Bezpieczeństwo CNC dzięki Digital Twin

Dwóch studentów studiów magisterskich z KU Leuven opracowało system unikania kolizji w czasie rzeczywistym dla maszyn CNC w ramach pracy dyplomowej. To obiecujące rozwiązanie wykorzystuje digital twin do przewidywania i automatycznego zapobiegania kolizjom maszyn podczas produkcji, z bezpośrednim wpływem na kontrolę kosztów, bezpieczeństwo i ciągłość produkcji.

ASCO jest uznaną nazwą w międzynarodowym przemyśle lotniczym od 1954 roku. Belgijska firma jest częścią Montana Aerospace Group od 2022 roku, która zatrudnia około 6000 osób na całym świecie. Zatrudniając około 1100 pracowników w Belgii w czterech zakładach, w tym w swojej siedzibie w Zaventem, ASCO opracowuje i produkuje złożone komponenty mechaniczne do skrzydeł samolotów i podwozia. Komponenty te są produkowane na najnowocześniejszych maszynach CNC sterowanych technologią Siemens, gdzie precyzja i niezawodność mają kluczowe znaczenie.

Kolizje: rzeczywistość przemysłowa

W produkcji lotniczej programy NC są rutynowo symulowane w cyfrowym bliźniaku przed przeniesieniem z CAM do maszyny. Ryzyko kolizji pozostaje jednak nadal. Różnice długości narzędzia, odchylenia w punktach zerowych przedmiotu obrabianego lub błędy ludzkie podczas wprowadzania mogą prowadzić do awarii podczas obróbki. Konsekwencje są znaczące, z potencjalnym uszkodzeniem maszyny, przedmiotu obrabianego lub harmonogramów produkcji, które mogą skutkować kosztami sięgającymi dziesiątek tysięcy euro.

„Błędy ludzkie są nieuniknione w złożonym środowisku produkcyjnym” - mówi Mohamed El Hatri, starszy główny inżynier w ASCO. „Nieprawidłowo wprowadzona długość narzędzia lub ręczna obsługa w trybie joggingu może wystarczyć, aby spowodować poważną awarię. Dlatego szukaliśmy sposobu na aktywne zarządzanie tym ryzykiem, nie tylko wcześniej, ale także podczas samego procesu obróbki skrawaniem. W produkcji lotniczej pracujemy z niezwykle drogimi i złożonymi maszynami CNC. Samo wrzeciono w takiej maszynie CNC może kosztować ponad 100 000 euro. Pomimo wcześniejszych rozległych symulacji, kolizje pozostają możliwe z powodu drobnych zmian lub błędów ludzkich. Chcieliśmy nie tylko ograniczyć to ryzyko, ale także aktywnie je kontrolować podczas samego procesu obróbki.

Dwie sekundy do przodu

To konkretne wyzwanie stało się punktem wyjścia do współpracy między Siemens Industry Academy, Aerospace Machining Academy i ASCO, przy czym dwóch studentów studiów magisterskich KU Leuven opracowało innowacyjne rozwiązanie. Projekt, który trwał od października 2023 r. do końca roku akademickiego 2024-2025, skupiał się na opracowaniu systemu symulującego proces obróbki w czasie rzeczywistym z dwusekundowym wyprzedzeniem. Najpierw stworzono digital twin maszyny przy użyciu Siemens NX CAM i NX MCD, który stale komunikuje się ze sterownikiem maszyny Siemens 840D sl. Jeśli system wykryje potencjalną kolizję, automatycznie wysyła sygnał zatrzymania do maszyny — szybciej niż jakikolwiek operator mógłby kiedykolwiek zainterweniować. Proces ten został również przetestowany za pomocą SinuTrain, pakietu oprogramowania Siemens do programowania, projektowania i symulacji CNC. Takie podejście ostatecznie okazało się najbardziej efektywne.

Wybór reguły dwóch sekund jest celowy. Odpowiada zarówno za niezwykle szybki czas reakcji kontrolera Siemens, jak i czynnik ludzki. Jeśli operator jest obecny, symulowany obraz jest ściśle zgodny z rzeczywistym stanem maszyny w momencie, gdy przesuwa swoją uwagę z ekranu na instalację fizyczną. Jednocześnie system zapewnia kluczową warstwę bezpieczeństwa dla maszyn bezzałogowych pracujących autonomicznie lub z dnia na dzień.

Chociaż system unikania kolizji nie działa jeszcze w produkcji, ASCO widzi wyraźne szanse na przyszłość. Rozwiązanie rozwiązuje powszechny problem w przemyśle lotniczym, gdzie wiele maszyn nie jest najnowszej generacji i gdzie uszkodzenia spowodowane kolizją mają znaczący wpływ.

Łączenie technologii

Do opracowania studenci wykorzystali szeroki stos oprogramowania Siemens, w tym NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain i bramę Brown Field Connector, która umożliwia integrację starszych maszyn. „Siłą i wyzwaniem tego projektu było możliwe połączenie tych technologii Siemens” — mówi Jan Vereecke, kierownik zespołu operacyjnego MC MTS w firmie Siemens. „Poprzez bezpośrednie połączenie NX CAM/Sinutrain, cyfrowego bliźniaka i sterownika 840D sl, byliśmy w stanie symulować proces obróbki w czasie rzeczywistym. Oznacza to, że digital twin działa nie tylko jako narzędzie projektowe, ale także jako aktywna warstwa bezpieczeństwa podczas produkcji. To właśnie to innowacyjne podejście sprawiło, że projekt był szczególnie trudny, a jednocześnie bardzo istotny dla studentów: pracowali z najnowocześniejszymi technologiami i zobaczyli, w jaki sposób ich połączenie może rozwiązać konkretny problem przemysłowy.

Współtworzenie w ramach Akademii Przemysłowej Siemens

Projekt doskonale wpisuje się w filozofię Siemens Industry Academy, która kładzie nacisk na współtworzenie wokół prawdziwych wyzwań przemysłowych. Studenci mają możliwość pracy w kontekście zawodowym, kierując się zarówno ekspertami akademickimi, jak i inżynierami z branży. W przypadku ASCO wartość dodana wykraczała poza wynik czysto techniczny. Inicjatywa zapewniła przestrzeń do eksploracji i oceny innowacyjnych technologii bez wpływu na bieżącą produkcję, jednocześnie budując cenną wiedzę wewnętrzną.

„Ten projekt doskonale pokazuje, w jaki sposób nasza współpraca z Siemensem i światem akademickim pomaga nam patrzeć w przyszłość” - mówi Mohamed El Hatri. „Studenci wnoszą nową perspektywę, dostarczamy doświadczenie przemysłowe, a w ramach Akademii Przemysłowej Siemens możemy odkrywać innowacyjne pomysły bez wpływu na naszą bieżącą produkcję. Wspólnie opracowując pierwszy dowód koncepcji, budujemy wiedzę, zdobywamy wgląd w nowe technologie i możemy podejść do innowacji w sposób etapowy i przemyślany. Ta współpraca potwierdza, w jaki sposób partnerzy przemysłowi, edukacji i technologii wzmacniają się nawzajem i wspólnie budują bezpieczniejszą i inteligentniejszą produkcję w sektorze lotniczym.

Dla samych uczniów projekt był równie cenny. „Pracowaliśmy z tym samym oprogramowaniem i warunkami, co w prawdziwym środowisku przemysłowym. To sprawiło, że projekt był trudny technicznie, ale także szczególnie edukacyjny. Wskazówki ASCO i Siemens sprawiły, że musimy stale myśleć o tym, co jest wykonalne i istotne w praktyce” - podsumowuje Rohan Vits student magistra.