Methodology of Using CAx and Digital Twin Methods in the Development of a Multifunctional Portal Centre in Its Pre-Production Phase

Abstract

The latest phase of the industrial revolution (Industry 4.0 and Industry 5.0) involves a large number of key areas that are crucial to improving the performance of technical systems. Computer-aided design and computer-aided engineering are important in their development and the digital twin of systems is one of the key tools for optimising their properties. This research deals with the use of these tools in the development of a machine tool. Nowadays, these tools are usually used separately. The aim of this work was therefore to propose a widely applicable methodology that would suitably combine the previously mentioned tools and thus use their synergistic effect. The proposed methodology was used on a specific machine, namely, a multifunctional portal centre, where features of computer-aided engineering (modelling, topology optimisation, stiffness and stress analyses, modal analyses, and analytical calculations) were combined with tools using the digital twin. The advanced simulations and the creation of the digital twin were performed in the pre-production phase of the machine and are described in detail within this paper. The aforementioned methodology was used to obtain and verify the final dimensions of the developed machine centre, which were the expected results. The proposed dimensions were verified in this way in terms of the mechanical properties of the designed machine (stiffness, strength, and modal properties), in terms of the suitability for machining the specific part, and in terms of the moved masses and drive parameters.

Nejnovější fáze průmyslové revoluce (Průmysl 4.0 a Průmysl 5.0) zahrnuje velké množství klíčových oblastí, které jsou zásadní pro zlepšení výkonnosti technických systémů. Při jejich vývoji jsou důležité počítačem podporované navrhování a počítačem podporované inženýrství a digitální dvojče systémů je jedním z klíčových nástrojů pro optimalizaci jejich vlastností. Tento výzkum se zabývá využitím těchto nástrojů při vývoji obráběcího stroje. V současné době se tyto nástroje obvykle používají odděleně. Cílem této práce proto bylo navrhnout široce použitelnou metodiku, která by vhodně kombinovala dříve zmíněné nástroje a využila tak jejich synergického efektu. Navržená metodika byla použita na konkrétním stroji, konkrétně na multifunkčním portálovém centru, kde byly kombinovány prvky počítačové podpory konstruování (modelování, optimalizace topologie, analýzy tuhosti a napětí, modální analýzy a analytické výpočty) s nástroji využívajícími digitální dvojče. Pokročilé simulace a vytvoření digitálního dvojčete byly provedeny v předvýrobní fázi stroje a jsou podrobně popsány v rámci tohoto článku.Výše uvedenou metodikou byly získány a ověřeny konečné rozměry vyvinutého strojního centra, které odpovídaly očekávaným výsledkům. Navržené rozměry byly tímto způsobem ověřeny z hlediska mechanických vlastností navrženého stroje (tuhost, pevnost a modální vlastnosti), z hlediska vhodnosti pro obrábění konkrétního dílu a z hlediska přesouvaných hmotností a parametrů pohonu.