De nieuwe Numeric Control kan veel meer
Nieuwe generatie CNC-besturingen krijgt grotere rol in verspaningsproces
Het tekort aan vakmensen speelt in alle Westerse landen in veel sectoren. Ook in de metaalindustrie. Automatisering wordt als een van de oplossingsrichtingen gezien. Niet alleen automatisering in de vorm van robotbelading, maar ook in de betekenis van software die bepaalde taken van de operator overneemt. Of die het programmeren van een machine vergemakkelijkt, waardoor minder vakkennis nodig is voor de basis bediening. De nieuwe generatie CNC-besturingen krijgt een grotere rol.
De manier waarop dit gebeurt, is dat machinefabrikanten steeds vaker een eigen schil over de CNC-besturing heen leggen en daarin apps aanbieden waarmee bepaalde taken geautomatiseerd worden. Dit varieert van specifieke bewerkingscycli, bijvoorbeeld voor het frezen van vertandingen, tot en met macro’s of simulatie van de bewerking. Maar het kan ook specifieke software zijn die bepaalde controlerende taken van de machine-operator overneemt, waardoor deze niet continu het proces hoeft te bewaken of dat de bewaking doorgaat tijdens het onbemand bewerken.
De uitdaging is om de vakman te vervangen door softwareregels
Een voorbeeld hiervan is de optie die in meerdere besturingen wordt aangeboden om de voeding automatisch aan te passen (Adaptive Feed Control). Als deze functie aan staat, berekent de besturing de optimale verhouding tussen de voeding en de belasting van de spindel en het gereedschap en past de voeding hierop aan. Vaak gebruiken deze apps de signalen die de machine al genereert, soms worden er ook specifieke sensoren aan toegevoegd. Het detecteren van chatter en het aanpassen van de snijparameters is een ander voorbeeld. De operator hoeft hier minder naar om te kijken. Het verlagen van de instapdrempel om een machine te kunnen bedienen speelt bij vrijwel alle ontwikkelaars van CNC-machines. Zeker bij de instapbesturingen proberen de ontwikkelaars het noodzakelijk kennisniveau zo laag mogelijk te houden door de software meer taken over te laten nemen.
Kwaliteitsborging dankzij data
De algemene trend is echter via de nieuwe besturingen procesverbetering realiseren. Tijdens het AWK 2021, het driejaarlijkse Kolloquium voor de werktuigmachine industrie in Aken, werd in een keynote presentatie door de Boston Consulting Group dit als argument voor een nieuwe generatie besturingssystemen gebruikt. Data benutten voor betere processen. Daarmee zou de Overall Equipment Effectiviness (OEE) aanzienlijk kunnen verbeteren, gemiddeld met zo’n zeven procentpunten. Met name heeft de producerende industrie een probleem dat achteraf pas de kwaliteitscontrole kan gebeuren omdat men niet tijdens het proces data uitleest, verwerkt en de uitkomsten direct gebruikt om het proces bij te sturen. Als voorbeeld werd het lassen gegeven, maar het geldt net zo goed voor de verspaning. Als je bij handmatig lassen realtime de proceskrachten meet, kan men op basis hiervan de kwaliteit goed voorspellen.
Kunstmatige Intelligentie zet nieuwe stappen binnen CNC-besturingen
De ingrediënten hiervoor zijn er al. De uitdaging is het huidige oog van de vakman, die meteen ziet of een proces goed loopt of niet, te vangen in softwareregels. De digitale tweeling gaat hier een sleutelrol in spelen. In Aken heeft men bijvoorbeeld een testopstelling gebouwd om de kwaliteitsborging van een blisk (een turbineschijf voor een vliegtuigmotor die uit een stuk is gefreesd) al tijdens het CNC-frezen te doen. Daartoe vertaalt de software de uitgelezen machinedata naar een digitale tweeling. Deze wordt vergeleken met het oorspronkelijke CAD-model en men kan daarna uitspraken doen over de kwaliteit van het freesdeel. In de luchtvaart en ook de medische industrie kan dit veel kostenbesparingen opleveren. In deze sectoren kunnen de kosten gemoeid met kwaliteitsborging oplopen tot een kwart van de totale productiekosten.
Kunstmatige Intelligentie
Ook Kunstmatige Intelligentie dringt door tot de nieuwe generaties CNC-besturingen. Deze onthoudt bijvoorbeeld aanpassingen die de operator aan de machine doet en houdt daar volgende keer als zich zo’n situatie voordoet al direct rekening mee. Of leert van de gebruikte strategieën en gaat deze al automatisch voorstellen. Een vrij recente stap is het gebruik van Machine Learning algoritmen die gecombineerd met het werkstukmodel instellingen voorstellen om thermische invloeden op de nauwkeurigheid van de bewerking te minimaliseren. Sommige experts verwachten dat door de opmars van Kunstmatige Intelligentie er een directe koppeling zal ontstaan tussen de ontwerpsoftware en de CNC-besturing, de maaksoftware. Zeker als het gebruik van software in de cloud toeneemt, kunnen algoritmen worden ingezet om de productiviteit te verbeteren en bewerkingen te optimaliseren, vanuit alle invalshoeken.
Een fabrikant die dit al in de praktijk doet is het Chinese Beijing Jingdiao, dat juist hierom een eigen besturing en eigen CADCAM-software bouwt. In de machine meet een laser elke 15° graden van het profiel van de snijkanten van de frees. Dit profiel wordt in de besturing ingeladen. Dankzij de vergaande integratie met de CAM-software, kan de besturing voor elk punt waar dit nodig is corrigeren, rekening houdend met de gemeten slijtage van de frees.
Mazak werkt op een andere manier aan de integratie van CADCAM-functionaliteiten in de besturing van de machine. Met 3D Assist wordt het programmeren van een 3D-model gemakkelijker omdat men het 3D-model inleest en eenvoudig de bewerkingen kan programmeren. Bij de nieuwe Smooth Ai gaat Mazak nog een stap verder door het programmeren van bepaalde delen vergaand automatisch te laten verlopen. Ook wordt het gemakkelijker om vanuit de besturing een digitale tweeling van de bewerking te creëren en de machine te synchroniseren met Smooth CAM, het pakket voor op een desktop server.
Android voor de CNC-industrie
Autodesk begeeft zich eveneens in de richting van de machinebesturingen. De CADCAM-ontwikkelaar heeft de ambitie om in de werktuigmachine industrie hetzelfde te doen als Google met Android in de markt voor smartphones heeft gedaan. Het Autodesk Machine Control Framework (AMCF) is een open source framework dat als als een verbindingsschakel dient tussen de CADCAM-software en de hardware van de CNC-machines. Hierdoor ontstaat een closed-loopsysteem. Anders gezegd: op dit moment communiceren CADCAM en de hardware niet op een native wijze met elkaar.
Elk CAM-programma moet eerst door de postprocessor voor elke specifieke machine. Autodesk wil met de nieuwe, browser gebaseerde Human Machine Interface, een directe koppeling maken tussen de machine en de CADCAM software. Via API’s (digitale interfaces) kunnen ook oplossingen van derden op het platform draaien, net als de apps op een smartphone. AMCF converteert de gereedschapsbanen van de CADCAM files naar de signalen voor de besturing van de machine. De controller stuurt op zijn beurt realtime data uit op basis waarvan men een digitale tweeling kan maken. Deze vormt weer de basis voor de CADCAM software om bijvoorbeeld werkstukken te inspecteren en eventueel het programma bij te sturen, vergelijkbaar met wat in Aken gebeurt. Het systeem is nog volop in ontwikkeling. Het geeft echter wel duidelijk aan in welke richting de besturingstechnologie zich gaat ontwikkelen.
Virtueel oppervlakteruwheid bepalen
Wat Autodesk als open source oplossing wil realiseren, is bij Siemens gedeeltelijk al realiteit, maar dan binnen het industrieel softwareplatform van het concern. De twee jaar geleden geïntroduceerde Sinumerik One besturing is digital native. Dat wil zeggen dat deze besturing vanaf de basis is gebouwd voor in het digitale tijdperk. Het programmeren en aansturen van een robot was voorheen al mogelijk via Sinumerik, maar bij de nieuwe besturing is dit verder geïntegreerd. Ook botsingdetectie is nu onderdeel van Sinumerik One. De nieuwe besturing levert voordelen voor de machinebouwers, die al tijdens de ontwikkeling virtueel zaken kunnen testen. De machinegebruikers kunnen alle bewegingen vastleggen en analyseren om te zien waar efficiencyverbeteringen mogelijk zijn. Hiervoor wordt uitgeweken naar Industrial Edge-computers.
Het verwerken van deze data gebeurt dus buiten de besturing om. De nieuwste oplossingen gaan zover dat men de oppervlakteruwheid van het werkstuk al kan beoordelen voordat het stuk daadwerkelijk op de machine is gemaakt. De software die Siemens hiervoor gebruikt, werkt namelijk ook met procesdata die gegenereerd worden uit luchtfrezen. De softwareoplossingen die hiervoor nodig zijn, kopen de gebruikers in de nieuwe Machine Tool Software Store, de online winkel.
De CNC-besturing is dus niet langer meer enkel en alleen bedoeld om op basis van de geprogrammeerde geometrie van het werkstuk en de freesparameters de verschillende assen van een werktuigmachine aan te sturen en de bewegingen te controleren. De nieuwe generatie CNC-besturingen gaat nadrukkelijk een rol spelen in het hele maakproces, inclusief het optimaliseren en inclusief de kwaliteitsborging.
