Миниатюризация систем производства: существует ли нижний предел масштабирования?

Существует множество примеров последовательной миниатюризации технических систем. Например, закон Мура гласит, что количество транзисторов в интегральных схемах удваивается каждые 18 месяцев. В наши дни это означает, что в одной микросхеме умещается примерно 35 млрд транзисторов. Другим наглядным примером может служить смартфон. За прошедшие 20 лет он эволюционировал из мобильного телефона в профессиональное многофункциональное устройство с интегрированными функциями связи, навигации и развлекательными приложениями. Тенденция «уплотнения» функций и технических характеристик уже положила начало новым техническим дисциплинам: там, где грань между электроникой и механикой становится всё более размытой, можно говорить о мехатронике. Впрочем, тот факт, что миниатюризация технических систем является глобальной тенденцией, можно наблюдать не только в сфере потребительских товаров. Например, тяжёлая ракета­носитель Falcon производства компании SpaceX (в настоящее время мощнейшая ракета­носитель в мире) является сверхкомпактной в сравнении с ракетой­носителем «Сатурн V», применявшейся в программе «Аполлон». Компания SpaceX обеспечивает сохранение энергии и других ресурсов, а также возможность частичного повторного использования.

Но есть ли смысл в современной тенденции миниатюризации для систем производства в целом? Эта тенденция в любом случае оказывает лишь ограниченное влияние на промышленные станки и агрегаты, поскольку:

Цель теряет важность, когда приходит понимание, что миниатюризация является не целью как таковой, а, скорее, средством достижения цели. С технической точки зрения, любое решение для повышения экономичности и эффективности заключается в миниатюризации. Миниатюризация обеспечивает снижение объёмов производства и расхода необходимых материалов и приводит к оптимизации использования энергии, трудовых и прочих ресурсов.

Миниатюризация возможна при условии обеспечения требуемых функциональных характеристик и сохранения конструктивного исполнения модулей оборудования, компонентов и последовательностей процесса производства.

Следовательно, настоящая цель миниатюризации – экономия материальных и энергетических ресурсов. Чтобы правильно и в полном объёме оценить затраты на миниатюризацию систем производства и её экономические выгоды, необходимо учитывать как мнение производителей станков и агрегатов, так и мнение конечных заказчиков или эксплуатационных организаций. При выработке системно­ориентированного подхода можно руководствоваться методикой анализа затрат на срок службы (LCC), разработанной Союзом машиностроителей Германии (VDMA). Кроме того, процедуру можно сделать целенаправленной, соответствующей разделам руководства VDI 4800 BLATT 1 («Измерение и оценка эффективности ресурсов» от февраля 2016 года).

В статье приводится описание стандартов и методов такого анализа и вытекающих из них практических мер. Примеры особенно успешных компаний показывают, что такие методы анализа должны включать в себя ведение систематизированного перечня возможностей. Наконец, практическая реализация мер обеспечит конкурентные преимущества и последующее развитие в течение срока службы системы производства.

Компания HARTING – один из ведущих в мире поставщиков решений в области соединений, без которых не обойтись в современных технологиях устройств управления, приводов, ЧМИ и обмена данными в системах производства.

Роль соединений в процессе миниатюризации не следует недооценивать, что наглядно подтверждает следующий пример. Когда компания Intel в конце 1970­х годов разработала микропроцессор 8086, количество транзисторов достигало в среднем 5­значного количества. Технология соединения на базе 40 контактов с двухрядным расположением (корпус типа DIP) полностью удовлетворяла требованиям.

Всего 10 лет спустя для микропроцессора 80486, в котором насчитывался примерно миллион транзисторов, в качестве соединителей, обеспечивающих полный спектр функциональных возможностей компьютерных систем, потребовались уже корпусы с матричным расположением выводов (PGA), рассчитанные на более чем 100 контактов.

Кроме того, конструктивное исполнение соединителей сыграло решающую роль в успехе многих серий микропроцессоров и отдельных их версий. Как и в технологиях интегральных схем, плотность расположения и степень интеграции модулей и блоков оборудования в технологиях производства неуклонно растёт, поэтому происходит оптимизация конструктивного исполнения соединителей. Исходя из опыта, приобретённого в тесном сотрудничестве с заказчиками из широкого круга отраслей промышленности, компания HARTING может предоставить соответствующие рекомендации.

На основании этого можно выделить следующие решающие этапы внедрения инноваций (классифицированные согласно затратности):

Повышение компактности и оптимизации является неотъемлемой частью повседневной деятельности предприятий машиностроения, потому не требует дополнительных пояснений. Однако разъяснений на конкретных примерах требуют два более сложных фактора.

Приведённые далее примеры наглядно продемонстрируют инновационные результаты объединения функцио­нальных блоков, ранее работавших раздельно:

Третий этап внедрения инноваций зачастую сопровождается высокими затратами и является наиболее ресурсоёмким. Однако при этом на третьем этапе можно осуществлять наиболее значительные шаги по внедрению передовых технологий.

В качестве последнего примера стоит привести транспортные системы с высокой степенью интеграции, на базе технологии линейных двигателей с отдельными направляющими, независимым электронным управлением и собственным профилем перемещения. Их применение позволяет внедрять новые концепции в системы производства, работающие с последовательностями синхронизированного перемещения заготовок.

Исходя из успеха заказчиков в сфере машиностроения, можно обозначить общие процедуры и выработать рекомендации по этапам реализации, необходимым для достижения требуемой экономии материалов и миниатюризации систем производства. Как правило, рекомендуется оценивать потенциал рентабельности и миниатюризации отдельных модулей оборудования или всей системы в целом, используя упомянутые ранее стандарты и методы оценки (например, методику анализа на основе срока службы, разработанную VDMA [1], или руководство VDI 4800 ЛИСТ 1 [2]).

Рекомендуется проводить следующие процедуры:

Оценка систем с наиболее высоким потенциалом снижения затрат должна выполняться с точки зрения других факторов, а именно:

На заключительном этапе специалисты должны произвести оценку применимости трёх этапов внедрения инноваций с точки зрения миниатюризации всех приоритетных элементов оборудования.

Результаты оценки должны быть представлены в виде предельно абстрактной матрицы. Преимуществом в данном случае является то, что создаётся матрица результатов, которая обеспечивает возможность оценить применимость, технические риски и потенциальное сокращение расходов. Это позволяет проанализировать систему в целом и обосновать дальнейшие конкретные шаги по осуществлению миниатюризации и последующему проектированию. Сравнение построенной матрицы с результатами стандартных промежуточных оценок обеспечивает возможность эффективной корректировки и прозрачного представления целей, достигнутых на этапе проектирования.

В процессе целенаправленной оптимизации расхода материалов и миниатюризации компонентов систем производства раскрываются огромные возможности снижения затрат. Всего несколько изменений и корректировок позволит производителям разработать более «прозрачное» оборудование, оптимальное с точки зрения затрат и требований, а конечный пользователь достигнет значительной экономии энергии и ресурсов.

Компания HARTING Technology Group следует тренду миниатюризации в машиностроении, предоставляя решения для реализации любых соединений в современных промышленных системах управления, приводов, ЧМИ, а также технологий взаимодействия производственных систем. Решающим фактором является то, что миниатюризация не ограничивает функциональность. Такие же три уровня внедрения инноваций можно увидеть в продуктах и решениях для промышленных соединений, которые в зависимости от уровня миниатюризации и степени интеграции подходят для решения соответствующих задач.

Не существует нижнего предела для миниатюризации, по крайней мере применимого к соединениям. В конце концов не соединения, а функци­о­­нальность и размер системы являются основополагающими принципами миниатюризации, в том числе и в технологиях промышленного производства. Многолетняя работа компании HARTING подтверждает, что оптимальных результатов масштабирования в области машиностроения можно достичь только в случаях, когда обеспечивается выполнение требований производителей машиностроительного оборудования и учитывается практический опыт производителей соединителей для различных сфер промышленного применения. В результате вырабатываются инновационные решения, которые открывают перспективы для будущего развития и позволяют обеспечить адаптивность, техническую и экономическую эффективность. 

Литература