Symulacja i zestaw narzędziowy dla wirtualnej tokarko-frezarki DMG NLX

Moduły i licencje Siemens NX CAM

Program Siemens NX CAM posiada szeroką gamę modułów oraz funkcjonalności przydatnych w zakresie wytwarzania. Aby kontrolować proces, warto uwzględnić część możliwości, jakie daje obróbka w wirtualnym środowisku maszyn, czyli optymalizacji obróbki w środowisku wytwarzania NX CAM. Największą korzyścią posiadania tak rozwiniętego systemu, jest realne oszacowanie czasu obróbki z uwzględnieniem wszystkich koniecznych czynników mających wpływ na długość procesu produkcyjnego.

Pozostałe korzyści posiadania wirtualnej obrabiarki na stanowisku komputerowym, to bezpieczeństwo związane z pracą maszyny (brak kolizji), szybkość przygotowywania strategii obróbczych, brak potrzeby dodatkowych szkoleń dla nowo zatrudnionych użytkowników oprogramowania oraz kontrola jakości detalu poprzez przygotowanie systemu pomiarowego za pomocą sond dotykowych.

Posiadając licencję pływającą dla systemu Siemens NX CAM trzeba uwzględnić dodatkowy parametr będący istotnym czynnikiem posiadacza oprogramowania – czyli liczbę stanowisk. Często licencje są kreowane w taki sposób, aby uwzględnić wyodrębnienie środowiska tokarskiego oraz frezerskiego w zależności od wymogów klienta pod względem posiadanych centrów obróbczych. Oczywiście, jest możliwość, aby dwóch użytkowników pracowało w dwóch różnych środowiskach CAM. Za sterowanie modułem separacji środowisk odpowiada najbardziej podstawowy moduł FOUNDATION.

Dostęp do modułów i zarządzanie zakupionymi pakietami jest możliwy poprzez narzędzie do zarządzania odbiorem licencji – przedstawia to ilustracja 1.

Zarządzanie pakietami / modułami CAM

Rys. 1 Zarządzanie zakupionymi pakietami / modułami CAM

Przydatne funkcjonalności modułowe

Moduł FOUNDATION posiada sam w sobie dwie niezbędne funkcjonalności będące istotnym krokiem do optymalizacji procesu wytwarzania (p. ilustracja 2):

  • Postbuilder – środowisko do tworzenia postprocesorów z wbudowanym silnikiem konsoli do programowania skryptowego w języku TCL / TK. Jest to narzędzie niezbędne do tworzenia interpretacji kodu maszynowego, wysyłanego na docelową rzeczywistą maszynę CNC.
  • Machine Tool Builder – środowisko do tworzenia kinematyki obrabiarki oraz wymiennych narzędzi i opraw dynamicznych, budowanych zgodnie z odzwierciedleniem rzeczywistych narzędzi instalowanych na maszynie numerycznej.
Uruchomienie narzędzi do tworzenia postprocesorów oraz kinematyki

Rys. 2 Uruchomienie narzędzi do tworzenia postprocesorów oraz kinematyki

Korzyści

Podstawowe korzyści z pracy w środowisku Postbuilder:

  • przygotowanie własnej bazy postprocesorów dla centrów obróbczych
  • przygotowanie dowolnego interpretera kodu w różnych językach CNC
  • gotowe biblioteki procedur skryptowych
  • możliwość pisania własnych procedur
  • możliwość edycji procedur wewnętrznych systemowych
  • gotowa baza szablonów

Podstawowe korzyści z pracy w środowisku Machine Tool Builder:

  • posiadanie narzędzi i opraw 3D uzbrajanych w rzeczywistej obrabiarce CNC
  • przygotowanie produkcji w oparciu o rzeczywiste narzędzia
  • narzędzia raz przygotowane można wbudować na stałe do szablonu CAM
  • szybsze przygotowywanie obróbek bez możliwości pomyłki związanej z kolizją
  • posiadanie rzeczywistej kinematyki centrum obróbczego

Należy wspomnieć, że przygotowana kinematyka samych narzędzi 3D, tj. noże tokarskie lub frezy może być używana w podstawowych modułach CAM w trybie weryfikacji ścieżki (frezowanie lub toczenie). Przykład prezentuje ilustracja 3.

Podstawowa weryfikacja ścieżki w kontekście złożenia narzędzi 3D

Rys. 3 Podstawowa weryfikacja ścieżki w kontekście złożenia narzędzi 3D

Kinematyka szczęk, opraw narzędziowych wraz z wymiennymi narzędziami 3D oraz kinematyka modelu obrabiarki, ma sens tylko i wyłącznie przy wykupieniu modułu symulacji kodu NC. Przykład prezentuje ilustracja 4.

Symulacja i zestaw narzędziowy dla wirtualnej tokarko-frezarki DMG NLX

Rys. 4 Symulacja i zestaw narzędziowy dla wirtualnej tokarko-frezarki DMG NLX

Wirtualne środowisko CNC a rzeczywistość

Kolejnym istotnym aspektem wykorzystywania środowiska do tworzenia kinematyki jest nadawanie osi, dynamiki dla serwomotorów oraz „ożywianie” wirtualnego modelu obrabiarki. Kinematyka maszyny CNC to nic innego, jak tworzenie łańcucha osi w układzie OBRABIARKA / UCHWYT / PRZEDMIOT / NARZĘDZIE oraz punktów baz maszynowych jak i punktów kontrolnych, w których następuje zaczepienie dodatkowego oprzyrządowania (oprawy, mocowania, narzędzia). Jak już wcześniej wspomniano, określenie prędkości prac danego zespołu (osi) oraz nastawa odpowiednich parametrów dynamiki prac dla serwomotorów wirtualnych wpływa na rzeczywisty czas skrawania, który nie jest widoczny w klasycznym stylu pracy CAM bez widocznego środowiska maszyny wirtualnej (przejazdy maszynowe, wymiana narzędzi i preselekcja na taśmie podajnika, czas postojowy itp.). Całokształt kinematyki przedstawia ilustracja 5.

Kinematyka wirtualnej obrabiarki 5 osiowej DMG MORI CMX70U

Rys. 5 Kinematyka wirtualnej obrabiarki 5 osiowej DMG MORI CMX70U

Przygotowanie modeli oprzyrządowania i samych maszyn należy wykonać w jakimkolwiek środowisku projektowania CAD. Nie musi być to program NX CAD: posiadane obrabiarki można pomierzyć oraz zbudować ich uproszczoną wersje w innym systemie, np. Solid Edge. Modele 3D maszyn CNC często są płatne albo niedostępne ze względu na wiek obecnie posiadanego centrum numerycznego. W takich sytuacjach pozostaje możliwość samodzielnego przygotowania uproszczonego modelu złożenia danej obrabiarki. Przykład prezentuje ilustracja 6 dla automatu wzdłużnego.

Wirtualny model obrabiarki wielozadaniowej projektowany w NX CAD.

Rys. 6 Wirtualny model obrabiarki wielozadaniowej projektowany w NX CAD

Szablony CAM

Następnym ważnym czynnikiem kreowania strategii obróbki i zarządzaniem procesu wytwarzania są szablony CAM. Przygotowane i zaprogramowane odpowiednio szablony są czymś w rodzaju szybkich kreatorów procesu obróbczego. Nie wymagają klasycznego ponownego przygotowania zestawu narzędzi, a przygotowane wewnątrz operacje parametrycznie rozpoznają każdą nową geometrie przedmiotu obrabianego. Przykład został zaprezentowany na ilustracji 7.

Szablony obróbcze programowane w środowisku SIEMENS NX CAM

Rys. 7 Szablony obróbcze programowane w środowisku Siemens NX CAM

Szablony nie wymagają żadnego dodatkowego modułu, wystarczy wiedza czysto informatyczna na poziomie programowania skryptowego oraz znajomość bibliotek silnika SIEMENS. Szablony można przygotować w najbardziej podstawowym module CAM. Dobrze przygotowany szablon daje tę przewagę, że każdy nowo obrabiany detal będzie wbudowany w wybrane środowisko CNC i osadzony wg zaprogramowanych układów współrzędnych. Dodatkowo w szablonach można utworzyć funkcje automatycznego rozbijania na poszczególne mocowania (ilustracja 8).

Szablon tokarski oraz frezerski ustalający poszczególne mocowania.

Rys. 8 Szablon tokarski oraz frezerski ustalający poszczególne mocowania

Przygotowane szablony muszą zawierać gotowe zestawienie narzędzi i operacji. Narzędzia powinny mieć zapisane parametry obróbki. Pozycjonowanie w gniazdach musi być zgodne z rzeczywistością, czyli w magazynie maszyny wirtualnej. Swobodny wybór poza magazynem (szafa narzędziowa) zastępuje bibliotekę systemową (szybszy dostęp).

Sterowanie narzędziami poprzez kod można realizować podprogramami w taki sposób, aby operator maszyny w końcowym etapie otrzymania kodu maszynowego widział już w nim proponowaną kolejność użytych narzędzi ze środowiska CAM (gniazda w szablonie CAM mają już przypisane numery podprogramów oraz korektory).

Dodatkowo szablon musi zawierać operacje dodatkowe, czyli aktywacja/zwolnienie barier, dojazd/odjazd konika, sterowanie łapą do przeciągania detalu, otwarcie odbiornika detalu i inne funkcjonalności dla danego środowiska CNC. Tego typu BLOKOWE ZESTAWY zawierają już gotowy kod zastępujący notatnik (dopuszczalna edycja odbywa się wewnątrz programu NX, wewnątrz operacji wbudowanej w szablon). Przykładowe przygotowanie obróbki tokarskiej na szablonie MAZAK QTS SMART przedstawia ilustracja 9.

Szablon tokarski CAM uwzględniający magazyn narzędzi i listę operacji parametrycznych.

Rys. 9 Prosty i skuteczny szablon tokarski CAM uwzględniający magazyn narzędzi i listę operacji parametrycznych (bez widoczności maszyny 3D)

Kontrola „resztek”

Kolejną zaletą szablonu jest kontrola „resztek” obrabianego detalu. Dobrze zaprogramowany szablon musi mieć możliwość automatycznego przemieszczenia resztek materiału z jednego mocowania do drugiego. Przy tego typu pracy użytkownik nie musi pamiętać i kontrolować stanu przygotówki. Dodatkowo taki szablon zabezpiecza użytkownika przed niepotrzebnymi przejściami generującymi dodatkowy czas obróbki (przejścia w powietrzu). Przykład jest przedstawiony na ilustracji numer 10 – dotyczy obróbki frezerskiej w trybie szybkościowym HSM (morficzny charakter ścieżki przyspiesza czas obróbki wykorzystując stały kąt opasania, oraz pełną głębokość AP dla freza).

Kontrola obróbki resztek materiału w trybie HSM - szablon frezerski CAM.

Rys. 10 Kontrola obróbki resztek materiału w trybie HSM – szablon frezerski CAM

Symulacja obróbki

Przewagą w programie NX nad innymi systemami CAM jest symulacja po kodzie NC. Tego typu funkcjonalność posiada tylko oprogramowanie NX jako zintegrowaną symulacje ISV w systemie CAM. Oznacza to, że pisany program przez operatora na rzeczywistej maszynie można wczytać do programu SIEMENS NX i wykonać symulacje obróbki na bazie tego, co napisał operator. Program można też napisać w edytorze  tekstowym i wysłać go do NX CAM – ta sama zasada działania.

Wszystkie strategie obróbek generowanych z poziomu programu SIEMENS NX są symulowane jednocześnie poprzez wygenerowany kod maszynowy. Jest to najbezpieczniejszy sposób przygotowania pełnego procesu obróbki. Symulator ISV podaje prawdziwy czas obróbki, uwzględnia rzeczywisty czas na wymianę narzędzi, czas potrzebny na realizacje działań podprogramów oraz podpowiada, jak rozlokować optymalnie wiele detali, aby nie przekroczyć dopuszczalnych zakresów maszynowych. Symulator kontroluje ryzyko wystąpienia potencjalnych kolizji – w momencie ich wystąpienia narzędzia NX CAM posiadają zdolność transformacji ścieżki prowadzenia narzędzi w taki sposób, aby wykonać przejazdy wieloosiowe bezkolizyjnie.

Programem, w którym buduje się tego typu symulacje jest specjalny moduł o nazwie: NX MACHINE CONFIGURATOR ADVANCED

Umożliwia on tworzenie rzeczywistej symulacji obrabiarki CNC pod kątem interpretacji kodu maszynowego. Moduł ten nie jest dostępny w programie SIEMENS NX, wymaga on zakupu. Jest to niezbędny moduł do budowy kompletnego środowiska wirtualnej produkcji w zakresie wytwarzania.

Machine Configurator daje też dużo korzyści wykorzystywanych w firmach produkcyjnych. Jest to nic innego, jak wirtualny sterownik PLC dla obrabiarki (a każda rzeczywista obrabiarka posiada taki sterownik). Konfiguracja odbywa się tutaj na etapie nauki, co dana składnia kodu maszynowego lub podprogramu ma robić – działanie jest przenoszone i wizualizowane w trakcie symulacji. Przedstawia to ilustracja 11.

Przygotowanie kontrolera fanuc w programie Machine Configurator

Rys. 11 Przygotowanie kontrolera FANUC w programie Machine Configurator

Całość przedstawia kompletny proces wykonania na wirtualnym środowisku maszyny widocznym w programie Siemens NX CAM. Przykładowa ilustracja 12 przedstawia symulację zewnętrznego kodu NC pisanego w notatniku przez operatora, przesłanego do symulacji środowiska HERMLE C22U.

Kompletna symulacja na bazie centrum HERMLE.

Rys. 12 Kompletna symulacja na bazie centrum HERMLE (sterowanie Heidenhain TNC530)

Podsumowanie

Zarządzanie kompletną symulacją daje również dodatkowe korzyści wpływające na żywotność narzędzia, ponieważ już na tym etapie kontrolując usuwany materiał, można oszacować teoretyczne zużycie pod kątem wysięgu pracy narzędzia lub ilości usuwanego materiału. Mamy nadzieję, że niniejszy artykuł zachęci Czytelników do zakupu oprogramowania Siemens NX CAM w celu usprawnienia produkcji.

Opracował: Jakub Andrys