Bezpečnost CNC díky Digital Twin

Dva studenti magisterského studia z KU Leuven vyvinuli v rámci své diplomové práce systém prevence kolizí v reálném čase pro CNC stroje. Toto slibné řešení využívá digitální twin k předpovídání a automatické prevenci kolizí strojů během výroby, což má přímý dopad na řízení nákladů, bezpečnost a kontinuitu výroby.

ASCO je zavedeným názvem v mezinárodním leteckém průmyslu od roku 1954. Belgická společnost je součástí skupiny Montana Aerospace Group od roku 2022, která zaměstnává přibližně 6 000 lidí po celém světě. S přibližně 1100 zaměstnanci v Belgii ve čtyřech závodech, včetně centrály v Zaventemu, ASCO vyvíjí a vyrábí komplexní mechanické komponenty pro křídla letadel a podvozky. Tyto komponenty jsou vyráběny na nejmodernějších CNC strojích řízených technologií Siemens, kde je přesnost a spolehlivost rozhodující.

Kolize: Průmyslová realita

V leteckém průmyslu jsou NC programy rutinně simulovány v digital twin, než jsou přeneseny z CAM do stroje. Přesto riziko kolizí přetrvává. Změny délky nástroje, odchylky v nulových bodech obrobku nebo lidské chyby při zadávání mohou vést k pádům během obrábění. Důsledky jsou značné, s možným poškozením stroje, obrobku nebo výrobních plánů, které mohou mít za následek náklady dosahující desítek tisíc eur.

„Lidské chyby jsou ve složitém výrobním prostředí nevyhnutelné,“ říká Mohamed El Hatri, vedoucí inženýr společnosti ASCO. „Nesprávně zadaná délka nástroje nebo ruční ovládání v režimu běhání může stačit k vážnému havárii. Proto jsme hledali způsob, jak toto riziko aktivně řídit, a to nejen předem, ale také během samotného procesu obrábění. V leteckém průmyslu pracujeme s extrémně drahými a složitými CNC stroji. Samotné vřeteno v takovém CNC stroji může stát více než 100 000 eur. Navzdory rozsáhlým simulacím předem zůstávají kolize možné kvůli drobným odchylkám nebo lidským chybám. Chtěli jsme toto riziko nejen omezit, ale aktivně ho kontrolovat během samotného procesu obrábění.“

Dvě sekundy dopředu

Tato konkrétní výzva se stala výchozím bodem pro spolupráci mezi Siemens Industry Academy, Aerospace Machining Academy a ASCO, přičemž dva studenti magisterského studia KU Leuven vyvinuli inovativní řešení. Projekt, který probíhal od října 2023 do konce akademického roku 2024-2025, se zaměřil na vývoj systému, který simuluje proces obrábění v reálném čase dvě sekundy předem. Nejprve bylo vytvořeno digitální twin stroje pomocí Siemens NX CAM a NX MCD, které nepřetržitě komunikují s řadičem stroje Siemens 840D sl. Pokud systém detekuje potenciální kolizi, automaticky odešle do stroje signál zastavení - rychleji, než by kdy mohl zasáhnout kterýkoli operátor. Tento proces byl také testován pomocí SinuTrain, softwarového balíčku Siemens pro CNC programování, návrh a simulaci. Tento přístup se nakonec ukázal jako nejúčinnější.

Volba dvousekundového pravidla je záměrná. Představuje jak extrémně rychlou reakční dobu řadiče Siemens, tak lidský faktor. Pokud je operátor přítomen, simulovaný obraz se těsně vyrovná skutečnému stavu stroje v okamžiku, kdy přesune svou pozornost z obrazovky na fyzickou instalaci. Systém zároveň poskytuje zásadní bezpečnostní vrstvu pro bezpilotní stroje pracující autonomně nebo přes noc.

Přestože systém předcházení kolizím ještě není ve výrobě funkční, ASCO vidí jasné budoucí příležitosti. Řešení řeší rozšířený problém v leteckém průmyslu, kde mnoho strojů není nejnovější generace a kde má kolizní poškození významný dopad.

Kombinace technologií

Pro vývoj využili studenti široký softwarový balíček Siemens, včetně NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain a brány Brown Field Connector, která umožňuje integraci starších strojů. „Síla — a také výzva — tohoto projektu spočívala v možné kombinaci těchto technologií Siemens,“ říká Jan Vereecke, vedoucí servisního operačního týmu MC MTS ve společnosti Siemens. „Přímým připojením NX CAM/SinuTrain, digital twin a řídicí jednotky 840D sl jsme byli schopni simulovat proces obrábění v reálném čase. To znamená, že digital twin funguje nejen jako konstrukční nástroj, ale také jako aktivní bezpečnostní vrstva během výroby. Právě tento inovativní přístup učinil projekt obzvláště náročným a zároveň vysoce relevantním pro studenty: pracovali s nejmodernější technologií a viděli, jak její kombinace může vyřešit konkrétní průmyslový problém.“

Spoluvytváření v rámci Siemens Industry Academy

Projekt dokonale ladí s filozofií Siemens Industry Academy, která klade důraz na spoluvytváření kolem skutečných průmyslových výzev. Studenti mají možnost pracovat v profesionálním kontextu, vedeni jak akademickými odborníky, tak inženýry z průmyslu. U společnosti ASCO se přidaná hodnota rozšířila nad rámec čistě technického výsledku. Iniciativa poskytla prostor pro zkoumání a hodnocení inovativních technologií, aniž by to ovlivnilo probíhající výrobu, a současně budovala cenné interní znalosti.

„Tento projekt dokonale demonstruje, jak nám naše spolupráce se společností Siemens a akademickým světem pomáhá dívat se dopředu,“ říká Mohamed El Hatri. „Studenti přinášejí novou perspektivu, přinášíme průmyslové zkušenosti a v rámci Siemens Industry Academy můžeme prozkoumat inovativní nápady, aniž by to ovlivnilo naši probíhající výrobu. Společným vývojem prvního důkazu konceptu, budujeme znalosti, získáváme vhled do nových technologií a můžeme přistupovat k inovacím postupným a promyšleným způsobem. Tato spolupráce potvrzuje, jak se partneři v průmyslu, vzdělávání a technologiích navzájem posilují a společně vytvářejí bezpečnější a chytřejší výrobu v leteckém sektoru.“

Pro samotné studenty byl projekt stejně cenný. „Pracovali jsme se stejným softwarem a podmínkami jako v reálném průmyslovém prostředí. Díky tomu byl projekt technicky náročný, ale také obzvláště vzdělávací. Vedení společností ASCO a Siemens zajistilo, že jsme museli neustále přemýšlet o tom, co je v praxi proveditelné a relevantní, „uzavírá student magisterského studia Rohan Vits.