Digitale tweeling geïntegreerd met de werkelijkheid

Digital twin is in de Smart Industry van vandaag een van de sleuteltechnologieën voor het optimaal ontwerpen en besturen van producten en systemen. Het Arnhemse ingenieursbureau QING gebruikt de digitale tweeling onder meer om industriële robots slim in productieprocessen te integreren.

Tijdens het Digital Twin Live event op 12 november j.l. in Arnhem presenteerde QING een aantal innovatieve toepassingen van digital twin, waaronder een tool waarmee een delta-robot direct aangestuurd wordt vanuit een Visual Components simulatie. Een delta-robot wordt vaak ingezet voor pick & place-activiteiten, het hanteren en positioneren van producten van uiteenlopende vormen en massa’s. Het event was een gezamenlijk initiatief van QING, HAN Automotive Research, Visual Components en Cadmes.

Smart Production Centre

Het Smart Production Centre (SPC) opende eind vorig jaar zijn deuren op Industriepark Kleefse Waard in Arnhem. Het SPC is, met een ‘Smart Industry’ subsidie van de provincie Gelderland, ontwikkeld door HAN Automotive Research in samenwerking met een aantal bedrijven, waaronder DSM, Hollander Techniek, QING en Siemens. De focus van het SPC ligt op de productie van lichtgewicht (composiet)componenten voor met name de automobielindustrie. Aspecten die daarbij aan bod komen zijn continue (24/7) productie, massaproductie van composieten, Internet of Things (IoT) en big data. 

Digitale tweeling

De huidige Smart Industry zet in op automatisering, digitalisering en robotisering van productie om te kunnen voldoen aan steeds hogere eisen wat betreft kwaliteit, doorlooptijd en kosten. Dat vraagt om een optimaal ontwerp en een slimme besturing van het complete productieproces. Een opkomende technologie die daarvoor moet zorgen is digital twin. Een digitale tweeling kan bijvoorbeeld een virtueel model (3D-ontwerpen en simulaties) met de fysieke uitvoering van het proces verbinden. Van het fysieke proces worden met sensoren data verzameld en via een PLC (het apparaat dat de aansturing uitvoert) toegevoerd aan het virtuele model voor berekeningen en simulaties. De uitkomsten daarvan verbeteren weer de besturing van het fysieke proces.

Virtueel testen

Digital twin werkt op dezelfde manier in de ontwerpfase, voor de ontwikkeling van het virtuele model en het fysieke prototype. Voor onderdelen van het fysieke proces die dan nog niet zijn gerealiseerd, wordt de data gegenereerd door een simulatie. Dat maakt het mogelijk om delen van het model en het fysieke proces alvast te testen. In vergelijking met de traditionele aanpak, waarbij het testen pas start als het fysieke prototype compleet is, valt op deze manier veel tijdwinst te behalen. Ook kunnen zo kosten worden bespaard, omdat dankzij virtuele testen het ontwerp al zo goed is dat in het fysieke prototype niet veel (dure) aanpassingen meer nodig zijn.

Digital twin volgens QING 

QING heeft al veel ervaring opgedaan met digital twin, vertelt business manager Bram de Vrught. “Voor ons is digital twin het gedetailleerd in kaart brengen van een systeem en vervolgens het daaraan koppelen van alle materiaaleigenschappen, gedragingen en doorlooptijden. Daarvoor gebruiken wij innovatieve technologieën zoals simulatie en IoT-dataplatforms. Wij gebruiken een digitale tweeling voor twee dingen: voor het gestructureerd en gefaseerd ondersteunen van producenten en machinebouwers bij het optimaliseren van hun bestaande systemen en voor het ontwikkelen van volledig nieuwe robotisering en automatiseringsoplossingen.”

Live event

QING organiseerde samen met partners Digital Twin Live om deelnemers ook echt te laten zien en ervaren hoe ze digital twin real-time kunnen inzetten om processen te verbeteren. Concreet gebeurde dat met een productiecel in het SPC. Onderdeel van die cel is een deltarobot, die composietproducten in de juiste positie en oriëntatie plaatst zodat een volgende robot ze vervolgens in een pers kan plaatsen. Onderweg weegt de deltarobot het product; is het gewicht te laag of te hoog, dan wijst dat op een fout product en verwijdert de robot het uit de cel. Met hulp van de Visual Components software voor 3D-productiesimulatie programmeerde QING er de besturing voor.

Maatwerkscript voor deltarobot 

De uitdaging bij het programmeren van de deltarobot was dat dit type een andere aansturing kent dan de gangbare robotarm, vertelt Bram van Riessen, mechanical engineer bij QING. “Wij hebben bijvoorbeeld al een zes-assige robot, oftewel een robotarm, geprogrammeerd, maar de delta-robot telt slechts vier assen. We hebben uitgezocht hoe we die assen moeten aansturen om de gewenste beweging van de robot te verkrijgen. We hebben dit allemaal in de software van Visual Components geprogrammeerd. Het script dat we zelf hebben gemaakt is maatwerk voor de deltarobots van Fanuc, maar we zijn nu dus in staat om scripts te maken voor elk type robot. De gebruiker hoeft alleen nog de laatste configuratie in de robotcontroller te zetten, bijvoorbeeld het eindpunt van de robot waar het gereedschap aan vast zit en het referentieframe van de robot. Voor de gebruiker is dit zero-programming en dat bespaart enorm veel tijd.”

Tijdwinst

Tijdens het event kon de cel nog niet fysiek produceren, vervolgt De Vrught. “In de digital twin werden al wel virtuele producten gemaakt. Daardoor konden we de software testen en data al verzamelen. Naarmate meer onderdelen ook fysiek beschikbaar zijn, zoals sensoren, kunnen we in de digital twin de simulatie ervan vervangen door het echte product. Voorheen moest je wachten tot alles er was, nu konden we parallel aan het realiseren van die onderdelen alvast bepaalde dingen testen. Dat is ook weer tijdwinst.”