Безопасность ЧПУ с помощью Digital Twin

В рамках своей дипломной работы два магистранта из Лёвенского университета разработали систему предотвращения столкновений в реальном времени для станков с ЧПУ. В этом многообещающем решении используется цифровой двойник для прогнозирования и автоматического предотвращения столкновений машин во время производства, что напрямую влияет на контроль затрат, безопасность и непрерывность производства.

ASCO является признанным именем в международной аэрокосмической отрасли с 1954 года. Бельгийская компания входит в состав Montana Aerospace Group с 2022 года, в которой работает около 6000 человек по всему миру. Имея около 1100 сотрудников в Бельгии на четырех предприятиях, включая штаб-квартиру в Завентеме, ASCO разрабатывает и производит сложные механические компоненты для крыльев и шасси самолетов. Эти компоненты производятся на современных станках с ЧПУ, управляемых по технологии Siemens, где точность и надежность имеют решающее значение.

Коллизии: индустриальная реальность

В аэрокосмическом производстве программы ЧПУ обычно моделируются в цифровом двойнике перед передачей из CAM в машину. Тем не менее риск столкновений сохраняется. Изменения длины инструмента, отклонения в нулевых точках заготовки или человеческие ошибки во время ввода могут привести к авариям во время обработки. Последствия серьезны: возможно повреждение станка, заготовки или производственных графиков, что может привести к затратам до десятков тысяч евро.

«Человеческие ошибки неизбежны в сложных производственных условиях», — говорит Мохамед Эль Хатри, старший ведущий инженер ASCO. «Неправильно введенной длины инструмента или ручного управления в режиме пробежки может быть достаточно, чтобы привести к серьезной аварии. Поэтому мы искали способ активно управлять этим риском не только до начала, но и во время самого процесса обработки. В аэрокосмическом производстве мы работаем с чрезвычайно дорогими и сложными станками с ЧПУ. Один только шпиндель на таком станке с ЧПУ может стоить более 100 000 евро. Несмотря на предварительное тщательное моделирование, столкновения все еще возможны из-за незначительных изменений или человеческих ошибок. Мы хотели не только снизить этот риск, но и активно контролировать его в процессе обработки».

На две секунды впереди

Эта конкретная задача стала отправной точкой для сотрудничества между Промышленной академией Siemens, Академией аэрокосмической техники и ASCO, где два магистранта из Лёвенского университета разработали инновационное решение. Проект, который длился с октября 2023 года до конца 2024-2025 учебного года, был направлен на разработку системы, имитирующей процесс обработки в реальном времени за две секунды. Во-первых, цифровой двойник машины был создан с использованием Siemens NX CAM и NX MCD, который непрерывно взаимодействует с контроллером машины Siemens 840D sl. Если система обнаруживает потенциальное столкновение, она автоматически посылает машине сигнал остановки — быстрее, чем любой оператор может вмешаться. Процесс также был протестирован с помощью SinuTrain, пакета программного обеспечения Siemens для программирования, проектирования и моделирования ЧПУ. Этот подход в конечном итоге оказался наиболее эффективным.

Правило двух секунд выбрано обдуманно. Это объясняет как чрезвычайно быстрое время реакции контроллера Siemens, так и человеческий фактор. В присутствии оператора смоделированное изображение точно соответствует реальному состоянию машины в момент переключения внимания с экрана на физическую установку. В то же время система обеспечивает важнейший уровень безопасности для беспилотных машин, работающих автономно или в ночное время.

Хотя система предотвращения столкновений еще не запущена в производство, ASCO видит очевидные возможности в будущем. Это решение решает широко распространенную проблему в аэрокосмической промышленности, где многие машины не относятся к последнему поколению и где повреждения в результате столкновений оказывают значительное влияние.

Комбинирование технологий

Для разработки студенты использовали широкий программный стек Siemens, включая NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain и шлюз Brown Field Connector, который обеспечивает интеграцию старых машин. «Сила, а также сложность этого проекта заключаются в возможном сочетании этих технологий Siemens», — говорит Ян Верике, руководитель группы сервисных операций MC MTS в Siemens. «Благодаря прямому подключению цифрового двойника NX CAM/SinuTrain и контроллера 840D sl мы смогли смоделировать процесс обработки в реальном времени. Это означает, что digital twin функционирует не только как инструмент проектирования, но и как активный слой безопасности во время производства. Именно этот инновационный подход сделал проект особенно сложным и в то же время очень актуальным для студентов: они работали с новейшими технологиями и увидели, как их сочетание может решить конкретную промышленную проблему».

Совместное творчество в Отраслевой академии Siemens

Проект полностью соответствует философии Промышленной академии Siemens, в которой особое внимание уделяется совместному творчеству в решении реальных промышленных задач. Студенты имеют возможность работать в профессиональном контексте под руководством академических экспертов и инженеров из отрасли. Для ASCO добавленная стоимость вышла за рамки чисто технического результата. Эта инициатива предоставила возможность изучить и оценить инновационные технологии без ущерба для текущего производства и одновременно накопить ценные внутренние знания.

«Этот проект прекрасно демонстрирует, как наше сотрудничество с Siemens и академическим миром помогает нам смотреть в будущее», — говорит Мохамед Эль Хатри. «Студенты открывают новые горизонты, мы привносим производственный опыт, а в Отраслевой академии Siemens мы можем изучать инновационные идеи, не влияя на текущее производство. Совместно разрабатывая первую пробную версию концепции, мы накапливаем знания, изучаем новые технологии и можем подходить к инновациям поэтапно и вдумчиво. Это сотрудничество подтверждает, что отраслевые, образовательные и технологические партнеры укрепляют друг друга и вместе создают более безопасное и интеллектуальное производство в аэрокосмическом секторе».

Для самих студентов проект был не менее ценным. «Мы работали с тем же программным обеспечением и условиями, что и в реальной промышленной среде. Это сделало проект технически сложным, но в то же время особенно образовательным. Благодаря рекомендациям ASCO и Siemens нам постоянно приходилось думать о том, что реально и актуально на практике», — заключает магистрант Рохан Витс.