通过 Digital Twin 实现数控安全

作为论文工作的一部分，来自鲁汶大学的两名硕士生为数控机床开发了实时防撞系统。这种前景看好的解决方案使用digital twin来预测并自动防止生产过程中的机器碰撞，直接影响成本控制、安全和生产连续性。

自1954年以来，ASCO一直是国际航空航天业的知名品牌。这家比利时公司自2022年以来一直是蒙大拿航空航天集团的一部分，该集团在全球拥有约6,000名员工。ASCO在比利时拥有约1,100名员工，分布在包括扎文腾总部在内的四个地点，为飞机机翼和起落架开发和制造复杂的机械部件。这些组件是在由西门子技术控制的最先进的数控机床上生产的，精度和可靠性至关重要。

碰撞：工业现实

在航空生产中，通常在 digital twin 中对数控程序进行模拟，然后再从 CAM 传输到机器。然而，碰撞的风险仍然存在。刀具长度的变化、工件零点的偏差或输入时的人为错误都可能导致加工过程中的碰撞。后果是巨大的，可能对机器、工件或生产计划造成损害，从而导致成本高达数万欧元。

ASCO高级首席工程师穆罕默德·埃尔哈特里说：“在复杂的生产环境中，人为错误是不可避免的。“错误输入刀具长度或通过点动模式进行手动操作可能足以导致严重的碰撞。因此，我们寻找了一种方法来积极管理这种风险，不仅在事先进行风险管理，而且在加工过程本身也是如此。在航空航天生产中，我们使用极其昂贵和复杂的数控机床。在这样的数控机床中，仅一根主轴就可能花费超过100,000欧元。尽管事先进行了大量模拟，但由于细微的变化或人为失误，仍然有可能发生碰撞。我们不仅想限制这种风险，还想在加工过程中积极控制风险。”

提前两秒钟

这一具体挑战成为西门子工业学院、航空航天加工学院和ASCO合作的起点，两名鲁汶大学的硕士生开发了创新解决方案。该项目从2023年10月持续到2024-2025学年末，重点是开发一种提前两秒钟实时模拟加工过程的系统。首先，该机器的数字双胞胎是使用西门子 NX CAM 和 NX MCD 创建的，它们与西门子 840D sl 机器控制器持续通信。如果系统检测到潜在的碰撞，它会自动向机器发送停止信号，比任何操作员干预的速度都要快。该过程还使用西门子用于数控编程、设计和仿真的软件包SinuTrain进行了测试。这种方法最终被证明是最有效的。

两秒规则的选择是经过深思熟虑的。它既是Siemens控制器极快的反应时间的原因，也是人为因素造成的。如果操作员在场，则模拟图像与机器将注意力从屏幕转移到物理安装时机器的实际状态非常吻合。同时，该系统为自主运行或夜间运行的无人机提供了至关重要的安全层。

尽管防撞系统目前尚未投入生产，但ASCO看到了明显的未来机遇。该解决方案解决了航空航天业中普遍存在的问题，其中许多机器不是最新一代的，碰撞损坏会产生重大影响。

组合技术

在开发过程中，学生使用了广泛的西门子软件堆栈，包括NX CAM、NX MCD、NX Open、SinuTrain和支持集成旧机器的Brown Field Connector网关。西门子服务运营团队负责人MC MTS扬·韦雷克说：“该项目的优势和挑战在于这些西门子技术的可能组合。”“通过直接连接 NX Cam/SinuTrain、digital twin 和 840D sl 控制器，我们得以实时仿真加工过程。这意味着digital twin不仅可以用作设计工具，还可以在生产过程中充当主动安全层。正是这种创新的方法使该项目变得特别具有挑战性，同时也与学生息息相关：他们使用了最先进的技术，并看到了其组合如何解决具体的工业问题。”

在 Siemens 工业学院内共同创作

该项目完全符合西门子工业学院的理念，该学院强调围绕实际工业挑战共同创造。学生有机会在学术专家和行业工程师的指导下，在专业环境中工作。对于ASCO而言，附加值不仅限于纯粹的技术结果。该计划为在不影响当前生产的情况下探索和评估创新技术提供了空间，同时积累了宝贵的内部知识。

穆罕默德·哈特里说：“这个项目完美地展示了我们与西门子和学术界的合作如何帮助我们展望未来。”“学生带来了全新的视角，我们带来了行业经验，在西门子工业学院内，我们可以在不影响正在进行的生产的情况下探索创新想法。通过共同开发第一个概念验证，我们可以积累知识，深入了解新技术，并能够以分阶段和深思熟虑的方式进行创新。这种合作证实了工业、教育和技术合作伙伴如何相互加强，并共同在航空航天领域建立更安全、更智能的生产。”

对于学生自己来说，这个项目同样有价值。“我们使用的软件和条件与在真实的工业环境中相同。这使得该项目在技术上具有挑战性，但也特别具有教育意义。ASCO和Siemens的指导确保了我们必须不断思考在实践中什么是可行和相关的，” 硕士生罗汉·维茨总结道。