Цифровой двойник станка и цеха: что это по ГОСТ Р 57700.37 и нужен ли он малому производству

Что называют цифровым двойником

Самое короткое определение дают сами инженеры: цифровая копия физического объекта или процесса, которая хранит его историю и текущее состояние. По данным английской Википедии, определение сложилось в NASA в 2010 году, когда там пытались улучшить физическое моделирование космических аппаратов. В 2010-е и 2020-е понятие распространили с изделия на весь производственный процесс.

Российский стандарт сформулировал определение жёстче и уже.

Стандарт введён с 1 января 2022 года. Он устанавливает общее понятие двойника и общие требования к его разработке и применению, а распространяется на изделия машиностроения. Двойник по нему создают на стадиях жизненного цикла изделия: проектирования, производства, эксплуатации. Для этого стандарт написан в первую очередь, чтобы проверять конструкцию в виртуальных испытаниях до изготовления опытных образцов.

Из этого следует вещь, которую в продающих текстах пропускают. Стандарт обращён к тому, кто разрабатывает и выпускает изделие. Цеху, который работает на станке и делает на нём кронштейны, он ничего не предписывает: двойником по ГОСТу были бы модели самого кронштейна у его разработчика. Для станка в цехе понятием приходится пользоваться в более широком, неформальном смысле.

Двойник производства по ISO 23247

Для производственных систем есть международная серия ISO 23247, первая часть которой вышла в 2021 году под названием о рамочной структуре цифрового двойника для производства. Подробное изложение дано на сайте AP238.org: система делится на четыре слоя.

Нижний слой стандарт формально в рамку не включает, потому что он уже существует. В лабораторном примере на AP238.org, роботизированной сборке элементов обшивки самолёта, роботы сообщали состояние по OPC UA, слой связи складывал данные в поток MTConnect, а двойник по этим данным показывал, какие отверстия уже просверлены. Авторы примера оценили сокращение времени производства в 25 %. Это оценка лаборатории на штучном аэрокосмическом процессе, переносить её на фрезерный цех нельзя.

Практический вывод из таблицы такой: двойник в смысле ISO 23247 состоит из трёх вещей, которые в небольшом цехе обычно уже есть по отдельности. Это станки, какая-то система сбора данных и программа, где считают результат. Цифровым двойником набор становится тогда, когда между слоями идут автоматические потоки данных, а не файлы, которые кто-то переносит руками. Как собирать данные со станков, подробно разбирает статья про мониторинг загрузки и OEE, а подключение старого оборудования и датчики описаны в подтеме промышленного интернета вещей.

Какие бывают двойники в цехе

Под одним названием скрываются пять разных вещей. Цена, трудоёмкость и отдача у них различаются на порядки.

Симуляция обработки и станка

Дешёвая точка входа — просмотреть, что получится из заготовки. Программа CAMotics с открытым исходным кодом моделирует G-код для трёхосевых станков и показывает результат в 3D, она бесплатна и работает под Linux, macOS и Windows. Она не знает кинематики конкретного станка и не поймает столкновение шпиндельной бабки с тисками, зато показывает зарез детали и ошибку в порядке переходов. Для цеха с одним-двумя фрезерами это уже полезно.

Следующий шаг — симулятор станка целиком. Разработчик пакета Vericut описывает модуль симуляции как создание «цифрового двойника станка один в один» для проверки программы и самого станка, а базовый модуль верификации, по его словам, находит ошибки и останавливает столкновения до запуска. Цены на сайте нет, их выдают по запросу, так что сравнивать пакеты по стоимости нужно в коммерческих предложениях. Прежде чем покупать, стоит выяснить, как поставщик получит модель именно вашего станка: у одних моделей станков есть готовая библиотека, для других модель делают по чертежам за отдельные деньги и время.

Ограничение у любой симуляции одно и то же: она показывает то, что в неё заложено. Неверно измеренный вылет инструмента, нулевая точка, сдвинутая оператором, или тиски, которых нет в модели, дают красивую картинку и столкновение на реальном станке. Поэтому симуляция страхует программу, а оператор проверку перед пуском не заменяет.

Расчёт: окупается ли симуляция новой программы

Условный цех: три фрезерных станка с ЧПУ, 40 новых деталей в месяц, на каждую нужна первая обкатка управляющей программы. Все цифры ниже допущения для примера, их нужно заменить собственными замерами.

Если принять, что освобождённые 52 часа станка в месяц находят загрузку заказами, то деньги реальные. Если загрузки под них нет, экономия остаётся бумажной, и тогда считать нужно по другой статье: по числу разбитых заготовок и поломанных инструментов. Для разового заказа на дорогую заготовку, например поковку или цельный блок из титана, один предотвращённый брак перекрывает месячную экономию из таблицы. Для серийной работы с одной отлаженной программой симуляция не нужна совсем: новых программ там нет.

Порядок величин даёт простое правило. Пакет, который стоит больше двенадцати месячных экономий, не окупится за год. При тех же допущениях и десяти новых программах в месяц тот же пакет вернётся только через четыре года. Сначала измерьте, сколько часов станок реально уходит на обкатку, например по журналу, как в статье о мониторинге, и только потом спрашивайте цену.

Двойник по данным: когда он нужен цеху

Для небольшого цеха второй вариант часто полезнее первого. Модель состояния станков не требует трёхмерной геометрии: достаточно знать, работает станок, стоит или в аварии, какая программа загружена и сколько осталось до конца. Данные дают датчик тока, сигнальная колонна или протокол MTConnect, а экран с цветными плитками для диспетчера и есть та самая «модель». Конкретные решения и цены на них разобраны в статье про мониторинг загрузки. От этого уровня потом можно подниматься к MES и учёту заданий.

Двойник цеха целиком в виде имитационной модели потока (станки, маршруты, очереди) нужен, когда решается вопрос с большими деньгами: куда поставить новый станок, хватит ли двух смен или нужна третья, как изменятся сроки, если заказов станет в полтора раза больше. Если такая задача возникает раз в год, пакет для неё обычно покупать не нужно: проще заказать расчёт специалисту по моделированию. Похожая логика у роботизации загрузки станков: сначала расчёт часов на бумаге и только потом покупка.