Aplicatii in Realitatea Virtuala in proiectarea si simularea sistemelor de fabricatie holonice

Sisteme de Fabricatie in Arhitecturi Deschise

Aplicatii in Realitatea Virtuala in proiectarea si

simularea sistemelor de fabricatie holonice

Acest document prezinta conceptele si tehnicile de implementare bazate pe simulari in Realitatea Virtuala (RV) utilizate in proiectarea sistemelor de fabricatie holonice. Este prezentata metodologia care a fost dezvoltata pentru modelarea si simularea sistemului de fabricatie cu control holonic cu ajutorul RV. Obiectivul principal este implementarea in intreprinderile mici si mijlocii (SME) la costuri minime.

Pentru a demonstra eficacitatea metodei prezentate, va fi prezentata o aplicatie pentru o fabrica de die-casting de marime medie. Performantele fabricii per total au fost testate pentru implementarea unei celule de die-casting care are intergrat un brat robot.

Introducere.

Intreprinderile mici si mijlocii trec printr-o faza in care sunt coplesite de cerintele clientilor referitoare la calitate si costuri. Sistemele de fabricatie moderne trebuie sa fie in stare sa raspunda la timp cererii clientilor, pentru a isi adapta eficient comportamentul pentru orice tip de imprejurare.

Au fost dezvoltate numeroase tehnologii pentru ca intreprinderile sa fie cat mai competitive. Acestea include: sisteme de fabricatie flexibile (FMS) si sisteme de fabricatie asistata de computere (CIM), care constau din numeroase componente de sistem hardware programabile care sa ajute la fabricatie. Acestea s-au dovedit utile in obtinerea unor timpi cat mai mici de productie, prin executarea unor operatiuni de fabricare si asamblare, dar si prin inlesnirea repararii produselor.

Multe sisteme CIM sufera din cauza gradului redus de scalabilitate, robustete si posibilitate de reconfigurare, din cauza controlului centralizat. Este adesea destul de dificil pentru unele dintre aceste sisteme sa se descurce cu informatii diferite, sa execute expertize si sa ia decizii, pe fondul competitivitatii sporinde pe piata globala, din cauza arhitecturilor lor traditionale cu control centralizat.

De aceea, in urma cercetarilor efectuate, s-a recurs la aplicarea unor metode pentru a imbunatati sistemele de control al fabricatiei. O astfel de metoda este HMS (Sistem de fabricatie holonic), care organizeaza activitatile de fabricare intr-o arhitectura cu control descentralizat, pentru a indeplini cerintele referitoare la scalabilitate, competitivitate si toleranta.

Pe de alta parte, proiectarea unor sisteme de fabricatie atat de mult automatizate cu arhitecturi de control potrivite necesita o inalta expertiza, si decizii luate cu mare atentie pentru a ne asigura ca sistemul va satisface cerintele pietei aflate intr-o continua schimbare.

Realitatea virtuala, care ofera un mediu digital in care avem senzatia ca 'suntem acolo', a fost utilizata din ce in ce mai mult in diverse aplicatrii de proiectare si fabricatie. Simularile bazate pe Realitatea virtuala ofera managerilor de companii si analistilor de sistem un mediu care sa ii ajute sa inteleaga procesul de implementare si sa rezolve problemele aparute in aplicatiile de manufacturare dinainte sa fie aplicate in realitate, prevenind astfel eventualele costuri care trebuie sa acopere greselile de proiectare.

Aditional, au fost dezvoltate diverse pachete software cum ar fi VisFactory, DELMIA, menite pentru a inlesni utilizarea realitatii virtuale in aplicatiile de fabricatie. DELMIA ofera aplicatii de authoring precum QUEST, care pune la dispozitie o platforma pentru dezvoltarea si crearea mediilor de fabricatie virtuale, pentru a adresa variate aspecte ale simularii bazata pe evenimente discrete a procesului de fabricatie.

Modelarea si simularea sistemelor de fabricatie holonice.

Proiectarea si implementarea HMS in aplicatiile reale din industrie necesita decizii riscante, luate cu mare atentie, pentru a ne asigura ca sistemul de manufacturare automatizat va satisface cu succes cerereile pietei in continua dezvoltare. Comportamentul unui HMS nu este determinabil. Pe langa faptul ca testarea experimentala a sa in mediul de fabricatie este destul de costisitoare, mai este si non-realistica pe deasupra. De aceea, companiile au nevoie de unelte pentru modelarea si simularea unor astfel de sisteme complicate pentru a grabi procesul de fabricatie si totodata sa reduca riscurile si costurile.

Exista variate metode de simulare si unelte disponibile pentru proiectarea si analiza HMS. Unele dintre ele sunt capodopere in modelarea MAS, pe langa simularea sistemelor de manufacturare cu arhitectura de control HMS, in timp ce unele dintre ele sunt unelte comerciale care ofera vizualizari grafice ale fabricilor si complexelor de fabricatie. In general, este nevoie de oameni cu foarte multa experienta pentru a opera cu aceste pachete software specializate, care sunt foarte scumpe, si nu pot fi achizitionate de intreprinderile mici si mijlocii.

Consortiul HMS a dezvoltat o unealta interactiva, pentru a simula vizual fluxul material holonic. Programul urmareste activitatea dintr-un atelier de productie automatizat, unde fluxul material este transportat de autovehicule ghidate automat (AGV). Ca rezultat al efortului de cercetare in cadrul IMS (Intelligent Manufacturing Systems), compania Rockwell Automation in colaborare cu alti parteneri a proiectat si dezvoltat MAST (Manufacturing Agent Simulation Tool), o unealta de vizualizare grafica pentru sisteme multi agent.

MAST reprezinta o capodopera in domeniul simularii grafice, pentru modelarea si simularea sistemelor multi agent cu control al procesului de fabricatie.

Realitatea virtuala in proiectarea si simularea HMS.

In domeniul manufacturii, prin simularea liniei de productie in realitatea virtuala, multe produse si proiecte ale etajelor sistemului complex de productie pot fi evaluate inainte de a investi intr-un prototip costisitor. De aceea, se va ajunge astfel la o dezvoltare a proceselor de productie intr-un mod mult mai rapid, mai eficient, cu costuri reduse si lipsit de erori de proiectare.

Exista un mare potential in aplicare tehnologiei interactive bazate pe realitatea virtuala pentru a ajuta dezvoltarea aplicatiilor HMS pentru implementari complexe si costisitoare ale automatizarilor industriale. Desi aceste aplicatii pot fi simulate si cu ajutorul unor simulatoare bazate pe evenimente discrete, nu este posibila vizualizarea semnificatiei reale a fiecarei entitati, si a implicarii ei in platforma de productie. Desi par destul de reale, simularile sunt totusi simbolice si nu sunt capabile sa ofere utilizatorilor o interfata cu modelul fizic la fel de precis ca in realitatea virtuala.

Proiectantii de sisteme de manufacturare intampina adesea mari dificultati in transformarea lumii reale multidimensionale, a caracteristicilor vizuale si dinamice, in reprezentarea statica, dimensionala, textuala necesara limbajelor traditionale. Mai precis, le lipseste capabilitatatea de modelare a modului de reactie complex al utilizatorului bazat pe perceptiile oferite de informatiile culese in timp real.

Cadrul propus pentru sistem.

Proiectare si simularea HMS a metodologiei prezentate in acest document, tine cont de identificarea, implementarea controlului holonic, in sistemele de manufacturare reale modelate virtual. Un sistem desktop VR permite utilizatorilor sa interactioneze in mod intuitiv cu mediul virtual si obiectele din cadrul sau, ca si cum ar fi reale, prin imersia acestora intr-un mediu 3D realistic.

Abordarea propusa incearca sa exploateze simularea pentru o gama cat mai larga de aplicatii cu beneficii semnificative in proiectarea si dezvoltarea sistemelor de fabricatie agile. Sunt facilitatea o serie de mecanisme de integrare menite sa ajute la proiectare si dezvoltarea ciclului de viata al prodului.

Aceste include:

crearea mediilor  de manufacturare in realitatea virtuala bazate pe cerintele functionale si de control holonic;

identificarea holonilor pentru modelarea arhitecturilor cu control holonic, schimbarea cerintelor de control / informatiilor de proiectare intre simularea VR si mediul de operare holonic

aplicare controlului distribuit asupra dispozitivelor de manufacturare si executarea functiilor de control in mediul de operare VR cu arhitecturi holonice cu suport runtime pentru verificarea aplicatiei.

Cadrul VR prezentat in figura de mai jos reflecta proiectarea si integrarea a doua medii majore: cel de proiectare si cel de operare.

Mediul de proiectare.

Mediul de proiectare integrat se concentreaza asupra construirii unei fabrici virtuale, bazata pe modelele sale VR si HMS. Modelul VR este o reprezentare 3D a sistemului de manufacturare pentru simulari in lumea virtuala. Fabrica virtuala se bazeaza pe un model initial, construit cu ajutorul unui modul built-in: VR Model Builder.

VRMB a fost dezvoltat pentru construirea unui model initial al fabricii virtuale care simuleaza operatiile pe platforma de productie intr-un mediu 3D virtual. Aceasta are artefacete VR premodelate, caracteristici orientate pe obiecte. Fiecare obiect VR reprezinta o entitate a fabricii virtuale cum ar fi masinile, muncitorii, stocarea, materia prima, comenzile.

Cadrul de modelarea orientat pe obiecte, bazat pe VRMB este constituit din trei sub-modele: modelul obiect, modelul functional si cel dinamic.

Mediul de operare.

Mediul de operare este reprezentat de o platforma interactiva pentru vizualizarea operatiunilor HMS intr-un mediu VR grafic 3D, receptionand cererile utilizatorului dupa o serie de operatiuni de fabricare, editand parametrii proceselor de productie si colectand statistici privind performantele sistemului testat.

Mediul de operare este constituit din doua mari module: modulul de emulare bazat pe VR (VR-EM), care trebuie sa emuleze comportamentul sistemului fizic de fabricatie, fiind controlat prin intermediul modelului VR; si un modul de control holonic (HCM), utilizat pentru a implementa arhitecturile de control holonice in mediul JAVA-JADE. Structura mediului de operare este aratata in figura de mai jos.

VR-EM ofera o modalitate de comunicare intre obiectele dinamice ale modelului VR si HCM prin socket-urile TCP/IP, care asigura transferul de date intre platformele software. Interfata VR-realitate este o platforma in care timpul de simulare progreseaza proportional cu timpul real, in timp ce simularea se executa.

HCM contine platforme in care holonii ruleaza si isi stabilesc sarcini in cadrul procesului de fabricatie. Componenta fizica a holonului este caracterizata de modelul VR al unui dispozitiv de manufacturare. Modelul VR incapsuleaza toate proprietatile dispozitivului si isi executa operatiile sale prin reprezentari vizuale.

Implementarea si prototipul sistemului.

Pentru realizarea cadrului prezentat a fost dezvoltata o unealta de analiza - VCIM-HOLONIC - pentru a realiza componentele descrise in fiecare faza a metodologiei.

Pentru demonstrarea metodologiei, s-a efectuat o implementare intr-o companie de die-casting de marime medie din Turcia. Compania investeste in integrarea celulelor de die-casting automatizate complet din fabrica, pentru a spori volumul si calitatea productiei.

Celula automatizata complet consta dintr-o masina de die-casting acompaniata de un brat robot produs de ABB, ca operator, un dispozitiv de incarcare automata, o camera de detectare a defectelor, o presa hidraulica pentru taierea materialului, si un dispozitiv de stocare automata a pieselor finite sub forma de paleti.

Pentru implementarea acestui sistem intr-o fabrica reala, am ales arhitectura ADACOR (Agile and Adaptive Holonic Control Architecture), abordare dezvoltata de P. Leitao. Principalul obiectiv al ADACOR este reactia sistemelor de fabricatie la perturbatiile dinamice, cum ar fi: comenzi date rapid, adaugarea/scoaterea de masini, defectari ale masinilor/robotilor, care sunt destul de des intalnite in procesul de die-casting.

Au fost definite cinci clase holon mari pentru acest proiect: Product, Part, Operator, Cell supervisor si Coordinating and Quality Monitoring Holon. Holonul Product reprezinta fiecare produs inregistrat in catalogul fabricii. Contine informarii precum: planul de procesare, rutarea in procesul de productie, spre care celula sa se duca mai departe. Un holon Product primeste comanda de fabricare, o descompune in operatii separate si le proceseaza pe rand. Holonul Part reprezinta stadiile particulare ale comenzilor de productie lansate catre fabrica. Holonul Operator constituie resursele fizice si operatorii disponibili. Holonii Cell Supervisor sunt responsabili cu monitorizarea activitatii celulelor de die-casting. Ei pastreaza o imagine generala a activitatii celulei de fabricatie si o ajuta sa se sincronizeze cu holonii operatori. Holonii de tip Coordinating and Quality Monitoring (CQMH) supravegheaza activitatea de productie per total, monitorizand performantele in functie de resursele implicate in procesul de fabricatie, de anumiti parametri de control ai calitatii si de rata de productie. Ei pot detecta perturbarile si pot porni imediat actiuni corective atunci cand sunt necesare.

Concluzii.

In acest document a fost prezentata o metodologie bazata pe VR si un cadru practic al sistemului, pentru proiectarea si implementarea HMS. Metodologia implementeaza o unealta software cu cost redus, suportata de calculatoare desktop pentru a realiza simulari 3D, pentru a fi aplicate in intreprinderile mici si mijlocii (SME) care nu au angajati foarte experimentati dar isi permit sa investeasca mult in prima faza. Arhitectura sistemului, bazata pe VR, imbunatateste proiectarea, analiza si testarea fazelor de implementare a sistemului de automatizare in intreprinderi, si ofera suport pentru activitati educationale in domeniul automatizarilor si al proiectarii sistemelor complexe de control a productiei.

A fost executat un studiu intr-o companie de marime medie care activeaza in industria die-casting, pentru a demonstra implementarea metodologiei prezentate intr-un mediu real de productie.

Ca rezultat al analizei, prin intermediul simularilor bazate pe VR a celulelor de die-casting automatizate folosindu-se arhitectura cu control holonic, s-a observat ca mediul VR ofera o animatie vizuala excelenta, prin intermediul carora s-au putut identifica usor diverse probleme (blocaje, etc). Aceasta este o caracteristica foarte importanta, mai ales pentru a demonstra raspunsul HMS la managementul fabricii.

De asemenea, prin folosirea VR in procesul de proiectare al HMS, al configuratiei fizice a platformei de productie, si prin studierea efectelor schimbarilor aplicate (distanta dintre masini, viteza sistemelor care lucreaza cu materialele), totul se poate realiza mult mai usor. Mediul VR a oferit posibilitatea de a reproduce experimente controlate si repetabile. De asemenea, se pot studia efectele amplasarii mai multor linii de productie identice, una langa alta, si pot fi comparate intre ele prin setarea unor parametri diferiti in timpul rularii.

Bibliografie.

Mert Bal and Majid Hashemipour - '1 - Bal (p).pdf' - Applications of Virtual

Reality in Design and Simulation of Holonic Manufacturing

Systems: A Demonstration in Die - Casting Industry