Un fabricante de máquinas herramienta utiliza el diseñador de conceptos mecatrónico y SIMIT para automatizar las pruebas de software de las máquinas

Procesamiento de chapa y mucho más

Desde dispositivos electrónicos portátiles o utensilios de cocina hasta automóviles, muchos de los productos que utilizamos a diario están compuestos por piezas de chapa cortada y conformada. Y no se limitan en absoluto a las piezas de la carcasa o la carrocería. Muchas industrias utilizan piezas de chapa complejas como componentes estructurales. En múltiples aplicaciones, hace tiempo que esta práctica sustituyó a la fundición y al mecanizado, ya que las piezas de chapa son más ligeras y más fáciles de producir en grandes cantidades.

Es más sencillo gracias a máquinas herramienta específicas para el corte de chapa y el conformado de piezas. El Grupo TRUMPF, con sede en Ditzingen, cerca de Stuttgart (Alemania), es uno de los pioneros y líderes mundiales en la fabricación de equipos de procesamiento de chapa. TRUMPF se fundó en 1923. En 1968, presentó la primera máquina de procesado de chapa del mundo con control de trayectoria numérica, que permitía un proceso de trabajo totalmente automatizado, incluidos los cambios de herramienta. En 1979, TRUMPF ya integró la tecnología láser en una máquina combinada de punzonado y corte por láser.

Como las fuentes de haz importadas carecían de precisión y fiabilidad, TRUMPF empezó a fabricar su propios modelos y en 1985 se convirtió en fabricante de láseres. Esta competencia interna impulsó el desarrollo de cortadoras láser de alta velocidad muy competitivas, como la TruLaser 5030. Este hecho permitió que TRUMPF se diversificara. Además de sistemas láser para el corte, la soldadura y el tratamiento de superficies de piezas en 3D, el grupo ofrece láseres y generadores de alto rendimiento, así como soluciones de fabricación aditiva (AM) por láser.

La mayor área de actividad de TRUMPF es la de las máquinas herramienta para el procesamiento de tubos y chapas flexibles. El portfolio incluye máquinas para el plegado, el punzonado y el procesamiento combinado de punzón y láser, así como para aplicaciones de corte y soldadura por láser. Se complementa con máquinas a medida y soluciones de automatización, conexiones en red y software para ayudar a los operarios en todas sus tareas de mecanizado mediante la transformación de piezas 2D en bruto en productos 3D acabados, desde el diseño hasta la producción. En sus fábricas inteligentes de Alemania y Estados Unidos, TRUMPF ofrece asesoramiento y formación a los clientes que introducen soluciones de producción de la Industria 4.0 conectadas digitalmente.

La creciente importancia de las pruebas de software

TRUMPF reinvierte más del 10 % de sus ingresos anuales en Investigación y Desarrollo (I+D). Una parte cada vez mayor se destina al desarrollo de software. La ampliación de las funcionalidades y la mejora continua del software de control y visualización no solo benefician a los compradores de máquinas nuevas, sino que las versiones bianuales del software facilitan la ampliación, la actualización y la mejora de los actuales equipos de procesamiento de chapa de TRUMPF.

Aunque las máquinas de TRUMPF están estandarizadas con un núcleo idéntico en cada familia de productos, se presentan en una gran variedad y con numerosas opciones. Esto supone un reto cuando se prueba un nuevo software antes de su lanzamiento. A pesar de que el software creado para su uso en los controladores lógicos programables (PLC) de las máquinas incorpora ciertas rutinas de autopruebas, estas no representan el comportamiento temporal de los complejos equipos mecatrónicos. En el pasado, las pruebas finales debían realizarse con prototipos físicos. TRUMPF conservó máquinas de cada tipo en varias configuraciones con el objetivo de utilizarlas como bancos de pruebas para probar el software y resolver problemas.

«Con las máquinas reales, pasar por todas las funcionalidades de una máquina durante las pruebas de software era engorroso y requería mucho tiempo», comenta Bernd Renz, jefe del departamento de dinámica mecánica de TRUMPF. «También implicaba no poder probar todas las opciones de configuración y posibles errores».

Uso de un gemelo digital para la realización de pruebas

Para superar esas carencias, los ingenieros del departamento de dinámica mecánica de TRUMPF decidieron utilizar un gemelo digital de cada máquina en lugar del hardware para las pruebas de software. Según Renz, encontrar el software adecuado para este complejo conjunto de tareas supuso todo un reto. Aunque muchos productos de software de modelado están optimizados para la puesta en marcha virtual de máquinas individuales mediante la simulación hardware-in-the-loop (HiL), la comprobación de varios modelos informáticos en el mundo virtual requiere la simulación software-in-the-loop (SiL).

Los ingenieros de TRUMPF estudiaron varios programas informáticos. Utilizaron tres de ellos para modelar la máquina de corte por láser TruLaser 5030 de la empresa. Tras una evaluación comparativa, eligieron una combinación de productos utilizados frecuentemente como solución para la puesta en marcha virtual de Xcelerator™, el portfolio completo e integrado de software y servicios de Siemens Digital Industries Software. Consiste en el diseñador de conceptos mecatrónico (Mechatronics Concept Designer™), que forma parte del portfolio de software NX™ para el diseño, la ingeniería y la fabricación asistidos por ordenador (CAD/CAE/CAM), y la plataforma de simulación SIMIT.

«Ambas soluciones de simulación nos permitieron crear lo que llamamos la máquina TRUMPF virtual», afirma Renz. «Utiliza una biblioteca de modelos para crear de forma cómoda y semiautomática un gemelo digital de todas las máquinas necesarias para cada prueba de software».

Pruebas en un entorno completamente virtual

Con el diseñador de conceptos mecatrónico, los ingenieros de TRUMPF crearon modelos cinemáticos de todos los componentes y ensambles que podrían utilizarse en una configuración de la TruLaser 5030. Para ello, importaron los modelos 3D del software CAD de la empresa y enriquecieron los sólidos con información sobre las dependencias cinemáticas y las propiedades físicas relevantes para la inercia o los efectos gravitatorios.

«Gracias a que el diseñador de conceptos mecatrónico es fácil de utilizar y a que cuenta con potentes funcionalidades de importación, nos facilitó la tarea de sentar las bases del gemelo digital para utilizarlo como banco de pruebas», confirma Renz. «Puesto que tiene un motor de modelado 3D completo, también facilita los cambios sobre la marcha, como la simplificación del modelo para mejorar el rendimiento».

La plataforma de simulación SIMIT simplifica el acoplamiento entre el entorno de simulación y el de automatización, ya sea con HiL o SiL, sin necesidad de utilizar el hardware del sistema de automatización.

Para crear modelos funcionales completos, la plataforma ofrece varias bibliotecas con componentes específicos de la industria y la simulación. Mediante las plantillas de SIMIT, los ingenieros de TRUMPF construyeron una biblioteca de modelos con todos los componentes de la TruLaser 5030 y su comportamiento temporal.

La Máquina TRUMPF virtual

Los expertos de TRUMPF han desarrollado un software de configuración que utiliza la biblioteca de modelos SIMIT para configurar de forma semiautomática una serie de modelos de máquinas individuales para la comprobación automática. Este configurador de gemelos digitales también establece los parámetros de la interfaz de memoria compartida con el conector de simulación. Este software, también desarrollado internamente, enlaza y sincroniza el modelo de comportamiento de SIMIT con el núcleo de control numérico virtual (VNCK) y coordina todas las herramientas de software implicadas.

Entre ellas, SIMIT y el diseñador de conceptos mecatrónico, así como las herramientas de software desarrolladas por la propia empresa, admiten el uso de piezas y ensambles con diferentes estados de versión para compilar un gemelo digital completo de todas las configuraciones posibles de la denominada máquina TRUMPF virtual (vTM). Con el tiempo, esto incluirá todos los elementos de manipulación automática con los que la máquina pueda estar equipada. «El gemelo digital de una máquina estándar implicaría un 80 % de SIMIT y solo un 20 % de modelos del diseñador de conceptos mecatrónico», afirma Kevin Diebels, ingeniero de dinámica mecánica y encargado de crear la solución de software global. «Si una máquina está integrada en la manipulación automatizada, la proporción se invierte».

Pruebas de software de un día para otro

La inversión en la solución de pruebas automatizadas que genera automáticamente un gemelo digital completo de todas las configuraciones necesarias de las máquinas está dando sus frutos de múltiples maneras. Una de ellas es la gran reducción de tiempo y gastos que supone construir una nueva configuración de máquina para probarla digitalmente en lugar de como prototipo físico, una vez que la biblioteca de modelos contiene todos los componentes de un determinado tipo de máquina. «Pudimos modelar una máquina similar en dos días», afirma Diebels.

La reducción del tiempo necesario para las pruebas fue aún más espectacular: «Antes las pruebas de lanzamiento de software tardaban cuatro semanas, ahora las completamos de un día para otro», añade Diebels. «El procedimiento de pruebas automatizadas mediante el gemelo digital creado con el diseñador de conceptos mecatrónico y SIMIT abarca más opciones de configuración».

«Las pruebas de software con la máquina TRUMPF virtual como banco de pruebas nos permite reducir sustancialmente el tiempo de comercialización de las innovaciones, al tiempo que garantiza un software sin errores», asegura Renz. «Esperamos recuperar la inversión en menos de un año».