No siempre son idénticos: gemelos digitales de máquinas herramienta

Existen dos escenarios de aplicación muy diferentes para los gemelos digitales en el ciclo de vida de las máquinas herramienta: Uno de ellos viene determinado por los requisitos del fabricante de la máquina, e implica la aplicación durante el diseño, la ingeniería, la puesta en marcha, el mantenimiento y la revisión de las máquinas. El segundo escenario de aplicación se refiere al funcionamiento de la máquina herramienta, en particular a la creación y verificación de programas CNC fiables. Es importante conocer y comprender estas diferencias a la hora de digitalizar la producción y adquirir nuevas máquinas. Para ello, resulta útil conocer los fundamentos de cómo se diseñan los gemelos digitales.

Una máquina herramienta es una entidad mecatrónica compleja, y su gemelo digital también lo es. Al igual que la máquina-herramienta real, el gemelo digital debe segmentarse en módulos: una imagen virtual del equipo CNC, una imagen virtual del comportamiento de la máquina y una imagen virtual de la mecánica.

El concepto de gemelo digital cubre potencialmente todas las fases del ciclo de vida de una máquina. Esto abarca desde el desarrollo, la ingeniería y la puesta en marcha de la máquina, hasta su uso en la fabricación de una amplia variedad de piezas, pasando por el servicio y el mantenimiento: todo esto se supervisa, planifica, comprueba y optimiza a nivel virtual con un gemelo digital.

Por otro lado, los ingenieros eléctricos, los departamentos de software y los técnicos de servicio de los fabricantes de máquinas están interesados exactamente en eso: utilizan el gemelo digital para asegurarse de que la máquina funcionará de acuerdo con sus especificaciones. La clave está en probar la interacción entre la aplicación del CNC y los actuadores, los sensores y la mecánica. Todas las situaciones de funcionamiento imaginables se reproducen de antemano, y las incidencias especiales se tienen en cuenta en la aplicación del CNC. Tras la aprobación y la entrega de la máquina real, los técnicos de servicio utilizan este gemelo digital para localizar las averías y ofrecer soluciones sin tener que desplazarse al cliente.

El área de interés para el fabricante de máquinas es acortar los periodos de desarrollo y el tiempo de comercialización. Esto se consigue trasladando las fases de desarrollo a la esfera virtual, ahorrando la creación de prototipos mecánicos y maximizando la seguridad de funcionamiento y la disponibilidad de la máquina. A diferencia del operario de la máquina herramienta, el constructor de la máquina no tiene que crear programas CNC sin fallos, sino que hace uso de programas de piezas probados y de calidad garantizada para las pruebas de prototipos que deben realizarse.

Estas dos perspectivas fundamentalmente diferentes determinan el uso del gemelo digital, es decir, el entorno de software y hardware en el que se despliega. Estos difieren en función de cómo se vaya a utilizar el gemelo digital, qué opciones debe ofrecer al usuario y cuáles no son necesarias.

Cuando se trata de la programación de piezas y la planificación de la producción, la tarea principal del gemelo digital es garantizar que los programas de CNC no tengan fallos. La imagen virtual del equipo CNC dentro del gemelo digital se utiliza para simular la ejecución de los programas CNC. En el mercado existen dos enfoques diferentes para hacerlo. La primera opción emula el funcionamiento del CNC, es decir, simula el CNC en el software de la máquina.

La segunda opción utiliza el software del sistema real del CNC. En el caso de Sinumerik, esto se realiza mediante el kernel del controlador numérico virtual (VNCK). El VNCK de Sinumerik contiene el mismo software de sistema que un CNC de Sinumerik. Como resultado, el CNC virtual de Sinumerik en un gemelo digital se comporta exactamente de la misma manera al ejecutar programas de piezas que el CNC de Sinumerik se comporta en la máquina real. La fiabilidad de que una pieza que ha sido probada y optimizada utilizando un gemelo digital será mecanizada exactamente de la misma manera en la máquina real que en la simulación - con la misma seguridad de proceso, velocidad y calidad de mecanizado - es especialmente alta con los gemelos digitales de máquinas herramienta operados por VNCK. Esto significa que el objetivo de producir una pieza conforme a las especificaciones de inmediato, incluso en la producción de una sola vez, es posible incluso con piezas complejas.

Además de la VNCK, la imagen virtual de la mecánica de la máquina es importante para los aspectos prácticos del trabajo con el gemelo digital: visualiza todos y cada uno de los momentos del proceso de producción, lo que significa que se puede supervisar en el PC. Además de la visualización óptica de los movimientos de la máquina y la herramienta, el gemelo digital se encarga de identificar y marcar de forma fiable las colisiones entre la herramienta y la pieza, la sujeción y los componentes de la máquina, lo que en última instancia implica la visualización del propio mecanizado mediante la simulación de la retirada. El software NX Virtual Machine es uno de los sistemas líderes en la visualización de los movimientos de la máquina, así como de la eliminación de material, y este software también admite una menor integración de la VNCK de Sinumerik.

El tercer aspecto de un gemelo digital -la simulación y manipulación del comportamiento de los componentes individuales de la máquina, los actuadores y los sensores- tiene una importancia menor en la planificación de la producción del CNC. Todo lo que se requiere aquí es un panel de control de máquina virtual (MCP) realista que los operadores del gemelo virtual pueden utilizar para operar la máquina simulada y manipular la ejecución del programa CNC.

El comportamiento de cualquier máquina viene determinado por la interacción entre un gran número de actuadores y sensores diferentes. Tomemos el ejemplo de un cambiador de herramientas: El husillo debe adoptar la posición de cambio de herramienta, un carro abre una trampilla, la pinza del husillo debe abrirse, una pinza sujeta la herramienta anterior, mueve la nueva herramienta hacia el husillo, la pinza se cierra, la pinza se retrae, la trampilla se cierra. En el desarrollo, la puesta en marcha y el mantenimiento, un gemelo digital no sólo simula el comportamiento de todas las piezas de la máquina, los actuadores y los sensores implicados en la esfera virtual, sino que también debe permitir ajustes específicos en su interacción.

A diferencia del modelo kernel CN simple, no existe una imagen virtual del equipo de CNC que abarque completamente las funciones de control del CNC, el PLC y el accionamiento. Por lo tanto, los fabricantes de máquinas necesitan una interfaz entre el mundo virtual y el real, para controlar sus gemelos digitales con componentes reales de CNC y accionamientos mediante un bastidor de pruebas.

La implementación de los programas Simit y NX Mechatronic Concept Designer, ofrecidos por Siemens, es una solución para ello. Simit realiza la conexión de señales de hardware y bus de campo con los actuadores y sensores del gemelo digital. El programa NX Mechatronic Concept Designer se encarga esencialmente de que los componentes mecánicos de la máquina trazada como modelo 3D se muevan como está previsto, por ejemplo, a lo largo de un carril guía o alrededor de una articulación, o no se muevan en absoluto, si están fijados. Gracias a estos productos de software, el equipo CNC de una máquina se pone en funcionamiento sin necesidad de prototipos reales. La mecánica y el equipamiento eléctrico de la máquina están representados por el gemelo digital. Cuando un cliente comunica una avería, este gemelo digital permite a los departamentos de servicio de la máquina localizar el problema, analizarlo y ofrecer un asesoramiento detallado a los técnicos in situ. La compatibilidad de las actualizaciones de software o las ampliaciones de funciones se verifica sin afectar a la disponibilidad de la propia máquina. Las funciones de prevención de colisiones y simulación de mecanizado, tan importantes en la producción, desempeñan aquí un papel menor.

En sentido estricto, un "gemelo digital" operado mediante hardware-in-the-loop no es un gemelo virtual completo de la máquina herramienta, ya que se utiliza un CNC real para controlarla. El ordenador de simulación "sólo" proporciona la imagen virtual de la mecánica de la máquina y simula el comportamiento de todas las piezas de la máquina en detalle.

El uso de gemelos digitales en el desarrollo y en la planificación de la producción son, con diferencia, las formas de aplicación más importantes. Sin embargo, en la práctica la distinción entre las dos aplicaciones diferentes no es tan precisa y la aplicación resultante se encuentra en un punto intermedio. Los constructores de máquinas también trabajarán con la VNCK y la máquina virtual NX para explorar nuevas funciones tecnológicas y su impacto en el diseño mecánico, y para crear modelos de funcionamiento de las máquinas para destacar sus puntos de venta funcionales.

Por otro lado, los operadores de máquinas herramienta suelen participar en la fase de ingeniería de sus nuevas máquinas, por lo que entran en contacto con el gemelo digital para la ingeniería y la puesta en marcha de las máquinas herramienta. En el caso de las versiones personalizadas de las máquinas de serie, por ejemplo, las funciones especiales suelen elaborarse en detalle mediante gemelos digitales. En el caso de las máquinas especiales o de las máquinas de gran tamaño, es fundamental que los fabricantes de máquinas discutan las posibles soluciones con el futuro usuario ya en la fase de diseño.

En definitiva, los gemelos digitales no sólo son potentes herramientas para el desarrollo, la producción y el mantenimiento, sino que también representan un medio de comunicación muy eficaz a la hora de transmitir ideas, características y requisitos.