Спросите эксперта:профессор Технологического института Джорджии о будущем машинной обработки

Доктор. Томас Курфесс, эксперт по механической обработке и исследователь из Технологического института Джорджии, разработал алгоритмы, которые значительно ускоряют производство 5-осевых станков с автоматическим созданием траекторий. Здесь мы садимся с Курфессом, чтобы обсудить самые последние достижения в отрасли и то, куда движется механическая обработка.

Несколько десятилетий назад одномерная обработка была довольно простым процессом, требующим только решения о необходимом ходе, подаче и скорости. Возможности современного оборудования с ЧПУ немного более продвинуты. Благодаря 5-осевой обработке производители могут перемещать режущий инструмент одновременно по пяти различным осям, что позволяет им создавать очень сложные детали и конструкции.

И инновации только начинают расширяться, считает доктор Томас Курфесс, профессор и почетный профессор HUSCO/Ramirez Distinguished Chair in Fluid Power and Motion Control в Технологическом институте Джорджии. Его работа сосредоточена на проектировании и разработке передовых производственных систем, нацеленных на производство и оптимизацию сложной продукции.

Он исследовал алгоритмы для 5-осевых станков, которые позволяют автоматически генерировать траектории — возможность, которая может значительно повысить производительность за счет сокращения взаимодействия с пользователем и времени подготовки траекторий. Курфесс также работал над исследованиями, которые выявляют недостатки количественной оценки износа инструмента в инструментах с усовершенствованной геометрией, и он официально работал в Белом доме. С 2012 по 2013 год он работал заместителем директора по передовому производству в Управлении научно-технической политики при президенте Обаме.

Мы садимся с Курфессом, чтобы обсудить текущее состояние многоосевой обработки и пути будущего.

Вы изучали автоматическую генерацию траекторий для 5-осевых станков. Не могли бы вы рассказать нам о проблемах прошлого, настоящего и будущего?

КУРФЕСС: Я вырос в небольшой мастерской; когда-то это было ЧПУ или числовое управление. Перенесемся в будущее, и сейчас мы живем в эпоху 5-осевой обработки. В то время как 2-х или 3-х осевое фрезерование относительно простое, при 5-осевом фрезерование происходит под разными углами, и иногда его сложно запрограммировать. И, честно говоря, мы не обязательно улучшили наши возможности программирования с 1980-х годов на машине, и у нас все еще есть очень сложная задача, требующая высококвалифицированного программиста со значительным опытом. Это резко контрастирует с 3D-печатью, которая воспринимается как простая загрузка файла и печать. Мои ученики часто спрашивали:«Почему бы нам просто не напечатать деталь на 3D-принтере?» Но когда вы идете на настоящий завод, на котором есть станки стоимостью в миллионы долларов, вы собираетесь использовать эти станки, потому что они есть, и их нельзя легко или дешево заменить. Так что промышленности еще есть куда двигаться. Кроме того, аддитивное производство обычно изготавливает пластмассовые детали. Можно делать конструкции из металла, но есть ограничения. Одной из наших передовых технологий для расширенного программирования станков является графический процессор или GPU.

Не могли бы вы подробнее рассказать о графических процессорах?

КУРФЕСС:Я Если вы покупаете компьютер с графической платой, он будет иметь графический процессор. Хотя игры являются основным рынком сбыта, мы используем эту возможность для создания наших 5-осевых траекторий обработки… Графический процессор похож на маленький суперкомпьютер и предоставляет нам игровые интерфейсы для программирования, снимая значительную когнитивную нагрузку с программиста-человека. Благодаря супервычислительным возможностям графического процессора мы можем рассмотреть все различные перспективы и широкий спектр сценариев, на рассмотрение которых даже у опытного программиста не было бы времени. G-код далеко продвинул нас, но он ограничивает, и эта технология быстро продвинет нас далеко за пределы всего, что мы видим сегодня.

Как вы видите будущее многоосевой обработки и механической обработки в целом?

КУРФЕСС: В частности, я предсказываю несколько вещей. Во-первых, мы будем двигаться в направлении упрощения программирования станков. Во-вторых, хотя многие говорят, что мы будем полностью автоматизированы, я не обязательно в это верю. Кто-то привел мне прекрасную аналогию с посудомоечной машиной. Я не верю, что в моей жизни вы когда-нибудь увидите, как ваша посудомоечная машина разгружается автоматически, потому что загрузка и разгрузка требуют опыта и сложности. То же самое относится и к станкам — нам нужно упростить их использование, помогая программисту делать выбор, например, какой инструмент использовать и какие ориентации программировать в полных 5-осевых непрерывных режимах. Наконец, я вижу движение к более графическим пользовательским интерфейсам, похожим на то, что вы испытали бы в игровой системе. Эти интерфейсы могут помочь повысить вашу продуктивность, и давайте признаем, нынешние сотрудники, такие как мои дети, очень хорошо разбираются в этих игровых интерфейсах.

Есть ли аспекты этих машин, которые сегодня недостаточно используются? Что вы посоветуете, чтобы получить максимальную отдачу от этих машин?

КУРФЕСС: Это вопрос использования более совершенных машин в полной мере, и большой проблемой здесь является обучение. Мы тесно сотрудничаем с близлежащими общественными колледжами и техническими колледжами, и им сложно и дорого проводить обучение на уровне младшего специалиста по работе с этими сложными станками. Иметь станок стоимостью 500 000 долларов в учебной лаборатории довольно дорого, но обучение имеет решающее значение, особенно при многоосевой обработке. Компаниям также сложно обучать людей, так как, как только кто-то научится это делать, удержать его будет сложно. Проще говоря, они пользуются большим спросом.

Вы провели исследование по разработке алгоритмов, которые могли бы улучшить автоматическую генерацию траекторий. Расскажите нам об этом исследовании и проблемах, которые вы пытались решить. Какой был результат? Как вы видите автоматическую генерацию траекторий сегодня и куда, по вашему мнению, она движется?

КУРФЕСС: Что касается генерации траектории, вместо пикселей мы работаем с вокселями. Это 3D-пиксель, в котором мы берем дизайн и вокселизируем его. Мы делаем цифровую объемную обработку, которая является естественным форматом для GPU. Мы берем дизайн детали из модели САПР и вокселизируем его, чтобы мы могли обрабатывать его на графическом процессоре. Этот подход хорошо подходит для обработки деталей и гибридных станков, которые сочетают в себе аддитивное и субтрактивное производство (аддитивное и субтрактивное производство). Компании начинают все больше и больше использовать воксели для сложных задач. Медленно, но верно воксели превращаются в самые разные продукты. В Технологическом институте Джорджии, на нашем втором курсе по проектированию и сборке, у нас были студенты, которые проектировали токарные детали с помощью инструментов на основе вокселей с использованием облачных высокопроизводительных вычислительных платформ, и им это понравилось. Системы, которые они используют, на порядки быстрее, чем что-либо другое; таким образом, они получают обратную связь в режиме реального времени о том, можно ли изготовить их деталь на токарном станке с установленным в данный момент пакетом инструментов, пока они находятся в процессе рисования детали.

Вы также работали над исследованием количественной оценки износа инструментов сложной геометрии. Расскажите нам об этом исследовании и о том, что вы обнаружили.

КУРФЕСС: Мы проделали большую работу в этой области, но позвольте мне рассказать вам о нашей самой большой победе:мы занимались механической обработкой очень современного жаропрочного сплава на основе никеля, который было ужасно обрабатывать. Было сложно достичь заданной геометрии, но мы также беспокоились о том, чтобы не повредить зернистую структуру детали. Во время обработки вы можете нанести термические повреждения поверхности (трещины, подповерхностные повреждения и т. д.). Это связано с проблемами, связанными с нагревом, так как именно тепло вызывает наибольший ущерб. В этом случае нам дали попробовать новые керамические вставки, и они дали нам безумно высокие скорости — настолько, что нам пришлось пойти к нашему партнеру по станку и спросить, можем ли мы заменить наш станок. Нам нужен был гораздо более высокоскоростной шпиндель. Поскольку мы использовали керамику, нам нужно было избегать использования охлаждающей жидкости, чтобы не вызвать тепловой удар во вставках и не разрушить их. Несмотря на скорость, он работал без охлаждающей жидкости невероятно хорошо. На самом деле, мы смогли обрабатывать так быстро, что превзошли скорость теплопередачи — это означает, что тепло не могло проникнуть в деталь. Так что после того, как вы закончите обработку, вы почувствуете деталь, и это будет круто. Это помогло свести к минимуму повреждение подпочвенного слоя. Мы исключили термическое повреждение детали, работали со значительно более высокой скоростью съема материала и не использовали стружку, заполненную охлаждающей жидкостью, что значительно упростило ее переработку.

Что вы думаете о дефиците производственных навыков? Как вы к этому относитесь и как вы думаете, что можно улучшить? Какие меры должны принять производители всех размеров, чтобы найти таланты, которые им понадобятся в будущем?

КУРФЕСС: Нехватка навыков реальна. Современные дети не занимаются программированием G-кода, как мы 20 или 30 лет назад. Конечно, нашей более продвинутой видеоигрой был Pong, и мы перфорировали бумажную ленту! Наша рабочая сила следующего поколения более ориентирована на графику и обладает другим набором навыков. Таким образом, переход к большему количеству графических интерфейсов помогает по-настоящему задействовать это следующее поколение. Многие считают, что для того, чтобы стать машинистом или инженером, нужно быть гением математики. Реальность такова, что вам не нужно быть гением… вы должны быть хорошими и вам это должно нравиться. Кроме того, я являюсь президентом SME и вижу, как обучающие продукты следующего поколения для операций, такие как Tooling U-SME, действительно привлекают рабочую силу нового и нынешнего поколения с точки зрения технического обучения и развития. Используемые подходы являются современными, привлекательными и очень эффективными. Кроме того, это обучение становится целенаправленным и персонализированным. Мы переходим в область, где машина будет знать, правильно ли вы обучены, и порекомендует вам обучение, чтобы улучшить то, как вы работаете и используете машину. Кроме того, мы недалеко от 3-осевого станка и рекомендуем вам пройти обучение и перейти на 5-осевой станок в зависимости от ваших результатов на 3-осевом станке.

Какую роль, по вашему мнению, должны играть производители в сокращении разрыва в навыках?

КУРФЕСС: Речь идет об обучении на протяжении всей жизни. Вы должны изменить культуру таким образом, чтобы и работники, и работодатели поняли, что непрерывное обучение на протяжении всей жизни — это путь к более прибыльной работе и долгой, надежной и успешной карьере. Вы должны настроить всех на то, что постоянное обучение — это хорошо. Давайте будем реалистами, если вы ничему не научились за 30 лет, вы будете технологическим динозавром, а мы знаем, что случилось с динозаврами! Поддержание навыков в актуальном состоянии имеет решающее значение для сохранения актуальности.

Из вашего прошлого также видно, что вы работали в автомобильной отрасли. Можете ли вы рассказать нам об этом, о работе, которую вы проделали, и о том, какой вы видите эту отрасль сегодня и в будущем?

КУРФЕСС: Я работал в Технологическом институте Джорджии с 1994 по 2005 год. В 2005 году я начал академическую и исследовательскую программу в Университете Клемсона – Международном центре автомобильных исследований. В целом изготовление простых деталей с помощью 2-х и 3-х осевой обработки было относительно простым. Однако, когда дело дошло до 5-осевых деталей, мы действительно изменили ситуацию. Опять же, более высокая и более сложная работа была тем, где действительно блистали хорошо обученные люди, и где они получали большие зарплаты!

Есть ли какие-либо другие конкретные отраслевые инновации, за которыми вы внимательно следите? Какие производственные инновации, по вашему мнению, могут распространиться и оказать влияние сегодня и в ближайшем будущем? На что производители действительно должны обращать внимание?

КУРФЕСС: Когда я был техническим руководителем президента Обамы по передовому производству в Управлении научно-технической политики, я получил отличный взгляд на вещи. Для обеих сторон производство имеет решающее значение. Несколько недель назад я выступал перед подкомитетом, где мы подчеркнули важность Интернета вещей для производителей. Мы видим, как машины извлекают огромное количество информации о продукте и процессе. Это помогает не только сделать продукт намного лучше и эффективнее, но и улучшить возможности трудоустройства и конкурентоспособность нашей современной рабочей силы. Все представители этого подкомитета понимали это и поддерживали продвижение такого типа технологий и возможностей.

Что касается автоматизации, считаете ли вы, что достижения в области технологий действительно могут помочь сократить разрыв в навыках за счет сокращения числа работников?

КУРФЕСС: С усилением автоматизации нам потребуется меньше людей с более высоким набором навыков. Как только сотрудники будут заниматься высококлассным программированием осей, компании это получат. Они поймут, что эти машины лучше, и будут покупать их больше — и в конечном итоге им понадобится больше людей. Конечно, нам по-прежнему будут нужны люди в центре работы, поскольку люди будут заниматься всем программированием. Будь то для рабочей силы в целом или для отдельных лиц, это вопрос обучения на протяжении всей жизни, и понимание того, что эти машины выведут кого-то на новый уровень возможностей. Таким образом, рабочие места с более низкой квалификацией исчезнут, но мы увидим значительное увеличение числа рабочих мест с более высокой квалификацией, которые имеют гораздо более высокую заработную плату!

Наконец, давайте обсудим высокопроизводительную обработку. Есть ли какие-то новые, инновационные разработки в этой области?

КУРФЕСС: Все дело в контроллере. Простота использования, возможность подключения… сбор всей информации воедино — это будущее. Он лучше, чем тот контроллер ЧПУ 80-х, который до сих пор выглядит как мой первый ПК!

Внедрена ли в вашем цеху 5-осевая обработка? С какими проблемами вы сталкиваетесь – и были бы вы открыты для программирования станков с автоматическими генераторами траекторий? Дайте нам знать в разделе комментариев ниже.