Ткаченко Станислав Степанович, д. т. н., профессор, президент Ассоциации литейщиков Санкт-Петербурга и Ленинградской области (ЛенАЛ), заместитель директора научно-исследовательского сектора, заслуженный металлург РФ.
Если мы будем повторять других, рискуем оказаться в позиции постоянно догоняющих. Надо создавать собственные конкурентные технологии, товары и сервисы. В. В. Путин
Широкое применение мехатроника находит в станках с ЧПУ. Успешное развитие инновационного конкурентоспособного отечественного станкостроения возможно только с внедрением модульных базовых деталей станков из унифицированных литых заготовок для создания комплексных мехатронных узлов.
Цифровая трансформация подталкивает нас к решению вопроса – должны ли мы поставить под сомнение существующие производственные парадигмы, или, напротив, продолжать их развивать [1]. Сегодня мы являемся свидетелями фантастически быстрого развития науки, изменения конструкций и технологий уникальных изделий. Мы уверены, что мехатроника, унификация литых заготовок, модульные базовые детали станков – это как скромный источник будущей великой реки, искра, из которой разгорится пятая техническая революция.
Одним из самых перспективных инженерных направлений в мире, по данным ЮНЕСКО, является мехатроника. Особо отмечается ее роль в развитии станкостроения, в частности в станках с ЧПУ, приводимых в качестве примера использования мехатронных узлов. Несмотря на то что классическое определение мехатроники как области науки и техники, основанной на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых механизмов, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями, подразумевает некоторое новое развитие в построении и механической части, этому вопросу уделяется недостаточно внимания. К первой части слова «мехатроника» («меха-») сложилось какое-то второстепенное отношение, хотя, наверное, роль механического исполнительного механизма играет в этой системе далеко не последнюю роль. Ведь мехатронный модуль являясь функционально и конструктивно самостоятельным изделием и служит в первую очередь для реализации движений с взаимопроникновением и аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу. В настоящее время мехатронная система зачастую представляется как объединение собственно электромеханических компонентов с силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств, хотя изначально основной целью мехатроники как научно-технической дисциплины является разработка принципиально новых функциональных узлов, блоков и модулей, реализующих двигательные функции, которые используются как основа для подвижных интеллектуальных машин и систем. Только взаимная интеграция технологий [1], структурных элементов, информационных и энергетических процессов позволит перейти к созданию оборудования нового типа, и вопрос поиска новых методов построения механической составляющей при бурном развитии электронных и электротехнических компонентов, мехатронных модулей приобретает особую актуальность.
Прогноз развития науки техники вообще и литейного производства в частности имеет глубокий практический смысл. Он освещает будущность технического прогресса, позволяет заранее и по правильному пути направлять усилия общества, своевременно готовиться к завтрашнему дню. Еще Маркс и Энгельс определили, что процесс развития человеческого общества, прогресс его сознания и культуры зависят от совершенствования орудий производства и изменения способов производства.
В области станкостроения, наверное, наибольшее применение нашли такие мехатронные модули, как мотор – шпиндель, мехатронный модуль подачи инструмента, однако в основном успехи мехатроники сконцентрированы в области электронно-электротехнического взаимодействия. Роль же механики в этом синергетическом объединении в станкостроении практически не просматривается. Видимо, этим и объясняется практический застой именно в научном развитии станкостроения. Несомненно, улучшаются качественные параметры современного металлообрабатывающего оборудования, но отсутствуют принципиально прорывные разработки в этой области.
Возможно, необходимо начать трансформацию подхода к станочному оборудованию с его основы – литейного производства, например за счет использования метода декомпозиции цельнолитых чугунных корпусных отливок с переходом к технологии изготовления их из простых унифицированных литых заготовок, которые возможно изготавливать в массовом количестве на механизированных и автоматических формовочных линиях.
В условиях ожесточающейся на многие годы международной блокады развития российской экономики одним из важных факторов выполнения стратегии возрождения отечественного инновационного станкостроения является развитие создания металлообрабатывающего оборудования (ММОО) на основе мехатронных узлов с формированием нового технического подхода к выбору рациональной конструкции и методов изготовления базовых деталей для переконфигурируемых станков. Четвертая промышленная революция – Индустрия 4.0 – это уже не просто слова, она активно внедряется во многие области промышленности, и сегодня просто необходимо развивать ее – автоматизировать и роботизировать литейное производство. В первую очередь это автоматизация процессов формообразования. Но автоматизировать процессы изготовления крупных единичных базовых отливок невозможно и экономически нецелесообразно. К примеру, крупную отливку на конвейере сделать нереально. Форма собирается от 1 до 3 и более суток; отливка охлаждается 2-7 и более суток. Авторы [2] доказали, что изготовление крупных отливок для станкостроения в настоящее время и в будущем убыточно и ведет к длительным срокам изготовления МОО и КПО. Концепция производства модульного крупного МОО из унифицированных литых заготовок призвана удешевить, максимально автоматизировать процесс производства станочного литья и на порядок сократить возможные сроки изготовления новых станков и их функциональное трансформирование на основе функциональных мехатронных модулей (рис. 1).
Таким образом, одним из оптимальных решений остается предложение перехода на изготовление базовых деталей станков из модульных унифицированных литых заготовок как основы нового типа станков с мехатнонными модулями и узлами [2, 3]. Будущее модульного производства сегодня не определено, но оно точно безгранично. Модульное производство сложных деталей машиностроения способствует активному переходу к передовым цифровым технологиям, новым материалам, способам конструирования станков в условиях формирования национальной цифровой экономики в русле принципов Индустрии 4.0. Но производство базовых цельнолитых отливок, во-первых, убыточно [3], во-вторых, из-за габаритов и сложности не поддается автоматизации и тем более роботизации и не вписывается в принципы Индустрии 4.0. В связи с этим выгодно отличается от традиционных технологий станкостроения мехатронная технология изготовления станков на базе унифицированных литых заготовок для модульного изготовления базовых деталей станков (станин, стоек, столов, и т. п). Базовые детали, как правило, формируют точность, долговечность работы станков и должны обладать дифференцированными свойствами – хорошей демпфирующей способностью, высокой твердостью и износостойкостью направляющих. В цельнолитой чугунной отливке эти требования в полной мере не выполняются – или демпфирующая способность хуже требуемой, или твердость ниже необходимой и микроструктура с нежелаемыми отклонениями от рекомендованной ОСТ2-МТ21-2-90, а уж встройка в них электротехнических и электронных компонентов вообще крайне осложнена или вовсе невозможна. Для устранения подобных технологических и эксплуатационных недостатков и создания условий автоматизации производства необходимо создать эскизный проект будущих станков и на его основе разработать чертежи унифицированных литых заготовок для сборки родственных (расточные, продольно фрезерные, строгальные и др.) модульных базовых деталей. Будем считать, что станины, стоки, столы, шпиндельные бабки и прочее УТО – это некая сложная композиция. Для разработки и создания унифицированных модульных отливок необходимо грамотно произвести декомпозицию проектируемого изделия, согласовав с литейщиками оптимальные размеры модулей, толщину стенок, минимальное количество поднутрений и тепловых узлов, чтобы производство литых модульных элементов изготавливать на механизированных или автоматических линиях на отечественных литейных предприятиях. Направляющие для базовых деталей целесообразно и необходимо изготавливать методом непрерывного литья, что обеспечит высокое качество, выполнение технических требований к направляющим, повышение эксплуатационных характеристик металлообрабатывающего оборудования (МОО). Концепция производства модульного крупного МОО из унифицированных литых заготовок (УнД) призвана удешевить и максимально автоматизировать процесс производства станочного литья. Производство УнД на автоматических формовочных линиях (АФЛ) и установках непрерывного литья – это высокая производительность, наименьший передел сырья и весьма ощутимое энергосбережение.
Наши специалисты-станкостроители, воспитанные на традиционных схемах создания МОО, критически подходят к возможности создания модульных станков на базе мехатронных узлов ММОО во многом из-за отсутствия разработок, связывающих в единый комплекс конструкторские решения в области механики и литейного производства как его основы, с электронными и электротехническими компонентами в рамках единых модулей. Появление таких разработок и технологических решений позволит уже на стадии проектирования и изготовления универсальных литых заготовок предусмотреть внутреннюю композицию электронных и электротехнических компонентов внутри механических блоков, тем самым повысив диагностируемость механического оборудования и расширив его функциональность, т. е. произойдет реальное синергетическое объединение элементов различной физической природы в едином функциональном мехатронном модуле.
Как показывают социальные исследования, даже профессионализма высокого уровня оказывается порой недостаточно, чтобы без значительных ошибок разрешить задачи такого уровня. Закон минимума Либиха [4] может быть распространен на все функционирующие системы и на все случаи поведения людей, нацеливая их на поиск условий и причин успешных целенаправленных действий. Всегда существует и может быть определен минимально необходимый состав условий, при котором вероятность достижения успехов оказывается выше минимально пороговой объективной вероятности его достижения.
Литература
1. Армин Рот. Мир Станкостроения. «Индустрия 4.0 – пустая шумиха или революция» // Техносфера. – 2020.
2. С. С. Ткаченко, В. О. Емельянов, К. В. Мартынов, А.В. Янтовский. «Композиционные материалы – надежная основа модульного станкостроения» // Станкоинструмент. – № 3. – 2021.
3. С. С. Ткаченко, В. О. Емельянов, К. В. Мартынов. Обоснование необходимости модульного производства базовых деталей станков // Металлургия машиностроения. – № 2. – 2019.
4. Ю. Либих. Химия в приложении к земледелию и физиологии растений. – 1936.
