Obróbka skrawaniem CNC korzysta z cyfrowego bliźniaka

Obróbka skrawaniem CNC wykorzystuje w swojej codziennej pracy sterowane komputerowo maszyny numeryczne. Nie tak dawno, w ramach kolejnej już rewolucji technologicznej określanej mianem Przemysłu 4.0, opracowano innowacyjną technologię tzw. cyfrowego bliźniaka (Digital Twin). Najogólniej mówiąc jest to wirtualne odwzorowanie fizycznych komponentów, które służy do przeprowadzania symulacji m.in. właśnie poszczególnych procesów produkcyjnych związanych z obróbką CNC. Technologia ta wykorzystuje czujniki, kamery i inne wirtualne formy gromadzenia danych w chmurze. Może dotyczyć zarówno elementów składowych maszyn, środowiska w jakim pracują, materiałów czy produktów. Wszystko co istnieje realnie, może więc zostać przetworzone w formę cyfrową i nie ma praktycznie żadnego procesu produkcji, którego nie można by było symulować. Wprowadzenie do obróbki skrawaniem CNC cyfrowych bliźniaków umożliwia sprawdzanie poprawności działania rzeczywistych maszyn, poziomu zużycia części, a dzięki temu zapobieganie awariom i utrzymanie ciągłości produkcji. Wirtualny model interaktywnie aktualizuje się w stosunku do swojego fizycznego odpowiednika, dzięki czemu może symulować cały szereg codziennych sytuacji. Właściwie wykorzystany może pomóc firmom w zoptymalizowaniu produktów i procesów, aby były bardziej wydajne i opłacalne.

Istota działania cyfrowego bliźniaka

Cyfrowy bliźniak to program komputerowy, który pobiera dane ze świata rzeczywistego na temat obiektu fizycznego lub systemu jako dane wejściowe i generuje je jako dane wyjściowe do przewidywania lub symulacji wpływu danych wejściowych na obiekt fizyczny lub system.

Obróbka skrawaniem CNC wykonywała do tej pory wszelkiego rodzaju wzorcowe prace obróbkowe w formie fizycznego próbnika lub modelu. W tej chwili dzięki cyfrowemu bliźniakowi możliwe jest wirtualne sprawdzenie czy dana część będzie pasowała do przestrzeni obróbkowej, czy zmieści się w obudowie, w jaki sposób może być trzymany detal i czy narzędzie do niego dotrze. Można również symulować usuwanie materiału, wykrywanie wyżłobienia, wykrywanie uchwytu czy kolizji urządzenia. Jedyne co ogranicza cyfrowego bliźniaka to kontrola jakości symulowanych detali, gdyż wg niego będą one zawsze idealne. Na ten moment nie jest on jednak w stanie przewidzieć „wąskiego gardła” w procesie obróbki i wymaga zastosowania pomiarów wirtualnych detali, a w razie wykrycia nieprawidłowości wprowadzenia korekt w programie, dostosowania narzędzi i ponownego uruchomienia.

Cyfrowe bliźniaki odwzorowują rzeczywiste środowisko w wirtualnym świecie. Zarządzanie programem obróbki, układ części i oprzyrządowania jest analogiczny jak w realnym życiu. Program w cyfrowym bliźniaku musi pasować do rzeczywistej maszyny, co umożliwia interfejs przez sieć lub zbiorczy serwer, z którego są pobierane programy. W chmurze zostaje odtworzony rzeczywisty proces produkcji, umożliwiający wcześniejsze wyłapanie błędów lub awarii. Użytkownik musi tylko zaimportować modele 3D do systemu, a cyfrowy bliźniak kopiuje maszynę CNC i jej środowisko, a nawet konfigurację w hali produkcyjnej, oprogramowanie CAM, aby przeprowadzić symulację ścieżki narzędzia w wirtualnym świecie.

Obróbka skrawaniem CNC a cele cyfrowego bliźniaka

Cyfrowe bliźniaki można wykorzystać we wszystkich procesach obróbki skrawaniem CNC. Od projektowania produktu, planowania i realizacji produkcji po prognozowanie i bezawaryjne zarządzanie parkiem maszynowym. Celem ich zastosowania jest poprawa wydajności procesów produkcyjnych, a dokładniej:

kontrola procesu produkcyjnego w czasie rzeczywistym poprzez obserwowanie jego odbicia wirtualnego,
planowanie w pętli i dzięki temu dynamiczna zmiana kolejności zleceń produkcyjnych,
wykrywanie nieprawidłowości w procesach produkcyjnych i analiza w trybie offline,
sprawdzenie działania produktu w rzeczywistych warunkach odwzorowanych wirtualnie,
testowanie wzorców bez konieczności ich produkowania,
kontrola stanu maszyn poprzez obserwację wirtualnego procesu w celu zaplanowania konserwacji, co jest możliwe zarówno w czasie rzeczywistym, jak i offline,
zarządzanie awariami poprzez monitorowanie stanu sprzętu, prognozowania i diagnozowania awarii oraz usterek oraz przedłużenie żywotności maszyn,
optymalizacja zarządzania procesami produkcyjnymi i analizy danych,
poprawa działań i efektów biznesowych poprzez dynamiczne zarządzanie ryzykiem, redukcję kosztów i zapewnienie sprawnego planowania produkcji,
symulacja harmonogramów produkcji aż do uzyskania zadowalających wyników, nie tylko w kwestii zasobów ludzkich, ale również optymalnego wykorzystania stanów magazynowych, materiałów i wyposażenia,
kontrola nad efektywnym wykorzystaniem parku maszynowego poprzez modelowanie niezawodności sprzętu, jak również jego wydajności,
elastyczne wprowadzanie zmian w produkcji bez konieczności jej przerywania.

Jak działa cyfrowy bliźniak?

Cyfrowe bliźniaki zastosowane w obróbce skrawaniem CNC skupiają się głównie na optymalizacji harmonogramu produkcji, minimalizacji czasów produkcji, kosztów fizycznych prototypów, potrafią ocenić wykorzystanie i wydajność zasobów oraz określić „wąskie gardła” w procesie produkcyjnym. Umożliwiają też wirtualne testowanie produktów w warunkach rzeczywistych, co przydaje się szczególnie w przypadku części, które są stale narażone na działanie w różnych niekorzystnych warunkach.

Wprowadzenie do cyfrowego bliźniaka pomiarów temperatury, wilgotności czy czasu pracy może ułatwić określenie żywotności maszyny, jak i działanie produktu w warunkach rzeczywistych. Można w ten sposób przewidzieć również kiedy dana część ma duże prawdopodobieństwo awarii, dzięki czemu można ją serwisować zapobiegawczo.

Technologia ta nie jest jednak idealna i pozbawiona wad. Będzie użyteczna dopiero wtedy, gdy zostaną do niej wprowadzone pełne i prawidłowe zbiory danych oraz modele. Okazuje się więc, że infrastruktura technologiczna potrzebna do zbudowania cyfrowego bliźniaka jest bardziej skomplikowana do stworzenia niż zaprojektowanie samej części. Gromadzenie danych z kilku źródeł nie jest łatwe i wymaga specjalistycznego oprogramowania, jak i narzędzi do ich analizy. Jeśli przyjmie się, że cyfrowy bliźniak zbiera dane z pięciu lub sześciu różnych źródeł to centralizacja tych danych w jednym miejscu wymagać będzie specjalistycznych rozwiązań programowych zapewniających zintegrowany sposób sondowania i analizowania danych.

Co warto przeanalizować przed inwestycją?

Cyfrowy bliźniak to kosztowna inwestycja i dlatego warto przemyśleć kilka spraw:

Które produkty lub procesy mogłyby najbardziej zyskać na posiadaniu cyfrowego bliźniaka? Z reguły są to albo zyskowne produkty, albo takie które sprawiają wiele problemów związanych z produkcją,
Jak szybko można przeprowadzić program pilotażowy i czy koszty tego przedsięwzięcia nie przekroczą budżetu?
Określenie korzyści np. w zakresie czasu cyklu, wydajności, jakości czy kosztu sztuki,
Jaką wartość bezpośrednią przyniesie dla firmy cyfrowy bliźniak?

Wprowadzenie cyfrowego bliźniaka do takich usług jak obróbka skrawaniem CNC, powinno zaowocować zyskami dla firmy w miarę upływu czasu. Może się też okazać, że od nieśmiałego testowania nowego rozwiązania, firma przejdzie do etapu zintegrowania go z całą strukturą organizacyjną. Od badań i rozwoju, poprzez sprzedaż, aż do ciągłego wykorzystywania uzyskanych w ten sposób spostrzeżeń i w efekcie do zmiany sposobu zarządzania firmą.

Normy definiujące pracę cyfrowego bliźniaka

Pod koniec 2021r. pojawiły się cztery normy serii ISO 23247, wskazujące standardy działania cyfrowego bliźniaka i jego otoczenia. Definiują one schemat tworzenia cyfrowych bliźniaków takich składowych produkcji jak personel, sprzęt, materiały, procesy produkcyjne, obiekty, środowisko, produkty i dokumenty pomocnicze. Wg normy ISO 23247 cyfrowe bliźniaki można wykorzystać w całym cyklu życia wyrobu od projektu, poprzez cyfrowy prototyp, proces produkcji aż do momentu przekazania produktu klientowi końcowemu.

ISO 23247-1

Ogólne zasady i wymagania dotyczące rozwoju DT w produkcji

ISO 23247-2

Architektura referencyjna z widokami funkcjonalnymi

ISO 23247-3

Cyfrowa reprezentacja elementów produkcyjnych.

Lista podstawowych atrybutów informacji dla obserwowalnych elementów produkcyjnych

ISO 23247-4

Wymagania techniczne wymiany informacji pomiędzy podmiotami w ramach architektury referencyjnej.

Norma ta przedstawia ramy cyfrowego bliźniaka dla produkcji i zawiera wskazówki jak go konstruować. Powinien się on charakteryzować dokładnością odwzorowania tzw. obserwowalnych elementów produkcyjnych (OME), posiadać protokoły komunikacyjne umożliwiające synchronizację, zbierać dane z czujników zainstalowanych na OME, analizować dane o stanie OME, dawać możliwości rozszerzania o nowe aplikacje czy np. umożliwiać optymalizację zasobów. Oczywiście to nie wszystkie wytyczne, a jedynie kilka z nich.

Cyfrowe odzwierciedlenie rzeczywistych procesów produkcyjnych staje się coraz popularniejsze. Coraz częściej firmy korzystają z cyfrowych modeli, które ułatwiają im optymalizację produkcji. Niestabilność rynku i jego duża zmienność wzmacnia tylko ten proces.