CC BY
2
УДК 621.91.01
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-10-111-112
ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК ПАСПОРТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ
А.Ю Албагачиев, М.Н. Ерофеев, В.А. Пухальский, И.М. Сидоров
Рассмотрен вопрос разработки цифрового двойника машиностроительной продукции, отражающего её паспортные характеристики. Основные потребительские свойства продукции представлены на примере режущего инструмента.
Ключевые слова: машиностроительная продукция, паспортные характеристики, цифровой двойник, режущий инструмент, параметры оценки.
С 1 июля 2024г в России вступил в силу закон о стимулировании спроса на отечественную промышленную продукцию. Документ определяет ряд понятий, в том числе «производитель российской промышленной продукции», «реестр российской промышленной продукции». Закон также предусматривает создание системы цифровых паспортов промышленной продукции. Как ранее рассказали ТАСС в Минпромторге, «речь идет о формировании единого механизма идентификации товаров и аккумулировании данных о мерах поддержки производителей и заказчиков».
Цифровой двойник [1-3, 5-101 позволяет по входным данным оборудования предсказать ключевым параметры объекта. При помощи технологии цифровых двойников возможно решать различные типы задач диагностики состояния объекта, оптимизации работы, предсказания.
В работе [1] отмечено, что основой паспорта режущего инструмента являются факторы, отражающие его техническое совершенство.
«Техническое совершенство» согласно [2] по определению тождественно «показателю эффективности использования продукции» по ГОСТ 15467-79. Согласно определению - это количественная характеристика степени достижения полезных результатов при использовании продукции в конкретной эксплуатационной ситуации с учётом эксплуатационных затрат.
Полученное в [1] комплексное поле номограмм преобразовывается в паспортные характеристики продукции после определения практических закономерностей между используемыми в ней параметрами.
Выбор зависимостей, точнее «вида кривых», отражающих взаимовлияние параметров в номограмме паспорта осуществим по координатам априори известных, по сути их реперных точек.
Здесь, предвидя большое количество вопросов и даже возражений, следует особо отметить следующее. Наиболее нам известными и принимаемыми без доказательств точками зависимостей являются именно те, опыты в которых никогда не проводились и не будут проведены. Это точки с значениями параметров ноль и бесконечность.
На рис. 1 представлен вид гипотетической зависимости, получаемой в I - ом квадранте. Как видим, нам известны координаты точек 1 и 3. О точке 2 известно только то, что она имеет некоторую координату «х» по оси ТоТ и некоторую координату «у» по оси Q. Такая зависимость описывается следующей формулой [3]:
(? = аТотьесТ°т (1)
При условиях: с <0 и 0< Ь <1.
Значения а, Ь, с определяются после проведения испытаний и аппроксимации экспериментальных данных по формуле (1).
Аналогично получается зависимость в 1У-ом квадранте. Она будет описываться формулой:
А = а1ТотЬ1еС1Тот (2)
Значения а\, Ъ\, С1 определяются после проведения испытаний и аппроксимации экспериментальных данных по формуле (2).
Рис. 1. Реперные точки зависимости в I - ом квадранте:Ц - объем снимаемого обрабатываемого материала за время ТоТ; Тот - время работы инструмента до и между отказами
Во II - ом квадранте необходимо представить вид получаемой гипотетической зависимости между Q и Q/q. Учитывая то, что квадранты I и II связаны геометрически, можно предположить, что кривая, описывающая искомую зависимость, будет иметь вид, показанный на рис. 2. Как видим, априори нам известны координаты точек 1 и 3 (начальная и конечная точки графика), остальные лежат в поле графика.
Эта зависимость описывается следующей формулой («Декартов лист») [3]:
( + Q3 = 3а— . (3)
4 Г ч '
Зависимость в Ш-ем квадранте получается путём переноса соответствующих координат точек, полученных во П-ом и !У-ом квадрантах.
Этот комплекс номограмм позволит иметь представление как об отдельных свойствах режущего инструмента (квадранты I, II, IV), так и о показателе его технического совершенства, наиболее комплексной характеристике инструмента, получаемой на основе анализа его эффективности в Ш-ем квадранте.
13(0,0)
0 ч
Рис. 2. Реперные точки зависимости во II - ом квадранте: ц - расход режущего инструмента за время ТоТ
Критерием завершения испытания в отдельном опыте является поломка инструмента.
Серия экспериментов осуществляется на отдельном луче производительности. Это становится возможным в связи со следующим.
Объём срезаемого за время наработки на отказ припуска равен:
Я = Т0№ (4)
где: V - скорость, 5 - подача, £ - глубина резания.
Тогда, производительность обработки равна:
П = = VSt (5)
'от
Практически этот набор параметров определяется возможностями металлорежущего станка и инструмента, которые определяют сектор лучей задаваемых производительностей.
Серия экспериментов считается законченной лишь тогда, когда получено максимально возможное значение целевого параметра Q и дальнейшее варьирование входными параметрами эксплуатации не приводит к его увеличению. Данный опыт является заключительным опытом этой серии. Полученные значения параметра Q и соответствующее ему значение Тот являются координатами экспериментальной точки, расположенной на границе области возможного использования режущего инструмента в первом квадранте.
Следовательно, показатель технического совершенства определяется с использованием областей возможного использования режущего инструмента. Определение границ областей возможного использования режущего инструмента осуществляется по результатам его испытаний в лабораторных условиях.
Количество серий экспериментов (количество лучей и конкретных значений производительностей) выбирается исходя из необходимого для построения (аппроксимации экспериментальных точек уравнением кривой) линии границы возможного использования режущего инструмента в первом квадранте.
Для каждого проведенного опыта фиксируются данные о том, при каких значениях параметров условий эксплуатации режущего инструмента: V,Б, £ и так далее, какие значения выходных параметров (ТотА, ц и т.д.) получаются. Варьирование параметрами эксплуатации от опыта к опыту осуществляется в широком диапазоне при всевозможных сочетаниях их значений, но при условии, что производительность остается постоянной.
Линии границ возможного использования определяются путём аппроксимации выбранными выше зависимостями значений мод распределений, получаемых в условиях заключительных опытов каждой серии.
Далее следует отметить, что отдельные участки получаемых границ областей возможного использования, имеют как различные величины их доверительных интервалов, так и различные законы распределений получаемых значений. Данное положение представлено применительно к 1-ому квадранту на рис. 3. Как видим, имеются три такие зоны.
I - ая зона имеет наибольший разброс получаемых результатов ,Тот) и частость появления конкретных случаев подчиняется экспоненциальному закону распределения.
II - ая зона имеет несколько меньший разброс получаемых результатов , Тот) и частость появления конкретных случаев подчиняется закону распределения Вейбула.
III - ая зона имеет наименьший разброс получаемых результатов , Тот) и частость появления конкретных случаев подчиняется нормальному закону распределения.
В связи с этим величина доверительных интервалов на различных участках границы возможного использования режущего инструмента не одинакова.
Кроме этого необходимо рассмотреть ещё одну важную особенность получаемых распределений. Доверительные интервалы распределений на рис. 3 представлены по лучам различной производительности. То есть их величины не могут быть измерены ни в единицах Q ни в единицах (Тот). Поэтому для получения возможности сравнительной оценки нами было введено понятие комплексной переменной. Её величина зависит и от Q и от Тот, она равна:
к = ^о^+т^2.
На рис. 4 наглядно показано, как влияет расположение (а именно угол наклона) луча производительности на величины разброса Q и Тот и их соотношения. Этот факт говорит о чисто геометрическом преимуществе вариантов работы инструмента с малыми производительностями, с точки зрения надёжности получения определённого значения целевого параметра.
Далее следует отметить, что работа до поломки не может считаться экономичной. Поэтому в паспорте необходимо задавать условия, не допускающие поломки. Этой цели служат линии рационального использования инструмента.
Определение координат точек, расположенных на линии рационального использования продукции, осуществляется следующим образом.
Сначала в первом квадранте значение Тот, полученное на конкретном луче производительности, для экспериментальной точки, расположенной на границе области возможного использования, уменьшается на величину,
гарантирующую не наступление предельного состояния, то есть поломки режущего инструмента. Затем, исходя из величины производительности на данном луче, для уменьшенного значения Тот вычисляется значение Q. Затем определяется уравнение, описывающее линию рационального использования режущего инструмента в первом квадранте.
Линия рационального использования режущего инструмента, соответствующая линии мод распределений
Рис. 3. Область возможного использования и линия рационального использования режущего инструмента с учетом вероятностного характера полученных экспериментальных данных: ... - параметры
режимов и условий резания, соответствующие точке М(; I, II, III - зоны высокой, средней и низкой
производительности соответственно
Рис. 4. Влияние луча производительности на величину разброса @ и ТоТ при условии одинаковой величины
доверительного интервала
В четвертом квадранте построение линии рационального использования режущего инструмента осуществляется аналогичным образом. Разница заключается в том, что в данном квадранте в отличие от первого рассматриваются лучи постоянных мощностей. Причем максимальное значение работы - А, совершенной за соответствующее время наработки продукции до отказа - ТоТ, получено при тех же условиях эксплуатации (V,5, £ и т.д.), при которых за это время получено максимальное Q в первом квадранте.
Во втором квадранте построение линии рационального использования режущего инструмента осуществляется по следующим правилам. Для тех же условий эксплуатации (V, 5, £ и т.д.), которые определены для точек линии рационального использования в первом квадранте, берутся те же значения Q. Значение выходного параметра ц, полученное при определении границ возможного использования, с доведением режущего инструмента до поломки, должно быть скорректировано. Коррекция осуществляется в сторону уменьшения расхода инструмента за время -ТоТ, исходя из того, что период наработки на отказ для точки, лежащей на линии рационального использования меньше, чем для точки, лежащей на границе области возможного использования. Это априори гарантирует эксплуатацию режущего инструмента с отказами, приводящими лишь к нарушению его работоспособного состояния, позволяющего его ремонт и восстановление.
В третьем квадранте построение линии рационального использования осуществляется путем проецирования соответствующих точек из второго и четвертого квадрантов.
По области, ограниченной линией рационального использования в Ш-ем квадранте (см. рис. 5), осуществляется оценка технического совершенства инструмента.
Показатель технического совершенства режущего инструмента определяется по следующей формуле:
%тс = % 0,5вЯ(в)ав (6)
где R = ^ - величина радиуса отвечает за размер области, который в свою очередь говорит об универсальности
продукции; агдЬд-^р = в = 9 - этот угол является, как бы весомостью, придаваемой радиусу и говорящей об эффективности работы на этом радиусе.
Соответственно, показатель технического совершенства режущего инструмента будет тем лучше, чем будет больше его величина.
Для потребителя в паспорте инструмента даются характеристики и визуализируются номограммы, соответствующие линиям рационального использования инструмента. В случае задания нулевой величины доверительного интервала линии рационального использования будут соответствовать линиям мод распределений.
в III-ем квадранте
çt
Рис. 6. Области рационального использования режущего инструмента: ТоТ - время работы инструмента до и между отказами; Тв - время восстановления режущих свойств инструмента; Т^ - временной ресурс работы инструмента; Q - объем снимаемого обрабатываемого материала за время ТоТ; А - работа, совершаемая инструментом за время ТоТ;; q - расход режущего инструмента за время ТоТт;
П - производительность резания; N - мощность резания
Необходимо сказать, что круг интересов тех, кто эксплуатирует режущий инструмент, конечно, не ограничивается периодом работы инструмента до и между отказами. Эксплуатационников также интересуют затраты на восстановление режущих свойств инструмента и величина его ресурса. На рис. 6 показаны варианты получения областей рационального использования: с учетом работы режущего инструмента до и между отказами (область, ограниченная сплошной линией), с учетом затрат на однократное восстановление режущих свойств инструмента (область, ограниченная пунктирной линией) и с рассмотрением работы инструмента и затрат на весь ресурс его работы (область, ограниченная штрихпунктирной линией).
Настоящее исследование бъто проведено в связи с доведением РТУ МИРЭА Государственного задания № 075-00701-24-07 от 03.04.2024г. и заключением дополнительного соглашения к Соглашению о предоставлении субсидий из федерального бюджета на финансовое обеспечение выполнения государственных заданий по обеспечению государственных услуг (выполнения работ) от 05.04.2024г. №075-03-2024-077/8 по теме "Исследование методов пассивации воздействия в процессах технических обработок и эксплуатации" (шифр "Наука").
Список литературы
1. Албагачиев А.Ю., Пухальский В.А., Забельян Д.М. Комплексная оценка потребительских свойств машиностроительной продукции // Вестник машиностроения. 2024. №6. С. 525 - 528.
2. Пухальский В.А. Оценка качества и жизненный цикл продукции // Стандарты и качество. 2019. №9. С.
100 - 104.
3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1967. 608 с.
4. Как цифровые двойники помогают российской промышленности. [Электронный ресурс] URL: https://rb.ru/longread/digital-twin (дата обращения: 07.05.2022).
5. Создание и внедрение цифровых двойников. [Электронный ресурс] URL: https://www. anylo gic.ru/features/digital-twin (дата обращения: 08.05.2022).
6. Azure Digital Twins. [Электронный ресурс] URL: https://azure.microsoft.com/ru-ru/services/digital-twins/#security (дата обращения: 18.05.2022).
7. Bao Q. Ontology-based modeling of part digital twin oriented to assembly // Proceedings of thelnstitution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2020. P. 1 - 13.122
8. Barricelli B.R., Casiraghi E., Fogli D. Department of Information Engineering, Universita degli Studi di Brescia, Brescia, Italy A Survey on Digital Twin: Definitions, Characteristics, Applications, and Design Implications // IEEE Access. 2019. (Vol. 7) P. 167653 - 167671.
10. Qi Q. Digital Twin and Big Data Towards Smart Manufacturing and Industry 4.0: 360 Degree Comparison // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 3585 - 3593.
Албагачиев Али Юсупович, д-р техн. наук, профессор, заведующий отделом, albagachiev@ya. ru, Россия, Москва, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук,
Ерофеев Михаил Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заместитель директора по научной работе, [email protected]. Россия, Москва, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук,
Пухальский Владимир Альфредович, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Москва, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук,
Сидоров Иван Михайлович, канд. техн. наук, начальник отдела, [email protected], Россия, Москва, МИРЭА - Российский технологический университет
DIGITAL DOUBLE OF THE PASSPORT CHARACTERISTICS OF ENGINEERING PRODUCTS A.Yu. Albagachiev, M.N. Yerofeev, V.A. Pukhalsky, I.M. Sidorov
The issue of developing a digital twin of machine-building products reflecting its passport characteristics is considered. The main consumer properties of the products are presented on the example of a cutting tool.
Key words: machine-building products, passport characteristics, digital double, cutting tool, evaluation parameters.
Albagachiev Ali Yusupovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, albagachiev@ya. ru, Russia, Moscow, A.A. Blagonravov Institute ofMechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences.
Erofeev Mikhail Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, deputy. director of scientific work, erofeevmn@imash. ru, Russia, Moscow, A.A. Blagonravov Institute of Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences,
Pukhal'skiy Vladimir Alfredovich, candidate of technical sciences, puhalya@mail. ru, Russia, Moscow, A.A. Blagonravov Institute of Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences,
Sidorov Ivan Mikhailovich, candidate of technical sciences, head of department, ivan.sidorov0120@yandex. ru, Russia, Moscow, MIREA - Russian University of Technolog
УДК 004.413
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-10-115-116
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ЦИФРОВИЗАЦИИ В АВТОСБОРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
И.А. Беляева
В работе представлены результаты анализа наиболее актуальных проблем обеспечения эффективной информатизации и цифровизации в условиях автосборочного производства. Предложены направления улучшения рассматриваемых процессов.
Ключевые слова: конкурентоспособность; качество; автосборочное производство; информатизация; цифровизация.
Проблема ускорения разработки и внедрения инструментов информатизации и цифровизации в процессе проектирования новых автомобилей также как и все выделенные ранее обладает свойство системности [1, 2]. С одной стороны (рисунок 1) мы видим что своевременное создание и внедрение инструментов цифрового моделирования продукции в текущую практику проектирования автомобилей, значительно повышает качество протекания рассматриваемого процесса [3, 4]. С другой стороны трудно признать что достигнутые, на наших предприятиях, в настоящее время темпы разработки соответствующего программного обеспечения достаточны для формирования продукта имеющего самые высокие показатели конкурентоспособности [5, 6]. Решение обозначенной проблемы находится в плоскости интенсификации процессов разработки необходимых программных комплексов и информа-
115
