Vijf-as Bewerking: 10 Sleutel Automatiseringselementen voor Precisie

Automatisering is duidelijk zelfs voor het ongetrainde oog bij het observeren van Phoenix Proto's nieuwe vijf-as machine met zes-stations palletpool en pallet-laadsysteem (hetzelfde geldt voor een van zijn vergelijkbaar uitgeruste drie-as machines). Dat gezegd, er zijn andere, misschien subtilere, elementen van automatisering die de shop's vijf-as proces vormen. Feitelijk, het zijn deze elementen die het proces in staat stellen om herhaaldelijk de toleranties en oppervlakteafwerkingen te bereiken die vereist zijn voor de shop's aluminium vormcomponenten terwijl, met minimale als enige menselijke interventie, aanpassend voor de inherente variabelen die bewerkingsprecisie en doorvoer nadelig kunnen beïnvloeden.

Dit punt over doorvoer is belangrijk, omdat het doel van de Centreville, Michigan, shop is om gemonteerde aluminium vormen aan klanten binnen drie weken te leveren, dus snelle afhandeling van kwalitatieve, bewerkte toolingcomponenten is imperatief.

Bob Lammon, bedrijfspresident, zegt dat aluminium blijft algemeen gebruikt voor het fabriceren van prototype en “bridge” tooling (vormen tijdelijk gebruikt om een bedrijf in staat te stellen plastic onderdelen voor nieuwe producten te injecteren tijdens het wachten op de staal productietooling te voltooien). Echter, hij ziet verhoogd belangstelling in aluminium vormen gebruikt voor productie in plaats van traditionele staal.

“Afhankelijk van de injectie-gegoten onderdeel's geometrie en hars, is het mogelijk om 50.000 schotten uit een ongecoate aluminium vorm te halen,” legt meneer Lammon uit. “In sommige gevallen, kan dit voldoende zijn om productiebehoeften te ondersteunen. Echter, door aluminium vormen te verharden tot 54 HRC via technologie zoals het Nibore hard-nikkel coatingsproces dat we gebruiken, is het mogelijk om 1 miljoen of meer schotten voor een non-abrasieve hars te halen, en misschien 250.000 voor een abrasieve glas-gevulde hars.”

De toepassingen voor de vormen die de shop produceert zijn wijd uiteenlopend, inclusief onderdelen voor apparatuur, auto, consument, medisch en vuurwapens. Dit leidt tot een hoge mix van vormformaten, kenmerken en geometrieën die het bewerkingsgebied in korte orde moet accommoderen. Meneer Lammon zegt dat de natuurlijke oplossing leek het automatiseren van een hoge-snelheid, vijf-as bewerkingsproces om lange reeksen onbemande/lights-out productie voor de meest complexe vormcomponenten te scoren. Dit realiseert het, zoals ik leerde tijdens een recent bezoek aan de Michigan shop.

Automatiseringstoevoegingen

Phoenix Proto heeft drie hoge-snelheid machines en drie conventionele CNC-machines. De eerste geautomatiseerde bewerkingscentrum die de shop toevoegde was een Roeders RXP500 drie-as machine aangeschaft in 2012. Deze 42.000 toer/min, lineaire-motor machine heeft een RCE 1 pallet-wisselsysteem met een zes-stations palletpool. Het wordt nu primair gebruikt voor het bewerken van componenten zoals vormbases en kaviteitsblokken.

Vandaag wordt bijna alle bewerking van vormkaviteiten en kernen uitgevoerd op de nieuwe vijf-as Roeders RXP601DSH met groter RCE 2 pallet-wisselsysteem. Dit, de shop's eerste en (tenminste voor nu) enige vijf-as machine, werd begin 2016 geïnstalleerd. Zoals de hoge-snelheid, drie-as Roeders, heeft het ook een 42.000 toer/min spil en lineaire-motor aandrijvingen met 1-nanometer resolutie. Lineaire motoren zijn cruciaal voor snelle beweging, wat snelverplaatsingen van 60.000 mm/min mogelijk maakt. Ze bieden ook minder wrijving dan balspindels, wat leidt tot lagere stroomverbruik.

De vijf-as machine met 540 × 635 × 400 mm bewerkingsenvelop en maximum werkstukgewicht van 200 kg heeft een trunnion-stijl ontwerp met A-as zwenk tot ±115 graden. De andere draaiende beweging wordt geleverd door de C-as plaat op de trunnion. Volgens Matt Byers, president van Roeders of America, neigt het trunnion-ontwerp waarbij de spil geen rotatie-as beweging levert, ertoe rigider te zijn dan alternatieve vijf-as machine platforms om zware sneden mogelijk te maken. Daarnaast houdt het lage zwaartepunt voor het werkstuk inertiakrachten laag om eventuele kantel- of hellingeffecten tijdens hoge-snelheidsbeweging te verminderen.

Meneer Byers gelooft ook dat de machine's eigen besturingstechnologie voordelen biedt voor het type hoge-snelheid frezen dat Phoenix Proto uitvoert. Twee belangrijke parameters om effectieve hoge-snelheid frezen te faciliteren zijn lookahead en blokverwerkingssnelheid. De machine's PC-gebaseerde RMS6 CNC biedt 10.000-blok lookahead en blokverwerkingssnelheid van 0,1 milliseconden.

De hoge doorvoer die mogelijk gemaakt wordt door de machine's snelle cyclustijden met hoge-snelheid bewerkingstechnieken wordt aangevuld door alle elementen van automatisering die in dit proces geïntegreerd zijn. Hier zijn 10 automatiseringselementen die ik opmerkte tijdens mijn bezoek:

1. Laadsysteem en palletpool

De vijf-as machine's RCE 2 automatische pallet-wisselsysteem heeft een zes-stations palletpool, hoewel de shop soms meer dan één onderdeel op een pallet vastmaakt. Elke pallet meet 600 × 400 mm.

Op verzoek van Phoenix Proto werd de greper van het laadsysteem gewijzigd. Oorspronkelijk kon er geen onderdeel overhang van de randen van de pallet. Door de greper te wijzigen zodat het van de onderkant van de pallet oppikt, kan het systeem nu grotere werkstukken laden. Nu is onderdeelgrootte alleen beperkt door machinecapaciteit, niet de loader.

De shop gebruikt Roeders' job management software om taken te plannen en te beheren. Het probeert lange taken 's nachts en weekends te plannen, momenteel draaiend één 12-uurs shift vijf dagen per week. Afwisselend probeert het ervoor te zorgen dat er voldoende kortere taken opgesteld zijn om de machine op zichzelf bezig te houden.

2. Machine

Vijf-as bewerken is zelf een vorm van automatisering. Er zijn twee typen vijf-as processen: contouren en positioneren (ook bekend als “3+2”). Phoenix Proto voert 3+2 positioneren op deze machine 75 procent van de tijd uit. Hiervoor gebruikt de machine zijn twee additionele rotatieassen alleen om het werkstuk hoekmatig te kantelen en vergrendelt het dan in die positie. Daarna voert het uit wat neerkomt op een drie-as operatie in die oriëntatie. Een voordeel is dat dit tooltoegang tot vijf kanten van een onderdeel in één spanning biedt. Dit minimaliseert het aantal opstellingen, het aantal machines dat een onderdeel anders over moet lopen, en dus het aantal keren dat een onderdeel “aangeraakt” wordt tijdens productie (d.w.z., het is “automatisering”).

Onderdeel-kantelmogelijkheid via 3+2 stelt tools ook in staat om ver in onderdelen te bereiken om lastige vormkenmerken zoals diepe ribben te creëren. In sommige gevallen heeft dit secundaire sinker EDM operaties en de geassocieerde noodzaak om elektroden te bewerken geëlimineerd. Plus, de krimp-pas toolhouder die gebruikt worden, hebben kleinere diameters dan collet-ontwerpen om extra vrijheid te bieden.

Met 3+2 is de shop ook in staat kortere, rigidere snijgereedschappen te gebruiken. Snellere, agressievere sneden kunnen gemaakt worden met kortere tools zonder zoveel risico op trilling of ratelen dat kan optreden als langere tools vereist zijn. Trilling en ratelen kan leiden tot slechte oppervlakteafwerkingen, wat in Phoenix Proto's geval meer handmatig bankwerk voor vormcomponenten of zelfs secundair EDM werk zou vereisen om kwaliteitsafwerkingen te bereiken, wat de totale productietijd verlengt. De shop is ook in staat verbeterde toollevensduur voor balneus frezen te realiseren, omdat wanneer onderdelen op verschillende hoeken gekanteld worden, meer van de tool's straal gebruikt kan worden, niet alleen de punt. Bewerken op andere gebieden van de straal en niet de punt (het punt waar rotatiesnelheid nul is) leidt ook tot betere oppervlakteafwerkingen.

3. Touch-trigger tasten

Nadat een nieuw onderdeel in de machine geladen is, identificeert een automatische tastroutine met een touch-trigger probe de locatie van verschillende punten op het onderdeel of spanningsmiddel om de exacte locatie van het onderdeel op de machine vast te stellen. De machine's CNC past vervolgens de native werkcoördinatensysteem automatisch aan om ermee te matchen. Dit elimineert handmatig schuiven, onderdeel aanstoten en andere tijdrovende taken die anders vereist zouden zijn om het onderdeel geniveerd en uitgelijnd te krijgen om perfect te matchen met de machine's coördinatensysteem.

4. Automatische kalibratiecyclus

De vijf-as machine heeft diverse koelkanalen in zijn basis, rails, wagentjes, etc., zodat die componenten niet uitdijen door interne warmtebronnen. Echter, om aan te passen aan fluctuaties in omgevingstemperatuur binnen een shop (zeg van het begin van een dag tot het einde van de dag), kan een automatische kalibratiecyclus met de touch-trigger probe uitgevoerd worden.

De Roeders kalibratiecyclus wordt anders uitgevoerd dan de meeste machine tool bouwers' processen, legt meneer Byers uit. Hij zegt dat die cycli typisch vereisen dat de pallet momenteel geladen in de machine verwijderd en vervangen wordt door een andere pallet met een toolingbal. Deze bal wordt dan getast om te bepalen hoeveel verschuiving in de locatie door veranderingen in omgevingstemperatuur opgetreden is. Integenstelling, de Roeders cyclus vereist niet dat de bestaande pallet met werkstuk verwijderd wordt. De machine heeft precisie-geschlopen prismas op zijn trunnion-arm gietwerk en C-as-motor gietwerk die getast worden om eventuele positieveranderingen te bepalen en, indien nodig, automatisch te compenseren voor die veranderingen. Phoenix Proto voert deze kalibratieroutine een keer per maand uit tenzij een probleem opgemerkt wordt en voert het soms uit vóór een kritische afwerkingspas.

5. Spilgroei compensatie

Meneer Byers zegt dat sommige machine tool bouwers algoritmes voor elke machine creëren vóór verzending naar een klant om te benaderen hoeveel de spil zal uitzetten bij verschillende snelheden en looptijden. Echter, merkt hij op, is het essentieel onmogelijk om rekening te houden met al de verschillende manieren waarop de klant de machine van dag tot dag kan gebruiken. Phoenix Proto's vijf-as machine heeft een optionele automatische spil-compensatie systeem om aan te passen aan spiluitzetting (of krimp) in real-time. Het systeem gebruikt een contactloze sensor bevestigd aan een L-vormige arm gepositioneerd nabij het spilvlak (zie de foto in de slideshow bovenaan). De sensor met nanometer resolutie detecteert hoeveel de spil uitzet of inkrimpt tijdens operatie en voedt die informatie terug aan de CNC om de Z-as omhoog of omlaag aan te passen om te compenseren. Dit is vooral belangrijk voor vijf-as operaties, omdat wanneer een onderdeel gekanteld is, spilgroei de toolpuntlocatie in alle drie lineaire assen kan beïnvloeden, niet alleen in Z. Automatische compensatie helpt garanderen goede, consistente oppervlakteafwerkingen en overgangen.

6. Op-machine laser tool instelling

Na elke toolwissel worden de nieuwe tool's lengte en diameter automatisch gemeten met de op-machine Blum laser tool-instel probe. (De laser probe alsook de touch probe's kalibratie toolbal zijn buiten het bewerkingsgebied in de toolwisselaar geplaatst zodat ze beschermd zijn tegen spannen en koelvloeistof.) De shop specificeert een tolerantieband voor elke tool's diameter. Als de probe detecteert dat een tool's diameter buiten tolerantie is, zal het niet toestaan dat bewerking met die tool uitgevoerd wordt. Bijvoorbeeld, als een 6,35 mm balneus frees ±0,005 mm te groot of te klein meet, wordt het niet gebruikt. Dit geldt ook voor de lengte van de snijder.

Vóór dit, bepaalt de laser of de tool die uitgewechseld wordt, gebroken is. Als de tool gebroken is, maar gepland is om op opeenvolgende taken in de palletpool gebruikt te worden, zal het de productie op die taken niet stoppen. “Bijvoorbeeld, als de tool in ATC positie vijf gebroken blijkt, zal de machine het onderdeel waarin die tool gebroken was verwijderen, de volgende geplande taak laden en die taak draaien tot het het stadium bereikt waar de tool in station vijf gebruikt zou worden,” legt de zoon van meneer Lammon, Scott, het bedrijfs directeur van operaties en een van de twee die de vijf-as machine programmeren en opstellen, uit. “Dan zou de machine dat onderdeel verwijderen en doorgaan naar de volgende taak in de wachtrij. Dit proces zou doorgaan voor elke geladen taak.”

7. Koelbus aanpassing

In plaats van alleen conventionele flexibele koelbussen te gebruiken die handmatig gepositioneerd moeten worden, heeft de vijf-as machine een koelaanvoersysteem dat de richting van de koelstroom automatisch aanpast naar het snijpunt, ongeacht hoe lang de tool is. De bussen's richting wordt aangepast via een M-code gebaseerd op de bekende lengte van de volgende tool die in de spil geïnstalleerd is.

8. Auto-kantel programmeerfunctie

Chris Claar is Phoenix Proto's engineering manager die ook de vijf-as machine programmeert en opstelt. Hij zegt dat in 2010 de shop een tijdstudie uitvoerde die zijn vorige CAD/CAM software met Cimatron software vergelijk. “We schakelden over naar Cimatron na onze studie een 30 procent programmeertijdbesparing toonde ten opzichte van de andere software,” legt meneer Claar uit. “Een tijdbesparende functie die we waarderen is de vijf-as auto-kantel functie. Omdat we alle machinecomponenten alsook werkstuk, spanningsmiddel en tooling 3D-gemodelleerd hebben in de software, is de auto-kantel functie in staat om te bepalen op welke diepte de snijder of toolhouder het onderdeel zou raken, en kantelt dan automatisch het onderdeel om de botsing te voorkomen en de operatie door te laten gaan.” De software gebruikt die 3D-modellen ook om de programmeurs in staat te stellen offline simulatie van bewerkingsoperaties uit te voeren om potentiële botsingen te detecteren.

9. Syntaxiscontrole

Naast de programmeurs die offline simulaties in Cimatron voor elk programma draaien, gebruiken ze ook een syntaxisfunctie in de Roeders besturing die het programma en postprocessor automatisch nakijkt om eventuele fouten te identificeren voordat die taak gepland wordt.

10. Programma hervatten

Als er een behoefte is om de machine halverwege een programma te stoppen, is het niet nodig voor de programmeur handmatig in het geposte programma te gaan, te zoeken naar het regelnummer waarop de machine gestopt was en dan alle code erboven te wissen zodat het hervat op de juiste positie waar het afgebroken was. Met de Roeders besturing voert een operator simpelweg het regelnummer in het commando-bestand in, en het zal automatisch door het programma lezen en hervatten vanaf daar.

Automatisering Rustgevendheid

Hoewel een goed deel gedachte in Phoenix Proto's onbemande bewerkingsstrategie ging, realiseert het zich dat het onverwachte kan gebeuren. Daarom zijn zowel de drie- als vijf-as Roeders machines ingesteld om tekst- of e-mailalerts met foutmeldingen te sturen. Het is ook mogelijk om op afstand in te loggen op de machines' besturingen via de online “Team Viewer” software, net zoals Roeders' servicetechnici remote machinediagnostiek kunnen uitvoeren om een idee te krijgen of een component vervangen moet worden, of een aandrijving afgesteld moet worden, enz. (Feitelijk, kan aandrijving afstellen remote uitgevoerd worden met deze software, zegt meneer Byers.)

Dat gezegd, de shop heeft nog een optie. Het heeft een camera van het plafond tussen de twee Roeders machines gehangen die de programmeurs via hun telefoons kunnen benaderen om te zien wat er gaande is (zie de foto in de slideshow bovenaan deze pagina). Ze kunnen de camera pannen en inzoomen op een machine of zijn CNC-scherm om de status van taken die momenteel draaien te zien (en te horen). “Zo druk als we nu zijn, zal ik 's nachts op bepaalde tijden op mijn telefoon inchecken, want een stilstaande machine kan onze planning echt in de war schoppen,” zegt meneer Claar. “Het is alsof ik bij de machine sta.”