Ve snaze dosáhnout vyšší efektivity a v naději na získání nových zakázek investují výrobní firmy do moderních obráběcích strojů. Jejich komplexní povaha může vyžadovat simulaci obrábění jako nezbytný nástroj pro NC programátora, nikoli tedy pouze jako užitečnou pomůcku pro ověření programu.
I když díky postupnému vývoji simulace obrábění dnes většina CAM systémů nabízí určitou funkcionalitu, lze bezpečně říci, že zdaleka ne všechny systémy pracují na stejném principu. Rozdíly mezi nimi mohou být důležité, když NC programátor skutečně potřebuje míst jistotu, že to, co se odehrává v digitálním světě, se odehraje i ve skutečnosti na obráběcím stroji. Jak říká staré přísloví, dobrý nástroj je zásadní pro dobrou práci, a abyste si byli jisti, že máte pro svou práci ten správný proces, je důležité porozumět rozdílům v nástrojích pro simulaci obrábění.
Základní úroveň
CAM systémy už mnoho let uměly – a stále umí – poskytnout základní úroveň simulace, která je známá jako „ověření drah nástroje“. Při ní je zobrazován pohyb řezného nástroje nad 3D modelem obráběného dílu. To umožňuje ověření dráhy nástroje relativně vzhledem k dílu. Kontrolu drah nástroje lze provést bez jakéhokoli zobrazení příslušného obráběcího stroje. Pro účely standardního frézování nebo soustružení je tato úroveň ověření požadované dráhy nástroje často naprosto dostačující.
Při použití možnosti zobrazení automatického úběru materiálu, při rychlosti dnešní výpočetní techniky a díky dosaženému pokroku v softwarových algoritmech může tato úroveň ověření dráhy nástroje udělat i velmi dobrý dojem. O ověření vnitřní dráhy nástroje se skutečně dobře postará. Uživatel jednoduše vidí vnitřní definici dráhy nástroje, která přesně stanovuje, kde se řezný nástroj relativně vzhledem k obráběnému povrchu nachází.
Vidět kompletní obraz
Jestliže přecházíme k pokročilejším obráběcím strojům, jejichž základní pohyb umožňuje více stupňů volnosti nebo je možné provádět současně několik úloh, je třeba použít odlišný typ simulace. Je třeba vzít v úvahu a ukázat, jak se budou chovat navržené dráhy nástroje v součinnosti s řídicím systémem a celým obráběcím strojem, aby bylo možné vidět pohyb stroje jako uceleného systému, nikoli pouze v podobě pohybu řezného nástroje vzhledem k dílu.
Nejzákladnějším způsobem řešení, který nabízí všichni dodavatelé CAM, je software zohledňující pouze definici vnitřní dráhy nástroje, tedy velmi podobným způsobem jako u základní úrovně ověření dráhy nástroje. Tato funkcionalita je známá jako „simulace obrábění na základě vnitřní dráhy nástroje“ a software ji posouvá do roviny generického pohybového výstupu spojeného s osami softwarové 3D reprezentace modelu obráběcího stroje.
Tento přístup je poměrně zjednodušený a, co je důležitější, může být relativně obecný. V této fázi softwarového řetězce jsou definice pohybů nezávislé na konkrétním provedení a modelu cílového obráběcího stroje a řídicího systému. Většina dodavatelů CAM systémů se při tvorbě svých řešení pro simulaci obrábění raději přikloní k použití hotové generické aplikace třetí strany, která se postará o 3D kinematický model stroje a zobrazení pohybů.
Efekt postprocesoru
Postprocesor je velmi mírně řečeno důležitou součástí uceleného systému číslicového řízení (CNC). Ve většině případů se využívá jediný způsob, kterým postprocesor předává data řídicímu systému obráběcího stroje, a to na základě známých G-kódů a M-kódů.
Problém často spočívá v tom, že na jedné úrovni jsou G-kódy a M-kódy standardizované a univerzální. Jako všechny normy jsou ovšem tyto kódy rozšiřovány a různými způsoby interpretovány výrobci řídicích jednotek a dodavateli obráběcích strojů. Protože ve většině případů má řídicí systém k dispozici pouze tyto kódy a s nimi spojené číselné hodnoty, je přesný způsob interpretace kódů rozhodující.
Má-li systém simulovat pohyb obráběcího stroje správným způsobem, potřebuje získávat data přímo z výstupu postprocesoru (tj. z finálních programů, zasílaných do řídicího systému stroje). Pro takto složitý úkol je software založený na prostředcích pro simulaci vnitřní dráhy nástroje zcela jednoduše nedostatečný.
Simulace obrábění na základě G-kódů
Není třeba zdůrazňovat, že pro účely simulace založené na výstupu z postprocesoru potřebuje systém takový software, který je schopen interpretovat G-kódy a M-kódy stejně jako i další příkazy specifické pro daný řídicí systém. Potom přenáší tyto informace na příslušné vstupy pro pohyby jednotlivých řízených os nebo ovládaných zařízení v rámci obráběcího stroje.
Aby toto bylo možné, je nezbytná detailní znalost konkrétního stroje a jeho řídicího systému, a to dokonce až do úrovně očekávané konfigurace tohoto stroje pro cílového zákazníka. Jedná se v podstatě o zpětnou analýzu či reverzní inženýrství výsledku zpracování postprocesorem, ideálně stejným způsobem, kterým tuto úlohu provádí řídicí systém stroje. Ačkoli to na první pohled vypadá komplikovaně, neztrácejte hlavu, výsledek stojí za to. Výstupem je 3D simulace založená na těch samých G-kódech a M-kódech, které budou zaslány do obráběcího stroje pro obrobení skutečného dílu.
Postprocesor může také přidat další činnosti, které považuje za logické, ačkoli nebyly přítomny v rámci předchozí programovací fáze, zaměřené na vnitřní dráhu nástroje. Nástroj tyto činnosti také zohledňuje. Výsledkem celého procesu je realističtější a ucelenější simulace toho, co obráběcí stroj skutečně realizuje. V komplexních a mnohdy stísněných pracovních prostorech obráběcích strojů, zvláště multiprofesních s paralelním prováděním více obráběcích úloh, je takový přístup k simulaci zcela nezbytný.
Existují způsoby, umožňující kontrolu toho, zda je váš CAM systém schopen provádět simulaci obrábění na základě G-kódů. Jednou z možných zkoušek je zjištění, zda systém umí načíst a simulovat NC program z externího zdroje. Tedy například program, který byl vytvořen a modifikován ručním způsobem, nebo program z obráběcího stroje, napsaný pomocí G-kódů a M-kódů. Dopadne-li zkouška úspěšně, znamená to, že váš systém umí zpětně analyzovat tyto kódy pro konkrétní stroj a jeho řídicí systém a je tedy schopen provádět simulaci obrábění na základě G-kódů.
Na trhu se vyskytují některé velmi dobré samostatné softwarové aplikace, nabízející ověření NC programu před jeho odesláním do výroby. Tato softwarová řešení umí načíst výstup z CAM systémů a využít získaná data přesně tak, jak potřebujete. Nevýhoda využití externího softwaru pro simulaci obrábění spočívá v tom, že vyžaduje finanční investici nad rámec toho, co jste již za svůj CAM systém jednou zaplatili.
Jak simulovat správně a přesně
I bez ohledu na náklady přináší použití samostatných aplikací pro simulaci na základě G-kódů ve formě doplňkového řešení pro CAM systém také další obtíže. Například s ohledem na synchronizaci pohyblivých komponent vícekanálových obráběcích strojů si programátor přesně přeje vidět, kde se budou v libovolném okamžiku nacházet tyto klíčové komponenty stroje, upínací prvky a řezné nástroje. Jedná se obzvláště o případ, kdy programátor používá software pro vkládání kódů typu „čekací bod“ a „synchronizace“ do sekvence operací NC programu. Tyto kódy, které řídí vícenásobné sekvence obrábění, podobně jako semafory řídí provoz vozidel projíždějících frekventovanou křižovatkou, jsou zásadní pro zajištění stavu, v němž se multiprofesní stroje nestanou zároveň stroji „multikolizními“.
Aby byla synchronizace při vícekanálovém způsobu obrábění spolehlivá, je nezbytné zajistit polohovou přesnost a přesné časy na operace i jednotlivé NC bloky. Systém musí být tedy schopen vypočítat přesné výrobní časy a zároveň zohledňovat funkcionalitu řídicího systému spolu s parametry pro každou řízenou osu stroje (zrychlení, max. rychlost, omezení zrychlení, polohovací okna, apod.), přičemž všeobecná simulace obrábění může nabídnout pouze přibližné hodnoty. Ta zdaleka nestačí ani v případě, že vyhodnocujeme přesnost rychle se pohybujícího strojního zařízení a malé obráběné rozměry, kdy programátor maximálně využívá disponibilních možností daného obráběcího stroje.
Někteří programátoři přidávají kódy typu „synchronizace“ a „čekací bod“ ručně k výstupům postprocesorů CAM systémů a poté využívají externí softwary pro simulaci obrábění k celkovému otestování. Pokud zjistí nežádoucí problémy, samozřejmě provedou lokální ruční editaci G-kódů nebo M-kódů nebo se vrací zpět do svých CAM systémů a opakovaně prochází příslušnou výrobní sekvenci na způsob pokusu a omylu. V ideálním případě by výrobní závody potřebovaly všechny tyto možnosti přímo v rámci CAM systému v okamžiku, kdy programátor synchronizuje celou sadu operací.
To, co by bylo skutečně ideální, je úplná integrace funkcionality postprocesoru s interní simulací obrábění „na základě G-kódů“. Tato kombinace přímo propojená se synchronizačními funkcemi v rámci CAM systému znamená, že NC programátor má veškerou funkcionalitu k dispozici v rámci jednoho softwaru.
Reálný řídicí systém v rámci simulace obrábění
Není sporu o tom, že simulace založená na G-kódech a M-kódech znamená podstatný pokrok ve srovnání se simulací vnitřní dráhy nástroje. Ta je však i přesto stále závislá na tom, jak správně software interpretuje tyto kódy, a na tom, které pohybové algoritmy jsou použity a jak simulace odpovídá tomu, jak je skutečně použita pro kombinaci konkrétní řídicí systém a obráběcí stroj.
Slovo „simulace“ v sobě obsahuje i cíl, kterého se snažíme dosáhnout. Tedy realisticky znázornit přesně to, co řídicí systém obráběcího stroje udělá na základě příslušných G-kódů a M-kódů a pokročilých transformačních příkazů. Je důležité si uvědomit, že každá řídicí jednotka obsahuje také určitý software – propracované algoritmy určené k interpretaci dat přicházejících k nim z postprocesorů CAM systémů. A v tomto ohledu nejsou žádné dva řídící systémy úplně stejné.
Přejete-li si opravdu simulovat skutečný pohyb obráběcího stroje, musíte zajistit vhodný způsob replikace toho, co software konkrétního řídicího systému přesně udělá na základě dané sekvence G-kódů a M-kódů. Pro tento účel je ideální získat přesně tu verzi softwaru, kterou využívá reálný řídicí systém stroje, a použít ji i pro účely simulace obrábění.
Tímto způsobem lze software výrobce řídicího systému použít k interpretaci G-kódů a M-kódů ve virtuálním světě CAM systému. Žádoucím výsledkem je potom „simulace obrábění na základě řídicího systému“. Jak z hlediska CAM systému, tak z hlediska samostatného simulátoru znamená simulace obrábění na základě řídicího systému zcela novou úroveň komplexnosti a přesnosti.
Ucelenou verzi softwaru řídící jednotky ve formě zásuvného modulu, kterou je možné začlenit do softwaru simulátoru obrábění, nabízí v současné době jen velmi malý počet dodavatelů řídicích jednotek obráběcích strojů. Jedním z nich je společnost Siemens v podobě řízení Sinumerik 840D, který je ve svém standardu vybaven počítačovým softwarem. Siemens PLM Software, provozní jednotka divize Siemens Industry Automation, tento software začlenila do své nabídky, aby poskytla CAM simulaci na základě řídicího systému v rámci CAM modulu svého softwarového balíku NX. Siemens a Siemens PLM Software se navíc spojili s vybranými výrobci obráběcích strojů s cílem vytvoření samostatných simulačních balíčků pro výrobní společnosti ve formě volitelného rozšíření funkcionality pro konkrétní stroje.
Podpůrné balíčky pro obrábění s NX CAM
Pro současné pokročilé obráběcí stroje, jako jsou multifunkční obráběcí centra, vyvinula společnost Siemens PLM Software koncepci dodávek ucelených podpůrných balíčků pro obráběcí stroje. Tyto balíčky obsahují nejen odladěný postprocesor, ale také 3D sestavu modelu obráběcího stroje, ovladač pro simulaci na základě G-kódů, přednastavené šablony pro standardní způsoby obrábění, vzorové díly a dokumentaci. U strojů využívajících řídicí systém Siemens Sinumerik 840D jsou k dispozici možnosti zavedení simulace na základě řídicího systému.
Softwarový balík pro CAM může být vybaven tou nejefektnější 3D simulací včetně vizualizace kovově lesklých odrazových ploch 3D modelu obrobku. Důležitější ovšem je to, aby vše, co vidíme v digitálním světě na obrazovce počítače, bylo také tím, co se skutečně odehraje po stisku tlačítka start na reálném obráběcím stroji.
Pro zajištění nejlepších výsledků mohou některé obráběcí stroje potřebovat ovladač pro G-kódy v rámci vnitřního simulátoru obrábění CAM systému. Pro maximalizaci hodnoty investice do obráběcího stroje není „simulace na základě řídicího systému“ už jen možností, nýbrž nutností, ať už s rámci CAM systému pro účely programovací úlohy či na dílně v rámci samostatného simulátoru obrábění.
