Posztprocesszor fejlesztése kiber-fizikai rendszerben

CNC-esztergagép posztprocesszorának létrehozása lényegesen hatékonyabb kiber-fizikai rendszerben (CPS)

2021. január 12., kedd, 06:00

Címkék: CAD/CAM/PLM CAM fémmegmunkálás forgácsolás Sinumerik 828D szerszámgép vezérlés vezérléstechnika

Egy Akira-Seiki SL25MC típusú CNC-esztergagép posztprocesszorát Sinutrain szimulációs szoftver segítségével hoztuk létre Edgecamben. A kidolgozott eljárással csökken a szintaktikai hibák kiszűrésére fordított idő. Jelentősen nő a CNC-gép rendelkezésre állása, mert a tesztelési feladat túlnyomó része nem a valós gépen történt. Ráadásul az esetleges hibás programkódok nem okoznak ütközést a CNC-gépen. Megállapítottuk, hogy a valós gépen történő tesztelés azonban nem hagyható el, itt kiemelt figyelmet kell fordítani a mozgási sebességekre és a forgásirányokra.

Az informatika fejlődésével és térnyerésével egyre jobban megváltozott a gépészet. A kézi rajzok helyét teljesen átvették a 3D-s CAD-modellek és az azokból képzett rajzok. A megrajzolt alkatrészek gyártási módszereire is hatással van az informatikai fejlődés, azonban még nem ennyire látványosan. A forgácsolás terén leginkább a szerszámgépek vezérlésére volt nagy hatással. A CNC – számítógép által vezérelt – szerszámgépek már fél évszázada léteznek, szinte az összes iparágban elterjedtek. Ezek programozására számtalan módszer létezik.                                  

A legegyszerűbb, amikor lapon írják a programkódot, majd beírják a szerszámgép vezérlőjébe. Ez az egyszerűnek tűnő, olcsó módszer azonban számos hibalehetőséget rejt magában. A korszerű szerszámgépeken közvetlenül a vezérlőben létrehozni a programot már egy fokkal előnyösebb és gyorsabb, azonban sokszor a gyártási körülmények nem engedik meg, illetve adott esetben a programozás idejére a gép kiesik a termelésből is. Ennek kiküszöbölésére az egyik megoldás a CAM – Computer Aided Manufacturing, azaz számítógéppel támogatott gyártás – szoftverek használata. A CAD-rendszerek széles körű alkalmazásának köszönhetően napjainkban minden gyártandó alkatrész 3D modellje rendelkezésre áll. Ezeket a modelleket a CAM-szoftverekbe importálva létrehozhatók rá a megmunkálási programok egy átlátható, ergonomikus környezetben, akár a szerszámgéptől távoli irodában is.                                  

Az alkatrész összes fizikai mérete és geometriai jellemzője, amelyek a programhoz szükségesek, ilyenkor a modellből származnak, így azokat a program írásakor nem szükséges megadni. Ezáltal csökken a hibalehetőségek száma a programozás során. A CAM-szoftverek használatának számos előnye van még, azonban nem szabad megfeledkezni a hátrányairól sem. Napjainkban sokféle CAM-szoftver és még több fajta szerszámgéptípus van. A gépgyártók pedig a termékeiket különféle vezérlőkkel kínálják. Ahhoz, hogy a CAM-szoftverben képesek legyünk programkódot generálni, nélkülözhetetlen egy posztprocesszor. Ez tulajdonképpen egy számítógépes szoftver, ami megteremti a kapcsolatot a CAM-szoftver és egy konkrét szerszámgép között.                                  

A programkódok létrehozásánál tehát mindig figyelni kell arra, hogy milyen típusú vezérlővel rendelkezik az adott szerszámgép. A vezérlők többségéhez rendelkezésre állnak számítógépen futtatható vezérlőszimulátorok, amelyek segítségével irodai környezetben szimulálható a vezérlők működése.                                  

A CNC-szerszámgépek programnyelve az ún. „G-kód”. Ezeket az ISO 6983-as szabvány tartalmazza. A szerszámgépek ezen a nyelven kapnak minden lényeges utasítást: hova és hogyan mozogjanak, milyen gyorsan, milyen fordulatszámon… Emellett minden CNC-gép rendelkezik valamilyen vezérlővel. A több évtizedes fejlesztés során számos vezérlőgyártó és -típus alakult ki. Ezekhez kialakultak vezérlőspecifikus G-kódok is, amelyek megnehezíthetik a gépek programozását, ugyanis egyes programkódok teljesen más funkciót láthatnak el egy Siemens vezérlőn, mint például egy Fanucon [1, 2].                                  

Egy posztprocesszor mindig egy konkrét szerszámgép és egy konkrét CAM-szoftver közötti kapcsolatot teremti meg, tehát mindig egy egyedi fájl. Az általunk készített posztprocesszor az egyetem gyártástechnológiai laborjában található Akira-Seiki esztergára készült, Edgecamben. A cikk a posztprocesszor létrehozásával, fejlesztésével és tesztelésével foglalkozik, modern informatikai környezetben. Érintjük a posztprocesszorhoz illeszkedő szerszámgép CAD-modelljének szerkesztését és a megfelelő vezérlő szimulációs környezetének használatát is. A létrehozott posztprocesszor működését teszteltük valós környezetben is. A cikkben a fejlesztési lépéseket időrendben dolgozzuk fel.           

A gép és a módszer

A fejlesztési folyamatot a Akira-Seiki CNC-esztergagép kapcsán végeztük el. Ez az SL25MC típusú gép egy C tengelyes eszterga, melynek vezérléséről egy Siemens Sinumerik 828D típusú vezérlő gondoskodik. A szerszámgép a vezérlőjével az 1. ábrán látható.

1. ábra: A szerszámgép és a vezérlője

A fejlesztési folyamatot a következő szoftverek támogatták:

  • CAD – Autodesk Inventor Professional 2018,
  • CAM – Edgecam 2018 R2,
  • Szimulációs szoftver – Siemens Sinutrain 4.5.

A posztprocesszor-fejlesztés leghosszabb és legdrágább folyamata a tesztelés. Ennek kiküszöbölésére a tesztelés túlnyomó részét kiber-fizikai rendszerben végeztük. Az új fejlesztési folyamat felépítését a 2. ábra szemlélteti. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a CNC-gép vezérlőjéről készített biztonsági mentést importáltuk a Sinutrain vezérlőszimulátorba. Ezzel létrehoztuk a valós szerszámgép virtuális klónját, ami vezérlés szempontjából ugyanúgy viselkedik, ahogy azt a valós gép is tenné. Ebből következik, hogy minden programkód, ami a vezérlőszimulátorban helyesen futott, az a valós szerszámgépen is helyesen fut le. Azok a programkódok viszont, amelyek hibaüzenettel leálltak, a valós gépen is azonos hibaüzenettel álltak volna le.                                    

Ez azt jelenti a gyakorlatban, hogy a posztprocesszor által generált programkódok szintaktikai helyességéről pusztán a virtuális környezetben, a számítógépem segítségével (szerszámgép nélkül) meg tudunk bizonyosodni. További előny, hogy a szerszámgépet nem veszélyeztetjük az esetleges korai és hibás programokkal.

2. ábra: Kiber-fizikai fejlesztés folyamatábrája

A fejlesztés főbb lépései

Posztprocesszor fejlesztésénél feltétlenül szükséges az adott szerszámgépről egy CAD-modell. Ennek két fő kritériumnak kell megfelelnie: szimuláció biztonsága és futtathatóság. A CAM-szoftverek egyik leghasznosabb funkciója a szimuláció – és annak a részeként az ütközésvizsgálat. Ennek segítségével a CAM-szoftver figyelmeztetéssel megáll, ha ütközést észlel. Az ütközéseket a szerszámgép számos – előre definiált – alkatrészén végzi a szoftver. Annak érdekében, hogy ez helyesen működhessen, a szerszámgépről készült modell munkaterének teljes mértékben, minden irányban meg kell egyeznie a valós gépével. A másik fontos paraméter a modell fájlmérete, ugyanis a szimulációk és az ütközésvizsgálat nagy számításigényű folyamatok, amelyek a mai modern számítógépeket is képesek lehetnek túlterhelni, ezáltal nagymértékben lelassítani. Emiatt a fájlméretet célszerű megközelítőleg 5 megabyte környékére csökkenteni. A modell elkészítésére kétféle stratégia terjedt el. A konkrét gépről méréseket végezve felépíthető egy komplett új modell, azonban ezt ritkábban használják. Másik – amit jelen esetben alkalmaztunk, hogy a gép gyártójától kapott modellt kellő mértékben leegyszerűsítve létrehozható egy minden kritériumnak megfelelő új fájl. A 3. ábrán látható a gyártótól érkező modell. Ennek egyszerűsítése a számos bonyolult felületi elem miatt volt elkerülhetetlen. Az eredeti file 25,9 MB volt, ami jelentősen meghaladja a működési határt. Az egyszerűsítések során egyes alkatrészeket – amelyek az ütközésszimuláció szempontjából nem relevánsak – egyszerűen kitöröltük, míg az alkatrészek többségének geometriáját egyszerűsítettük. Ennek során eltüntettük a felesleges furatokat, a csapágyakat, kötőelemeket és egyéb gépelemeket, felületeket.

3. ábra: A gyártótól érkező CAD-modell

A posztprocesszor az Edgecam Kódvarázsló nevű menüpontjában készíthető el. A posztprocesszorok többsége sablon alapján készül. A létrehozásnál fel is kínál a szoftver számos vezérlőtípust. Ebben az esetben azonban a Sinumerik 828D nem szerepelt a listában, így a legjobban hasonlító, 840-es sablont választottuk. Ezután lehetséges az elkészített modell alapján az Edgecamben kinematikai szempontból is felépíteni a szerszámgépet, a 4. ábrán látható hierarchiának megfelelően. A modell importálásával és a valós kinematikai adatok bevitelével elkészült az ütközésvizsgálat szimulációs környezete.

4. ábra: Posztprocesszor-modellfa                                  

A posztprocesszor elkészítésének utolsó lépése, hogy az adott gépnek megfelelően kitöltsük a paramétereket, melyek a G-kód szintaktikáját fogják meghatározni. Ez a folyamat a legidőigényesebb, és ezért a legköltségesebb. További probléma, hogy hagyományos módszerrel a CNC-gép ezen idő alatt nem termel – így a kieső termelés pluszköltségként jelentkezik.

Tesztelés kiber-fizikai rendszerben

A gépen futó és a sablonból válaszható két vezérlőverzió közt a gyakorlatban elenyésző különbségek vannak, azonban még helyes sablonválasztás esetén is gyakorlatilag kizárt, hogy egy posztprocesszor elsőre helyesen kezdjen működni. A hibakeresésre létrehoztuk egy alkatrész 3D modelljét. Erre kezdtünk el megmunkálási programokat készíteni az Edgecamben, majd a megmunkálási programokat gépi programkódra fordíttattuk a posztprocesszorral. Az így generált kódot a vezérlőszimulátorral teszteltük. Megszokott dolog, hogy az első próbálkozások rendre kudarcba fulladtak – a programok hibaüzenettel leálltak (5. ábra). Azonban ezek segítéségével lehetett következtetni a hibák forrására. Mivel a virtuális gép teljesen azonosan működik a valós géppel, az itt kapott hibaüzenet – és hibakód –alapján a Siemens programozói kézikönyvben kikereshető, hogy mi okozta a hibás futást.

5. ábra: Hibaüzenet és a hozzá tartozó hibakód                                  

Azonban az adott generált kódrészlet megváltoztatásához az esetek többségében nem egyértelmű, hogy mit kell megváltoztatni a posztprocesszorban. A CAM-rendszerek tetszőlegesen bonyolult geometriákra képesek megmunkálási programokat írni, azonban az ezekből generált kódok a valóságban sokszor tagolatlanok, nehezen átláthatók és több száz sorosak lehetnek egy egyszerű alkatrész esetén is. A posztprocesszorban az egyes műveletek generálásáért külön alrendszerek felelősek (pl. lineáris interpoláció, szerszámcsere vagy forgácstörős fúróciklus kódszerkesztője). Egy egyszerű esztergálás végrehajtásánál is szükség van szerszámcserére, lineáris interpolációra – előtolással és gyorsjárattal egyaránt, hazaállásra stb. Ezáltal a generált programkódot nézve nem egyértelmű, hogy egy adott programrészlet generálásáért konkrétan melyik kódszerkesztő a felelős. Ennek felderítésére használható az Edgecam egyik diagnosztikai funkciója – a Teljes kódkészítő követés generálása. Ennek hatására a generált kódban megjelennek kiemelt sorok (6. ábra), amelyek leírják, hogy az adott kódrészlet megváltoztatására melyik kódszerkesztőt kell módosítani.  Miután a posztprocesszor olyan kódokat generált, amelyek a vezérlőszimulátorban hibátlanul futottak, következhettek a valós gépen történő tesztek.

6. ábra: Hibakeresés a generált programkódban

Valós tesztek és eredmények

A valós szerszámgépen történő tesztelés rávilágított, hogy a valós tesztelést sosem szabad elhanyagolni, ugyanis a virtuális környezetben jól működő posztprocesszor a valós gépen lezajlott első teszt során hibás munkadarabot (7. ábra) és törött lapkát eredményezett. Ennek oka az volt, hogy a posztprocesszorban a számos paraméter közül a főorsó-forgásiránynál 3 helyett 4 volt megadva, ezáltal M3 helyett M4 kóddal generálta a főorsó forgását, így az fordítva forgott. Az érték korrigálása után a program helyesen futott, és a gép sikeresen megmunkálta a tervezett alkatrészt. A selejtes és a pontos munkadarab a 7. ábrán látható.

7. ábra: Első valós teszt eredményei

A fejlesztési módszernek köszönhetően megtakarított üzemórákat konkrétan számszerűsíteni nem könnyű feladat. Kezdetben számos hibaüzenet, sikertelen futtatás előzte meg a működő programokat, valamint egyes funkciók működőképessé tétele több napot vett igénybe. A funkciók többségéhez 8-10 mintaprogram is készült, mire végül jól működtek. A több száz tesztprogram lefuttatása, majd az ezek szerint történő korrigálás összesített munkaóráinak száma nagyságrendileg eléri a 100-at. Gyakorlatilag ennyi tesztelési üzemórától biztosan mentesült a valós szerszámgép, ami jelentős megtakarítást jelent, hiszen a CNC-gép ez alatt az idő alatt is termelt. Ezenfelül még fontosabb előny, hogy a gép a tesztelés során kevésbé volt terhelve és veszélyeztetve a hibás programok miatt. Ezek a mai, egyre jobban kiélezett gyártói versenyben egy termelő vállalat számára nem elhanyagolható szempontok.            

Összefoglalás

A munkánk során elkészítettük az esztergagép leegyszerűsített modelljét, és létrehoztunk egy 2 tengelyes esztergálási funkciókkal működő edgecames posztprocesszort, amelynek funkcionalitását tesztmunkadarabok elkészítésével is igazoltuk. A tesztelési módszernek köszönhetően számos gépi üzemórát tudtunk megtakarítani, valamint megkíméltük a szerszámgépet az ütközések esélyétől is. A CPS-rendszerben történő fejlesztés tapasztalatai, hogy a vezérlőszimulátorban történő tesztelés kiválóan alkalmas a programozási szintaktikai hibák korai stádiumú kiszűrésére, azonban egyes jelenségek a szimulátorban nehezen – vagy akár egyáltalán nem – érzékelhetők helyesen. Ezek főként a valós mozgásokhoz kapcsolódnak, például a forgási irányok és a mozgási sebességek. Az elért eredményt a 8. ábra mutatja be.

8. ábra: Tesztalkatrész az Edgecamben és a valóságban

Köszönetnyilvánítás

Az ED_18-1-2019-0030 szerződésszámú projekt (Alkalmazásiterület-specifikus nagy megbízhatóságú informatikai megoldások tématerület) a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból biztosított támogatással, a Tématerületi kiválósági program támogatásával valósult meg.

Szunyi Attila ELTE, Informatikai Kar, Savaria Műszaki Intézet, duális gépészmérnöki BSc, 4. évf.

Andó Mátyás ELTE, Informatikai Kar, Savaria Műszaki Intézet, egyetemi docens

Safranyik Ferenc ELTE, Informatikai Kar, Savaria Műszaki Intézet, egyetemi docens

Irodalomjegyzék:

[1] Mátyási G. és Sági G., Számítógéppel támogatott technológiák, Műszaki Könyvkiadó Kft., Budapest, 2009.

[2] Boór F., Hervay P., Kakuk Gy., Markos S., Mátyási G. és Mikó B., CAM Tankönyv, Typotex Kiadó, Budapest, 2012.

Cikk eredeti forrása:

Mérnöki és Informatikai Megoldások (ojs.elte.hu/eis)

Cikkhez tartozó videóelőadás: Szombathelyi Gépész youtube csatorna (https://youtu.be/VcS3NTi8ySs)

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek