Versnel Onderdeelshantering: Hoe CAD/CAM-software Insteltijd Verkort en Efficiëntie Verhoogt

Software-verbeteringen richten zich op toolpath-optimalisatie, vermindering van insteltijd, integratie met digitale gereedschapsbibliotheken en verbetering van machinesimulatie, verificatie en analysetools

Vraag bijna elke CAD/CAM-leverancier wat hun focus is, en ze zullen je vertellen dat het vandaag hetzelfde is als vijf jaar geleden, en over vijf jaar weer hetzelfde zal zijn: het onderdeel zo snel mogelijk op de machine krijgen en zo snel mogelijk er weer af. Hier is de huidige stand van zaken in die twee hoofdomgebieden.

Er zijn in de afgelopen jaren diverse veranderingen in CAD/CAM-software doorgevoerd om de efficiëntie te verhogen en de insteltijd te verminderen. Maar "er is geen gouden kogel," zoals Vyncent Paradise, director of product development voor NX CAM, Siemens PLM Software (Plano, TX), het formuleert. Hij wijst op automatisering als de belangrijkste hulp, inclusief het gebruik van voorgedefinieerde sjablonen en het verhoogde gebruik van product- en fabricage-informatie (PMI) in CAD-bestanden.

"We proberen constant meer informatie toe te voegen aan het CAD-modelleringsproces die downstream in CAM gebruikt kan worden, zoals toleranzen en afwerkingsvereisten," legt Paradise uit. "En als je het slimme digitale model kunt uitlezen, kun je het gebruiken om automatisch bewerkingsmethoden te kiezen op basis van de vereiste tolerantie."

Alan Levine, managing director van Open Mind Technologies USA (Needham, MA), bevestigt de waarde van het automatiseren van CAM-programmering door het gebruik van macro's die de best practices van een winkel opslaan. "Stel je voor dat je je diepe gaten op een bepaalde manier wilt boren, met verschillende peck-stappen en voedingen. We maken het makkelijk om deze processen als macro's op te slaan, zodat de programmeur niet constant door deze stappen hoeft te gaan," zegt hij. De software van Open Mind helpt gebruikers ook om de macro's te categoriseren, zodat ze gemakkelijk te vinden en toe te passen zijn. Ook automatiseert een Programming Assistant-module bepaalde insteltaken die per winkel verschillen maar binnen een gegeven winkel doorgaans gestandaardiseerd zijn, zoals waar de nulpuntset moet worden geplaatst.

De hyperCAD-S module in de hyperMILL-software van Open Mind versnelt CAD-gerichte taken voor NC-programmeurs door het makkelijk te maken om punten, curves, vlakken, soliden of polygonale meshes te selecteren. Levine zegt dat elementen snel toegevoegd, verwijderd, gewijzigd, getoond of verborgen kunnen worden, en alle functies zijn afgestemd op de taken van NC-programmeurs. Daarnaast omvat de module het positioneren van spannen, met de mogelijkheid om aan te passen aan welke kant van het onderdeel de gebruiker aan het maken is. Bijvoorbeeld elementen zoals spankaken kunnen lineair of radiaal naar de optimale positie worden verplaatst.

Op dezelfde lijn wijst Mark Gadsden, manager product marketing voor PowerMill en FeatureCAM bij Autodesk (San Rafael, CA), erop dat operators die FeatureCAM gebruiken, de machine niet stap voor stap hoeven te programmeren; in plaats daarvan programmeren ze het met alledaagse winkeltermen, zoals 'draaien', 'boren', 'bouten' enzovoort. "Het heeft voldoende intelligentie om behoeften en vereisten uit dergelijke termen te herkennen en zal automatisch de juiste snelheid en koppelsterktes aannemen zonder dat het regel voor regel hoeft te worden geïnstrueerd."

Gadsden wijst ook op de Directed Automated Feature Recognition (DAFR)-capaciteit van FeatureCAM die "automatisch gaten, bosses, zijden en zakken in een enkele werkstroom herkent, wat snellere programmering mogelijk maakt. Terwijl standaard AFR het model in de actieve Z-as snijdt en complete features produceert terwijl het langs het model naar beneden beweegt, stelt DAFR gebruikers in staat om de features te selecteren die ze willen nog voordat de herkenning begint. Het minimaliseert programmeringstijd en helpt cyclus tijd te verminderen. In een afwijking van de conventie kan DAFR ook worden gebruikt in draaiprojecten. Het geeft gebruikers de optie om indexhoeken te kiezen. Dit helpt het aantal Z-as verplaatsingen te verminderen en versnelt zo het snijproces."

Daniel Remenak, productmanager voor 3D Systems (Rock Hill, SC), spreekt ook over programmeerhulp die verder gaat dan frezen: "GibbsCAM's MTM-product biedt een complete bewerkingsoplossing voor multitask-machines, waarmee je frezen, draaien en andere operaties over meerdere spindels kunt programmeren om alle kanten van een onderdeel te bereiken, en helpt bij synchronisatie en automatische onderdeeloverdracht, wat single-setup, lights-out bewerking mogelijk maakt. Op dezelfde manier biedt GibbsCAM's Tombstone Management System geautomatiseerde onderdelenlayout van één of meerdere taken op tombstone-spannen, zodat de machine volledig gebruikt kan worden terwijl de volgende tombstone buiten de machine wordt opgezet."

Ben Mund, senior market analyst bij CNC Software (Tolland, CT), ontwikkelaar van Mastercam-software, merkt op dat de meeste winkels onderdeelbestanden ontvangen van diverse klanten in diverse formaten. "Dus een groot deel van onze focus ligt op het creëren van CAD-tools voor werkers die bedoeld zijn om een onderdeel voor te bereiden en het sneller op een machine te krijgen. Dingen als gatvulling, spanningaanmaak en het repareren van vlakken of soliden komen vaak gecorrumpeerd of incompleet binnen." Mund voegt toe dat werkers vaak te maken hebben met situaties die de ontwerper bij het modelleren van het onderdeel mogelijk niet had overwogen, een extra aanleiding om de werker gespecialiseerde CAD-mogelijkheden te geven.

Simuleren of Negeren

Driedimensionale bewerkingssimulatie is een enorme programmeerhulp en wordt steeds beter. Neem de simulatie van de complete werktuigmachine, inclusief robotische lading en zelfs het logo op de schuifdeur. Het is misschien niet nodig vanuit een bewerkingsstandpunt, maar zoals Mund observeert:

"De operateur gaat een gereedschap door een stuk metaal halen. Alles wat je kunt doen om hun vertrouwen in de nauwkeurigheid te vergroten, is goed. En het is een geweldige manier om vertrouwen in verificatie als geheel te wekken." Hij voegt toe dat voor complexe multitasking-machines het simuleren van elk detail belangrijk wordt, omdat het anders moeilijk is voor de programmeur om botsingen voor te zien en te vermijden.

Remenak is het ermee eens dat CAM-leveranciers de breedte van wat gesimuleerd wordt uitbreiden, "aangezien programmeurs nauwkeurige simulatie eisen voor nieuwe soorten bewerking, zoals interpolatie draaien, draadwirbelen en polygoondraaien, broaching, of zelfs additieve metaaldepositieprocessen."

Siemens' Paradise maakt de interessante opmerking dat "CAM-systemen al lang veel meer weten over de toolpath dan we aan de programmeurs beschikbaar maakten. Maar we hebben de laatste jaren begonnen om veel meer toolpath-informatie weer te geven." Voorbeelden zijn het tonen van de gereedschapshoek, de dikte van het overgebleven materiaal, en het aanwijzen of er een probleem is, waardoor de programmeur direct naar dat punt wordt geleid.

"Het klinkt allemaal heel voor de hand liggend, maar het is redelijk nieuw," merkt hij op. "Deze dingen kunnen vrij belangrijk zijn voor een programmeur die probeert te begrijpen wat er aan de hand is of probeert een uitstekende afwerking te krijgen." En hoewel automatische botsingsdetectie een gemeenschappelijk kenmerk in CAM-pakketten is, maakten ze het niet altijd gemakkelijk voor de programmeur om te achterhalen waar en waarom. Paradise zegt dat dat verandert. "We geven gebruikers nauwkeurigere informatie over wat er gebeurt om hen te helpen betere bewerkingsoperaties te creëren."

Mund van CNC Software voegt toe dat kleurcodering van beweging helpt. "Met één blik kun je snelheden en voedingen zien, of het type beweging, of het type gereedschap dat gebruikt wordt." Hij herhaalt Paradise's mening dat moderne CAM zowel brede toolpath-analysetools voor verificatie en wat het programma oplevert, als analysetools biedt die de programmeur laten "induiken en één stuk beweging uiteenhalen en de cijfers zien die het aandrijven. Het is minder vaak dat mensen dat nodig hebben, maar wanneer ze dat wel hebben, is het belangrijk dat ze het hebben."

Omgekeerd is het soms het beste om dingen niet precies weer te geven zoals ze zijn. Mund zegt dat de overgang van CAD naar CAM geholpen kan worden door de werker de mogelijkheid te geven om een feature tijdelijk te onderdrukken, zoals een straal op een onderdeelhoek, om bewerking makkelijker te maken.

Volgens Paradise zijn er ook momenten waarop het helpt om het detail van het CAD-model te verminderen terwijl je het CAM-programma nog steeds vertelt om features in dat gebied te bewerken. "Ik bespaar modellerings-tijd. Ik bespaar bestandsgrootte. En ik automatiseer mijn CAM. Alles in hetzelfde proces." Dit laatste voorbeeld herinnert ons eraan dat, net als Autodesk, Siemens PLM een compleet CAD/CAM-pakket aanbiedt met NX.

Ten slotte argueert Paradise dat niet alle CAM-simulatie even nauwkeurig en naadloos is. "We drijven onze simulatie binnen NX CAM met de uiteindelijke G-code die naar de werktuigmachine gaat. De postprocessing is direct in het systeem ingebouwd. Dus direct na het programmeren van een pad genereert het systeem G-code en gebruiken we die G-code om de simulatie aan te sturen."

Paradise zegt dat de meeste CAD/CAM-pakketten een derde-partij product gebruiken voor bewerkingssimulatie. "Je moet G-code exporteren vanuit je postprocessor en importeren in een ander systeem. En je moet je machine-model, spannen en snijgereedschappen in dat systeem repliceren. Dan draai je je G-code-gedreven simulatie daar. En als er een ontwerpwijziging of een probleem is, moet je terug naar je CAM-systeem, een wijziging aanbrengen, en de cyclus opnieuw doorlopen. We zijn uniek in het doen van al dat binnen NX CAM on the fly."

Onderdelen Eruit

De mogelijkheid om de optimale voedsnelheid automatisch te programmeren op basis van een volumetrische analyse van het materiaal net voor de snijder is misschien wel het meest besproken onderwerp in de strijd om cyclus tijden te verkleinen. Elke CAM-leverancier biedt de mogelijkheid, met verschillende namen en variaties in operaties en asconfiguraties. In Mastercam heet het Dynamic Motion omdat, zoals Mund uitlegt, de software "constant de invalshoek van het gereedschap verandert zodat de spanbelasting constant blijft."

Een eenvoudig voorbeeld is snel gaan op een rechte sectie en vertragen om een hoek, terwijl de oude manier van programmeren van de snede was om een voedsnelheid in te stellen die het gereedschap in de hoek kon doorstaan en dezelfde snelheid voor de hele omtrek toe te passen.

Het doel is ook om zo lang mogelijk betrokken te blijven bij het werkstuk, wat de techniek onderscheidt van zowel conventionele ruwbewerking als trochoidale bewerking, die een deel van het onderdeel snijdt en dan omloopt om een ander klein deel te snijden. Van boven bezien kunnen Dynamic Motion's toolpaths chaotisch lijken in vergelijking, terwijl de spannen consistent in formaat en vorm zijn. Het is ook beter voor de snijder, omdat ontkoppeling en herkoppeling bijdraagt aan gereedschapslijst.

Mund voegt toe dat een ander ideaal is om zoveel mogelijk van het snijoppervlak van het gereedschap te gebruiken, diepe axiale sneden maken, "weliswaar iets minder diep radiaal dan je in conventionele bewerking zou doen. Het lijkt tegenstrijdig, maar het is veel sneller om een diepere axiale snede te maken met een minder diepe radiale invalshoek versus stapelmatig afdalend met een reeks diepe radiale sneden."

Mund erkent dat de meeste CAD/CAM-pakketten een vergelijkbare techniek hebben en zegt dat het "de standaardmanier is geworden voor zowel complexe ruwbewerking als 2D-afwerking de afgelopen paar jaar. Het is zo ver als we gekomen zijn om een universeel nuttig toolpath-type te creëren. We hebben winkels gezien met oudere machines en niet-top gereedschappen die bewerkingstijd met 50 tot 60% reduceren."

De aanpak van Open Mind was om de basis VoluMill-kit te licentiëren van Celeritive Technologies Inc. (Moorpark, CA) en hun eigen methoden toe te voegen voor dingen als snijden om meerdere diepten te krijgen, secties en botsingscontrole. Gegeven de aanpassing, kozen ze een eigen naam voor het product: Maxx Machining ruwbewerking.

Levine zegt dat het meest unieke aspect van de implementatie de uitbreiding is naar vijf-as bewerking. "Als je een gevormd onderdeel hebt zoals een bandenmold of een vliegtuigmotormantel, kunnen we het presenteren met vijf-as ruwbewerkingspaden. Als je traditionele CAM gebruikt op een gebogen oppervlak als een bandenmold, doe je veel Z-sneden en eindigt met veel trapstappen op dat oppervlak. Wanneer we hoge-prestatie ruwbewerking in vijf-as toepassen, morphen we naar de vorm, waardoor een constant hoeveelheid materiaal overblijft voor de afwerkingspad. Het hele proces verloopt beter en je kunt veel intermediaire opschoonsneden besparen."

Mund zegt dat Mastercam onlangs Dynamic Motion toevoegde aan vijf-as ruwbewerking en draaien, en Gadsden zei dat de nieuwe "automatische tool-as kanteling ... een enkele oplossing biedt die helpt gladde en veilige vijf-as beweging te genereren voor alle modelvormen en toolpath-typen, waardoor het even makkelijk is om vijf-as programma's te maken als met drie-as code."

GibbsCAM gebruikt ook VoluMill en Remenak schrijft het dramatische verbeteringen in snijtijd en gereedschapslevensduur toe. Hij voegt toe dat "recente vooruitgang de lessen geleerd in deze hoge-efficiënte freesalgoritmes heeft toegepast op draaien, en het resultaat is een nieuwe generatie draai-toolpaths zoals VoluTurn, beschikbaar in GibbsCAM 12. Deze nieuwe draai-toolpaths bieden hoge materiaalverwijderingssnelheden terwijl machine- en gereedschapsbelasting worden verminderd om snijkwaliteit en gereedschapslevensduur te verbeteren."

Niet-Snijtijd Verminderen

Naturel modern CAM minimaliseert ook niet-snijtijd door zowel optrekhoogtes als optrekafstanden te verminderen. "Op-trekhoogte klinkt als een klein ding, maar het kan een groot verschil maken op een groot onderdeel," observeert Paradise. Hij is ook enthousiast over het belang van het gladmaken van de beweging van zowel snij- als niet-snijpaden.

"De makkelijke manier om om te gaan met niet-snijbeweging is de machine te laten stoppen, optrekken, en snel verplaatsen naar een punt boven het volgende bewerkingsgebied, weer stoppen, naar beneden bewegen, en ingrijpen. Dat is prima voor een paar bewegingen, maar als het een onderdeel is dat je over tijd zult bewerken, kunnen duizenden dergelijke bewegingen in precies dezelfde posities op de mechanica zitten, en dat beschadigt de machine. Het is ook langzamer. Het berekenen van de juiste curve en het inbouwen van versnelling en vertraging aan elk uiteinde is de beste manier. Bijvoorbeeld, een grote klant bespaarde onlangs 10% in cyclus tijd op honderden van hun machines door alleen het gladmaken van de niet-snijpaden."

Het gladmaken van niet-snijtijd vereist geen geavanceerde besturing of dure machine. Het is een eenvoudige manier om de productiviteit van zelfs een economische machine te verhogen. En omdat het ook slijtage op de machine vermindert, vergroot het de levensduur van de machine.

Overige Opwindende Voortgang

Aanvullende verbeteringen omvatten de nieuwe 3D-geoptimaliseerde ruwbewerkingscyclus in Open Mind's hyperMILL, die verbeterd is voor toepassingen met high-feed snijders (die ondiepe sneden maken met grote overschrijding). De overschrijdingsafstand kan berekend worden vanuit de scallop-hoogte gemeten tegen de high-feed snijdergeometrie en een specifieke toolpath-beweging verwijdert restmateriaal uit hoeken wanneer er een grote overschrijding is.

Levine zegt dat het geheim ligt in het nauwkeurig modelleren van de geometrie van de bodem van de snijder, terwijl "andere software een high-feed snijder benadert als een bullnose snijder met een hoekstraal. De bodem van een high-feed snijder heeft eigenlijk een grote effectieve straal en we modelleren het als zodanig."

Een voordeel is dat je dichter bij wanden kunt frezen omdat de software weet waar de geometrie van de snijder ruimte laat, terwijl simulaties die de snijder benaderen met een vlakke bodem contact zien waar geen is. Levine voegt toe dat het modelleren van de snijder ook betere berekeningen mogelijk maakte voor de afstand tussen aangrenzende sneden om de oppervlakkwaliteit te controleren.

Een andere Open Mind-functie die niet beperkt is tot high-feed snijders is "intelligente snijverdeling." Als bijvoorbeeld een sectie van een werkstuk de verwijdering van 4,1" (104 mm) materiaal vereist en de programmeur een stapover van 1,0" (25,4 mm) specificerde, zou de laatste snede erg dun zijn (en nog dunner kunnen zijn dan dit voorbeeld). Behalve dat het inefficiënt is, kan het bewerken van dergelijke dunne lagen in sommige materialen zeer nadelig zijn, zegt Levine. "Daarom bieden we deze optie om de voorgeschreven stapovers te overschrijven, herberekenend op basis van het totale aantal stappen zodat elke snede evenveel materiaal verwijdert."

Tot slot maken veel bedrijven het gebruik van "cirkelsegment eindfrezen" en andere nieuwe conische vat-tool ontwerpen mogelijk. (Zie "Nieuwe Tool-ontwerpen Dreven Sneller-Dan-Ooit Snijden," ME Tooling & Workholding uitgave, Lente 2018). Zoals Levine uitlegt, hebben dergelijke tools een effectieve straal van maximaal 1.500 mm, waardoor stapover-afstanden van 6 en 8 mm realiteit worden voor een superieure oppervlakteafwerking met cyclus tijdreducties van meer dan 90%. "Je hoeft niet van snijder te wisselen om aangrenzende gebieden af te werken zoals afgeronde binnenhoeken, en moeilijk bereikbare gebieden kunnen op een efficiënte, veilige manier worden gemachineerd," zegt hij.

Gadsden zei dat ze drie jaar geleden samenwerkten met een klant om vijf-as bewerking van zeer complexe blisks te optimaliseren met vat-tools en konden de freescijklstijden reduceren van 200 uur naar 35. "Dat is een besparing van 83%, en we verminderde ook gereedschaps kosten met 72%."

Een ander verbeteringsgebied is 3D-printen. Autodesk's Gadsden benadrukt de groeiende beschikbaarheid van machines die subtractieve en additieve processen combineren. "Deze hybride machines lijken erop ingesteld om te transformeren hoe we onderdelen produceren, maar ze presenteren een programmeeruitdaging voor CAM-software want additieve processen zijn niet simpelweg subtractieve in omgekeerde volgorde. Met dit in gedachten heeft Autodesk gespecialiseerde tools toegevoegd aan PowerMill om high-rate additieve productieprocessen te programmeren, controleren en simuleren."