Программное обеспечение для симуляции: визуальная верификация для более безопасных и быстрых операций ЧПУ

Устали ездить по красной кнопке? Симуляция — ключ к более безопасным, коротким наладкам станков.

В идеальном мире ЧПУ первая деталь всегда хорошая. Нет необходимости в лишних заготовках или прутковом материале. Время наладки только столько, сколько нужно для смены нескольких инструментов и загрузки новой программы. Никогда нет аварий, никогда нет необходимости перепрограммировать неэффективный кусок кода. Оператор просто нажимает зеленую кнопку и через минуты или часы выходит готовая деталь.

Какая волшебная технология делает этот мир возможным? Это называется программное обеспечение для симуляции, и даже если оно привело очень мало цехов к состоянию производственного нирваны, описанному выше, это важный шаг в этом направлении.

Давая программистам способность симулировать всё о процессе обработки — держатели инструментов, шпиндели и револьверы, постоянно меняющуюся заготовку и режущие инструменты, движущиеся вокруг и через неё — разработчики ПО превращают свои виртуальные миры в высокоточные предикторы всего, что произойдет, когда зеленая кнопка будет нажата. Главное ясно: если ваш цех не использует ПО для симуляции траекторий инструмента для проверки своих NC-программ, вы не только тратите драгоценное производственное время, но и ставите под риск дорогие станки и свою запись по безопасности.

Страховка

Но подождите — у нашего ПО CAM уже есть возможности симуляции, думаете вы. Зачем нам вкладывать дополнительные деньги, если наша текущая система может справиться с работой? Согласно Бену Мунду, старшему рыночному аналитику для разработчика Mastercam CAD/CAM CNC Software Inc. (Толланд, штат Коннектикут), могут быть очень веские причины сделать именно это.

«Большинство CAM-систем сегодня предлагают какой-то уровень симуляции траектории инструмента, который полностью приемлем для большинства приложений обработки», — сказал он. «Разница между этим и специализированным ПО симуляции в том, что пакеты CAM, как правило, не читают фактический пост-обработанный G-код, используемый станком. Из-за этого автономная симуляция траектории инструмента предоставляет дополнительный уровень безопасности для заданий экстремально высокой стоимости и сложных приложений обработки. Это как покупка страховки».

Как и всё остальное в производстве, однако, ПО CAM становится всё более способным, и это включает способность симулировать больше процесса обработки — где грубые каркасные модели режущего инструмента и заготовки когда-то были нормой, Mastercam и другие теперь предлагают удивительно реалистичные представления всей среды обработки, включая приспособления, держатели инструментов и даже сам ЧПУ.

Мунд приравнивает это развитие к постепенному сближению CAD и CAM — где они когда-то были полностью отдельными продуктами, CAM сегодня становится очень похожим на CAD, и наоборот.

«Многие цехи больше не нуждаются в отдельной CAD-системе, потому что их CAM-пакет делает всё, что им нужно», — сказал он. «Это очень похожая ситуация с ПО для симуляции станка и траектории инструмента — CAM может не предлагать ту же глубину верификации, но снова, если вам не нужен этот дополнительный уровень безопасности, оно делает работу — и постоянно прогрессирует».

Прорыв через

Крейг Честер, менеджер по продукту PowerMill в Autodesk Inc. (Сан-Рафаэль, штат Калифорния), согласен с оценкой Мунда. «Очень мало наших клиентов используют специализированные пакеты симуляции, так как они уверены в надежности своей симуляции CAM», — сказал он.

Небольшой процент клиентов, вкладывающихся в автономные пакеты, обычно делают это потому, что у них несколько CAM-решений, возможно, от разных поставщиков, и единственное специализированное решение дает согласованные результаты, объяснил Честер. Это обычно крупные клиенты, такие как аэрокосмические или оборонные фирмы, которые также склонны использовать разные CAM-пакеты для своих токарно-фрезерных станков, пятиосевых machining centers, оборудования ЭРС и так далее.

Иронично, но главное преимущество автономного ПО симуляции — способность читать G-код станка — может также быть его ахиллесовою пятой.

«Недостаток симуляции вне CAM-программы в том, что пользователь обнаруживает проблемы только после того, как деталь запрограммирована», — указал Честер. «Если ошибка в начале процесса обработки, то многие последующие траектории придется перепрограммировать. Но симулируя всё в CAM-программе, эти ненужные и дорогостоящие перерасчеты можно избежать».

Но не так быстро. Том Макколлоу, директор по управлению продуктом в группе CAM и гибридного производства Autodesk, соглашается, что встроенная симуляция дает программистам способность быстро определять эффекты изменений траектории, но добавил, что это не панацея для ряда компаний.

«Представьте, что вы неделями делали черновую и полуфинишную обработку очень большого автомобильного инструмента, только чтобы разбиться о заготовку на финальных стадиях, повредив и деталь, и шпиндель», — сказал он. «Это может негативно повлиять не только на работу в вопросе, но и на другие работы (для других клиентов) в очереди. Потенциальное влияние огромно, поэтому производители высокого добавленной стоимости мотивированы получить "второе мнение" от независимого ПО».

G-код-ориентированная симуляция в NX CAM от Siemens использует те же NC-программы, что и станки. Высокоточная симуляция помогает компаниям устранять отказы, улучшать качество деталей и увеличивать время работы станков, согласно Siemens.

Сделай мне твердое тело

Жан-Марк Косак, менеджер по роли DELMIA в Dassault Systèmes (Уолтем, штат Массачусетс), предлагает похожие рекомендации. Как и другие поставщики ПО, опрошенные для этой статьи, CAM-продукты Dassault Systèmes предлагают точные, реалистичные возможности симуляции с полными 3D-представлениями станка, включая зажимные устройства, картюжи и челюсти, и индексирующие головы.

Косак сказал, что этого достаточно для большинства производителей деталей, потому что большинство проблем коллизий могут (и должны) быть устранены задолго до генерации машинного кода. «Интегрированная система позволяет проверять все проблемы доступности и досягаемости очень рано в определении программы, включая ошибки траектории, такие как быстрое перемещение в материал или чрезмерно агрессивные параметры резания, а также возможные коллизии между любыми из перечисленных элементов».

Косак отметил, однако, что интегрированная CAM-симуляция в некоторых аспектах ограничена: Некоторые клиенты не хотят верить симуляциям, исходящим от ПО, создающего траекторию, опасаясь, что поставщик ПО не может быть одновременно судьей и присяжными.

Когда клиент использует несколько CAM-решений на своем объекте, единственная внешняя программа симуляции — при условии, что у неё точный интерфейс к CAM-ПО — предпочтительна для своей способности обеспечивать однородную валидацию.

Специализированное ПО симуляции часто более комплексное, чем CAM-базированная симуляция, которая склонна быть более ориентированной на траекторию и не учитывает циклические программы и подпрограммы, используемые на большинстве систем управления.

Несмотря на аргументы в пользу внешнего ПО симуляции, Косак предложил, что интегрированные системы быстрее и менее склонны к ошибкам. «Они обеспечивают идеальную цифровую непрерывность, потому что все 3D-элементы, используемые в симуляции, имеют один и тот же источник», — сказала она. «Нет необходимости в передаче данных между двумя системами, что влечет дополнительные усилия и возможность потери информации».

Используй силу

Как упоминал ранее Бен Мунд из Mastercam, чтение кода, используемого контроллером станка, пожалуй, ключевой дифференциатор между автономной и интегрированной симуляцией. Кто-то, у кого много сказать на эту тему — Джин Граната, менеджер по продукту для VERICUT, ПО для симуляции и верификации траекторий инструмента от CGTech Inc. (Айрвин, штат Калифорния).

«Ряд людей пытаются опровергнуть ценность сторонней симуляции, утверждая, что она ненужна или избыточна», — сказал он. «Но для достижения цифрового двойника станка и процесса обработки вы должны включить такие вещи, как пятиосевая компенсация, длина инструмента и смещения приспособлений, макросы и подпрограммы, и как режущий инструмент действительно движется в режиме позиционирования, элементы, которые не учитываются, когда внутренние инструкции от CAM-системы используются для построения симуляции».

Пока спор продолжается о том, нужно ли цехам этот уровень точности симуляции, Граната быстро указывает на то, что им нужно: оптимизация. «Это собачье мир, и البقاء в бизнесе часто основано на лезвие-тонких маржах прибыли. В этом конце есть огромный фокус на оптимизации траекторий инструмента».

Для Гранаты оптимизация — это не CAM-специфичные рутины, фокусирующиеся на эффективной очистке карманов и постоянной нагрузке на зуб, хотя это признается необходимыми частями уравнения обработки. Что более важно, сказал он, — это поиск способов оптимизировать траектории инструмента на основе того, на что способен станок, дан материал заготовки и режущие инструменты, используемые.

И вот здесь вступает Force, модуль программного обеспечения в наборе VERICUT, который дополняет симуляцию траектории инструмента и CAM-ПО независимо от того, чей логотип на коробке.

«Это представляет совершенно новый уровень интеллекта программирования Индустрии 4.0, и CGTech, как и другие разработчики ПО, лишь царапают поверхность этой способности», — сказал он. «Каждый производитель режущих инструментов скажет вам, что их инструменты можно толкать сильнее, и оптимизация — лучший способ достичь этого».

Чтение G

Балансируя между автономной и интегрированной симуляцией, Siemens PLM Software Inc. (Плейно, штат Техас), которая была одним из ранних партнеров CGTech и продолжает в этой роли до сегодняшнего дня. Но как объяснил старший директор Siemens по передовым технологиям обработки деталей Винс Парадайз, компания решила по пути разработать свой собственный подход к симуляции, который является неотъемлемой частью её ПО NX CAM.

«Существует много хороших CAM-систем, и все предлагают какой-то уровень симуляции траектории инструмента, но важно признать, что есть несколько доступных уровней», — сказал он. «Есть базовая симуляция, где вы можете увидеть модель заготовки, режущий инструмент и, возможно, держатель инструмента, каждый движущийся относительно другого. Мы называем это верификацией траектории инструмента, и хотя это полезно, это просто отправная точка».

Сделайте шаг дальше, и у вас будет настоящая симуляция станка, «цифровой двойник», который упоминал Граната из CGTech и термин, с которым знаком каждый в Siemens. «Именно на этом мы фокусируемся сегодня», — указал Парадайз. «Оно выходит за основы, описанные выше, чтобы включить все аспекты наладки обработки, каждый со своей кинематикой и относительным движением. Многие CAM-системы сегодня показывают это, но что отличает нашу — мы генерируем NC-код на лету и используем его для симуляции в NX CAM, предоставляя решение "лучшее из двух миров"».

Парадайз предложил следующую аналогию: Если вы хотите стать пилотом авиалиний, вы бы предпочли учиться в симуляторе полета, использующем общее ПО симуляции полета, или в том, который более точно воспроизводит среду управления реальным самолетом? «CAM-интегрированная симуляция с использованием фактического G-кода очень похожа на последнюю и остается наиболее полным способом воспроизвести то, что произойдет во время процесса обработки».

Прыжок вперед

Spring Technologies Inc. (Бостон), приобретенная в этом году провайдером технологических решений Hexagon, — еще один разработчик ПО для симуляции и верификации станков с ЧПУ. Генеральный менеджер Сильвер Пруази соглашается со своими коллегами по заслугам оптимизации траектории инструмента и валидации G-кода, но добавил несколько других соображений для тех, кто может проверять шины одного из этих программных систем.

Первое: симуляция не только для цехов с высоко сложными станками или дорогими деталями. «Конечно, наши основные клиенты — это те, у кого многофункциональные токарные станки и пятиосевые machining centers, но мы видим рост цехов, желающих оптимизировать свои NC-программы, и это включает те, у кого базовые двух- и трехосевые станки», — сказал Пруази. «И пока никто не может позволить себе разбить любой капитальный актив, именно малые цехи больше всего страдают, когда это к сожалению происходит. Наше ПО NCSIMUL устраняет этот риск».

Оптимизация траектории инструмента от ПО Vericut для симуляции и верификации траекторий от CGTech основана на прогнозируемых режущих силах и помогает улучшить срок службы инструмента и устранить вибрацию, приводящую к треску, согласно компании.

С симуляцией траектории инструмента программисты всегда знают, где был инструмент и куда он идет дальше, например, в этом модуле Mastercam.

Критикам, которые предполагают, что использование автономного ПО симуляции как затратно по времени, так и склонно к ошибкам, Пруази сказал, что пользователи должны смотреть на автоматизацию как следующий шаг в симуляции траектории инструмента; устанавливая NCSIMUL на сервер, подключенный к сети цеха, можно отправлять файлы траектории в «черный ящик» и автоматически их верифицировать — если нет проблемы, единственные усилия — прочитать емаил-отчет, что G-код готов к работе. Это лишь первый шаг по дороге автоматизации.

По словам Пруази, ПО его компании сейчас способно перерабатывать NC-программы для использования в других станках, и делать это «нажатием кнопки». Вперед, он видит гибкий, но умный интерфейс, который позаботится об этом шаге автоматически на основе того, какому станку назначено задание.

«Третий пункт — связанность», — сказал он. «Благодаря нашему партнерству с Hexagon, мы ожидаем, что скоро сможем извлекать данные с датчиков на станке и использовать эти значения для обновления программы на лету. Это может быть смещения длины инструмента или расположения приспособления, или может быть обратная связь о нагрузках шпинделя и вибрации. Мы ещё не так глубоко в Индустрии 4.0, но это определенно то, что придёт».

Завершение пазла симуляции

Джеф Фритш, вице-президент по продажам и маркетингу в CAMplete Solutions Inc. (Китченер, Онтарио), также имеет в виду Индустрию 4.0 и IIoT (Промышленный Интернет вещей). ПО компании TruePath «предоставляет всё необходимое для анализа, модификации, оптимизации и симуляции пятиосевых траекторий в интегрированной 3D-среде», в то время как его продукты Lite и TurnMill предлагают похожую функциональность для трехосевых фрезерных станков и токарных с живым инструментом соответственно.

В терминах функциональности Индустрии 4.0, именно Intelligent Protection System (IPS) CAMplete предлагает самый ясный индикатор направления, которое принимает производственное сообщество. Разработанное в партнерстве со строителем станков Matsuura, IPS использует возможности симуляции TruePath для доставки интеллектуального look-ahead на основе впроцессных данных станка. Результат — практически защелкивающийся от аварий станок, даже в ручном режиме работы, согласно Фритшу.

Учитывая увеличенное использование сложных токарно-фрезерных станков и многофункциональных машин, точная симуляция обработки, такая как предоставляемая DELMIA от Dassault Systèmes, важнее than ever.

Как и другие системы симуляции, TruePath читает G-код и верифицирует, что он будет безопасен для запуска в станке», — сказал он. «Но в конце дня никто не может убедиться, что оператор фактически кладет правильный инструмент в шпиндель и что деталь расположена там, где она должна быть».

IPS работает в сочетании с TruePath для устранения этой потенциальной проблемы, сказал он. Вместо полагаться на CAM-систему для различных значений, есть высокоскоростное волоконно-оптическое соединение напрямую к контроллеру станка — нет необходимости делать предположения о смещениях или значениях макросов, потому что они считываются в реальном времени, и станок безопасно останавливается перед проблемной позицией.

Хотя пока недоступно для других марок станков, IPS приходит, как и интеллектуальное зондирование станка, которое будет измерять детали, делать соответствующие смещения и автоматически перезапускать любую часть программы, необходимую для коррекции выходящего за допуск состояния.

«Это ничем не отличается от того, что сделал бы человеческий оператор, но мы делаем это с ПО», — сказал Фритш. «Прямо сейчас мы в процессе построения этой логики, чтобы станок мог начать полагаться на автоматизированную обратную связь для принятия решений, в конечном итоге улучшая качество деталей, сокращая время циклов и операционные затраты. Цехам не должно обрабатывать две или три детали, чтобы сделать одну хорошую, или тратить время на извлечение деталей из станка для измерения — это должно быть первая деталь, хорошая деталь, без всего человеческого взаимодействия. Это наша цель».