CNC varnost prek Digital Twin

Dva magistrska študenta iz KU Leuven sta v okviru diplomskega dela razvila sistem za izogibanje trkom v realnem času za CNC stroje. Ta obetavna rešitev uporablja digital twin za napovedovanje in samodejno preprečevanje trkov strojev med proizvodnjo, kar neposredno vpliva na nadzor stroškov, varnost in kontinuiteto proizvodnje.

ASCO je uveljavljeno ime v mednarodni vesoljski industriji od leta 1954. Belgijsko podjetje je od leta 2022 del Montana Aerospace Group, ki zaposluje približno 6000 ljudi po vsem svetu. Z približno 1.100 zaposlenimi v Belgiji na štirih lokacijah, vključno s sedežem v Zaventemu, ASCO razvija in proizvaja kompleksne mehanske komponente za letalska krila in podvozje. Te komponente so izdelane na najsodobnejših CNC strojih, ki jih nadzoruje Siemens tehnologija, kjer sta natančnost in zanesljivost ključnega pomena.

Trki: industrijska resničnost

V vesoljski proizvodnji se programi NC rutinsko simulirajo v digital twin dvojčku, preden se prenesejo iz CAM na stroj. Kljub temu tveganje trkov ostaja. Spremembe dolžine orodja, odstopanja v ničelnih točkah obdelovanca ali človeške napake med vnosom lahko povzročijo zrušitve med obdelavo. Posledice so velike, z možnimi poškodbami stroja, obdelovanca ali urnikov proizvodnje, zaradi česar lahko stroški dosežejo več deset tisoč evrov.

»Človeške napake so neizogibne v kompleksnem proizvodnem okolju,« pravi Mohamed El Hatri, višji vodilni inženir pri ASCO. »Nepravilno vnesena dolžina orodja ali ročno delovanje prek načina teka je lahko dovolj, da povzroči resno trčenje. Zato smo iskali način za aktivno obvladovanje tega tveganja, ne le vnaprej, ampak tudi med samim postopkom obdelave. V vesoljski proizvodnji delamo z izjemno dragimi in zapletenimi CNC stroji. Samo vreteno v takšnem CNC stroju lahko stane več kot 100.000 evrov. Kljub predhodnim obsežnim simulacijam trki ostajajo možni zaradi manjših sprememb ali človeških napak. Želeli smo ne le omejiti tega tveganja, ampak ga aktivno nadzorovati med samim postopkom obdelave.«

Dve sekundi naprej

Ta konkreten izziv je postal izhodišče za sodelovanje med Siemens Industry Academy, Aerospace Machining Academy in ASCO, pri čemer sta dva magistrska študenta KU Leuven razvila inovativno rešitev. Projekt, ki je potekal od oktobra 2023 do konca študijskega leta 2024-2025, se je osredotočil na razvoj sistema, ki dve sekundi vnaprej simulira postopek obdelave v realnem času. Najprej je bil ustvarjen digital twin stroja z uporabo Siemens NX CAM in NX MCD, ki neprekinjeno komunicira s krmilnikom stroja Siemens 840D sl. Če sistem zazna morebiten trk, stroju samodejno pošlje signal za zaustavitev — hitreje, kot bi lahko posredoval kateri koli operater. Postopek je bil preizkušen tudi s programskim paketom SinuTrain, Siemens za CNC programiranje, oblikovanje in simulacijo. Ta pristop se je na koncu izkazal za najučinkovitejšega.

Izbira pravila dveh sekund je namerna. Upošteva tako izjemno hiter reakcijski čas Siemensovega krmilnika kot človeški dejavnik. Če je prisoten upravljavec, je simulirana slika tesno usklajena z dejanskim stanjem stroja v trenutku, ko svojo pozornost preusmeri z zaslona na fizično namestitev. Hkrati sistem zagotavlja ključni varnostni sloj za brezpilotne stroje, ki delujejo avtonomno ali čez noč.

Čeprav sistem za preprečevanje trkov danes še ne deluje v proizvodnji, ASCO vidi jasne prihodnje priložnosti. Rešitev obravnava razširjen problem v vesoljski industriji, kjer številni stroji niso najnovejše generacije in kjer ima škoda pri trčenju velik vpliv.

Združevanje tehnologij

Za razvoj so študenti uporabili širok Siemensov sklop programske opreme, vključno z NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain in prehodom Brown Field Connector, ki omogoča integracijo starejših strojev. »Moč in tudi izziv tega projekta je možna kombinacija teh Siemensovih tehnologij,« pravi Jan Vereecke, vodja ekipe za servisne operacije MC MTS pri Siemensu. »Z neposrednim povezovanjem digital twin dvojčka NX CAM/Sinutrain in krmilnika 840D sl smo lahko simulirali postopek obdelave v realnem času. To pomeni, da digital twin ne deluje le kot orodje za oblikovanje, ampak tudi kot aktivna varnostna plast med proizvodnjo. Prav zaradi tega inovativnega pristopa je projekt postal še posebej zahteven in hkrati zelo pomemben za študente: delali so z najsodobnejšo tehnologijo in videli, kako lahko njena kombinacija reši konkreten industrijski problem.«

Sodelovanje znotraj Siemens industrijske akademije

Projekt se popolnoma ujema s filozofijo Siemensove industrijske akademije, ki poudarja soustvarjanje okoli resničnih industrijskih izzivov. Študenti imajo priložnost delati v strokovnem kontekstu, ki ga vodijo tako akademski strokovnjaki kot inženirji iz industrije. Za ASCO je dodana vrednost presegla čisto tehnični rezultat. Pobuda je zagotovila prostor za raziskovanje in vrednotenje inovativnih tehnologij, ne da bi vplivala na tekočo proizvodnjo, hkrati pa gradila dragoceno notranje znanje.

»Ta projekt odlično dokazuje, kako nam naše sodelovanje s Siemensom in akademskim svetom pomaga gledati naprej,« pravi Mohamed El Hatri. »Študenti prinašajo svežo perspektivo, prinašamo industrijske izkušnje, znotraj Siemensove industrijske akademije pa lahko raziskujemo inovativne ideje, ne da bi to vplivalo na našo tekočo proizvodnjo. S skupnim razvojem prvega dokaza koncepta gradimo znanje, pridobimo vpogled v nove tehnologije in lahko postopno in premišljeno pristopimo k inovacijam. To sodelovanje potrjuje, kako partnerji v industriji, izobraževanju in tehnologiji krepijo drug drugega in skupaj gradijo varnejšo in pametnejšo proizvodnjo v vesoljskem sektorju.

Za same študente je bil projekt enako dragocen. »Delali smo z enako programsko opremo in pogoji kot v resničnem industrijskem okolju. Zaradi tega je bil projekt tehnično zahteven, a tudi še posebej poučen. Smernice ASCO in Siemensa so zagotovile, da smo morali nenehno razmišljati o tem, kaj je izvedljivo in relevantno v praksi, »zaključuje študent magistra Rohan Vits.