Производитель станков использует Mechatronics Concept Designer и SIMIT для автоматизации тестирования программного обеспечения станков

Обработка листового металла и не только

Многие изделия, которые мы используем ежедневно, от портативных электронных устройств и кухонных принадлежностей до автомобилей, состоят из деталей, изготовленных из вырезанного и формованного листового металла. И речь не только о корпусе или его частях. Во многих отраслях промышленности в качестве структурных компонентов используются сложные детали из листового металла. Во многих сферах применения эта практика давно заменила литье и механическую обработку, поскольку детали из листового металла легче и их проще производить в больших количествах.

Этому способствуют специальные станки для резки заготовок из листового металла и формовки деталей. Одним из первопроходцев и мировых лидеров по производству оборудования для обработки листового металла является компания TRUMPF Group, головной офис которой находится в Дитцингене, недалеко от Штутгарта, Германия. Основанная в 1923 году компания TRUMPF представила первый в мире станок для обработки листового металла с цифровым управлением движением по траектории в 1968 году, что позволило полностью автоматизировать рабочий процесс, включая смену инструмента. Еще в 1979 году компания TRUMPF интегрировала лазерную технологию в прошивной станок.

Поскольку импортным формирователям луча не хватало точности и надежности, в TRUMPF решили начать производство своих собственных, и в 1985 году компания стала производителем лазеров. Этот опыт стимулировал разработку конкурентоспособных высокоскоростных станков лазерной резки, таких как TruLaser 5030. Это также позволило TRUMPF диверсифицировать линейку изделий. Помимо лазерных систем для резки, сварки и обработки поверхности 3D-деталей, компания предлагает высокопроизводительные лазеры и генераторы, а также решения для аддитивного производства на основе лазеров.

Основная сфера деятельности TRUMPF — станки для обработки листового металла и труб. Ассортимент изделий включает станки для гибки, прошивки, комбинированной прошивки и лазерной обработки, а также для лазерной резки и лазерной сварки. Он дополняется изготовленными на заказ станками, решениями для автоматизации, подключения к сети, которые помогают операторам во всех задачах обработки, начиная с проектирования и заканчивая управлением производством, преобразовывая 2D-заготовки в готовые 3D-изделия. На своих «умных» заводах в Германии и США TRUMPF предоставляет заказчикам консультации и обучение по внедрению производственных решений Индустрии 4.0 с использованием цифровых сетевых технологий.

Растущая важность тестирования программного обеспечения

TRUMPF реинвестирует более 10 процентов своей годовой выручки в исследования и разработку. Большая часть этой суммы идет на разработку программного обеспечения. Расширение функционала и постоянное совершенствование программного обеспечения для управления и визуализации выгодно не только покупателям новых станков, так как выпускаемые два раза в год обновления программного обеспечения облегчают расширение, обновление и модернизацию существующего оборудования TRUMPF для обработки листового металла.

Хотя станки TRUMPF стандартизированы, и в основе каждого семейства изделий лежит идентичное ядро, компания предлагает множество разновидностей станков с различными опциями. Это создает проблему при тестировании нового программного обеспечения перед выпуском. Хотя программное обеспечение, созданное для использования в программируемых логических контроллерах (ПЛК) станков, поставляется с определенными механизмами самотестирования, они не учитывают временное поведение сложного мехатронного оборудования. В прошлом окончательные испытания приходилось проводить с использованием физических прототипов. Компания TRUMPF сохраняла станки каждого типа в различных конфигурациях для использования в качестве испытательной платформы для тестирования программного обеспечения и поиска неисправностей.

«При использовании реальных станков проверка всех функций во время тестирования программного обеспечения была обременительной и отнимала много времени, — говорит Бернд Ренц (Bernd Renz), руководитель отдела динамики станков TRUMPF. — Это также означало, что опробовать все возможные варианты конфигурации и сценарии ошибок было невозможно».

Использование цифрового двойника для тестирования

Чтобы преодолеть эти препятствия, конструкторы отдела динамики станков TRUMPF решили вместо реального станка использовать для тестирования программного обеспечения цифровой двойник. По словам Ренца, поиск подходящего программного обеспечения для такого сложного набора задач сам по себе оказался трудной задачей. Хотя многие программные продукты для моделирования оптимизированы для виртуального ввода в эксплуатацию отдельных станков с помощью стратегии моделирования hardware-in-the-loop (HiL), тестирование ряда компьютерных моделей в виртуальном мире требует симуляции на основе стратегии software-in-the-loop (SiL).

Конструкторы TRUMPF получили информацию о нескольких программных продуктах, используя три из них для моделирования станка для лазерной резки TruLaser 5030. После сравнительного анализа предложений разных поставщиков, они выбрали комбинацию продуктов, часто используемую для виртуального ввода в эксплуатацию, из Xcelerator™, комплексного интегрированного портфеля программного обеспечения и сервисов Siemens Digital Industries Software. Они остановились на программном обеспечении Mechatronics Concept Designer™, которое является частью портфеля продуктов NX™ для автоматизированного проектирования, анализа и подготовки производства (CAD/CAE/CAM), а также платформе для симуляции SIMIT.

«Вместе эти два решения для симуляции позволили нам создать то, что мы называем виртуальным станком TRUMPF, — говорит Ренц. — Он использует библиотеку моделей для удобного полуавтоматического создания цифрового двойника для различных станков, необходимых для каждого тестирования программного обеспечения».

Тестирование в полностью виртуальной среде

Используя Mechatronics Concept Designer, конструкторы TRUMPF создали кинематические модели всех компонентов и сборок, которые можно было использовать в конфигурации TruLaser 5030. Для этого они импортировали 3D-модели из CAD-системы компании и дополнили твердые тела информацией о кинематических зависимостях и физических свойствах, имеющих отношение к инерционным или гравитационным эффектам.

«Благодаря удобному управлению и мощным функциям импорта Mechatronics Concept Designer позволил нам заложить основу для использования цифрового двойника в качестве испытательной платформы, — подтверждает Ренц. — Полноценный модуль 3D-моделирования также облегчает оперативное внесение изменений, таких как упрощение модели для повышения производительности».

Платформа симуляции SIMIT обеспечивает простую связь между средой моделирования и автоматизации с помощью расчетов на основе стратегий HiL или SiL без использования аппаратного обеспечения для автоматизации.

Для создания комплексных функциональных моделей платформа предоставляет несколько библиотек с отраслевыми компонентами и компонентами симуляции. Используя шаблоны SIMIT, конструкторы TRUMPF создали библиотеку моделей со всеми компонентами TruLaser 5030 и их временным поведением.

Виртуальный станок TRUMPF

Специалисты TRUMPF разработали конфигурационное программное обеспечение, которое использует библиотеку моделей SIMIT для полуавтоматической настройки ряда моделей станков для автоматизированного тестирования. Этот конфигуратор цифрового двойника также устанавливает параметры интерфейса общей памяти. Это программное обеспечение также разрабатывает внутренние связи и синхронизирует модель поведения SIMIT с VNCK, а также координирует все задействованные инструменты.

SIMIT и Mechatronics Concept Designer, а также программные инструменты, разработанные собственными силами, поддерживают использование деталей и сборок с различными статусами версии для создания комплексного цифрового двойника всех возможных конфигураций виртуального станка TRUMPF (vTM). Со временем он будет включать все автоматические погрузочно-разгрузочные устройства, которыми может быть оснащен станок. «Цифровой двойник стандартного станка будет включать 80 процентов моделей SIMIT и только 20 процентов моделей Mechatronics Concept Designer, — говорит инженер по динамике станков Кевин Дибельс (Kevin Diebels), отвечавший за создание программного решения. — Если машина используется в автоматизированных операциях, это соотношение будет обратным».

Тестирование ПО за ночь

Инвестиции в решение для автоматизированного тестирования, которое автоматически создает комплексный цифровой двойник всех требуемых конфигураций станка, обеспечивают ряд преимуществ. Одно из них — это значительное сокращение времени и затрат, необходимых для создания новой конфигурации станка для испытаний в цифровой среде, а не с помощью физического прототипа, когда библиотека моделей содержит все компоненты станка определенного типа. «Нам удалось смоделировать аналогичный станок за два дня», — говорит Дибельс.

Сокращение времени тестирования еще более впечатляло: «Ранее тестирование выпуска программного обеспечения занимало четыре недели, а теперь мы можем выполнить его за ночь, — добавляет Дибельс. — Автоматическая процедура тестирования с использованием цифрового двойника, созданного с помощью Mechatronics Concept Designer и SIMIT, охватывает больше вариантов конфигурации».

«Тестирование программного обеспечения за ночь с использованием виртуального станка TRUMPF в качестве испытательной платформы позволяет нам существенно сократить время вывода инновационных изделий на рынок, гарантируя при этом безошибочную работу программного обеспечения, — заключает Ренц. — Мы ожидаем, что инвестиции окупятся менее чем через год».