АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ

АННОТАЦИЯ

В фокусе данного исследования находится практическое применение технологий цифровых двойников (ЦД) в машиностроении для преодоления ограничений традиционной автоматизации. На основе системного подхода предложена архитектура многоуровневых ЦД, ключевым принципом которой является обеспечение геометрического, физического, функционального и временного подобия виртуальной модели реальному объекту. Практическая значимость изложена в исследовании CAM‑оптимизации обработки шлицевого вала, где ЦД позволил подобрать нужный инструмент для обработки.

Ключевые слова: цифровой двойник, производственная автоматизация, машиностроение, САПР, компьютерное моделирование, промышленный интернет вещей.

Введение

Рост сложности техпроцессов и требований к качеству изделий выявляет ограничения действующих систем автоматизации, что стимулирует переход машиностроения к адаптивным и интеллектуальным управляющим системам.

Актуальность работы обусловлена стратегической важностью перехода к адаптивным системам управления в условиях технологических вызовов. Цифровые двойники (ЦД) это направление, которое в последние годы экспоненциально наращивает обороты во всем мире и имеет значительный потенциал для развития в нашей стране. [1].

Методологические основы и архитектура цифровых двойников

Основы составляет системный подход, используемый при исследовании сложных производственных систем. Внедрение цифровых двойников в машиностроении предполагает построение многоуровневой структуры, объединяющей реальные объекты, их виртуальные аналоги и платформы для обмена данными.

Цифровой двойник нужен, чтобы смоделировать, что будет происходить с объектом- оригиналом в тех или иных условиях. Это помогает, во-первых, сэкономить время и средства (например, если речь идет о сложном и дорогостоящем оборудовании), во-вторых, найти рациональные решения его функционирования, а в‑третьих — избежать вреда для людей и окружающей среды [2].

Практическое применение (CAM – обработка шлицевого вала)

Интеграция технологий цифровых двойников (ЦД) в машиностроении опирается на классический принцип подобия, перенесенный из физического и математического моделирования в цифровую среду. Если в традиционном инженерном анализе подобие обеспечивает корректность переноса результатов с модели на натурный объект через критерии подобия, то для ЦД это понятие расширяется до многоуровневого, динамического и киберфизического соответствия.

Сформирована методика оптимизации конструкций технических систем под изменяющиеся требования заказчиков, практически реализованная на примере CAM‑обработки шлицевого вала. Методика состоит из взаимосвязанных блоков выбора критериев оценки конструкции, формирования заданного диапазона операций и критерии выбора инструмента для обработки вала, формирования множества конструктивных и геометрических параметров шлицевого вала. (рис. 1), (рис. 2), (рис. 3), (рис. 4).

Рисунок 1. Токарная операция. Точение на Ø 38 на 180.

Рисунок 2. Токарная операция. Точение Ø30,2 на 20.

Рисунок 3. Фрезерование. Фрезеровать: 8 шлицевых зубьев на диаметре Ø38,2 мм в глубину до диаметра Ø32,2 мм

Рисунок 4. Токарная операция. Точить Ø30,2 на 20, снять фаску 2х45º

Уровни подобия цифрового двойника:

1) Геометрическое подобие:3D‑модель в CAD‑системе должна с высокой точностью (масштаб 1:1) повторять геометрию физического объекта — детали, узла или целого производственного комплекса. Это включает в себя не только внешние контуры, но и допуски, шероховатости. Без геометрического подобия невозможна корректная привязка данных с датчиков и визуализация состояния объекта.

2) Физическое подобие: критичный уровень для прогнозной способности ЦД. Виртуальная модель должна адекватно воспроизводить физические процессы, протекающие в реальном объекте. Это достигается за счет верных материальных моделей (упругость, пластичность, термическое расширение). Граничных и начальных условий в CAE‑расчетах (нагрузки, закрепления, температуры).

3) Функциональное подобие: ЦД должен имитировать логику работы и реакции объекта в различных сценариях. Для станка с ЧПУ это означает точное воспроизведение его кинематики, последовательности операций, времени цикла и реакции на управляющие команды. Это подобие обеспечивается интеграцией CAD, CAE и CAM‑систем, где виртуальная механообработка является прямым доказательством поведенческого соответствия цифрового и физического процесса.

4) Временное подобие: модель должна быть синхронизирована в реальном времени с физическим объектом. Это требует потока данных с датчиков для обновления состояния двойника (актуальные температуры, вибрации, координаты). Таким образом, подобие становится не статическим, а динамическим и адаптивным.

Вывод для практического исследования (CAM):

Имитация процесса механической обработки в CAM‑модуле, которая доказывает, что виртуальный станок ведет себя подобно реальному, следуя той же управляющей программе.

Реализуя принцип «безошибочности с первого цикла», модуль CAM-обработки выступает критическим компонентом цифрового двойника. Она обеспечивает бесшовный переход от цифровой модели изделия к его физическому воплощению, замыкая контур «проектирование‑анализ‑производство» в единой информационной среде.

Практическое использование и достоинства

Развертывание цифровых двойников в машиностроительной сфере позволяет решать разнообразные производственные задачи. Ключевые эксплуатационные достоинства ЦД, как систематизировано в исследованиях, включают не только снижение затрат и рисков на стадии разработки, но и фундаментальное повышение эффективности, надежности и безопасности производственных систем на протяжении всего жизненного цикла изделия [2]. Технология реализует парадигму предиктивной аналитики, позволяя не только обнаруживать проблемы до их возникновения, но и прогнозировать оптимальные циклы технического обслуживания, что напрямую влияет на прибыльность бизнеса. Проектирования, рост операционной эффективности производственных систем и комплексное уменьшение финансовых и технических рисков.

Данная технология нашла особое применение при управлении ключевыми объектами промышленных предприятий, где необходим постоянный контроль и оптимизация работы подключенного технологического оборудования.

Итоги практической реализации

Практика использования цифровых двойников на российских машиностроительных предприятиях демонстрирует заметное улучшение основных показателей эффективности. На предприятиях, внедривших эту технологию, фиксируется значительное сокращение продолжительности переналадки оборудования, снижение доли продукции и рост общей производительности производственных линий.

Среди главных трудностей при внедрении эксперты отмечают проблемы совместимости с действующими системами автоматизации, обеспечение достоверности исходной информации и потребность в обучении сотрудников работе с новыми технологическими решениями. Специфические технические сложности появляются при налаживании эффективного сотрудничества между различными программными и аппаратными комплексами.

Направления развития технологии

Перспективные пути совершенствования цифровых двойников в машиностроении содержат разработку методов корректировки, позволяющих сохранять высокую точность соответствия виртуальной модели реальному оборудованию. Это имеет особое значение для обеспечения долговременной результативности применения технологии в течение всего периода службы производственного оборудования.

Важнейшую роль в системном внедрении технологии играет ее стандартизация. Разработанный ГОСТ Р 57700.37‑2021, являющийся первым в мире национальным стандартом в данной области, устанавливает не только терминологические основы, но и регламентирует практические аспекты создания ЦД для вновь разрабатываемых или уже эксплуатируемых изделий. Его применение позволяет формализовать процесс, сократить количество циклов разработки и испытаний, что напрямую способствует ускорению вывода продукции на рынок и повышению ее конкурентоспособности.

Заключение

Внедрение цифровых двойников формирует основу для повышения экономической эффективности машиностроительных предприятий за счет оптимизации технологических процессов и минимизации издержек. Эволюция данной технологии лежит в плоскости разработки сквозных решений, сопровождающих изделие от концепции до утилизации, а также создания адаптивных моделей внедрения для производств любого уровня. Стратегический прорыв связан с конвергенцией ЦД с системами искусственного интеллекта в рамках национальных промышленных инициатив, что способно обеспечить технологический суверенитет и глобальную конкурентоспособность отрасли.

Список литературы:

1. Цифровые двойники: характеристики, типология, практики развития Абрамов В. И., Гордеев В. В., Столяров А.Д. URL: https://1economic.ru/lib/121484 (дата обращения: 24.11.2025)
2. Томский государственный университет систем управления и радиотехники (ТУСУР) В. М. Дмитриев, Л. А. Гембух, А. Е. Сахабутдинов «Цифровые двойники» – 2022. URL: https://edu.study.tusur.ru/publications/11055/download (дата обращения: 24.11.2025)
3. ГОСТ Р 57700.37‑2021. Национальный стандарт Российской Федерации. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения" – URL: https://meganorm.ru/mega_doc/norm/gost‑r_gosudarstvennyj‑standart/10/gost_r_57700_37 ‑2021_natsionalnyy_standart_rossiyskoy.html (дата обращения: 24.11.2025)
4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ОБОСНОВАНИИ ПРОЕКТА ЦИФРОВОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ Лукина С.В., Макаров В.В. Социальные и экономические системы. 2023. № 2‑2 (42). С. 126 142. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=50768334 (дата обращения 25.11.2025)