Безпека з ЧПУ через Digital Twin

Два студенти магістра з KU Leuven розробили систему запобігання зіткнень у режимі реального часу для верстатів з ЧПУ в рамках своєї дипломної роботи. Це перспективне рішення використовує digital twin для прогнозування та автоматичного запобігання зіткнень машин під час виробництва, що безпосередньо впливає на контроль витрат, безпеку та безперервність виробництва.

ASCO є відомою назвою в міжнародній аерокосмічній промисловості з 1954 року. Бельгійська компанія є частиною Montana Aerospace Group з 2022 року, в якій працює близько 6000 чоловік по всьому світу. Маючи близько 1100 співробітників у Бельгії на чотирьох майданчиках, включаючи штаб-квартиру в Завентемі, ASCO розробляє та виробляє складні механічні компоненти для крил літаків та шасі. Ці компоненти виробляються на найсучасніших верстатах з ЧПУ, керованих технологією Siemens, де точність і надійність мають вирішальне значення.

Зіткнення: промислова реальність

У аерокосмічному виробництві програми NC регулярно моделюються в digital twin перед передачею з CAM на машину. Проте ризик зіткнень залишається. Варіації довжини інструменту, відхилення нульових точок заготовки або людські помилки під час введення можуть призвести до аварій під час обробки. Наслідки значні, з потенційним пошкодженням машини, заготовки або графіків виробництва, що може призвести до витрат, що досягають десятків тисяч євро.

«Людські помилки неминучі у складному виробничому середовищі», - говорить Мохамед Ель Хатрі, старший провідний інженер ASCO. «Неправильно введена довжина інструменту або ручна робота в режимі бігу може бути достатньо, щоб спричинити серйозну аварію. Тому ми шукали спосіб активного управління цим ризиком не тільки заздалегідь, але й під час самого процесу обробки. В аерокосмічному виробництві ми працюємо з надзвичайно дорогими і складними верстатами з ЧПУ. Один тільки шпиндель в такому верстаті з ЧПУ може коштувати більше 100 000 євро. Незважаючи на широке моделювання заздалегідь, зіткнення залишаються можливими через незначні зміни або людські помилки. Ми хотіли не тільки обмежити цей ризик, але й активно контролювати його під час самого процесу обробки».

Дві секунди вперед

Цей конкретний виклик став відправною точкою для співпраці між промисловою академією Siemens, Академією аерокосмічної обробки та ASCO, де два студенти магістра KU Leuven розробили інноваційне рішення. Проект, який тривав з жовтня 2023 року до кінця 2024-2025 навчального року, був зосереджений на розробці системи, яка імітує процес обробки в режимі реального часу за дві секунди наперед. Спочатку був створений цифровий близнюк машини за допомогою Siemens NX CAM і NX MCD, який безперервно спілкується з контролером машини Siemens 840D sl. Якщо система виявляє потенційне зіткнення, вона автоматично надсилає сигнал зупинки на машину - швидше, ніж будь-який оператор міг би втрутитися. Процес також був протестований за допомогою SinuTrain, програмного пакету Siemens для програмування, проектування та моделювання з ЧПУ. Цей підхід в кінцевому підсумку виявився найбільш ефективним.

Вибір правила двох секунд є обдуманим. Це пояснює як надзвичайно швидкий час реакції контролера Siemens, так і людський фактор. Якщо присутній оператор, імітоване зображення тісно узгоджується з фактичним станом машини в той момент, коли вони переводять свою увагу з екрану на фізичну установку. У той же час система забезпечує важливий рівень безпеки для безпілотних машин, що працюють автономно або протягом ночі.

Хоча система запобігання зіткненню ще не працює на виробництві сьогодні, ASCO бачить чіткі можливості в майбутньому. Рішення вирішує поширену проблему в аерокосмічній промисловості, де багато машин не є останнього покоління і де пошкодження від зіткнення мають значний вплив.

Комбінування технологій

Для розробки студенти використовували широкий пакет програмного забезпечення Siemens, включаючи NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain та шлюз Brown Field Connector, який дозволяє інтегрувати старі машини. «Сила, а також виклик, цього проекту полягала в можливому поєднанні цих технологій Siemens», — говорить Ян Вереке, керівник групи сервісних операцій MC MTS в Siemens. «Безпосередньо підключивши NX CAM/SinuTrain, digital twin та контролер 840D sl, ми змогли імітувати процес обробки в режимі реального часу. Це означає, що digital twin функціонує не тільки як інструмент проектування, але і як активний шар безпеки під час виробництва. Саме цей інноваційний підхід зробив проект особливо складним і, водночас, дуже актуальним для студентів: вони працювали з найсучаснішими технологіями і побачили, як їх поєднання може вирішити конкретну промислову проблему».

Спільне створення в рамках індустріальної академії Siemens

Проект ідеально узгоджується з філософією Індустріальної академії Siemens, яка підкреслює спільне створення навколо реальних промислових викликів. Студенти мають можливість працювати у професійному контексті, керуючись як академічними експертами, так і інженерами з промисловості. Для ASCO додана вартість виходила за межі суто технічного результату. Ініціатива надала простір для вивчення та оцінки інноваційних технологій без впливу на поточне виробництво, одночасно формуючи цінні внутрішні знання.

«Цей проект чудово демонструє, як наша співпраця з Siemens та академічним світом допомагає нам дивитися вперед», - говорить Мохамед Ель Хатрі. «Студенти приносять свіжу перспективу, ми приносимо промисловий досвід, і в рамках промислової академії Siemens ми можемо досліджувати інноваційні ідеї, не впливаючи на наше поточне виробництво. Розробляючи перший доказ концепції разом, ми будуємо знання, отримуємо уявлення про нові технології та можемо підходити до інновацій поетапно та продумано. Ця співпраця підтверджує, як промислові, освітні та технологічні партнери зміцнюють один одного і разом будують більш безпечне та розумне виробництво в аерокосмічному секторі».

Для самих студентів проект був однаково цінним. «Ми працювали з тим же програмним забезпеченням і умовами, що і в реальному промисловому середовищі. Це зробило проект технічно складним, але також особливо освітнім. Керівництво ASCO та Siemens гарантувало, що нам постійно доводилося думати про те, що можливо та актуально на практиці», - підсумовує студент магістра Рохан Вітс.