Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Digitální transformace již delší dobu probíhá v mnoha odvětvích průmyslu. Významná je i v oboru obrábění. V rámci přípravy 3D modelů dílců a jejich technologické přípravy výroby spočívá digitální transformace ve zvyšování stupně automatizace dílčích úkonů, tedy zejména nahrazování rutinních činností sofistikovanými algoritmy. V článku jsou popsány příklady na úrovni programových systémů CAD a CAM.
Obr. 1. Automatické modelování ve Fusion360 (Autodesk)
Příprava 3D modelů dílců
Prostředky pro provádění topologické optimalizace jsou na úrovni systémů CAD (Computer Aided Design) k dispozici již velmi dlouhou dobu. Vývoj pokročilých nástrojů v rámci přípravy 3D modelů dílců však jde neustále dopředu. Například společnost Autodesk představila funkci pro automatické modelování (Automated Modeling), která je dostupná třeba v produktu Fusion360. Pomocí této funkce lze provést automatický návrh dílce v závislosti na předem definovaných okrajových podmínkách. Z příkladu uvedeného na obr. 1 je patrné, jak takový proces probíhá. Po definování elementů, které jsou potřebné pro vytvoření připojovacích prvků na nově vznikajícím dílci (vyznačeny modře), a těles, kterým je nutné se vyhnout (vyznačeny červeně), dojde k automatickému návrhu několika konstrukčních variant dílce (viz přehled v pravé části obrázku). Uživatel pak vybere takovou variantu, která mu vyhovuje (zobrazuje se jako průsvitný model). Tento nově vytvořený dílec je kompletně nativní a je možné jej jednoduše upravit definováním příslušného rozměru nebo tažením určité entity dílce (plochy, křivky) ručně pomocí myši. Uživatel má tedy velmi produktivní nástroj pro vytvoření dílce, zejména v případě, že je zapotřebí kombinovat více ploch.
Obr. 2. Funkce CAMculator, v CAM systému CAMWorks od společnosti HCL Technologies, pro přibližný odhad nákladů na výrobu dílce
Technologická příprava výroby v CAM
Díky rozvoji algoritmů strojového učení a umělé inteligence vznikají v systémech CAM (Computer Aided Manufacturing) pokročilá řešení pro automatický návrh postupu obrábění dílce. Navržené postupy jsou následně zkontrolovány a popř. upraveny technologem. Jde o snahu nahradit chybějící kapacity zkušených pracovníků v technologické přípravě výroby a eliminovat rutinní úkony ručního „oklikání“ prvků 3D modelu dílce a vyplňování parametrů pro přípravu drah nástrojů. Příkladem takových řešení je softwarový nástroj CAM Assist, vyvinutý společností CloudNC. Jde o plugin pro systémy CAM, který pracuje přímo s jádrem daného systému. Prozatím je možné používat jej jen pro maximálně tříosé obrábění. Softwarový nástroj je zatím dostupný pouze pro systém Fusion360. Vyvíjena je však verze i pro systémy Siemens NX a MasterCAM.
Obr. 3. Adaptivní strategie pro efektivní hrubovací operace: tříosé frézování, víceosé obrábění a soustružení (ModuleWorks)
Dalším příkladem je funkce dostupná v CAM sysétmu CAMWorks od společnosti HCL Technologies, která pracuje na podobném principu automatického návrhu technologických operací. Funkce je vhodná i pro tvarové plochy, které je nutné obrábět tříosým souvislým řízením. Jde tedy o pokročilé řešení. V uvedených případech je nutné vhodně konfigurovat oblast obrábění, hraniční křivky, směr obrábění, vybrat vhodný nástroj atd. V tomto systému CAM je také k dispozici funkce CAMculator, která dovoluje přibližně odhadnout náklady na výrobu dílce (obr. 2).
Mezi pokročilé funkce systémů CAM již dlouhodobě patří adaptivní strategie pro efektivní hrubovací frézování založené na principu konstantního opásání nástroje, které zabraňuje lokálnímu přetížení nástroje (např. ve vnitřních rozích). Společnost ModuleWorks rozvinula tato řešení i pro víceosé frézování a pro soustružení. Jde o strategie významné především pro obtížně obrobitelné materiály (obr. 3).
Vznikají rovněž specializované systémy CAM či jejich moduly pro maximalizaci využití potenciálu konkrétní technologie výroby. V systému PEPS (společnost CAMTEK) je kromě běžného frézovacího modulu k dispozici také modul pro programování elektroerozivního obrábění drátovou elektrodou (EDM) nebo modul pro programování obrábění laserem či vodním paprskem. Zde je možné využívat funkci Wire Expert k detekci geometrie pro obrábění a automatický návrh drah.
Obr. 4. Funkce HyperMILL Best Fit upravuje výsledné souřadnice drah nástroje podle skutečné pozice dílu získané měřením polohy dílce na stroji
Podobná řešení vznikají v rámci systémů CAM pro aditivní či hybridní výrobu. Například systém CAM HyperMILL (Open Mind) umožňuje přípravu drah jak pro aditivní, tak pro subtraktivní technologické operace. Obsahuje funkci Best Fit, která automatizuje proces zarovnání aditivně vyráběných dílů pro dokončovací obrábění. Funkce Best Fit upravuje výsledné souřadnice drah nástroje podle skutečné pozice dílu získané měřením polohy dílce na stroji (obr. 4). Nahrazuje tak manuální umístění dílu po přidání materiálu v obráběcím stroji tak, aby byla uvedena do souladu pozice obrobku podle předpokladů v systému CAM (skutečný tvar dílce po tisku materiálu a ideální tvar 3D modelu).
Standardem, podporovaným neustálým vývojem technologických hlavic, se stává využívání robotů k technologickým účelům. Tím se rozšiřují možnosti pro technologickou přípravu výroby pomocí systémů CAD/CAM. Jednou z nových, rozvíjejících se technologií je velkoformátový 3D tisk z polymerů. Tuto technologii lze s výhodou implementovat i na robot. Jde totiž o bezsilovou technologii (dosažitelná přesnost není negativně ovlivněna malou tuhostí ramene robotu). Robot díky svému velkému pracovnímu dosahu umožní vyrábět rozměrné dílce. Pro velkoformátový 3D tisk se na robot integruje hlavice s extrudérem. Pro dosažení kvalitních a přesných povrchů lze následně povrchy obrábět s využitím frézovací hlavice. Společnost Siemens tuto technologii implementovala společně se společností CEAD (výrobce technologické hlavice s extrudérem a potřebnými technologickými jednotkami). Na obr. 5 je simulace výroby v prostředí systému Siemens NX, který obě tyto technologie podporuje, včetně verifikace s modelem stroje. V horní části obr. 5 je vidět verifikace pohybů robotu při nanášení materiálu extrudérem a dole následné obrábění ploch načisto.
Obr. 5. Pro velkoformátový 3D tisk se na robot integruje hlavice s extrudérem (nahoře) a pro dosažení kvalitních a přesných povrchů lze následně povrchy obrábět s využitím frézovací hlavice
Pracoviště pro velkoformátový 3D tisk bylo zprovozněno i v laboratoři Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRC) ČVUT v Praze. Toto pracoviště je spravováno pracovníky Ústavu výrobních strojů a zařízení (RCMT) Fakulty strojní ČVUT v Praze. Zde byla na robot od firmy Kuka implementována hlavice s extrudérem a technologickými jednotkami CEAD. Pracoviště je řízeno řídicím systémem Siemens Sinumerik 840D. V ústavu výrobních strojů a zařízení byl vyřešen i pokročilý postprocesor a simulační model tohoto pracoviště s optimalizačními funkcemi, které zajistí dosažení kvalitních vrstev při nanášení materiálu optimalizací rychlosti posuvu či otáček extrudéru při nanášení materiálu. K technologické přípravě výroby se používá systém CAD/CAM Siemens NX.
Verifikace výrobních strategií
Pro verifikaci pohybů stroje je možné využívat oblíbený textový editor Cimco Edit, který nově nabízí možnost importovat model stroje od výrobce nebo si zjednodušeně nakonfigurovat stroj rovnou v dané knihovně obsažené přímo v tomto softwaru. V NC editoru lze poté sledovat pohyby stroje a detekovat případné kolize (obr. 6). Je také možné importovat data o nástrojích, upínačích a dalších pomůckách přímo z podporovaného systému CAM. To usnadňuje práci s definováním rozměrů přímo v editoru a také snižuje pravděpodobnost chyby při zadávání. V rámci funkcí textového editoru byla opět rozšířena databáze programovacích jazyků řídicích systémů pro kontrolu syntaxe v NC programu.
Obr. 6. Verifikace obrábění v CIMCO Edit
Zástupcem velmi pokročilého řešení pro verifikaci obrábění je unikátní propojení systému CAM Siemens NX a aplikace Create My Virtual Machine nebo Run My Virtual Machine, rovněž z nabídky produktů Siemens. K propojení je zapotřebí mít k dispozici licenci jednoho z těchto produktů s rozšířením open. Verifikace NC programu potom funguje tak, že digitální dvojče stroje a jeho řídicího systému (nastavené v aplikaci Create My Virtual Machine na obr. 7 vpravo) posílá interpolovaná data (instrukce pro pohony z interpolátoru) přímo do systému CAM Siemens NX (obr. 7 vlevo). Simulační model stroje poté přesně vykonává identické pohyby tak, jako by byly realizovány na stroji, včetně skutečné rychlosti pohybu. Takto lze přesně verifikovat celý proces a odhalit možné kolize, ale i měřit strojní čas. Řešení bylo zprovozněno i na pracovišti Ústavu výrobních strojů a zařízení (RCMT) Fakulty strojní ČVUT v Praze. Lze jej představit virtuálně nebo při osobní návštěvě. Pracoviště (RCMT) umožňuje nastavovat jak simulační modely strojů pro Siemens NX, tak postprocesory, popř. s implementovanými optimalizačními funkcemi, skripty pro generování seřizovacích listů a návodek.
Obr. 7. Propojení systému CAM Siemens NX a prostředí Create My Virtual Machine
Tvorba cenových nabídek
Stupeň automatizace byl zvýšen i při procesu přípravy cenových nabídek pro výrobu dílců. Na trhu je např. produkt goCAD (od společnosti goCAD GmbH), který lze použít jako příklad aplikace pro přípravu rychlých cenových nabídek na webu. Uživatel (poptávající) nahraje 3D model s výkresem a specifikací materiálu a po stisknutí tlačítka získá kalkulaci výrobní ceny a návrhu postupu obrábění. Nejsou však generovány dráhy nástroje, výstupy jsou využitelné jen pro vyhotovení cenové nabídky pro zvýšení konkurenceschopnosti. Záměrem do budoucna je implementovat také algoritmy strojového učení. Pracoviště RCMT Fakulty strojní ČVUT v Praze spolu se společností Miroslav Rusiňák, s. r. o., vyvíjí obdobně zaměřené řešení. Spočívá v parametricky definovaném konfigurátoru, který pracuje tak, že aplikace je v přímé komunikaci s rozhraním systémů CAD a rovněž CAM. V automatickém režimu jsou vygenerovány 3D modely a výrobní výkresy. V součinnosti s databází nástrojů jsou připraveny technologické operace a následně NC programy, seřizovací listy a návodky. Prioritně jde o vytvoření cenové nabídky na výrobu daného dílce. Řešení lze přizpůsobit individuálně pro daného uživatele (podnik) podle specifického zaměření výrobního sortimentu. Smyslem je urychlit proces přípravy cenové nabídky, usnadnit práci konstruktérům a technologům tak, aby bylo možné se věnovat zejména kontrole připravených dat, eliminovat neproduktivní časy a zaměřit se na optimalizaci postupů.
Závěr
Sjednocujícím prvkem probíhající digitální transformace v oboru obrábění je zvyšování stupně automatizace ve všech dílčích krocích nezbytných v procesu přípravy výroby dílce.
Ing. Petr Vavruška, Ph.D.
(p.vavruska@rcmt.cvut.cz),
RCMT FS ČVUT v Praze