Digital Twin によるCNCの安全性

ルーベン大学の2人の修士課程の学生が、論文研究の一環として、CNCマシンのリアルタイム衝突回避システムを開発しました。この有望なソリューションは、digital twin を使用して生産中の機械衝突を予測して自動的に防止し、コスト管理、安全性、生産継続性に直接影響します。

ASCOは1954年以来、国際航空宇宙産業で定評があります。ベルギーの会社は2022年からモンタナ航空宇宙グループの一員で、世界中で約6,000人の従業員を雇用しています。ベルギーのザベンテム本社を含む4つの拠点に約1,100人の従業員を擁するASCOは、航空機の翼や着陸装置用の複雑な機械部品を開発・製造しています。これらの部品は、精度と信頼性が重要なSiemens 技術によって制御される最先端のCNCマシンで製造されています。

衝突：産業の現実

航空宇宙生産では、NCプログラムはCAMから機械に転送される前にdigital twin で日常的にシミュレートされます。それでも、衝突のリスクは残っています。工具の長さのばらつき、ワークピースのゼロ点の偏差、または入力中の人為的エラーは、機械加工中にクラッシュする可能性があります。結果は重大で、機械、工作物、または生産スケジュールに損傷を与える可能性があり、その結果、数万ユーロもの費用がかかる可能性があります。

「複雑な生産環境では、ヒューマンエラーは避けられません」と、ASCOの上級主任エンジニア、モハメド・エル・ハトリは言います。「工具の長さを間違って入力したり、ジョグモードで手動で操作したりすると、重大なクラッシュを引き起こす可能性があります。そこで、事前だけでなく、機械加工プロセス自体においても、そのリスクを積極的に管理する方法を探しました。航空宇宙生産では、非常に高価で複雑なCNCマシンを使います。このようなCNCマシンのスピンドルだけでも10万ユーロ以上の費用がかかります。事前に広範囲にわたるシミュレーションを行っていても、わずかなばらつきや人為的ミスにより、衝突は起こり得ます。私たちはそのリスクを制限するだけでなく、機械加工プロセスそのものの間も積極的にリスクを制御したかったのです。」

2秒先に

この具体的な課題が、Siemens 産業アカデミー、航空宇宙加工アカデミー、ASCOのコラボレーションの出発点となり、ルーベン大学の修士課程の学生2人が革新的なソリューションを開発しました。このプロジェクトは、2023年10月から2024年から2025年の学年度末まで実施され、加工プロセスを2秒前にリアルタイムでシミュレートするシステムの開発に重点を置いていました。まず、Siemens 840D slマシンコントローラーと継続的に通信するSiemens NX CAMとNX MCDを使用して、マシンのdigital twin が作成されました。システムが衝突の可能性を検出すると、自動的に停止信号を機械に送ります。オペレーターが介入するよりも速いです。このプロセスは、シーメンスのCNCプログラミング、設計、シミュレーション用のソフトウェアパッケージであるSinuTrainでもテストされました。このアプローチが最終的に最も効率的であることが判明しました。

2秒ルールの選択は意図的です。これは、Siemens コントローラーの非常に速い反応時間と人的要因の両方を説明しています。オペレーターがいる場合、シミュレートされた画像は、画面から物理的な設置に注意を移した瞬間の機械の実際の状態とほぼ一致します。同時に、このシステムは、自律的に、または夜間に稼働する無人機械に重要な安全層を提供します。

衝突回避システムはまだ生産段階ではありませんが、ASCOは将来の機会がはっきりと見ています。このソリューションは、多くの機械が最新世代ではなく、衝突による損傷が大きな影響を与える航空宇宙産業で蔓延している問題に対処します。

テクノロジーを組み合わせる

開発には、学生たちはNX CAM、NX MCD、NX Open、SinuTrain、古いマシンの統合を可能にするBrown Field・コネクター・ゲートウェイなど、Siemens スの幅広いソフトウェアスタックを使用しました。Siemens スのMC MTSサービスオペレーションチームリーダーであるJan Vereecke氏は、「このプロジェクトの強みと課題は、これらのSiemens テクノロジーを組み合わせることができることにありました」と述べています。「NX CAM/SSinuTrain、digital twin、840D slコントローラーを直接接続することで、加工プロセスをリアルタイムでシミュレートできました。つまり、digital twin は設計ツールとしてだけでなく、製造時のアクティブセーフティレイヤーとしても機能します。まさにこの革新的なアプローチが、プロジェクトを特にやりがいのあるものにし、同時に学生にとって非常に重要なものにしました。彼らは最先端のテクノロジーに取り組み、その組み合わせが具体的な産業上の問題を解決する方法を見出しました。」

Siemens インダストリー・アカデミー内での共同創造

このプロジェクトは、実際の産業上の課題を中心とした共創を重視するSiemens 産業アカデミーの理念と完全に一致しています。学生は、学術専門家と産業界のエンジニアの両方の指導のもと、専門的な環境で働く機会があります。ASCOにとって、付加価値は純粋に技術的な結果にとどまりませんでした。このイニシアチブは、継続的な生産に影響を与えることなく革新的な技術を探求し評価する場を提供すると同時に、貴重な社内知識を身に付ける機会を提供しました。

「このプロジェクトは、Siemens や学界とのコラボレーションが、私たちが将来を見据えるのにどのように役立つかを完璧に示しています」とモハメド・エル・ハトリは言います。「学生は新鮮な視点をもたらし、私たちは産業経験をもたらします。Siemens インダストリーアカデミーでは、進行中の生産に影響を与えることなく革新的なアイデアを探ることができます。最初の概念実証を一緒に開発することで、知識を深め、新しいテクノロジーについての洞察を得て、段階的かつ思慮深い方法でイノベーションに取り組むことができます。このコラボレーションは、産業、教育、技術のパートナーがどのように互いに強化し合い、協力して航空宇宙部門でより安全でスマートな生産を構築しているかを裏付けています。」

学生自身にとっても、このプロジェクトは同様に価値がありました。「私たちは、実際の産業環境と同じソフトウェアと条件で働きました。そのため、このプロジェクトは技術的に困難でしたが、特に教育的でもありました。ASCOとSiemens 指導により、私たちは実際に何が実現可能で関連性があるかを常に考えなければなりませんでした」と、修士課程の学生であるRohan Vitsは結論付けています。