Промышленное проектирование или производственный инжиниринг — это отрасль профессиональной инженерии , которая имеет много общих концепций и идей с другими областями техники, такими как механическая, химическая, электрическая и промышленная инженерия. Технология производства требует умения планировать производственную практику; исследовать и разрабатывать инструменты, процессы, машины и оборудование; и интегрировать средства 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-интегрированные технологии, чтобы производить свою продукцию быстрее и с меньшим использованием человеческого труда.
Промышленная инженерия основана на основных навыках промышленного проектирования 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 в себя проектирование и разработку продуктов. Промышленная инженерия считается поддисциплиной промышленной инженерии / системотехники и очень сильно пересекается с машиностроением . Успех или неудача инженеров-технологов напрямую влияет на развитие технологий и распространение инноваций. Эта область производственного инжиниринга возникла из дисциплины инструментов и штампов в начале 20 века. Он значительно расширился с 1960-х годов, когда промышленно развитые страны открыли заводы:
1. Станки с числовым программным управлением и автоматизированные системы производства.
2. Передовые статистические методы контроля качества . Эти фабрики были созданы американским инженером-электриком Уильямом Эдвардсом Демингом , которого поначалу игнорировали в его родной стране. Эти же методы контроля качества впоследствии превратили японские фабрики в мировых лидеров по экономичности и качеству продукции.
3. Промышленные роботы в заводских цехах, появившиеся в конце 1970-х годов. Эти сварочные рычаги и захваты с компьютерным управлением могли выполнять простые задачи, такие как быстрое и безупречное прикрепление автомобильной двери 24 часа в сутки. Это позволило сократить расходы и повысить скорость производства.
Историю машиностроения можно проследить на фабриках в США середины 19 века и Великобритании 18 века. Хотя крупные домашние производства и мастерские были созданы в Китае, Древнем Риме и на Ближнем Востоке, Венецианский арсенал представляет собой один из первых примеров фабрик в современном смысле этого слова. Основанная в 1104 году в Венецианской республике за несколько сотен лет до промышленной революции , эта фабрика массово производила корабли на сборочных линиях из готовых деталей. Венецианский арсенал, очевидно, производил почти один корабль каждый день, и на пике своего развития в нем работало 16 000 человек.
Многие историки считают мануфактуру Сохо Мэтью Бултона (основанную в 1761 году в Бирмингеме) первой современной фабрикой. Аналогичные претензии можно предъявить в отношении шелковой фабрики Джона Ломба в Дерби (1721 г.) или Кромфордской фабрики Ричарда Аркрайта (1771 г.). Кромфордская мельница была специально построена для размещения находившегося на ней оборудования и прохождения материала через различные производственные процессы.
Один историк, Джек Уэзерфорд , утверждает, что первая фабрика находилась в Потоси . Фабрика в Потоси воспользовалась обильным количеством серебра, которое добывалось поблизости, и переработала серебряные слитки в монеты.
Британские колонии в XIX веке строили фабрики просто как здания, где собиралось большое количество рабочих для выполнения ручного труда, обычно в текстильном производстве. Это оказалось более эффективным для управления и распределения материалов среди отдельных рабочих, чем более ранние методы производства, такие как надомное производство или система выпуска продукции.
Хлопчатобумажные фабрики использовали такие изобретения, как паровой двигатель и механический ткацкий станок , чтобы стать пионерами промышленных фабрик 19 века, где точные станки и сменные детали позволили повысить эффективность и сократить отходы. Этот опыт лег в основу последующих исследований в области технологии производства. Между 1820 и 1850 годами немеханизированные фабрики вытеснили традиционные ремесленные мастерские в качестве преобладающей формы производственных учреждений.
Генри Форд произвел дальнейшую революцию в концепции фабрики и, следовательно, в технологии производства в начале 20 века, внедрив массовое производство. Высокоспециализированные рабочие, расположенные рядом с рядом подвижных рамп, будут создавать такой продукт, как (в случае Форда) автомобиль. Эта концепция резко снизила затраты на производство практически всех промышленных товаров и положила начало эпохе потребительства.
Современные исследования в области технологии производства включают все промежуточные процессы, необходимые для производства и интеграции компонентов продукта.
Некоторые отрасли, такие как производители полупроводников и стали , используют для этих процессов термин «производство».
Автоматизация используется в различных производственных процессах, таких как механическая обработка и сварка. Автоматизированное производство означает применение автоматизации для производства товаров на заводе. Основные преимущества автоматизированного производства для производственного процесса реализуются при эффективном внедрении автоматизации и включают более высокую согласованность и качество, сокращение сроков выполнения заказов, упрощение производства, сокращение количества операций, улучшение рабочего процесса и улучшение морального духа работников.
Робототехника — это применение мехатроники и автоматизации для создания роботов, которые часто используются на производстве для выполнения опасных, неприятных или повторяющихся задач. Эти роботы могут быть любой формы и размера, но все они заранее запрограммированы и физически взаимодействуют с миром. Чтобы создать робота, инженер обычно использует кинематику (чтобы определить диапазон движения робота) и механику (чтобы определить напряжения внутри робота). Роботы широко используются в машиностроении.
Роботы позволяют предприятиям экономить деньги на рабочей силе, выполнять задачи, которые либо слишком опасны, либо слишком точны для экономичного выполнения людьми, а также обеспечивают лучшее качество. Многие компании используют сборочные линии роботов, а некоторые заводы настолько роботизированы, что могут работать самостоятельно. За пределами завода роботы используются для обезвреживания бомб, исследования космоса и во многих других областях. 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 погрузочно-разгрузочное оборудование, станки, роботов или даже компьютеры или компьютерные сети.
Инженеры-технологи имеют степень младшего специалиста или бакалавра технических наук 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, чтобы получить квалификацию профессионального инженера. Работа технологом-технологом предполагает более ориентированный на применение квалификационный путь.
Академические степени инженеров-технологов обычно имеют степень младшего специалиста или бакалавра технических наук, [BE] или [BEng], а также степень младшего специалиста или бакалавра наук, [BS] или [BSc]. Для технологов-производителей необходимы степени младшего специалиста или бакалавра технологий [B.TECH] или младшего специалиста или бакалавра прикладных наук [BASc] в области производства, в зависимости от университета. Степени магистра в области инженерного производства включают магистра инженерных наук [ME] или [MEng] в области производства, магистра наук [M.Sc] в области управления производством, магистра наук [M.Sc] в области промышленного и производственного менеджмента и магистра наук [ Магистр наук], а также магистр инженерных наук [ME] в области дизайна, который является поддисциплиной производства. В зависимости от университета также доступны докторские курсы в области производства на уровне [PhD] или [DEng].
Учебная программа бакалавриата обычно включает курсы по физике, математике, информатике, управлению проектами и конкретным темам в области машиностроения и производства. Первоначально такие темы охватывают большинство, если не все, разделы производственного инжиниринга. Затем к концу дипломной работы студенты выбирают специализацию по одной или нескольким субдисциплинам.
Базовая учебная программа для получения степени бакалавра в области машиностроения или технологии производства включает в себя приведенную ниже программу. Эта программа тесно связана с промышленной инженерией и машиностроением, но отличается тем, что больше внимания уделяется наукам о производстве или наукам о производстве. Он включает в себя следующие направления:
Степень в области машиностроения обычно отличается от машиностроения лишь несколькими специализированными классами. Степени в области машиностроения больше внимания уделяют процессу проектирования продуктов и сложным продуктам, которые требуют больше математических знаний.
Сертификация и лицензирование:
В некоторых странах «профессиональный инженер» — это термин для зарегистрированных или лицензированных инженеров, которым разрешено предлагать свои профессиональные услуги непосредственно населению. Профессиональный инженер , сокращенно (PE — США) или (PEng — Канада), — это обозначение лицензии в Северной Америке. Чтобы претендовать на эту лицензию, кандидату необходима степень бакалавра признанного ABET университета в США, проходной балл на государственном экзамене и четырехлетний опыт работы, обычно получаемый в ходе структурированной стажировки. В США недавние выпускники имеют возможность разделить процесс получения лицензии на два этапа. Экзамен по основам инженерного дела (FE) часто сдается сразу после окончания учебы, а экзамен по принципам и практике инженерного дела - после четырех лет работы в выбранной инженерной области.
Сертификация Общества инженеров-технологов (SME) (США):
МСП администрирует квалификации специально для обрабатывающей промышленности. Это не квалификации уровня ученой степени и не признаются на профессиональном инженерном уровне. Следующее обсуждение касается квалификаций только в США. Квалифицированные кандидаты на получение сертификата сертифицированного технолога-технолога (CMfgT) должны сдать трехчасовой экзамен из 130 вопросов с несколькими вариантами ответов. Экзамен охватывает математику, производственные процессы, управление производством, автоматизацию и смежные предметы. Кроме того, кандидат должен иметь как минимум четыре года комбинированного образования и опыта работы на производстве.
Сертифицированный инженер-технолог (CMfgE) — это инженерная квалификация, выдаваемая Обществом инженеров-технологов, Дирборн, Мичиган, США. Кандидаты, имеющие право на получение сертификата сертифицированного инженера-технолога, должны сдать четырехчасовой экзамен с несколькими вариантами ответов из 180 вопросов, который охватывает более глубокие темы, чем экзамен CMfgT. Кандидаты CMfgE также должны иметь восьмилетний опыт работы в сфере образования и производства, при этом не менее четырех лет опыта работы.
Сертифицированный инженер-менеджер (CEM). Сертификат сертифицированного инженерного менеджера также предназначен для инженеров с восьмилетним совместным образованием и опытом производства. Тест длится четыре часа и включает 160 вопросов с несколькими вариантами ответов. Сертификационный экзамен 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 ( САПР). Этот метод имеет множество преимуществ, в том числе более простую и полную визуализацию изделий, возможность создания виртуальных сборок деталей, простоту использования при проектировании сопряжений и допусков.
Другие программы CAE, обычно используемые производителями продукции, включают инструменты управления жизненным циклом продукции (PLM) и инструменты анализа, используемые для выполнения сложного моделирования. Инструменты анализа могут использоваться для прогнозирования реакции продукта на ожидаемые нагрузки, включая усталостную долговечность и технологичность. Эти инструменты включают анализ методом конечных элементов (FEA), вычислительную гидродинамику (CFD) и автоматизированное производство (CAM).
Используя программы CAE, группа разработчиков машиностроения может быстро и дешево повторить процесс проектирования для разработки продукта, который лучше соответствует стоимости, производительности и другим ограничениям. Никакой физический прототип не нужно создавать до тех пор, пока проект не будет близок к завершению, что позволяет оценить сотни или тысячи проектов, а не относительно небольшое количество. Кроме того, программы анализа CAE могут моделировать сложные физические явления, которые невозможно решить вручную, такие как вязкоупругость , сложный контакт между сопрягаемыми деталями или неньютоновские течения.
Так же, как производственное проектирование связано с другими дисциплинами, такими как мехатроника, многодисциплинарная оптимизация проектирования (MDO) также используется с другими программами CAE для автоматизации и улучшения итеративного процесса проектирования. Инструменты MDO охватывают существующие процессы CAE, позволяя продолжить оценку продукта даже после того, как аналитик уйдет домой на рабочий день. Они также используют сложные алгоритмы оптимизации для более разумного изучения возможных проектов, часто находя лучшие, инновационные решения сложных междисциплинарных проблем проектирования.
Что касается деловой стороны производственного инжиниринга, инструменты планирования ресурсов предприятия (ERP) могут перекрываться с инструментами PLM и использовать соединительные программы с инструментами САПР для обмена чертежами, синхронизации версий и быть главными для определенных данных, используемых в других современных инструментах, описанных выше, например номера деталей и описания.
Промышленное проектирование является чрезвычайно важной дисциплиной во всем мире. В разных странах он носит разные названия. В Соединенных Штатах и континентальной части Европейского Союза это широко известно как промышленное проектирование , а в Соединенном Королевстве и Австралии оно называется машиностроением. [3]
Механика в самом общем смысле — это изучение 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. К субдисциплинам механики относятся:
Если бы инженерный проект предусматривал проектирование транспортного средства, для проектирования рамы транспортного средства можно было бы использовать статику, чтобы оценить, где напряжения будут наиболее интенсивными. Динамику можно использовать при проектировании двигателя автомобиля для оценки усилий в поршнях и кулачках во время работы двигателя. Механика материалов может быть использована для выбора подходящих материалов для изготовления рамы и двигателя. Гидравлическую механику можно использовать для проектирования системы вентиляции автомобиля или системы впуска двигателя.
Кинематика – это изучение движения тел (объектов) и систем (групп объектов) без учета сил, вызывающих движение. Движение крана и колебания поршня двигателя представляют собой простые кинематические системы. Кран представляет собой разновидность открытой кинематической цепи, тогда как поршень входит в состав закрытой четырехзвенной рычажной системы. Инженеры обычно используют кинематику при проектировании и анализе механизмов. Кинематику можно использовать для определения возможного диапазона движения данного механизма или, работая в обратном порядке, можно использовать для проектирования механизма, имеющего желаемый диапазон движения.
Чертеж или технический рисунок — это средство, с помощью которого производители создают инструкции по изготовлению деталей. Технический чертеж может представлять собой компьютерную модель или нарисованную от руки схему, показывающую все размеры, необходимые для изготовления детали, а также примечания по сборке, список необходимых материалов и другую соответствующую информацию. Американского инженера или квалифицированного рабочего, создающего технические чертежи, можно назвать составителем или чертежником . Черчение исторически было двухмерным процессом, но теперь программы автоматизированного проектирования (САПР) позволяют дизайнеру творить в трех измерениях.
Инструкции по изготовлению детали должны передаваться на необходимое оборудование либо вручную, с помощью запрограммированных инструкций, либо с помощью автоматизированного производства (CAM) или комбинированной программы CAD/CAM. При желании инженер также может вручную изготовить деталь, используя технические чертежи, но это становится все более редкой с появлением производства с числовым программным управлением (ЧПУ). Инженеры в основном производят детали вручную в областях нанесения покрытий распылением, отделки и других процессов, которые экономически или практически невозможно выполнить с помощью машины.
Черчение используется почти во всех разделах машиностроения и производства, а также во многих других отраслях техники и архитектуры. Трехмерные модели, созданные с помощью программного обеспечения САПР, также широко используются в анализе методом конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамике (CFD).
В станках используется какой-то инструмент, который выполняет резку или формование. Все станки имеют те или иные средства фиксации заготовки и обеспечения управляемого движения частей станка. Изготовление металлов — это изготовление металлических конструкций путем 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. Примеры включают 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 предсказывали появление очень маленьких электромеханических устройств. Такие небольшие устройства, известные как микроэлектромеханические системы (МЭМС), уже используются в автомобилях для инициирования срабатывания подушек безопасности, в цифровых проекторах для создания более четких изображений и в струйных принтерах для создания сопел для печати высокой четкости. Есть надежда, что в будущем такие устройства будут использоваться в крошечных имплантируемых медицинских устройствах и для улучшения оптической связи.
Курсы текстильной инженерии посвящены применению научных и инженерных принципов при проектировании и контроле всех аспектов процессов, продуктов и оборудования, связанных с волокном, текстилем и одеждой. К ним относятся природные и искусственные материалы, взаимодействие материалов с машинами, безопасность и здоровье, энергосбережение, а также контроль над отходами и загрязнением. Кроме того, студенты получают опыт проектирования и планировки предприятий, проектирования и усовершенствования машин и мокрых процессов, а также проектирования и создания текстильной продукции. В рамках учебной программы по текстильному машиностроению студенты посещают занятия по другим инженерным дисциплинам и дисциплинам, включая машиностроение, химию, материаловедение и промышленное проектирование.
Усовершенствованные композиционные материалы (инжиниринг) (ACM) также известны как усовершенствованные композиты с полимерной матрицей. Они обычно характеризуются или определяются необычно высокими прочностными волокнами с необычно высокими характеристиками жесткости или модуля упругости по сравнению с другими материалами, хотя они связаны между собой более слабыми матрицами. Усовершенствованные композитные материалы имеют широкое и проверенное применение в авиастроении, аэрокосмической отрасли и производстве спортивного оборудования. В частности, ACM очень привлекательны для деталей конструкций самолетов и аэрокосмической отрасли. Производство ACM — это многомиллиардная индустрия во всем мире. Композитная продукция варьируется от скейтбордов до компонентов космического корабля. В целом отрасль можно разделить на два основных сегмента: промышленные композиты и современные композиты.
Промышленное производство — это лишь один из аспектов машиностроительной промышленности. Инженерам-технологам нравится совершенствовать производственный процесс от начала до конца. У них есть способность держать в уме весь производственный процесс, сосредотачиваясь на определенной его части. Успешных студентов, обучающихся по программам инженерного дела, вдохновляет идея начать с природного ресурса, такого как кусок дерева, и закончить полезным и ценным продуктом, таким как письменный стол, произведенным эффективно и экономично.
Инженеры-технологи тесно связаны с инженерным и промышленным дизайном. Примеры крупных компаний, которые нанимают инженеров-технологов в Соединенных Штатах, включают General Motors Corporation, Ford Motor Company, Chrysler, Boeing , Gates Corporation и Pfizer. Примеры в Европе включают Airbus , Daimler, BMW , Fiat, Navistar International и Michelin Tyre.
Отрасли, в которых обычно работают инженеры-технологи, включают:
Гибкая производственная система (FMS) — это производственная система, в которой существует некоторая гибкость, позволяющая системе реагировать на изменения, как прогнозируемые, так и непредвиденные. Обычно считается, что эта гибкость делится на две категории, каждая из которых имеет множество подкатегорий. Первая категория, гибкость станка, охватывает способность системы изменяться для производства новых типов продукции и возможность изменять порядок операций, выполняемых над деталью. Вторая категория, называемая гибкостью маршрутизации, состоит из возможности использовать несколько станков для выполнения одной и той же операции над деталью, а также способности системы поглощать крупномасштабные изменения, например, в объеме, мощности или возможностях.
Большинство систем FMS состоят из трех основных систем. Рабочие машины, которые часто представляют собой автоматизированные станки с ЧПУ, подключены к системе обработки материалов для оптимизации потока деталей и к центральному управляющему компьютеру, который контролирует движение материалов и поток машин. Основным преимуществом FMS является ее высокая гибкость в управлении производственными ресурсами, такими как время и усилия, для производства нового продукта. Наилучшее применение ФМС находит при производстве небольших партий продукции массового производства.
Компьютерно-интегрированное производство (CIM) в машиностроении — это метод производства, при котором весь производственный процесс контролируется компьютером. Традиционно разделенные методы обработки объединяются с помощью CIM через компьютер. Эта интеграция позволяет процессам обмениваться информацией и инициировать действия. Благодаря такой интеграции производство может стать более быстрым и менее подверженным ошибкам, хотя основным 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 устойчивом состоянии (без плавления) позволяет соединять ранее не поддающиеся сварке материалы, в том числе некоторые алюминиевые сплавы . Он может сыграть важную роль в будущем строительстве самолетов, потенциально заменив заклепки. Текущее использование этой технологии на сегодняшний день включает в себя: сварку швов алюминиевого внешнего бака основного космического корабля "Шаттл", испытательного объекта корабля "Орион", одноразовых ракет-носителей Boeing Delta II и Delta IV и ракеты SpaceX Falcon 1; бронирование десантных кораблей; а также сварка крыльев и панелей фюзеляжа нового самолета Eclipse 500 от Eclipse Aviation, среди которых растет спектр применений.
Другими областями исследований являются дизайн продукта , MEMS (микроэлектромеханические системы), бережливое производство , интеллектуальные производственные системы, экологически чистое производство, точное машиностроение, интеллектуальные материалы и т. д.
