CNC-säkerhet genom Digital Twin

Två masterstudenter från KU Leuven utvecklade ett system för att undvika kollisioner i realtid för CNC-maskiner som en del av sitt examensarbete. Denna lovande lösning använder en digital twin för att förutsäga och automatiskt förhindra maskinkollisioner under produktionen, med direkt inverkan på kostnadskontroll, säkerhet och produktionskontinuitet.

ASCO har varit ett etablerat namn inom den internationella flygindustrin sedan 1954. Det belgiska företaget har varit en del av Montana Aerospace Group sedan 2022, som sysselsätter cirka 6 000 personer över hela världen. Med cirka 1 100 anställda i Belgien på fyra anläggningar, inklusive huvudkontoret i Zaventem, utvecklar och tillverkar ASCO komplexa mekaniska komponenter för flygplansvingar och landningsställ. Dessa komponenter tillverkas på toppmoderna CNC-maskiner som styrs av Siemens teknik, där precision och tillförlitlighet är avgörande.

Kollisioner: En industriell verklighet

Inom flygindustrin simuleras NC-program rutinmässigt i en digital twin innan de överförs från CAM till maskinen. Men risken för kollisioner kvarstår. Variationer i verktygslängd, avvikelser i arbetsstyckets nollpunkter eller mänskliga fel vid inmatning kan leda till kraschar under bearbetningen. Konsekvenserna är betydande, med potentiella skador på maskinen, arbetsstycket eller produktionsscheman som kan leda till att kostnaderna når tiotusentals euro.

”Mänskliga fel är oundvikliga i en komplex produktionsmiljö”, säger Mohamed El Hatri, Senior Lead Engineer på ASCO. ” En felaktig verktygslängd eller manuell manövrering via jogläge kan vara tillräckligt för att orsaka en allvarlig krasch. Vi letade därför efter ett sätt att aktivt hantera den risken, inte bara i förväg utan också under själva bearbetningsprocessen. Inom flygindustrin arbetar vi med extremt dyra och komplexa CNC-maskiner. En spindel ensam i en sådan CNC-maskin kan kosta mer än 100 000 euro. Trots omfattande simuleringar i förväg är kollisioner fortfarande möjliga på grund av mindre variationer eller mänskliga fel. Vi ville inte bara begränsa den risken, utan också aktivt kontrollera den under själva bearbetningsprocessen.”

Två sekunder framåt

Denna konkreta utmaning blev utgångspunkten för ett samarbete mellan Siemens Industry Academy, Aerospace Machining Academy och ASCO, där två KU Leuven-masterstudenter utvecklade en innovativ lösning. Projektet, som pågick från oktober 2023 till slutet av läsåret 2024-2025, fokuserade på att utveckla ett system som simulerar bearbetningsprocessen i realtid två sekunder i förväg. Först skapades en digital twin av maskinen med hjälp av Siemens NX CAM och NX MCD, som kontinuerligt kommunicerar med Siemens 840D sl-maskinstyrenheten. Om systemet upptäcker en potentiell kollision skickar det automatiskt en stoppsignal till maskinen — snabbare än någon operatör någonsin skulle kunna ingripa. Processen testades också med SinuTrain, Siemens mjukvarupaket för CNC-programmering, design och simulering. Detta tillvägagångssätt visade sig i slutändan vara det mest effektiva.

Valet av tvåsekundersregeln är avsiktligt. Det står för både den extremt snabba reaktionstiden för Siemens-styrenheten och den mänskliga faktorn. Om en operatör är närvarande är den simulerade bilden nära i linje med maskinens faktiska tillstånd när de flyttar sin uppmärksamhet från skärmen till den fysiska installationen. Samtidigt ger systemet ett avgörande säkerhetslager för obemannade maskiner som arbetar autonomt eller över natten.

Även om systemet för att undvika kollisioner ännu inte är i drift idag ser ASCO tydliga framtida möjligheter. Lösningen tar itu med ett utbrett problem inom flygindustrin, där många maskiner inte är av den senaste generationen och där kollisionsskador har betydande inverkan.

Kombinera teknik

För utvecklingen använde studenterna en bred Siemens-programvarustack, inklusive NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain och Brown Field Connector gateway, som möjliggör integration av äldre maskiner. ”Styrkan — och även utmaningen — med detta projekt låg i den möjliga kombinationen av dessa Siemens teknologier”, säger Jan Vereecke, Service Operations Team Leader MC MTS på Siemens. ”Genom att direkt ansluta NX CAM/SinuTrain, den digitala tvillingen och 840D sl-styrenheten, kunde vi simulera bearbetningsprocessen i realtid. Detta innebär att den digitala tvillingen fungerar inte bara som ett designverktyg utan också som ett aktivt säkerhetslager under produktionen. Det var just detta innovativa tillvägagångssätt som gjorde projektet särskilt utmanande och samtidigt mycket relevant för studenterna: de arbetade med toppmodern teknik och såg hur dess kombination kan lösa ett konkret industriellt problem.

Samskapande inom Siemens Industry Academy

Projektet överensstämmer perfekt med filosofin från Siemens Industry Academy, som betonar samskapande kring verkliga industriella utmaningar. Studenter har möjlighet att arbeta i ett professionellt sammanhang, styrd av både akademiska experter och ingenjörer från industrin. För ASCO sträckte sig mervärdet utöver det rent tekniska resultatet. Initiativet gav utrymme för att utforska och utvärdera innovativ teknik utan att påverka den pågående produktionen, samtidigt som värdefull intern kunskap byggs upp.

”Det här projektet visar perfekt hur vårt samarbete med Siemens och den akademiska världen hjälper oss att se framåt”, säger Mohamed El Hatri. ”Studenter ger ett nytt perspektiv, vi tar med oss industriell erfarenhet och inom Siemens Industry Academy kan vi utforska innovativa idéer utan att påverka vår pågående produktion. Genom att utveckla ett första bevis på konceptet tillsammans bygger vi kunskap, får insikt i ny teknik och kan närma oss innovation på ett stegvis och genomtänkt sätt. Detta samarbete bekräftar hur industri-, utbildnings- och teknikpartners stärker varandra — och tillsammans bygger säkrare och smartare produktion inom flyg- och rymdindustrin.

För studenterna själva var projektet lika värdefullt. ” Vi arbetade med samma programvara och villkor som i en verklig industriell miljö. Det gjorde projektet tekniskt utmanande, men också särskilt lärorikt. Vägledningen från ASCO och Siemens säkerställde att vi hela tiden var tvungna att tänka på vad som är genomförbart och relevant i praktiken, avslutar masterstudenten Rohan Vits.