Cyfrowy bliźniak obrabiarki: rozwiązanie, które poprawia wydajność obróbki CNC

Cyfrowy bliźniak procesu obróbki CNC może usprawnić optymalizację procesu na etapie planowania procesu i na etapie obróbki. Jakość obrabianego produktu zależy od dokładności obróbki oraz jego powierzchni na końcu etapu procesu obróbczego.

Co wpływa na jakość obrabianego detalu?

Jakość produktu po obróbce jest wypadkową zdefiniowanych parametrów planowania procesu oraz zmiennych występujących podczas obróbki. Na etapie planowania procesu, planista procesu określa parametry skrawania takie jak: posuw, głębokość i szerokość skrawania, prędkość obrotowa wrzeciona, które mają wpływ na jakość powierzchni detalu.

Wpływ na jakość mają także takie czynniki jak zużycie narzędzia i siła skrawania występujące podczas procesu obróbki. Oprócz tego błędy związane z kinematyką maszyny, drgania maszyny oraz czynniki takie jak przyspieszenie czy szarpnięcia również wpływają na dokładność obróbki i jakość powierzchni produkowanej części.

Modele predykcyjne dokładności obróbki i jakości powierzchni mogą być budowane na podstawie danych z planowania procesu i etapu obróbki. Przykładem jest oprogramowanie Vericut, które bazuje na swoim silniku symulacji. Gdy jakość zostanie przewidziana, można ją wykorzystać jako dane wejściowe do optymalizacji parametrów obróbki pod kątem wymaganej jakości obróbki. Modele oparte na danych przewidują i optymalizują jakość obróbki oraz dostarczają informacji zwrotnych w celu utrzymania wymaganej jakości w planowaniu procesu i etap obróbki poprzez dostosowanie parametrów obróbki.

W tym przypadku stworzeni takiej cyfrowej maszyny pochłania ogromne środki. Rzeczywista maszyna musi zostać wyłączona z pracy a jeszcze potem wchodzi szereg testów.

Symulacja procesu obróbki z wykorzystaniem cyfrowego bliźniaka

Pełna symulacja procesu obróbki przy użyciu cyfrowych bliźniaków, która opiera się na danych rzeczywistych bądź predykcyjnych może nie tylko optymalizować cały proces i dostarczać informacji, które umożliwiają użytkownikowi np. skrócenie czasu cyklu obróbki ale również identyfikować awarie przed ich wystąpieniem.

Kupno zaawansowanych centrów obróbczych to duże inwestycje dla firm, które muszą zarabiać na swoje utrzymanie. Uzyskanie pełnej wydajności maszyn może kosztować sporo czasu i doświadczenia, zwłaszcza gdy w grę wchodzą maszyny takie jak frezarko-tokarki i wielozadaniowe centra obróbcze. Dokładny cyfrowy bliźniak środowiska obróbki, umożliwia lepsze wykorzystanie zaawansowanych platform obróbczych przy jednoczesnym ograniczeniu kosztownych błędów i przestojów.

W świecie obróbki skrawaniem cyfrowy bliźniak to cyfrowa prezentacja pełnego środowiska obróbki, w tym przedmiotu obrabianego, półfabrykatu, uchwytów, zacisków, narzędzi skrawających, obrabiarki, sterowania, urządzeń pomocniczych, procesów ciągłych i dyskretnych. Jeśli chodzi o oprogramowanie CAM, wiele z nich wykorzystuje niektóre aspekty cyfrowego bliźniaka. Jednak większość z nich nie obejmuje wszystkiego. W związku z tym nie mogą wyjaśnić, w jaki sposób każdy element oddziałuje z innymi podczas obrabiania części. W dzisiejszej rzeczywistości obrabiarki stają się coraz bardziej skomplikowanymi maszynami i są zdolne do wykonywania wielu operacji.

Jak proces obróbki CNC z wykorzystaniem cyfrowego bliźniaka może wyglądać w praktyce?

Zacznijmy od tego jak powinniśmy postrzegać cyfrowego bliźniaka obrabiarki cnc. Przede wszystkim musimy być świadomi tego, że pełny cyfrowy bliźniak maszyny opiera się na cyfrowym modelu maszyny, na którego bazie jest stworzona rzeczywista maszyna. Mając takie dane pozwala nam to wtedy na dokonanie pełnej konfiguracji systemu (programowania, testowania, symulowania) zarówno części CNC, PLC, HMI, jak i mechanicznej w środowisku wirtualnym.

Ponieważ producenci maszyn cnc wcześniej nie bazowali na takich modelach, obecnie możemy symulować procesy obróbcze oparte na oprogramowaniu CAM, które zawiera aspekty cyfrowego bliźniaka ale nie jest to pełne odwzorowanie jakie daje cyfrowy bliźniak. Dla tych firm, które funkcjonują już na zakupionych maszynach wcześniej jest to rozwiązanie na pewno przydatne, które może symulować proces obróbczy odwzorowując maszynę na poziomie do maks. 80%, jednakże bez identycznego odwzorowania przebiegu obróbki.

Przebieg obróbki bierze pod uwagę wiele aspektów opisanych poniżej, systemy CAM nie zasymulują dokładnie gdzie znajdzie się narzędzie – brak im danych i odpowiedniego silnika, który to dokładnie odtworzy.

Zacznijmy więc od rozwiązania jakie daje nam środowisko CAM.

Procesy obróbcze CNC w praktyce są planowane za pomocą oprogramowania CAM na etapie planowania procesu i są potem realizowane w fazie wykonania z wygenerowanym kodem NC. Ocena jakości w symulatorze uwzględnia geometrię CAD produktu, wygenerowaną ścieżkę narzędzia i informacje o kinematyce maszyny. Jednak wpływ czynników, takich jak prędkość posuwu, prędkość wrzeciona oraz wpływ parametrów, takich jak wibracje maszyny, program PLC, symulacja procesów ciągłych i dyskretnych, sprzężenia, sterowanie CNC i inne procesy zachodzące w tle nie są uwzględniane w tej symulacji do oceny oczekiwanej jakości obróbki.

Na etapie realizacji operator maszyny wstępnie ustawia zlecenie do obróbki oraz aktualizuje stan narzędzi skrawających w maszynie CNC. W razie potrzeby operator może zaktualizować w kodzie NC parametry skrawania, takie jak szybkość posuwu i prędkość wrzeciona, aby uzyskać lepszą jakość obróbki po wstępnym ustawieniu maszyny. Wizualizacja jakości i informacje zwrotne na temat oczekiwanej jakości obróbki nie są jednak dostępne dla operatora. Podczas realizacji procesu obróbki na maszynie CNC informacje o wpływie innych czynników na obróbkę takich jak zużycie narzędzia czy drgania maszyny są także niedostępne dla operatora maszyny.

Nowoczesne maszyny CNC to cyberfizyczne obrabiarki wyposażone w protokoły komunikacyjne, takie jak OPC U/A i MTConnect, za pomocą których można uzyskać dostęp do informacji w czasie rzeczywistym z maszyn CNC w trakcie operacji obróbczych. Te informacje o obróbce w czasie rzeczywistym zebrane za pośrednictwem standardowych protokołów komunikacyjnych wraz z danymi z zewnętrznych czujników mogą być wykorzystane do modelowania zachowania maszyny. Modele cyfrowego bliźniaka opierają się w końcu na danych, które są wymagane do przewidywania jakości obróbki poprzez uwzględnienie czynników wpływających na jakość obróbki na podstawie danych z wewnętrznych i zewnętrznych czujników maszyny CNC.

Modele predykcyjne są oparte na danych i zbudowane na fundamentach uczenia maszynowego. Gdy dane z obróbki są dostępne dla symulacji CAM, optymalizuje ona parametry, które można kontrolować w celu utrzymania wymaganej jakości i wysyła informację zwrotną w celu kontrolowania procesu obróbki na etapie planowania procesu, a także podczas etapu obróbki.

Początkowo optymalizacja jakości i przewidywanie są wykonywane na etapie planowania procesu obróbki poprzez połączenie oprogramowania CAM i maszyny CNC z „niepełnym” cyfrowym bliźniakiem, który jest cyfrową wersją maszyny z modułami predykcyjnymi i optymalizacyjnymi.

Na etapie planowania procesu, oprogramowanie CAM może być połączone z cyfrowym bliźniakiem za pomocą interfejsu API, który może umożliwić dwukierunkową komunikację danych między oprogramowaniem CAM, a tymże cyfrowym bliźniakiem. Również podczas obróbki maszyna jest połączona z cyfrowym bliźniakiem za pomocą jednego z protokołów komunikacyjnych – zbierając i wysyłając dane.

Przykładowo firma Heidenhain ma w swoim portfolio produkt, który nazywa się virtualTNC, który jest niezależną stacją programowania opartą na rzeczywistym CNC, ale obsługiwaną na komputerze PC. Jest to oprogramowanie zasadniczo identyczne, jak to, które zasila jednostkę sterującą TNC na wieloosiowej obrabiarce.

Programista może używać systemu opartego na komputerze PC, wykorzystując kinematykę maszyny, aby tworzyć i testować programy dla obróbki części dokładnie tak, jak programista zrobiłby to na jednostce CNC na obrabiarce.

Ten model symulacji jest dostosowywany poprzez odczyt danych dotyczących wydajności pochodzących z jednostki sterującej na rzeczywistej maszynie.

Jak to wygląda gdy posiadamy środowisko, które oparte jest od samego początku na cyfrowym modelu?

Jednym z najnowszych narzędzi, które jest dostępne na rynku i symuluje maszynę wirtualnie jest program Run MyVirtual Machine od firmy Siemens. Odwzorowuje realną maszynę na poziomie nawet 99%. Firma już 5 lat temu wraz z rozwojem sterowania SINUMERIK ONE przeprowadziła pilotażowe wdrożenia u wybranych producentów maszyn, które wykazały oszczędność czasu wdrożenia nowej obrabiarki nawet do 30% i skrócenie czasu przy jej uruchomieniu o 50%. Aktualnie to sterowanie obrabiarki można znaleźć u ponad 350 producentów obrabiarek, a wielu z nich produkuje obrabiarki z tym sterowaniem seryjnie. Tak szybkie wdrożenie to jeden z filarów nowoczesnego rozwoju obrabiarek z platformą Create i Run MyVirtual Machine

Najnowsza technologia cyfrowego bliźniaka, Run MyVirtual Machine 3D, przenosi możliwości w środowisku wirtualnym na wyższy poziom. Nie tylko możemy zobaczyć krytyczne decyzje, które mózg CNC podejmie na naszym komputerze, ale także możemy zwizualizować całą przestrzeń maszyny. Opcja 3D daje użytkownikowi możliwość importowania oprzyrządowania i mocowania, aby całkowicie emulować konfigurację, którą program będzie wykonywał w procesie obróbki.

Cyfrowy bliźniak obrabiarki uruchomiony w tym programie pozwala wiernie odwzorowywać środowisko pracy na rzeczywistej maszynie. Umożliwia symulację takich czynności jak pomiary przedmiotu obrabianego, ocenę ryzyka ewentualnej kolizji z uwzględnieniem geometrii korpusu, obudowy, głowic, narzędzi, oprawek, uchwytów mocujących, półfabrykatów wraz z przesunięciami punktu zerowego. Jest on w pełni zgodny z rzeczywistym sterownikiem, przez co – uwzględniając parametry mechatroniczne obrabiarki – pozwala na dokładne określenie przebiegu i czasów wykonania przedmiotu.

Aby to wszystko miało sens, cyfrowy bliźniak maszyny CNC powinien zostać zaprojektowany i stworzony najpierw w modelu cyfrowym na podstawie modelu CAD maszyny i przetestowany w środowisku wirtualnym, a nie tworzony na bazie już istniejącej maszyny. Takie podejście pozwoli na dokonanie pełnej konfiguracji systemu (programowania, testowania, symulowania) zarówno części CNC, PLC, HMI, jak i mechanicznej w środowisku wirtualnym. Takie możliwości daje producentom tych maszyn narzędzie Create MyVirtual Machine.

Podsumowanie

Cyfrowy bliźniak w obróbce cnc jest to z pewnością atut w monitorowaniu i ulepszaniu produkcji części. Informacje z cyfrowego bliźniaka umożliwiają operatorom i kierownikom działów obróbki podejmowanie trafnych decyzji, często w czasie rzeczywistym, które w przeciwnym razie byłyby poza ich zasięgiem.

Symulacja na cyfrowych bliźniakach to nie tylko obserwowanie wycinanej części, ale także obserwowanie i weryfikowanie każdego elementu maszyny oraz ruchu podczas całej operacji.

Jeśli chodzi o uzyskanie maksymalnej wydajności maszyny, kompletny cyfrowy bliźniak powinien także dawać użytkownikowi możliwość szybkiego zobaczenia, kiedy istnieje możliwość ulepszenia programu. Biorąc pod uwagę ilość produkowanych części, nawet oszczędność kilku sekund na jednej części może spowodować ogromny wzrost wolumenu produkcji.

Cyfrowe symulacje w oprogramowaniu CAM mogą zapewnić obraz potrzebny do zrozumienia środowiska obróbki, zapewniając bezbłędny i wydajny kod NC, dzięki czemu można szybciej rozpocząć obróbkę części.

Natomiast musimy być świadomi, że różnica pomiędzy symulacją CAM z aspektami cyfrowego bliźniaka, a symulacją kompletnego cyfrowego bliźniaka maszyny jest taka, że pełny cyfrowy bliźniak ma wpływ na dokładność odwzorowania obrabiarki i procesów w niej wykonywanych. Możemy symulować obrabiarkę, technologię obróbki – symulację obróbki przedmiotu obrabianego, wykrywać kolizje jak również uwzględniać w procesie zjawiska fizyczne np. wpływ temperatury, wpływ ciśnienia itd. itp.

Samo środowisko CAM już nam tego nie zrobi bo ma własny silnik graficzny, który  opiera się na „domniemanym” sterowaniu i nie odtwarza go wiernie gdy robi symulację kodu G, ścieżek wygenerowanych np. przez NX-a. Nie uwzględnia danych związanych z PLC, napędami i samym jądrem NC.

Jednak to, jak bardzo cyfrowy bliźniak musi przypominać swojego fizycznego odpowiednika, powinno być regulowane w zależności od docelowego zastosowania.

Stosunkowo prosty cyfrowy bliźniak obrabiarki może wystarczyć do symulacji przepływu pracy na linii produkcyjnej. Bardzo szczegółowy i kompleksowy cyfrowy bliźniak obrabiarki może być potrzebny do animowanych symulacji zaprogramowanej ścieżki narzędzia w celu wykrycia możliwych kolizji. W przypadku zastosowań rzeczywistości rozszerzonej, cyfrowy bliźniak obrabiarki może być odpowiedni do szkolenia operatorów lub działu utrzymania ruchu – może mieć różne wymagania dotyczące poziomu szczegółowości i formatowania realistycznej wizualizacji.

Dziękujemy, że przeczytałaś/eś nasz artykuł do końca. Obserwuj nas także w Wiadomościach Google.

Jeśli spodobał Ci się artykuł i uważasz, że prezentowane przez nas treści są ciekawe i wartościowe – udostępnij dalej swojej społeczności. Dziękujemy.