Producent narzędzi do obrabiarek używa oprogramowania Mechatronic Concept Designer i platformy SIMIT, aby zautomatyzować testowanie oprogramowania maszyn

Obróbka blachy i nie tylko

Od przenośnych urządzeń elektronicznych i urządzeń kuchennych po samochody: wiele produktów używanych przez nas na co dzień składa się z części wykonanych z ciętej i giętej blachy. Nie ogranicza się to tylko do części nadwozia lub obudowy. Wiele branż wykorzystuje złożone części blaszane jako komponenty konstrukcyjne. W licznych zastosowaniach ta praktyka zastąpiła już dawno części odlewane i obrabiane maszynowo, ponieważ elementy blaszane są zarówno lżejsze, jak i łatwiejsze do wytwarzania w dużych ilościach.

Jest to możliwe dzięki zastosowaniu specjalnych obrabiarek do wycinania wykroków z arkuszy blachy i formowania części. Grupa TRUMPF z siedzibą w Ditzingen pod Stuttgartem (Niemcy) należy do pionierów, a zarazem liderów w dziedzinie wytwarzania urządzeń do obróbki blachy. Założona w 1923 r. firma TRUMPF zaprezentowała w 1968 r. pierwszą na świecie maszynę do obróbki blachy sterowaną numerycznie, umożliwiającą w pełni zautomatyzowany proces pracy, łącznie z wymianą narzędzi. Już w 1979 r. firma TRUMPF wprowadziła technologię laserową w wykrawarce maszynowo-laserowej.

Ponieważ importowane źródła wiązki laserowej nie zapewniały wymaganej precyzji i niezawodności, firma TRUMPF zaczęła tworzyć je na własną rękę w 1985 r. Wynikające z tego zwiększenie wewnętrznych kompetencji produkcyjnych przyczyniło się do powstania wysoce konkurencyjnych wykrawarek laserowych takich jak model TruLaser 5030, a także umożliwiło dywersyfikację oferty firmy. Poza laserowymi systemami do cięcia, spajania i obróbki powierzchni części 3D grupa oferuje wysokowydajne lasery i generatory, jak również rozwiązania do wytwarzania addytywnego (AM) z zastosowaniem technologii laserowej.

Obszarem, w którym firma TRUMPF działa najaktywniej, jest produkcja obrabiarek elastycznych arkuszy i rur blaszanych. Oferta obejmuje maszyny do gięcia i wykrawania oraz wykrawarki maszynowo-laserowe, jak również urządzenia do cięcia i spoinowania laserowego. Jej dopełnienie stanowią maszyny dostosowane do indywidualnych potrzeb, rozwiązania z dziedziny automatyzacji i współpracy oraz oprogramowanie ułatwiające operatorom wykonywanie zadań dotyczących obróbki maszynowej, przekształcania wykrojów 2D w gotowe produkty 3D, od etapu projektowania po kontrolę produkcji. W swoich inteligentnych zakładach produkcyjnych zlokalizowanych w Niemczech i Stanach Zjednoczonych firma TRUMPF świadczy usługi doradcze i szkoleniowe z wykorzystaniem zwirtualizowanych i sieciowych rozwiązań produkcyjnych na miarę czwartej rewolucji przemysłowej.

Rosnące znaczenie testów oprogramowania

Firma TRUMPF inwestuje ponad 10% swoich rocznych przychodów w badania i rozwój (R&D). Znaczna część tej kwoty jest przeznaczana na rozwój oprogramowania. Rozbudowa funkcji i nieustanne doskonalenie oprogramowania do sterowania i wizualizacji nie tylko przynosi korzyści nabywcom nowych maszyn, lecz także umożliwia realizowane w cyklu półrocznym uaktualnienia i aktualizacje już wyprodukowanych maszyn do obróbki arkuszy blachy firmy TRUMPF.

Chociaż maszyny firmy TRUMPF są ustandaryzowane w ramach poszczególnych rodzin zbudowanych na podstawie tych samych kluczowych komponentów, są jednocześnie bardzo zróżnicowane i wyposażone w wiele opcjonalnych funkcji. Stanowi to wyzwanie w związku z testowaniem nowego oprogramowania przed jego wydaniem. Oprogramowanie opracowywane dla programowalnych sterowników logicznych (PLC) jest wyposażone we wbudowane programy autotestów, nie są one jednak w stanie modelować chwilowego zachowania złożonych urządzeń mechatronicznych. W przeszłości testy końcowe przeprowadzano z zastosowaniem fizycznych prototypów. Firma TRUMPF dysponowała maszynami wszelkich typów z różnymi konfiguracjami, służącymi jako urządzenia testowe do testowania oprogramowania i rozwiązywania zaobserwowanych problemów.

„Używanie rzeczywistych maszyn i przechodzenie kolejno przez wszystkie ich funkcje podczas testów oprogramowania było uciążliwe i czasochłonne”, mówi Bernd Renz, dyrektor działu dynamiki maszyn w firmie TRUMPF. „Nie byliśmy również w stanie wypróbować wszystkich możliwych opcji konfiguracji i scenariuszy błędów”.

Użycie bliźniaka cyfrowego do testów

Aby rozwiązać te problemy, inżynierowie z działu dynamiki maszyn w firmie TRUMPF zdecydowali się na użycie cyfrowych bliźniaków maszyn do testów oprogramowania zamiast ich fizycznych prototypów. Jak twierdzi Renz, znalezienie odpowiedniego oprogramowania do obsługi tych złożonych zadań samo w sobie stanowiło wyzwanie. Chociaż wiele programów do modelowania jest zoptymalizowanych pod kątem wirtualnego sterowania poszczególnymi maszynami przy użyciu symulacji w pętli sprzętowej (HiL), testowanie wielu modeli komputerowych w środowisku wirtualnym wymaga symulacji w pętli oprogramowania (SiL).

Inżynierowie z firmy TRUMPF zapoznali się z różnymi programami, używając trzech rozwiązań do modelowania działania wykrawarki laserowej TruLaser 5030. Na podstawie testów porównawczych wybrali kombinację produktów używaną często do wirtualnego sterowania produktami dostępną w ramach portfolio Xcelerator™, kompleksowego i zintegrowanego zestawu produktów obejmujących oprogramowanie i usługi oferowane przez firmę Siemens Digital Industries Software. Obejmuje ona oprogramowanie Mechatronics Concept Designer™, będące częścią portfolio oprogramowania NX™ do projektowania, prac inżynieryjnych i wytwarzania wspomaganego komputerowo (CAD/CAE/CAM), oraz platformę symulacyjną SIMIT.

„Dzięki połączeniu tych dwóch rozwiązań do symulacji byliśmy w stanie stworzyć coś, co nazywamy wirtualną maszyną TRUMPF”, mówi Renz. „Wykorzystujemy bibliotekę modeli, aby w wygodny, półautomatyczny sposób tworzyć cyfrowe bliźniaki wszelkich maszyn niezbędnych do przeprowadzenia testów oprogramowania”.

Testowanie w całkowicie wirtualnym środowisku

Z pomocą oprogramowania Mechatronics Concept Designer inżynierowie utworzyli modele kinematyczne wszystkich komponentów i złożeń dostępnych w konfiguracji modelu TruLaser 5030. Aby to osiągnąć, zaimportowali modele 3D z oprogramowania CAD używanego w firmie i wzbogacili bryły o informacje dotyczące zależności kinematycznych i właściwości fizycznych istotnych dla oddziaływania sił bezwładności lub grawitacji.

„Dzięki obsłudze przyjaznej dla użytkownika i imponującym funkcjom importu oprogramowanie Mechatronics Concept Designer ułatwiło nam utworzenie podstaw cyfrowego bliźniaka, którego mogliśmy użyć do testów”, potwierdza Renz. „Ponieważ oprogramowanie zawiera w pełni funkcjonalny silnik modelowania 3D, umożliwia wprowadzanie na bieżąco zmian takich jak upraszczanie modelu w celu zwiększenia wydajności”.

Platforma symulacyjna SIMIT umożliwia łatwe połączenie środowiska symulacji i automatyzacji przy użyciu rozwiązania HiL lub SiL bez konieczności używania sprzętowego systemu automatyki.

Platforma zawiera szereg bibliotek ze specyficznymi dla branży komponentami symulacyjnymi, pozwalającymi tworzyć kompleksowe i funkcjonalne modele. Przy użyciu szablonów SIMIT inżynierowie z firmy TRUMPF zbudowali bibliotekę modelu zawierającą wszystkie komponenty wykrawarki TruLaser 5030 i ich chwilowe zachowania.

Wirtualna maszyna TRUMPF

Eksperci firmy TRUMPF opracowali oprogramowanie konfiguracyjne wykorzystujące bibliotekę modelu SIMIT do półautomatycznego konfigurowania pewnej liczby różnych modeli używanych do przeprowadzania automatycznych testów. Konfigurator cyfrowego bliźniaka ustawia również parametry interfejsu pamięci współdzielonej z łącznikiem z symulacją. Ta część oprogramowania, również opracowana wewnętrznie, łączy i synchronizuje model behawioralny platformy SIMIT z oprogramowaniem jądra sterowania (VNCK) i koordynuje działanie wszystkich narzędzi programowych.

Platforma SIMIT, oprogramowanie Mechatronics Concept Designer i narzędzia opracowane wewnętrznie umożliwiają wykorzystanie części i złożeń o różnych statusach wersji, aby skompilować kompleksowego cyfrowego bliźniaka ze wszelkimi możliwymi konfiguracjami tzw. wirtualnej maszyny TRUMPF. Z czasem będzie to obejmowało wszystkie automatyczne funkcje, w które maszyna może być wyposażona. „Cyfrowy bliźniak standardowej maszyny wymaga zazwyczaj około 80% modelowania w SIMIT i tylko 20% modelowania w Mechatronics Concept Designer”, mówi Kevin Diebels, inżynier dynamiki maszyn odpowiedzialny za opracowanie ogólnego rozwiązania programowego. „Jeśli maszyna zawiera wiele funkcji automatycznej obsługi te proporcje są odwrotne”.

Testowanie oprogramowanie z dnia na dzień

Inwestycja w zautomatyzowane rozwiązanie do testów umożliwiające automatyczne generowanie kompleksowego cyfrowego bliźniaka wymaganych konfiguracji maszyny zwraca się na wiele sposobów. Jeden z nich polega na ograniczeniu nakładów czasowych i finansowych wymaganych do kompilowania nowych konfiguracji maszyn do testów wirtualnych w porównaniu z fizycznymi prototypami na podstawie biblioteki modelu zawierającej wszystkie komponenty danego typu maszyny. „Byliśmy w stanie utworzyć model podobnej maszyny w ciągu dwóch dni”, mówi Diebels.

Czas wymagany na przeprowadzenie testów został skrócony w jeszcze bardziej spektakularny sposób: „Poprzednio testy nowych wersji oprogramowania zajmowały cztery tygodnie, teraz przeprowadzamy je z dnia na dzień”, dodaje Diebels. „Zautomatyzowana procedura testów z wykorzystaniem cyfrowego bliźniaka utworzonego przy użyciu oprogramowania Mechatronics Concept Designer i platformy SIMIT pozwala uwzględnić więcej opcji konfiguracji”.

„Testy oprogramowania przeprowadzane z dnia na dzień przy użyciu wirtualnej maszyny TRUMPF umożliwiają znaczące skrócenie czasu wprowadzenia produktu na rynek przy jednoczesnym wyeliminowaniu ewentualnych błędów w oprogramowaniu”, podsumowuje Renz. „Oczekujemy wysokiego zwrotu z inwestycji w ciągu niecałego roku”.