CNC ohutus Digital Twin kaudu

Kaks magistranti KU Leuvenist töötasid oma lõputöö raames välja CNC-masinate jaoks reaalajas kokkupõrke vältimise süsteemi. See paljutõotav lahendus kasutab digital twin kaksikut, et ennustada ja automaatselt vältida masinate kokkupõrkeid tootmise ajal, mõjutades otseselt kulude kontrolli, ohutust ja tootmise järjepidevust.

ASCO on rahvusvahelises kosmosetööstuses väljakujunenud nimi alates 1954. aastast. Belgia ettevõte on kuulunud Montana Aerospace Groupi koosseisu alates 2022. aastast, kus töötab umbes 6000 inimest kogu maailmas. ASCO töötab Belgias umbes 1100 töötajaga neljas ettevõttes, sealhulgas peakorteris Zaventemis, arendab ja toodab keerukaid mehaanilisi komponente lennukite tiibadele ja maandumisseadmetele. Neid komponente toodetakse kaasaegsetel CNC-masinatel, mida juhib Siemensi tehnoloogia, kus täpsus ja töökindlus on kriitilise tähtsusega.

Kokkupõrked: tööstuslik reaalsus

Lennunduse tootmises simuleeritakse NC-programme regulaarselt digital twin kaksikus enne CAM-ist masinasse üleviimist. Kuid kokkupõrkeoht püsib. Tööriista pikkuse erinevused, kõrvalekalded tooriku nullpunktides või inimvead sisendamisel võivad põhjustada töötlemise ajal krahhi. Tagajärjed on märkimisväärsed, kusjuures masinale, toorikule või tootmisgraafikule tekkivad võimalikud kahjustused, mille tulemuseks võivad kulud ulatuda kümnete tuhandete eurodeni.

„Inimlikud vead on keerulises tootmiskeskkonnas vältimatud,” ütleb ASCO vanemjuhtivinsener Mohamed El Hatri. „Tõsise krahhi tekitamiseks võib piisata valesti sisestatud tööriista pikkusest või käsitsi töötamisest jooksurežiimi kaudu. Seetõttu otsisime viisi, kuidas seda riski aktiivselt juhtida, mitte ainult eelnevalt, vaid ka töötlemisprotsessi käigus. Lennunduse tootmises töötame äärmiselt kallite ja keerukate CNC-masinatega. Ainuüksi spindl sellises CNC-masinas võib maksta rohkem kui 100 000 eurot. Vaatamata eelnevatele ulatuslikele simulatsioonidele on kokkupõrked võimalikud väikeste variatsioonide või inimlike vigade tõttu. Tahtsime mitte ainult seda riski piirata, vaid ka aktiivselt kontrollida seda töötlemisprotsessi käigus.”

Kaks sekundit ees

Sellest konkreetsest väljakutsest sai alguspunkt koostööle Siemensi Tööstusakadeemia, Aerospace Machining Academy ja ASCO vahel, kus kaks KU Leuveni magistriõppe üliõpilast töötasid välja uuendusliku lahenduse. Oktoobrist 2023 kuni 2024—2025 õppeaasta lõpuni kestnud projekt keskendus süsteemi väljatöötamisele, mis simuleerib töötlemisprotsessi reaalajas kaks sekundit ette. Esiteks loodi masina digital twin, kasutades Siemens NX CAM ja NX MCD, mis suhtleb pidevalt Siemens 840D sl masinakontrolleriga. Kui süsteem tuvastab võimaliku kokkupõrke, saadab see masinale automaatselt peatussignaali - kiiremini, kui ükski operaator võiks kunagi sekkuda. Protsessi testiti ka Siemensi tarkvarapaketiga Sinutrainiga CNC programmeerimiseks, disainiks ja simulatsiooniks. See lähenemine osutus lõpuks kõige tõhusamaks.

Kahe sekundi reegli valik on tahtlik. See arvestab nii Siemensi kontrolleri äärmiselt kiire reaktsiooniaja kui ka inimfaktori. Kui operaator on kohal, on simuleeritud pilt tihedalt kooskõlas masina tegeliku olekuga hetkel, kui nad suunavad oma tähelepanu ekraanilt füüsilisele paigaldusele. Samal ajal tagab süsteem üliolulise ohutuskihi mehitamata masinatele, mis töötavad autonoomselt või üleöö.

Kuigi kokkupõrke vältimise süsteem ei tööta tänapäeval veel tootmises, näeb ASCO selgeid tulevikuvõimalusi. Lahendus käsitleb laialt levinud probleemi kosmosetööstuses, kus paljud masinad ei ole uusima põlvkonna ja kus kokkupõrkekahjustusel on märkimisväärne mõju.

Tehnoloogiate ühendamine

Arendamiseks kasutasid õpilased laia Siemensi tarkvarapakna, sealhulgas NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain ja Brown Field Connectori lüüsi, mis võimaldab vanemate masinate integreerimist. „Selle projekti tugevus ja ka väljakutse seisnes nende Siemensi tehnoloogiate võimalikus kombinatsioonis,” ütleb Jan Vereecke, Siemensi teenindusoperatsioonide meeskonna juht MC MTS. „Ühendades otse digitaalse kaksikute NX CAM/Sinutrain ja 840D sl kontrolleri, suutsime töötlemisprotsessi reaalajas simuleerida. See tähendab, et digital twin toimib mitte ainult projekteerimisvahendina, vaid ka aktiivse turvakihina tootmise ajal. Just see uuenduslik lähenemine muutis projekti eriti keeruliseks ja samal ajal üliõpilaste jaoks väga asjakohaseks: nad töötasid tipptehnoloogiaga ja nägid, kuidas selle kombinatsioon suudab lahendada konkreetse tööstusliku probleemi.

Kaasloomine Siemensi tööstusakadeemias

Projekt on ideaalselt kooskõlas Siemensi Tööstusakadeemia filosoofiaga, mis rõhutab kaasloomist tõeliste tööstuslike väljakutsete ümber. Õpilastel on võimalus töötada professionaalses kontekstis, juhindudes nii akadeemiliste ekspertide kui ka tööstuse inseneride poolt. ASCO puhul ulatus lisaväärtus kaugemale puhtalt tehnilisest tulemusest. Algatus andis ruumi uuenduslike tehnoloogiate uurimiseks ja hindamiseks, mõjutamata jätkuvat tootmist, luues samal ajal väärtuslikke sisemisi teadmisi.

„See projekt näitab suurepäraselt, kuidas meie koostöö Siemensi ja akadeemilise maailmaga aitab meil tulevikku vaadata,” ütleb Mohamed El Hatri. „Õpilased toovad uue vaatenurga, toome tööstuskogemusi ja Siemensi tööstusakadeemias saame uurida uuenduslikke ideid, mõjutamata meie käimasolevat tootmist. Esimese kontseptsiooni tõendi väljatöötamisega arendame teadmisi, saame ülevaate uutest tehnoloogiatest ning saame läheneda innovatsioonile järk-järgult ja läbimõeldult. See koostöö kinnitab, kuidas tööstus-, haridus- ja tehnoloogiapartnerid üksteist tugevdavad ning ehitavad koos lennundussektoris turvalisemat ja targemat tootmist.

Õpilaste endi jaoks oli projekt sama väärtuslik. „Töötasime sama tarkvara ja tingimustega nagu reaalses tööstuskeskkonnas. See muutis projekti tehniliselt keeruliseks, kuid ka eriti harivaks. ASCO ja Siemensi juhised tagasid, et pidime pidevalt mõtlema, mis on praktikas teostatav ja asjakohane,” lõpetab magistrant Rohan Vits.