Jako by byli přímo u stroje

MM: Kdy se zrodila myšlenka vytvoření tohoto konkrétního digitálního dvojčete?

Ing. Holub: Od roku 2015 pracujeme na digitálním dvojčeti výrobní buňky. Od tohoto data jsme začali pod vedením doc. Petra Blechy připravovat první grantové žádosti, které tehdy nebyly bohužel dále podpořeny. Současně jsme začali postupně vypisovat témata diplomových a bakalářských prací, které měly podpořit vznik digitálního dvojčete pracoviště. Mezi nejúspěšnější práce, které pracoviště významně posunuly k jeho realizace, patří ty od Ing. Jakuba Bražiny, Ing. Václava Staňka a Bc. Adama Jelínka. Dále se na pracovišti podíleli studenti doktorského studia, jako například Ing. Jiří Kroupa, který pracuje na tvorbě virtuálního prostředí.

MM: Co vše zahrnuje projekt digitálního dvojčete?

Ing. Holub: Digitální dvojče výrobní buňky je multidisciplinární oblast, ve které jsou zahrnuty znalosti konstrukce výrobních strojů a zařízení, robotiky, metrologie, senzoriky, IT, elektrotechniky atd.

Virtuální realita se na ÚVSSR řeší od roku 2012, kdy bylo v rámci NETME Centra vybudováno pracoviště virtuální reality. Logicky byla tato technologie začleněna do ústavní koncepce v rozvoji výuky a VaV.

Systém pro sběr dat z externích senzorů byl navržen kolegou Ing. Ondrou Andršem, Ph.D., a je využíván jako vstup do neuronové sítě.

Neuronové sítě byly do buňky postupně implementovány na základě získaných znalostí a zkušeností z průmyslové spolupráce, přičemž pod vedením kolegy Ing. Jiřího Kováře, Ph.D., byla realizována koncepce neuronové sítě pro predikci geometrické přesnosti.

MM: Jak konkrétně dvojče funguje – tedy jak konkrétně se uplatní v provozu výrobní společnosti?

Ing. Vetiška: Představenou výrobní buňku lze rozdělit na několik částí. Digitální dvojče pro offline programování robotických operací, digitální dvojče a virtuální realita pro monitoring a vizualizaci provozních stavů a veličin, a virtuální dvojče obráběcího stroje realizované pomocí neuronové sítě pro predikci jeho geometrické přesnosti.

Robot i frézka jsou rozšířeny o senzory, které jsou nezbytné pro celkovou automatizaci pracoviště, ale také pro vyhodnocování aktuálního stavu jednotlivých kontrolovaných veličin.

Software pro vizualizaci a online zobrazování, který je napojen na servery pro vyčítání dat z externí senzoriky, řídicích systémů zařízení a neuronové sítě, je kompletně vyvinut na našem pracovišti. Je to takový základní kámen, jelikož se jedná o úplně otevřený systém, do kterého jsme schopni napojit jakákoliv přístupná data.

Jelikož se dá říci, že každá výroba vyžaduje specifický přístup ke své realizaci, tak i námi navržený systém musí umožnit takový přístup při tvorbě virtuálního dvojčete pracoviště. Toto řešení je postupně zaváděno do ostrého provozu ve Slováckých strojírnách v Uherském Brodě, odkud dostáváme důležitou zpětnou vazbu pro další rozvoj. Je zde realizováno v rámci Operačního programu Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost 2014–2020, APLIKACE III, reg. č. CZ.01.1.02/0.0/0.0/16_084/0008839, Aplikace výsledků výzkumu se zaměřením na zavedení nových technologií a postupů do výroby velkých obrobků.

MM: Jak konkrétně funguje a jaké jsou jeho výhody oproti běžně využívaným způsobům v provozu firem a zajištění údržby?

Ing. Holub: Samozřejmě existuje nespočetné množství systémů pro údržbu, které jsou aplikovány v průmyslové výrobě a vizualizovány nejrůznějšími způsoby na monitorech či dnes prezentované rozšířenou realitou pomocí tabletů, mobilů nebo průhledových brýlí. Naše řešení jsme se rozhodli převést do virtuální reality pomocí VR brýlí z několika důvodů. Máme možnost pracovat s větším zobrazovacím prostorem pro obsluhu, je možné být v pracovišti, kde není povolen přístup, nebo se k němu připojit z libovolného místa, třeba i mimo firmu. Lze tedy k řešenému problému vzdáleně přizvat odborníka, který je aktuálně na jiném pracovišti.

Samozřejmě je možné komunikovat po telefonu a na vzdálené ploše, ale v takovém případě nedostanete potřebný vjem z provozu stroje nebo výrobního procesu.
Predikce vybraných stavů stroje má zase obrovskou výhodu v tom, že jsme schopni předvídat takový stav stroje, kdy nebude dosahovat potřebné výrobní přesnosti a začne produkovat neshodné dílce. Zde je pak spoustu dalšího prostoru k diskuzi, co v takovém případě nastane, a opět je to silně závislé od typu výrobního procesu.

MM: Co přináší pracovníkům (a vedení) výrobních podniků a co studentům?

Ing. Vetiška: Pracovníkům přináší možnost okamžité kontroly výrobního procesu, stavu výrobního zařízení. Můžou prezentovat výrobu svým zákazníkům, včetně kondice strojů, stability prostředí, pokud se jedná o precizní výrobu, atd. Dále je zde potenciál v oblastech zaškolování a řešení nestandardních situací zpětně, jelikož jsou data po určitou dobu ukládána. Takže je možné nestandardní situace řešit zpětně v rámci většího kolektivu z různých pracovišť. Opět je výhodou, že se pohybujete v konkrétním procesu namodelovaném 1:1.

Studentům v rámci vzdělávání přináší mnoho výhod. Jedním z našich cílů je právě příprava nové výuky, kterou jsme připravili, a to tak, že si studenti projdou konstrukci, výpočty, simulaci, senzoriku, offline a online programování robotů, obrábění, kontrolu přesnosti stroje a v blízké budoucnosti i obrobků, včetně tvorby virtuálního modelu a jeho zprovoznění, v rámci dvou let studia na našem ústavu. Díky tomu dostanou komplexní pohled na tvorbu takovéto výrobní buňky v kontextu Průmyslu 4.0. Tyto věci konzultujeme právě i s výrobními firmami, a snažíme se tak studenty připravit na tento způsob výroby.

MM: Jak a k čemu jsou v tomto projektu konkrétně využity neuronové sítě?

Ing. Holub: Neuronové sítě jsou zde konkrétně aplikovány na úlohu predikování teploty na vybraných strojních uzlech, které mají prokazatelný vliv na rozměrovou a tvarovou přesnost budoucího obrobku. Tomuto výzkumnému úkolu se věnujeme už od roku 2012 a snažíme se ho dále rozvíjet. Jedním z takovýchto témat je právě predikce. Cílem tedy je, aby obsluha stroje nebo sám stroj rozpoznal, že se mění okolí stroje nebo něco v něm samotném, a došlo nějakým způsobem k takové změně v procesu, že by nebyly vyrobeny neshodné dílce. Zde je ještě pro nás obrovský kus cesty dostat tuto technologii do plné automatizace.

MM: V čem spočívá novost přístupu k servisu pracoviště? Co umožňuje virtuální realita?

Ing. Holub: Novost přístupu spočívá nejspíše v kombinaci virtuální reality a nasazení neuronové sítě. Za to také bylo pracoviště oceněno. Z našich zkušeností, kdy jezdíme kontrolovat stroje, se setkáváme se situacemi, kdy nejsme schopni sami vyřešit nějaký úkol a potřebujeme k tomu člověka, který zná stroj, řídicí systém nebo výrobu. Dost často se jedná o zkušené techniky, kteří servisují více pracovišť nejen po ČR, ale i v zahraničí. Naše myšlenka spočívá v tom, že tito lidé budou mít přístup k virtuálnímu pracovišti a po připojení k němu přes VR budou mít možnost účastnit se takovéhoto servisního zásahu s maximálním možným vjemem, jako by byli u stroje.

MM: Do jaké míry je možná simulace výrobního procesu pomocí virtuální reality?

Ing. Vetiška: Virtuální realita není používaná pro simulace, ale jako prostředek vizualizace výrobního systému za účelem předání prostorového vjemu a přesné lokalizace naměřených dat. Tím je prohlížející vtažen do „reálného“ výrobního systému, a získá tak správný přehled o situaci a stavech měřených veličin.

MM: Vaším záměrem je mimo jiné připravit ucelenou technologii ve vzdělávání. Co si pod tím mohu představit?

Ing. Vetiška: Naše první myšlenka, jakožto vzdělávací instituce, směřovala do oblasti vzdělávání. Chystáme tedy pro své studenty celou řadu ucelených a na sebe navazujících úloh zaměřených do oblastí konstrukce, výpočtů a simulace, senzoriky, metrologie, kvality, virtuální reality, robotiky a elektrotechniky, které si ve výsledku ověří na funkční výrobní buňce. Jedná se zejména o to, že si budou moci svoje vlastní algoritmy pro nejrůznější výpočty ověřit na reálných datech, případně tyto algoritmy vložit do samotného softwaru. Příkladem mohou být výpočty zatížení pohonu vřetene stroje,pro navrženou technologii obrábění mají za úkol spočítat zatížení pohonu, navrhnout technologii obrábění a výsledky si potom ověřit na datech ze systému.

MM: Kde váš projekt již funguje v praxi (mám na mysli jak podnik, tak i školu), jak dlouho a jaké jsou ohlasy lidí, kteří s ním pracují?

Ing. Holub: V průmyslovém odvětví realizujeme první instalaci v oboru výroby velkých dílů. Zde jsou použity prvky virtuální reality pro prezentaci výrobního procesu za účelem zefektivnění a zpřesnění samotné výroby. Dále jsme aplikovali technologii virtuální reality s monitorováním procesu v chemickém průmyslu založeném na principu basic model pro simulaci procesu. V rámci BVV jsme prezentovali technologii virtuálního pracoviště na ÚVSSR, jejímž cílem bylo seznámit odbornou veřejnost s pokroky v dané oblasti a navázat VaV spolupráci s průmyslem, kde by bylo možné naši technologii dále rozvíjet.

Robotizované pracoviště na ÚVVSR vzniklo již v roce 2000 pod vedením prof. Zdeňka Kolíbala v rámci činnosti brněnského pracoviště Výzkumného centra strojírenské výrobní techniky a technologie na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně. V roce 2010 bylo pracoviště modernizováno pod vedením doc. Petra Blechy v rámci projektu NETME Centre – Nové technologie pro strojírenství. Od roku 2015 zde postupně začali z vlastních prostředků Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky tento celek dále upgradovat a díky podpoře partnerských firem, jako je ABB, Siemens, Kovosvit a Schunk, získali výhodně další potřebné technologie, které umožnily rozšířit reálný výrobní systém o jeho digitální dvojče.

Digitální dvojče výrobní buňky provozované na Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky, je uživateli prezentováno pomocí virtuální reality, kde jsou online zobrazována data z řídicích systémů strojů a zařízení, informačních systémů a z externí senzoriky. Data jsou zpracována a analyzována pro následnou predikci způsobilosti výroby, testování a optimalizaci návrhu výrobní buňky. Navržené digitální dvojče je také užíváno jako nástroj vzdálené virtuální správy pracoviště. Cílem navrženého řešení je především zkrácení časů pro přípravu nové výroby, snížení počtu neshodných obrobků a zefektivnění údržby výrobní buňky, které vede k ekonomickým a časovým úsporám při jejím provozu.

Zajímavé video, na němž lze vidět činnost digitálního dvojčete, si můžete prohlédnout na www.facebook.com/fmebut/videos/422110641781465/.

Hana Janišová

Michal.Holub@vutbr.cz