Défi
En tant que leader dans la fabrication d’équipements de construction XCMG était à la recherche de nouvelles technologies susceptibles d'accélérer leur mise sur le marché et de réduire leurs coûts de développement. Pour atteindre son objectif de devenir l'un des trois premiers fabricants mondiaux d'équipements de construction, la société a étudié les solutions virtuelles dans les processus d’ingénierie comme moyen d'accélérer le développement des produits et de proposer des équipements hautement optimisés à ses clients.
Solution
En collaboration avec Maplesoft et FLUIDON GmbH, XCMG a mis en place les jumeaux numériques et la mise en service virtuelle comme moyen d'améliorer le développement de sa nouvelle plateforme de travail élévatrice. En tant que produit utilisé par des opérateurs dans le secteur de la construction, la nacelle élévatrice de XCMG devait répondre à des normes strictes de sécurité et de performance. En choisissant les jumeaux numériques et la mise en service virtuelle, XCMG a prévu de concevoir et de valider ses stratégies de contrôle en les testant sur une plateforme virtuelle haute-fidélité.
Résultat
L’implémentation de jumeaux numériques et de la mise en service virtuelle ont permis à XCMG de créer une plateforme de test puissante pour sa plateforme de travail élévatrice. La plateforme de test virtuel a permis aux ingénieurs d’améliorer virtuellement de multiples aspects de leur conception, bien avant que le processus coûteux du prototypage physique ne soit nécessaire. En utilisant les jumeaux numériques de Maplesoft, XCMG a pu optimiser ses stratégies de contrôle, améliorer les performances de sa machine et garantir les exigences de sécurité, le tout en une fraction du temps requis par rapport aux approches traditionnelles.
Par rapport aux équipements de construction des années passées, la technologie moderne des nouvelles machines peut offrir un niveau étonnant de performances et de sécurité. Les systèmes mécaniques traditionnels ont été remplacés par des produits d'ingénierie multi domaines performants qui permettent aux constructeurs de travailler plus rapidement et en toute sécurité. Toutefois, à mesure que ces produits évoluent, le principal défi auquel les fabricants sont confrontés est le contrôle de ces machines - le matériel et les logiciels qui permettent à chaque sous-système de la machine de fonctionner ensemble avec précision.
En tant que leader dans la fabrication d'équipements de construction, XCMG est conscient de la nécessité d'adopter en permanence de nouvelles technologies s'il veut rester compétitif. Afin de devenir un des trois premiers fabricants mondiaux d'équipements de construction, l'entreprise investit massivement dans la recherche et le développement de nouvelles technologies. Récemment, elle a stratégiquement investi dans les technologies de jumeaux numériques et de mise en service virtuelle, ce qui lui permet de concevoir, de valider et d'optimiser ses nouvelles machines à l'aide de modèles virtuels précis. Ces modèles virtuels donneraient à XCMG les outils nécessaires pour itérer sur ses conceptions beaucoup plus rapidement que les méthodes physiques traditionnelles, et réduiraient la nécessité de déplacements physiques et les coûts de maintenance.
Au centre de recherche européen de XCMG, les ingénieurs ont travaillé à la mise en place de la mise en service virtuelle de leur nouvelle plateforme de travail élévatrice (figure 1). L'équipe souhaitait tester le logiciel de l'unité de commande électronique (ECU) le plus tôt possible dans le processus de conception, afin de réduire les tests nécessaires sur la machine physique. Pour réaliser ces tests, elle avait besoin d'un modèle physique de sa plateforme de travail élévatrice. Ces modèles, également appelés jumeaux numériques, serviraient de plateforme pour tester différentes unités de commande. Les unités de commande pourraient être testées dès le début de leur conception en tant que code logiciel, ou plus tard dans la conception, lorsqu'elles sont déjà installées.
Figure 1 : Un camion de lutte contre les incendies développé par XCMG, représenté avec une nacelle élévatrice (DG54m1 8X4 54m Fire Fighting Truck)
Créer le jumeau numérique
Pour créer le jumeau numérique de sa plateforme de travail élévatrice, XCMG a utilisé MapleSim, un outil basé sur la physique pour la création de jumeaux numériques multi domaines. MapleSim offre aux utilisateurs un environnement de modélisation par glisser-déposer pour la création de modèles dynamiques de machines, permettant aux ingénieurs de commencer par importer leurs modèles CAO. Dans MapleSim, les jumeaux numériques peuvent être créés pour inclure les effets de plusieurs domaines - mécanique, hydraulique, thermique, électrique, etc. Les ingénieurs de XCMG ont importé leurs modèles de CAO et utilisé MapleSim pour créer un modèle de machine multicorps en 3D (figure 2). Des composants supplémentaires ont été ajoutés après l'importation CAO, notamment des joints, des curseurs, des cylindres, des liens, etc.
À ce stade de la conception, les ingénieurs de XCMG ont pu visualiser des simulations en 3D de la dynamique multi-corps de leur plateforme de travail élévatrice et effectuer toutes les itérations de conception nécessaires.
Figure 2 : Une vue du modèle MapleSim pour la nacelle élévatrice, représentant la performance dynamique et multi-corps de la machine.
Pour établir l'ensemble de la plateforme de test virtuel, XCMG a utilisé le format d’échange standard Functional Mock-Up Interface (FMI), qui permet à des modèles indépendants de la plateforme de simuler et d'interagir les uns avec les autres. Le connecteur MapleSim pour FMI a été utilisé pour exporter l'ensemble du modèle MapleSim vers une Unité de Maquette Fonctionnelle (FMU), où il pouvait ensuite être importé pour être utilisé dans le laboratoire d'ingénierie virtuel (VEL) de FLUIDON. Fourni à XCMG, le VEL permet la co-simulation en temps réel de modèles. Ces co-simulations peuvent être réalisées dans un environnement qui comprend le logiciel de commande de la machine (simulation Software-in-the-Loop) et le matériel de commande (simulation Hardware-in-the-Loop). En combinant le FMU MapleSim avec le FMU DSHplus basé sur l'hydraulique, les ingénieurs de XCMG ont obtenu une co-simulation détaillée et haute-fidélité de leur plateforme de travail élévatrice.
L'environnement des tests de contrôle
Ces deux modèles ont été intégrés dans la plateforme de test virtuel de XCMG (figure 3). Le serveur central de simulation de leur plateforme (FLUIDON VEL) simulerait les FMU des jumeaux numériques en temps réel, en utilisant les informations provenant d'une connexion EtherCAT bidirectionnelle avec les unités de contrôle de XCMG. La conversion des signaux des quantités physiques des modèles en signaux de capteurs ou d'actionneurs est réalisée à l'aide de terminaux EtherCAT. Les autres dispositifs connectés sont présentés dans la Figure 3.
Figure 3 : La plateforme de test virtuel utilisée par XCMG pour la mise en service virtuelle de sa plateforme de travail élévatrice. Les jumeaux numériques MapleSim (mécanique) et DSHplus (hydraulique) sont connectés via FMI au serveur de simulation en temps réel ("Real-time Node").
Utilisation de la plateforme de test pour la mise en service virtuelle
Avec la plateforme de test en place, XCMG peut désormais valider les performances non seulement de son logiciel de code de contrôle, mais aussi de ses unités de contrôle matérielles (test Hardware-in-the-Loop). Ces deux stratégies de test de contrôle constituent les principaux avantages d'une approche de mise en service virtuelle, permettant désormais à XCMG de réduire le temps nécessaire aux tests sur les prototypes physiques. Leur plateforme de test peut rapidement effectuer des simulations de différents scénarios test, mettant en évidence tout problème potentiel de mise en service beaucoup plus tôt dans le processus de développement.
Pour améliorer encore la plateforme de test, XCMG a également utilisé MapleSim Insight pour incorporer une visualisation en 3D et en temps réel des scénarios de test (Figure 4). MapleSim Insight est un outil basé sur l'UGF que XCMG a connecté à sa plateforme de test, permettant de visualiser les résultats des essais en temps réel à l'aide des informations de CAO du système. En utilisant le retour d'information en temps réel de MapleSim Insight, XCMG a pu vérifier rapidement les performances de ses unités de contrôle et trouver des problèmes potentiels qui auraient pu être difficiles à repérer en utilisant uniquement des tracés en 2D et des données de simulation numérique.
Figure 4 : XCMG a encore amélioré sa plateforme de test de mise en service virtuelle (à gauche) en y ajoutant MapleSim Insight (à droite), qui fournit une visualisation 3D en temps réel et les résultats de simulation des scénarios de test.
Utilisation de la mise en service virtuelle pour les camions de lutte contre l'incendie de la prochaine génération
La plateforme de test créée par XCMG offre de nombreux avantages pour le développement de ses équipements de construction :
En reconnaissant la nécessité croissante des technologies basées sur la simulation pour la conception des machines, XCMG a maintenant développé avec succès un environnement de test virtuel pour la conception et la mise en service de sa plateforme de travail élévatrice. Les avantages de ces systèmes basés sur la mise en service virtuelle permettront à XCMG de développer de nouveaux produits dans des délais plus courts, ce qui leur permettra de rendre les nouveaux produits encore plus compétitifs sur le marché des équipements de construction. Ces technologies continuent d'améliorer les produits proposés par XCMG et lui confèrent des avantages stratégiques dans la poursuite de son objectif de devenir l'un des trois premiers fabricants mondiaux d'équipements de construction.
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