CNC drošība, izmantojot Digital Twin

Divi maģistrantūras studenti no KU Leuven sava darba ietvaros izstrādāja reāllaika sadursmju novēršanas sistēmu CNC mašīnām. Šis daudzsološais risinājums izmanto digitālo dvīņu, lai prognozētu un automātiski novērstu mašīnu sadursmes ražošanas laikā, tieši ietekmējot izmaksu kontroli, drošību un ražošanas nepārtrauktību.

ASCO ir atzīts nosaukums starptautiskajā aviācijas un kosmosa nozarē kopš 1954. gada. Beļģijas uzņēmums kopš 2022. gada ir daļa no Montana Aerospace Group, kurā visā pasaulē strādā aptuveni 6000 cilvēku. Ar aptuveni 1100 darbinieku Beļģijā četrās vietās, tostarp galvenajā mītnē Zaventemā, ASCO izstrādā un ražo sarežģītas mehāniskās sastāvdaļas lidmašīnu spārniem un šasijas aprīkojumam. Šīs sastāvdaļas tiek ražotas uz modernākajām CNC mašīnām, ko kontrolē Siemens tehnoloģija, kur precizitāte un uzticamība ir kritiska.

Sadursmes: rūpnieciskā realitāte

Aviācijas un kosmosa ražošanā NC programmas regulāri tiek simulētas digitālajā dvīnī, pirms tās tiek pārsūtītas no CAM uz mašīnu. Tomēr sadursmju risks joprojām pastāv. Instrumenta garuma izmaiņas, novirzes sagataves nulles punktos vai cilvēku kļūdas ievades laikā var izraisīt avārijas apstrādes laikā. Sekas ir ievērojamas, ar iespējamiem mašīnas, sagataves vai ražošanas grafiku bojājumiem, kā rezultātā izmaksas var sasniegt desmitiem tūkstošu eiro.

“Cilvēku kļūdas ir neizbēgamas sarežģītā ražošanas vidē,” saka Mohameds El Hatri, ASCO vecākais vadošais inženieris. “Nepareizi ievadīts instrumenta garums vai manuāla darbība, izmantojot skriešanas režīmu, var būt pietiekama, lai izraisītu nopietnu avāriju. Tāpēc mēs meklējām veidu, kā aktīvi pārvaldīt šo risku ne tikai iepriekš, bet arī paša apstrādes procesa laikā. Aviācijas un kosmosa ražošanā mēs strādājam ar ārkārtīgi dārgām un sarežģītām CNC mašīnām. Tikai vārpsta šādā CNC mašīnā var maksāt vairāk nekā 100 000 eiro. Neskatoties uz iepriekšējām plašajām simulācijām, sadursmes joprojām ir iespējamas nelielu variāciju vai cilvēku kļūdu dēļ. Mēs vēlējāmies ne tikai ierobežot šo risku, bet arī aktīvi kontrolēt to paša apstrādes procesa laikā.”

Divas sekundes uz priekšu

Šis konkrētais izaicinājums kļuva par sākumpunktu sadarbībai starp Siemens Industry Academy, Aerospace Machining Academy un ASCO, kurā divi KU Leuven maģistra studenti izstrādāja inovatīvu risinājumu. Projekts, kas ilga no 2023. gada oktobra līdz 2024.-2025. akadēmiskā gada beigām, bija vērsts uz sistēmas izstrādi, kas simulē apstrādes procesu reāllaikā divas sekundes iepriekš. Pirmkārt, tika izveidots mašīnas digital twin, izmantojot Siemens NX CAM un NX MCD, kas nepārtraukti sazinās ar Siemens 840D sl mašīnas kontrolieri. Ja sistēma konstatē iespējamu sadursmi, tā automātiski nosūta apstāšanās signālu mašīnai — ātrāk, nekā jebkurš operators varētu iejaukties. Process tika pārbaudīts arī ar SinuTrain, Siemens programmatūras pakotni CNC programmēšanai, projektēšanai un simulācijai. Šī pieeja galu galā izrādījās visefektīvākā.

Divu sekunžu noteikuma izvēle ir apzināta. Tas ņem vērā gan Siemens kontroliera ārkārtīgi ātru reakcijas laiku, gan cilvēcisko faktoru. Ja ir klāt operators, simulētais attēls cieši saskaņo ar mašīnas faktisko stāvokli brīdī, kad tā novirza uzmanību no ekrāna uz fizisko instalāciju. Tajā pašā laikā sistēma nodrošina izšķirošu drošības slāni bezpilota mašīnām, kas darbojas autonomi vai nakti.

Lai gan sadursmju novēršanas sistēma šodien vēl nedarbojas ražošanā, ASCO redz skaidras nākotnes iespējas. Risinājums risina plaši izplatītu problēmu aviācijas un kosmosa rūpniecībā, kur daudzas mašīnas nav jaunākās paaudzes un kur sadursmes bojājumiem ir būtiska ietekme.

Tehnoloģiju apvienošana

Izstrādei studenti izmantoja plašu Siemens programmatūras kaudzi, tostarp NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain un Brown Field Connector vārteju, kas ļauj integrēt vecākas mašīnas. “Šī projekta stiprā puse un arī izaicinājums bija šo Siemens tehnoloģiju iespējamā kombinācija,” saka Jan Vereecke, Siemens servisa operāciju komandas vadītājs MC MTS. “Tieši savienojot NX CAM/Sinutrain, digitālo dvīņu un 840D sl kontrolieri, mēs varējām simulēt apstrādes procesu reāllaikā. Tas nozīmē, ka digital twin dvīņi darbojas ne tikai kā projektēšanas rīks, bet arī kā aktīvs drošības slānis ražošanas laikā. Tieši šī novatoriskā pieeja padarīja projektu īpaši izaicinošu un vienlaikus ļoti aktuālu studentiem: viņi strādāja ar vismodernākajām tehnoloģijām un redzēja, kā to kombinācija var atrisināt konkrētu rūpniecisko problēmu.”

Līdzradīšana Siemens Industry Academy ietvaros

Projekts lieliski saskan ar Siemens Industry Academy filozofiju, kas uzsver līdzradīšanu saistībā ar reāliem rūpniecības izaicinājumiem. Studentiem ir iespēja strādāt profesionālā kontekstā, vadoties gan akadēmisko ekspertu, gan nozares inženieru vadībā. Attiecībā uz ASCO pievienotā vērtība pārsniedza tīri tehnisko rezultātu. Iniciatīva nodrošināja vietu inovatīvu tehnoloģiju izpētei un novērtēšanai, neietekmējot notiekošo ražošanu, vienlaikus veidojot vērtīgas iekšējās zināšanas.

“Šis projekts lieliski parāda, kā mūsu sadarbība ar Siemens un akadēmisko pasauli palīdz mums skatīties uz priekšu,” norāda Mohamed El Hatri. “Studenti sniedz jaunu perspektīvu, mēs piedāvājam rūpniecisko pieredzi, un Siemens Industry Academy ietvaros mēs varam izpētīt inovatīvas idejas, neietekmējot mūsu pašreizējo ražošanu. Kopīgi izstrādājot pirmo koncepcijas pierādījumu, mēs veidojam zināšanas, iegūstam ieskatu jaunajās tehnoloģijās un varam pakāpeniski un pārdomāti tuvoties inovācijām. Šī sadarbība apstiprina, kā nozares, izglītības un tehnoloģiju partneri stiprina viens otru un kopā veido drošāku un gudrāku ražošanu aviācijas un kosmosa nozarē.”

Pašiem studentiem projekts bija tikpat vērtīgs. “Mēs strādājām ar tādu pašu programmatūru un apstākļiem kā reālā rūpnieciskā vidē. Tas padarīja projektu tehniski sarežģītu, bet arī īpaši izglītojošu. ASCO un Siemens norādījumi nodrošināja, ka mums pastāvīgi jādomā par to, kas ir iespējams un aktuāls praksē,” secina maģistrants Rohans Vits.