Un fabricant de machines-outils utilise Mechatronics Concept Designer et SIMIT pour automatiser les tests des logiciels de machines

Usinage de la tôle et plus encore

Qu'il s'agisse d'appareils électroniques portatifs, d'ustensiles de cuisine ou d'automobiles, de nombreux produits que nous utilisons quotidiennement sont constitués de pièces en tôle découpée et formée. Cela ne se limite pas aux carrosseries ou aux boîtiers. De nombreuses industries utilisent des pièces de tôle complexes comme composants structurels. Cette pratique a depuis longtemps remplacé le moulage et l'usinage pour beaucoup d'applications, car les pièces en tôle sont à la fois plus légères et plus faciles à produire en grandes quantités.

Cette opération est facilitée par des machines-outils spécifiques pour la découpe de tôle et le formage des pièces. Le groupe TRUMPF, dont le siège est situé à Ditzingen, près de Stuttgart, en Allemagne, compte parmi les pionniers et les principaux fabricants d'équipements de traitement de la tôle. L'entreprise TRUMPF, fondée en 1923, a présenté en 1968 la première machine d'usinage de la tôle au monde avec commande numérique de trajectoire, permettant un processus de travail entièrement automatisé, y compris les changements d'outils. Dès 1979, TRUMPF a intégré la technologie laser dans une machine combinée poinçon-laser.

Comme les sources de faisceaux importées manquaient de précision et de fiabilité, TRUMPF a commencé à fabriquer ses propres sources, devenant ainsi un fabricant de lasers en 1985. Cette compétence interne a favorisé le développement de découpeuses laser à grande vitesse très compétitives, telles que la TruLaser 5030. Elle a également permis à TRUMPF de se diversifier. Outre les systèmes laser pour la découpe, le soudage et le traitement de surface des pièces en 3D, le groupe propose des lasers et des générateurs haute performance ainsi que des solutions de fabrication additive pilotées par laser.

Le principal domaine d'activité de TRUMPF est celui des machines-outils destinées à la transformation des tôles flexibles et des tubes. Son portefeuille comprend des machines pour le pliage, le poinçonnage et le traitement combiné par poinçon et laser, ainsi que pour les applications de découpe et de soudage au laser. Il est complété par des machines, des réseaux et des solutions logicielles sur mesure pour aider les opérateurs dans toutes leurs tâches d'usinage, de la conversion d'ébauches 2D en produits 3D finis, de la conception au contrôle de la production. Dans ses usines intelligentes situées en Allemagne et aux États-Unis, TRUMPF fournit des conseils et des formations aux clients qui introduisent des solutions de production de l'industrie 4.0 en réseau numérique.

Importance croissante des tests de logiciels

TRUMPF réinvestit plus de 10 % de ses revenus annuels dans la recherche et le développement (R&D). Une part croissante de cette somme est consacrée au développement de logiciels. L'extension des fonctionnalités et l'amélioration continue du logiciel de commande et de visualisation ne profitent pas seulement aux acheteurs de nouvelles machines ; les mises à jour semestrielles du logiciel facilitent l'extension, la mise à jour et l'amélioration des équipements de traitement de la tôle TRUMPF existants.

Bien que les machines TRUMPF soient standardisées et comportent un noyau identique au cœur de chaque famille de produits, elles existent dans une grande variété et avec de nombreuses options. Cela pose un problème lorsqu'il s'agit de tester un nouveau logiciel avant sa sortie. Même si le logiciel créé pour être utilisé dans PLC des machines comporte certaines routines d'autotest, celles-ci ne représentent pas le comportement temporel de l'équipement mécatronique complexe. Par le passé, les tests finaux devaient être effectués à l'aide de prototypes physiques. TRUMPF conservait des machines de chaque type dans un certain nombre de configurations afin de les utiliser comme bancs d'essai pour les tests et le dépannage des logiciels.

"L'utilisation de prototypes physiques pour passer en revue toutes les fonctionnalités d'une machine lors des tests logiciels était fastidieux et prenait du temps", explique Bernd Renz, responsable du service de dynamique des machines chez TRUMPF. "Nous ne pouvions pas essayer toutes les options de configuration et tous les scénarios d'erreur imaginables."

Utilisation d'un jumeau numérique pour les tests

Pour pallier ces insuffisances, les ingénieurs du service de dynamique des machines de TRUMPF ont décidé d'utiliser un jumeau numérique de chaque machine plutôt que le matériel pour les tests logiciels. Selon M. Renz, la recherche du bon logiciel pour cet ensemble complexe de tâches a constitué un défi en soi. De nombreux logiciels de modélisation sont optimisés pour la mise en service virtuelle de machines individuelles à l'aide de la simulation Hardware-in-the-Loop (HiL), mais le test d'un certain nombre de modèles informatiques dans un environnement virtuel nécessite la simulation Software-in-the-Loop (SiL).

Les ingénieurs de TRUMPF ont acquis des connaissances sur plusieurs logiciels et en ont utilisé trois pour modéliser la machine de découpe laser TruLaser 5030 de l'entreprise. À la suite d'une étude comparative, ils ont choisi une combinaison de produits fréquemment utilisés comme solution pour la mise en service virtuelle dans le portefeuille Xcelerator™, le portefeuille complet et intégré de logiciels et de services de Siemens Digital Industries Software. Il s'agit du logiciel Mechatronics Concept Designer™, qui fait partie du portefeuille de logiciels NX™ pour la conception, l'ingénierie et la fabrication assistées par ordinateur (CAO/IAO/FAO), et de la plateforme de simulation SIMIT.

"À elles deux, ces solutions de simulation nous ont permis de créer ce que nous appelons la Machine virtuelle TRUMPF", explique M. Renz. "Elles utilisent une bibliothèque de modèles pour créer de manière semi-automatique un jumeau numérique pour toutes les différentes machines pour chaque test de logiciel."

Tester dans un environnement entièrement virtuel

À l'aide de Mechatronics Concept Designer, les ingénieurs de TRUMPF ont créé des modèles cinématiques de tous les composants et assemblages pouvant être utilisés dans une configuration de la TruLaser 5030. Pour ce faire, ils ont importé les modèles 3D du logiciel de CAO de l'entreprise et ont enrichi les solides avec des informations sur les dépendances cinématiques et les propriétés physiques pertinentes pour l'inertie ou les effets gravitationnels.

"Avec sa facilité d'utilisation et ses puissantes fonctionnalités d'importation, Mechatronics Concept Designer nous a permis de poser les bases du jumeau numérique qui nous servira de banc d'essai", confirme M. Renz. "Étant donné qu'il contient un moteur de modélisation 3D à part entière, il facilite également les modifications à la volée, telles que la simplification des modèles pour améliorer les performances."

La plateforme de simulation SIMIT facilite le couplage entre la simulation et l'environnement d'automatisation, que ce soit avec HiL ou SiL, sans utiliser le matériel du système d'automatisation.

Pour créer des modèles fonctionnels complets, la plateforme fournit plusieurs bibliothèques avec des composants de simulation et des composants spécifiques au secteur. À l'aide des modèles SIMIT, les ingénieurs de TRUMPF ont élaboré une bibliothèque de modèles avec tous les composants de la TruLaser 5030 et leur comportement temporel.

La machine virtuelle TRUMPF

Les experts de TRUMPF ont développé un logiciel de configuration qui utilise la bibliothèque de modèles SIMIT pour paramétrer de manière semi-automatique un certain nombre de modèles de machines individuelles pour les tests automatisés. Ce configurateur de jumeaux numériques définit également les paramètres de l'interface de mémoire partagée avec le connecteur de simulation. Ce logiciel, également développé en interne, relie et synchronise le modèle comportemental SIMIT avec le noyau de commande numérique virtuel (VNCK) et orchestre tous les outils logiciels impliqués.

SIMIT, Mechatronics Concept Designer et les outils logiciels développés en interne peuvent prendre en charge l'utilisation de pièces et d'assemblages avec différents statuts de version pour compiler un jumeau numérique complet de toutes les configurations possibles de la machine virtuelle TRUMPF (vTM). Avec le temps, il intégrera tous les outils de manutention automatique dont la machine peut être équipée. "Le jumeau numérique d'une machine standard comprendrait 80 % de modèles SIMIT et seulement 20 % de modèles Mechatronics Concept Designer", explique Kevin Diebels, ingénieur en dynamique des machines, chargé de créer la solution logicielle. "Si une machine est intégrée dans un système de gestion automatisée, ce rapport est inversé."

Des tests de logiciels en 24 heures

Investir dans une solution de test automatisée qui génère automatiquement un jumeau numérique complet de toutes les configurations de machine requises s'avère bénéfique à plusieurs égards. Cela permet une réduction considérable du temps et des dépenses nécessaires pour développer une nouvelle configuration de machine à tester virtuellement, plutôt que sous forme de prototype physique, une fois que la bibliothèque de modèles contient tous les composants d'un type particulier de machine. "Nous avons pu modéliser une machine similaire en deux jours", déclare M. Diebels.

La durée des tests a été réduite de façon encore plus spectaculaire : "Avant, les tests de lancement de logiciels prenaient des semaines, nous allons désormais pouvoir les réaliser du jour au lendemain", ajoute M. Diebels. "Le processus de test automatisé réalisé à l'aide du jumeau numérique conçu avec Mechatronics Concept Designer et SIMIT permet d'élargir les possibilités de configuration."

"Les tests sont effectués du jour au lendemain, grâce notre machine virtuelle TRUMPF. Cela nous permet de réduire considérablement le délai de commercialisation de nos produits, et de nous assurer que les logiciels ne comportent aucun bug", conclut M. Renz. "Nous pensons atteindre notre ROI d'ici un an."