Digitalizace strojírenské výroby

Strojírenská výroba se již nějaký čas potýká se změnou své struk­tu­ry ze sériové výroby ke kusové a více spe­ci­a­li­zo­va­né výrobě. Jak tedy řešit opti­ma­li­za­ce a mini­mál­ní cenu koneč­né­ho výrobku?

Současný trend ve stro­jí­ren­ství, kdy se z jednoduchých kusů a­velkých sérií stávají mnohem slo­ži­těj­ší kusy s mnohem menšími objemy, dává důvod se zamyslet nad pří­stu­pem k orga­ni­za­ci jed­no­tli­vých kroků. Tyto kroky musejí nejen opti­ma­li­zo­vat produk­ci, ale také zvýšit fle­xi­bi­li­tu a mini­ma­li­zo­vat lidské zdroje, kterých je také kritický nedo­sta­tek. Vhodným pří­stu­pem je vytvo­ře­ní kva­lit­ní­ho digi­tál­ní­ho řetěz­ce, který usnadní práci lidem, kteří mají pří­pra­vu výroby na starost, sjednotí pře­dá­va­ná data, a který dokáže veri­fi­ko­vat vše, co se má dít na dílně, a to již v pro­stře­dí kanceláře.

Průmysl 4.0

V sou­čas­nos­ti se Prů­mys­lem 4.0 ozna­ču­je pomalu jaké­ko­liv zapo­je­ní počí­ta­če ve výrob­ních spo­leč­nos­tech. V lepším pří­pa­dě se tímto buzz word označuje zavá­dě­ní různých infor­mač­ních systémů. Ať už se jedná o MES, Tool man­age­ment, Document man­age­ment, ERP nebo CAD/CAM, tak tyto sys­té­my nespa­da­jí do myš­len­ky Průmyslu 4.0.

Tyto informační systémy spadají do definice Computer Integrated Man­u­fac­tur­ing (CIM), což je výrobní přístup spo­čí­va­jí­cí v použití počítačů k řízení celého výrob­ní­ho procesu. Tento přístup vychází z myš­len­ky Dr. Josepha Harringtona, který ji definoval počátkem 70. let minulého století. Ano, to, co mnohé firmy v dnešní době zavádějí je 50 let stará myšlenka. Asi se shodneme, že postupy, které byly defi­no­vá­ny před 50 roky a jejich zavádění bylo pro­sa­zo­vá­no od roku 1984, nemusí být v dnešní době dos­ta­teč­né. Toto si uvě­do­mi­la německá vláda, která kolem roku 2011 přišla s myšlenkou Průmyslu 4.0 právě proto, aby již překonaný funkční vrchol CIM získal novou motivaci a nové podněty.

Průmysl 4.0 by tedy měl navazovat nebo nahra­zo­vat CIM. Jedním ze směrů pro stro­jí­ren­ské výrobní podniky je svět digi­tál­ních dvojčat a z nich vycházející digitální řetězec, který nahradí manuální dílen­ské práce a zjed­no­du­ší a sjednotí tak výrobní postupy. Další důležité prvky Průmyslu 4.0 jsou v sjed­no­ce­ní know-how, cloud­ových služeb a zapojení sjed­no­ce­ných databází pro větší auto­ma­ti­za­ci. Toto jsou moduly, které jsou dnes dostupné a je potřeba je sjednotit a umět správně využít. V dlou­ho­do­bém hori­zon­tu budou na těchto datech současného Průmyslu 4.0 vytvo­ře­ny mnohem sofi­s­ti­ko­va­něj­ší a komp­lex­něj­ší kyber­ne­tic­ko-fyzi­kál­ní systémy a skutečná umělá inteligence.

Co můžeme změnit dnes

Roz­tříš­tě­nost databází mezi CIM softwary, pře­dá­vá­ní nekom­plet­ních a nekon­zis­tent­ních dat způsobuje mnohé nepřímé náklady ve výrobě, aniž bychom si to uvě­do­mo­va­li. Zároveň v kon­tex­tu potřebné fle­xi­bi­li­ty výroby nás tato roz­tříš­tě­nost omezuje v mož­nos­tech efek­tiv­ní změny výroby bez zby­teč­ných odstá­vek strojů.

Důvod tohoto stavu je v nesjed­no­ce­ném know-how. Můžeme se podívat na malý přiklad: Dva pro­gra­má­to­ři jsou schopni napro­gra­mo­vat stejný obrobek dvěma různými způsoby tech­no­lo­gic­ky správně. Programátor „A“ zvolí z katalogu doda­va­te­le to nejlepší a nej­vhod­něj­ší vybavení, ať už se jedná o nástro­je nebo upínání. Získá tak nej­krat­ší čas od spuštění programu k „M30“. Pro­gra­má­tor „B“ zvolí nástroje, které jsou již ve stroji běžně k dispozici, upínání jen lehce modi­fi­ku­je pro daný kus a tím mini­ma­li­zu­je seři­zo­va­cí časy na úkor lehce delší doby cyklu. Pro projekt pro­gra­má­to­ra „A“ se musí vše zajistit, znovu seřídit, a to co ušetřil na době cyklu, mno­ho­ná­sob­ně překonala příprava. Stejně tak bylo pro zpro­voz­ně­ní potřeba více lidí. Toto je jen malý důvod pro sjed­no­ce­ní know-how v jednotné databázi, která dokáže auto­ma­tic­ky navr­ho­vat vhodné nástroje, upínání a tech­no­lo­gie na základě znalosti firemních stan­dar­dů a norem. Čím menší série se budou vyrábět, tím větší vliv bude mít sjed­no­ce­ná znalost­ní databáze na efek­ti­vi­tu výrobní spo­leč­nos­ti. Tím se vracíme na začátek tohoto článku. Menší série a slo­ži­těj­ší kusy jsou již běžným stan­dar­dem ve výrobních spo­leč­nos­tech a vliv dobře nastavené auto­ma­ti­zač­ní databáze s kva­lit­ní­mi procesy získané na základě zku­še­nos­tí a firem­ních zvyk­los­tí jen poroste.

Obr. 1: Virtuální seřízení v CHECKitB4 jako začátek digitálního řetězce

Virtuální příprava výroby

Typický proces ve stro­jí­ren­ských spo­leč­nos­tech od poptávky k finál­ní­mu výrobku je zdlouhavý proces zahr­nu­jí­cí práci různých lidí, v různých sys­té­mech a s různými stupni digi­ta­li­za­ce a kvalitou dat. Již z této věty, která vychází z našich zku­še­nos­tí, je vidět, že bude vznikat mnoho rozdílných dat, které mezi sebou nemusí kores­pon­do­vat a přináší tedy poten­ci­o­nál­ní problémy, konflikty, které v důs­led­ku pro­dra­žu­jí výsledný produkt. V sériové výrobě, lze vše průběžně opti­ma­li­zo­vat a tyto nedo­stat­ky roz­měl­nit do velké série. V kusové výrobě nás však tyto nedo­stat­ky omezují a ve finále pro­dra­žu­jí samot­nou výrobu.

V sou­čas­ném stavu si plánovač v TPV při získání poptávky musí v hlavě představit všechny kon­sek­ven­ce, vybrat vhodný stroj, spo­čí­tat limity stroje, vybrat správné upínače, nástroje, držáky nástro­jů, pro­dlou­že­ní, vyložení a najít vhodný polo­to­var. Tyto infor­ma­ce, včetně umí­stě­ní obrob­ku ve stroji musí předat pro­gra­má­to­ro­vi. Největší „digi­ta­li­za­ce“ v tomto směru bohužel bývá excelová tabulka, do které se nemusí vejít všechny infor­ma­ce. Pro­gra­má­tor musí provést digi­ta­li­za­ci všech těchto infor­ma­cí, které po vyge­ne­ro­vá­ní NC kódu opět „dedi­gi­ta­li­zu­je“ do podoby tiš­tě­né­ho doku­men­tu, PDF, nebo nového Excel souboru. Operátor následně opět pracuje s papí­ro­vou formou všech doku­men­tů a infor­ma­cí a může jen doufat, že se mu do rukou dostalo vše, co bude pro svou práci potřebovat.

Obr. 2: Digitalizovaný proces přípravy výroby zjednodušuje práci v přípravě

Zde přichází ke slovu virtuální pří­pra­va výroby. Již plánovač v TPV by měl pracovat s digi­tál­ním dvoj­če­tem stroje, kde si připraví ve vir­tu­ál­ním pro­stře­dí vše od stroje, polo­to­va­ru až po nástroje a upínače a ověří funkčnost navr­že­né­ho řešení v 3D dyna­mic­kém pro­stře­dí. Odpadá tak nutnost si složitě vše před­sta­vo­vat, a je umožněno bez CAM pro­gra­mo­vá­ní vše vir­tu­ál­ně vyzkou­šet pomocí stroj­ních funkcí. Díky digi­tál­ní­mu vláknu dokáže TPV předat kompletní infor­ma­ce v rámci uce­le­né­ho řetězce v digi­ta­li­zo­va­né podobě pro­gra­má­to­ro­vi, který již nemusí tvořit z papí­ro­vých dat digi­tál­ní a dohle­dá­vat chybě­jí­cí informace.

Virtuální dvojče obráběcího stroje

Ve chvíli, kdy v sou­čas­ném pro­vo­zu při­pra­ví pro­gra­má­tor NC program pro obráběcí stroj, přichází na řadu záběh výroby. Tedy chvíle, kdy stroj nevyrábí podle zadaných para­met­rů, ale testuje se korekt­nost NC kódů a samot­né­ho programu. Ano, stroj nevyrábí, a i když je v provozu, tak peníze nevy­dě­lá­vá. Zde může pro­gra­má­tor využít tech­no­lo­gie virtuálního stroje s inte­gro­va­ným řídicím sys­té­mem – Virtual NC Kernel (vNCK). Jeli­kož sys­té­my s vNCK se chovají na základě ori­gi­nál­ní­ho řízení stroje, kon­krét­ní­ho kusu stroje, proběhne zkušební záběh již v počítači v době, kdy stroj ještě naplno vyrábí před­cho­zí obrobek. Využití vNCK umož­ňu­je do programů zapojit speciální cykly, para­met­ric­ké pro­gra­mo­vá­ní a opti­ma­li­zo­vat program stejně, jako se to děje na stroji v případě sériové výroby.

Obr. 3: Záběh nového programu na Virtuálním stroji CHECKitB4 Fermat GMC s řídicím systémem Sinumerik

Rozdílů proti CAM simulaci, nebo simulaci NC programů je ve vir­tu­ál­ním dvojčeti s inte­gro­va­ným jádrem stroje mnoho. Ať už se jedná o způsob vyko­ná­vá­ní pohybů, nebo auto­ma­tic­ká inte­gra­ce veš­ke­rých cyklů, včetně těch, které byl vytvo­ře­ny pro daný stroj výrob­cem, nebo těch, které si zákaz­ník při­pra­vil pro vlastní potřebu. Nej­dů­le­ži­těj­ší však je inter­pre­ta­ce NC kódu samotným řízením stroje místo CL dat v CAM systému.

Původní data, která byla při­pra­ve­na v TPV a předána pro­gra­má­to­ro­vi jsou využita jak v CAM sys­té­mu, který do nich přidá NC kód, tak s NC kódem ve vir­tu­ál­ním dvojčeti pro záběh stroje. Operátor na stroji získá stejná data od TPV se zázna­mem digi­tál­ní­ho dvoj­če­te, kdy si může všechny upínače, nástroje a pohyby ověřit a jed­no­du­še inte­gro­vat do sku­teč­né­ho stroje. A tímto je digi­tál­ní řetězec uzavřen.

Takto při­pra­ve­ná data nám tedy umožní rychlé nasa­ze­ní nové výroby na stroji, sníží nepro­duk­tiv­ní časy a zaměst­nan­cům v přípravě výroby zpří­jem­ní a zjed­no­du­ší práci díky 3D vizu­a­li­za­ci a dyna­mic­ké veri­fi­ka­ci všech jed­not­li­vých kroků.

Webinář: Digitální řetězec
Jelikož se jedná o mnoho malých kroků ve velkém řetězci a řešení může vypa­dat slo­ži­tě, při­pra­vi­li jsme pro vás webinář, ve kterém uká­že­me, že všechny nástro­je jsou již k dis­po­zi­ci a inte­gra­ce do sou­čas­né struk­tu­ry je jed­no­du­chá.
Webinář proběhne 13. 5. 2022 od 9 hodin.
Na tento webinář se můžete se registrovat na webu: https://tinyurl.com/mrx9w2va.

Dušan Libo Autor článku je jednatelem společnosti Pimpel s.r.o.