Comment réduire les coûts du projet et améliorer la qualité avec les jumeaux numériques

Jul 24, 2023

La mise en service virtuelle de machines spécifiques au client a le plus grand effet de levier en termes d'amélioration de la qualité des produits, des coûts et du temps de traitement. Jusqu'à présent, la création de modèles était coûteuse et peu économique en raison du manque de systèmes de blocs de construction modulaires mécatroniques. Examinons les effets des jumeaux numériques pour la mise en service virtuelle.

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Pour cet article, l'utilisation des jumeaux numériques a été analysée dans plusieurs évaluations concernant : l'applicabilité économique, le type de base de temps de simulation, les langages ou outils de modélisation et la méthodologie. Dans ce qui suit, les efforts et les avantages de leur utilisation pour l'exécution de projets de systèmes de fabrication agiles seront présentés. Les machines pour les systèmes seront assemblées à partir d'un kit modulaire et seront équipées selon les spécifications du client.

Le champ d'application lors de l'exécution du projet, depuis le processus de vente jusqu'au début de la production (SOP), nécessite des spécifications différentes pour de tels modèles numériques. Dans le processus de vente, la demande du client sera prise en compte concernant le processus de fabrication de la pièce, la capacité requise et la disposition demandée. La spécification sera tarifée, mais les modèles pour le processus de proposition utiliseront le système modulaire standard de blocs de construction pour les machines individuelles. La correspondance avec la vitesse requise de la phase d'ingénierie d'application, les modèles utilisés pour la simulation doivent être assez basiques et suffisamment précis pour fournir les informations correctes sur le temps de cycle, le nombre de machines, la configuration correcte de la disposition et les performances globales de la ligne. Avec le bon de commande et l'ingénierie des informations de conception mécatronique, le jumeau de produit numérique selon les spécifications du client sera développé. Au cours de l'exécution du projet, il y a différentes étapes pour la vérification de la simulation ainsi que l'optimisation jusqu'à l'acceptation finale (FAC). Avec la finalisation du projet, tous les jumeaux numériques devraient être mis à jour et présenteront la copie virtuelle de l'étendue réelle de l'offre.

Le jumeau de processus numérique est un modèle de zone de travail et simule les mouvements d'axes, les temps non productifs pertinents pour le processus, le dispositif de serrage, la pièce à usiner et les outils de coupe nécessaires. Par rapport à une mise en service API, la mise en service CN est très courte mais avec des avantages évidents en termes de qualité et de temps.

Le Digital Product Twin est un modèle cyber-physique avec près de 100 % de fonctionnalités en combinaison avec un émulé (Software in the Loop ou contrôle réel (Hardware in the Loop). En plus du contrôleur réel, d'autres produits réels tels que des blocs de vannes, des acteurs ou des interfaces peuvent être connectés, par exemple via Ethernet ou Profibus/Profinet. En comparaison, l'application basée sur Hardware in the Loop a été évaluée comme la meilleure solution en raison de sa copie la plus précise de la réalité. avec le bus de terrain réel vers le PC (par exemple Windows avec Twin CAT 3.1) sur lequel est installé le modèle de simulation de la machine La simulation s'exécute en temps réel.

Le Digital Production/System Twin représente l'installation complète d'un système de fabrication/production en tant que modèle. L'objectif principal de cette application est d'analyser et d'optimiser le flux de matériaux et le calcul de la productivité réalisable ou OEE (efficacité globale de l'équipement) pour le système complet. Les deux paramètres - le débit du système et les performances du système - sont des obligations contractuelles et nécessitent un modèle de simulation pour confirmer la spécification. Avec une plus grande sensibilité pour l'énergie et l'environnement et les coûts d'investissement et d'exploitation pour ces sujets, des modèles de simulation sont utilisés pour déterminer la consommation d'énergie, les charges connectées requises, la consommation de fluides (liquide de refroidissement, air comprimé, eau de l'usine) ainsi que les performances de l'air d'échappement et du filtre.

La plupart des clients ayant un volume de production élevé émettent des spécifications de projet détaillées pour tirer parti du personnel déjà formé et du stock de pièces de rechange existant avec leurs demandes. Car le fournisseur de système exige une telle spécification un travail d'ingénierie assez important pour ses composants de machines modulaires standardisés ainsi que pour le processus de fabrication. Pour chaque projet, une phase intensive de mise en service doit être envisagée pour fournir la qualité demandée et répondre aux spécifications de sécurité. Pour éviter une mise en service dépendante d'un délai maximum, le développement de la mise en service virtuelle et de la mise en service en tant que mélange d'équipements réels et d'équipements virtuels a offert des avantages significatifs qui sont les plus bénéfiques pour le fournisseur ainsi que pour les clients. Plus un modèle reflète fidèlement la réalité, plus sa qualité est élevée, ce qui est une ligne directrice pour que les jumeaux de produits numériques puissent simuler la réalité.

À l'avenir, le jumeau numérique fera partie de la livraison ou du service et doit donc être commandé et payé par le client. Cela passe par une définition de la qualité de simulation d'un Jumeau Numérique, un cahier des charges et des mesures de validation de cette qualité.

La conception mécatronique des composants et des machines est nécessaire pour permettre une conception efficace des modèles. Les conceptions 3D résultantes des machines mécaniques avec les plans de circuit, de flux et pneumatiques correspondants peuvent être lues dans le logiciel pour la création de modèles. Les différents assemblages se voient ensuite attribuer les degrés de liberté et les paramètres fonctionnels (par exemple : vitesse de déplacement maximale, valeurs d'accélération et d'à-coup) dans le modèle. De cette manière, chaque élément de la machine reçoit les paramètres fonctionnels connus pour simuler le composant réel. Dans un premier temps, le programme PLC, également fourni, est comparé au modèle et vérifié quant à sa plausibilité. Les premières erreurs peuvent déjà être détectées et éliminées à ce stade. Si les appareils ne sont pas adressés par le programme ou si le programme adresse des appareils qui ne sont pas présents, il y a alors des erreurs de conception évidentes qui, dans le passé, n'ont pas été découvertes avant la mise en service réelle et ont très probablement été copiées dans toutes les machines construites. Étant donné que le modèle est créé pendant la phase de conception en tant qu'activité additive, le risque de récursivité manquante, c'est-à-dire que des modifications ultérieures dans le département d'ingénierie sont développées dans des modèles antérieurs ne sont pas maintenus, doit être géré.

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La mise en service virtuelle est une anticipation du test du programme automate qui est finalement réalisé sur la machine réelle. L'objectif de la mise en service sur modèle est de décaler le plus de temps possible de la zone de mise en service réelle pertinente au délai d'exécution vers la parallélisation avec l'ingénierie, l'approvisionnement et la production des sous-ensembles. Avec un transfert réussi, le délai d'exécution d'un projet (pour l'entreprise système environ douze mois jusqu'à la sortie d'usine) peut être considérablement raccourci (fabrication de systèmes avec des machines CNC seulement environ quatre semaines environ douze semaines).

Toutes les fonctions ne peuvent pas être transférées à la mise en service virtuelle en fonction des spécifications du client et de la déclaration CE du fabricant qui ne tient pas compte de la dernière technologie de simulation. Pour pouvoir éviter les répétitions lors de la mise en service réelle, le modèle doit être aussi précis que possible par rapport à la machine réelle. Pour répondre à cette demande, l'équipement de test Hardware in the Loop (HiL) fournit la meilleure couverture. En plus de tester les fonctions sur le modèle sans aucun risque d'endommagement, la simulation propose une répétition automatique des fonctions à la station sans pilote. En mode de test manuel, une fonction est libérée après un petit nombre de répétitions sans erreur. En mode automatique, après la livraison, il y a des arrêts singuliers dus à un arrêt imprévu ou à un plantage du programme de l'automate. La détection à l'avance de chacune de ces erreurs sporadiques a des effets notables sur les coûts (facteur temporel de correction des erreurs au niveau du simulateur par rapport à l'usine du fabricant par rapport à l'usine du client : 1:8:40) et la qualité du logiciel. Le simulateur peut être utilisé entre la livraison et le début de la mise en service dans l'usine du client pour résoudre les problèmes en suspens depuis la pré-acceptation ou poursuivre l'optimisation du programme.

La combinaison d'un robot réel avec une pince virtuelle et la représentation du système fonctionnel commun au moyen de la réalité virtuelle est à la pointe de la technologie depuis des années et a ouvert un nouveau champ d'application pour les modèles de simulation. Dans les usines clés en main telles que Agile Manufacturing Systems, plusieurs fournisseurs sont toujours impliqués (Fig. à gauche : Agile Manufacturing Cell avec automatisation de portique et machines CNC). Pour la mise en service et la réception préliminaire, les deux composants du système construits dans des endroits séparés dans l'espace devaient être physiquement réunis pour le démarrage. À moins que des clients finaux très prudents n'insistent sur cette procédure coûteuse et chronophage, seuls des avantages pourraient être obtenus en connectant un composant système réel à un modèle de simulation (matériel dans la boucle) via, par exemple, l'interface Profibus. En réalité, cela était immédiatement mesurable lors de la mise en service après l'installation dans l'usine de l'exploitant. En plus de l'amélioration de la qualité du programme PLC, des économies de temps et d'argent pourraient être réalisées en n'ayant pas à fusionner les deux composants du système.

Une fois que le système installé dans l'usine du client était prêt à démarrer la production, le système de production devait être intégré dans le système informatique de gestion de la production du client. Outre le processus de production standard, la montée et la descente par type de pièce et variante doivent également être démontrées pour ajuster le système de gestion de la production avec la nouvelle ligne de production installée. L'utilisation d'un système de production prêt pour la production pendant une période plus longue (semaines) pour l'intégration dans un système de production d'usine peut désormais être évitée grâce à la disponibilité de modèles virtuels et prendra en charge un démarrage de production plus précoce (SOP).

La réduction des délais est un premier effet mesurable qui servira de référence par rapport à l'exécution traditionnelle d'un projet. L'amélioration de la qualité est définitivement atteinte dans différents domaines et sera quantifiée dans une réduction du coût du produit.

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