EDM's gerevolutioneerd: Snellere, efficiëntere automatisering met Industry 4.0

Hoewel EDM-machines (eroziesparkveren) voordelen bieden zoals nauwere toleranties, bewerking van bijna elk metaal en geschiktheid voor kwetsbare onderdelen, zijn ervaren operators steeds moeilijker te vinden. Robots kunnen niet altijd de kloof opvullen. Geautomatiseerde processen in de machines, nieuwe ontwerpen en Industry 4.0-functies helpen dit probleem op te lossen.

Automatisering als antwoord op kennistekort

Eric Ostini, productmanager bij GF Machining Solutions (Lincolnshire, IL), wiens vader en grootvader beide met EDM werkten, zegt: "Nadat ik was afgestudeerd en dacht dat ik alles over EDM wist, vertelde mijn vader me dat ik na een paar jaar in het vak zou beseffen dat ik eigenlijk niets wist, want vroeger luisterden ze naar de generator en wisten ze wat er op de machine aangepast moest worden. Tegenwoordig is alles geautomatiseerd. Je weet niet meer wat je vroed moest doen om deze machines werkend te krijgen. Je duwt gewoon op een knop en ze werken."

Machinefabrikanten hebben het voor operators onnodig gemaakt om het 'wat' en 'waarom' van interne processen te begrijpen, wat hun kennis- en ervaringstekort compenseert.

"We maken dingen meer geautomatiseerd niet alleen omdat de technologie die kant opgaat, maar ook door de kennis van de mensen die de apparatuur bedienen," voegt Ostini toe. "Het is heel moeilijk om goede operators te vinden. Als je de machine zo geautomatiseerd kunt maken dat hij veel dingen kan doen die een goede operator doet, kan zelfs een gemiddelde operator schitteren."

Slimme oplossingen voor parts en elektroden

Bij Belmont Equipment and Technologies (Madison Heights, MI) is een eigen circuit ontwikkeld voor multi-lead partsensing op een klantwerkstukfixatie. Dit controleert of onderdelen correct geladen zijn door sensoren aan te raken, wat verkeerd laden en tijdrovende operatoringrepen tijdens de setup elimineert.

Daarnaast heeft het bedrijf bewerkingssoftware ontwikkeld die onboard technologie benut met de mogelijkheid om instellingen aan te passen voor specifieke toepassingen. "Afhankelijk van de vaardigheden of kennis van de operator, zijn de machines gemaakt om de novice te laten werken met vooraf ingestelde waarden, terwijl de ervaren vakman instellingen kan aanpassen voor specifieke taken, die daarna door iedereen uitgevoerd kunnen worden," zegt Tony Tyll, vicepresident operaties bij Belmont.

Palleten voor onderdelen en elektroden

Net als andere werktuigmachines kunnen EDM's palletwisselaars gebruiken om het productieproces te automatiseren, aldus Greg Langenhorst, technical marketing manager bij MC Machinery Systems Inc. (Elk Grove Village, IL), een full-line distributeur van werktuigmachines, waaronder Mitsubishi EDM's. "Bij geautomatiseerde setups voor draad- of zak-EDM's worden werkstukken - zowel voor zak-elektroden als onderdelen - typisch opgesteld op een toolingbasis met referenties. Een zak-elektrode kan bijvoorbeeld op een toolingpallet worden geplaatst. Het grafit gaat in de grafitfreesmachine voor bewerking, wordt daarna automatisch verplaatst en in een span vastgezet voor inspectie door een CMM."

Voor geautomatiseerde draad-EDM-productie van kleinere onderdelen gebruiken Mitsubishi EDM's een Mitsubishi zes-as robot om werkstukken in en uit de EDM te wisselen. In dit gearticuleerde systeem kan het werkstuk verticaal of horizontaal, goed of omgekeerd of onder een hoek staan, omdat de robot die articulatie kan hanteren.

"Voor grotere werkstukken gebruiken we System 3R of Erowa robots. Die eenheden hebben meestal een vastvlak-grijper die het werkstuk uit de toolingrek haalt en het precies in dezelfde oriëntatie op de machinetafel plaatst. Een robot zou een flip-type of rotatie-grijper nodig hebben om de kop en tafel op een zakmachine te laden of hangende elektroderoosters op de tafel van een grafitfreesmachine te plaatsen," zegt Langenhorst.

De Erowa Compact 80 is een relatief nieuwe robot die elektroden en werkstukken op een zak-EDM in de Z-as kan wisselen. Het hanteert pallets tot 11,8 x 11,8 inch (300 x 300 mm) met onderdelen tot 176 lb (80 kg). "Het kan gebruikt worden om een werkcel te creëren als je het tussen een grafitfreesmachine en een zakmachine plaatst," aldus Langenhorst. "Het kan grafitblanken in de freesmachine laden en afgeronde elektroden eruit halen, en vervolgens de werkstukken op de zakmachine laden en de verse elektroden direct in gebruik nemen."

Hij wijst erop dat een van MC Machinery's EDM-klanten, een vormshop, grote, rechthoekige frame-fixaties gebruikt. "Ze kunnen één groot onderdeel of meerdere werkstukken op dat frame/tafel laden, net als je normaal zou doen op de EDM als je het overnachts of over een weekend wilt laten draaien. Het haalt een frame met vier of vijf verschillende afgeronde stukken eraf en plaatst een ander geladen frame terug. De werkstukken worden vooraf ingesteld op het frame/tafel zodat ze allemaal vierkant en juist staan. Vervolgens kunnen alle nulpunten door een CMM worden gelokaliseerd en naar de machine gestuurd om met het deelprogramma te laden en machinettijd te besparen, of één keer gemeten worden nadat ze op de machine geladen zijn met de draad voordat het programma start."

Verbeterde besturing en monitoring

Om de mogelijkheden van niet-experts te verbeteren, lanceerde Makino Inc. (Auburn Hills, MI) onlangs een suite met remote monitoring-functies genaamd HyperConnect, en ontwikkelde verschillende functies in het bestaande Hyper-i besturingssysteem om de capaciteiten van de operator te verbeteren, waaronder de E-Tech Doctor-functie die de kennis en ervaring van een gevorderde operator vastlegt en omzet in een eenvoudig te gebruiken functie voor operators van alle vaardigheidsniveaus.

"Het verhogen van de intelligentie en capaciteit van onze adaptieve vermogenstechnologieën helpt het benodigde vaardigheidsniveau van de operator te verlagen om hoge prestaties te bereiken," zegt Brian Pfluger, EDM-productmanager bij Makino. "De machine kan meer autonom werken door een robuustere, zelf-aanpassende capaciteit, wat operators vrijmaakt om hun tijd te besteden aan andere werkzaamheden in de shop."

Als een fabrikant robots inzet, zijn sommige draad- en zak-EDM-machineseries van Sodick Inc. (Schaumburg, IL) uitgerust met gesegmenteerde droptankdeuren om de binnenkant van de machines toegankelijk te maken voor robotarmen. "Hoewel je meer van deze processen kunt automatiseren, kunnen operators aan belangrijkere dingen werken of meer taken tegelijkertijd uitvoeren," zegt Evan Syverson, additive business development manager bij Sodick.

Om EDM's eenvoudiger en gemakkelijker te bedienen, heeft MC Machinery Systems een kennisgebaseerd systeem gemaakt. Een draad-EDM gebruikt bijvoorbeeld verschillende draaddiameters en bewerkt verschillende werkstukmaterialen en -diktes. "Voor elk type werk hebben we zogenaamde E-Packs, die vermogensinstellingen, voedingswaarden en snijoffsetwaarden bevatten die gerelateerd zijn aan specifieke taken. Een datatabel in de machinebesturing bevat al die informatie, zodat de operator alleen vragen op de besturing hoeft te beantwoorden om het type draad, het werkstukmateriaal en de dikte, en de gewenste nauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit te kiezen. De machine lost het allemaal zelf op. Of het nu één of vijf passes kost, de machine doet dat volledig automatisch."

"We hebben ook een schuifbalk op de machinebesturing die een keuze biedt tussen snelheid aan de linkerkant en nauwkeurigheid aan de rechterkant," vervolgt Langenhorst. "Als je de schuif naar rechts duwt, vertraagt de machine en worden de hoeken nauwkeuriger. Als je minder nauwkeurigheid nodig hebt en snelheid wilt, duw je hem helemaal naar links. Voor iets ertussenin kun je dat kiezen."

Besturing voor robots

Toen GFMS' Ostini zei dat een operator met basiskennis van EDM alleen op een knop hoeft te drukken om de machine te laten werken, bedoelde hij dat letterlijk. Dankzij softwarewijzigingen kan een operator de vermogensinstelling aanpassen door één knop in te drukken, afhankelijk van wat hij wil doen.

Als de operator 10-15% sneller wil snijden dan standaard, drukt hij op een knop en de software past alle generatorinstellingen aan. Omgekeerd, zegt Ostini, stel je voor dat het vrijdag is en tijd om naar huis te gaan. De operator drukt op een knop en de machine gaat in conservatieve of eco-modus. In dat geval vertraagt de draad drastisch.

In het verleden zou dat onnauwkeurigheden in het onderdeel creëren, aldus Ostini. "Maar omdat we de technologie rond deze instelling hebben ontwikkeld, hebben we de generator aangepast zodat we dezelfde nauwkeurigheid behouden, maar hij bespaart 30-35% op zijn draadverbruik." GFMS voegde vergelijkbare één-knop-automatisering toe aan de zakmachine-kant.

GFMS heeft ook meet- en validatiefuncties aan EDM's toegevoegd met behulp van scopes en Renishaw-tasters om te verzekeren dat de operator een taak correct heeft ingesteld. Na het snijden kunnen de tasten en scope opnieuw worden gebruikt om de taak te valideren voordat het werkstuk wordt verwijderd.

"Bijvoorbeeld, in onze CUT 1000-machines hebben we een systeem genaamd IVU [integrated vision unit], dat meet wat er gesneden is en je vertelt voordat je het onderdeel van de machine haalt of het onderdeel correct is gesneden," zegt Ostini. "Zo niet, repareer je het direct of gooi je het af."

Belmont Equipment and Technologies biedt verschillende modellen ontworpen rond automatiseringsniveaus die de klant nu of in de toekomst wil. "Dit kan oplossingen omvatten variërend van een complete robotische turnkey-oplossing tot een voorbedrade ontwerp met mechanische wijzigingen die een eenvoudige uitbreiding later mogelijk maken," zegt Tyll.

Industry 4.0 en data-analyse

Terwijl gekwalificeerde operators schaars zijn, helpen sommige elementen van Industry 4.0 het verschil te maken door efficiëntie in de operaties te creëren. Een van de doelen van Industry 4.0 is de mogelijkheid om machinedata te verzamelen die geanalyseerd kan worden om problemen te identificeren.

"Veel klanten zoeken de data-feedback die hen kennis geeft van het proces om te analyseren hoe ze hun machines op de meest efficiënte manier kunnen bedienen," zegt Tyll. "Daarnaast stelt het hen in staat om problemen te identificeren voordat ze ontstaan. Met diverse offline softwarepakketten die de analytische kant afhandelen, werken we met onze klanten om de benodigde verbindingen voor de feedback tot stand te brengen."

Probleemoplossing is een sleuteldeel van Industry 4.0, akkoord Ostini. "Zodra je iets ziet, wil je weten waarom. En dat is waar de analyse intuïtiever moet worden." Hij geeft een voorbeeld van een shop-eigenaar die kijkt hoe lang een machine heeft gesneden versus niet gesneden. Hij ziet in de data dat om 16:00 uur het meer uit dan aanstaat, en vraagt zich af waarom.

"Dan moet je in andere data kunnen kijken," zegt Ostini. "Het kan onderhoud zijn, of stilstand door alarm, of stilstand omdat de operator een onderdeel instelt." Een bedrijf in Indiana deed dat en merkte een consistente hik tijdens de week op. Ze keken naar de data en zagen dat het bij dienstwisseling was. Er was een dip in productie omdat de operator die erafging een taak in de machine had en de operator die aankwam niet wist wat het was, dus moest hij het uitzoeken. Als gevolg voegde het bedrijf 15 minuten toe aan elke dienst om een overlap te creëren zodat de twee operators een overname konden doen. Het bedrijf schatte de kosten na één jaar en realiseerde zich dat ze $100.000 bespaarden, zelfs rekening houdend met de extra operatorloon.

Drijfsensoren voorkomen lekkage

Sodick heeft zijn EDM's toegankelijk gemaakt voor robots, en de toegang voor mensen handziger gemaakt met zijn droptankdeuren. De functie zit op de ALN-serie draad-EDM's en AG-serie zakmachines.

"Het is met name handig voor automatisering omdat iemand niet fysiek de deur hoeft open te maken, de deur is laag genoeg dat een robot erin kan komen en je tool of werkstuk kan wisselen," zegt Syverson.

Vanwege de muur van de deur met meerdere segmenten die in elkaar zakken, kan een tank deels geopend worden. Dit stelt operators in staat om toegang te krijgen tot het werkstuk zonder de tank volledig te leegen en de deur vol open te maken. Ook heeft de deur een drijfsensor, aldus Syverson. "De tank vult zich met dielectrische vloeistof tijdens bewerking, en je wilt natuurlijk niet de deur laten zakken met een volle tank. Als het waterpeil te hoog is, stopt hij op het waterpeil in plaats van verder naar beneden te gaan, wat een ongelukkige lekkage voorkomt."

De AG-zakserie heeft gekoelde lineaire motoren en een C-as-optie die kan draaien met snelheden tot 2000 rpm.

Bij Makino zijn nieuwere machines in staat om meer autonom te werken. Opties omvatten geautomatiseerde toolwisselaars voor zak-EDM's en een automatische draadinstelingsysteem voor draad-EDM's, beide verlengen de onbevoegde bedrijfstijd van de machine. Hogere automatisering omvat meestal robotica om het werkstuk te wisselen om de machinebenutting te verbeteren, en kan de bediening van meerdere machines door één robot omvatten.

De nieuwe HyperConnect biedt vier functies om remote toegang en netwerkcommunicatie te verbeteren wanneer machines zijn aangesloten op een intern netwerk. Met EDM Mail kan de machine e-mailupdates sturen over machinestatus, inclusief machinestilstand, om machinestilstand en productieverlies te minimaliseren. Met EDM Viewer kan de operator de machinebesturing op afstand monitoren en benaderen op een pc of slim apparaat. Hierdoor kan de operator 'zien' waar en wat de machine doet tijdens onbevoegde bedrijfstijd. Met Machine-to-Machine Viewing kan de operator elke andere netwerkgeconnecteerde Hyper-i besturing direct vanaf de machinebesturing bekijken zonder zijn werkplek te verlaten. En met PC Viewer kan de operator toegang krijgen tot en weergeven van elk programma en data van een netwerk-pc op het 24-inch (610 mm) display van de machine. Deze functie stelt de operator in staat om elke taak uit te voeren die nodig is om de machine te bedienen vanaf de Hyper-i besturing, inclusief andere gespecialiseerde software zoals Microsoft Office of gespecialiseerde CAD/CAM-software.

Naast de eerder genoemde E-Tech Doctor heeft Makino diverse andere Hyper-i besturingssysteemfuncties ontwikkeld, waaronder meerdere kant-en-klare oppikcycli (inclusief nivellering van een werkstuk zonder interne tasten), meetverificatie, en machinebenuttingsvolging en -rapportage.

"Het idee van de benuttingstracking-functie is om een shop de benodigde tools te geven om de effectiviteit en efficiëntie van hun huidige processen te monitoren, wat een veelvoorkomend tekortkoming is voor de meeste shops," zegt Pfluger. "Deze nieuwe tracking-tool biedt de middelen om machinebenutting 24/7 te meten en verbetergebieden te identificeren."