Пятиосевая обработка: 10 ключевых элементов автоматизации для точности

Автоматизация очевидна даже неопытному глазу при наблюдении за новым пятиосевым станком Phoenix Proto с шестистаночным паллетным пулом и системой загрузки паллет (то же для одного из похоже оснащенных трехосевых). Однако есть другие, возможно, более тонкие элементы автоматизации, составляющие пятиосевой процесс цеха. Именно эти элементы позволяют процессу повторно достигать толерансов и шероховатостей для алюминиевых формообразующих компонентов при минимуме или отсутствии человеческого вмешательства, корректируя внутренние переменные, способные негативно влиять на точность и пропускную способность.

Этот пункт о пропускной способности важен, потому что цель Centreville, штат Мичиган, цеха — поставлять собранные алюминиевые формы клиентам в течение трех недель, поэтому быстрая сдача качественных механических компонентов формы критична.

Боб Ламмон, президент компании, говорит, что алюминий продолжает широко использоваться для прототипов и «мостовых» форм (формы для временного запуска литья пластика новых продуктов в ожидании стальных производственных форм). Однако он видит растущий интерес к алюминиевым формам для производства вместо традиционных стальных.

«В зависимости от геометрии литой детали и смолы, можно получить 50 000 циклов из неококонченной алюминиевой формы», — объясняет Ламмон. «В некоторых случаях этого достаточно для производственных нужд. Однако, закаливая алюминиевые формы до 54 HRC через технологии вроде процесса твердоникелевого покрытия Nibore, можно получить 1 млн и более циклов для неабразивной смолы и, возможно, 250 000 для абразивной стекловолокнистой».

Применения форм, которые производит цех, широки: приборы, авто, потребительские, медицинское, огнестрельное. Это ведет к высокому миксу размеров форм, элементов и геометрий, которые зона обработки должна вмещать в кратчайшие сроки. Ламмон говорит, что естественным решением казалась автоматизация высокоскоростного пятиосевого процесса для длинных беспилотных/ночных отрезков для самых сложных компонентов форм. Это они реализуют, как я узнал во время недавнего визита в мичиганский цех.

Добавления автоматизации

У Phoenix Proto три высокоскоростных и три обычных ЧПУ станка. Первый автоматизированный фрезерный центр — Roeders RXP500 трехосевой, куплен в 2012. Этот 42 000 об/мин линейно-моторный станок имеет систему смены паллет RCE 1 с шестистаночным паллетным пулом. Сейчас используется в основном для компонентов вроде основ форм и блоков полостей.

Сегодня почти вся обработка полостей и сердечников выполняется на новом пятиосевом Roeders RXP601DSH с большей системой смены паллет RCE 2. Это, первый и (пока) единственный пятиосевой станок цеха, установлен в начале 2016. Как высокоскоростной трехосевой Roeders, он тоже имеет 42 000 об/мин шпиндель и линейные моторы с разрешением 1 нм. Линейные моторы ключевы для быстрых движений, давая быстрые перемещения 2362 дюйм/мин. Они также дают меньше трения, чем шариковые винты, снижая потребление энергии.

Пятиосевой станок с огибающей 21,3 × 25 × 15,7 дюйма и макс. весом детали 440 фунтов имеет трюмовидную конструкцию с качанием оси А до ±115 градусов. Другое вращательное движение дает ось C на пластине трюмо. По словам Мэтта Байерса, президента Roeders of America, трюмовидный дизайн, где шпиндель не дает вращательную ось, склонен быть более жестким, чем альтернативные пятиосевые платформы для тяжелых резов. Низкий центр тяжести детали держит инерционные силы низкими, смягчая эффекты наклона при высокоскоростном движении.

Байерс также верит, что проприетарная технология управления станка дает преимущества для высокоскоростной фрезеровки Phoenix Proto. Два важных параметра для эффективной высокоскоростной фрезеровки — заглядывание вперед (lookahead) и скорость обработки блоков. PC-базированный ЧПУ RMS6 дает заглядывание 10 000 блоков и скорость обработки блока 0,1 мс.

Высокая пропускная способность от быстрых циклов высокоскоростной фрезеровки дополняется всеми элементами автоматизации, включенными в процесс. Вот 10 элементов автоматизации, которые я заметил во время визита:

1. Система загрузки и паллетный пул

RCE 2 автоматическая система смены паллет пятиосевого станка имеет 6-станочный паллетный пул, хотя цех иногда оснащает более одной детали на паллет. Каждая паллет 23,6 на 15,7 дюйма.

По просьбе Phoenix Proto захват загрузки модифицирован. Изначально не мог быть перехлеста детали за края паллета. Модифицировав захват для подхвата снизу паллета, система теперь может загружать более крупные детали. Теперь размер детали ограничен только мощностью станка, а не загрузчиком.

Цех использует ПО управления заданиями Roeders для планирования и управления. Пытаются ставить длинные на ночь и выходные, сейчас работают одну 12-часовую смену пять дней в неделю. Альтернативно, стараются обеспечить достаточно коротких заданий, чтобы станок оставался занят самостоятельно.

2. Станок

Пятиосевая обработка сама по себе — форма автоматизации. Есть два типа пятиосевых процессов: контурирование и позиционирование (также «3+2»). Phoenix Proto выполняет 3+2 позиционирование на этом станке 75% времени. Для этого станок использует две дополнительные вращательные оси только для углового наклона детали и фиксации в этом положении. Потом выполняет что-то вроде трехосевой операции в этой ориентации. Одно преимущество — доступ инструмента к пяти граням детали в одной установке. Это минимизирует число установок, число станков, через которые деталь должна пройти, и число раз, когда деталь «трогается» при производстве (т.е. «автоматизация»).

Возможность наклона детали через 3+2 позволяет инструментам достигать глубоко в детали для создания сложных элементов форм, таких как глублые ребра. В некоторых случаях это устранило вторичные операции EDM посадки и связанную необходимость обработки электродов. Плюс, термоусадочные державы имеют меньшие диаметры, чем коллетные, давая дополнительный зазор.

С 3+2 цех также использует более короткие, жесткие резеля. Быстрее, агрессивные резы можно делать корочеми инструментами без риска вибрации или трескотки, возникающей при длинных. Вибрация и трескотка ведут к плохой шероховатости, что в случае Phoenix Proto требовало бы больше ручной подгонки компонентов форм или даже вторичного EDM для качественных финишей, удлиняя общее время производства. Цех также реализует улучшенный срок инструмента для шаровых фрез, потому что когда детали наклонены под разными углами, больше радиуса инструмента используется, не только вершина. Обработка другими участками радиуса, а не вершиной (где вращательная скорость нуль) также дает лучшие финиши.

3. Тактильное зондирование

После загрузки новой детали в станок, автоматический рутинный зонд с тактильным зондом идентифицирует положение нескольких точек на детали или приспособлении для установки точного местоположения детали на станке. ЧПУ станка автоматически корректирует нативную рабочую систему координат под нее. Это устраняет ручную подкладку, подталкивание детали и другие трудоемкие обязанности для выравнивания детали идеально под систему координат станка.

4. Автоматический цикл калибровки

Пятиосевой станок имеет различные охлаждающие каналы в базе, рельсах, каретках и т.д., чтобы компоненты не расширялись от внутренних источников тепла. Однако для адаптации к колебаниям окружающей температуры в цехе (скажем, от начала дня к концу), можно выполнять автоматический цикл калибровки с тактильным зондом.

Цикл калибровки Roeders выполняется иначе, чем у большинства строителей станков, объясняет Байерс. Типичные циклы требуют извлечения текущей паллета с деталью и замены на другую с инструментальным шаром. Этот шар зондируется для определения смещения местоположения из-за изменений температуры цеха. Наоборот, цикл Roeders не требует извлечения существующей паллеты с деталью. Станок имеет точно шлифованные призмы на литье рычага трюмо и литье мотора оси C, которые зондируются для определения изменений позиции и при необходимости автоматической компенсации. Phoenix Proto выполняет этот цикл раз в месяц, если проблема не замечена, и иногда перед критической финишной проходкой.

5. Компенсация роста шпинделя

Байерс говорит, некоторые строители создают алгоритмы для каждого станка перед отгрузкой клиенту, чтобы приблизить, насколько шпиндель расширится на разных скоростях и времени работы. Однако он отмечает, практически невозможно учесть все способы, которыми клиент может использовать станок день за днем. Пятиосевой станок Phoenix Proto имеет опциональную автоматическую систему компенсации шпинделя для адаптации к расширению (или сжатию) шпинделя в реальном времени. Система использует бесконтактный датчик на L-образном рычаге у грани шпинделя. Датчик с нанометровым разрешением детектирует, насколько шпиндель расширяется или сжимается в операции, и возвращает информацию в ЧПУ для коррекции оси Z вверх или вниз для компенсации. Это особенно важно для пятиосевых операций, потому что когда деталь наклонена, рост шпинделя может влиять на положение кончика инструмента во всех трех линейных осях, не только в Z. Автоматическая компенсация помогает обеспечить хорошие, стабильные финиши и плавные переходы.

6. Лазерная установка инструмента на станке

После каждой смены инструмента длина и диаметр нового инструмента автоматически измеряются лазерным зондом установки инструмента Blum. (Лазерный зонд, как и шарик калибровки тактильного зонда, находятся вне зоны обработки в сменщике инструментов, защищены от стружки и СОЖ.) Цех задает полосу толеранса для диаметра каждого инструмента. Если зонд обнаруживает, что диаметр инструмента вне толеранса, не позволит обработку этим инструментом. Например, если шаровая фреза 0,250″ измеряет ±0,0002 слишком большой или маленький, не будет использована. Применяется и к длине резеля.

До этого лазер определяет, сломан ли выбираемый инструмент. Если инструмент сломан, но запланирован для использования в последующих заданиях в паллетном пуле, не остановит производство на тех заданиях. «Например, если инструмент в позиции ATC 5 сломан, станок уберет деталь, в которой он сломался, загрузит следующее запланированное задание и запустит его до этапа, где использовался бы инструмент станции 5», — объясняет сын Ламмона Скотт, директор операций и один из двух программирующих и настраивающих пятиосевой станок. «Тогда станок уберет ту деталь и перейдет к следующей в очереди. Этот процесс продолжится для каждой загруженной работы».

7. Регулировка СОЖ-насадок

Вместо использования только обычных гибких СОЖ-насадок, которые нужно вручную позиционировать, пятиосевой станок имеет систему подачи СОЖ, автоматически регулирующую направление струи к точке реза, какая бы длинна ни был инструмент. Направление насадок корректируется М-кодом на основе известной длины следующего инструмента, установленного в шпиндель.

8. Автофункция программирования наклона

Крис Клаар — инженерный менеджер Phoenix Proto, также программирующий и настраивающий пятиосевой станок. Он говорит, в 2010 цех провел временное исследование сравнивая свой CAD/CAM софт с Cimatron. «Мы перешли на Cimatron после исследования, показавшего 30% экономию времени программирования по сравнению с другим софтом», — объясняет Клаар. «Однако, экономящая время функция, которую мы ценим — пятиосевая автонаклон. Поскольку у нас все компоненты станка, деталь, приспособление и инструмент 3D-моделированы в софте, автонаклон может определить, на какой глубине резель или держава ударит в деталь, и автоматически наклонить деталь для предотвращения столкновения и продолжения операции». Софт также использует 3D-модели для офлайн-симуляции обработки для обнаружения потенциальных столкновений.

9. Синтаксическая проверка

Помимо офлайн-симуляций в Cimatron для каждой программы, программисты также используют функцию синтаксической проверки в управлении Roeders, автоматически корректирующую программу и постпроцессор на ошибки перед тем, как работа запланирована.

10. Перезапуск программы

Если нужно остановить станок посередине программы, не нужно программисту вручную заходить в постпрограмму, искать номер строки, где остановился станок, и стирать весь код выше для перезапуска с правильной позиции. С управлением Roeders оператор просто вводит номер строки в командный файл, и он автоматически читает программу и перезапускает оттуда.

Спокойствие автоматизации

Хотя много мысли вложено в стратегию беспилотной обработки Phoenix Proto, они понимают, что непредвиденное может случиться. Поэтому и трехосевые, и пятиосевые Roeders настроены на отправку SMS или емейл алертов с сообщениями об ошибках. Также возможно удаленное подключение к управлениям станков через онлайн «Team Viewer», так же как сервисные техники Roeders могут выполнять удаленную диагностику станка, чтобы понять, нужно ли заменить компонент, настроить привод и т.д. (Фактически, настройка привода может выполняться удаленно этим софтом, говорит Байерс.)

Тем не менее, у цеха есть еще вариант. Они повесили камеру с потолка между двумя Roeders, к которой программисты имеют доступ через телефоны, чтобы видеть, что происходит (см. фото в слайдшоу вверху). Могут панорамировать камеру и зумировать на станок или его ЧПУ-экран, чтобы видеть (и слышать) статус текущих работ. «Так заняты как мы сейчас, я проверяю по телефону определенные ночные часы, потому что остановленный станок может реально испортить график», — говорит Клаар. «Это как будто я стою у станка».