Informační a automatizační technika

Pro bezproblémový automatický chod strojů je nezbytné získat a ovládnout data a informace. Jsme unikátní integrací a rozvojem činností a aktivit souvisejících s počítačovou simulací včetně schopností spojovat vlastní i komerční simulační programy pro nekonvenční zařízení. Ve spolupráci s průmyslovou sférou jsme rozšířili a modernizovali výuku některých předmětů a řešené diplomové práce našich studentů nyní mají špičkovou SW podporu.

Proč pracovat se senzory při výuce na Fakultě strojní ČVUT v Praze

V rámci předmětu technické měření se studenti seznamují s různými typy a funkcemi senzorů, jak vypadá signál, který senzor vysílá, jak celý systém funguje, jaké má vlastnosti. Teoretické znalosti si pak mohou prakticky vyzkoušet v rámci cvičení, kde se učí vyvíjet a pracovat se softwarem pro zpracování změřených dat a zpracovávají laboratorní úlohy v podobě zaznamenávání a analýzy výstupů senzorů. Konkrétně to znamená například vyhodnocení, jaký typ překážky v jakých podmínkách je senzor schopen zaznamenat a za jakých okolností nikoli. Cílem je seznámit se s možnostmi i limity používaných technologií. Některé typy senzorů objekty detekují, rozpoznají, o jaký objekt se jedná, jiné určí jejich vzdálenost. Typickými limity jsou průhlednost překážky, nebo čistota optických snímačů. Získané zkušenosti uplatní absolventi, kteří se profesně zaměří na navrhování autonomních automobilů či robotů.

Moderní přístroje, stroje a strojní a technická zařízení jsou komplexní celky využívající při svém provozu vždy nějaké typy senzorů. Výhody výuky senzoriky na Fakultě strojní ČVUT v Praze spočívají v propojení znalostí konstrukce a mechaniky takových zařízení se znalostí systémů pro snímání a zpracování signálů. Absolvent FS tak zná nejen způsoby měření a přenos fyzikálních veličin, ale rozumí také tomu, jak technicky funguje zařízení, na kterém jsou senzory použity. Jedná se tak o komplexní pohled na celý systém, který zahrnuje i aplikační využití použitých senzorů.

Model autonomního automobilu se senzory

Zmenšený model ukazuje hlavní senzory pro měření vzdálenosti, které se používají v autonomních automobilech a robotech. Zařízení je osazeno kamerami, radarovým senzorem FMCW s plošným skenováním a lidarem. Tyto optické senzory umožňují orientaci v prostoru a detekují překážky, na základě zpracovaných dát je tak možné určit dráhu pohybu a vyhnout se překážkám. Jedná se o asistenční systémy pro řízení modelu, díky kterým se stává model „samořiditelný“ – autonomní, tedy využívající spolupráci rozpoznávacích a navigačních systémů. Mechanika modelu auta byla vytvořena studenty, kteří pracovali na zadané laboratorní úloze.

Senzory pro měření vzdálenosti jsou použitelné pro všechna zařízení, která mají za úkol detekovat objekt a jeho vzdálenost, tedy také pro drony a letecké mapování terénu, kolejová vozidla a podobně. Systémy mohou nejen detekovat pohyb, ale také zabránit kolizi například pomocí automatického brždění.

►Ukázka laboratorní úlohy „Senzorika autonomního vozidla“

Sestava vozidla

Čárový lidar (1), radar (2), hloubková kamera (3), 3D lidar (4), webkamera, (5). řídicí počítač NVIDIA Jetson (6), měniče napájení (7), moduly pro řízení motorů (8)

Mapování

■    Vlevo: odhad počáteční polohy vozidla ve známé mapě, ale s neznámou počáteční polohou
■    Vpravo: postupné zpřesňování určování polohy při pohybu

Visual Twin – reálný řídicí systém v kombinaci s virtuálním modelem stroje

Visual Twin je kombinací reálného CNC řídicího systému Heidenhain TNC640 a virtuálního modelu stroje MCU700, v tomto případě s dokonalou fotorealistickou vizualizací pracovního prostoru plně nahrazující dojem z obrábění na skutečném stroji. Umožňuje provádět velmi věrohodné prediktivní simulace CNC obrábění zejména s ohledem na kontrolu kolizí. Za vývojem Visual Twin, resp. vývojem komunikace mezi řídicím systémem Heidenhain a virtuálním strojem, stojí spolupráce FS ČVUT, RCMT v Praze s německou softwarovou firmou ModuleWorks, která tento dokonalý vizualizační systém vyvinula. V České republice se jedná o první implementaci, která vznikla díky podpoře projektu EIT Manufacturing.

As real as it gets – autentická technologie prostřednictvím akustických a vizuálních efektů jako při hraní her

Digitální dvojče je virtuální model reálného zařízení, na kterém lze simulovat chod zařízení skutečného. Digitální dvojčata strojů jsou vynikajícím prostředkem zejména při zavádění nových technologií do výroby, protože testování ve virtuálním prostředí umožňuje otestovat a odladit nové technologie ještě před jejich použitím na reálném stroji. Tím lze významně šetřit čas i náklady.

Pokročilé virtuální modely a procesní digitální dvojčata představují účinný moderní nástroj technologa. Zásadní význam mají digitální dvojčata strojů ve výuce a vzdělávání, a to jak studentů, tak specialistů z praxe. Umožňují totiž otestovat strategie a technologie NC obrábění navržené pomocí běžných CAD/CAM systémů na plnohodnotném virtuálním modelu stroje bez rizika vzniku nečekané události, jako je například poškození stroje, nástroje, vřetene či obrobku.

Visual Twin nabízí navíc imitaci reálného stroje nejen vizuální, ale i včetně zvuku obrábění. Spojení simulace a vizualizace obrábění s reálným CNC řídicím systémem je jedinečným prostředkem také pro otestování různých kombinací parametrů CNC systému a jejich vlivu na výsledky obrábění. CNC řídicí systém disponuje desítkami volitelných parametrů, které mají zásadní dopad na čas, přesnost a jakost obrábění. Volba optimalizovaného nastavení parametrů řídicího systému je ovšem v praxi na skutečném stroji obtížně dosažitelná. Digitální dvojče je unikátním prostředkem, jak si vyzkoušet a otestovat různá nastavení a jejich vliv na obráběcí proces. Celou simulaci tak lze připodobnit například k hraní hry, ovšem bez rizika ztráty „životů“ a s rozsáhlým množstvím možných změn a opakování. Je to virtuální hra v průmyslovém prostředí, která umožňuje otestovat nejrůznější postupy, bez rizika negativních dopadů na reálnou výrobu. Studentům, NC programátorům, vedoucím výroby nebo operátorům strojů nabízíme práci s nejmodernějšími prostředky využitelnými v současné praxi.

Výzkum a vývoj digitálních dvojčat na Fakultě strojní ČVUT

Digitální dvojčata jsou jedním z trendů Průmyslu 4.0. Jejich využití vede ke zvyšování efektivity a produktivity výroby, pomáhá optimalizovat výrobní procesy, šetřit náklady, a flexibilně reagovat na požadavky výroby. Fakulta strojní ČVUT v Praze se vývoji moderního konceptu virtuálních modelů a digitálních dvojčat strojů a procesů zabývá systematicky již více než 15 let. Na počátku bylo využití virtuálních modelů pro zdokonalenou podporu vývoje nových strojů. Vizí do budoucna je vývoj autonomních výrobních systémů, kdy stroj s podporou digitálních dvojčat bude schopen identifikovat svůj stav a přizpůsobovat nastavení parametrů tak, aby vznikaly produkty splňující požadavky na přesnost, efektivitu a produktivitu.