Simulatie Software: Visuele Verificatie voor Veiligere, Snellere CNC-Operaties

Moeg van op de rode knop te drukken? Simulatiesoftware is de sleutel tot veiligere, kortere machine-opstellingen.

In een perfecte CNC-wereld is het eerste onderdeel altijd een goed. Er is geen behoefte aan extra rouwstukken of staafmateriaal. Opstellingstijden zijn alleen zo lang als nodig om een paar gereedschappen te wisselen en een nieuw programma te laden. Er is nooit een botsing, nooit de noodzaak om een inefficiënt stuk code te herprogrammeren. De operator drukt gewoon op de groene knop en er rollt een afgerond werkstuk minuten of uren later uit.

Wat is de magische technologie die deze wereld mogelijk maakt? Het heet simulatiesoftware, en hoewel het heel weinig winkels heeft gebracht tot de staat van productie-nirvana zoals hierboven beschreven, is het een belangrijke stap in die richting.

Door programmeurs de mogelijkheid te geven om alles van het bewerkingsproces te simuleren — de gereedschaphouders, spindels en tourellen, het constant veranderende werkstuk en de snijgereedschappen die eromheen en erdoorheen bewegen — maken software-ontwikkelaars hun virtuele werelden tot hoogst nauwkeurige voorspellers van alles wat zal gebeuren zodra die groene knop wel wordt ingedrukt. De bottom line is duidelijk; als jouw winkel geen toolpath-simulatiesoftware gebruikt om NC-programma's te valideren, verspil je niet alleen waardevolle productietijd, maar zet je ook dure werktuigmachines en je veiligheidsrecord op het spel.

Een Verzekering Afsluiten

Maar wacht even — onze CAM-software heeft al simulatiemogelijkheden, denk je. Waarom zouden we extra geld investeren als ons huidige systeem de klus kan klaren? Volgens Ben Mund, senior market analyst voor Mastercam CAD/CAM-ontwikkelaar CNC Software Inc. (Tolland, CT), kunnen er heel goede redenen zijn om precies dat te doen.

"De meeste CAM-systemen bieden vandaag de dag een bepaalde mate van toolpath-simulatie die perfect acceptabel is voor de meerderheid van bewerkingsapplicaties," zei hij. "Het verschil tussen dit en gespecialiseerde simulatiesoftware is dat CAM-pakketten, als regel, de daadwerkelijke post-verwerkte G-code die door de werktuigmachine gebruikt wordt, niet lezen. Hierdoor biedt standalone toolpath-simulatie een extra beveiligingslaag voor extreem hoogwaardige taken en complexe bewerkingsapplicaties. Het is alsof je een verzekering afsluit."

Zoals met alles in de productie, is CAM-software echter steeds meer capabel, en dat omvat de mogelijkheid om meer van het bewerkingsproces te simuleren — waar eens ruwe wireframe-modellen van het snijgereedschap en werkstuk de norm waren, bieden Mastercam en anderen nu verrassend realistische weergaven van de volledige bewerkingsomgeving, inclusief de spannen, gereedschaphouders, en zelfs de CNC zelf.

Mund vergelijkt deze ontwikkeling met de geleidelijke convergentie van CAD en CAM — waar de twee ooit volledig losstaande producten waren, wordt CAM vandaag de dag erg CAD-achtig, en vice versa.

"Veel winkels hebben geen standalone CAD-systeem meer nodig omdat hun CAM-pakket alles doet wat ze nodig hebben," zei hij. "Het is een heel vergelijkbare situatie met machine- en toolpath-simulatiesoftware — CAM biedt misschien niet dezelfde diepgang aan verificatie, maar weer, tenzij je die extra beveiligingslaag wilt, doet het de klus — en het progresseert constant."

Krachtig Doorgaan

Craig Chester, PowerMill productmanager bij Autodesk Inc. (San Rafael, CA), stemt in met Mund's beoordeling. "Zeer weinig van onze klanten gebruiken gespecialiseerde simulatiepakketten, aangezien ze vertrouwen op de betrouwbaarheid van hun CAM-simulatie," zei hij.

Het kleine percentage klanten dat wel investeert in standalone pakketten, doet dat meestal omdat ze meerdere CAM-oplossingen hebben, misschien van verschillende leveranciers, en een enkele, gespecialiseerde oplossing consistente resultaten biedt, legde Chester uit. Dit zijn doorgaans grotere klanten, zoals luchtvaart- of defensiefirma's, die ook geneigd zijn verschillende CAM-pakketten te gebruiken voor hun mill-turn draaibanken, vijf-as bewerkingscentra, EDM-apparatuur enzovoort.

Ironisch genoeg kan de grootste voordeel van standalone simulatiesoftware — de capaciteit om machine G-code te lezen — ook haar Achillezoon zijn.

"Het nadeel van simuleren buiten het CAM-programma is dat de gebruiker pas problemen ontdekt nadat het onderdeel geprogrammeerd is," wees Chester erop. "Als de fout vroeg in het bewerkingsproces zit, dan zullen veel daaropvolgende toolpaths herberekend moeten worden. Maar door alles in het CAM-programma te simuleren, kunnen deze onnodige en kostbare herberekeningen vermeden worden."

Maar niet te haast. Tom McCollough, directeur productmanagement in Autodesk's CAM en Hybrid Manufacturing groep, stemt in dat ingebouwde simulatie programmeurs de mogelijkheid geeft om snel de effecten van toolpath-wijzigingen te bepalen, maar voegde toe dat dit geen be-all, end-all oplossing is voor een aantal bedrijven.

"Stel je voor dat je wekenlang ruw- en halfafwerking hebt gedaan op een erg groot autogereedschap, en dan botst in de stock op de laatste fasen, waarbij zowel het onderdeel als de spindle beschadigd raken," zei hij. "Dit kan niet alleen de desbetreffende taak nadelig beïnvloeden, maar ook andere taken (voor andere klanten) in de wachtrij. De potentiële impact is enorm, wat fabrikanten van hoogwaardige componenten motiveert om een 'tweede opinie' te verkrijgen van een onafhankelijk stuk software."

De G-code-gedreven simulatie in NX CAM van Siemens gebruikt dezelfde NC-programma's die werktuigmachines aansturen. De hoogst nauwkeurige simulatie helpt bedrijven falen te elimineren, onderdeelkwaliteit te verbeteren en machine uptime te verhogen, volgens Siemens.

Doe Me Een Solid

Jean-Marc Cauzac, DELMIA role manager bij Dassault Systèmes (Waltham, MA), biedt soortgelijke aanbevelingen. Zoals de andere softwareleveranciers die voor dit artikel geïnterviewd werden, bieden Dassault Systèmes' CAM-producten nauwkeurige, realistische simulatiemogelijkheden, met complete 3D-weergaven van de werktuigmachine, inclusief spanningsapparaten, klemmen en kaken, en indexerende koppen.

Cauzac zei dat dit voldoende is voor de meerderheid van onderdelenfabrikanten omdat de meeste botsingsproblemen (en moeten) wel vóór de generatie van machinecode geëlimineerd kunnen worden. "Een geïntegreerd systeem stelt alle toegankelijkheids- en bereikbaarheidsuitdagingen in staat om erg vroeg in de programmadefinitie gecontroleerd te worden, inclusief toolpath-fouten zoals snelle doorloop in het materiaal of te agressieve snijparameters, alsook mogelijke botsing tussen elk van de net genoemde elementen."

Cauzac merkte op dat geïntegreerde CAM-simulatie op sommige manieren beperkt is: Sommige klanten willen niet geloven in simulaties die afkomstig zijn van de software die de toolpath creëert, uit vrees dat de softwareleverancier niet zowel rechter als jury kan zijn.

Wanneer de klant verschillende CAM-oplossingen in zijn faciliteit gebruikt, wordt een enkele externe simulatieprogramma — mits het een nauwkeurige interface naar de CAM-software heeft — vorgegeven omwille van zijn vermogen om homogene validatie te bieden.

Gespecialiseerde simulatiesoftware is vaak uitgebreider dan CAM-gebaseerde simulatie, die geneigd is meer toolpath-georiënteerd te zijn en de gefixeerde cycli en subroutines die op de meeste besturingen gebruikt worden, niet in overweging neemt.

Argumenten ten faveure van externe simulatiesoftware terzijde, stelde Cauzac voor dat geïntegreerde systemen zowel sneller als minder foutgevoelig zijn. "Ze bieden perfecte digitale continuïteit omdat alle 3D-elementen die in de simulatie gebruikt worden, dezelfde bron hebben," zei ze. "Er is geen noodzaak voor data-overdracht tussen twee systemen, wat extra inspanning en de mogelijkheid dat informatie verloren gaat, met zich meebrengt."

Gebruik De Kracht

Zoals Mastercam's Ben Mund eerder noemde, is het lezen van de code die door de machinecontroller gebruikt wordt, misschien wel de sleutelverschil tussen standalone en geïntegreerde simulatiesoftware. Iemand met veel te zeggen over het onderwerp is Gene Granata, productmanager voor VERICUT toolpath-simulatie- en verificatie-softwareleverancier CGTech Inc. (Irvine, CA).

"Een aantal mensen proberen de waarde van derde-partij simulatie te ontkrachten door te claimen dat het onnodig is, of overkill," zei hij. "Maar om een digitale tweeling van de werktuigmachine en het bewerkingsproces te bereiken, moet je dingen als vijf-as compensatie, gereedschapslengte en spanningsoffsets, macro's en subroutines, en hoe het snijgereedschap echt beweegt tijdens positioneringsmodus, includeren, elementen die niet overwogen worden wanneer interne instructies van het CAM-systeem worden gebruikt om de simulatie te bouwen."

Terwijl het argument woedt over of machinewinkels dit niveau van simulatie-nauwkeurigheid nodig hebben, wijst Granata snel op iets wat ze wel nodig hebben: optimalisatie. "Het is een hond-eet-hond wereld daaraan buiten, en in business blijven is vaak gebaseerd op scheefje profitmarges. Daartoe is er een enorme focus op toolpath-optimalisatie."

Voor Granata is optimalisatie niet over CAM-specifieke routines gericht op effectieve zakvorming en constante spanbelasting, hoewel die erkend noodzakelijke onderdelen van de bewerkingsvergelijking zijn. Wat belangrijker is, zei hij, is manieren vinden om toolpaths te optimaliseren op basis van wat de werktuigmachine kan, gegeven het werkstukmateriaal en de snijgereedschappen die gebruikt worden.

Hier komt Force in, een softwaremodule binnen de VERICUT-suite die toolpath-simulatie en CAM-software alike complementeert, ongeacht welk logo op de doos staat.

"Dit vertegenwoordigt een volledig nieuw niveau van Industry 4.0 programmeerintelligentie, en CGTech alsook andere softwareontwikkelaars schrapen eigenlijk maar aan de oppervlakte van deze capaciteit," zei hij. "Elke snijgereedschapsfabrikant zal je vertellen dat hun gereedschappen harder gedrukt kunnen worden en optimalisatie is de beste manier om dat te bereiken."

De G Lezen

Op de schutting tussen standalone en geïntegreerde simulatie zit Siemens PLM Software Inc. (Plano, TX), die een van CGTech's vroegste partners was en die rol vandaag de dag nog steeds vervult. Maar zoals Siemens' Senior Director for Advanced Part Manufacturing Vynce Paradise uitlegde, besloot het bedrijf onderweg een eigen draai aan simulatie te ontwikkelen, een die een integraal deel is van zijn NX CAM-software.

"Er zijn veel goede CAM-systemen en alle bieden een bepaald niveau van toolpath-simulatie, maar het is belangrijk te erkennen dat er meerdere niveaus beschikbaar zijn," zei hij. "Er is de basis-simulatie waar je het stockmodel, het snijgereedschap, en misschien de gereedschaphouder kunt zien, elk relatief tot elkaar bewegend. We noemen dat toolpath-verificatie, en hoewel nuttig, is het slechts een startpunt."

Ga een stap verder en je hebt echte machinesimulatie, de "digital twin" die CGTech's Granata noemde en een term die iedereen bij Siemens kent. "Dit is waar we ons vandaag op richten," wees Paradise erop. "Het gaat verder dan de basis net beschreven om alle aspecten van de bewerkingsopstelling te omvatten, elk met zijn eigen kinetiek en relatieve beweging. Veel CAM-systemen tonen dit vandaag, maar wat anders is aan de onze is dat we NC-code on the fly posten en die gebruiken voor simulatie in NX CAM, wat een 'best of both worlds' oplossing biedt."

Paradise bood de volgende analogie: Als je een luchtvaartpiloot wilt worden, zou je liever leren in een vluchtsimulator die generieke vluchtsimulatiesoftware gebruikt of in een die de bestuursomgeving van het daadwerkelijke vliegtuig nauwkeuriger nabootst? "CAM-geïntegreerde simulatie met de daadwerkelijke G-code is erg vergelijkbaar met het laatstgenoemde en blijft de meest complete manier om te repliceren wat er tijdens het bewerkingsproces gaat gebeuren."

Lenteforward

Spring Technologies Inc. (Boston), eerder dit jaar overgenomen door technologie-oplossingenleverancier Hexagon, is een andere ontwikkelaar van CNC-machinesimulatie- en verificatie-software. General Manager Silvère Proisy stemt in met zijn collega's over de merieten van toolpath-optimalisatie en G-code-validatie, maar voegde diverse andere overwegingen toe voor degene die de banden aan het testen zijn op een van deze softwaresystemen.

Het eerste is dat simulatie niet alleen voor winkels is met hoogst complexe werktuigmachines of dure onderdelen. "Natuurlijk zijn onze primaire klanten degene met multi-kanaal draaibanken en vijf-as bewerkingscentra, maar we zien een toename in winkels die hun NC-programma's willen optimaliseren, en dit omvat die met basis twee- en drie-as machines," zei Proisy. "En hoewel niemand zich een crash van enig kapitaalgoed kan permitteren, zijn het de kleinere winkels die het meest beïnvloed worden wanneer deze ongelukkige gebeurtenis plaatsvindt. Onze NCSIMUL-software elimineert dat risico."

Toolpath-optimalisatie vanuit Vericut toolpath-simulatie- en verificatie-software van CGTech is gebaseerd op geprojecteerde snijkrachten en helpt de gereedschapslevensduur te verbeteren en de trilling die leidt tot chatter te elimineren, volgens het bedrijf.

Met toolpath-simulatie weten programmeurs altijd waar het gereedschap was, en waar het volgende gaart, zoals in deze Mastercam-module.

Voor de critici die suggereren dat het gebruik van standalone simulatiesoftware zowel tijdrovend als foutgevoelig is, zei Proisy dat gebruikers moeten kijken naar automatisering als de volgende stap in toolpath-simulatie; door NCSIMUL op een server te installeren die verbonden is met het shopfloor-netwerk, is het mogelijk om toolpath-bestanden naar een "black box" te sturen en ze automatisch te laten verifiëren — tenzij er een probleem is, is de enige inspanning het lezen van het geëmailde rapport dat de G-code good to go is. Dit is slechts de eerste stap de automatiseringsweg af.

Volgens Prosiy is de software van zijn bedrijf momenteel in staat om NC-programma's te herverwerken voor gebruik in andere werktuigmachines, en dat "met de druk op een knop." Vooruitziend, ziet hij een flexibele maar slimme interface die die stap automatisch zal regelen op basis van welke machine de taak is toegewezen.

"Het derde punt is connectiviteit," zei hij. "Dankzij ons partnerschap met Hexagon, verwachten we dat we binnenkort data van sensoren op de werktuigmachine kunnen ophalen en die waarden gebruiken om het programma on the fly bij te werken. Het kan tool-lengte offsets of spanninglocaties zijn, of het kan feedback zijn op spindelbelasting en trilling. We zijn nog niet zo ver in Industry 4.0, maar het is zeker iets wat aanstaat."

De Sim Puzzle Voltooien

Jeff Fritsch, vice president of sales and marketing bij CAMplete Solutions Inc. (Kitchener, ON), heeft ook zijn zichten gericht op Industry 4.0 en het IIoT (Industrial Internet of Things). Het bedrijfs TruePath-software "biedt alles wat nodig is om vijf-as toolpaths in een geïntegreerde 3D-omgeving te analyseren, wijzigen, optimaliseren en simuleren," terwijl de Lite- en TurnMill-producten vergelijkbare functionaliteit bieden voor drie-as freesmachines en live-tool draaibanken, respectievelijk.

In termen van Industry 4.0-functionaliteit is het CAMplete's Intelligent Protection System (IPS) dat de helderste indicator biedt van de richting die de productiegemeenschap inslaat. Ontwikkeld in partnerschap met machinebouwer Matsuura, gebruikt IPS TruePath's simulatiemogelijkheden om intelligente look-ahead te leveren op basis van in-process machine data. Het resultaat is een virtueel crash-vrije machine-omgeving, zelfs tijdens handmatige operatiemodus, volgens Fritsch.

Met de toegenomen gebruik van complexe mill-turn draaibanken en multitasking-machines, is nauwkeurige bewerkingssimulatie, zoals die geleverd door DELMIA van Dassault Systèmes, belangrijker dan ooit.

Zoals met andere simulatie-systemen, leest TruePath de G-code en verifieert dat het veilig zal zijn om in de machine te draaien," zei hij. "Maar aan het eind van de dag kan niemand ervoor zorgen dat de operator daadwerkelijk het juiste gereedschap in de spindle plaatst en dat het onderdeel daar is waar het moet zijn."

IPS werkt in combinatie met TruePath om dit potentiële probleem te elimineren, zei hij. In plaats van te vertrouwen op het CAM-systeem voor diverse waarden, is er een high-speed glasvezelverbinding direct met de machinecontroller — er is geen noodzaak om aannames te maken over offsets of macro-waarden omdat ze in real-time worden uitgelezen, en de machine wordt veilig gestopt voordat de problematische positie bereikt wordt.

Hoewel nog niet beschikbaar voor andere machinemerk, komt IPS, evenals intelligente machine probing die onderdelen zal meten, de juiste offsets zal maken, en automatisch het deel van het programma zal herhalen dat nodig is om een out-of-tolerance conditie te corrigeren.

"Dit is niet anders dan wat een menselijke operator zou doen, maar we doen het met software," zei Fritsch. "Nu zijn we in het proces van het bouwen van deze logica zodat de machine kan beginnen te vertrouwen op geautomatiseerde feedback om beslissingen te nemen, uiteindelijk de onderdeelkwaliteit verbeterend terwijl cyclus tijden en operationele kosten worden verminderd. Winkels hoeven niet twee of drie onderdelen te machine om er één goed te maken, of tijd te verspillen met onderdelen uit de machine halen om te meten — het zou first part, good part moeten zijn, zonder al die menselijke interactie. Dat is ons doel."