оборудования российского производства в станочном парке предприятий РФ,%

Рис. 5. Пример оценки распределения долей (%) парка механообрабатывающего оборудования по разным возрастным группам и уровню автоматизации

Анализ численности и уровня загрузки по каждой технологической группе позволяет оценить востребованность каждой категории оборудования, узкие места по интенсивности использования в производстве и прогнозировать технологическое развитие станочного парка предприятий РФ (актуальность инвестирования) для ликвидации диспропорций и узких мест по перспективному портфелю заказов конкретного предприятия.

Уровень вооруженности предприятий РФ автоматизированной станочной техникой критически низкий и проявляется лишь в трех технологических группах: токарные, фрезерные и многооперационные станки. Удельный вес автоматизированного оборудования в общем парке технологического оборудования российского производства на типовом предприятии не превышает 10% (рис. 6). Удельный вес автоматизированного оборудования с ЧПУ для парков импортных станков составляет не более 25%. Общая доля автоматизированного оборудования в парках предприятий может достигать 20% лишь за счет поставок импортной техники (рис. 7).

Рис. 6. Пример оценки распределения долей станочного оборудования по уровню автоматизации

Рис. 7. Пример формирования индикаторов потенциала цифровизации механообрабатывающего оборудования предприятия

Для демонстрации примеров углубленного анализа разных категорий оборудования должны быть выделены перечни уникальных категорий оборудования по габаритам (продольно-фрезерные, карусельные) и прецизионности (координатно-расточные, шлицешлифовальные, резьбошлифовальные, зубошлифовальные), для которых актуальны задачи оценки рисков импортозависимости и потенциала цифровизации (рис. 8, 9). Наибольшая применяемость станков российского производства является индикатором удачных конструкторских и технологических решений отечественных производителей, что необходимо учитывать при реновации станочных парков предприятий.

Рис. 8. Пример выявления наиболее используемых моделей шлицеобрабатывающего оборудования российского производства

Рис. 9. Шаблон представления отчета по наиболее используемым моделям зубошлифовального оборудования российского производства на предприятиях РФ

Наиболее применяемыми шлицеобрабатывающими станками российского производства являются модели 5350А Куйбышевского станкозавода, МШ240Н18 и МШ238Н57 Московского завода шлифовальных станков и  ДФ506А, ДФ177 Дмитровского завода фрезерных станков.
Наиболее применяемыми зубошлифовальными станками российского производства являются модели 5В833, 5831, 5А841, 5А893 Московского завода шлифовальных станков.

В период 2000 г. по 2015 гг. на предприятия РФ введены следующие зубошлифовальные станки с ЧПУ:
— 10 единиц зубошлифовальных станков нового поколения мод. СК500 производства ООО «Самоточка» (МСЗ);
— 10 единиц специальных шлифовальных станков для турбинных лопаток мод. SXS 512‑TC, SLS‑434, SLS220, SXS735‑TC, ЛШ‑220 производства СП «Станковендт».

Следует выделять группу специальных станков‑автоматов в станочных парках предприятий, оценить их долю в общем парке, степень износа и интенсивность использования в производстве. Как правило, это техника отживших укладов, не подлежащая модернизации, является серьезным балластом для цифровизации производства (рис. 10).

Рис. 10. Типовое распределение удельного веса численности станочного парка предприятия по категориям автоматизации и универсальности

Опыт показывает, что доля специальных станков‑автоматов на предприятиях РФ составляет до 20% и специальное оборудование с «жесткой» автоматизацией в подавляющем большинстве полностью изношено и может быть рекомендовано к утилизации.

Выводы:

1. Сложившийся исторически большой объем устаревшего парка механообрабатывающего оборудования российского производства создает избыток производственных мощностей, не позволяющий достигать требуемых параметров экономической эффективности производства по параметрам фондоотдачи. В условиях неравномерного использования изношенного станочного парка практически невозможно решать задачи эффективности производственно-технологической базы РФ.
2. Более 80% от парка механообрабатывающих станков российского производства имеет износ более 60%. В связи с этим имеются высокие технические риски тотального выхода оборудования из строя (особенно в условиях возможной интенсификации загрузки) и нарастающих рисков возникновения дефицита квалифицированных рабочих-станочников.
3. Современное российское оборудование возраста 2000–2018 годов (не старше 20 лет) не превышает доли в 15% в общем составе станочного парка.
4. Удельная доля станков зарубежного производства в общем парке механообрабатывающего оборудования РФ составляет около 30%.
5. Удельный вес автоматизированных российских станков с ЧПУ в станочном парке РФ составляет не более 10%, что значительно ниже требований высокотехнологичных производств зарубежных стран, где аналогичное соотношение превышает 40%.
6. Статистические данные по интенсивности использования в производстве устаревшего оборудования советского периода свидетельствуют о неритмичном его использовании. Процесс эксплуатации оборудования не старше 20-ти лет с износом менее 60% находится в статистически управляемом состоянии по загрузке, которая описывается кривой, близкой к графику нормального распределения.
7. Высокие риски импортозависимости проявляются для групп прецизионных и уникальных станков (зубообработка, крупногабаритные и шлифовальные станки), а также для многооперационных станков нового поколения, используемых для многокоординатной обработки сложных деталей.
8. Представленная методика позволяет выявлять потенциал «цифровизации» станкопарков предприятий, давать предложения по их реструктуризации в разрезах оптимизации производственных мощностей (в т.ч. и плановой утилизации), эффективности их использования (фондоотдачи), развития цифрового производства и обеспечения технологической безопасности.

Литература

1. Идрисов Г. И. Промышленная политика России в современных условиях. — М.: Изд-во Ин-та Гайдара, 2016. 160 с.: ил. (Научные труды / Ин-т экономической политики им. Е. Т. Гайдара; № 169P). ISBN 978–5-93255–443–2.
2. Самодуров Г. В. Современные тенденции развития технологии металлообработки. 2008 г. http://www.informdom.com/metalloobrabotka/2008/4/sovremennye-tendencii-r...
3. Грибков А. А., Григорьев С. Н., Захарченко Д. В. Развитие зарубежного и российского станкостроения. Вестник МГТУ «Станкин», № 1 (18), 2012.
4. Обзор выставки «Металлообработка‑2018» https://www.elec.ru/news/2018/05/10/metalloobrabotka‑2018‑glavnoe-sobytie-mirovogo-sta.html
5. Макаров В. М., Лукина С. В. Цифровое производство в условиях многоукладности промышленности. РИТМ машиностроения. № 10. 2018. С. 20–24
6. Самофалов П. http://www.plm.pw/2016/09/The‑6‑Factors-of-Industry‑4.0.html
7. Лукина С. В., Орлов С. С. Многофункциональность токарных станков: тенденция и решения. РИТМ машиностроения. № 5. 2017. С. 10–18
8. Макаров В. М., Лукина С. В. Уникальная синергия гибридных станков. РИТМ машиностроения. № 8. 2016. С. 18–25.
9. Макаров В. М. Инновационные станки прецизионной зубообработки. Главный механик. № 4, 2017. С. 15–27.
10. Макаров В. М., Савинов Ю. И. Наукоемкие инструменты контроллинга технического состояния станочного парка. Технология машиностроения. № 3, 2016. С. 21–28

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 9-2019