Производственная инженерия или производственная инженерия — это отрасль профессиональной инженерии , которая разделяет много общих концепций и идей с другими областями инженерии, такими как механическая, химическая, электрическая и промышленная инженерия. Производственная инженерия требует способности планировать практику производства; исследовать и разрабатывать инструменты, процессы, машины и оборудование; и интегрировать объекты и системы для производства качественной продукции с оптимальными затратами капитала. [1]
Основная задача инженера-технолога — превратить сырье в обновленный или новый продукт наиболее эффективным, действенным и экономичным способом. Примером может служить компания, использующая компьютерно-интегрированную технологию для того, чтобы производить свой продукт быстрее и с меньшими затратами человеческого труда.
Производственная инженерия основана на основных навыках промышленной инженерии и машиностроения , добавляя важные элементы из мехатроники, коммерции, экономики и управления бизнесом. Эта область также занимается интеграцией различных объектов и систем для производства качественной продукции (с оптимальными затратами) путем применения принципов физики и результатов исследований производственных систем, таких как:
Инженеры-технологи разрабатывают и создают физические артефакты, производственные процессы и технологии. Это очень широкая область, которая включает проектирование и разработку продуктов. Инженерное дело считается поддисциплиной промышленной инженерии / системной инженерии и имеет очень сильное совпадение с машиностроением . Успех или неудача инженеров-технологов напрямую влияет на развитие технологий и распространение инноваций. Эта область инженерного дела возникла из дисциплины «инструмент и штамп» в начале 20-го века. Она значительно расширилась с 1960-х годов, когда промышленно развитые страны представили заводы с:
1. Станки с числовым программным управлением и автоматизированные системы производства.
2. Продвинутые статистические методы контроля качества : эти фабрики были пионерами американского инженера-электрика Уильяма Эдвардса Деминга , которого изначально игнорировала его родная страна. Те же методы контроля качества позже превратили японские фабрики в мировых лидеров по экономической эффективности и качеству продукции.
3. Промышленные роботы на заводе, введенные в конце 1970-х годов: эти управляемые компьютером сварочные руки и захваты могли выполнять простые задачи, такие как быстрое и безупречное прикрепление автомобильной двери 24 часа в сутки. Это сокращало расходы и повышало скорость производства.
Историю машиностроения можно проследить до фабрик середины 19 века в США и 18 века в Великобритании. Хотя крупные домашние производственные площадки и мастерские были созданы в Китае, Древнем Риме и на Ближнем Востоке, Венецианский арсенал представляет собой один из первых примеров фабрики в современном смысле этого слова. Основанная в 1104 году в Венецианской республике за несколько сотен лет до промышленной революции , эта фабрика производила корабли на сборочных линиях с использованием готовых деталей. Венецианский арсенал, по-видимому, производил почти по одному кораблю каждый день и на пике своего развития нанимал 16 000 человек.
Многие историки считают первой современной фабрикой мануфактуру Мэтью Болтона Soho (основанную в 1761 году в Бирмингеме). Аналогичные утверждения можно сделать в отношении шелковой фабрики Джона Ломба в Дерби (1721 год) или мельницы Кромфорд Ричарда Аркрайта (1771 год). Мельница Кромфорд была специально построена для размещения оборудования и проведения материала через различные производственные процессы.
Один историк, Джек Уэзерфорд , утверждает, что первая фабрика была в Потоси . Фабрика Потоси воспользовалась обильными залежами серебра, которые добывались поблизости, и перерабатывала серебряные слитки в монеты.
Британские колонии в 19 веке строили фабрики просто как здания, где собиралось большое количество рабочих для выполнения ручного труда, обычно в текстильном производстве. Это оказалось более эффективным для администрирования и распределения материалов среди отдельных рабочих, чем более ранние методы производства, такие как кустарное производство или система выдачи.
Хлопкопрядильные фабрики использовали такие изобретения, как паровой двигатель и механический ткацкий станок, чтобы стать пионерами промышленных фабрик 19-го века, где точные станки и сменные детали обеспечивали большую эффективность и меньше отходов. Этот опыт лег в основу более поздних исследований в области машиностроения. Между 1820 и 1850 годами немеханизированные фабрики вытеснили традиционные ремесленные мастерские в качестве преобладающей формы производственных учреждений.
Генри Форд еще больше революционизировал концепцию фабрики и, следовательно, производственную технику в начале 20-го века с инновацией массового производства. Высокоспециализированные рабочие, расположенные вдоль ряда вращающихся пандусов, создавали продукт, такой как (в случае Форда) автомобиль. Эта концепция резко снизила производственные затраты практически на все производимые товары и привела к эпохе потребительства.
Современные исследования в области технологии производства включают в себя все промежуточные процессы, необходимые для производства и интеграции компонентов продукта.
В некоторых отраслях, например, в производстве полупроводников и стали , для обозначения этих процессов используется термин «изготовление».
Автоматизация используется в различных процессах производства, таких как механическая обработка и сварка. Автоматизированное производство относится к применению автоматизации для производства товаров на заводе. Основные преимущества автоматизированного производства для производственного процесса реализуются при эффективном внедрении автоматизации и включают в себя более высокую согласованность и качество, сокращение сроков выполнения заказов, упрощение производства, сокращение обработки, улучшение рабочего процесса и повышение морального духа работников.
Робототехника — это применение мехатроники и автоматизации для создания роботов, которые часто используются в производстве для выполнения опасных, неприятных или повторяющихся задач. Эти роботы могут быть любой формы и размера, но все они предварительно запрограммированы и физически взаимодействуют с миром. Для создания робота инженер обычно использует кинематику (для определения диапазона движения робота) и механику (для определения напряжений внутри робота). Роботы широко используются в машиностроении.
Роботы позволяют компаниям экономить деньги на рабочей силе, выполнять задачи, которые слишком опасны или слишком точны для того, чтобы люди могли их экономически выполнять, и обеспечивать лучшее качество. Многие компании используют сборочные линии роботов, а некоторые фабрики настолько роботизированы, что могут работать самостоятельно. За пределами фабрик роботы использовались для обезвреживания бомб, исследования космоса и многих других областей. Роботы также продаются для различных бытовых применений.
Инженеры-технологи сосредоточены на проектировании, разработке и эксплуатации интегрированных систем производства для получения высококачественной и экономически конкурентоспособной продукции. [2] Эти системы могут включать в себя оборудование для обработки материалов, станки, роботов или даже компьютеры или сети компьютеров.
Инженеры-технологи имеют степень младшего специалиста или бакалавра в области машиностроения со специализацией в области машиностроения. Продолжительность обучения для получения такой степени обычно составляет от двух до пяти лет, за которыми следуют еще пять лет профессиональной практики для получения квалификации профессионального инженера. Работа технологом по машиностроению подразумевает более прикладной путь квалификации.
Академические степени для инженеров-производственников обычно являются Associate или Bachelor of Engineering, [BE] или [BEng], и Associate или Bachelor of Science, [BS] или [BSc]. Для технологов-производителей требуемые степени - Associate или Bachelor of Technology [B.TECH] или Associate или Bachelor of Applied Science [BASc] in Manufacturing, в зависимости от университета. Степени магистра в области инженерного производства включают Master of Engineering [ME] или [MEng] in Manufacturing, Master of Science [M.Sc] in Manufacturing Management, Master of Science [M.Sc] in Industrial and Production Management и Master of Science [M.Sc], а также Master of Engineering [ME] in Design, который является субдисциплиной производства. Курсы уровня докторантуры [PhD] или [DEng] в области производства также доступны в зависимости от университета.
Программа обучения на степень бакалавра обычно включает курсы по физике, математике, информатике, управлению проектами и специальные темы по машиностроению и машиностроению. Первоначально такие темы охватывают большинство, если не все, субдисциплины машиностроения. Затем студенты выбирают специализацию в одной или нескольких субдисциплинах к концу своей дипломной работы.
Базовая учебная программа для получения степени бакалавра по специальности «Технология производства» или «Технология производства» включает в себя нижеуказанную программу. Эта программа тесно связана с промышленной инженерией и машиностроением, но отличается тем, что делает больший акцент на науке о производстве или науке о производстве. Она включает в себя следующие области:
Степень в области машиностроения обычно отличается от степени в области машиностроения лишь несколькими специализированными классами. Степени в области машиностроения больше фокусируются на процессе проектирования продукта и на сложных продуктах, что требует большего математического опыта.
Сертификация и лицензирование:
В некоторых странах термин «профессиональный инженер» используется для обозначения зарегистрированных или лицензированных инженеров, которым разрешено предлагать свои профессиональные услуги напрямую населению. Профессиональный инженер , сокращенно (PE - США) или (PEng - Канада), является обозначением для лицензирования в Северной Америке. Чтобы получить эту лицензию, кандидату необходимо иметь степень бакалавра в признанном ABET университете в США, проходной балл на государственном экзамене и четыре года опыта работы, обычно получаемого посредством структурированной стажировки. В США более недавние выпускники имеют возможность разделить этот процесс лицензирования на два этапа. Экзамен по основам инженерии (FE) часто сдается сразу после окончания учебы, а экзамен по принципам и практике инженерии сдается после четырех лет работы в выбранной инженерной области.
Сертификация Общества инженеров-производственников (SME) (США):
SME администрирует квалификации специально для производственной отрасли. Они не являются квалификациями уровня степени и не признаются на уровне профессионального инжиниринга. Ниже рассматриваются квалификации только в США. Квалифицированные кандидаты на Сертификат сертифицированного производственного технолога (CMfgT) должны сдать трехчасовой экзамен из 130 вопросов с выбором ответа. Экзамен охватывает математику, производственные процессы, управление производством, автоматизацию и смежные предметы. Кроме того, кандидат должен иметь не менее четырех лет объединенного образования и опыта работы в сфере производства.
Сертифицированный инженер по производству (CMfgE) — это инженерная квалификация, администрируемая Обществом инженеров по производству, Дирборн, Мичиган, США. Кандидаты, претендующие на получение сертификата сертифицированного инженера по производству, должны сдать четырехчасовой экзамен из 180 вопросов с выбором ответа, который охватывает более глубокие темы, чем экзамен CMfgT. Кандидаты на получение CMfgE также должны иметь восемь лет объединенного образования и опыта работы в сфере производства, с минимальным четырехлетним опытом работы.
Сертифицированный инженер-менеджер (CEM). Сертификат сертифицированного инженера-менеджера также предназначен для инженеров с восьмилетним совместным образованием и производственным опытом. Тест длится четыре часа и содержит 160 вопросов с несколькими вариантами ответов. Экзамен на получение сертификата CEM охватывает бизнес-процессы, командную работу, ответственность и другие категории, связанные с управлением.
Многие производственные компании, особенно в промышленно развитых странах, начали включать программы компьютерного проектирования (CAE) в свои существующие процессы проектирования и анализа, включая 2D и 3D твердотельное моделирование с помощью компьютерного проектирования (CAD). Этот метод имеет много преимуществ, включая более простую и исчерпывающую визуализацию продуктов, возможность создания виртуальных сборок деталей и простоту использования при проектировании сопряженных интерфейсов и допусков.
Другие программы CAE, обычно используемые производителями продукции, включают инструменты управления жизненным циклом продукта (PLM) и инструменты анализа, используемые для выполнения сложных симуляций. Инструменты анализа могут использоваться для прогнозирования реакции продукта на ожидаемые нагрузки, включая усталостную долговечность и технологичность. Эти инструменты включают конечно-элементный анализ (FEA), вычислительную гидродинамику (CFD) и автоматизированное производство (CAM).
Используя программы CAE, команда разработчиков механических систем может быстро и дешево повторять процесс проектирования, чтобы разработать продукт, который лучше соответствует ограничениям по стоимости, производительности и другим параметрам. Физический прототип не требуется создавать до тех пор, пока проектирование не будет завершено, что позволяет оценивать сотни или тысячи проектов вместо относительно немногих. Кроме того, программы анализа CAE могут моделировать сложные физические явления, которые невозможно решить вручную, такие как вязкоупругость , сложный контакт между сопряженными деталями или неньютоновские потоки.
Так же, как производственная инженерия связана с другими дисциплинами, такими как мехатроника, многопрофильная оптимизация проектирования (MDO) также используется с другими программами CAE для автоматизации и улучшения итеративного процесса проектирования. Инструменты MDO охватывают существующие процессы CAE, позволяя продолжать оценку продукта даже после того, как аналитик уходит домой на день. Они также используют сложные алгоритмы оптимизации для более разумного исследования возможных конструкций, часто находя лучшие, инновационные решения для сложных многопрофильных проблем проектирования.
С точки зрения бизнеса в области производственного проектирования инструменты планирования ресурсов предприятия (ERP) могут пересекаться с инструментами PLM и использовать программы-коннекторы с инструментами САПР для обмена чертежами, синхронизации изменений и выполнения функций главного источника определенных данных, используемых в других современных инструментах, таких как номера деталей и описания.
Производственная инженерия является чрезвычайно важной дисциплиной во всем мире. Она имеет разные названия в разных странах. В Соединенных Штатах и континентальном Европейском Союзе она обычно известна как промышленная инженерия , а в Соединенном Королевстве и Австралии ее называют производственной инженерией. [3]
Механика, в самом общем смысле, является изучением сил и их воздействия на материю. Обычно инженерная механика используется для анализа и прогнозирования ускорения и деформации (как упругой, так и пластической) объектов под действием известных сил (также называемых нагрузками) или напряжений. Подразделы механики включают:
Если инженерный проект заключается в проектировании транспортного средства, статика может быть использована для проектирования рамы транспортного средства, чтобы оценить, где напряжения будут наиболее интенсивными. Динамика может быть использована при проектировании двигателя автомобиля для оценки сил в поршнях и кулачках при работе двигателя. Механика материалов может быть использована для выбора подходящих материалов для изготовления рамы и двигателя. Механика жидкостей может быть использована для проектирования системы вентиляции для транспортного средства или для проектирования системы впуска для двигателя.
Кинематика — это изучение движения тел (объектов) и систем (групп объектов), при этом игнорируются силы, вызывающие движение. Движение крана и колебания поршня в двигателе — это простые кинематические системы. Кран представляет собой тип открытой кинематической цепи, в то время как поршень является частью замкнутой четырехзвенной связи. Инженеры обычно используют кинематику при проектировании и анализе механизмов. Кинематика может использоваться для поиска возможного диапазона движения для данного механизма или, работая в обратном направлении, может использоваться для проектирования механизма, который имеет желаемый диапазон движения.
Чертеж или технический чертеж — это средство, с помощью которого производители создают инструкции по изготовлению деталей. Технический чертеж может быть компьютерной моделью или нарисованной от руки схемой, показывающей все размеры, необходимые для изготовления детали, а также примечания по сборке, список требуемых материалов и другую соответствующую информацию. Инженер или квалифицированный рабочий в США, создающий технические чертежи, может называться чертежником или чертежником . Исторически черчение было двумерным процессом, но программы автоматизированного проектирования (САПР) теперь позволяют проектировщику создавать в трех измерениях.
Инструкции по изготовлению детали должны быть переданы необходимому оборудованию либо вручную, с помощью запрограммированных инструкций, либо с помощью автоматизированного производства (CAM) или комбинированной программы CAD/CAM. По желанию инженер может также вручную изготовить деталь, используя технические чертежи, но это становится все большей редкостью с появлением производства с числовым программным управлением (ЧПУ). Инженеры в основном изготавливают детали вручную в областях нанесения распыляемых покрытий, отделки и других процессов, которые не могут быть экономически или практически выполнены машиной.
Черчение используется почти в каждой поддисциплине машиностроения и производства, а также во многих других отраслях инженерии и архитектуры. Трехмерные модели, созданные с помощью программного обеспечения САПР, также широко используются в конечно-элементном анализе (FEA) и вычислительной гидродинамике (CFD).
Станки используют какой-либо инструмент, который выполняет резку или формовку. Все станки имеют некоторые средства ограничения заготовки и обеспечения направленного движения частей машины. Изготовление металла — это создание металлических конструкций с помощью процессов резки, гибки и сборки.
Компьютерно-интегрированное производство (CIM) — это производственный подход, при котором компьютеры контролируют весь производственный процесс. Компьютерно-интегрированное производство используется в автомобильной, авиационной, космической и судостроительной промышленности.
Мехатроника — это инженерная дисциплина, которая занимается конвергенцией электрических, механических и производственных систем. Такие комбинированные системы известны как электромеханические системы и широко распространены. Примерами служат автоматизированные производственные системы, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также различные подсистемы самолетов и автомобилей.
Термин «мехатроника» обычно используется для обозначения макроскопических систем, но футуристы предсказали появление очень маленьких электромеханических устройств. Такие маленькие устройства, известные как микроэлектромеханические системы (МЭМС), уже используются в автомобилях для инициирования развертывания подушек безопасности, в цифровых проекторах для создания более четких изображений и в струйных принтерах для создания сопел для печати высокой четкости. В будущем есть надежда, что такие устройства будут использоваться в крошечных имплантируемых медицинских устройствах и для улучшения оптической связи.
Курсы по текстильной инженерии посвящены применению научных и инженерных принципов к проектированию и контролю всех аспектов волокон, текстильных и швейных процессов, продуктов и машин. К ним относятся природные и искусственные материалы, взаимодействие материалов с машинами, безопасность и охрана труда, энергосбережение, а также контроль отходов и загрязнения. Кроме того, студенты получают опыт в проектировании и планировке завода, проектировании и усовершенствовании машин и мокрых процессов, а также проектировании и создании текстильных изделий. В течение всей учебной программы по текстильной инженерии студенты посещают занятия по другим инженерным дисциплинам, включая: механическую, химическую, материаловедение и промышленную инженерию.
Современные композитные материалы (инженерные) (ACM) также известны как современные полимерные матричные композиты. Они обычно характеризуются или определяются необычно высокопрочными волокнами с необычно высокой жесткостью или модулем упругости по сравнению с другими материалами, при этом они связаны более слабыми матрицами. Современные композитные материалы имеют широкое, проверенное применение в секторах авиации, космонавтики и спортивного инвентаря. Еще более конкретно, ACM очень привлекательны для деталей конструкций самолетов и космонавтов. Производство ACM является многомиллиардной отраслью во всем мире. Композитные изделия варьируются от скейтбордов до компонентов космического челнока. Отрасль можно в целом разделить на два основных сегмента: промышленные композиты и современные композиты.
Производственная инженерия — это всего лишь одна грань отрасли машиностроения. Производственные инженеры любят совершенствовать производственный процесс от начала до конца. Они способны держать в уме весь производственный процесс, сосредоточившись на определенной части процесса. Успешные студенты в программах обучения по производственной инженерии вдохновляются идеей начать с природного ресурса, например, куска дерева, и закончить полезным, ценным продуктом, например, столом, произведенным эффективно и экономично.
Инженеры-технологи тесно связаны с инженерными и промышленными проектами. Примерами крупных компаний, которые нанимают инженеров-технологов в США, являются General Motors Corporation, Ford Motor Company, Chrysler, Boeing , Gates Corporation и Pfizer. Примерами в Европе являются Airbus , Daimler, BMW , Fiat, Navistar International и Michelin Tyre.
Отрасли, в которых обычно работают инженеры-производственники, включают:
Гибкая производственная система (FMS) — это производственная система, в которой есть некоторая гибкость, позволяющая системе реагировать на изменения, как прогнозируемые, так и непрогнозируемые. Обычно считается, что эта гибкость делится на две категории, каждая из которых имеет множество подкатегорий. Первая категория, гибкость оборудования, охватывает способность системы изменяться для производства новых типов продукции и способность изменять порядок операций, выполняемых над деталью. Вторая категория, называемая гибкостью маршрутизации, состоит из способности использовать несколько машин для выполнения одной и той же операции над деталью, а также способности системы поглощать масштабные изменения, такие как изменения объема, мощности или возможностей.
Большинство систем FMS состоят из трех основных систем. Рабочие машины, которые часто являются автоматизированными станками с ЧПУ, соединены системой обработки материалов для оптимизации потока деталей и с центральным управляющим компьютером, который управляет перемещениями материалов и потоком машин. Главным преимуществом FMS является ее высокая гибкость в управлении производственными ресурсами, такими как время и усилия, для производства нового продукта. Лучшее применение FMS находится в производстве небольших партий продуктов из массового производства.
Компьютерно-интегрированное производство (CIM) в машиностроении — это метод производства, при котором весь производственный процесс контролируется компьютером. Традиционно разделенные методы процесса объединяются через компьютер с помощью CIM. Эта интеграция позволяет процессам обмениваться информацией и инициировать действия. Благодаря этой интеграции производство может быть более быстрым и менее подверженным ошибкам, хотя главным преимуществом является возможность создания автоматизированных производственных процессов. Обычно CIM опирается на процессы управления с обратной связью, основанные на входных данных от датчиков в реальном времени. Это также известно как гибкое проектирование и производство.
Сварка трением с перемешиванием была открыта в 1991 году Институтом сварки (TWI). Эта инновационная технология сварки в стационарном состоянии (без сплавления) соединяет ранее не свариваемые материалы, включая несколько алюминиевых сплавов . Она может сыграть важную роль в будущем строительстве самолетов, потенциально заменив заклепки. Текущие области применения этой технологии на сегодняшний день включают: сварку швов алюминиевого основного внешнего бака космического челнока, испытательного образца Orion Crew Vehicle, одноразовых ракет-носителей Boeing Delta II и Delta IV и ракеты SpaceX Falcon 1; броневое покрытие для десантных кораблей; и сварка крыльев и панелей фюзеляжа нового самолета Eclipse 500 от Eclipse Aviation, среди постоянно растущего спектра применений.
Другими областями исследований являются проектирование продукции , МЭМС (микроэлектромеханические системы), бережливое производство , интеллектуальные производственные системы, экологичное производство, точное машиностроение, интеллектуальные материалы и т. д.
