Obrabiarki CNC. Podstawy funkcjonowania i programowania - ebook

WYKAZ AKRONIMÓW

+--------------------------------------+--------------------------------------+
| AC | sterowanie adaptacyjne (ang. |
| | _adaptive control_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| ACA-NC | programowanie maszynowe (ang. |
| | _automatic computer-aided NC |
| | programming_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| ACC | sterowanie adaptacyjne graniczne |
| | (stałowartościowe) (ang. _adaptive |
| | control constraint_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| ACO | sterowanie adaptacyjne |
| | optymalizujące (ekstremalne) (ang. |
| | _adaptive control optimization_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| AI | sztuczna inteligencja (ang. |
| | _articicial intelligence_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| AM | wytwarzanie przyrostowe (ang. |
| | _additive manufacturing_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| ANNs | sztuczne sieci neuronowe (ang. |
| | _Artificial Neural Networks_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| CAD | projektowanie wspomagane komputerowo |
| | (ang. _computer aided design_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| CAM | wytwarzanie wspomagane komputerowo |
| | (ang. _computer-aided |
| | manufacturing_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| CA-NC | wspomagane komputerowo programowanie |
| | NC (ang. _computer-aided NC |
| | programming_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| CLData | interfejs niezależny od obrabiarki |
| | (ang. _cutter location data_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| CMM | współrzędnościowa maszyna pomiarowa |
| | (ang. _coordinate measurement |
| | machine_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| CNC | komputerowe sterowanie numeryczne |
| | (ang. _computer numerical control_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| CPS | system cybernetyczno-fizyczny (ang. |
| | _Cyber-Physical System_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| DM | cyfrowy model (ang. _digital model_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| DML | głębokie uczenie maszynowe (ang. |
| | _deep machine learning_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| DNC | bezpośrednie sterowanie numeryczne |
| | (ang. _direct numerical control_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| DS | cyfrowy cień (ang. _digital shadow_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| DT | cyfrowy bliźniak (ang. _digital |
| | twin_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| ECC | współpraca obliczeń brzegowych |
| | i w chmurze (ang. _edge-cloud |
| | collaboration_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| EDM | obróbka elektroerozyjna (ang. |
| | _electron-discharge machining_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| FBM | automatyczne rozpoznawanie cech |
| | przedmiotu (ang. _feature-based |
| | recognition machining_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| FMS | elastyczny system wytwórczy (ang. |
| | _flexible manufacturing system_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| GA | algorytm genetyczny (ang. _Genetic |
| | Algorhithm_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| HM | wytwarzanie hybrydowe (ang. _hybryd |
| | manufacturing_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| HMI (MMI) | interfejs operatora (ang. _human |
| | machine interface, man machine |
| | interface_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| HSM | obróbka z dużymi prędkościami (ang. |
| | _high speed machining_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| IGES | neutralny format zapisu danych (ang. |
| | _initial graphics exchange |
| | specification_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| IoF | Internet Rzeczy (ang. _Internet of |
| | Things_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| IMT | inteligentna obrabiarka (ang. |
| | _intelligent machine tool_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| ITMS | inteligentne systemy zarządzania |
| | narzędziami (ang. _intelligent tool |
| | management system_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| LBM | maszyny do cięcia wiązką lasera |
| | (ang. _laser beam machining_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| MDA | ręczne wprowadzanie danych |
| | i automatyczne wykonywanie |
| | instrukcji, tzw. półautomatyczny |
| | cykl pracy (ang. _manual data |
| | automated_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| MES | Metoda Elementów Skończonych (ang. |
| | _Finite Element Method_ – FEM) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| MDI | ręczne wprowadzanie danych (ang. |
| | _manual data input_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| ML | uczenie maszynowe (ang. _machine |
| | learning_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| MRR | wydajność objętościowa obróbki (ang. |
| | _machining removal rate_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| NC | sterowanie numeryczne (ang. |
| | _numerical control_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| NURBS | krzywa typu B-splajn zdefiniowana |
| | przez zbiór wyważonych punktów |
| | sterujących i kilku wektorów |
| | węzłowych (ang. _non-uniform |
| | rational B-spline curve_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| OEM (OSA) | układy sterowania otwartego (ang. |
| | _open equipment manufacturing (open |
| | system architecture_)) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| OSN | obrabiarka sterowana numerycznie |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| OUPN | układ |
| | obrabiarka–uchwyt–przedmiot–narzędzi |
| | e |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| PC-NC | komputer wbudowany w układ |
| | sterowania NC |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| PDM | zarządzanie danymi produktu (ang. |
| | _product data managment_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| PLC | sterownik programowany logicznie |
| | (ang. _programmable logic |
| | controller_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| PLM | zarządzanie cyklem życia produktu |
| | (ang. _product life cycle |
| | management_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| RE | inżynieria odwrotna (ang. _reverse |
| | engineering_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| SFP | programowanie zlokalizowane na |
| | warsztacie (amerykańska wersja WOP) |
| | (ang. _shop-floor programming_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| STEP-NC | standard wymiany danych o modelu |
| | produktu (ang. _Standard for the |
| | Exchange of Product data model_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| TMS | system zarządzania narzędziami (ang. |
| | _tool management system_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| VMT | wirtualna obrabiarka (ang. _virtual |
| | machine tool_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| VR | wirtualna rzeczywistość (ang. |
| | _virtual reality_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| WEDM | elektroerozyjne wycinanie drutem |
| | (ang. _wire electro-discharge |
| | machining_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| WJM | cięcie wysokociśnieniową strugą wody |
| | (ang. _water jet machining_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| WOP | programowanie zorientowane |
| | warsztatowo (ang. |
| | _workshop/work-station-oriented |
| | programming_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| XML | rozszerzony język formatowania |
| | tekstu (ang. _extensive markup |
| | language_) |
+--------------------------------------+--------------------------------------+ROZDZIAŁ 1
WSTĘP

Historia sterowania numerycznego zaczęła się w połowie XX w., a dokładnie w roku 1952, i rozpoczęła się w U.S. Air Force, a przypisuje się ją Johnowi Parsonsowi oraz Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Cambridge, MA, USA. Wtedy bowiem została uruchomiona w MIT pierwsza obrabiarka NC Hydrotel (firmy Cincinnati) z pionowym wrzecionem, liniową interpolacją 3D i binarnie kodowaną taśmą dziurkowaną. Sterowanie numeryczne nie było jednak szerzej stosowane w przemyśle wytwórczym aż do początku lat sześćdziesiątych XX w. Okres intensywnego rozwoju nastąpił z chwilą pojawienia się ok. 1972 r. technologii CNC, a szczególnie w następnej dekadzie, w związku z możliwością zastosowania mikrokomputerów.

W przemyśle wytwórczym, a zwłaszcza w przemyśle metalowym, technologia NC spowodowała swoistą rewolucję. Obecnie komputery należą do standardowego wyposażenia praktycznie każdego zakładu czy warsztatu, a obrabiarki z systemami sterowania NC znalazły tam podstawowe zastosowanie. Intensywny rozwój techniki informatycznej, obejmujący systemy sterowania, przyczynił się do istotnych zmian w sektorze wytwórczym, a szczególnie w obróbce skrawaniem.

Większość proponowanych dotychczas definicji pojęcia _sterowanie numeryczne_ (_numerical control –_ NC) jest oparta na tej samej podstawowej koncepcji, lecz wypowiadana różnymi słowami. Definicje te można sprowadzić do następującego stwierdzenia:

Sterowanie numeryczne oznacza automatyczne kierowanie pracą obrabiarek skrawających za pomocą specjalnie kodowanych instrukcji (obecnie również modeli cyfrowych, wirtualnych i algorytmów sztucznej inteligencji), które po przetworzeniu przesyła się do układów sterowania tych maszyn.

_Programowanie obrabiarek sterowanych numerycznie_ polega na zapisie wszystkich wykonywanych ruchów i czynności w postaci symbolicznej (w języku programowania) tak, aby można było wykonać przedmiot o żądanym kształcie, wymiarach i jakości powierzchni.

W odróżnieniu od procesów konwencjonalnych obróbka CNC umożliwia dodatkowo:

• uzyskanie rysunku i jego ocenę,

• wybór optymalnego sposobu obróbki,

• wybór metody ustawienia przedmiotu i nastawienia obrabiarki,

• wybór narzędzi skrawających,

• ustalenie wartości prędkości skrawania i posuwów,

• kontrolowanie obróbki części,

• pełną diagnostykę obrabiarki i wyposażenia technologicznego,

• pomiary części w czasie obróbki.

Należy też zaznaczyć, że podejście do technologii obróbki CNC jest identyczne dla wszystkich typów obrabiarek, a różne są sposoby wprowadzania danych do układu sterowania. Rozwój technologii obróbki ubytkowej spowodował gwałtowny wzrost liczby różnych typów obrabiarek CNC. Można wymienić następujące grupy obrabiarek i innych maszyn CNC:

• frezarki i centra obróbkowe,

• tokarki i centra tokarskie,

• wiertarki,

• wytaczarko-frezarki i obrabiarki do obróbki złożonych kształtów,

• obrabiarki wielofunkcyjne i hybrydowe,

• obrabiarki do kształtowania przyrostowego i hybrydowego (przyrostowo-ubytkowego),

• obrabiarki elektroerozyjne elektrodowe (EDM) i wycinarki drutowe (WEDM),

• wycinarki i nożyce,

• maszyny do cięcia gazowego,

• maszyny do trasowania,

• maszyny do cięcia strugą wody (WJM) i wiązką lasera (LBM),

• szlifierki,

• maszyny spawalnicze,

• giętarki, zwijarki i wyoblarki.

Podobnie jak inne techniki obróbki materiałów, tak i skrawanie metali wymaga umiejętności obsługi obrabiarki, ale też – jako w pewnym sensie sztuka inżynierska – profesjonalnej wiedzy technologicznej. W przypadku obróbki na maszynach NC/CNC odpowiednie przygotowanie powinny posiadać zarówno osoby przygotowujące programy sterujące, jak i realizujące obróbkę, czyli operatorzy. Pomimo że funkcje tych osób wyraźnie się różnią, w wielu zakładach powierza się je jednej osobie – technologowi programiście (_CNC programmer/operator_). Programista CNC jest osobą odpowiedzialną za sukces technologii NC, efektywne wykorzystanie obrabiarek CNC i rozwiązywanie bieżących problemów związanych z realizacją operacji na tych obrabiarkach. W rzeczywistości ma on duży wpływ na wyniki produkcji i jej jakość. Dodatkowo powinien umieć współpracować z inżynierami produkcji, operatorami i menedżerami.

Reasumując, można stwierdzić, że z uwagi na wzrastające zastosowanie obrabiarek CNC w przemyśle, istnieje pilna potrzeba kształcenia personelu technicznego i inżynieryjnego w kierunku przygotowywania programów sterujących do obróbki części o wymaganym kształcie i dokładności z zapewnieniem optymalnych warunków przebiegu procesu.

W tym wydaniu książki pozostawiono niektóre, ale uaktualnione informacje z jej 4. wydania pt. _Programowanie obrabiarek CNC_, PWN, 2020, Warszawa i dodano zupełnie nowe treści, co zadecydowało o nowym tytule, a nie kolejnym wznowieniu jako 5. wydanie. W tym miejscu autorzy dziękują Panom – dr. hab. inż. P. Niesłonemu, dr. hab. inż. M. Bartoszukowi i dr. inż. P. Kiszce za ich merytoryczny wkład w poprzednich 4 wydaniach książki w latach 2008–2020 i dbałość o aktualizację wiedzy naukowej i praktycznej. Przede wszystkim zdecydowano się rozszerzyć informacje o programowaniu maszyn i urządzeń CNC na procesy niekonwencjonalne, przyrostowe i hybrydowe. Zdaniem autorów przesądziło to o tym, że nowa formuła książki dotyczy w dużej mierze ogółu procesów obróbki ubytkowej, przyrostowej i hybrydowej stosowanych w przemyśle wytwórczym, a nie jak poprzednio – ograniczenia się wyłącznie do obróbki skrawaniem. Autorzy książki wywodzą się z kilku uczelni technicznych w kraju – Politechniki Warszawskiej, Politechniki Gdańskiej i Akademii Nauk Stosowanych w Nowym Sączu oraz Rochester Institute of Technology (USA), a nie jak poprzednio wyłącznie z Politechniki Opolskiej, co niewątpliwie przyczyni się do zróżnicowanego podejścia do problematyki programowania obrabiarek i systemów obróbkowych CNC.

W książce zamieszczono informacje i podano przykłady programowania obrabiarek CNC w interaktywnych systemach CAD/CAM – Mastercam v. 2024 w rozdziale 10 i Edgecam v.2023 w rozdziale 11. Nowością jest także przedstawienie w rozdziałach 13 i 14 ogólnych zasad programowania procesów obróbki hybrydowej (LAM, DED-SM, PBF-SM) i niekonwencjonalnej (EDM, WEDM). W rozdziale 8 wprowadzono nowe informacje o zastosowaniach w programowaniu symulacji numerycznej metodą MES, interfejsu STEP-NC, uczenia maszynowego (ML) i cyfrowego bliźniaka (DT), co zdecydowanie prowadzi do zwiększenia inteligencji maszynowej zakładanej w strategii Przemysł 4.0/5.0. Więcej uwagi poświęcono zagadnieniom sensorycznego wspomagania procesów obróbkowych, monitorowania i diagnostyki charakterystycznych dla obrabiarek inteligentnych (rozdz. 9).

Podręcznik ten jest przeznaczony dla studentów wydziałów mechanicznych na kierunkach mechanika i budowa maszyn oraz inżynieria produkcji, w takich specjalnościach jak: technologia maszyn, automatyzacja procesów technologicznych i komputerowe wspomaganie wytwarzania i jakości, a także na kierunku mechatronika. Może też być książką pomocniczą do takich przedmiotów, jak: programowanie obróbki na obrabiarki CNC, systemy CAD/CAM/CIM, automatyzacja i robotyzacja procesów wytwórczych, maszyny i oprzyrządowanie technologiczne. Z wieloletnich kontaktów autorów z przemysłem maszynowym wynika, że z książki korzystają także inżynierowie technolodzy i programiści. W obecnej formie książka przybliża nowoczesne techniki sterowania i programowania obrabiarek CNC oraz bieżącą ofertę firm obrabiarkowych, narzędziowych, pomiarowych i softwarowych w zakresie maszyn i systemów CNC.

Autorzy serdecznie dziękują firmom-sponsorom i dystrybutorowi pakietu Mastercam – firmie Zalco za wsparcie idei autorów i zgodę na wzbogacenie treści książki unikatowymi materiałami firmowymi. Autorzy liczą na merytoryczne opinie środowiska naukowego i przemysłowego, które mogłyby pomóc w aktualizacji treści w kolejnych wydaniach książki.

Opole, maj 2024 r.

_Autorzy_ROZDZIAŁ 2
CNC – KOMPUTEROWE STEROWANIE NUMERYCZNE

2.1. Definicja i cechy układu sterowania CNC

Powstałe w ostatnich dekadach układy sterowania numerycznego (CNC) charakteryzują się mniejszymi wymiarami i szybszym działaniem, ale co bardzo ważne – są też bardziej przyjazne dla użytkownika i umożliwiają wsparcie programisty/operatora w czynnościach programowych i podejmowaniu decyzji . W trakcie rozwoju wzbogacono je o wiele nowych funkcji i zadań, szczególnie dotyczących oprogramowania – jako przykład może posłużyć wspomaganie sensoryczne i zastosowanie wirtualnej rzeczywistości, aby można było osiągnąć wysoki stopień automatyzacji procesu obróbkowego. Obecnie nie używa się już terminu _sterowanie numeryczne_ (_NC_) obrabiarek, ale jego współczesny synonim – _komputerowe/skomputeryzowane sterowanie numeryczne_ (_CNC_). Termin CNC oznacza sterowanie numeryczne, które zawiera mikroprocesor (komputer)/sterownik CNC wraz z pamięcią i tzw. _program obsługujący_ do kierowania pracą komputera zewnętrznego. Z tego względu sterowanie CNC łączy funkcje klasycznego sterowania NC, przedstawionego na rysunku 2.1, z przetwarzaniem wprowadzanych danych realizowanym za pomocą wbudowanego mikroprocesora (rys. 2.2a).

Rys. 2.1.

Funkcje układu sterowania NC

Rys. 2.2.

Podstawowe elementy układu sterowania CNC: a) schemat strukturalny, b) schemat funkcjonalny

Układy CNC należą do grupy układów swobodnie programowalnych, o różnej konfiguracji i różnych możliwościach stosowanego oprogramowania wewnętrznego. Można je w zależności od sposobu przetwarzania informacji sklasyfikować w trzech grupach :

• _układy CNC Manual_, zwane również CNC+ lub „konwencjonalne plus”, programowane metodą nauczania (_teach-in_);

• _układy adaptacyjne_ (_AC_) realizujące zadania układu automatycznej regulacji optymalnej (ACO) bądź stałowartościowej (ACC), _układy sterowania otwartego_ (_open equipment manufacturing/open system architecture _– OEM/OSA) w wersjach CNC/PLC lub CNC//PLC/HMI; w pierwszej wersji (rys. 2.3) układ jest zestawiony ze sterowników programowanych logicznie PLC (_programmable logic controller_), a w drugiej – użytkownik komunikuje się z układem sterowania CNC przez interfejs HMI (MMI) (_human-machine interface_; _man-machine interface_).

Rys. 2.3.

Struktura systemu sterowania DNC; BTR (_behind tape reader_) – interfejs symulujący czytnik taśmy perforowanej

Obrabiarka CNC, która jest połączona z centralnym komputerem sterującym, może być sterowana numerycznie w sposób bezpośredni lub rozproszony (rozdzielony) (_direct, distributed numerical control_ – DNC), jak przedstawiono na rysunku 2.3.

2.2. Budowa i funkcje układu CNC

Usytuowanie komputera w układzie sterowania CNC i jego połączenia z układami napędowymi i pomiarowymi obrabiarki pokazano na rysunku 2.2b. W skład układu CNC wchodzą m.in. monitor graficzny i klawiatura służąca do ręcznego wprowadzania danych (_manual data input _– MDI), umieszczone w panelu sterowania. Obecnie częściej używa się akronimu MDA (_manual data automated_) rozumianego jako ręczne wprowadzanie danych i automatyczne wykonywanie instrukcji, czyli tzw. _półautomatyczny cykl pracy_.

Operacyjny system sterowania, nazywany popularnie _oprogramowaniem CNC_, umożliwia realizowanie wszystkich wymaganych funkcji, takich jak: interpolacja ścieżki narzędzia, sprzężenie zwrotne pozycyjne (położenia), sterowanie prędkością ruchu, edycja programu, wyświetlanie programu na monitorze, symulacja procesu technologicznego, gromadzenie i przetwarzanie danych czy prezentacja wirtualnego modelu obrabiarki . Zagadnienia wirtualnego modelowania obrabiarki i rozwoju odpowiedniego oprogramowania przedstawiono w podrozdziałach 8.5 i 15.4.

Układ CNC często wymaga dodatkowego programu dla interfejsu służącego do komunikacji z obrabiarką. Program taki jest tworzony przez producentów obrabiarek i integrowany przez sterownik PLC, jak na rysunku 2.4, lub komunikację szynową (_bus-coupled input/output control_). Program obejmuje wszystkie logiczne relacje w stosunku do obrabiarki i przekaźniki dla specjalnych sekwencji funkcji, m.in. zmiany narzędzia lub przedmiotu czy ograniczenia ruchu wzdłuż danej osi sterowanej. W konsekwencji umożliwia to szybkie przetwarzanie informacji w czasie sterowania rozkazami we-wy.

Na rysunku 2.4 przedstawiono schemat zintegrowanego układu CNC/PLC umożliwiającego zwielokrotnienie liczby zadań (interfejsów danych) w celu szybkiej transmisji danych istotnych dla czasu realizacji procesu wytwarzania. Są to m.in.: interfejsy do komunikowania się z komputerem nadrzędnym w układzie sterowania DNC (rys. 2.3), maszyną pomiarową (_coordinate measurement machine_ – CMM) i systemem TMS (_tool management system_), ze stanowiskiem do ustawiania narzędzia na wymiar oraz układem nadzorowania zużycia ostrza i monitorowania pracy obrabiarki.

Z rysunków 2.2a i 2.4 wynika, że było/jest możliwe wprowadzanie danych za pomocą różnych nośników: taśmy perforowanej lub magnetycznej, dyskietek, przenośnego dysku twardego, a w nowszych rozwiązaniach monitora graficznego – rysunku na ploterze, terminali interaktywnych, sieci komputerowych i DNC.

Rys. 2.4.

Schemat układu CNC ze zintegrowanym sterownikiem PLC

2.3. Sposoby wprowadzania danych/programu sterującego do układu CNC

W celu omówienia różnych wariantów pracy na obrabiarkach CNC wytypowano frezarkę CNC Picomax 56 TOP firmy Fehlmann wyposażoną w oryginalny program obsługi na bazie funkcji TOP (Touch or Program), przystosowaną do wykonywania narzędzi i form oraz prototypów, pokazaną na rysunku 2.5a. Obrabiarka jest wyposażona w trzyosiowy układ sterowania Heidenhain TCN 620 z ekranem dotykowym i graficznym wsparciem cykli obróbkowych oraz dwa elektroniczne kółka ręczne do takich operacji jak: frezowanie, wiercenie, wytaczanie i nacinanie gwintów (przez wytaczanie i frezowanie jak na rys. 2.5b). Dodatkowy stół obrotowy rozszerza sterowanie do czterech osi (rys. 2.5c).

Rys. 2.5.

Frezarka PICOMAX 56 TOP przystosowana do obróbki przedmiotów pojedynczych i w małych seriach: a) widok, b) przykłady operacji obróbki, c) stół obrotowy jako doposażenie do sterowania czteroosiowego

Na rysunku 2.6 przedstawiono, w zależności od cech geometrycznych przedmiotu i wielkości serii, trzy sposoby wprowadzania danych lub edycji programu obróbki:

• ręczne za pomocą pokręteł lub strzałek kierunkowych osi – przez dotyk (_touching functions_) z opcją wyświetlania cyfrowego,

• precyzyjne ręczne wprowadzanie danych z jednoczesnym wspomaganiem grafiką komputerową,

• z wykorzystaniem opcji z interaktywnym wspomaganiem programowania cykli obróbkowych.

Rys. 2.6.

Trzy możliwe wersje programowania obróbki na frezarce CNC z rys. 2.5

2.4. Wykorzystanie informacji z sygnałów generowanych przez sensory

Wspomniane w podrozdziale 2.2 monitorowanie procesu skrawania obejmuje następujące elementy składowe układu obróbkowego : obrabiarkę (diagnostykę i monitorowanie funkcjonowania), narzędzie i system narzędziowy (ocenę stanu zużycia, funkcjonowanie chłodzenia/smarowania, kontrolę prawidłowości zestawienia elementów w systemie narzędziowym), przedmiot (kontrolę kształtu i wymiarów, ocenę właściwości powierzchni i chropowatość, tolerancji i wad materiałowych) oraz sam proces (tworzenie wióra, temperaturę, siły składowe, zużycie energii). Należy podkreślić, że ustalenie stanu poszczególnych elementów systemu obróbkowego wymaga w praktyce użycia _układów wielosensorowych_, ponieważ wymagania dotyczące czasu odpowiedzi sygnału i umiejscowienia czujników/sensorów są zwykle dla poszczególnych czujników odmienne. Proces obróbki, którego przebieg jest kontrolowany za pomocą sygnałów z odpowiednich czujników, nazywany jest obróbką ze wspomaganiem sensorycznym (_sensor-assisted machining_ – SAM) . Następstwem wykorzystania sygnałów generowanych przez sensory do celów monitorowania i diagnostyki oraz wspomagania programowania jest wzrost inteligencji maszynowej, która prowadzi do urzeczywistnienia inteligentnego systemu wytwórczego (_intelligent manufacturing system_ – IMS), na którym oparta jest strategia PRZEMYSŁ 4.0/5.0 (patrz rozdz. 9).

Rys. 2.7.

Struktura wspomaganego sensorycznie, inteligentnego systemu wytwórczego

Na rysunku 2.7 przedstawiono strukturę wspomaganego sensorycznie, inteligentnego systemu wytwórczego (SAM/IMS). W takim systemie sensory generują sygnały wielkości fizycznych obecnych w procesie obróbki, które jako dane wejściowe służą do budowania odpowiednich modeli fizycznych. W przypadku stosowania cyfrowego bliźniaka reprezentują one środowisko fizyczne . Na tej podstawie ustala się bieżący stan procesu i prognozuje się kolejne, przyszłe stany procesu. Wartości aktualne i prognozowane są porównywane z wartościami wymaganymi, które są zadane w systemie projektowania części CAD. Wystąpienie odchyłki między nimi jest kompensowane przez odpowiednie korekty parametrów procesu i obliczenia wymaganych ruchów aktuatorów, które jako sygnały są przesyłane do inteligentnych sterowników. Wszystkie czynności są zapisywane w pamięci, sprawdzane i oceniane przez oddzielne funkcje monitorujące. Algorytmy sterujące dla każdej funkcji są modyfikowane, przez co system wytwórczy ma zdolność do uczenia się i samorozwoju (_self-learning_ – SL).

Rys. 2.8.

Klasyfikacja układów sensorycznych w obrabiarkach CNC

Na rysunku 2.8 zestawiono układy sensoryczne stosowane w obrabiarkach CNC. Dostarczają one informacji o aktualnym położeniu i parametrach kinematycznych zespołów ruchowych obrabiarki oraz o stanie otoczenia zewnętrznego. W gronie stosowanych sensorów wyszczególniono grupę zastępującą zmysły człowieka/operatora, które mogą dostarczyć cennych informacji o stanie obrabiarki, obrabianego przedmiotu i przebiegu procesu obróbkowego. Są to głównie optyczne i laserowe systemy wizyjne (_vision systems_) oraz systemy rozpoznawania obrazów (_pattern recognition_). W obrabiarce czujniki są niezbędne z powodu charakteru procesu skrawania, który przebiega w obecności wysokich naprężeń kontaktowych, bardzo dużych prędkości odkształcania materiału i wysokiej temperatury w strefie skrawania . Dodatkowo proces obróbki i obrabiarka są narażone na różnego rodzaju zakłócenia zewnętrzne, zwykle o charakterze losowym, takie jak: oddziaływania cieplne, drgania i odkształcenia mechaniczne. Aby zapewnić i utrzymać stabilne warunki procesu obróbki i uzyskać założoną dokładność i jakość wytwarzanych elementów, konieczne jest monitorowanie procesu obróbki i sterowanie obrabiarką na podstawie informacji dostarczonej przez czujniki .

Na rysunku 2.9 przedstawiono ogólny schemat monitorowania z użyciem dowolnych narzędzi sztucznej inteligencji (AI), na przykład sieci neuronowych, technik uczenia maszynowego (_deep learning_ – DL) czy procesów decyzyjnych Markova. Każdy etap procesu, taki jak: pomiar wielkości fizycznych, ich przetwarzanie na sygnały elektryczne, ograniczenie liczby czasowych realizacji funkcji/programu (_debouncing_) i filtrowanie jest realizowany w bloku sensorów. Narzędzia AI są szczególnie pomocne w gromadzeniu informacji pochodzących ze źródeł sygnałów, które na pierwszy rzut oka dostarczają zbyt mało informacji z powodu dużej odległości od procesu, na przykład sterowników napędów osi i wrzeciona. W pierwszej kolejności ma miejsce przetwarzanie sygnałów z sensorów, a wydzielone cechy sygnałów są przekazywane do narzędzi AI. Następnie, odpowiedzi z narzędzi AI są przetwarzane końcowo (_post-processing_) i interpretowane. W tym celu niezbędna jest instalacja pętli sprzężenia zwrotnego. Wykazano , że przyspieszenie treningu modeli AI można osiągnąć przez tworzenie modeli opartych na fizycznych podstawach procesu.

Rys. 2.9.

Schemat zasad monitorowania z użyciem narzędzi AI

Literatura

Grzesik W., Niesłony P., Kiszka P., (2020), _Programowanie obrabiarek CNC_, wyd. 4, PWN, Warszawa.

Grzesik W., (2018), _Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych_, PWN, Warszawa.

Skoczyński W., (2018), _Sensory w obrabiarkach CNC_, PWN, Warszawa.

Honczarenko J., (2008), _Obrabiarki sterowane numerycznie_, WNT, Warszawa.

Katalog systemów sterowania firmy Heidenhain, http://www.heidenhain.de.

Grzesik W., (2023), Cyfrowy bliźniak w procesach wytwórczych. Część I. Stan zagadnienia, architektura i zastosowania, Mechanik, nr 1, 8-13.

SINUMERIK Inteligentne rozwiązania dla obrabiarek, www.siemens.pl/sinumerik.

Teti R., Mourtizis D., D’Addona D.M., Caggiano A., (2022), Process monitoring of machining, CIRP Annals Manufacturing Technology, 71/2, 529-552.