Eureka – wirtualna obróbka

(symulacja i weryfikacja programów NC)

1. Wprowadzenie

Praktyka przemysłowa wykazuje, iż tzw. „próby pracą”, polegające na wykonaniu detalu testowego przed uruchomieniem produkcji, są kosztowne i mogą być przyczyną poważnych kolizji. Alternatywą jest symulacja pracy maszyny lub robota za pomocą oprogramowania, pozwalającego na wierne odzwierciedlenie zachowania maszyny oraz przebiegu samego procesu (skrawania, spawania, szlifowania itp.). Pojęcie „wirtualna obróbka” jest powszechnie znane i często używane przez użytkowników systemów komputerowego wspomagania projektowania i wytwarzania. Współczesne systemy dedykowane do wirtualnej obróbki mają jednak znacznie większe możliwości niż tradycyjne symulatory wbudowane w systemy CAD/CAM, co zostanie omówione na przykładzie programu Eureka, który pozwala na optymalizację parametrów skrawania i skraca czas obróbki, wydłużając jednocześnie czas życia narzędzi.

2. Możliwości wirtualnej obróbki

Trudno przewidzieć i jednoznacznie określić błędy programu NC bez dedykowanych do tego celu narzędzi. Ścieżka wyświetlana na ekranie komputera w systemie CAM i dostępne symulacje (najczęściej bazujące właśnie na tej ścieżce) mogą się bowiem różnić od efektu końcowego – czyli programu wgrywanego na maszynę. Wykrywanie błędów na etapie produkcji jest czasochłonne, kosztowne i bardzo ryzykowne.

Eureka należy do grupy systemów VolSim (od ang. Volumetric Simulation). Program pozwala, podobnie jak systemy z grupy KinSim (od ang. Kinamatic Simulation), na symulację względnych ruchów narzędzia i przedmiotu obrabianego, rozbudowaną dodatkowo o możliwość symulacji całej kinematyki maszyny i urządzeń wspomagających (podajników prętów, zmieniaczy palet, manipulatorów i nawet robotów). Niewątpliwą zaletą jest uniwersalność programu Eureka, który nie jest ograniczony rodzajem (frezarki, tokarki, szlifierki, frezarko-tokarki, roboty wieloosiowe) i konfiguracją maszyny NC (osie liniowe i obrotowe, konfiguracje wieloosiowych obrabiarek typu Head-Head, Table-Table, Head-Table czy roboty przemysłowe z torami jezdnymi lub stołami uchylno-obrotowymi i pozycjonerami). W Eurece można nawet zasymulować obrót głowicy rewolwerowej czy wymianę narzędzia w magazynie narzędzi lub cykle pomiarowe – w celu pełnej wizualizacji procesu obróbki i obliczenia czasów czynności pomocniczych. System wspiera wszystkie rodzaje maszyn i wszystkie dostępne na rynku układy sterowania (takie jak: Heidenhain, Fanuc, Siemens, Num, OSAI, Z32, Fidia, Selca). Przykłady symulatorów obrabiarek CNC (5-osiowego centrum ze stołem uchylno-obrotowym i magazynem narzędzi oraz 3-osiowego plotera) przedstawiono na Rys. 1.

Dodatkową cechą, rozróżniającą systemy VolSim od KinSim jest możliwość symulacji usuwania materiału. Programista może sprawdzić kształt przedmiotu obrabianego w dowolnym momencie obróbki, przeanalizować ruchy narzędzia, pozostawiane resztki materiału czy ślady pozostawiane po przejściu narzędzia.

Pełna wirtualna obróbka (połączenie kinematyki maszyny z usuwaniem materiału i ciągłą analizą kodu G) pozwala na wykrycie nie tylko kolizji maszyny i narzędzia, ale również np. prób usuwania materiału przy ruchach szybkich (ustawczych).

Rysunek 1. Symulator 5-osiowego centrum frezarskiego z magazynem narzędzi (a)

i plotera 3-osiowego z frezami, piłami tnącymi i przystawkami kątowymi (b).

Analiza resztek materiału może być przedstawiona za pomocą mapy kolorów, jak to pokazano na Rys. 2. Przeprowadzona symulacja może być podsumowana konfigurowalnym raportem (w formacie Excel lub HTML), podającym np. udział procentowy i czasy poszczególnych ruchów, parametry obróbki itp.

Rysunek 2. Wizualna analiza naddatków w programie Eureka.

Funkcjonalność programu Eureka jest w pełni wykorzystywana podczas programowania off-line robotów. Eureka zapewnia wykorzystanie robota jako programowalną off-line elastyczną jednostkę CNC (za pomocą tego samego robota można frezować - Rys. 3, spawać, szlifować czy wykorzystać go do celów transportowych – wystarczy zmiana ostatniego członu robota, mocowanego do nadgarstka). Możliwa jest nie tylko symulacja pracy, ale również wykrywanie problemów (przekroczenia limitów, dopuszczalnych przyspieszeń, kolizji narzędzia czy też członów robota lub innych elementów stanowiska) oraz interaktywne i inteligentne ich rozwiązywanie.

Rysunek 3. Symulator robota frezującego w programie Eureka

Inteligencja zaimplementowanych rozwiązań polega na tym, że system analizuje wszystkie możliwe ustawienia przegubów robota, w jakich może on osiągnąć daną pozycję narzędzia i pozwala użytkownikowi wybrać alternatywne ustawienie w przypadku przekroczenia limitów osi czy kolizji. W dowolnym punkcie programu użytkownik może dodatkowo zmienić położenia przegubów robota, obracając go wokół osi Z narzędzia przy zachowaniu aktualnej pozycja narzędzia. Zmiana ustawienia robota wpływa na zmianę jego zachowania również w kolejnych ruchach, dzięki czemu usuwanie błędów programu przebiega sprawnie i nie wymaga głębszej ingerencji w kod NC ze strony użytkownika (zmiana w symulatorze powoduje przebudowanie programu).

W dowolnym momencie obróbki użytkownik może również uruchamiać (ewentualnie wyłączać) dodatkowe osie robota, wybierając jedną z trzech opcji:

• Pierwsza z nich polega na maksymalnym wykorzystaniu robota podczas obróbki i ograniczeniu ruchów osi zewnętrznych,
• Druga opcja wymusza maksymalne wykorzystanie osi zewnętrznych oraz ograniczeniu ruchów robota,
• Trzecia opcja sprowadza się do ustawiania pozycji osi zewnętrznych na stałe dla określonych fragmentów programu.

Dwie pierwsze opcje dotyczą obróbek ciągłych osiami zewnętrznymi, zaś trzecia – obróbki indeksowanej. System Eureka umożliwia również dodawanie ruchów (zarówno ustawczych jak i roboczych) przez zadawanie:

• przemieszczeń narzędzia w dowolnie wybranym układzie współrzędnych (w tym układzie narzędzia, robota i przedmiotu obrabianego) lub uchwycenie i przemieszczanie,
• pozycji i obrotów przegubów robota oraz osi zewnętrznych przez wpisanie wartości liczbowych absolutnych lub przyrostów wartości,
• dowolnych pozycji globalnych robota w trybie „wirtualnego manipulatora”, umożliwiającego uchwycenie układu współrzędnych narzędzia i jego przestrzenne przemieszczanie i obroty z wykorzystaniem ruchów myszy.

Eureka obsługuje tryb MDI i JOG. Tryb MDI (ręczne wprowadzanie danych) zapewnia możliwość programowania prostych ruchów przemieszczenia, np. dla frezowania płaszczyzny lub pozycjonowania wstępnego wprowadzając ruchy narzędzia tak jak w trybie programowania, jednak program może być wykonywany tylko blokowo. Tryb JOG (praca w trybie ręcznym) jest wykorzystywany do przemieszczania zespołów roboczych obrabiarki lub robota do dowolnego położenia w przestrzeni roboczej. Możliwe jest wykonywanie ruchu w określonej osi/przegubie lub globalnego ruchu narzędzia.

Podobnie jak w przodku symulatorów obrabiarkowych, dla robotów mogą być definiowane bazy narzędziowe, zawierające dowolne rodzaje narzędzi. Eureka ma predefiniowane podstawowe typy narzędzi, co w większości przypadków wystarcza do definicji obróbki. Użytkownik musi tylko zmienić parametry geometryczne narzędzia wzorcowego, co powoduje przebudowanie jego trójwymiarowej reprezentacji. Nietypowe narzędzia lub specjalne narzędzia kształtowe można naszkicować we wbudowanym edytorze jako szkic bryły obrotowej lub po prostu wczytać dowolny model 3D narzędzia.

Funkcjonalność systemu zwiększa dodatkowo obsługa makr oraz skryptów i podprogramów (Łatwe łączenie z innymi programami za pomocą API , Personalizacja z VBScript, polecenia EUREKA Script), które użytkownik może dowolnie definiować i dołączać do symulatora.

3. Podsumowanie

Sprawdzenie poprawności programów i ich optymalizacja za pomocą systemów wirtualnej obróbki pozwala na pominięcie etapu testów i znacznie skraca etap wdrożenia nowego wyrobu, co zwiększa elastyczność i konkurencyjność produkcji. Systemy wirtualnej obróbki umożliwiają globalną produkcję, w której poszczególne etapy mogą być prowadzone w różnych miejscach – programowanie poza obrabiarką skraca czasy przestojów bez skrawania.

Wdrożenie systemu Eureka przynosi zatem wymierne korzyści, przekładające się bezpośrednio na zyski finansowe i wzmocnienie pozycji na rynku. Więcej informacji na stronie www.roboris.pl

Od modelu CAD do sterowania robotami frezującymi

Technologie komputerowego wspomagania projektowania i wytwarzania (CAD/CAM) są powszechnie wykorzystywane w przemyśle. Generowanie ścieżek narzędzia odnosi się jednak głownie do obrabiarek CNC – z uwagi na liczne problemy praktyczne, w tym: złożoność kinematyki innych maszyn sterowanych numerycznie, ograniczenia osi obsługiwanych przez systemy CAM, problemy z postprocesingiem, konieczność sprawdzania poprawności programu końcowego oraz wykrywanie błędów i kolizji oraz możliwość ich rozwiązania. W artykule przedstawiono sposób rozwiązania wymienionych ograniczeń, pozwalający na przeprowadzenie wirtualnej obróbki (sterowanie off-line) z wykorzystaniem robota przemysłowego.

Wprowadzenie

Wieloosiowe obróbki z wykorzystaniem maszyn sterowanych numerycznie wymagają wygenerowania programu (zwanego często w przypadku obrabiarek CNC kodem G), który będzie określał jednoznacznie pozycje narzędzia w przestrzeni roboczej maszyny i jednocześnie pozwoli na pełne wykorzystanie jej możliwości (w zależności od zadania obróbkowego: wszystkich osi NC, w tym manipulatorów i podajników, oraz dodatkowego oprzyrządowania). Zagadnienie jest jeszcze bardziej złożone w przypadku robotów przemysłowych, które mogą mieć różne konfiguracje i liczbę osi, często wykorzystują osie zewnętrzne (stoły obrotowe i tory jezdne) oraz wymagają w większym zakresie dopasowania programu do rodzaju układu sterowania niż to jest w przypadku obrabiarek CNC, które bazują w dużej mierze na kodzie ISO. Firma 3D Master proponuje rozwiązanie zagadnienia dzięki wykorzystaniu dwóch powiązanych z sobą systemów: ZW3D CAD/CAM oraz Eureka.

Wygenerowanie ścieżki narzędzia to nie wszystko…

Pierwszym etapem procesu wytwarzania z wykorzystaniem technik komputerowego wspomagania jest wykonanie projektu detalu (przedmiotu obrabianego). Można do tego zagadnienia podejść na dwa sposoby:

1. projektowanie części/złożenia od podstaw w systemie CAD,
2. wykorzystanie technik inżynierii odwrotnej (pozwalających na digitalizację już istniejących obiektów) i ich ewentualna modyfikacja w systemie CAD.

Skanery 3D firmy Artec są przełomowym rozwiązaniem w dziedzinie inżynierii odwrotnej z uwagi na możliwość skanowania obiektów o różnych kształtach i rozmiarach (bez konieczności montowania stołów obrotowych czy kabin i bez potrzeby nanoszenia markerów) oraz krótki czas skanowania.

Rysunek 1. Skanowanie figury gipsowej za pomocą skanera 3D firmy Artec [www.skanery3d.eu].

Przed przystąpieniem do generowania technologii warto jest sprawdzić, czy końcowy wyrób będzie spełniał wszystkie wymagania (funkcjonalne, estetyczne, ergonomiczne...). Takie możliwości otwierają technologie szybkiego prototypowania. Pośród wielu metod można odnaleźć technologię druku 3D metodą laminacji arkuszy tworzywa sztucznego (polichlorek winylu – PVC), która zapewnia tworzenie modeli:

• Mocnych i trwałych (odpornych na wodę i światło),
• Przezroczystych,
• Elastycznych i/lub sztywnych,
• Gotowych do ewentualnej dodatkowej obróbki mechanicznej (szlifowania, frezowania, toczenia, wiercenia…) i malowania.

Drukarki 3D SD-300 Pro firmy Solido (rys. 2) charakteryzują niskie koszty zakupu urządzenia i samego procesu drukowania, biurowy charakter (z uwagi na małe gabaryty drukarki, która może stać na biurku jak zwykła drukarka, brak oparów, kurzu czy konieczności stosowania kąpieli chemicznych), prostota obsługi i niezawodność.

Rysunek 2. Drukarka 3D firmy Solido (a) oraz przykłady modeli użytkowych wydrukowanych z jej pomocą (b) [www.drukarka3d.eu].

Po etapie testowania prototypu można przystąpić do projektowania technologii wytwarzania. Wiele zalet i możliwości zapewnia wykorzystanie robotów przemysłowych do frezowania. Należy jednak również pamiętać o wymaganiach i ograniczeniach metody.

Istnieje wiele systemów CAD/CAM, które umożliwiają wygenerowanie ścieżki narzędzia dla obróbek od 2,5 do 5 osi NC. Niektóre systemy pozwalają również na obsługę dodatkowych osi NC. Jeśli jednak program ma być użyteczny do sterowania robotem, należy pamiętać o kilku ważnych aspektach. Po pierwsze, z uwagi na niszowe zastosowania i duże możliwości kinematyczne robotów, wykorzystywane modele CAD przedmiotu obrabianego mogą mieć różną formę: od modeli bryłowych, przez powierzchniowe, do modeli szkieletowych i hybrydowych. Dane źródłowe mogą być również chmurą punktów, pochodzącą ze skanowania rzeczywistego obiektu za pomocą skanera 3D lub współrzędnościowej maszyny pomiarowej. Po drugie, roboty frezujące charakteryzują się względnie małą sztywnością (w odniesieniu do obrabiarek), z tego względu niezbędna jest możliwość kontroli obciążenia narzędzia (zarówno promieniowego jak i osiowego) oraz kontroli posuwu (rys. 3), umożliwiającej płynne przejścia i zmiany kierunku ruchów (również w technologii HSM). Wszystkie te wymagania spełnia zintegrowany system ZW3D CAD/CAM.

Rysunek 3. Różne przypadki obciążenia narzędzia (a) i mapa posuwów uzależnionych od warunków pracy narzędzia (wartości przedstawione kolorami, legenda po lewej stronie) (b) [www.cadcamsoft.pl].

Wśród korzyści wynikających ze stosowania Zaawansowanej Kontroli Posuwów należy wymienić:

• zmniejszenie obciążenia maszyny
• wydłużenie żywotności narzędzia

Niezwykle przydatna w przypadku frezowania twardych materiałów i pracy na mało sztywnych obrabiarkach/robotach jest technologia SmothFlow (rys. 4). Charakteryzuje się ona optymalizacją ścieżki narzędzia pod kątem stabilności warunków skrawania (głownie objętości materiału usuwanego przez narzędzie, z tego względu jest głównie wykorzystywana w obróbkach zgrubnych).

Do korzystnych aspektów stosowania technologii SmothFlow należy:

• stały kąt opasania narzędzia (większa żywotność narzędzia)
• mniejsze obciążenie zespołów maszyny
• stała grubość wióra
• równomierne pole temperatur (mniejsze ryzyko odkształceń termicznych detali)

Rysunek 4. Ścieżki narzędzia wygenerowane z wykorzystaniem technologii SmothFlow w ZW3D [www.cadcamsoft.pl].

Dodatkowo system ZW3D wyróżnia:

Programowanie off-line robotów

Przejście z systemu CAD/CAM do wirtualnej obróbki odbywa się za pomocą pliku pośredniego (CL data). Programowanie off-line (poza stanowiskiem pracy) ma kilka zalet, w tym możliwość sprawdzenia poprawności programu w warunkach bardzo zbliżonych do rzeczywistych bez potrzeby blokowania stanowiska na czas testów. Dodatkowe korzyści, wynikające z wykorzystania robotów przemysłowych do zadań obróbkowych, to: duże przestrzenie robocze, różne zastosowania tego samego stanowiska (do obróbki skrawaniem, szlifowania, itp..), duża elastyczność, maksymalna swoboda ruchów oraz kompleksowa obróbka w jednym ustawieniu. Jest to zatem stosunkowo niewielka inwestycja przy jednoczesnym wykorzystaniu nowoczesnych technologii. Rysunek 5 przedstawia symulator robota podczas frezowania zeskanowanego posągu.

Rysunek 5. Symulator robota frezującego ze stołem obrotowym [www.roboris.pl].

System Eureka zapewnia nie tylko możliwość symulacji obróbki, ale również wykrywania problemów (kolizji, przekroczenia dopuszczalnych zakresów ruchu czy przyspieszeń) oraz zawiera inteligentne i interaktywne narzędzia korekcji zachowania robota.

Podsumowanie

Proponowane rozwiązanie z wykorzystaniem systemu ZW3D i Eureka może znaleźć zastosowanie m.in. w metodach rapid prototyping (szybkiego prototypowania), obróbce miękkich materiałów (pianki, drewna, laminatów) lub przycinaniu komponentów z kompozytów. Połączenie zalet systemu CAD/CAM oraz systemu do wirtualnej obróbki zapewnia programowanie off-line (obrabiarek CNC i robotów) do obróbki skrawaniem, spawania, wycinania wodą, skanowania lub też klejenia warstw. Więcej informacji na www.cadcamsoft.pl oraz www.roboris.pl