CC BY
13
3. ГОСТ 2590-2006. Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент. М.: Стан-дартинформ, 2008. 7 с.
4. ГОСТ 7417-75. Сталь калиброванная круглая. Сортамент. М.: Изд-во стандартов, 2003. 5 с.
5. Косилова А.Г., Мещеряков М.А., Калинин Р.К. Точность обработки, заготовки и припуски в машиностроении: справочник технолога. М.: Машиностроение, 1976. 288 с.
6. Справочник технолога-машиностроителя: В 2 т. Т.1 / А.М. Дальский [и др.]; Под ред.: А.М. Дальского [и др.]. М: Машиностроение-1, 2001. 912 с.
7. Горбацевич А.Ф., Шкред В.А. Курсовое проектирование по технологии машиностроения: учеб. пособие для вузов. М.: ООО ИД «Альянс», 2007. 256 с.
Бобков Михаил Николаевич, д-р техн. наук, профессор, dotdash2080@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бочкова Дина Евгеньевна, канд. техн. наук, доцент, bochkovade@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CALCULATION OF THE CURVATURE OF A ROLLED BILLET WHEN IT IS CANTILEVERED IN THE
CHUCK
M.N. Bobkov, D.E. Bochkova
One of the components of the allowance for machining of the workpiece, taking into account the spatial geometric deviations of the surface of the workpiece, is its curvature. It is shown that a number of literary sources for calculating the curvature of the workpiece during its cantilever installation in the chuck present dependences that give significant differences in the results of calculations. A formula for the exact determination of the curvature of the workpiece during its cantilever installation is proposed.
Key words: workpiece blank, machining allowance, allowance components, workpiece curvature.
Bobkov Mikhail Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, dotdash2080@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Bochkova Dina Evgenevna, candidate of technical sciences, docent, bochkovade@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.981.12
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-365-372
РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ПРЕССА ДЛЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Д.И. Воробьев, А.О. Кузин, Я.А. Ерисов
В данной статье рассматривается методика создания цифрового двойника кривошипного пресса для кузнечно-штамповочного производства. По разработанной методике получена детализированная 3D модель кривошипного пресса, которая наглядно демонстрирует кинематику движения всех рабочих элементов. В программном продукте Blender выполнена анимация работы кривошипного пресса с учетом инверсной кинематики и ограничений движения всех кинематических пар. С помощью программного обеспечения для компьютерных игр Unreal Engine 4 спроектировано виртуальное пространство, которое имитирует рабочее пространство цеха, а также, используя визуальный скриптинг через Blueprints, определена логика взаимодействия игрового персонажа обучающегося с объектами в виртуальном пространстве. Написана программа запуска анимации работы кузнечно-штамповочного оборудования в режиме одиночного хода по нажатию на кнопку запуска. По результатам работы сделаны выводы, что применение виртуальных тренажеров кузнечно-штамповочного оборудования, которые сохраняют наглядность реального образца, а также полностью имитировать его работу, могут способствовать повышению качества процесса обучения сотрудников на производстве, а также студентов образовательных организаций, и снизить показатели травматизма, возникающие в процессе обучения.
Ключевые слова: кривошипный пресс; виртуальная реальность, 3D моделирование, цифровой двойник, программирование, анимация.
На сегодняшний день в нашей стране успешно функционирует более 3850 предприятий и учебных заведений, которые реализуют или изучают процессы обработки металлов давлением (ОМД) [1]. Для реализации большинства технологических процессов ОМД применяется сложное и
365
крупногабаритное оборудование, которое в большинстве случаев является автоматизированным [2]. Сложное кузнечно-штамповочное оборудование, содержащее большое количество подвижных элементов и электронных компонентов, для успешной работы требует подготовки высококвалифицированных кадров. Тезисно можно выделить современные проблемы обучения в отрасли ОМД:
для выполнения основных технологических процессов обработки металлов давлением требуется применение сложного оборудования;
тенденция последних лет идет на увеличение производственных травм во время обучения;
при обучении идет простой и износ дорогостоящего оборудования, что ведёт к экономическим убыткам предприятия;
специализированное оборудование имеет высокую стоимость и большие габаритные размеры, что не могут позволить себе учебные заведения [3-4];
особенной проблемой является изучение основ автоматизации производства.
Современная промышленность, в частности кузнечно-штамповочное производство, характеризуется высокой степенью автоматизации, когда производственное оборудование объединяется в автоматизированные комплексы и автоматические центры [5, 6]. Обучение сотрудников и студентов основам автоматизации производства является сложной задачей, особенно в условиях трудности реализации наглядности обучения, так как не все учебные заведения способны разместить в своих стенах автоматизированные линии.
В настоящее время во время обучения сотрудников и студентов работе на кузнечно-штамповочном оборудовании происходит большое количество травм разной степени тяжести. В области ОМД основные показатели травматизма, такие как коэффициент частоты и коэффициент тяжести в 1,53,0 раза превышают общезаводские для других направлений производства [7]. Основной причиной высокого травматизма является недостаточный опыт работы сотрудников на производственном оборудовании, а также несоблюдение техники безопасности на рабочем месте. Серьезную роль в повышении травматизма играет отсутствие у студентов учебных организаций достаточных практических знаний и навыков, которые необходимы для работы на кузнечно-штамповочном оборудовании. Исследование производственного травматизма в кузнечно-штамповочных цехах показало, что основное количество производственных травм приходится на людей со стажем работы от 1 до 6 месяцев (42%) и с увеличением стажа снижается. Распределение пострадавших при производственных травмах по возрасту показало, что наиболее подверженной риску получения травмы является группа работников или студентов с 18 до 30 лет, а также работники старше 40 лет [8].
Перечисленные выше проблемы напрямую связанны с недостаточными практическими навыками сотрудников и студентов, которые они получают во время обучения работе на кузнечно-штамповочном оборудовании и свидетельствуют о сложности процесса обучения в области ОМД.
Решить данную проблему возможно путем создания цифрового двойника реального оборудования и создания на его основе виртуального тренажера. Цифровой двойник - это виртуальная копия физического объекта или системы. В случае кривошипного пресса цифровой двойник можно использовать для имитации работы пресса, прогнозирования потенциальных проблем и оптимизации производительности. Предполагается что созданная в виртуальной реальности модель кривошипного пресса будет использоваться при обучении студентов и новых сотрудников и будет соответствовать всем размерам и стандартам настоящего пресса. В процессе обучения будет сохранена наглядность за счет точного совпадения с реальным образцом оборудования, а также минимизирован риск получения травм за счет применения технологий виртуальной реальности [9, 10].
Методика создания цифрового двойника кривошипного пресса. Для создания цифрового двойника был выбран кривошипный ненаклоняемый пресс КД 2130 усилием 100 т.
Для того чтобы создать цифровой двойник кривошипного пресса необходимо провести исследование физического прототипа, создать его детальную модель, воспроизвести все процессы и характеристики, а затем провести тестирование основных процессов работы на цифровом двойнике. После этого можно будет проводить виртуальные испытания.
Первым этапом для создания точного цифрового двойника является сбор данных с физической модели кривошипного пресса. Эти данные включают в себя информацию о механических компонентах, датчиках и системах управления пресса.
Вторым этапом создания цифрового двойника кривошипного пресса является подготовка детализированной 3D модели, включающей все рабочие механизмы оборудования. Чем больше виртуальная модель будет похожа на реальный прототип, тем лучше будет визуальный отклик от виртуального тренажера в процессе обучения.
Третьим этапом разработки цифрового двойника пресса является моделирование, а именно создание анимации его работы. Особое внимание в процессе создания анимации отводится отображению правильного перемещения всех элементов пресса относительно друг друга исходя из кинематической схемы оборудования.
Четвертым этапом разработки является проверка и сравнение смоделированного поведения цифрового двойника с фактическими данными, полученными от физического пресса, чтобы проверить точность модели.
Пятый этап включает в себя оптимизацию производительности. После проверки модели, ее можно использовать для оптимизации производительности пресса. Это может включать регулировку синхронизации механических компонентов, настройку систем управления или выявление потенциальных проблем до их возникновения.
Шестым этапом разработки цифрового двойника пресса является создание виртуального пространства. Цифровой двойник в виртуальной реальности позволяет людям взаимодействовать с моделью, обсуждать и управлять изменениями, поэтому детальная проработка виртуального пространства необходима для полного погружения в процесс обучения. Виртуальное пространство должно максимально точно повторять рабочее место специалиста или учебную лабораторию.
Заключительным этапом создания цифрового двойника кривошипного пресса является добавление в виртуальном пространстве логики взаимодействия обучающегося с виртуальной средой, что позволяет сделать двойник интерактивным.
Результаты и их обсуждение. На первом и втором этапе создания цифрового двойника, после анализа данных, создана детализированная модель кривошипного пресса (рис. 1). Для полной визуальной идентичности 3D модели необходимо выполнять построение всех сборочных элементов в масштабе 1:1 с реальным образцом оборудования.
Рис. 1. 3D модель пресса КД 2130
Важной особенностью цифрового двойника кузнечно-штамповочного оборудования является отображение на модели всех движущихся рабочих элементов. Для понимания работы пресса необходимо точно передать кинематику его работы и передать точную компоновку внутренних рабочих элементов пресса. Каждый образец промышленного оборудования является уникальным, имеющим только ему присущие детали, принцип работы и конструктивные особенности, которые обязательно необходимо отразить в виртуальном двойнике. В работе было выполнено построение 3D модели всех кинематических элементов пресса (рис. 1) для дальнейшего создания анимации работы пресса.
Важнейшим этапом разработки цифрового двойника пресса является создание анимации его работы. Для создания анимации использовался программный продукт Blender, так как он позволяет ани-мировать не только простое перемещение объектов в пространстве, а также изменение их формы, циклическое движение, перемещение по траектории. Исходными данными для создания анимации движения рабочих элементов пресса выступают основные технические данные пресса: величина рабочего хода ползуна равна 130 мм, количество рабочих ходов пресса в минуту в одиночном режиме составляет 45 1/мин, радиус кривошипа равен 65 мм, передаточное отношение зубчатой цилиндрической передачи составляет 3.
Далее показано моделирование работы кривошипного пресса без деформирующего инструмента. Вначале определялось время хода ползуна пресса Тпол по формуле:
Тп0л= ^=1,33 ,
где ппр - количество рабочих ходов пресса в минуту в одиночном режиме. Исходя из времени хода ползуна пресса и передаточного отношения зубчатой передачи были определены угловые скорости вращения эксцентрикового вала равная 270,68 градус/с и маховика пресса равная 812,04 градус/с.
Для более подробного анализа и оптимизации процесса при анимации построена циклограмма работы пресса (рис. 2). Циклограмма кривошипного пресса включает в себя информацию о графике зависимости нагрузки от времени в течение одного цикла работы пресса, описание работы пресса в цикле, данные о скорости движения кривошипа в течение каждого этапа работы пресса, данные о времени, затрачиваемом на каждый этап работы пресса.
Построение анимации происходит путем добавления «Ключевых кадров» на временном участке Timeline. Для этого каждый подвижный элемент пресса поочередно выделяется и добавляется ключевой кадр его положения в пространстве. Затем используя функции Location, Rotation, Scale или их комбинации на новом кадре по временной шкале производится перемещение всех кинематических пар. Важ-
ной особенностью создания анимации работы пресса является добавления инверсной кинематики - ограничений движения рабочих элементов. Было добавлено ограничение перемещения ползуна пресса по осям X и Y, но сохранена возможность перемещения по вертикальной оси 2. Для зубчатой передачи и маховика было заблокировано вращение относительно осей X и 2, но сохранена возможность вращения относительно оси Y. В результате была построена анимация работы кривошипного пресса (рис. 3).
Холостой ход ползуна Вниз Холостой ход ползуна йда Рис. 2. Циклограмма работы кривошипного пресса КД2130 без получения конечного изделия
Рис. 3. Ключевые кадры анимации работы основных рабочих элементов кривошипного пресса
в программном продукте Blender
Для проектирования виртуального пространства применялось программное обеспечение для компьютерных игр Unreal Engine 4. Unreal Engine 4 - это программный продукт для разработки приложений и тренажеров с широким спектром возможностей и простым в освоении набором инструментов дли их создания [11, 12].
Для создания виртуального пространства цеха на панель ассетов в меню Content Browser были импортированы 3D модели цеха и внутреннего интерьера, а также 3D модель анимированного ранее кривошипного пресса. Ассеты - это компоненты, которые представляют собой уже готовое решение, в данном случае созданное нами на предыдущем этапе. Все объекты поочередно были добавлены на сцену и отмасштабированы. Для того чтобы настроить столкновения между объектами и запретить движение сквозь них была настроена функция Collision. Для этого у каждой модели во Viewport была установлена автоматическая коллизия, которая не дает моделям проваливаться за сцену и запрещает проход через них.
Так как импортированные в Unreal Engine 4 3D модели представляют серые объекты без какой-либо уникальной визуальной составляющей, необходимо для каждой модели задать индивидуальный материал, который позволит управлять визуальным видом объекта [13].
В результате было получено уникальное виртуальное пространство цеха, где были расположены созданные 3D модели (рис. 4).
Рис. 4. Виртуальное пространство цеха
Создание цифрового двойника реального оборудования в виртуальном пространстве обязательно сопровождается созданием логики взаимодействия, обучающегося с виртуальной средой, что позволяет сделать двойник интерактивным [14, 15]. С помощью системы визуального скриптинга Blueprints в Unreal Engine 4 была написана программа, позволяющая по нажатию на кнопку запустить анимацию работы кривошипного пресса в режиме одиночных ходов (рис. 5).
Рис. 5. Программа создания функции линейной проверки
Полученная программа объединяет логикой взаимодействия три основный элемента:
модель персонажа обучающегося, кнопку запуска пресса и 3D модель пресса.
Алгоритм написанной программы работает следующим образом:
1) в Blueprints модели персонажа по нажатию на кнопку вызывается функция LineTraceForObjects, которая представляет собой линейную проверку в виде вектора, от точки до точки на наличие препятствий. Если на пути вектора имеется объект, то она возвращает информацию об этом объекте, как ссылку на него, тем самым позволяя добавить возможность взаимодействия с объектом, с которым столкнулся данный вектор.
2) определяется стартовая позиция логического блока LineTraceForObjects. Координата начала вектора определяется через логический блок GetWorldLocation.
3) определяется конечное положение вектора LineTraceForObjects.
4) создается обратная связь с объектом, с которым столкнулся LineTrace. Для этого из выходного параметра Out Hit был создан логический блок Break Hit Result, определяющий тип объекта с которым должно произойти взаимодействие. Из выходного параметра Return Value создан логический блок
Branch, который определяет столкнулся ли Line Trace с каким-либо объектом. Если Line Trace столкнулся с требуемым объектом, который имеет тип Actor, то срабатывает событие true в логическом блоке Branch, а затем из заранее созданного интерфейса вызывается событие Interact(message).
5) определяется логика включения анимации работы пресса по нажатию на кнопку. Для этого в модели кнопки добавлен логический блок EventInteract, который инициирует функцию активации модели пресса Activate. В то же время в модели кривошипного пресса запустится событие Event Activate, из которого был добавлен логический блок Play Animation, которая запустит проигрывание ранее созданной анимации работы кривошипного пресса в режиме одиночных ходов.
В результате работы был достигнут высокий уровень детализации и анимации 3D модели кривошипного пресса, с учётом всех особенностей данного типа кузнечно-штамповочного оборудования. Анализируя результаты разработанного виртуального пространства можно сделать вывод, что разработанный цифровой двойник позволит обучающемуся непосредственно наблюдать за ходом работы пресса, его масштабом и участвовать в процессе работы самостоятельно, что позволит повысить понимание сути непосредственно принципов работы кузнечно-штамповочного оборудования.
Заключение. В заключение можно сказать, что создание цифрового двойника реального оборудования и создания на его основе виртуального тренажера является перспективной разработкой, позволяющей решить различные проблемы. Использование виртуальной реальности обеспечивает реалистичное представление кривошипного пресса и интуитивное взаимодействие с ним, а технология цифровых двойников предоставляет необходимую информацию для решения конкретных задач, связанных с повышением эффективности применения кривошипного пресса на производстве. Рабочий процесс и архитектура совместного моделирования между цифровым двойником и виртуальной реальностью могут использоваться в вопросах для управления и анализа данных в реальном времени, а также в вопросах связанных с обучением работы на кузнечно-штамповочном оборудовании как на производстве, так и в учебных заведениях.
В результате работы была разработана методика создания виртуального двойника кривошипного пресса КД2130, создана детализированная CAD модель оборудования, а также выполнена детальная анимация работы кривошипного пресса с учетом кинематики взаимодействия всех рабочих элементов.
В программном продукте Unreal Engine 4 подготовлено виртуальное пространство, имитирующее реальные производственные условия, а также с помощью визуального скриптинга написана программа, позволяющая студенту взаимодействовать с подготовленной 3D моделью пресса путем запуска анимации его работы в режиме одиночного хода по нажатию на кнопку запуска.
Применение виртуальных тренажеров кузнечно-штамповочного оборудования, которые могут сохранить наглядность реального образца, а также полностью имитировать его работу, могут способствовать повышению качества процесса обучения сотрудников на производстве, а также студентов образовательных организаций и снизить показатели травматизма, возникающих в процессе обучения.
Список литературы
1. Промышленное производство в России. 2019: Стат.сб./Росстат. П 81 М., 2019. 286 c.
2. Игуменов А.А. Автоматизация технологической подготовки производства прессованных изделий авиационного назначения: учеб. пособие. / А.А. Игуменов, Ф.В. Гречников; Гос. ком. РСФСР по делам науки и высш. шк., Куйбышев. авиац. ин-т им. С. П. Королева. Самара, 1991.
3. Дорожкин Е.М. Применение информационных технологий в процессе подготовки мастеров производственного обучения / Е. М. Дорожкин, А. И. Лыжин, Л. С. Табаков // Научный диалог. 2016. № 3(51). С. 281-290. EDN VRGTKV.
4. Шулаева Е.А. Разработка цифрового двойника узла сероочистки углеводородного сырья / Е.А. Шулаева, И.А. Пенкин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2022. Т. 18, № 3-4. С. 132-140. DOI 10.17122/1999-5458-2022-18-3-4-132-140. EDN ROULLF.
5. Кириллов И.А. эффективные технологии воздействия на производственный коллектив // Педагогическое образование в России. 2015. № 6. С. 60-64. EDN UCMHUX.
6. Автоматизация кузнечно-штамповочного производства [Электронный ресурс] : метод. указания к лаб. работам / Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т); [авт.-сост. В. А. Михеев]. Самара, 2016.
7. Автоматические линии и комплексы кузнечно-штамповочного производства: учеб. пособие / М-во образования Рос. Федерации, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева; сост. А. Ю. Иголкин и др. Самара, 2004.
8. Аствацатуров А.Е. Анализ причин производственного травматизма в машиностроении / А. Е. Аствацатуров, Е. В. Щекина // Экология и технология: Ежегодник. Ростов-на-Дону, 1997. С. 85-93.
9. Ерёмина Т.А. Оценка состояния производственного травматизма на примере ООО «Ростовского прессово-раскройного завода» / Т.А. Ерёмина, Ю.А. Чепцова // Юбилейная конф. студ. и молодых ученых, посвященная 85-летию ДГТУ: сб. докл. науч.-техн. конф. Ростовна-Дону, 2015 г. С. 585-600.
10. Witte C. Is VR training more efficient than other learning methods? // FrontCore: [сайт]. 04.07.2020. [Электронный ресурс] URL: https://frontcore.com/blog/is-vr-training-more-efficient-than-other-learning-methods (дата обращения: 11.04.2023).
11. Zhao G., Fan M., Yuan Y., Zhao F., Huang H. The comparison of teaching efficiency between virtual reality and traditional education in medical education: a systematic review and meta-analysis // Annals of translational medicine. 2021. Vol. 9. No. 3. DOI: 10.21037/ atm-20-2785 (дата обращения: 10.04.2023).
12. Козленко Т.А. BIM и VR: разработка программного модуля для интеграции информационного моделирования зданий и виртуальной реальности / Т.А. Козленко, С.В. Придвижкин // Вестник Си-бАДИ. 2021. Т. 18, № 4(80). С. 440-449. DOI: https://doi. org/10.26518/2071-7296- 2021-18-4-440-449.
13. Unreal Engine VR для разработчиков / Митч Маккэффри; [пер. с англ. Н.И. Веселко, О.В. Максименковой, А.А. Незнанова]. М.: Эксмо, 2019. 256 с.
14. Громов В.А. Алгоритм создания основы ландшафта в игровом движке Unreal Engine 4 / В. А. Громов, А. З. Ядута // Научные исследования в современном мире. Теория и практика : сборник избранных статей Всероссийской (национальной) научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 10 июня 2021 года. - Санкт-Петербург: Частное научно-образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Гуманитарный национальный исследовательский институт «НАЦРАЗВИТИЕ», 2021. С. 69-70. EDN RLXHJY.
15. Natephra W., Motamedi A., Fukuda T., Yabuki N. Integrating building information modeling and virtual reality development engines for building indoor lighting design. Visualization in Engineering. 2017, 5(19). P. 84- 91.
16. Hilfert T., König M. Low-cost virtual reality environment for engineering and construction. Visualization in Engineering. 2016.
Воробьев Дмитрий Игоревич, студент, dvorobev84@smail.com, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Кузин Александр Олегович, заведующий лабораторией обработки металлов давлением. alexandrkuzin88@,gmail. com, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева,
Ерисов Ярослав Александрович, д-р техн. наук, профессор, yaroslav.erisov@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
DEVELOPMENT OF A DIGITAL DOUBLE OF THE PRESS FOR FORGING AND STAMPING PRODUCTION
D.I. Vorobyov, A.O. Kuzin, Ya.A. Erisov
This article discusses the technique of creating a digital twin of a crank press for forging and stamping production. According to the developed methodology, a detailed 3D model of the crank press was obtained, which clearly demonstrates the kinematics of the movement of all working elements. The Blender software product has an animation of the crank press operation taking into account the inverse kinematics and movement restrictions of all kinematic pairs. With the help of the Unreal Engine 4 computer game software, a virtual space was designed that simulates the workshop workspace, and also, using visual scripting through Blueprints, the logic of the interaction of the game character of the student with objects in the virtual space was determined. A program has been written to start the animation of the forging and stamping equipment in single stroke mode by pressing the start button. Based on the results of the work, it was concluded that the use of virtual simulators of forging and stamping equipment, which preserve the visibility of a real sample, as well as fully simulate its operation, can contribute to improving the quality of the training process for employees in production, as well as students of educational organizations, and reduce the rates of injuries that occur during training.
Key words: crank press; virtual reality, 3D modeling, digital twin, programming, animation.
Vorobev Dmitry Igorevich, student, dvorobev84@gmail. com, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev,
Kuzin Alexander Olegovich, head of the laboratory of metal processing by pressure, alexan-drkuzin88@gmail. com, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev,
Yerisov Yaroslav Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, yaroslav.erisov@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev
