Применение средств автоматизации в военном производстве США

И. Славин

С начала 80-х годов военно-промышленные круги США уделяют особое внимание модернизации производственной базы военных заводов и их оснащению наиболее прогрессивной техникой и технологией. Это вызвано возрастающей сложностью современных систем оружия, применением в них новых конструкционных материалов и электронных систем, а также требованиями к сокращению сроков промышленного освоения и серийного выпуска образцов и повышению экономической эффективности производства.

Крупнейшие частные компании США, осуществляющие выпуск военной продукции по контрактам министерства обороны, на протяжении последнего десятилетия активно занимались внедрением новейших технологий и проводили установку автоматизированного оборудования, что позволило значительно повысить качество продукции, сократить сроки поставок, снизить уровень товарно-материальных запасов, отходов производства и переделок, производить высокотехнологичную продукцию малыми сериями. Особый интерес подрядчики министерства обороны проявляли к внедрению промышленных роботов последних поколений, предназначенных для автоматизации сварки, сверления и сборки, а также гибких производственных систем, которые объединяют управляемое с помощью ЭВМ высокопроизводительное металлообрабатывающее оборудование с программным управлением и способны быстро переналаживаться на выпуск новой номенклатуры изделий. Кроме того, они выражали повышенную заинтересованность в системах автоматизированного проектирования и управления производством (САПР/АСУП) и интегрированных системах автоматизации производства с элементами "искусственного интеллекта" (ИСАИ), позволяющих осуществлять сквозную автоматизацию и управление всем циклом создания изделия - от его конструкторской разработки до производства и контроля качества. На предприятиях военной промышленности проводилась перекомпоновка уже имеющегося оборудования, создавались организационные структуры, способные выполнять сходные операции по обработке семейств деталей на основе "групповой технологии" и осуществлять поставку изделий и материалов по принципу "точно в срок".
Освоение технических новшеств происходит при активном участии министерства обороны Соединенных Штатов Америки, которое реализует ряд специальных программ, направленных на стимулирование разработки новой техники и технологии, а также внедрение их на частных и государственных военных заводах. В рамках программы "Производственная технология" министерство выделяет средства на проекты по разработке новых или принципиально усовершенствованных производственных процессов и оборудования для военного производства. Выполнение проектов завершается заводскими испытаниями и демонстрацией новой техники представителям министерства обороны и промышленности. Большая часть проектов осуществляется в частном секторе экономики. Для распространения результатов разработок создан информационно-аналитический центр, предоставляющий соответствующую информацию промышленным фирмам.

В 1987 финансовом году на программу "Производственная технология" из бюджета министерства обороны было выделено 124 млн. долларов, в 1988-м - 170 млн. В связи с бюджетными сокращениями последних лет изменилась система приоритетов в распределении средств по программе. Намечено несколько снизить долю финансовых ресурсов, направляемых в частный сектор военной промышленности. Частные фирмы по-прежнему будут привлекаться к участию в проектах программы и применению результатов разработок, однако впредь больше внимания должно уделяться различным формам стимулирования частных капиталовложений вместо прямого финансирования из бюджета министерства обороны. Разработка техники и технологии будет теснее увязываться с программами производства конкретных образцов оружия и осуществляться на ранних стадиях их жизненного цикла.

Программа "Стимулирование модернизации промышленности" направлена на внедрение результатов проектов, разработанных по программе "Производственная технология", на предприятиях подрядчиков министерства обороны. В ее рамках проводятся разработка и опробование различных контрактных стимулов для повышения объемов частных капиталовложений в модернизацию производственного аппарата военной промышленности. В частности, подрядчик может получить в качестве компенсации часть суммы, сэкономленной за счет снижения затрат на производство военной продукции.

Компании авиационной промышленности принимают наиболее активное участие в осуществлении программ министерства обороны по созданию и применению новой производственной техники и технологии. Основные усилия они направляют на разработку и внедрение автоматизированного оборудования для манипулирования деталями, обработки композиционных материалов и сборки.

Автоматизация сборки, в особенности крепежных операций, является одной из наиболее сложных проблем современного авиастроения. На сборку, трудоемкая технология которой практически не менялась последние 20 лет, приходится свыше половины затрат ручного труда в отрасли. Разработка новых технологий в этой области авиастроения ведется в рамках программы "Производственная технология". Так, с 1986 года в США приступили к проекту создания полностью автоматизированного производства планера большегрузного военного самолета. В ходе осуществления проекта предполагается разработать уникальное оборудование, предназначенное для выпуска конкретных перспективных образцов военной авиационной техники. На первой стадии, которая завершится в 1991 году, намечено создать и продемонстрировать автоматизированную сборочную систему. Вторая стадия (90-е годы) предусматривает разработку передовых технологий, применение которых возможно на сборочном авиационном заводе будущего, и создание на их основе, в частности, экспертных систем управления сборочным производством, способных управлять оборудованием, моделировать и планировать производственный процесс, а также корректировать его осуществление в режиме "безлюдной технологии". В финансировании и реализации проекта принимают участие крупные компании военного авиастроения США - "Дженерал дайнэмикс", "Макдоннелл Дуглас" и "Нортроп".

Учитывая результаты разработок по программе "Производственная технология", фирма "Макдоннелл Дуглас" приступила к модернизации производства на своих заводах в городах Торранс и Лонг-Бич (штат Калифорния). При изготовлении планеров военных самолетов намечено внедрить системы ИСАП и принципы "групповой технологии". На первых этапах модернизации заводов фирма намерена получать максимальный эффект от новых форм организации и управления производством, частично используя старое оборудование. Применяемая в производстве планеров традиционная техника будет подобрана и установлена таким образом, чтобы максимально сократить время обработки и транспортный путь деталей и поставлять продукцию по принципу "точно в срок". С помощью новой техники планируется создать гибкий автоматизированный участок, в котором будут использованы модуль по производству крепежной оснастки широкой номенклатуры типоразмеров, автоматический клепальный агрегат и портальный робот, располагающий крепеж на детали и транспортирующий готовые изделия. Участок даст возможность серийно осуществлять скрепление панелей, имеющих различные крепежные отверстия. Применение новой техники и технологии позволит фирме собирать семь планеров в неделю вместо одного.

С целью модернизации производства на авиационном заводе в г. Сент-Луис фирмой "Макдоннелл Дуглас" была установлена роботизированная система для сверления и зенкования крепежных отверстий в элементах крыла штурмовика ВМС AV-8B "Харриер" (рис. 1). На ее разработку, проведенную силами фирмы, министерство ВМС США выделило 700 тыс. долларов. Стоимость скомплектованной системы 4,5 млн. долларов. В ее состав входят обрабатывающие агрегаты, оснащенные лазерными датчиками контроля инструмента и смонтированные на двух портальных роботах, способных действовать в рабочем пространстве размером 26х3х4 м. Обрабатывающие агрегаты оснащены шпиндельными головками со сменным инструментом и приспособлены для сверления различных элементов крыла.

В ходе работы роботизированная система автоматически осуществляет подготовительные операции, включающие сканирование поверхности крыла системой технического зрения для обнаружения отклонений от расчетной модели, выполненной системой САПР, и внесения необходимых изменений в расположение крепежных отверстий, корректировку программы обработки, а также проверку правильности выбора и установки инструмента лазерным датчиком. Внедрение системы позволяет производить сверление 6,5 тыс. отверстий в течение четырех дней. Раньше эта операция выполнялась вручную с применением 275 инструментов за девять дней. Установка системы полностью исключила ручной труд при обработке деталей крыльев самолета AV-8B.

На авиасборочном заводе в г. Форт-Уэрт (штат Техас) фирма "Дженерал дайнэмикс" осуществляет внедрение автоматизированной системы типа ИСАП стоимостью 100 млн. долларов. Система управления производством, работа которой основана на безбумажной технологии сбора и обработки информации, должна объединить в единый процесс проектирование изделий, подготовку, ход их производства и сборки. Это предприятие оснащается гибкими производственными системами, промышленными роботами и управляющими ЭВМ с терминалами на производственных участках. В 1986 году общая стоимость установленных новейших средств автоматизации составила 40 млн. долларов. В 1987 году было приобретено несколько ЭВМ и 140 терминалов. В 1988 году завод был оборудован гибкой производственной системой, разработанной фирмой совместно с лабораторией ВВС и предназначенной для обработки 80-100 типоразмеров деталей из листового металла и композиционных материалов для истребителя F-16. В ее состав входят шесть обрабатывающих центров, автомат для смены плит-спутников с робокарами, координатно-измерительная машина, роботы-манипуляторы и другое автоматизированное оборудование. Система управляется ЭВМ с элементами "искусственного интеллекта".

Особое внимание при разработке гибкой производственной системы было уделено контролю качества и обеспечению надежной безаварийной работы. Так, прежде чем установить режущий инструмент на станок системы, робот проверяет его специальным электронным устройством идентификации. Еще один контроль инструмент проходит перед установкой в шпиндель. Каждый станок оснащен тактильным датчиком для распознавания кодов плит-спутников и системой контроля износа режущего инструмента. В координатно-измерительной машине используется бесконтактный лазерный измерительный агрегат, упрощающий контроль деталей сложных форм. Система способна длительное время работать в режиме "безлюдной технологии", предусматривающем вмешательство человека только в случае аварии.

Завершение работ по переоборудованию завода намечено на 1993 год. К этому времени на нем будет установлено 3 тыс. терминалов для обмена информацией с системой управления заводом, которая будет включать четыре большие ЭВМ фирмы "Интернэшнл бизнес мэшинз". По завершении реконструкции фирма "Дженерал дайнэмикс" рассчитывает сократить применение ручного труда на предприятии на 20 проц., общие трудозатраты на 50 проц., время внедрения инженерных решений в производство на 70 проц., промежуточные запасы на 45 проц., а загрузку оборудования увеличить на 15 проц. В 1990 году планируется начать использование новой техники в производстве перспективных образцов - истребителя ATF и воздушно-космического самолета.

Участвуя в ряде проектов по программам производственной технологии и стимулирования модернизации промышленности, фирма "Нортроп" приступила к внедрению оборудования для автоматизации сборочных процессов и обработки новых конструкционных материалов. На заводе фирмы в г. Эль-Сегундо (штат Калифорния) установлена автоматизированная система планирования и управления сборочным производством. Затраты на ее создание составили 10 млн. долларов. Система позволяет осуществлять управление производством на основе безбумажной технологии, устранить около 16 тыс. документов, сопровождавших процесс сборки каждого образца палубного истребителя-штурмовика F/A-18 "Хорнет". Применяемая фирмой новая техника обеспечивает оперативную связь производственных участков с системой управления, что дало возможность быстро находить и устранять неполадки и улучшить качество сборки за счет получения всеми производственными ячейками согласованных инструкций.

На заводе в г. Пико-Ривера (штат Калифорния) фирма "Нортроп" осуществляет производство нового стратегического бомбардировщика В-2. В 1982 году указанное предприятие было приобретено у фирмы "Дженерал моторс". Его реконструкция и оснащение новой техникой частично финансировались министерством обороны. Особое внимание было сосредоточено на установке специального оборудования по обработке композиционных материалов.

В настоящее время в производстве В-2 используются гибкий модуль токарной обработки, роботизированный модуль для сверления и снятия заусениц, модуль обработки мелких деталей из тонкого листа, гибкая сборочная система, координатно-измерительные станции и другое оборудование для контроля качества, в том числе для проверки деталей из термопластика. На заводе действует автоматизированный участок обработки деталей из композиционных материалов, где производится штамповка и автоматизированная укладка элементов обшивки, установлено специальное оборудование для изготовления деталей сложных форм и металлокомпозитных конструкций на основе компьютерных моделей. Создание участка позволило в несколько раз повысить качество узлов и деталей, в которых применяются новые материалы.

Система управления завода построена по принципу ИСАП, Все фазы производственного цикла - инженерная разработка, подготовка производства, технологическая обработка, контроль качества и снабжение - связаны в неразрывный процесс с помощью ЭВМ и общей базы данных. Внедрение единой системы управления производством привело, в частности, к сокращению выпуска брака при установке трубопроводов, гидросистем и механических узлов самолета с 40 до 3 проц., к шестикратному снижению ошибок позиционирования при сборке, сокращению времени программирования станков на 40 проц. Единая база данных и возможности центральной ЭВМ позволяют инженерам фирмы производить расчеты для деталей нестандартной конфигурации, осуществлять моделирование испытаний, разработку необходимых конструктивных решений для обеспечения возможности заправки В-2 самолетом-заправщиком КС-135.

Установку нового автоматизированного оборудования для обработки деталей из композиционных материалов  планирует провести фирма "Сикорски эркрафт". На принадлежащем ей заводе в г. Уэст-Хейвен (штат Коннектикут) были проведены испытания робототехнического модуля, предназначенного для производства деталей военных вертолетов (переборок, панелей обшивки и элементов хвостовой части фюзеляжа). Модуль включает робот фирмы "Цинциннати милакрон", оснащенный специально разработанным фирмой "Сикорски эркрафт" вакуумным захватом и управляемый программируемым контроллером фирмы "Аллеи - Брэдли". Затраты на создании системы и разработку программного обеспечения составили 445 тыс. долларов. Модуль планируется использовать в производстве перспективного военного вертолета LHX, в конструкцию которого входит большое число деталей из композиционных материалов, и лопастей ротора транспортно-десантного вертолета "Блэк Хок". Функциями модуля являются заполнение пресс-форм композиционным материалом в соответствии с заданным направлением волокон и установка необходимых приспособлений для начала штамповки.

Новейшие средства автоматизации находят применение также при обслуживании и ремонте военной авиационной техники. В рамках программы производственной технологии фирма "Прогрессив бластинг системз" разработала для ВВС США автоматизированную систему для восстановления изношенных деталей турбореактивных двигателей истребителей F-15 и F-16. В основе процесса восстановления лежит метод обдувки металлической крошкой и плазменного напыления. Система включает модуль обдувки металлической крошкой, модуль плазменного напыления, автоматизированное оборудование для транспортировки деталей и систему управления с телевизионным монитором. Процессы обработки и перемещения деталей через все участки производственной системы полностью автоматизированы и управляются ЭВМ. В памяти системы хранится информация о 50 типовых процессах восстановления деталей, предусмотрена возможность их групповой обработки. Применение системы позволяло ускорить процесс восстановления более чем в 2 раза, повысить его качество, увеличить сроки эксплуатации деталей и получить ежегодную экономию в размере 500 тыс. долларов.

Промышленные роботы используются также компаниями ракетно-космической промышленности США. Фирма "Тексас инструментс" (отделение "Дефенс продакшн") для выполнения контракта министерства обороны на производство УР третьего поколения создала на своем предприятии автоматизированный производственный участок, который оснащен уникальным погрузочно-разгрузочным роботом (фирма "Праб"). Он способен манипулировать деталями весом до 900 кг и используется в процессе автоматизированной обработки колец хвостового оперения ракет. Применение робота позволило на 70 проц. снизить трудоемкость работ, на 90 проц. сократить незавершенное производство, на 21 проц. уменьшить производственные площади. На предприятии эксплуатируются еще семь роботизированных модулей, а также создана специальная лаборатория по вопросам применения робототехники.

Промышленные роботы используются также для сборки боеголовок управляемых ракет и их оснащения боевыми зарядами. Одной из первых в США внедрение этой техники в производство реактивных систем залпового огня осуществила фирма "ЛТВ аэроспейс энд дефенс".

В кораблестроительной промышленности новая техника применяется для автоматизации сварки и производства узлов, деталей и запасных частой боевых кораблей и подводных лодок.

В рамках программы производственной технологии ВМС США финансируют разработку перспективной лазерной сварочной системы, предназначенной для автоматизации сварочных работ при строительстве авианосцев типа "Честер У. Нимитц" (рис. 3). Она способна производить сварку толстого стального листа со скоростью около 5 м/мин. Сварочный агрегат установлен на портальном роботе, его работа управляется ЭВМ и контролируется системой технического зрения, отслеживающей параметры сварного шва.

Министерство ВМС проводит рассчитанную на четыре года реконструкцию верфи ВМС "Мэйр-Айленд" в г. Сан-Франциско (штат Калифорния). Производственный аппарат верфи намечено реорганизовать по модульному принципу, обработка узлов и деталей боевых кораблей и подводных лодок будет осуществляться согласно "групповой технологии". На верфи планируется установить несколько гибких производственных систем. Одна из них была разработана в лаборатории национального бюро стандартов США. На верфи "Мэйр-Айленд" система будет использована для производства 40 типоразмеров соединительных муфт для магистралей атомных подводных лодок (рис. 4). В ее состав входят портальный робот, оснащенный захватным механизмом, токарный обрабатывающий центр, автоматизированная система складирования и поиска, управляющая ЭВМ. Загрузка и выгрузка обрабатывающего станка и смена режущих инструментов осуществляются автоматически, что дает возможность оперативно переналаживать систему на выпуск изделий других типоразмеров, выпускать продукцию малыми сериями или в единичном экземпляре и оперативно удовлетворять потребности ВМС в этих компонентах. Система способна функционировать 24 ч в режиме "безлюдной технологии" и сокращает время изготовления соединительных муфт с 17 ч (с применением ручного труда) до 30 мин.

Сходная система, предназначенная для производства крепежа, разрабатывается национальным бюро стандартов для верфи ВМС в г. Портсмут (штат Нью-Гэмпшир). Создание автоматизированного оборудования, необходимого для обеспечения своевременного снабжения узлами и деталями боевых кораблей, программы строительства которых завершены, является важной частью программы ВМС "Ускоренная поставка запасных частей". Для организации выпуска снятых с производства узлов и деталей требуется воссоздание технической документации по имеющимся образцам и разработка программ для их обработки на автоматизированном оборудовании. Выполнение этих операций в необходимые сроки может быть осуществлено посредством экспертных систем на базе ЭВМ. По контракту ВМС на сумму 2,3 млн. долларов фирма "Роботикс вижн системз" создала систему, способную определять параметры небольших деталей боевых кораблей по образцам и с помощью САПР автоматически разрабатывать техническую документацию. Обычно деталь помещается в измерительный блок и обследуется системой технического зрения, состоящей из четырех лазерных устройств. Специальные датчики фиксируют отражения лазерных лучей и переводят в цифровую форму значения параметров поверхности детали. Скорость сканирования в блоке технического зрения системы 15 тыс. замеров в секунду. Из измерительного блока информация передается в САПР.

Специальные разделы программы ускоренной поставки запасных частей предусматривают создание систем автоматизированного управления производством, которые будут использовать полученную с помощью САПР информацию с целью планирования производства, выработки программ и управления работой оборудования, выпускающего запасные части для ВМС.

Компании радиоэлектронной промышленности внедряют новейшие средства автоматизации для решения производственных проблем, связанных с увеличением объемов выпуска и возрастанием сложности электронных систем военного назначения, повышением требований заказчика к их качеству и надежности.

Значительных успехов в области комплексной автоматизации производства электронных систем для военной авиационной техники достигла фирма "Ньюджес радар системз". Производственная база принадлежащего ей завода в г. Лос-Анджелес (штат Калифорния) постоянно модернизировалась в ходе осуществления программ производства бортовых радиолокационных систем для истребителей F-14, F-15 и F-18. В настоящее время в производственных процессах на заводе задействовано более 42 тыс. комплектующих деталей, 2,5 тыс. заготовок и запасных частей, одновременно осуществляется свыше 6 тыс. операций сборки. В течение года в списки деталей для сборки вносится более 200 тыс. изменений. Для управления производством такого высокого уровня сложности на заводе проводится поэтапное внедрение интегрированной системы автоматизации. Создание ИСАП включает разработку и реализацию на ЭВМ системы планирования производственных ресурсов, ввод в строй автоматизированной системы подготовки технической документации, использующей центральную базу данных завода и имеющей 11 терминалов на участках, установку терминалов для сбора информации о ходе производственного процесса на рабочих местах, из них 100 - с системами распознавания человеческого голоса.

Основные производственные операции на заводе выполняются с применением новейшего автоматизированного оборудования. Для сборки печатных плат используется гибкий роботизированный модуль, автоматически производящий выбор нужной детали, проверку ее исправности и пайку. Он способен быстро переналаживаться на сборку плат нового типа. Применение модуля позволило значительно сократить время сборки по сравнению с осуществлявшейся вручную с 4 ч до 5 мин.

Одним из стимулов внедрения новой техники послужило освоение фирмой производства плоских антенных решеток, которыми стали оснащаться бортовые радиолокационные системы истребителей. В их конструкцию входят детали, требующие пробивки более 1 тыс. отверстий в алюминиевом листе и осуществления свыше 4 тыс. контрольных замеров. Выполнение контракта традиционными методами потребовало бы дополнительной установки около 300 станков, расширения производственных площадей и трудозатрат в объеме 10 тыс. человеко-часов на каждый образец. Фирма сочла необходимым разработать для выполнения контракта новое, более эффективное оборудование. Совместно с японской компанией "Мацуура мэшине-ри" были созданы пять управляемых с помощью ЭВМ высокоскоростных фрезерных агрегатов, скорость оборота шпинделя у которых почти в 20 раз больше, чем у обычных станков. Агрегаты оснащены специальной системой, выполняющей контрольные замеры после каждой операции и вносящей коррективы в ход обработки. Новая техника позволила в 7 раз сократить время производства антенных решеток.

Фирма "Мартин Мариэтта" использует объединенные в систему новейшие средства автоматизации и управления производством для выпуска тепловизионной прицельно-навигационной аппаратуры на заводе в г. Орландо (штат Флорида). Система обеспечивает управление всем технологическим циклом создания продукции - от разработки до планирования поставки потребителю, а также высокое качество изделий за счет быстрого обнаружения и устранения брака. Центральная ЭВМ предприятия имеет интерфейсы связи с транспортной сетью и обрабатывающими участками, управляет работой оборудования и поставкой материалов и деталей, распределяет заказы и получает данные о степени готовности изделия. Применение автоматизированной системы сократило длительность цикла создания тепловизионных систем, объем промежуточной продукции, межоперационные перемещения материалов и деталей. В ходе выполнения контракта благодаря использованию новой техники фирма рассчитывает получить экономию в размере 90 млн. долларов.

Министерство обороны США осуществляет также закупки автоматизированного оборудования для модернизации производственного аппарата принадлежащих государству заводов, выпускающих боеприпасы. Одним из мероприятий министерства в этой области стала закупка и установка на заводе "Уотервлит арсенал" (г. Уотервлит, штат Нью-Йорк) системы САПР/АОУП стоимостью 3 млн. долларов. Она предназначена для проектирования и инженерной разработки деталей и оснастки, а также программирования оборудования и управления производственным процессом. Министерство обороны США выделило 200 млн. долларов на модернизацию парка оборудования завода, предусматривающую создание локальных вычислительных сетей и объединение оборудования с программным управлением в системы, установку промышленных роботов для автоматизации погрузочно-разгрузочных работ.

Благодаря реализуемым военно-политическим руководством США программам организационного и финансового стимулирования военное производство страны по уровню его оснащенности оборудованием, воплощающим последние достижения науки и техники, занимает одно из ведущих мест в промышленности страны.

Зарубежное военное обозрение №3 1990