Projekt okładki i stron tytułowych Przemysław Spiechowski

Pomysł ilustracji na okładkę Adam Zalewski z wykorzystaniem programu Dali 3

Wydawca Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji Adam Kowalski

Redaktor Irena Puchalska

Produkcja Mariola Grzywacka

Dział reklamy Magdalena Bystrzycka ([email protected]) Urszula Obrycka ([email protected])

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.: Michał Latusek

Dział marketingu [email protected]

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright ? by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23894-0

https://doi.org/10.53271/2024.077

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024 r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: [email protected]; [email protected]

www.pwn.pl

Wykaz akronimów

AC

sterowanie adaptacyjne (ang. adaptive control)

ACA-NC

programowanie maszynowe (ang. automatic computer-aided NC programming)

ACC

sterowanie adaptacyjne graniczne (stałowartościowe) (ang. adaptive control constraint)

ACO

sterowanie adaptacyjne optymalizujące (ekstremalne) (ang. adaptive control optimization)

AI

sztuczna inteligencja (ang. articicial intelligence)

AM

wytwarzanie przyrostowe (ang. additive manufacturing)

ANNs

sztuczne sieci neuronowe (ang. Artificial Neural Networks)

CAD

projektowanie wspomagane komputerowo (ang. computer aided design)

CAM

wytwarzanie wspomagane komputerowo (ang. computer-aided manufacturing)

CA-NC

wspomagane komputerowo programowanie NC (ang. computer-aided NC programming)

CLData

interfejs niezależny od obrabiarki (ang. cutter location data)

CMM

współrzędnościowa maszyna pomiarowa (ang. coordinate measurement machine)

CNC

komputerowe sterowanie numeryczne (ang. computer numerical control)

CPS

system cybernetyczno-fizyczny (ang. Cyber-Physical System)

DM

cyfrowy model (ang. digital model)

DML

głębokie uczenie maszynowe (ang. deep machine learning)

DNC

bezpośrednie sterowanie numeryczne (ang. direct numerical control)

DS

cyfrowy cień (ang. digital shadow)

DT

cyfrowy bliźniak (ang. digital twin)

ECC

współpraca obliczeń brzegowych i w chmurze (ang. edge-cloud collaboration)

EDM

obróbka elektroerozyjna (ang. electron-discharge machining)

FBM

automatyczne rozpoznawanie cech przedmiotu (ang. feature-based recognition machining)

FMS

elastyczny system wytwórczy (ang. flexible manufacturing system)

GA

algorytm genetyczny (ang. Genetic Algorhithm)

HM

wytwarzanie hybrydowe (ang. hybryd manufacturing)

HMI (MMI)

interfejs operatora (ang. human machine interface, man machine interface)

HSM

obróbka z dużymi prędkościami (ang. high speed machining)

IGES

neutralny format zapisu danych (ang. initial graphics exchange specification)

IoF

Internet Rzeczy (ang. Internet of Things)

IMT

inteligentna obrabiarka (ang. intelligent machine tool)

ITMS

inteligentne systemy zarządzania narzędziami (ang. intelligent tool management system)

LBM

maszyny do cięcia wiązką lasera (ang. laser beam machining)

MDA

ręczne wprowadzanie danych i automatyczne wykonywanie instrukcji, tzw. półautomatyczny cykl pracy (ang. manual data automated)

MES

Metoda Elementów Skończonych (ang. Finite Element Method - FEM)

MDI

ręczne wprowadzanie danych (ang. manual data input)

ML

uczenie maszynowe (ang. machine learning)

MRR

wydajność objętościowa obróbki (ang. machining removal rate)

NC

sterowanie numeryczne (ang. numerical control)

NURBS

krzywa typu B-splajn zdefiniowana przez zbiór wyważonych punktów sterujących i kilku wektorów węzłowych (ang. non-uniform rational B-spline curve)

OEM (OSA)

układy sterowania otwartego (ang. open equipment manufacturing (open system architecture))

OSN

obrabiarka sterowana numerycznie

OUPN

układ obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie

PC-NC

komputer wbudowany w układ sterowania NC

PDM

zarządzanie danymi produktu (ang. product data managment)

PLC

sterownik programowany logicznie (ang. programmable logic controller)

PLM

zarządzanie cyklem życia produktu (ang. product life cycle management)

RE

inżynieria odwrotna (ang. reverse engineering)

SFP

programowanie zlokalizowane na warsztacie (amerykańska wersja WOP) (ang. shop-floor programming)

STEP-NC

standard wymiany danych o modelu produktu (ang. Standard for the Exchange of Product data model)

TMS

system zarządzania narzędziami (ang. tool management system)

VMT

wirtualna obrabiarka (ang. virtual machine tool)

VR

wirtualna rzeczywistość (ang. virtual reality)

WEDM

elektroerozyjne wycinanie drutem (ang. wire electro-discharge machining)

WJM

cięcie wysokociśnieniową strugą wody (ang. water jet machining)

WOP

programowanie zorientowane warsztatowo (ang. workshop/work-station-oriented programming)

XML

rozszerzony język formatowania tekstu (ang. extensive markup language)

Rozdział 1Wstęp

Historia sterowania numerycznego zaczęła się w połowie XX w., a dokładnie w roku 1952, i rozpoczęła się w U.S. Air Force, a przypisuje się ją Johnowi Parsonsowi oraz Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Cambridge, MA, USA. Wtedy bowiem została uruchomiona w MIT pierwsza obrabiarka NC Hydrotel (firmy Cincinnati) z pionowym wrzecionem, liniową interpolacją 3D i binarnie kodowaną taśmą dziurkowaną. Sterowanie numeryczne nie było jednak szerzej stosowane w przemyśle wytwórczym aż do początku lat sześćdziesiątych XX w. Okres intensywnego rozwoju nastąpił z chwilą pojawienia się ok. 1972 r. technologii CNC, a szczególnie w następnej dekadzie, w związku z możliwością zastosowania mikrokomputerów.

W przemyśle wytwórczym, a zwłaszcza w przemyśle metalowym, technologia NC spowodowała swoistą rewolucję. Obecnie komputery należą do standardowego wyposażenia praktycznie każdego zakładu czy warsztatu, a obrabiarki z systemami sterowania NC znalazły tam podstawowe zastosowanie. Intensywny rozwój techniki informatycznej, obejmujący systemy sterowania, przyczynił się do istotnych zmian w sektorze wytwórczym, a szczególnie w obróbce skrawaniem.

Większość proponowanych dotychczas definicji pojęcia sterowanie numeryczne (numerical control - NC) jest oparta na tej samej podstawowej koncepcji, lecz wypowiadana różnymi słowami. Definicje te można sprowadzić do następującego stwierdzenia:

Sterowanie numeryczne oznacza automatyczne kierowanie pracą obrabiarek skrawających za pomocą specjalnie kodowanych instrukcji (obecnie również modeli cyfrowych, wirtualnych i algorytmów sztucznej inteligencji), które po przetworzeniu przesyła się do układów sterowania tych maszyn.

Programowanie obrabiarek sterowanych numerycznie polega na zapisie wszystkich wykonywanych ruchów i czynności w postaci symbolicznej (w języku programowania) tak, aby można było wykonać przedmiot o żądanym kształcie, wymiarach i jakości powierzchni.

W odróżnieniu od procesów konwencjonalnych obróbka CNC umożliwia dodatkowo:

- uzyskanie rysunku i jego ocenę,

- wybór optymalnego sposobu obróbki,

- wybór metody ustawienia przedmiotu i nastawienia obrabiarki,

- wybór narzędzi skrawających,

- ustalenie wartości prędkości skrawania i posuwów,

- kontrolowanie obróbki części,

- pełną diagnostykę obrabiarki i wyposażenia technologicznego,

- pomiary części w czasie obróbki.

Należy też zaznaczyć, że podejście do technologii obróbki CNC jest identyczne dla wszystkich typów obrabiarek, a różne są sposoby wprowadzania danych do układu sterowania. Rozwój technologii obróbki ubytkowej spowodował gwałtowny wzrost liczby różnych typów obrabiarek CNC. Można wymienić następujące grupy obrabiarek i innych maszyn CNC:

- frezarki i centra obróbkowe,

- tokarki i centra tokarskie,

- wiertarki,

- wytaczarko-frezarki i obrabiarki do obróbki złożonych kształtów,

- obrabiarki wielofunkcyjne i hybrydowe,

- obrabiarki do kształtowania przyrostowego i hybrydowego (przyrostowo-ubytkowego),

- obrabiarki elektroerozyjne elektrodowe (EDM) i wycinarki drutowe (WEDM),

- wycinarki i nożyce,

- maszyny do cięcia gazowego,

- maszyny do trasowania,

- maszyny do cięcia strugą wody (WJM) i wiązką lasera (LBM),

- szlifierki,

- maszyny spawalnicze,

- giętarki, zwijarki i wyoblarki.

Podobnie jak inne techniki obróbki materiałów, tak i skrawanie metali wymaga umiejętności obsługi obrabiarki, ale też - jako w pewnym sensie sztuka inżynierska - profesjonalnej wiedzy technologicznej. W przypadku obróbki na maszynach NC/CNC odpowiednie przygotowanie powinny posiadać zarówno osoby przygotowujące programy sterujące, jak i realizujące obróbkę, czyli operatorzy. Pomimo że funkcje tych osób wyraźnie się różnią, w wielu zakładach powierza się je jednej osobie - technologowi programiście (CNC programmer/operator). Programista CNC jest osobą odpowiedzialną za sukces technologii NC, efektywne wykorzystanie obrabiarek CNC i rozwiązywanie bieżących problemów związanych z realizacją operacji na tych obrabiarkach. W rzeczywistości ma on duży wpływ na wyniki produkcji i jej jakość. Dodatkowo powinien umieć współpracować z inżynierami produkcji, operatorami i menedżerami.

Reasumując, można stwierdzić, że z uwagi na wzrastające zastosowanie obrabiarek CNC w przemyśle, istnieje pilna potrzeba kształcenia personelu technicznego i inżynieryjnego w kierunku przygotowywania programów sterujących do obróbki części o wymaganym kształcie i dokładności z zapewnieniem optymalnych warunków przebiegu procesu.

W tym wydaniu książki pozostawiono niektóre, ale uaktualnione informacje z jej 4. wydania pt. Programowanie obrabiarek CNC, PWN, 2020, Warszawa i dodano zupełnie nowe treści, co zadecydowało o nowym tytule, a nie kolejnym wznowieniu jako 5. wydanie. W tym miejscu autorzy dziękują Panom - dr. hab. inż. P. Niesłonemu, dr. hab. inż. M. Bartoszukowi i dr. inż. P. Kiszce za ich merytoryczny wkład w poprzednich 4 wydaniach książki w latach 2008-2020 i dbałość o aktualizację wiedzy naukowej i praktycznej. Przede wszystkim zdecydowano się rozszerzyć informacje o programowaniu maszyn i urządzeń CNC na procesy niekonwencjonalne, przyrostowe i hybrydowe. Zdaniem autorów przesądziło to o tym, że nowa formuła książki dotyczy w dużej mierze ogółu procesów obróbki ubytkowej, przyrostowej i hybrydowej stosowanych w przemyśle wytwórczym, a nie jak poprzednio - ograniczenia się wyłącznie do obróbki skrawaniem. Autorzy książki wywodzą się z kilku uczelni technicznych w kraju - Politechniki Warszawskiej, Politechniki Gdańskiej i Akademii Nauk Stosowanych w Nowym Sączu oraz Rochester Institute of Technology (USA), a nie jak poprzednio wyłącznie z Politechniki Opolskiej, co niewątpliwie przyczyni się do zróżnicowanego podejścia do problematyki programowania obrabiarek i systemów obróbkowych CNC.

W książce zamieszczono informacje i podano przykłady programowania obrabiarek CNC w interaktywnych systemach CAD/CAM - Mastercam v. 2024 w rozdziale 10 i Edgecam v.2023 w rozdziale 11. Nowością jest także przedstawienie w rozdziałach 13 i 14 ogólnych zasad programowania procesów obróbki hybrydowej (LAM, DED-SM, PBF-SM) i niekonwencjonalnej (EDM, WEDM). W rozdziale 8 wprowadzono nowe informacje o zastosowaniach w programowaniu symulacji numerycznej metodą MES, interfejsu STEP-NC, uczenia maszynowego (ML) i cyfrowego bliźniaka (DT), co zdecydowanie prowadzi do zwiększenia inteligencji maszynowej zakładanej w strategii Przemysł 4.0/5.0. Więcej uwagi poświęcono zagadnieniom sensorycznego wspomagania procesów obróbkowych, monitorowania i diagnostyki charakterystycznych dla obrabiarek inteligentnych (rozdz. 9).

Podręcznik ten jest przeznaczony dla studentów wydziałów mechanicznych na kierunkach mechanika i budowa maszyn oraz inżynieria produkcji, w takich specjalnościach jak: technologia maszyn, automatyzacja procesów technologicznych i komputerowe wspomaganie wytwarzania i jakości, a także na kierunku mechatronika. Może też być książką pomocniczą do takich przedmiotów, jak: programowanie obróbki na obrabiarki CNC, systemy CAD/CAM/CIM, automatyzacja i robotyzacja procesów wytwórczych, maszyny i oprzyrządowanie technologiczne. Z wieloletnich kontaktów autorów z przemysłem maszynowym wynika, że z książki korzystają także inżynierowie technolodzy i programiści. W obecnej formie książka przybliża nowoczesne techniki sterowania i programowania obrabiarek CNC oraz bieżącą ofertę firm obrabiarkowych, narzędziowych, pomiarowych i softwarowych w zakresie maszyn i systemów CNC.

Autorzy serdecznie dziękują firmom-sponsorom i dystrybutorowi pakietu Mastercam - firmie Zalco za wsparcie idei autorów i zgodę na wzbogacenie treści książki unikatowymi materiałami firmowymi. Autorzy liczą na merytoryczne opinie środowiska naukowego i przemysłowego, które mogłyby pomóc w aktualizacji treści w kolejnych wydaniach książki.

Opole, maj 2024 r.

Autorzy

Rozdział 2CNC - komputerowe sterowanie numeryczne

2.1. Definicja i cechy układu sterowania CNC

Powstałe w ostatnich dekadach układy sterowania numerycznego (CNC) charakteryzują się mniejszymi wymiarami i szybszym działaniem, ale co bardzo ważne - są też bardziej przyjazne dla użytkownika i umożliwiają wsparcie programisty/operatora w czynnościach programowych i podejmowaniu decyzji [2.1, 2.2, 2.3]. W trakcie rozwoju wzbogacono je o wiele nowych funkcji i zadań, szczególnie dotyczących oprogramowania - jako przykład może posłużyć wspomaganie sensoryczne i zastosowanie wirtualnej rzeczywistości, aby można było osiągnąć wysoki stopień automatyzacji procesu obróbkowego. Obecnie nie używa się już terminu sterowanie numeryczne (NC) obrabiarek, ale jego współczesny synonim - komputerowe/skomputeryzowane sterowanie numeryczne (CNC). Termin CNC oznacza sterowanie numeryczne, które zawiera mikroprocesor (komputer)/sterownik CNC wraz z pamięcią i tzw. program obsługujący do kierowania pracą komputera zewnętrznego. Z tego względu sterowanie CNC łączy funkcje klasycznego sterowania NC, przedstawionego na rysunku 2.1, z przetwarzaniem wprowadzanych danych realizowanym za pomocą wbudowanego mikroprocesora (rys. 2.2a).

Rys. 2.1.

Funkcje układu sterowania NC [2.1]

Rys. 2.2.

Podstawowe elementy układu sterowania CNC: a) schemat strukturalny, b) schemat funkcjonalny [2.1]

Układy CNC należą do grupy układów swobodnie programowalnych, o różnej konfiguracji i różnych możliwościach stosowanego oprogramowania wewnętrznego. Można je w zależności od sposobu przetwarzania informacji sklasyfikować w trzech grupach [2.4]:

- układy CNC Manual, zwane również CNC+ lub "konwencjonalne plus", programowane metodą nauczania (teach-in);

- układy adaptacyjne (AC) realizujące zadania układu automatycznej regulacji optymalnej (ACO) bądź stałowartościowej (ACC), układy sterowania otwartego (open equipment manufacturing/open system architecture - OEM/OSA) w wersjach CNC/PLC lub CNC//PLC/HMI; w pierwszej wersji (rys. 2.3) układ jest zestawiony ze sterowników programowanych logicznie PLC (programmable logic controller), a w drugiej - użytkownik komunikuje się z układem sterowania CNC przez interfejs HMI (MMI) (human-machine interface; man-machine interface).

Rys. 2.3.

Struktura systemu sterowania DNC; BTR (behind tape reader) - interfejs symulujący czytnik taśmy perforowanej [2.1]

Obrabiarka CNC, która jest połączona z centralnym komputerem sterującym, może być sterowana numerycznie w sposób bezpośredni lub rozproszony (rozdzielony) (direct, distributed numerical control - DNC), jak przedstawiono na rysunku 2.3.

2.2. Budowa i funkcje układu CNC

Usytuowanie komputera w układzie sterowania CNC i jego połączenia z układami napędowymi i pomiarowymi obrabiarki pokazano na rysunku 2.2b. W skład układu CNC wchodzą m.in. monitor graficzny i klawiatura służąca do ręcznego wprowadzania danych (manual data input - MDI), umieszczone w panelu sterowania. Obecnie częściej używa się akronimu MDA (manual data automated) rozumianego jako ręczne wprowadzanie danych i automatyczne wykonywanie instrukcji, czyli tzw. półautomatyczny cykl pracy.

Operacyjny system sterowania, nazywany popularnie oprogramowaniem CNC, umożliwia realizowanie wszystkich wymaganych funkcji, takich jak: interpolacja ścieżki narzędzia, sprzężenie zwrotne pozycyjne (położenia), sterowanie prędkością ruchu, edycja programu, wyświetlanie programu na monitorze, symulacja procesu technologicznego, gromadzenie i przetwarzanie danych czy prezentacja wirtualnego modelu obrabiarki [2.1, 2.2]. Zagadnienia wirtualnego modelowania obrabiarki i rozwoju odpowiedniego oprogramowania przedstawiono w podrozdziałach 8.5 i 15.4.

Układ CNC często wymaga dodatkowego programu dla interfejsu służącego do komunikacji z obrabiarką. Program taki jest tworzony przez producentów obrabiarek i integrowany przez sterownik PLC, jak na rysunku 2.4, lub komunikację szynową (bus-coupled input/output control). Program obejmuje wszystkie logiczne relacje w stosunku do obrabiarki i przekaźniki dla specjalnych sekwencji funkcji, m.in. zmiany narzędzia lub przedmiotu czy ograniczenia ruchu wzdłuż danej osi sterowanej. W konsekwencji umożliwia to szybkie przetwarzanie informacji w czasie sterowania rozkazami we-wy.

Na rysunku 2.4 przedstawiono schemat zintegrowanego układu CNC/PLC umożliwiającego zwielokrotnienie liczby zadań (interfejsów danych) w celu szybkiej transmisji danych istotnych dla czasu realizacji procesu wytwarzania. Są to m.in.: interfejsy do komunikowania się z komputerem nadrzędnym w układzie sterowania DNC (rys. 2.3), maszyną pomiarową (coordinate measurement machine - CMM) i systemem TMS (tool management system), ze stanowiskiem do ustawiania narzędzia na wymiar oraz układem nadzorowania zużycia ostrza i monitorowania pracy obrabiarki.

Z rysunków 2.2a i 2.4 wynika, że było/jest możliwe wprowadzanie danych za pomocą różnych nośników: taśmy perforowanej lub magnetycznej, dyskietek, przenośnego dysku twardego, a w nowszych rozwiązaniach monitora graficznego - rysunku na ploterze, terminali interaktywnych, sieci komputerowych i DNC.

Rys. 2.4.

Schemat układu CNC ze zintegrowanym sterownikiem PLC [15]

2.3. Sposoby wprowadzania danych/programu sterującego do układu CNC

W celu omówienia różnych wariantów pracy na obrabiarkach CNC wytypowano frezarkę CNC Picomax 56 TOP firmy Fehlmann wyposażoną w oryginalny program obsługi na bazie funkcji TOP (Touch or Program), przystosowaną do wykonywania narzędzi i form oraz prototypów, pokazaną na rysunku 2.5a. Obrabiarka jest wyposażona w trzyosiowy układ sterowania Heidenhain TCN 620 z ekranem dotykowym i graficznym wsparciem cykli obróbkowych oraz dwa elektroniczne kółka ręczne do takich operacji jak: frezowanie, wiercenie, wytaczanie i nacinanie gwintów (przez wytaczanie i frezowanie jak na rys. 2.5b). Dodatkowy stół obrotowy rozszerza sterowanie do czterech osi (rys. 2.5c).

Rys. 2.5.

Frezarka PICOMAX 56 TOP przystosowana do obróbki przedmiotów pojedynczych i w małych seriach: a) widok, b) przykłady operacji obróbki, c) stół obrotowy jako doposażenie do sterowania czteroosiowego [2.5]

Na rysunku 2.6 przedstawiono, w zależności od cech geometrycznych przedmiotu i wielkości serii, trzy sposoby wprowadzania danych lub edycji programu obróbki:

- ręczne za pomocą pokręteł lub strzałek kierunkowych osi - przez dotyk (touching functions) z opcją wyświetlania cyfrowego,

- precyzyjne ręczne wprowadzanie danych z jednoczesnym wspomaganiem grafiką komputerową,

- z wykorzystaniem opcji z interaktywnym wspomaganiem programowania cykli obróbkowych.

Rys. 2.6.

Trzy możliwe wersje programowania obróbki na frezarce CNC z rys. 2.5 [2.5]

2.4. Wykorzystanie informacji z sygnałów generowanych przez sensory

Wspomniane w podrozdziale 2.2 monitorowanie procesu skrawania obejmuje następujące elementy składowe układu obróbkowego [2.2]: obrabiarkę (diagnostykę i monitorowanie funkcjonowania), narzędzie i system narzędziowy (ocenę stanu zużycia, funkcjonowanie chłodzenia/smarowania, kontrolę prawidłowości zestawienia elementów w systemie narzędziowym), przedmiot (kontrolę kształtu i wymiarów, ocenę właściwości powierzchni i chropowatość, tolerancji i wad materiałowych) oraz sam proces (tworzenie wióra, temperaturę, siły składowe, zużycie energii). Należy podkreślić, że ustalenie stanu poszczególnych elementów systemu obróbkowego wymaga w praktyce użycia układów wielosensorowych, ponieważ wymagania dotyczące czasu odpowiedzi sygnału i umiejscowienia czujników/sensorów są zwykle dla poszczególnych czujników odmienne. Proces obróbki, którego przebieg jest kontrolowany za pomocą sygnałów z odpowiednich czujników, nazywany jest obróbką ze wspomaganiem sensorycznym (sensor-assisted machining - SAM) [2.2]. Następstwem wykorzystania sygnałów generowanych przez sensory do celów monitorowania i diagnostyki oraz wspomagania programowania jest wzrost inteligencji maszynowej, która prowadzi do urzeczywistnienia inteligentnego systemu wytwórczego (intelligent manufacturing system - IMS), na którym oparta jest strategia PRZEMYSŁ 4.0/5.0 (patrz rozdz. 9).

Rys. 2.7.

Struktura wspomaganego sensorycznie, inteligentnego systemu wytwórczego [2.2]

Na rysunku 2.7 przedstawiono strukturę wspomaganego sensorycznie, inteligentnego systemu wytwórczego (SAM/IMS). W takim systemie sensory generują sygnały wielkości fizycznych obecnych w procesie obróbki, które jako dane wejściowe służą do budowania odpowiednich modeli fizycznych. W przypadku stosowania cyfrowego bliźniaka reprezentują one środowisko fizyczne [2.6, 2.7]. Na tej podstawie ustala się bieżący stan procesu i prognozuje się kolejne, przyszłe stany procesu. Wartości aktualne i prognozowane są porównywane z wartościami wymaganymi, które są zadane w systemie projektowania części CAD. Wystąpienie odchyłki między nimi jest kompensowane przez odpowiednie korekty parametrów procesu i obliczenia wymaganych ruchów aktuatorów, które jako sygnały są przesyłane do inteligentnych sterowników. Wszystkie czynności są zapisywane w pamięci, sprawdzane i oceniane przez oddzielne funkcje monitorujące. Algorytmy sterujące dla każdej funkcji są modyfikowane, przez co system wytwórczy ma zdolność do uczenia się i samorozwoju (self-learning - SL).

Rys. 2.8.

Klasyfikacja układów sensorycznych w obrabiarkach CNC [2.3]

Na rysunku 2.8 zestawiono układy sensoryczne stosowane w obrabiarkach CNC. Dostarczają one informacji o aktualnym położeniu i parametrach kinematycznych zespołów ruchowych obrabiarki oraz o stanie otoczenia zewnętrznego. W gronie stosowanych sensorów wyszczególniono grupę zastępującą zmysły człowieka/operatora, które mogą dostarczyć cennych informacji o stanie obrabiarki, obrabianego przedmiotu i przebiegu procesu obróbkowego. Są to głównie optyczne i laserowe systemy wizyjne (vision systems) oraz systemy rozpoznawania obrazów (pattern recognition). W obrabiarce czujniki są niezbędne z powodu charakteru procesu skrawania, który przebiega w obecności wysokich naprężeń kontaktowych, bardzo dużych prędkości odkształcania materiału i wysokiej temperatury w strefie skrawania [2.2]. Dodatkowo proces obróbki i obrabiarka są narażone na różnego rodzaju zakłócenia zewnętrzne, zwykle o charakterze losowym, takie jak: oddziaływania cieplne, drgania i odkształcenia mechaniczne. Aby zapewnić i utrzymać stabilne warunki procesu obróbki i uzyskać założoną dokładność i jakość wytwarzanych elementów, konieczne jest monitorowanie procesu obróbki i sterowanie obrabiarką na podstawie informacji dostarczonej przez czujniki [2.3, 2.8].

Na rysunku 2.9 przedstawiono ogólny schemat monitorowania z użyciem dowolnych narzędzi sztucznej inteligencji (AI), na przykład sieci neuronowych, technik uczenia maszynowego (deep learning - DL) czy procesów decyzyjnych Markova. Każdy etap procesu, taki jak: pomiar wielkości fizycznych, ich przetwarzanie na sygnały elektryczne, ograniczenie liczby czasowych realizacji funkcji/programu (debouncing) i filtrowanie jest realizowany w bloku sensorów. Narzędzia AI są szczególnie pomocne w gromadzeniu informacji pochodzących ze źródeł sygnałów, które na pierwszy rzut oka dostarczają zbyt mało informacji z powodu dużej odległości od procesu, na przykład sterowników napędów osi i wrzeciona. W pierwszej kolejności ma miejsce przetwarzanie sygnałów z sensorów, a wydzielone cechy sygnałów są przekazywane do narzędzi AI. Następnie, odpowiedzi z narzędzi AI są przetwarzane końcowo (post-processing) i interpretowane. W tym celu niezbędna jest instalacja pętli sprzężenia zwrotnego. Wykazano [2.8], że przyspieszenie treningu modeli AI można osiągnąć przez tworzenie modeli opartych na fizycznych podstawach procesu.

Rys. 2.9.

Schemat zasad monitorowania z użyciem narzędzi AI [2.8]

Literatura

[2.1] Grzesik W., Niesłony P., Kiszka P., (2020), Programowanie obrabiarek CNC, wyd. 4, PWN, Warszawa.

[2.2] Grzesik W., (2018), Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, PWN, Warszawa.

[2.3] Skoczyński W., (2018), Sensory w obrabiarkach CNC, PWN, Warszawa.

[2.4] Honczarenko J., (2008), Obrabiarki sterowane numerycznie, WNT, Warszawa.

[2.5] Katalog systemów sterowania firmy Heidenhain, http://www.heidenhain.de.

[2.6] Grzesik W., (2023), Cyfrowy bliźniak w procesach wytwórczych. Część I. Stan zagadnienia, architektura i zastosowania, Mechanik, nr 1, 8-13.

[2.7] SINUMERIK Inteligentne rozwiązania dla obrabiarek, www.siemens.pl/sinumerik.

[2.8] Teti R., Mourtizis D., D'Addona D.M., Caggiano A., (2022), Process monitoring of machining, CIRP Annals Manufacturing Technology, 71/2, 529-552.

Rozdział 3Metody programowania obrabiarek CNC

3.1. Definicja i klasyfikacja metod programowania

Pod pojęciem programowania NC należy rozumieć wszystkie niezbędne do wytworzenia części dane geometryczne, technologiczne i informacyjne, które są zapisane na odpowiednim nośniku informacji w kolejności wynikającej z założonego przebiegu procesu wytwórczego (technologicznego procesu obróbki). W takim sformułowaniu program NC odzwierciedla krok po kroku ustaloną kolejność operacji, zabiegów lub przejść w procesie obróbki części.

Programowanie NC jest więc działaniem technicznym nastawionym na tworzenie danych sterujących do obróbki przedmiotu na obrabiarce CNC. Zasadniczo zadanie to może być wykonane ręcznie (manualnie) lub za pomocą (czyli ze wspomaganiem) komputera.

Metody programowania NC można klasyfikować według następujących kryteriów [3.1]:

- wspomagania i niewspomagania komputerowego;

- zorientowania na wyposażenie warsztatu oraz ukierunkowania na organizacyjne przygotowanie produkcji;

- zorientowania na proces wytwarzania i proces produkcji;

- zorientowania na urządzenia techniczne będące na wyposażeniu warsztatu, czyli tzw. zorientowania maszynowego.

Klasyfikację metod programowania z uwzględnieniem charakteru planowania procesu technologicznego i w zależności od wyposażenia warsztatu produkcyjnego (zorientowania na warsztat) przedstawiono na rysunku 3.1.

Rys. 3.1.

Klasyfikacja metod programowania z uwzględnieniem planowania procesu obróbki (a) i zorientowania na warsztat (b) [3.1, 3.2]

Zgodnie z rysunkiem 3.2 klasyfikację metod/systemów programowania można także przeprowadzić po uwzględnieniu następujących kryteriów:

- lokalizacji (miejsca) programowania - w warsztacie lub biurze technologicznym;

- typu użytego komputera - PC, CNC lub komputer nadrzędny (mainframe, server);

- otoczenia programowania - urządzenie/hardware lub software;

- urządzenia sprawdzającego błędy - maszyna/sonda pomiarowa, wizualizacja graficzna lub raporty (komunikaty, dane elektroniczne).

Rys. 3.2.

Klasyfikacja metod i systemów programowania NC [3.1]

Podstawowe opcje programowania stosowane przez użytkownika przedstawiono na rysunku 3.3, natomiast charakterystyki i obszary zastosowania każdego z siedmiu wyszczególnionych stopni podano w tabeli 3.1.

Metody programowania obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC) można też odnieść do miejsca jego realizacji, czyli usytuować poza obrabiarką lub bezpośrednio przy obrabiarce, jak na rysunku 3.4.

Tabela 3.1.

Podstawowe charakterystyki i cechy metod programowania NC [3.1]

Stopień

Metoda programowania

Cechy

7

System CAD/CAM

Dane geometryczne przypisane przedmiotowi są gromadzone

w komputerze i używane do tworzenia programu sterującego NC. Dane te mogą być dalej wykorzystane do sterowania obrabiarkami CNC oraz w technicznym i organizacyjnym przygotowaniu produkcji

6

Uniwersalny system programowania

W programowaniu zorientowanym problemowo, niezależnym od maszyny, stosuje się języki programowania lub grafikę komputerową w celu wspomagania tworzenia danych geometrycznych i technologicznych

5

Programowanie zorientowane warsztatowo na komputerze zewnętrznym

Zamiast programowania warsztatowego, zależnego od maszyny, software jest zlokalizowany w pamięci komputera zewnętrznego i może być używany jako uniwersalny, dopóki są dostępne postprocesory do wszystkich obrabiarek

4

Zewnętrzny panel programowania

Urządzenie zależne od maszyny, odpowiednie do stosowania w warsztacie. Wyróżnia się urządzenia ze wspomaganiem graficznym, z klawiaturą z symbolami i funkcjami; może być podłączone do wewnętrznego komputera CNC

3

Sterowanie przez ręczne wprowadzanie danych z możliwością zintegrowanego użycia programowania warsztatowego

Metoda programowania niezależna od maszyny, z graficznym wspomaganiem danych geometrycznych i technologicznych za pomocą oddzielnego lub wewnętrznego komputera CNC. Ten rodzaj programowania i symulacji jest specyficzny dla danej maszyny i przez to bardzo efektywny

2

Programowanie ręczne

Programowanie zależne od maszyny, redagowane bezpośrednio w kodzie układu sterowania numerycznego

1

Programowanie przez nauczanie

Obejmuje ręczne pozycjonowanie maszyny i zapamiętanie pozycji w układzie CNC; jest stosowane głównie w sterowaniu robotów

Rys. 3.3.

Rodzaje programowania NC - siedmiostopniowa koncepcja klasyfikacji, po zmianach wg [3.1]

Rys. 3.4.

Podział metod programowania wg Honczarenki [3.1, 3.3]

3.2. Programowanie ręczne i wspomagane komputerowo

Podstawowe cechy programowania ręcznego (manualnego) i wspomaganego komputerowo oraz występujące między nimi różnice pokazano na rysunku 3.5. Termin programowanie ręczne oznacza bezpośrednie przygotowanie programów sterujących NC z użyciem kodu dostosowanego do danej obrabiarki, która jest wyposażona w określony typ układu sterowania.

Zgodnie z rysunkami 3.5a i 3.6 technolog przygotowuje plan obróbki dla konkretnego procesu na podstawie rysunku wykonawczego części i dostępnych informacji na temat posiadanych obrabiarek NC i ich wyposażenia narzędziowego. Zakres pracy na tym etapie obejmuje część technologiczną, do której należą: wybór baz obróbkowych, struktury procesu (podział na operacje, zabiegi i przejścia), dobór narzędzi, oprzyrządowania, a także część programową, która obejmuje: wybór osi sterowanych, wyznaczenie współrzędnych punktów toru ruchu narzędzia dla poszczególnych operacji, przejść i zabiegów oraz obliczenia geometryczne i trygonometryczne, a także dobór wartości prędkości skrawania i posuwu [3.1]. Oprócz tekstu programu, który następnie będzie przeniesiony na odpowiedni nośnik informacji, technolog opracowuje kartę instrukcyjną ustawienia obrabiarki.

Rys. 3.5.

Porównanie programowania ręcznego (a) i wspomaganego komputerowo (b); po zmianach wg [3.1]

Rys. 3.6.

Zasada ręcznego programowania NC; po zmianach wg [3.1]

Rys. 3.7.

Rozdział czynności w programowaniu wspomaganym komputerowo [3.1]

Rys. 3.8.

Zasada programowania NC wspomaganego komputerowo (CA-NC); po zmianach wg [3.1]

Szybkie, proste i niezawodne programowanie każdej obrabiarki NC staje się możliwe dzięki zastosowaniu uniwersalnego systemu programowania działającego wcześniej na platformach PC, a obecnie w środowisku modelowania wirtualnego (VR) - patrz podrozdział 8.2. Przydział czynności do komputera wspomagającego proces programowania przedstawiono na rysunku 3.7. W metodzie programowania ze wspomaganiem komputerowym (computer-aided NC programming - CA-NC) wszystkie dokumenty produkcyjne i program NC są tworzone, sprawdzane i gromadzone przez komputer z monitorem graficznym (rys. 3.8).

Urządzenia niezbędne w systemie CA-NC mogą być zainstalowane w warsztacie lub w biurze planowania produkcji, co znacznie ułatwia komunikację z układem sterowania obrabiarki CNC. Komputer przechowuje nie tylko program, lecz także potrzebne pliki zawierające informacje o obrabiarkach, narzędziach i zamocowaniach oraz wymagane postprocesory. Po zakończeniu programowania i wykonaniu symulacji wszystkie dokumenty są tworzone jako wyjścia do użycia w warsztacie. Obejmują one oprócz pliku programu NC plan ustawienia obrabiarki i plan narzędzi.

Należy podkreślić, że często charakterystyczną cechą systemów CA-NC jest programowanie dokładnych zarysów i kształtów przedmiotu zgodnie z rysunkiem, a nie ruchów narzędzia.

Pomimo dodatkowych kosztów, taki system programowania przewyższa zdecydowanie pod względem ekonomicznym programowanie ręczne.

3.3. Programowanie CNC Manual

W pierwszej dekadzie XXI wieku w ofercie znanych producentów układów sterowania znalazły się układy sterowania CNC wraz z oprogramowaniem o nazwie CNC Manual (CNC plus lub CNC+), które umożliwiały przystosowanie obrabiarek konwencjonalnych do pracy automatycznej, zbliżonej do pracy obrabiarek CNC. Ma to już, wobec powszechnego stosowania obrabiarek CNC w przemyśle, bardziej znaczenie historyczne. Podstawową korzyścią wynikającą z zastosowania softwaru/hardwaru typu CNC Manual jest zwiększenie produktywności i elastyczności obrabiarek wykorzystywanych wcześniej ze sterowaniem mechanicznym.

Przykładami rozwiązań programowych i/lub sprzętowych typu CNC Manual dla tokarek są:

- Quick Turn firmy GE Fanuc [3.4],

- Manual plus 620 firmy Heidenhein (rys. 3.9a) [3.5],

- Sinumeric 808D firmy Siemens AG [3.6],

- CNC plus v.5 firmy CamSoft [3.7].

Charakterystyczne cechy podanych systemów to [3.1]:

- prowadzenie operacji ręcznych z programowanymi ograniczeniami,

- nadzorowanie przebiegu operacji na monitorach graficznych,

- stosowanie półautomatycznych cykli obróbkowych,

- kompensacja geometrii narzędzi (nawet do 15 narzędzi w magazynie),

- utrzymanie stałej prędkości na powierzchni przedmiotu,

- tworzenie programów zapisanych w kodzie DIN-ISO i konwersja programów cykli do kodu ISO,

- wyświetlanie jednostek posuwu w cal/min (IPM) i cal/obr (IPR),

- różne wersje językowe.

Dodatkowo są możliwe takie czynności jak:

- dodawanie, modyfikacja, edytowanie, usuwanie i tworzenie własnych kodów G i M;

- zmiana konfiguracji ekranu operatora CNC;

- zaawansowana diagnostyka w trybie real time;

- zarządzanie narzędziami i integracja z biurem zakładu;

- osiągalność plików parametrów za pomocą poczty elektronicznej;

- automatyczne sygnalizowanie konserwacji (przeglądu) obrabiarki;

- edytor wizualizacji procesu logicznego;

- oprogramowanie umożliwiające dopasowanie serwonapędu.

Rys. 3.9.

System Manual plus 620 zawierający monitor i klawiaturę oraz panel sterowania zainstalowany na tokarce CNC (a); wprowadzanie zarysu przedmiotu do monitora graficznego z funkcjami dotyku (b) [3.1, 3.5]

Ze względu na rodzaj i stopień zaawansowania zastosowanego sprzętu/oprogramowania wyróżnia się następujące opcje pracy z systemami CNC plus [3.4-3.7]:

- Praca w trybie ręcznym

Proste, niepowtarzalne czynności obróbkowe takie jak: poprawki, naprawy gwintów, są realizowane za pomocą dostępnych cykli obróbkowych w trybie definiowanie-symulacja. Operator wykonuje obróbkę prostych części za pomocą kółek CNC, a jej przebieg jest na bieżąco wyświetlany na ekranie.

- Praca w trybie uczenia (teach-in)

Taki tryb pracy jest stosowany w przypadku małych serii przedmiotów. Różni się od poprzedniej tym, że cykle są zapamiętywane i następnie odtwarzane w obróbce kolejnych przedmiotów.

- Praca z programem cykli lub programem zewnętrznym ISO

Stosowana w przypadku użycia cykli obróbkowych dla toczenia, wiercenia i frezowania. W systemie Manual plus następuje ich konwersja na program ISO z zastosowaniem G-kodów. W trakcie edycji programu system wyświetla wszystkie znaczenia użytych funkcji łącznie z podparciem graficznym. Takie uproszczone programowanie "geometryczne" umożliwia obliczenia współrzędnych niepodanych na rysunku części.

- Obróbka pierwszego przedmiotu w trybie cykl po cyklu (cycle by cycle)

Operator prowadzi krok po kroku obróbkę pierwszego przedmiotu, którego rysunek pojawia się na ekranie, z użyciem zdefiniowanych cykli. Czynności te są na bieżąco symulowane i zapisywane na dysku twardym. Gdy obrabia się kolejne przedmioty w niewielkiej serii, następuje odtwarzanie całego procesu obróbki bez konieczności wprowadzania danych geometrycznych.

- Interaktywne programowanie zarysu przedmiotu

Obróbka przedmiotu o skomplikowanej geometrii jest realizowana z użyciem interaktywnego programowania zarysu (interactive contour programming - ICP), którego elementy są wprowadzane krok po kroku w edytorze graficznym (rys. 3.9b). Po wprowadzeniu osi obrotu dla elementów łukowych wybiera się odpowiednie współrzędne (absolutne lub przyrostowe). Program Manual plus oblicza brakujące współrzędne, środki łuków okręgów itd., jeśli mogą być zdefiniowane matematycznie. Edytor ICP rozpoznaje takie elementy kształtu jak: ścięcia, zaokrąglenia i podcięcia. Zwykle łatwiej jest najpierw zdefiniować zarys wstępny, a potem nałożyć dodatkowe elementy zarysu. Możliwa jest także modyfikacja lub zmiana istniejących zarysów. W edytorze ICP są dostępne cykle obróbkowe dla toczenia i frezowania kształtowego.

- Wykorzystanie indywidualnego interfejsu operatora

Obróbka przedmiotów o bardziej złożonych kształtach może być zrealizowana z zastosowaniem interfejsu operatora z definiowaniem przycisków, świateł, sterowań analogowych i wyświetlania osi, gdyż komputer PC spełnia funkcję sterownika logicznego PLC (układu CNC/PLC). W rozwiązaniu oferowanym przez firmę Cam Soft [3.7] przy użyciu programu CNC Plus można tworzyć indywidualny układ sterowania obrabiarką CNC z 2 do 8 osiami sterowanymi (rys. 3.10b).

Rys. 3.10.

Przykładowy interfejs tokarki (a) i frezarki (b) dostępny w programie CNC Plus firmy Cam Soft [3.1, 3.7]

Program CNC Plus o nazwie CNC Lite (rys. 3.10a) obejmuje takie dodatkowe funkcje jak: kompensacja wymiarów narzędzia, przywołania podprogramów (makr), wybór różnych jednostek posuwu dla tokarek, wiercenie z wycofywaniem na tokarce, stałą prędkość skrawania, obróbka gwintów zewnętrznych i wewnętrznych, kompensacja luzu dla poszczególnych osi, kompensacja odwzorowania osi śrub pociągowych i zaawansowany program startu programu, tak aby rozpocząć go w dowolnym miejscu.

3.4. Programowanie automatyczne (maszynowe)

Programowanie maszynowe (ACA-NC) jest systemem CA-NC, w którym za pomocą komputera zewnętrznego dokonuje się najpierw zapisu programu za pomocą odpowiedniego języka symbolicznego, na przykład EXAPT, a następnie przetwarza się dane symboliczne do postaci gotowego programu sterującego. Zgodnie z tabelą 3.1 jest to programowanie zorientowane problemowo na komputerze zewnętrznym (czyli na poziomie 6.).

Zasadę programowania maszynowego przedstawiono na rysunku 3.11. Zasadniczo jest ono realizowane niezależnie od wyposażenia warsztatu, a zadanie technologiczne zdefiniowane w programie jest rozwiązywane bezpośrednio według określonej procedury przetwarzania. W systemie programowania automatycznego programy obróbki części są tworzone w języku problemowo zorientowanym, a dane sterujące niezbędne do obróbki są generowane przez dostęp do plików ze szczegółowymi informacjami na temat aplikacji (rys. 3.12).

Na rysunku 3.13 przedstawiono kompletny program dla prostej konfiguracji przedmiotu. W strukturze programu można wyróżnić: dane główne (nagłówek), definicje geometryczne i technologiczne, instrukcje wykonawcze i symbol zakończenia. Realizacja programu jest wspomagana przez procesory i postprocesory. Procesor przetwarza program części (ma dostęp do plików) i generuje niezależny od obrabiarki interfejs (cutter location data - CLData). Postprocesor, który ma dostęp do danych obrabiarki, przetwarza plik danych pośrednich CLData do postaci programu sterującego i dopasowuje go do wybranej obrabiarki NC i układu sterowania.

W tej fazie są wykonywane następujące czynności:

- kontrola możliwości realizacji danych CLData na obrabiarce,

- dopasowanie programu do charakterystyki obrabiarki,

- sprawdzenie przestrzeni roboczej i wystąpienia kolizji narzędzi,

- tworzenie bloków programu sterującego przy przenoszeniu na inne obrabiarki,

- symulacja przebiegu obróbki.

Zaletą automatycznego przygotowania programów NC jest obok przyjaznego dla programisty środowiska i ułatwionej kontroli błędów i kolizji, także wspomniana możliwość przenoszenia wygenerowanego programu na inne użytkowane w warsztacie obrabiarki.

Rys. 3.11.

Zasada programowania maszynowego [3.1]

Rys. 3.12.

Przetwarzanie programu części w trybie automatycznym PC-NC [3.1]

Rys. 3.13.

Przykład programu obróbki w języku EXAPT z wyszczególnieniem jego struktury [3.1]

3.5. Programowanie zorientowane warsztatowo (WOP)

Wprowadzenie i rozwój skomputeryzowanych systemów sterowania CNC z pamięciami do przechowywania programów oraz coraz większe możliwości obliczeniowe komputerów i sieciowe przesyłanie informacji umożliwiły rozwiązanie problemu decentralizacji programowania. Decentralizacja ta może polegać na programowaniu zlokalizowanym na warsztacie (shop-floor programming - SFP), które może (lub nie) mieć komunikację z obrabiarką. W tym przypadku wyraźne rozróżnienie nie jest łatwe, ponieważ zależy ono od tego, na jakim sprzęcie (komputerze sterującym czy oddzielnym PC) jest zainstalowany program. System WOP (workshop/workstation-oriented programming) dla tego typu programowania umożliwia użytkownikowi łączność z obrabiarką i wspomaganie graficzne. W systemach programowania zorientowanego warsztatowo geometria przedmiotu może być definiowana w trybie dialogu na ekranie monitora graficznego z dostępnych w menu elementów tworzących zarys, wybieranych za pomocą klawiszy funkcyjnych lub importowana w różnych formatach plików. Na podkreślenie zasługuje fakt, że w systemach WOP nie jest potrzebna znajomość języków programowania i zasad kodowania danych wyjściowych. Operator określa parametry zarysu przedmiotu na podstawie jego rysunku wykonawczego, udzielając odpowiedzi na pytania zadawane w programie. Procedura taka dotyczy również doboru optymalnych parametrów technologicznych obróbki i kolejności operacji/zabiegów oraz danych dotyczących narzędzi i oprzyrządowania. Poprawność wygenerowanego w ten sposób programu sterującego jest sprawdzana przez graficzny program dynamicznej symulacji procesu obróbki, a błędy w programie i prawdopodobne kolizje są wykrywane automatycznie. Tak więc programista/operator może na bieżąco dokonywać korekt w programie oraz weryfikować optymalność procesu i bezkolizyjność jego przebiegu.

Zasadę programowania WOP przedstawiono na rysunku 3.14. W czasie obróbki przedmiotu jest już wykonywane programowanie dla następnej części. W szczególności dane geometryczne i plan obróbki (dane technologiczne) są wprowadzane oddzielnie.

Rys. 3.14.

Zasada programowania zorientowanego warsztatowo [3.1]

Programowanie zorientowane warsztatowo (rys. 3.15) przebiega, podobnie jak w systemie ACA-NC, w dwóch etapach. W pierwszym, niezależnym od obrabiarki, wprowadza się geometrię obrabianej części i ustala kolejność obróbki, a w drugim dla ustalonego planu procesu programista wybiera narzędzia i oprzyrządowanie, po czym następuje dynamiczna symulacja obróbki na monitorze.

3.6. Programowanie interaktywne (w systemie CAD/CAM)

Programowanie w systemach CAD/CAM polega na bezpośrednim wykorzystaniu danych wygenerowanych w systemie projektowania CAD do tworzenia programów sterujących NC. Zasadniczo istnieją dwie koncepcje:

- zintegrowany system CAD/CAM, w którym dane geometryczne do projektowania procesu obróbki powstają w tym samym interfejsie użytkownika;

- pośrednie przejmowanie danych z systemu CAD w różnych formatach zapisu, na przykład STEP i na ich podstawie projektowany jest proces obróbki.

Rys. 3.15.

Przebieg programowania zorientowanego warsztatowo [3.1]

Przykładową strukturę interaktywnego programowania NC opartego na drugiej koncepcji wykorzystania gotowych danych CAD przedstawiono na rysunku 3.16. Informacje sterujące dla obrabiarki CNC są tworzone w postaci pośredniego formatu neutralnego CLData, a funkcję dopasowania tych informacji do konkretnego systemu sterowania wykonują postprocesory.

Z powodu dużej liczby różnych systemów WOP w niektórych dużych zakładach, użytkujących wiele obrabiarek NC i systemów ich programowania, rozważa się wykorzystanie programów stosowanych w dziale planowania produkcji i przystosowanie ich do potrzeb warsztatu. Wymaga to połączenia terminalu warsztatowego z centralnym ośrodkiem programowania.

Rys. 3.16.

Zasada projektowania interaktywnego CAD/CAM; po zmianach wg [3.1]

Programowanie może być zatem prowadzone w tym samym systemie, ale w innym miejscu. Podstawowym wymaganiem dla takiego rozwiązania jest funkcjonowanie bez wyodrębnionego języka programowania, wyposażenie w przyjazne interfejsy warsztatu z użytkownikiem i spełnienie zasadniczych kryteriów programowania SFP. Takie podejście umożliwia programowanie wszystkich obrabiarek (nawet tych starszych bez wbudowanego systemu SFP) w jednolity sposób. Rozwiązanie rozwojowe o takich możliwościach, przedstawione schematycznie na rysunku 3.17, nazwano CAD/WOP(SFP) (floor programming - CAD/shop).

Rys. 3.17.

Schemat systemu CAD/WOP [3.1]

Połączenie programowania zorientowanego warsztatowo z uniwersalnym systemem programowania CAD powoduje, że zadanie przygotowania programu NC może być realizowane zarówno w warsztacie, jak i w dziale planowania produkcji. Dodatkowym wymaganiem jest zainstalowanie linii przesyłu danych z komputera do warsztatu, która może służyć także jako połączenie sieciowe DNC do zbierania danych produkcyjnych. Uważa się, że następnym udoskonaleniem pracy systemu będzie integracja systemów doradczych (eksperckich), które będą zdolne do automatycznego tworzenia planu procesu bez interwencji ręcznej, kiedy zostaną już wprowadzone dane geometryczne i wymagania techniczne.

Przykłady programowania interaktywnego i zautomatyzowanego części w pakietach Mastercam 2024 i EdgeCam 2023 zostaną omówione szczegółowo w rozdziałach 10 i 11, a także częściowo w rozdziale 12 oraz w podrozdziałach 15.1 i 15.3.

3.7. Programowanie wspomagane sztuczną inteligencją

W ostatnich latach obserwuje się liczne, i co najważniejsze, skuteczne działania zmierzające do praktycznego stosowania różnych technik inteligentnego wspomagania programowania obrabiarek CNC. Wdrożone do praktyki techniki AI zostały szczegółowo opisane w rozdziale 8, a nowe inicjatywy w tym zakresie omówiono w rozdziale 15. Do najważniejszych technik mających wpływ na efektywność programowania obrabiarek CNC można zaliczyć [3.8, 3.9, 3.10]:

- techniki wirtualnej rzeczywistości (virtual reality - VR), w tym modelowanie wirtualne z użyciem cyfrowego bliźniaka (digital twin - DT);

- inżynierię odwrotną (reverse engineering);

- symulację numeryczną metodą elementów skończonych (MES/FEM);

- uczenie maszynowe (machine learning - ML) i głębokie uczenie maszynowe (deep machine learning - DML);

- Internet Rzeczy (Internet of Things - IoT) i systemy cyberfizyczne (Cyber-physical systems) do komunikacji między środowiskiem rzeczywistym (fizycznym) a wirtualnym oraz przetwarzania danych w chmurze wirtualnej;

- interfejs STEP-NC, który umożliwia wprowadzenie neutralnego formatu wymiany danych i wyeliminowanie w programowaniu obrabiarek CNC tworzenia programów sterujących z G-kodów (ISO 6983) i postprocesorów; zagadnienia te omówiono w podrozdziale 15.5, a w podrozdziale 13.3 podano przykład zastosowania interfejsu STEP-NC do programowania obróbki hybrydowej;

- sztuczną inteligencję (artificial inteligence - AI) do wnioskowania i podejmowania decyzji na podstawie danych z wielosensorowych układów pomiarowo-diagnostycznych; więcej informacji na ten temat czytelnik znajdzie w [3.9].

Należy dodać, że zastosowanie ww. technik jest warunkiem rozwoju strategii PRZEMYSŁ 4.0/5.0. Ma ono na celu zwiększenie inteligencji obrabiarek CNC i wpływać na inteligentne wspomaganie czynności związanych z ich programowaniem. Strukturę i funkcje inteligentnej obrabiarki opisano w podrozdziale 9.5.

Pakiety programowania obrabiarek CNC mają zwykle możliwość pełnej współpracy z systemami CAD/CAM czy pakietami narzędziowymi, co zdecydowanie ułatwia optymalizację programów sterujących oraz powoduje zwiększenie dokładności obrabianych przedmiotów. W pakietach programów na obrabiarkach CNC jest dostępny moduł tzw. produkcji wirtualnej (virtual production module), który umożliwia użytkownikowi optymalizowanie procesu obróbki w czasie rzeczywistym, w tym: skrócenie czasu maszynowego, zwiększenie jakości obrobionych powierzchni i zmniejszenie kosztów obróbki. Takie efekty uzyskuje się dzięki optymalizacji funkcji układu sterowania CNC. Przykładem jest opracowany na bazie oprogramowania Virtual NC Kernel (VNCK) program Virtual Machine do symulacji pracy obrabiarek CNC [3.8]. Usytuowanie sterownika przedstawiono na rysunku 8.5. Symulator wirtualny w realistyczny i dokładny sposób oddaje wszystkie szczegóły pracy obrabiarek CNC wyposażonych, jak na rysunku 8.5, w system sterowania Siemens 840D VNCK. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie cyfrowego bliźniaka, który reprezentuje wirtualne środowisko obróbkowe.

Przeszkodą w praktycznym zastosowaniu różnych technik wirtualnej rzeczywistości do modelowania i symulacji procesów i systemów obróbkowych, a w konsekwencji wspomagania programowania obrabiarek CNC jest niedostateczne uwzględnienie w planowaniu ścieżki narzędzia właściwości dynamicznych obrabiarki i zmian procesu w czasie (time-dependent processes - TDP), które mogą mieć wpływ na właściwości obrobionej powierzchni. Z tego względu modelowanie 3D obejmuje dodatkowo kinematykę i dynamikę obrabiarki oraz warunki procesu. Model wirtualny 3D o takiej charakterystyce omówiono w podrozdziale 15.5.

Rys. 3.18.

Architektura DT do układów inteligentnych maszyn w Przemyśle 4.0 [3.12]

Na rysunku 3.18 przedstawiono strukturę układu DT przystosowanego do zadań przemysłu wytwórczego [3.12]. Główne moduły tego układu to system fizyczny, sieć sensorów, model wirtualny, moduł analityczny oparty na sztucznej inteligencji AI (Artificial Intelligence), narzędzia wizualizacji danych, procedura ciągłego monitorowania maszyn, system wspierania decyzji i pętla sprzężenia zwrotnego do realizacji zautomatyzowanych udoskonaleń. Integracja tych działań daje pewność, że cyfrowy model fizycznej obrabiarki będzie zawsze dostępny dla zespołu inżynierskiego w fabryce i będzie pomocny w zarządzaniu cyklem życia wytwarzania/produkcji [3.9].

Skalę komercyjnego zastosowania koncepcji bliźniaka cyfrowego (DT) w programowaniu obrabiarek CNC można ocenić na podstawie funkcji pakietów oprogramowania Create MyVirtual Machine i Run My Virtual Machine do wirtualnego sterowania cyfrowego Sinumerik One oferowane przez firmę Siemens [3.11]. Zostały one omówione w podrozdziale 15.4.

Rys. 3.19.

Odmiana DT w pętli sprzężenia zwrotnego dla inteligentnego wytwarzania łopatki wirnika [3.13]

Efektywność zastosowania modelowania wirtualnego do inteligentnego sterowania procesem wytwórczym potwierdza przykład przestawiony na rysunku 3.19. Jest to koncepcja tworzenia tzw. sprawdzianu cyfrowego (digital thread) w pętli sprzężenia zwrotnego wspomagającego inteligentne wytwarzanie łopatki wirnika turbiny lotniczej. Została ona zastosowana z uwagi na konieczność uaktualniania i optymalizacji DT zgodnie z wymaganiami wytwórczymi, które są zorientowane na poprawę jakości łopatek i wzrost efektywności procesu. System cybernetyczno-fizyczny (CPS) służy do uzyskania interakcji między modelem wirtualnym a fizycznym obrobionej łopatki. To z kolei gwarantuje ich zwartość, możliwość ponownego użycia i wymierną korzyść w procesie rozwoju wyrobu. Wprowadzenie odmiany DT w pętli sprzężenia zwrotnego jak na rysunku 3.19 przyniosło duże korzyści w zwiększeniu zdolności produkcyjnych monolitycznych łopatek turbin w silnikach lotniczych, ale również części samochodowych i skomplikowanych części obrabiarek [3.13].

Literatura

[3.1] Grzesik W., Niesłony P., Kiszka P., (2020), Programowanie obrabiarek CNC, wyd. 4, PWN, Warszawa.

[3.2] Stryczek R., (2011), Elastyczne programowanie obrabiarek, Warszawa, PWN.

[3.3] Honczarenko J., (2008), Obrabiarki sterowane numerycznie. WNT, Warszawa.

[3.4] Katalog systemów sterowania firmy Fanuc [on-line], dostępny w Internecie: http:// www.fanuc.com oraz http:// www.gefanuc-europe.com.

[3.5] Katalog systemów sterowania firmy Heidenhain [on-line], dostępny w Internecie: http://www.heidenhain.de.

[3.6] Katalog systemów sterowania firmy Simens [on-line], dostępny w Internecie: http://www.siemens.pl oraz http://www.siemens.com/plm/nx/cam.

[3.7] Oprogramowanie obrabiarek CNC firmy CamSoft [on-line], dostępne w Internecie: http://www.cnccontrols.com.

[3.8] Grzesik W., (2018), Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, PWN, Warszawa.

[3.9] Grzesik W., Żak K., Tomkiewicz-Zawada A., (2023), Analiza i modelowanie powierzchni wytwarzanych w obróbce ubytkowej, PWN, Warszawa.

[3.10] Witt M., Schumann M., Klimant P., (2019), Real-time machine simulation using cutting force calculation based on a voxel material removal model, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 105, s. 2321-2328, https://doi.org/10.1007/s00170-019-04418-2.

[3.11] SINUMERIK. Inteligentne rozwiązania dla obrabiarek, www.siemens.pl/sinumerik.

[3.12] Grzesik W., (2023), Cyfrowy bliźniak w procesach wytwórczych, Cz. I. Stan zagadnienia, architektura i zastosowania, Mechanik, nr 1, s. 8-13.

[3.13] Grzesik W., (2023), Cyfrowy bliźniak w procesach wytwórczych, Cz. II. Przykłady zastosowań w skrawaniu i obróbce przyrostowej, Mechanik, nr 2, s. 6-14.