Профессор Джорджского Теха Тома Курфесса раскрывает будущее 5-осевой ЧПУ обработки

Доктор Томас Курфесс, эксперт по обработке и исследователь в Джорджском Техе, разработал алгоритмы, которые драматически повышают производительность 5-осевых станков с автоматической генерацией траекторий инструмента. Здесь мы сидим с Курфессом, чтобы обсудить недавние достижения отрасли и куда направляется обработка.

Одномерная обработка была довольно прямолинейным процессом несколько десятилетий назад, требующей только решения о перемещении, подачах и скоростях. Возможности сегодняшнего ЧПУ оборудования немного более передовые. С 5-осевой обработкой производители могут перемещать режущий инструмент вдоль пяти разных осей одновременно — что позволяет им создавать высоко изощренные детали и дизайны.

И инновация только начинает расширяется, находит доктор Томас Курфесс, профессор и почетный кафедра HUSCO/Ramirez в жидкостной силе и управлении движением в ‎Георгийском Институте Технологий. Его работа фокусируется на проектировании и разработке передовых производственных систем, нацеленных на производство сложных продуктов и оптимизацию.

Он исследовал алгоритмы для 5-осевых станков, позволяющие автоматическую генерацию траекторий инструмента — способность, которая может драматически повысить продуктивность, уменьшая количество взаимодействия пользователя и время подготовки для траекторий. Курфесс также работал над исследованием, подсвечивающим неадекватность количественной оценки износа инструмента в передовых геометриях инструмента — и он официально работал в Белом Доме. С 2012 по 2013 год он служил помощником директора по передовым производствам в Управлении науки и технологической политики, работая под Президентом Обамой.

Мы сидим с Курфессом, чтобы обсудить текущее состояние многоосевой обработки — и куда направляется будущее.

Вы делали исследования вокруг автоматической генерации траекторий инструмента для 5-осевых станков. Можете ли вы дать нам ваше мнение о вызовах прошлого, настоящего и будущего?

КУРФЕСС: Я вырос в небольшой станочной мастерской; в те дни это было НУ, или числовое управление. Быстро перемотка в будущее, и мы теперь в эре 5-осевой обработки. В то время как 2- или 3-осевое фрезерование относительно прямолинейно, с 5-осевым, вещи качаются под разными углами и иногда может быть трудно запрограммировать. И честно говоря, мы не обязательно улучшили наши программные возможности с 1980-х на станке, и у нас все еще очень сложная задача, требующая высококвалифицированного программиста с значительным количеством опыта. Это в ярком контрасте с 3D печатью — которая воспринимается как просто вопрос загрузки файла и печати. Мои студенты часто спрашивали: «Почему мы не просто 3D печатаем деталь?» Но когда вы заходите в реальный завод, у которого миллионы долларов станочного инструмента, вы будете использовать эти станочные инструменты, потому что они там и не могут быть легко или дешево заменены. Так отрасль все еще имеет некоторое расстояние для прохождения. Кроме того, аддитивное производство обычно делает пластиковые детали. Вы можете делать структуры из металла, но есть ограничения. Одной из наших технологий-энейблеров для передовых программ станочного инструмента является графический процессор, или GPU.

Можете ли вы немного подробнее о GPU?

КУРФЕСС: Если вы покупаете компьютер с графической платой, у него будет GPU. В то время как игры — основной рынок, мы используем эту способность для генерации наших 5-осевых траекторий обработки… GPU — это как маленький суперкомпьютер и дает нам игровые интерфейсы для программирования, снимая значительную когнитивную нагрузку с человеческого программиста. С суперкомпьютерными возможностями GPU мы можем посмотреть на все разные перспективы там и широкий спектр сценариев, даже экспертный программист не имел бы времени рассмотреть. G-код завел нас далеко, но он ограничивающий и эта технология будет быстро двигать нас далеко за пределы всего, что мы видим сегодня.

Куда вы видите будущее многоосевой обработки и обработки в целом?

КУРФЕСС: Я предсказываю несколько вещей в частности. Во-первых, мы двинемся к тому, чтобы сделать станочные инструменты легче программировать. Во-вторых, пока многие люди говорят, что мы будем полностью автоматизированы, я не обязательно верю в это. Есть отличная аналогия с посудомоечной машиной, которую кто-то привел мне. В моей жизни я не верю, что вы когда-нибудь увидите вашу посудомоечную машину автоматически выгружающуюся, потому что есть экспертиза и сложность, которая идет в загрузку и выгрузку. То же самое и для станков — нам нужно сделать станки легче в использовании, помогая программисту делать выборы, такие как 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 бы испытали на игровой системе. Те интерфейсы могут помочь сделать вас более продуктивным, и давайте признаемся, текущая рабочая сила, как мои дети, очень умело используют эти игровые интерфейсы.

Есть ли аспекты этих станков, которые недоиспользуются сегодня? Каков ваш совет для получения максимума от этих станков?

КУРФЕСС: Это вопрос использования более высококлассных станков в полной мере — и большая проблема там — обучение. Мы тесно работаем с ближайшими колледжами сообщества и техническими колледжами, и это сложно и дорого для них предоставить обучение на уровне ассоциированного для этих сложных станочных инструментов. Иметь $500 000 станочный инструмент в учебной лаборатории довольно затратно по стоимости, но обучение критично, особенно с многоосевой обработкой. Это также сложно для компаний обучать индивидуумов, как только кто-то становится хорошим в этом, держать их вокруг сложно. Просто скажем, они в высоком спросе.

Вы сделали исследования для разработки алгоритмов, которые бы благоприятствовали автоматической генерации траекторий инструмента. Расскажите нам об этом исследовании и вызовах, которые вы пытались преодолеть там. Какой был результат? Где вы видите автоматическую генерацию траекторий инструмента сегодня, и куда вы думаете, она идет?

КУРФЕСС: В отношении генерации траекторий инструмента, вместо пикселей, мы работаем в вокселях. Это 3D пиксель, где мы берем дизайн и вокселизируем его. Мы делаем цифровую объемную обработку, которая является естественным форматом для GPU. Мы берем дизайн детали, который в CAD модели, и вокселизируем его, так что мы можем обработать его на GPU. Этот подход хорошо подходит для обработки деталей и для гибридных станков, которые комбинируют аддитивное на станочных инструментах (аддитивное и субтрактивное производство). Компании начинают использовать воксели всё больше и больше с более высокими проблемами. Медленно, но верно, воксели проникают вниз к разным продуктам. В Джорджском Техе, на нашем втором курсе дизайн-строения, у нас были студенты, проектирующие точеные детали с воксельно-ориентированными инструментами, используя облачные высокопроизводительные вычислительные платформы, и они это любили. Системы, которые они используют, на порядки быстрее всего, что есть там; так что они получают обратную связь в реальном времени о том, производима ли их деталь на токарном с текущим установленным пакетом оснастки, пока они в процессе рисования детали.

Вы также работали над исследованием о количественной оценке износа инструмента в сложных геометриях. Расскажите нам об этом исследовании и что вы обнаружили.

КУРФЕСС: Мы делаем довольно много работы в этой области, но дайте мне рассказать о нашей самой большой победе: Мы делали обработку очень передовых никелевых суперсплавов, которые были ужасны для обработки. Было трудно достичь нашей целевой геометрии, но мы также беспокоились о не повреждении зернистой структуры детали. По мере того как вы обрабатываете, вы можете сделать термическое повреждение поверхности (трещины, подповерхностные повреждения и т.д.). Это возникает из-за тепловых проблем, так как тепло вызывает больше всего повреждений. В этом случае нам дали новые керамические вставки для попытки, и они дали нам скорости, которые были безумно высокими — настолько, что нам пришлось пойти к нашему партнеру по станочному инструменту и спросить, могли бы мы поменять наш станочный инструмент. Нам нужен был шпиндель с гораздо более высокой скоростью. Потому что мы использовали керамику, нам нужно было избегать использования СОЖ, чтобы не индуцировать термический шок во вставках и не разбить их. Несмотря на скорость, это работало без СОЖ невероятно хорошо. Фактически, мы смогли обрабатывать так быстро, что мы обыграли скорость теплопередачи — это значит, что тепло не могло попасть в деталь. Так что после того как вы закончили обработку, вы бы почувствовали деталь и она была холодной. Это помогло минимизировать подповерхностные повреждения. Мы устранили термическое повреждение детали, работали на значительно более высоких скоростях удаления материала, и не имели стружку, загруженную СОЖ, делая их намного легче для переработки.

Каковы ваши мысли о дефиците навыков в производстве? Как вы его смотрите и как вы думаете, он может быть улучшен? Какие меры должны предпринять производители всех размеров, чтобы помочь найти таланты, которые им понадобятся для будущего?

КУРФЕСС: Дефицит навыков реален. Дети сейчас не в программировании G-кода, как мы были 20 или 30 лет назад. Конечно, наша более продвинутая видеоигра была Понг, и мы пробивали бумажную ленту! Наше следующее поколение рабочей силы более графически ориентировано и обладает другим набором навыков. Так движение к более графическим интерфейсам помогает действительно задействовать это следующее поколение. Многие люди чувствуют, что чтобы быть становиком или инженером, вы должны быть супер математическим гением. Реальность в том, что вам не нужно быть гением… вы должны быть хорошим и любить это. Кроме того, я служу президентом SME и вижу, как продукты нового поколения обучения для операций, такие как Tooling U-SME, действительно задействуют следующее поколение и текущее поколение рабочей силы в терминах технического обучения и развития. Подходы, которые используются, — передовой, задействующий и очень эффективный. Кроме того, это обучение начинает становиться целевым и персонализированным. Мы движемся в сферу, где станок будет знать, если вы должным образом обучены, и порекомендует обучение вам, чтобы улучшить способ, которым вы запускаете и используете станок. Кроме того, мы не далеко от 3-осевого станка, рекомендующего, чтобы вы были обучены и повышены до 5-осевого станка на основе вашей производительности на 3-осевом станке.

Какую роль вы считаете, производители должны играть в помощи сокращению дефицита навыков?

КУРФЕСС: Это о непрерывном обучении. Вы должны иметь изменение культуры так, что и рабочая сила, и работодатели понимают, что непрерывное и пожизненное обучение — путь к более прибыльной операции и долгой, безопасной и успешной карьере. Вы должны заставить всех в режиме, что постоянное обучение — хорошая вещь. Давайте будем реалистами, если вы не учили ничего 30 лет, вы будете технологическим динозавром, и мы знаем, что случилось с динозаврами! Поддержание навыков в актуальном состоянии критично для оставаться актуальным.

Ваш фон также показывает, что вы провели время, работая в автомобильном секторе. Можете ли вы рассказать нам об этом, работе, которую вы сделали и где вы видите эту отрасль сегодня — и для будущего?

КУРФЕСС: Я был в Джорджском Техе с 1994 по 2005 год. В 2005 я начал академическую и исследовательскую программу в Клемсоновском Университете — Международном Центре Автомобильных Исследований. В целом, производство простых деталей с 2 и 3-осевой обработкой было относительно прямолинейным. Однако, когда дело дошло до 5-осевых деталей, мы действительно делали разницу. Опять же, более высокий конец и более сложная работа — там, где высококвалифицированные индивиды действительно сияли, и где они делали отличные зарплаты!

Есть ли другие конкретные вертикальные отраслевые инновации, за которыми вы следите близко? Какие производственные инновации вы видите имеющими способность перейти и сделать влияние сегодня и в ближайшем будущем? На что производители действительно должны обратить внимание?

КУРФЕСС: Когда я был технической точкой Президента Обамы для передовых производств в Управлении науки и технологической политики, я получил отличную перспективу на вещи. По обеим партиям, производство критично. Я давал показания субкомитету несколько недель назад, где мы подсвечивали важность интернета вещей для производителей. Мы видим станки, извлекающие большое количество информации о продукте и процессе. Это помогает не только сделать намного лучший продукт и эффективный процесс, но и улучшить рабочие места и конкурентоспособность нашей современной рабочей силы. Каждый представитель в том субкомитете понимал это и поддерживал продвижение этого типа технологии и способности.

В терминах автоматизации, верите ли вы, что достижения в технологии могли бы фактически помочь перемостить дефицит навыков с меньшим количеством рабочих, требуемых?

КУРФЕСС: С увеличенной автоматизацией, нам понадобится меньше людей на более высоком наборе навыков. Как только сотрудники делают высококлассное осевое программирование, компании поймут это. Они поймут, что эти станки лучше и они купят больше их — и в конечном счете им понадобится больше людей. Данно, нам все еще понадобятся люди в центре работы, так как люди будут делать все программирование. Будь то для рабочей силы в целом или для индивидуумов, это вопрос пожизненного обучения и понимания, эти станки возьмут кого-то на следующий уровень способностей. Так низкоуровневые работы уйдут, но мы увидим значительное расширение в высокоуровневых работах, которые имеют гораздо более высокие ставки оплаты!

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

КУРФЕСС: Это всё о контроллере. Легкость использования, связность… сбор всей информации вместе — это будущее. Это обыгрывает тот 80-х CNC контроллер, который все еще выглядит как мой первый ПК!

Принял ли ваш цех 5-осевую обработку? Какие вызовы вы сталкиваетесь — и были бы вы открыты к программированию станков с автоматическими генераторами траекторий инструмента? Дайте нам знать в разделе комментариев ниже.