CC BY
13
УДК 630*323:62-519:004.896
Хвойные бореальной зоны. 2020. Т. XXXVIII, № 3-4. С. 183-188
ИМИТАЦИОННОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
Д. В. Черник, Р. В. Казанцев
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: dionisu2@mail.ru
Четвертая промышленная революция, или «Индустрия 4.0» - концепция технологического развития, предполагающая внедрение интеллектуальных компьютерных систем в машины и механизмы с целью увеличения эффективности технологических процессов, повышения уровня безопасности, а также их частичной и полной автоматизации. Основой данной концепции является применение современных компьютерных алгоритмов и систем искусственного интеллекта, использование больших вычислительных мощностей вкупе с обработкой больших объемов данных (BigData), а также применение аддитивных технологий (ЗБ-печать) в производстве машин и механизмов. Технологии «Интернета Вещей» (Internet of Things) являются одним из главных принципов «Индустрии 4.0»: благодаря умному взаимодействию большого количества машин, которые объединены в одну компьютерную сеть, стало возможно осуществлять постоянный обмен различными данными между ними. Это дало возможность производить централизованные вычисления, результаты которых позволяют выйти на принципиально новый уровень производства, полностью автоматизировав многие технологические процессы, а также повысить их эффективность и безопасность. В настоящее время происходит активное внедрение технологий «Индустрии 4.0» в различных отраслях промышленности. Одной из перспективных задач является создание готовых решений по использованию данных технологий в машинах лесозаготовительной промышленности.
В данной работе рассмотрен процесс создания имитационной физической модели лесозаготовительной машины с применением технологий «Индустрии 4.0». Приведены обоснования для выбора всех конструктивных узлов модели, рассмотрен метод создания модели, включающий этапы проектирования, расчетов, компоновки, макетирования, программирования и изготовления. По результатам опытных исследований алгоритмов управления на модели сделаны выводы о возможности применения данных систем в полноразмерных лесозаготовительных машинах.
Ключевые слова: физическое моделирование, дистанционное управление, робототехника, харвестер, лесная промышленность.
Conifers of the boreal area. 2020, Vol. XXXVIII, No. 3-4, P. 183-188 IMITATIONAL PHYSICAL MODELING OF A UNIVERSAL FORESTRY MACHINE
D. V. Chernik, R. V. Kazantsev
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dionisu2@mail.ru
The Fourth Industrial Revolution, or "Industry 4.0", is a concept of technological development, which involves the introduction of intelligent computer systems in machines and mechanisms in order to increase the efficiency of technological processes, increase the level of safety, as well as their partial and complete automation. The basis of this concept is the use of modern computer algorithms and artificial intelligence systems, the use of large computing power, coupled with the processing of large amounts of data (BigData), as well as the use of additive technologies (3D printing) in the production of machines and mechanisms. Internet of Things technologies are one of the main principles of Industry 4.0: thanks to the smart interaction of a large number of machines that are combined into one computer network, it has become possible to constantly exchange various data between them. This made it possible to perform centralized calculations, the results of which allow reaching a fundamentally new level ofproduction, fully automating many technological processes, as well as increasing their efficiency and safety. Currently, there is an active implementation of Industry 4.0 technologies in various industries. One of the promising tasks is the creation of ready-made solutions for the use of these technologies in machines of the logging industry.
In this paper, we consider the process of creating a simulation physical model of a forestry machine using Industry 4.0 technologies. The rationale for the selection of all structural components of the model is given, a method for
creating a model is considered, which includes the stages of design, calculation, layout, prototyping, programming and manufacturing. Based on the results of pilot studies of control algorithms on the model, conclusions are drawn about the possibility of using these systems in full-size forestry machines.
Keywords: physical modeling, remote control, robotics, han'ester, forestry.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных направлений применения технологий «Индустрии 4.0» в общем машиностроении является создание автоматизированных и роботизированных машин и механизмов. В частности, следует уделить внимание машинам лесозаготовительной отрасли, от эффективности работы которых напрямую зависит качество и себестоимость получаемого сырья. Поскольку наша страна занимает лидирующие позиции по площади лесов (22 % мировых запасов) [1], а также сталкивается с проблемой обилия перестойных лесонасаждений, особенно актуальным становится вопрос по их эффективному использованию.
Известно, что до 70 % лесозаготовительных предприятий в нашей стране являются малыми, имея при этом объем заготовок, не превышающий 10 тыс. м3 в год [2]. В таких условиях использование современных комплексов машин для работы по сортиментной технологии является убыточным ввиду их высокой стоимости. Помимо этого, при использовании минимального количества машин в парке предприятия (1 харве-стер + 1 форвардер), наблюдается сильная неравномерность коэффициента полезного использования за счет разности производительностей машин. Данный факт только усугубляет без того невысокую производительность работ. Оптимальным решением данной проблемы является создание универсальной машины, которая бы выполняла полный цикл работ на лесосеке, заготавливая и транспортируя сортименты на лесозаготовительный склад для дальнейшей поставки потребителю.
Таковым решением является универсальная лесозаготовительная машина (рис. 1), спроектированная студентами на базе СКВ «Инженерная школа» под руководством доцента кафедры технологий и машин природообустройства Д. В. Черника и при поддержке Красноярского краевого фонда поддержки научной и
научно-технической деятельности. Данная машина представляет собой: базовую машину - харвестер «Амкодор-2541», дополнительное оборудование в виде съемного лесовозного полуприцепа, сменной харвестерной головки и грейферного захвата.
Данная машина представляет интерес в качестве базы для внедрения компьютерных технологий, а именно системы дистанционного управления. Применение данных систем позволит повысить безопасность рабочего персонала и снизить требования к его квалификации за счет возможности комфортной удаленной работы. Также с дальнейшим ростом возможностей систем искусственного интеллекта предполагается полная автоматизация лесосечных работ, и первым этапом на этом пути является создание машины с дистанционным управлением.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследования эксплуатационных характеристик предлагаемой системы управления наиболее целесообразно осуществить имитационное моделирование, в ходе которого сформируется наглядное представление о процессах, происходящих при дистанционном управлении машиной. Исследование особенностей поведения машины на натуральном образце является затруднительным в силу высокой трудоемкости и стоимости переоборудования, а также его нецелесообразности ввиду потребности в предварительном макетном исследовании.
Создание имитационной модели в выбранном масштабе позволяет произвести гибкую настройку параметров управления в процессе создания его алгоритма, а также его оперативную отладку. К тому же результат внесенных в алгоритм изменений можно наглядно наблюдать на имитационной модели в ходе ее работы, т. е. имитации рабочего цикла лесозаготовительной машины.
Рис. 1. Общий вид универсальной лесозаготовительной машины
Для создания имитационной модели данной машины был предпринят ряд мероприятий. Первым этапом в создании физической модели является разработка компьютерной ЗБ-модели в натуральном масштабе. При помощи изучения доступных чертежей и фотографий машины и дополнительного оборудования, была создана компьютерная модель машины средствами САПР КОМПАС-ЗБ.
После разработки компьютерной ЗБ-модели следует определиться с масштабом физической модели, технологией ее изготовления и способами реализации требуемых функций. В частности, для данной модели был определен масштаб 1:20 для обеспечения возможности размещения электронных компонентов в корпусе машины. В качестве метода изготовления была выбрана ЗБ-печать, поскольку данный метод является доступным способом получения высокопрочных деталей широкой конфигурации, легко поддающихся механической обработке. Материалами для изготовления послужил ABS-пластик для корпусных деталей и термоэластопласт (ТЭП) для покрышек.
Для обеспечения имитации рабочего цикла машины необходимо оснастить ее модель рядом компонентов, которые позволят совершать функциональное подобие рабочих операций, производимых полноразмерным лесозаготовительным комбайном. С этой целью при проектировании модели были применены сервоприводы (электродвигатели с обратной связью по углу поворота) для приведения в движение манипулятора машины, а также электродвигатели постоянного тока (мотор-редукторы) для приведения машины в движение. В качестве устройства управления данным оборудованием был выбран микроконтроллер на базе микросхемы ESP8266. К его преимуществам относительно аналогов можно отнести удобство программирования при помощи компьютерного интерфейса, а также наличие встроенного модуля для беспроводной передачи данных по стандарту Wi-Fi.
Для дистанционного управления микроконтроллером, расположенном на модели, было применено программное обеспечение «Blynk» [3] - платформа для удаленного управления устройствами согласно концепции IoT (Internet of Tilings, интернет вещей), которая является одной из ведущих в концепции четвер-
той промышленной революции. Данное программное обеспечение позволяет осуществлять удаленное управление при помощи современных цифровых устройств (смартфонов, компьютеров), позволяет гибко настраивать интерфейс непосредственно с устройства управления, не прибегая к перепрограммированию микроконтроллера. Функциональная схема взаимодействия компонентов системы дистанционного управления представлена на рис. 2.
Для того чтобы удостовериться в соответствии выбранных сервоприводов действующим нагрузкам, необходимо произвести расчет моментов сервоприводов наиболее нагруженных элементов манипулятора -стрелы и рукояти. Для проведения расчета была составлена кинематическая схема (рис. 3) манипулятора масштабной модели. На данной схеме G, - вес соответствующего звена манипулятора; L, - расстояние от базовой точки до центра масс соответствующего звена; Т - сила натяжения троса сервопривода рукояти, кг; Р - эквивалентная сила, приложенная к рукояти, кг.
Сервопривод стрелы передает вращающий момент через зубчатую передачу с передаточным отношением 1:2. Расчет момента, приложенного к валу сервопривода, произведен по методике [4]. Действующее значение момента без учета сил трения составило Мс = 7,85 кг хм, что не превышает максимального вращающего момента сервопривода Мтах = 11,5 кг'см. В случае с сервоприводом рукояти усилие передается через тяговый тросик, который накручивается на шкив с радиусом R, расположенный на валу сервопривода. Для определения натяжения троса был рассмотрен шарнирный узел манипулятора в статическом состоянии, а затем произведен расчет по методикам [5]. В результате расчета было получено значение силы натяжения троса Т = 3,8 кг, уравновешивающего данную конструкцию в поднятом положении с захваченным грузом. Радиус шкива на валу сервопривода был принят 1,6 см для обеспечения полного рабочего хода штока рукояти (50 мм) за 180° поворота вала сервопривода. Таким образом, действующее значение момента, приложенного к сервоприводу рукояти составило Мр = 3,8 • 1,6 = 6,08 кг-см, что не превышает максимального вращающего момента сервопривода Мтах.
Рис. 2. Функциональная схема взаимодействия компонентов
С целью определения емкости элементов питания, достаточной для обеспечения всех компонентов машины энергией на протяжении времени, достаточного для проведения испытаний, было произведено определение величин потребляемого компонентами тока в различных режимах работы. Сводные результаты представлены в таблице.
После определения величин тока всех потребителей производится расчет среднего значения силы тока, потребляемого всеми электронными компонентами машины по формуле (1) [6]. Эмпирические численные коэффициенты в множителе отражают длительность того или иного режима работы оборудования.
'ср = {hia У • 0-1 + /моп • о, 05 + 1мао • 0 д) • пма +
san
•0.05+W0.1 х
xnsa + {híP • 0,3 + IM0 ■ +IL +IP +IE = 1918,5 мА, (1)
где I - средняя величина потребляемого моделью
тока в нормальном режиме работы, мА; - сила
тока, потребляемого i-м элементом в А-м режиме работы, мА; n¡ - количество ;'-х компонентов, установленных в модели.
Величины потребляемого тока в различных режимах работы
Условное обозначение Наименование оборудования Количество, шт. Рабочий режим Потребление тока, тА
A/Gy Удержание 2200
MGn Сервопривод М0996Я 2 Перемещение 700
MG0 Ожидание 200
SGy Удержание 900
SG„ Сервопривод Б090 3 Перемещение 400
SG0 Ожидание 50
A/p Мотор-редуктор 1:48 2 Работа 670
A/o Ожидание 70
L Драйвер двигателей на микросхеме Ь298Ы 1 Ожидание 36
P Плата расширения ШИМ-выводов на микросхеме РСА9685 1 Работа 10
E Микроконтроллер ЕБР8266 1 Работа, ШьРьподключение установлено 65
В качестве элемента питания модели был подобран литиевый аккумулятор с номинальным напряжением 7.2 В и емкостью 2 600 мА-ч. Поскольку в данной модели используется понижающий ОС-ОС преобразователь для обеспечения всех элементов стабильным питанием при напряжении 5.1 В, следует уточнить фактическое значение емкости аккумулятора при имеющейся конфигурации оборудования. Произведем расчет по формуле (2):
0 = 0, 7,2
Г'
ном _
НОМ т - 1ст
I'
■-2 600- —-0,96 = 3 523,8 мАхЧ, 5,1
(2)
где О - фактическое значение емкости аккумулятора, мА-ч; (9Н0М - номинальное значение емкости аккумулятора, мА-ч; Р'ном - номинальное напряжение аккумулятора, В; Г'ст - стабилизированное напряжение аккумулятора, В; г|ст - КПД понижающего преобразователя (для ОС-ОС-преобразователя ХЬ4015 г|ст =0,96).
Из полученных данных можно сделать вывод, что фактическая емкость аккумулятора обеспечит питание всех электронных компонентов машины при среднем потреблении тока на протяжении 1,8 часа, что является приемлемым показателем для проведения требуемых испытаний.
Удостоверившись, что выбранные электронные компоненты соответствуют предъявляемым требованиям, осуществляется их макетирование по заранее созданной электрической принципиальной схеме (рис. 4), отражающей связи между электронными компонен-
тами. Одновременно выполняется первоначальное программирование микроконтроллера и устройства управления по упрощенному алгоритму для проверки работоспособности компонентов.
Следующим этапом разработки имитационной физической модели является адаптация ранее созданной компьютерной модели машины для ЗО-печати. Она заключается в дифференциации модели на отдельные детали, ее упрощении для последующей печати, компоновке внутрикорпусных элементов машины, создании различных крепежных и позиционных отверстий. Конструирование взаимного соединения деталей необходимо выполнить таким образом, чтобы обеспечить удобство разборки модели для возможной замены вышедших из строя или требующих обслуживания компонентов. По результатам данного этапа формируется сводная таблица, содержащая сведения о номенклатуре и количестве изготавливаемых деталей, а также их цвете и материале изготовления.
После формирования окончательного перечня деталей, подлежащих печати, производится операция слайсинга - послойной визуализации процесса печати и создания управляющего кода для ЗО-принтера при помощи специального программного обеспечения. На данном этапе выявляются все недостатки конструкции деталей, связанные с неоптимальным расположением ее элементов, что может привести к образованию дефектов во время печати или к перерасходу материалов. После окончательного уточнения всех геометрических характеристик ЗО-моделей деталей, производится их печать и сборка совместно с внутри-корпусными элементами.
Рис. 4. Схема электрическая принципиальная
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенной работы была получена физическая модель универсальной лесозаготовительной машины с дистанционным управлением. Ее использование позволяет производить испытание разрабатываемых алгоритмов дистанционного управления, а также оперативно выявлять недостатки и преимущества данных алгоритмов путем имитации рабочего цикла машины на лесосеке.
В ходе испытания созданных алгоритмов управления на физической модели было определено, что конструкция спроектированной лесозаготовительной машины отвечает требуемому функционалу. Универсальная лесозаготовительная машина, оснащенная съемным технологическим оборудованием и полуприцепом, в полной мере позволяет произвести работы по заготовке леса и его транспортировке, тем самым заменяя одновременно две машины: харвестер и форвардер. Испытания, проведенные на физической модели, подтвердили возможность полноценного дистанционного управления данной машиной, а также целесообразность разработки комплекса дистанционного управления для лесозаготовительных машин и его последующего применения (рис. 5).
Рис. 5. Физическая модель в процессе погрузки сортиментов
Среди недостатков полученной конструкции в ходе испытаний выявлено следующее. В режиме движения задним ходом обнаружены трудности с контролем поворачиваемости машины с установленным полуприцепом. В связи с этим требуется дальнейшее усовершенствование конструкции путем создания устройства для контроля поворота полуприцепа. Эта необходимость обусловлена потребностью в обеспечении высокой проходимости и маневренности машины при транспортировке заготовленных сортиментов во время движения задним ходом. Недостаточная управляемость груженого сортиментами полуприцепа повышает риск опрокидывания машины, а также поломки тягово-сцепного устройства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанная и изготовленная физическая модель лесозаготовительной машины позволяет осуществлять
имитацию рабочего цикла заготовки леса с целью исследования данного процесса при внесении изменений в конструкцию машины, а также наглядного тестирования алгоритмов дистанционного управления. В ее изготовлении были применены технологии аддитивной печати, реализовано удаленное управление согласно концепции «Интернета Вещей». По результатам проведенных испытаний алгоритмов и технологий управления моделью можно сказать, что внедрение таких систем в полноразмерные лесозаготовительные машины является возможным уже на данном этапе технологического развития, а их последующее совершенствование приведет к полной автоматизации процессов заготовки леса исключая необходимость непосредственного участия человека в технологическом процессе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Ежегодник лесной продукции ФАО 2017. Официальный сайт Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций [Электронный ресурс]. URL: http://www.fao.org/3/ca5703m/ ca5703m.pdf (дата обращения: 20.09.2019).
2. Ширнин Ю. А., Пошарников Ф. В. Технология и оборудование малообъемных лесозаготовок и лесо-восстановление : учеб. пособие. Йошкар-Ола : МарГТУ, 2016.398 с.
3. BlynkloT platform [Электронный ресурс]. URL: https://blynk.io (дата обращения: 20.09.2019).
4. Колесников П. Г., Моисеев Г. Д. Расчет устойчивости лесной машины // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2017. № 50. С. 11-13.
5. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики : учеб. для втузов. М. : Высш. шк„ 1986. 416 с.
6. Бессонов Л. А Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М. : Высш. шк„ 1996. 640 с.
REFERENCES
1. Ezhegodnik lesnoy produktsii FAO 2017. Ofitsial'nyy sayt Prodovol'stvennoy i sel'skokhozyayst-vennoy organizatsii Ob'yedinennykhNatsiy [Elektronnyy resurs]. URL: http://www.fao.Org/3/ca5703in/ca5703m.pdf (data obrashcheniya: 20.09.2019).
2. Shirnin Yu. A., Posharnikov F. V. Tekhnologiya i oboradovaniye maloob'yemnykh lesozagotovok i leso-vosstanovleniye : ucheb. posobiye. Yoshkar-Ola : MarGTU, 2016. 398 s. '
3. BlynkloT platform [Elektronnyy resurs]. URL: https://blynk.io (data obrashcheniya: 20.09.2019).
4. Kolesnikov P. G., Moiseyev G. D. Raschet ustoy-chivosti lesnoy mashiny // Aktual'nyye problemy lesnogo kompleksa. 2017, № 50, S. 11-13.
5. Targ S. M. Kratkiy kurs teoreticheskoy mekhaniki: ucheb. dlya vtuzov. Moskva, Vyssh. shk., 1986. 416 s.
6. Bessonov L. A Teoreticheskiye osnovy elektro-tekliniki. Elektricheskiye tsepi. M.: Vyssh. shk., 1996. 640 s.
О Черник Д. В., Казанцев Р. В., 2020
Поступила в редакцию 22.01.2020 Принята к печати 05.10.2020
