Ασφάλεια CNC μέσω του Digital Twin

Δύο μεταπτυχιακοί φοιτητές από το KU Leuven ανέπτυξαν ένα σύστημα αποφυγής σύγκρουσης σε πραγματικό χρόνο για μηχανές CNC ως μέρος της διατριβής τους. Αυτή η πολλά υποσχόμενη λύση χρησιμοποιεί ένα digital twin για την πρόβλεψη και την αυτόματη πρόληψη συγκρούσεων μηχανών κατά τη διάρκεια της παραγωγής, με άμεσο αντίκτυπο στον έλεγχο κόστους, την ασφάλεια και τη συνέχεια της παραγωγής.

Η ASCO είναι ένα καθιερωμένο όνομα στη διεθνή αεροδιαστημική βιομηχανία από το 1954. Η βελγική εταιρεία είναι μέλος του Montana Aerospace Group από το 2022, ο οποίος απασχολεί περίπου 6.000 άτομα παγκοσμίως. Με περίπου 1.100 υπαλλήλους στο Βέλγιο σε τέσσερις εγκαταστάσεις, συμπεριλαμβανομένης της έδρας της στο Zaventem, η ASCO αναπτύσσει και κατασκευάζει πολύπλοκα μηχανικά εξαρτήματα για φτερά αεροσκαφών και συστήματα προσγείωσης. Αυτά τα εξαρτήματα παράγονται σε υπερσύγχρονες μηχανές CNC που ελέγχονται από την τεχνολογία της Siemens, όπου η ακρίβεια και η αξιοπιστία είναι κρίσιμες.

Συγκρούσεις: Μια βιομηχανική πραγματικότητα

Στην αεροδιαστημική παραγωγή, τα προγράμματα NC προσομοιώνονται συνήθως σε ένα digital twin πριν μεταφερθούν από το CAM στο μηχάνημα. Ωστόσο, ο κίνδυνος συγκρούσεων παραμένει. Οι διακυμάνσεις στο μήκος του εργαλείου, οι αποκλίσεις στα μηδενικά σημεία του τεμαχίου ή τα ανθρώπινα λάθη κατά την εισαγωγή μπορούν να οδηγήσουν σε σφάλματα κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. Οι συνέπειες είναι σημαντικές, με πιθανή ζημιά στο μηχάνημα, το τεμάχιο εργασίας ή τα χρονοδιαγράμματα παραγωγής που μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα το κόστος να φτάσει τις δεκάδες χιλιάδες ευρώ.

«Τα ανθρώπινα λάθη είναι αναπόφευκτα σε ένα πολύπλοκο περιβάλλον παραγωγής», λέει ο Mohamed El Hatri, ανώτερος επικεφαλής μηχανικός της ASCO. «Ένα λάθος εισαγόμενο μήκος εργαλείου ή η χειροκίνητη λειτουργία μέσω της λειτουργίας jog μπορεί να είναι αρκετό για να προκαλέσει σοβαρό ατύχημα. Επομένως, αναζητήσαμε έναν τρόπο να διαχειριστούμε ενεργά αυτόν τον κίνδυνο, όχι μόνο εκ των προτέρων, αλλά και κατά τη διάρκεια της ίδιας της διαδικασίας κατεργασίας. Στην αεροδιαστημική παραγωγή, συνεργαζόμαστε με εξαιρετικά ακριβά και πολύπλοκα μηχανήματα CNC. Μόνο ένας άξονας σε μια τέτοια μηχανή CNC μπορεί να κοστίσει περισσότερα από 100.000 ευρώ. Παρά τις εκτεταμένες προσομοιώσεις εκ των προτέρων, οι συγκρούσεις παραμένουν δυνατές λόγω μικρών παραλλαγών ή ανθρώπινων σφαλμάτων. Θέλαμε όχι μόνο να περιορίσουμε αυτόν τον κίνδυνο, αλλά να τον ελέγξουμε ενεργά κατά τη διάρκεια της ίδιας της διαδικασίας κατεργασίας.»

Δύο δευτερόλεπτα μπροστά

Αυτή η συγκεκριμένη πρόκληση έγινε το σημείο εκκίνησης για μια συνεργασία μεταξύ της Siemens Industry Academy, της Aerospace Machining Academy και της ASCO, με δύο φοιτητές μεταπτυχιακών σπουδών KU Leuven να αναπτύσσουν μια καινοτόμο λύση. Το έργο, το οποίο διήρκεσε από τον Οκτώβριο του 2023 έως το τέλος του ακαδημαϊκού έτους 2024-2025, επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός συστήματος που προσομοιώνει τη διαδικασία κατεργασίας σε πραγματικό χρόνο δύο δευτερόλεπτα νωρίτερα. Αρχικά, δημιουργήθηκε ένα ψηφιακό δίδυμο του μηχανήματος χρησιμοποιώντας Siemens NX CAM και NX MCD, το οποίο επικοινωνεί συνεχώς με τον ελεγκτή μηχανής Siemens 840D sl. Εάν το σύστημα εντοπίσει πιθανή σύγκρουση, στέλνει αυτόματα ένα σήμα διακοπής στο μηχάνημα - γρηγορότερα από ό, τι θα μπορούσε ποτέ να παρέμβει οποιοσδήποτε χειριστής. Η διαδικασία δοκιμάστηκε επίσης με το SinuTrain, το πακέτο λογισμικού της Siemens για προγραμματισμό, σχεδιασμό και προσομοίωση CNC. Αυτή η προσέγγιση αποδείχθηκε τελικά η πιο αποτελεσματική.

Η επιλογή του κανόνα των δύο δευτερολέπτων είναι σκόπιμη. Αντιπροσωπεύει τόσο τον εξαιρετικά γρήγορο χρόνο αντίδρασης του ελεγκτή Siemens όσο και τον ανθρώπινο παράγοντα. Εάν υπάρχει ένας χειριστής, η προσομοιωμένη εικόνα ευθυγραμμίζεται στενά με την πραγματική κατάσταση του μηχανήματος τη στιγμή που μετατοπίζει την προσοχή του από την οθόνη στη φυσική εγκατάσταση. Ταυτόχρονα, το σύστημα παρέχει ένα κρίσιμο επίπεδο ασφαλείας για μη επανδρωμένα μηχανήματα που λειτουργούν αυτόνομα ή κατά τη διάρκεια της νύχτας.

Αν και το σύστημα αποφυγής σύγκρουσης δεν λειτουργεί ακόμη στην παραγωγή σήμερα, η ASCO βλέπει σαφείς μελλοντικές ευκαιρίες. Η λύση αντιμετωπίζει ένα ευρέως διαδεδομένο πρόβλημα στην αεροδιαστημική βιομηχανία, όπου πολλά μηχανήματα δεν είναι τελευταίας γενιάς και όπου οι ζημιές από σύγκρουση έχουν σημαντικό αντίκτυπο.

Συνδυασμός Τεχνολογιών

Για την ανάπτυξη, οι μαθητές χρησιμοποίησαν μια ευρεία στοίβα λογισμικού της Siemens, συμπεριλαμβανομένων των NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain και της πύλης Brown Field Connector, η οποία επιτρέπει την ενσωμάτωση παλαιότερων μηχανών. «Η δύναμη και η πρόκληση αυτού του έργου έγκειται στον πιθανό συνδυασμό αυτών των τεχνολογιών της Siemens», λέει ο Jan Vereecke, Επικεφαλής της Ομάδας Λειτουργίας Υπηρεσιών MC MTS στη Siemens. «Συνδέοντας απευθείας το NX CAM/Sinutrain, το digital twin και τον ελεγκτή 840D sl, μπορέσαμε να προσομοιώσουμε τη διαδικασία κατεργασίας σε πραγματικό χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι το digital twin λειτουργεί όχι μόνο ως εργαλείο σχεδιασμού, αλλά και ως ενεργό στρώμα ασφαλείας κατά τη διάρκεια της παραγωγής. Ήταν ακριβώς αυτή η καινοτόμος προσέγγιση που έκανε το έργο ιδιαίτερα προκλητικό και, ταυτόχρονα, ιδιαίτερα σημαντικό για τους μαθητές: δούλεψαν με τεχνολογία αιχμής και είδαν πώς ο συνδυασμός της μπορεί να λύσει ένα συγκεκριμένο βιομηχανικό πρόβλημα.»

Συνδημιουργία εντός της Ακαδημίας Βιομηχανίας της Siemens

Το έργο ευθυγραμμίζεται απόλυτα με τη φιλοσοφία της Siemens Industry Academy, η οποία δίνει έμφαση στη συνδημιουργία γύρω από πραγματικές βιομηχανικές προκλήσεις. Οι φοιτητές έχουν την ευκαιρία να εργαστούν σε ένα επαγγελματικό πλαίσιο, καθοδηγούμενοι τόσο από ακαδημαϊκούς εμπειρογνώμονες όσο και από μηχανικούς από τη βιομηχανία. Για την ASCO, η προστιθέμενη αξία επεκτάθηκε πέρα από το καθαρά τεχνικό αποτέλεσμα. Η πρωτοβουλία παρείχε χώρο για εξερεύνηση και αξιολόγηση καινοτόμων τεχνολογιών χωρίς να επηρεάσει τη συνεχιζόμενη παραγωγή, ενώ ταυτόχρονα οικοδομήθηκε πολύτιμη εσωτερική γνώση.

«Αυτό το έργο καταδεικνύει τέλεια πώς η συνεργασία μας με τη Siemens και τον ακαδημαϊκό κόσμο μας βοηθά να κοιτάξουμε μπροστά», δηλώνει ο Mohamed El Hatri. «Οι μαθητές φέρνουν μια νέα προοπτική, φέρνουμε βιομηχανική εμπειρία και στο πλαίσιο της Siemens Industry Academy, μπορούμε να διερευνήσουμε καινοτόμες ιδέες χωρίς να επηρεάσουμε τη συνεχιζόμενη παραγωγή μας. Αναπτύσσοντας μαζί μια πρώτη απόδειξη της ιδέας, χτίζουμε γνώση, αποκτούμε πληροφορίες για τις νέες τεχνολογίες και μπορούμε να προσεγγίσουμε την καινοτομία με σταδιακό και στοχαστικό τρόπο. Αυτή η συνεργασία επιβεβαιώνει τον τρόπο με τον οποίο οι εταίροι της βιομηχανίας, της εκπαίδευσης και της τεχνολογίας ενισχύουν ο ένας τον άλλον - και μαζί δημιουργούν ασφαλέστερη, εξυπνότερη παραγωγή στον τομέα της αεροδιαστημικής».

Για τους ίδιους τους μαθητές, το έργο ήταν εξίσου πολύτιμο. «Εργαστήκαμε με το ίδιο λογισμικό και συνθήκες όπως σε ένα πραγματικό βιομηχανικό περιβάλλον. Αυτό έκανε το έργο τεχνικά δύσκολο, αλλά και ιδιαίτερα εκπαιδευτικό. Η καθοδήγηση από την ASCO και τη Siemens εξασφάλισε ότι έπρεπε συνεχώς να σκεφτόμαστε τι είναι εφικτό και σχετικό στην πράξη», καταλήγει ο φοιτητής του μεταπτυχιακού Rohan Vits.