Výrobci obráběcích strojů používají řešení Mechatronics Concept Designer a platformu SIMIT k automatizaci testování softwaru strojů

Zpracování tabulí plechů a mnoho dalšího

Mnoho výrobků, které používáme každý den, se skládá z dílů vyrobených z řezaných a složených tabulí plechu, ať už to jsou ruční elektronická zařízení, kuchyňské náčiní nebo například automobily. Nejedná se však pouze o části karoserie nebo věci v domácnosti. V mnoha průmyslových odvětvích se komplexní díly z tabulí plechu používají jako konstrukční prvky. Díly vyrobené pomocí odlévání a obrábění se dnes již moc nepoužívají, jelikož díly z tabulí plechu jsou nejen lehčí, ale také se snáze vyrábějí ve větších množstvích.

K tomuto účelu se používají obráběcí stroje pro řezání polotovarů a tvarování dílů z tabulí plechu. Skupina společností TRUMPF patří mezi průkopníky a přední světové výrobce zařízení na zpracování tabulí plechu a sídlí v Ditzingenu poblíž Stuttgartu v Německu. Společnost TRUMPF byla založena v roce 1923 a v roce 1968 představila první stroj na zpracování tabulí plechu s numerickým řízením dráhy na světě, díky kterému bylo možné plně automatizovat pracovní proces, a to včetně výměny nástrojů. Již v roce 1979 zavedla společnost TRUMPF laserovou technologii a používala ji v kombinovaném děrovacím laserovém stroji.

Jelikož však dovážené zdroje paprsků nebyly dostatečně přesné a spolehlivé, začala společnost TRUMPF v roce 1985 vyrábět také vlastní laserové technologie. Tyto technologie vyráběné v rámci společnosti umožnily vyvíjet špičkové vysokorychlostní laserové řezačky, jako je například stroj TruLaser 5030, díky čemuž se mohla společnost TRUMPF diverzifikovat. Kromě laserových systémů pro řezání, svařování a povrchovou úpravu 3D dílů nabízí tato společnost také vysoce výkonné lasery, generátory a laserem řízená řešení pro aditivní výrobu (AM).

Společnost TRUMPF se však ze všeho nejvíce soustředí na výrobu obráběcích strojů pro flexibilní zpracování tabulí plechu a trubek. Portfolio společnosti zahrnuje stroje pro ohýbání, děrování, kombinované děrování a laserové zpracování a také stroje pro laserové řezání a svařování. Tato zařízení doplňují na míru vyrobené stroje a automatizovaná, síťová a softwarová řešení, jež pomáhají obsluze strojů při obrábění a přeměně 2D polotovarů na hotové 3D výrobky a umožňují jí mít naprostou kontrolu nad procesy návrhu a výroby. Společnost TRUMPF ve svých chytrých továrnách v Německu a v USA nabízí svým zákazníkům také konzultace a školení a představuje jim digitálně propojená výrobní řešení Průmyslu 4.0.

Rostoucí význam testování softwaru

Společnost TRUMPF investuje více než 10 procent svých ročních příjmů do výzkumu a vývoje. Stále větší část těchto prostředků jde na vývoj softwaru. Rozšiřování funkcí a neustálé zlepšování řídicího a vizualizačního softwaru přináší výhody nejen pro zákazníky, ale také pro společnost TRUMPF, která prostřednictvím těchto pololetních aktualizací softwaru provádí modernizaci stávajících zařízení společnosti na zpracování tabulí plechu.

Přestože stroje společnosti TRUMPF sdílejí v rámci každé produktové řady identické jádro, různě se od sebe liší a mají množství volitelných komponent. To však při testování nového softwaru před jeho vydáním představuje problém. Ačkoli software vytvořený pro použití v programovatelných logických ovladačích (PLC) strojů nabízí určité postupy pro samotestování, tyto postupy nenabízejí dostatečně dobrou představu o chování komplexních mechatronických zařízení v čase. Dříve bylo nutné provádět konečná testování na fyzických prototypech. Společnost TRUMPF si schovávala každý typ stroje v několika konfiguracích, které poté sloužily jako testovací zařízení pro testování softwaru a řešení problémů.

„Když jsme k testování používali skutečné stroje, procházení veškerých jejich funkcí během testování softwaru bylo těžkopádné a zdlouhavé,“ říká Bernd Renz, vedoucí oddělení dynamiky strojů společnosti TRUMPF. „Také se nám kvůli tomu nedařilo vyzkoušet veškeré možné konfigurace a chybové scénáře.“

Použití digitálního dvojčete pro testování

Aby se inženýrům z oddělení dynamiky strojů společnosti TRUMPF podařilo tyto nedostatky překonat, rozhodli se již nepoužívat k testování softwaru samotný hardware a místo toho využívají digitální dvojče každého stroje. Podle Renze bylo nalezení správného softwaru pro tento komplexní soubor úkolů samo o sobě výzvou. Ačkoli je mnoho modelovacích softwarových produktů optimalizováno pro virtuální uvedení jednotlivých strojů do provozu pomocí simulace hardwaru ve smyčce (HiL), testování množství počítačových modelů ve virtuálním prostředí vyžaduje simulaci softwaru ve smyčce (SiL).

Inženýři společnosti TRUMPF si dohledali informace o několika softwarových produktech a tři z nich použili k modelování laserového řezacího stroje TruLaser 5030. Na základě konkurenčního srovnávání si vybrali kombinaci produktů, které se často používají jako řešení pro virtuální uvedení do provozu, a rozhodli se pro řešení z portfolia Xcelerator™, komplexního a integrovaného portfolia softwaru a služeb společnosti Siemens Digital Industries Software. Toto řešení spočívá ve využití softwaru Mechatronics Concept Designer™, který je součástí softwarového portfolia NX™ pro počítačem podporované navrhování, inženýrství a výrobu (CAD/CAE/CAM), a simulační platformy SIMIT.

„Tato dvě simulační řešení nám umožnila vytvořit to, čemu říkáme virtuální stroj společnosti TRUMPF,“ říká Renz. „Ten využívá knihovnu modelů a umožňuje poloautomaticky a pohodlně vytvořit digitální dvojče pro všechny různé stroje, což využíváme při každém testovacím běhu softwaru.“

Testování ve zcela virtuálním prostředí

Pomocí softwaru Mechatronics Concept Designer vytvořili inženýři společnosti TRUMPF kinematické modely všech komponent a sestav, které by mohly být použity v konfiguraci stroje TruLaser 5030. Za tímto účelem importovali 3D modely ze softwaru CAD společnosti a doplnili k tělesům podrobnosti o kinematických závislostech a fyzikálních vlastnostech, které jsou důležité v rámci setrvačnosti nebo gravitačních účinků.

„Software Mechatronics Concept Designer nám díky svému uživatelsky přívětivému ovládání a výkonným funkcím pro import usnadnil pokládání základů pro digitální dvojče, které používáme jako testovací platformu,“ říká Renz. „Jelikož tento software nabízí také plnohodnotný modul pro 3D modelování, můžeme díky němu provádět změny za chodu a například zjednodušit daný model a zvýšit tak výkonnost stroje.“

Simulační platforma SIMIT umožňuje jednoduše propojit simulační a automatizační prostředí jak se simulací HiL, tak SiL bez použití hardwaru automatizačního systému.

Tato platforma také nabízí množství knihoven s konkrétními průmyslovými a simulačními komponentami, díky kterým je možné vytvářet komplexní funkční modely. Pomocí šablon platformy SIMIT vytvořili inženýři společnosti TRUMPF knihovnu modelů se všemi komponentami stroje TruLaser 5030 a jejich chováním v čase.

Virtuální stroj společnosti TRUMPF

Odborníci ze společnosti TRUMPF vyvinuli konfigurační software, který využívá knihovnu modelů platformy SIMIT, díky které je možné poloautomaticky nakonfigurovat řadu jednotlivých modelů strojů pro automatizované testování. Tento konfigurátor digitálního dvojčete také nastavuje parametry rozhraní sdílené paměti pro simulační konektor. Tento software, který byl rovněž vyvinutý ve společnosti TRUMPF, propojuje a synchronizuje model chování platformy SIMIT s virtuálním numerickým řídicím jádrem (VNCK) a řídí všechny zapojené softwarové nástroje.

Řešení SIMIT a Mechatronics Concept Designer a softwarové nástroje vyvinuté ve společnosti TRUMPF mohou podporovat použití komponent a sestav s různými stavy verzí a umožňují sestavit komplexní digitální dvojče ve všech možných konfiguracích takzvaného virtuálního stroje společnosti TRUMPF (vTM). Postupem času bude možné takto pracovat s veškerými automatickými komponentami, které společnost TRUMPF k jednotlivým strojům nabízí. „Digitální dvojče standardního stroje by mělo obsahovat 80 procent modelů platformy SIMIT a pouze 20 procent modelů řešení Mechatronics Concept Designer,“ říká inženýr dynamiky strojů Kevin Diebels, který měl na starosti vytvoření tohoto obsáhlého softwarového řešení. „Pokud je však daný stroj začleněn do automatizované manipulace, je tento poměr opačný.“

Testování softwaru přes noc

Investice do automatizovaných testovacích řešení, která automaticky generují komplexní digitální dvojče veškerých požadovaných konfigurací stroje, se vyplatí hned v několika oblastech. Jednou z těchto oblastí je například výrazné ušetření času a nákladů. Jakmile knihovna modelů obsahuje veškeré komponenty určitého typu stroje, sestavení nové konfigurace pro testování v digitálním prostředí je v porovnání se stavbou fyzického prototypu výrazně snazší. „Podobný stroj nyní dokážeme vymodelovat během dvou dnů,“ říká Diebels.

Úspora času při testování však byla ještě pozoruhodnější: „Předtím nám testování verzí softwaru trvalo až čtyři týdny, teď je máme přes noc hotové,“ dodává Diebels. „Automatizovaný zkušební postup s využitím digitálního dvojčete vytvořeného pomocí softwaru Mechatronics Concept Designer a platformy SIMIT nabízí řadu možností konfigurace.“

„Testování softwaru přes noc s využitím virtuálního stroje společnosti TRUMPF jako testovacího prostředí nám umožňuje výrazně zkrátit dobu uvedení inovací na trh a zároveň zajišťuje, že v našem softwaru nebudou chyby,“ říká Renz. „Očekáváme, že do jednoho roku se nám naše investice vrátí.“