An toàn CNC thông qua Digital Twin

Hai sinh viên thạc sĩ từ KU Leuven đã phát triển một hệ thống tránh va chạm thời gian thực cho các máy CNC như một phần của công việc luận án của họ. Giải pháp đầy hứa hẹn này sử dụng kỹ thuật số twin để dự đoán và tự động ngăn ngừa va chạm máy trong quá trình sản xuất, với tác động trực tiếp đến kiểm soát chi phí, an toàn và tính liên tục sản xuất.

ASCO là một cái tên được thành lập trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ quốc tế từ năm 1954. Công ty Bỉ là một phần của Tập đoàn Hàng không Vũ trụ Montana từ năm 2022, có khoảng 6.000 nhân viên trên toàn thế giới. Với khoảng 1.100 nhân viên tại Bỉ tại bốn địa điểm, bao gồm trụ sở chính tại Zaventem, ASCO phát triển và sản xuất các thành phần cơ khí phức tạp cho cánh máy bay và thiết bị hạ cánh. Các thành phần này được sản xuất trên các máy CNC hiện đại được điều khiển bởi công nghệ Siemens, trong đó độ chính xác và độ tin cậy là rất quan trọng.

Va chạm: Một thực tế công nghiệp

Trong sản xuất hàng không vũ trụ, các chương trình NC thường được mô phỏng trong một chiếc digital twin trước khi được chuyển từ CAM sang máy. Tuy nhiên, nguy cơ va chạm vẫn còn. Sự thay đổi về chiều dài công cụ, độ lệch trong điểm 0 của phôi hoặc lỗi của con người trong quá trình nhập liệu có thể dẫn đến sự cố trong quá trình gia công. Hậu quả rất đáng kể, với thiệt hại tiềm ẩn đối với máy, phôi hoặc lịch trình sản xuất có thể dẫn đến chi phí lên tới hàng chục nghìn euro.

Mohamed El Hatri, Kỹ sư trưởng cấp cao tại ASCO cho biết: “Lỗi của con người là không thể tránh khỏi trong một môi trường sản xuất phức tạp. “Độ dài dụng cụ được nhập không chính xác hoặc thao tác thủ công thông qua chế độ chạy bộ có thể đủ để gây ra sự cố nghiêm trọng. Do đó, chúng tôi đã tìm cách chủ động quản lý rủi ro đó, không chỉ trước mà còn trong quá trình gia công. Trong sản xuất hàng không vũ trụ, chúng tôi làm việc với các máy CNC cực kỳ đắt tiền và phức tạp. Chỉ riêng một trục chính trong một máy CNC như vậy có thể có giá hơn 100.000 euro. Mặc dù các mô phỏng rộng rãi trước đó, va chạm vẫn có thể xảy ra do các biến thể nhỏ hoặc lỗi của con người. Chúng tôi không chỉ muốn hạn chế rủi ro đó mà còn tích cực kiểm soát nó trong quá trình gia công.”

Hai giây phía trước

Thách thức cụ thể này đã trở thành điểm khởi đầu cho sự hợp tác giữa Học viện Công nghiệp Siemens, Học viện Gia công Hàng không Vũ trụ và ASCO, với hai sinh viên thạc sĩ KU Leuven phát triển một giải pháp sáng tạo. Dự án, kéo dài từ tháng 10 năm 2023 đến cuối năm học 2024-2025, tập trung vào việc phát triển một hệ thống mô phỏng quá trình gia công trong thời gian thực trước hai giây. Đầu tiên, một chiếc digital twin của máy được tạo ra bằng cách sử dụng Siemens NX CAM và NX MCD, liên tục giao tiếp với bộ điều khiển máy Siemens 840D sl. Nếu hệ thống phát hiện ra một vụ va chạm tiềm ẩn, nó sẽ tự động gửi tín hiệu dừng đến máy — nhanh hơn bất kỳ người vận hành nào có thể can thiệp. Quá trình này cũng được thử nghiệm với SinuTrain, gói phần mềm của Siemens để lập trình, thiết kế và mô phỏng CNC. Cách tiếp cận này cuối cùng đã được chứng minh là hiệu quả nhất.

Việc lựa chọn quy tắc hai giây là có chủ ý. Nó chiếm cả thời gian phản ứng cực nhanh của bộ điều khiển Siemens và yếu tố con người. Nếu người vận hành có mặt, hình ảnh mô phỏng phù hợp chặt chẽ với trạng thái thực tế của máy tại thời điểm họ chuyển sự chú ý của họ từ màn hình sang cài đặt vật lý. Đồng thời, hệ thống cung cấp một lớp an toàn quan trọng cho các máy không người lái hoạt động tự động hoặc qua đêm.

Mặc dù hệ thống tránh va chạm vẫn chưa hoạt động trong sản xuất hiện nay, ASCO nhìn thấy những cơ hội rõ ràng trong tương lai. Giải pháp giải quyết một vấn đề phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, nơi nhiều máy móc không thuộc thế hệ mới nhất và nơi thiệt hại do va chạm có tác động đáng kể.

Kết hợp công nghệ

Để phát triển, các sinh viên đã sử dụng một ngăn xếp phần mềm rộng lớn của Siemens, bao gồm NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain và cổng kết nối Brown Field, cho phép tích hợp các máy cũ hơn. Jan Vereecke, Trưởng nhóm vận hành dịch vụ MC MTS tại Siemens cho biết: “Sức mạnh và cũng là thách thức của dự án này nằm ở sự kết hợp khả thi của các công nghệ này của Siemens. “Bằng cách kết nối trực tiếp NX CAM/Sinutrain, digital twin và bộ điều khiển 840D sl, chúng tôi có thể mô phỏng quá trình gia công trong thời gian thực. Điều này có nghĩa là kỹ thuật số twin không chỉ hoạt động như một công cụ thiết kế mà còn là một lớp an toàn tích cực trong quá trình sản xuất. Chính cách tiếp cận sáng tạo này đã làm cho dự án trở nên đặc biệt khó khăn và đồng thời rất phù hợp với sinh viên: họ đã làm việc với công nghệ tiên tiến và thấy cách kết hợp nó có thể giải quyết một vấn đề công nghiệp cụ thể.

Đồng sáng tạo trong Học viện Công nghiệp Siemens

Dự án phù hợp hoàn hảo với triết lý của Học viện Công nghiệp Siemens, trong đó nhấn mạnh sự đồng sáng tạo xung quanh những thách thức công nghiệp thực sự. Sinh viên có cơ hội làm việc trong một bối cảnh chuyên nghiệp, được hướng dẫn bởi cả các chuyên gia học thuật và kỹ sư từ ngành công nghiệp. Đối với ASCO, giá trị gia tăng vượt ra ngoài kết quả kỹ thuật thuần túy. Sáng kiến này cung cấp không gian để khám phá và đánh giá các công nghệ tiên tiến mà không ảnh hưởng đến sản xuất liên tục, đồng thời xây dựng kiến thức nội bộ có giá trị.

“Dự án này thể hiện một cách hoàn hảo sự hợp tác của chúng tôi với Siemens và thế giới học thuật giúp chúng tôi nhìn về phía trước như thế nào”, Mohamed El Hatri nói. “Sinh viên mang đến một góc nhìn mới mẻ, chúng tôi mang đến kinh nghiệm công nghiệp và trong Học viện Công nghiệp Siemens, chúng tôi có thể khám phá những ý tưởng sáng tạo mà không ảnh hưởng đến quá trình sản xuất liên tục của chúng tôi. Bằng cách cùng nhau phát triển một bằng chứng đầu tiên về khái niệm, chúng tôi xây dựng kiến thức, có được cái nhìn sâu sắc về các công nghệ mới và có thể tiếp cận đổi mới theo từng giai đoạn và chu đáo. Sự hợp tác này khẳng định cách các đối tác trong ngành công nghiệp, giáo dục và công nghệ củng cố lẫn nhau — và cùng nhau xây dựng sản xuất an toàn hơn, thông minh hơn trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.

Đối với bản thân các sinh viên, dự án cũng có giá trị không kém. “Chúng tôi đã làm việc với cùng một phần mềm và điều kiện như trong một môi trường công nghiệp thực sự. Điều đó làm cho dự án trở nên khó khăn về mặt kỹ thuật, nhưng cũng đặc biệt mang tính giáo dục. Hướng dẫn từ ASCO và Siemens đảm bảo rằng chúng tôi liên tục phải suy nghĩ về những gì khả thi và phù hợp trong thực tế”, sinh viên thạc sĩ Rohan Vits kết luận.