De nieuwste Ontwikkelingen bij machinebesturingen

De ponsband van weleer heeft (bijna) plaatsgemaakt voor voice control

Een onmisbaar onderdeel van een bewerkingsmachine is de besturing. In principe doet deze nog steeds hetzelfde als de eerste NC-besturing uit 1952. De manier waarop is echter totaal anders en hetzelfde geldt voor de mogelijkheden die nieuwe besturingen bieden.

Van NC naar CNC

De ontwikkeling van de eerste NC-besturingen (Numeric Control) gaat terug tot eind de jaren 40, toen de Amerikanen een oplossing zochten om sneller onderdelen te kunnen produceren voor hun luchtmacht. De eerste besturing is ontwikkeld aan het Massachusets Institute of Technology (MIT) voor een freesmachine. Deze werkte zo’n beetje als een oude telex: het programma werd in een ponsband gestanst. Dit gatenpatroon werd door de besturing gelezen en in signalen voor de freesmachine omgezet.

Toch duurde het na de eerste presentatie in 1952 nog meerdere decennia voor dit concept echt aan zijn opmars kon beginnen. Daarvoor waren microprocessoren nodig. NC werd toen CNC: Computerized Numeric Control. Vanuit de VS en via Japan kreeg de CNC-besturing ook in Europa voet aan de grond, onder andere in Duitsland. De volgorde, de richting en de snelheid van de mechanische bewegingen komen uit de besturing, zoals de ledematen van de mens bewegen aan de hand van signalen uit de hersenen.

De CNC-besturing vormt de hersenen van de werktuigmachine

De huidige besturingen lijken eigenlijk nog maar weinig op die van de eerste generatie, of het moet zijn dat het programma nog steeds uit G-codes bestaat. Wereldwijd werd er in 2022 $ 2,6 miljard besteed aan CNC-besturingen (data: Research and Markets). Dit zal oplopen naar $ 3,86 miljard tegen 2030. De belangrijkste factor voor de groei van de markt voor CNC-besturingen is de digitalisering.

Industrie 4.0 en alles wat daarmee samenhangt, zoals automatisering en Industrial Internet of Things, vragen niet alleen nieuwe ontwikkelingen op het vlak van de besturingen zelf, maar openen ook heel nieuwe mogelijkheden. Deze worden ondersteund door de explosieve groei van de computerrekenkracht, die zowel technisch als financieel zaken mogelijk maakt die tien jaar geleden nog voor onmogelijk werden geacht.

Wat speelt er momenteel?

In de huidige ontwikkeling van de CNC-besturing gaat de aandacht de jongste jaren vooral uit naar de Human Machine Interface (HMI), anders gezegd de gebruiksvriendelijkheid. Dit wordt mede ingegeven door het wereldwijde tekort aan vakmensen, waardoor fabrikanten dus gedwongen worden om het gebruiksgemak van machines te verbeteren.

Langs de andere kant zijn er de typische Industrie 4.0-toepassingen, zoals realtime monitoring of het automatisch aanpassen van parameters en communicatie met externe apparatuur. Dit stelt machinebouwers voor een moeilijkere keuze. Tot nog toe proberen de meesten hun machines gesloten te houden. Digitalisering en zeker Industrial Internet of Things vragen echter om openheid, voor een makkelijke data-uitwisseling.

Een onderwerp dat hierdoor stilaan zichtbaar wordt en de komende jaren waarschijnlijk meer aandacht zal krijgen, is cyber security. In het Industrie 4.0-tijdperk zijn de machines steeds vaker gekoppeld aan zeker het bedrijfsnetwerk en in toenemende mate aan het internet. Dit noodzaakt ontwikkelaars om cybersecurity hoger op de agenda te zetten.

Gebruiksgemak

Vergeleken met het tijdperk van de eerste ponsbanden, is de gebruiksvriendelijkheid sterk verbeterd. Deze trend is de jongste jaren in een stroomversnelling geraakt. Dat zie je niet alleen terug in de grotere bedieningsschermen - tot wel 24 inch en soms nog groter (sommige fabrikanten bieden standaard al twee beeldschermen) - maar ook in de veel intuïtievere bediening.

De besturingsfabrikanten hebben hier inspiratie gehaald uit de smartphonemarkt. Swipen en met twee vingers in- en uitzoomen zijn ook aan de werktuigmachine inmiddels ingeburgerd. Een vrij nieuwe ontwikkeling is spraakbesturing op CNC-machines. Enkele jaren geleden werd dit concept voor het eerst gedemonstreerd op de IMTS in Chicago, waar een operator onder andere een Okuma CNC-machine met stemcommando’s kon bedienen.

Hoewel enkele machinefabrikanten enthousiast reageerden, is deze HMI nog niet op de markt gebracht. Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld de voice control-toepassingen in moderne auto’s, die wel gemeengoed beginnen te worden. Toch zijn onderzoekers er nog steeds mee bezig. Het lastige is dat de microfoons ongevoelig moeten zijn voor de vele geluiden in een productieomgeving. Daarnaast kan de software niet in de cloud draaien maar op een lokale server, zonder internetaansluiting.

In Duitsland werken enkele hogescholen en universiteiten gezamenlijk aan stembesturing voor CNC-machines. Op de EMO Hannover 2023 zullen ze hun resultaten demonstreren via een 5-assige freesmachine met 4-assige robot, die beide via voice control bediend worden.

Méér dan programma

De verandering van de HMI is mede ingegeven doordat de operator van de CNC-machine tegenwoordig digitaal meerdere zaken doet dan enkel het programma maken en de bewerking controleren.

Sommige besturingen hebben een geïntegreerde toolmanager, waarmee de operator toegang heeft tot de planning en de orders die nog verwerkt moeten worden. Alle informatie die de operator nodig heeft, is toegankelijk via het bedieningsscherm van de machine. Dat geldt ook voor gereedschapsdata, inclusief 3D-modellen, informatie over standtijd, botsingsdetectie ...

Het programmeren wordt vergemakkelijkt doordat fabrikanten voor de meest gangbare bewerkingen cycli integreren die de operator kiest en waarvoor slechts een beperkt aantal gegevens ingevoerd hoeft te worden.

Programmeren

De toename van computerrekenkracht en de komst van krachtige algoritmen leiden tot een interessante ontwikkeling: CNC-besturingen worden intelligenter en kunnen voor een deel het programmeren aan de machine overnemen of zelfs CAM-programma’s minder snel noodzakelijk maken. Deze ontwikkeling staat nog relatief aan het begin.

Een fabrikant die belooft op basis van een STEP-file grotendeels automatisch het programma te genereren, heeft het vooralsnog over relatief eenvoudige werkstukken. Maar op de komende EMO laten enkele fabrikanten zien dat ze ook vrijvormvlakken, dus complexere 5-assige werkstukken, aanzienlijk sneller kunnen programmeren doordat dit deels automatisch gebeurt. Soms volstaat het om vlakken te selecteren waarna automatisch de bewerking wordt geprogrammeerd; soms kan men op het touchscreen een contour selecteren waarna de software vanzelf de programmaregels genereert.

Deze ontwikkeling moet vooral gezien worden als een stap om minder ervaren CNC-operators sneller een goed programma te laten maken. Dankzij de tegenwoordig vaak geïntegreerde simulatietools, kan de operator het programma overigens virtueel controleren voor de eerste spanen worden gemaakt. Simulatie zit tegenwoordig bijna altijd in de moderne CNC-besturingen. In de nieuwe versies wordt hierbij niet alleen gecontroleerd op botsingen van gereedschap met de machine, maar ook met opspangereedschappen. Dit kan zowel handmatig als automatisch gebeuren.

In de laatste besturingsversies komt ook de aandacht voor CO₂-reductie om de hoek kijken. Nu de Europese Green Deal grote producenten verplicht om emissiedata te registreren, wat geleidelijk ook zal doorsijpelen naar de kleinere bedrijven, zoeken machinebouwers naar oplossingen om de CO₂-emissie van een bewerking te registreren.

Monitoring

In het Industrie 4.0-tijdperk draait het om constante dataoverdracht tussen de reële en de digitale wereld. In de werktuigmachine-industrie ziet men dit terugkomen in tal van monitoringsystemen. Soms zijn deze geïntegreerd in de besturing, soms zijn het softwareapplicaties die als een schil over de besturing heen liggen.

De monitoringopties gaan verder dan enkel bewaken; ze kunnen ook ingrijpen in het programma als dat nodig is. Zo is een veel gebruikte optie adaptieve voeding: de besturing past automatisch de voeding aan op basis van gegevens die in de machine gemeten worden. Op die manier wordt het programma tijdens de bewerking verder geoptimaliseerd om de cyclustijd terug te dringen.

Een andere optie op dit vlak is het automatisch zoeken van de juiste balans tussen snelheid en kwaliteit. Met een schuifknop op het touchscreen geeft de operator aan wat belangrijker is – kortere bewerkingstijd of hogere kwaliteit – en de besturing stelt de snijcondities zo in dat men zo dicht mogelijk bij het ideaalbeeld komt.

Meerkanaals besturingen

Niet alleen is het aantal assen dat een moderne CNC-besturing kan aansturen sterk toegenomen (tot meer dan 200 assen bij sommige besturingen), ook zijn de geavanceerde besturingen meerkanaalsuitvoeringen. Het aantal kanalen kan daarbij oplopen tot meer dan 40.

Hierdoor kan men bijvoorbeeld de robotbesturing in de CNC-besturing integreren, zodat de operator de robot – of cobot – in dezelfde omgeving programmeert als de machine. Ook hier is gebruiksvriendelijkheid de grote drijfveer achter de ontwikkeling, evenals de afname van het aantal ervaren CNC-operators. Het zorgt tegelijkertijd voor kortere programmeertijden.

Digitale tweelingen

De grote verandering die nu op de industrie afkomt, is het creëren van een digitale tweeling (digital twin). Die gaat verder dan het 3D CAD-model. Dat is een theoretisch model, terwijl de digitale tweeling een echte weergave is van de praktijk, doordat de bewerkingsdata uit de machine aan het 3D-model worden toegevoegd.

Met name als het gaat om duurzaamheid, wordt de digitale tweeling veel potentieel toebedacht. Hierin vloeien namelijk de ontwerpfase, de gegevens uit de productie en uit de gebruiksfase samen.

Digitale tweelingen zullen in alle stappen van het maakproces een rol gaan spelen

De grote uitdaging is wel dat er weinig homogeniteit bestaat in de manier waarop machines hun data opslaan. De digitale wereld bestaat bij het eenvoudig en gestandaardiseerd uitwisselen van gegevens, zodat deze door anderen geanalyseerd kunnen worden, waarna een actie volgt.

Deze discussie woedt momenteel heel erg, waarbij de Duitse machinebouwers met umati een standaard interface aanbieden. Umati wordt als communicatiestandaard inmiddels niet alleen door fabrikanten van gereedschapsmachines omarmd, maar ook door robotfabrikanten en producenten van andere apparatuur die in de verspaning nodig is.

Cyber security

De keerzijde van de digitalisering en de koppeling van de CNC-machines aan het internet is dat ze kwetsbaarder worden voor cyberaanvallen. De kans hierop is niet groot, maar als het gebeurt, zijn de gevolgen ingrijpend. Zeker als hackers toegang zouden krijgen tot de programma’s op de besturing. Cybersecurity zal komende jaren meer aandacht vragen van de ontwikkelaars van besturingssystemen.

De grote CNC-ontwikkelaars
Hoewel er tal van ontwikkelaars van CNC-besturingen bestaan, wordt de markt gedomineerd door een handvol spelers die vaak ook nog regionaal sterk zijn.
- Fanuc is wereldwijd de grootste aanbieder en is vooral in Azië heel dominant aanwezig.
- Siemens was jarenlang vooral in de Duitstalige Europese landen de voor de hand liggende keuze van metaalbewerkers maar heeft ondertussen wereldwijd een sterke positie opgebouwd. Siemens is overigens een van de pioniers: al in 1961 meldde het Duitse concern een patent aan voor een numerische besturing van werktuigmachines.
- Heidenhain is wereldwijd actief, maar vooral in Duitsland sterk. Heidenhain was een van de eersten die een alternatief ontwikkelde voor de G-code, klartext. Dit concept wordt ook in de nieuwste besturing weer gebruikt.
- Mitsubishi Electric is in Europa minder bekend als besturing, maar Mazak Mazatrol is bijvoorbeeld een gezamenlijke ontwikkeling van Mitsubishi met de Japanse machinebouwer. Mazatrol introduceerde de dialoogbesturing, eveneens een alternatief voor G-codes.
- Mazak is een van de weinige machinebouwers die een eigen besturing aanbiedt, of beter gezegd een eigen versie op basis van de Mitsubishi-besturing. Met Smooth AI zet Mazak de weg in richting kunstmatige intelligentie.
- Okuma is een andere machinebouwer die zelf de besturing ontwikkelt. Al vanaf de jaren zestig ontwikkelt Okuma de eigen OSP-besturing waarvan dit jaar op de EMO de P500-versie gepresenteerd wordt.
- Ook het Amerikaanse Haas bouwt eigen besturingen voor de werktuigmachines. Met het VSP-programmeersysteem wil Haas de operators vooral een tool in handen geven om snel G-code-programma’s te maken.
- Hurco is de andere Amerikaanse fabrikant die met de WinMax-besturing een stap verder wil gaan dan menig grote machinebouwer. De optie om snel en eenvoudig te programmeren op basis van een STEP-file wordt dit jaar uitgebreid met de mogelijkheid om vrijvormvlakken zo te programmeren.
- Andere ontwikkelaars van CNC-besturingen zijn onder andere Fagor, NUM en het Chinese Wuhan Huazhong Numerical Control.