AZ ÜZEMFENNTARTÁS MÛKÖDÉSI FELTÉTELEI 1.02 2.02 5.16
A szimuláció megnöveli a szerszámgépek termelékenységét és rendelkezésre állását Tárgyszavak: megmunkálóközpont; rendelkezésre állás; szerszámgép; szimuláció; termelékenység.
A gyártóberendezések termelékenysége iránti egyre növekvő követelmények a szerszámgépgyártást és a vezérlés- és hajtástechnikát fokozott mértékben állítják új kihívások elé: komplex mechanikai folyamatokat egyre növekvő funkcionalitású alkalmazási szoftverrel vezérelnek. A szerszámgépek megbízhatóságának és rendelkezésre állásának ily módon növelésében a szimuláció egyre inkább kulcsszerepet játszik. A szerszámgép fejlesztésének két fontos fázisa a mechanikai konstrukció és a vezérlés tervezése, amelynek során meg kell tervezni az alkalmazandó vezérlés- és hajtástechnikát, valamint a CNC- és a PLC-ben (programozható logikai vezérlés), illetve a kezelőmezőben alkalmazott szoftvert. A szerszámgép termelékenységét mind a mechanikai, mind a vezérléstechnikai kiindulási feltétellel jelentős mértékben befolyásolják. Ugyanakkor a teljes rendszer termelékenységét csak a szerszámgép elkészülése után, az üzembe helyezés és az elvégzett tesztelés során lehet véglegesen hitelesíteni. Az üzembe helyezés és a teszt után szükségessé váló változtatások nagy költséggel járnak, és gyakran késleltetik a szerszámgép kiszállítását vevőhöz. Közvetlenül ebből adódik a szerszámgépgyártás azon igénye, hogy olyan módszereket és eszközöket használhasson, amelyekkel a mechanikai konstrukció és az irányítástechnikai egység közös tesztjét, beleértve az alkalmazási szoftvert is, a fejlesztési folyamatba lehessen előrehozni. Így adódik a lehetőség, hogy már a gyártás és szerelés előtt egy virtuális szerszámgép segítségével a lényeges tulajdonságokat szimulálják és értékeljék. Ennek a szimulációnak az eredménye lehet egy célzott elemzés és a szerszámgép termelékenységének erre felépített megnövelése. A szimuláció ezen túlmenően lehetővé tesz egy szimultán
gépszerkesztést a mechatronikus fejlesztési folyamatban, ezzel az átfutási idő és a szoftver minősége döntően javítható. Ezen túlmenően a hibákat előre el lehet kerülni, és ezzel elérhető a szerszámgép rendelkezésre állásának növelése.
Egy szerszámgép-szimuláció mechatronikus modellje A szimuláció leképez egy (műszaki) rendszert annak dinamikus modelljével abból a célból, hogy olyan felismerésekhez vezessen, amelyek átvihetők a valóságba. A szimuláció ma az üzemi eszközök vagy gyártási folyamatok tervezésének minden szintjén megtalálható mint például: – folyamatszinten abból a célból, hogy egy folyamat meghibásodásmentes működését vagy egy munkadarab geometriai megfelelőségét hitelesítsék, – a gyártócella vagy gép szintjén, a szerszámgépek dinamikus működésének (pl. frekvenciamenetek) vagy helyes mozgási viselkedésének (pl. ütközésmentesség) biztosítására, – létesítményszinten a gyártástervezésben, létesítménykoncepciókban (üzemelrendezés, kapacitás) az optimális kialakítás érdekében. Az itt leírt rendszer a gépi szintű szimulációról szól. Ennél konzekvensen támaszkodik egy mechatronikus kiindulási helyzetre, amelynél a mechanika és a vezérléstechnika egymásra hatását elemezni és optimalizálni lehet. Ugyanakkor nem tartalmaz semmilyen, a szerkezeti dinamikát szimuláló modellelemeket, tömegeket, merevségeket, és ezáltal a rugalmassági frekvenciagörbéket nem veszi figyelembe. Itt a véges elemes szimuláció vagy többtestrendszerek már jelentős eredményekhez vezettek, ezeket egyre gyakrabban alkalmazzák a szerszámgépgyártás ipari gyakorlatában.
A szimulációs környezet felépítése Az itt tárgyalt szimulációs környezet vizsgálatának célja a CNC – beleértve az alkalmazási szoftvert is – és a mechanikai folyamatok egymásra hatásának hitelesítése. Annak érdekében, hogy a szimuláció a lehető legnagyobb mértékben megfeleljen a valóságnak, a CNC-t tényleges hardverben alkalmazzák. A rendszer kialakításánál egy SINUMERIK 840D típusú CNC-t használtak fel, amely magában foglalja mind a számjegyes vezérlést az interpoláló tengelymozgásokra, mind a
PLC-t (programozható logikai vezérlés). A Profibus adatvonalrendszeren keresztül csatlakoztatják a PC-bázisú szimulációs modellt (1. ábra). A szimulációs PC a CNC részére a valódi szerszámgépet „varázsolja elő”, anélkül, hogy ez már „acélból és vasból” létezne.
szimulációs rendszer 1. viselkedési modell 2. kinematika és gépállapotok megjelenítése Sinumerik 840D
Profibus PCI-kártya
1. ábra Rendszerfelépítés: Valóságos CNC csatlakoztatása a PC szimulációs rendszerhez Profibus adatvonalon keresztül Az adatvonal-csatlakozáson keresztül a PC-n a PLC periféria minden kimenőjele rendelkezésre áll, és fordítva, bemeneti jeleket visszakapcsolnak. Ezen túlmenően az NC-vezérlésű tengelyek helyzetei a SINUMERIK 840D nyitottsága miatt átvihetők. A Profibus PC-hez történő hardveroldali csatlakoztatására egy PCI-kártyát alkalmaznak, amely egyúttal szimulálja a Profibus-kommunikáció alapvető részeit 125 perifériaegységig, illetve Profibus-slave-ig (munkaállomás). A PC-n a Siemens AG SINUMERIK „Gép” szimulátor bázisán rendelkezésre áll egy szimulációs környezet, amely biztosítja a következőket: – viselkedés modellezése (viselkedési modell), – a gépállapotok és a CNC-jelek, valamint a kinematika képi megjelenítése (2. ábra). A viselkedési modell adja vissza a gép logikáját és leírja a szerszámgép érzékelése és működése közötti kölcsönhatást. Részletezi a szerszámgép válaszadási viselkedését a vezérlés szemszögéből. A mo-
dell függvényekből van felépítve, (például az IEC 1131 előírás szerint), azaz tipikus módon logikai operátorokból (ÉS, VAGY), időtagokból és szabályzóelemekből (3. ábra baloldalán). Ezekkel számítják ki az aktuális CNC kimeneti jelekből a szerszámgép állapotait és mozgásait, valamint a CNC bemeneti jeleinek kiosztását.
szerszámtár
szerszámcserélő
orsó
megmunkálóasztal
2. ábra Egy MCH 250 kinematikai modellje és a szerszámcserélő egység elemei
CNC kimeneti jelek
viselkedési modell CNC bemeneti jelek (szenzor, adó)
CNC input/output
mechanikus hajtómű
időtag motor bekapcsolás
x út
idő
véghelyzet (érzékelő)
y út bütykös tárcsa a hajtóműhöz
szerszámcserehelyzet
motorbekapcsolás érzékelő véghelyzete
szög
3. ábra Szerszámcsere viselkedési modelljének részlete (baloldalon) és a hozzá tartozó gépállapotok és CNC-jelek megjelenítése (jobboldal)
Modellépítés egy megmunkálóközpont példáján A nürtingeni Gebr. Heller Werkzeugmaschinen GmbH vezető megmunkálóközpont-gyártó cég a forgácsolás terén. A 2. ábra bemutatja a 4-tengelyű, marómegmunkálásra szolgáló MCH 250 megmunkálóközpont egyszerűsített modelljét. A maróközpontok termelékenysége döntő mértékben függ a mellékidőktől, így például a szerszámcsereidőtől. Ennek jellemző értékeként gyakran a forgácsolástól forgácsolásig tartó időt tekintik. A forgácsolástól forgácsolásig tartó idő az, ami a szerszámorsó lelassításához, a mechanikus szerszámcsere elvégzéséhez és az orsónak a megmunkálási fordulatszámra való felgyorsításához szükséges. A modern, nagy termelékenységű megmunkálóközpontok forgácsolástól forgácsolásig tartó ideje kevesebb mint két másodperc. Éppen a sorozatgyártásban, mint például az autógyártásban, a hajtómű gyártásánál a szerszámcsere mellékidejének döntő hatása van az ütemidőre, és így az egész üzem vagy a gyártósor termelékenységére. Ez szükségszerűen komplex mechanikai folyamatokhoz és a PLC és NC részéről terjedelmes felhasználói programokhoz vezet. A konkrét példában, a 2. ábra szerint a szerszámok cseréje az új szerszámnak a szerszámtárban való rendelkezésre bocsátása, az orsónak a cserehelyzetbe való haladása és a szerszámok cseréjéhez szükséges munkatér ajtajának kinyitása után a szerszámfogó kombinált emelkedő/forgó mozgásával történik. A mechanika és a vezérlés együttműködését így már előre a virtuális modellen a szimuláció segítségével értékelni lehet. Abból adódnak korlátok, hogy az alkalmazott PC képes-e az operációs rendszer valós idejű működtetésére. A 3. ábra sematikusan mutat be részleteket egy szerszámcsere viselkedési modelljéből. A SINUMERIK Gép Szimulátor a drag and drop (egérművelet) alkalmazásával a grafikus kezelőfelület által lehetővé teszi azt, hogy a gép viselkedését funkcióblokkok váltásával modellezzék. Kezelőábrák teszik lehetővé az alkalmazó részére, hogy a szerszámgép állapotai és jelzései 2 dimenziós tárgyanimációval váljanak láthatóvá. Ezen túlmenően az alkalmazót támogatja a – a Macro Component Editor (MCE), amellyel egyes funkciókat blokkokba lehet összefogni, – a Component Type Editor (CTE), amelynek segítségével a szerszámgép komplex funkciói magas szintű programnyelven is leírhatók (hasonlóan az ANSI-C-hez) és külön funkcióként újra felhasználhatók egy könyvtárba gyűjtve,
– Time and Message Editor (TME)a szimulációs állapotok időbeli rögzítéséhez. A CTE alapján, amely lehetővé teszi a szerszámgép szimulációs komponenseinek szabad programozhatóságát, szimulációs forgatókönyveket hatékonyan és áttekinthetően lehetett előállítani. Például a szerszámfogó emelkedő/forgó mozgását működtető mechanikai hajtóművet egy bütykös tárcsával képezik le, amelyet táblázatos fix pontokkal definiálnak a hajtómű viselkedésének leírására. Egy 3 dimenziós kinematikai modellt alakítanak ki, amely a szerszámgép megjelenítésére szolgál, és a gépgyártás CAD-világa részére megfelelő illesztőegységeket biztosít.
Automatizált szimuláció – jobb szoftverminőség Az eddigiekben leírt eljárás lehetővé teszi hibamentes és hibás esetek manuális tesztelését valóságos vezérléssel és virtuális géppel, amelyet egy viselkedési modell képez le. A szerszámgépgyártás növekvő igényei automatizált regressziós kísérleteket céloznak meg, azaz célzott teszteseteket definiálnak, és a gép és a vezérlés viselkedését automatizáltan ellenőrzik. Ebből a célból az 1. ábra szerinti rendszerfelépítést egy úgynevezett tesztautomatával bővítik ki. A tesztautomata egymást követő utasítások sorozatát (Skipt) dolgozza fel, amelyek vagy egy kezelési akciót váltanak ki a CNC-n vagy a szerszámgép modelljében egy jelet célzottan adott értékre állítanak vagy kiválasztanak. A CNC automatikus kezelésére szolgáló tipikus utasítás, pl. egy NCprogram betöltése, a végrehajtás. A szimuláció automatizálása magában foglalja pl. az érzékelőjelek változtatását annak érdekében, hogy az érzékelő kiesését zavarhelyzetnek modellezzék, vagy az időbeli viselkedés változtatását mint pl. az időtartam meghosszabbítását, a műveleti tér és a szerszámtár közötti ajtó zárására. Műveleti utasításokkal egy új viselkedési modellt is lehet választani, és a szimulátorba be lehet tölteni annak érdekében, hogy különböző géptípusokat lehessen tesztelni. A viselkedési modell állapotainak felállításához és ellenőrzéséhez szükséges műveleteket egy további illesztőegység biztosítja. Az egymást követő utasítások sorozatával reprodukálhatóan szimulálhatók a gép és a vezérléstechnika előre meghatározott állapotai és hitelesíthető a megfelelő viselkedés. Hibahelyzeteket lehet leképezni, amelyeket a valóságos gépen nagy ráfordítással, vagy csak részben le-
het megvalósítani. Ilyen például egy érzékelő villogása forgácsrepülés miatt. Abban az esetben, ha az egymást követő utasítások sorozatát archiválták, lehetőség van arra, hogy az adatokat a gép vevőhöz szállítása után a továbbiakban is felhasználják abból a célból, hogy pl. hibahelyzeteket hozzanak létre a szerszámgép nélkül. Az egyszer felismert hibák beépíthetők a tesztesetekre készült archívumba úgy, hogy ezeket az összes jövőbeli gép- és alkalmazási szoftverszint esetében automatikusan ki lehessen zárni.
Összefoglalás Szerszámgépek szimulációjával a vezérléstechnika és a mechanika együttműködését már a termékfejlesztés folyamatában előre lehetett hozni a virtuális világba. A SINUMERIK Gép Szimulátor bázisán leírt rendszert ma már iparilag alkalmazzák abból a célból, hogy az átfutási időket hatékonyabb fejlesztési folyamatokkal lerövidítsék, és ennek megfelelően a költségeket csökkentsék. További alkalmazási területeket vizsgálnak jelenleg, amelyek kiterjednek például a képzési rendszerben való alkalmazásra. Ezenkívül előirányozták a gépi modellek bővítését, mint például a gépszerkezet tulajdonságainak szimulálását. Törekvések vannak a szimuláció növekvő részletezésével egy hatékony modell előállítására, amely illeszkedik a gépgyártás konstrukciós rendszereihez. Összeállította: Korényi János Irodalom Menzel, T.; Stöppler, G.: Simulation erhöht Produktivität und Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen. = Zeitschrift für Wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 99. k.10. sz. 2004. p. 534–537. Ehrenstrasser, M.; Pörnbacher, C.; Wünsch, G.: Virtuelle Werkzeugmaschinen für die Simulation. = Werkstattstechnik, 2002. 5. sz. p. 205–209.
Röviden… Tömítés folyékony, levegőn keményedő műanyagkészítménnyel Egy osztrák gépgyár (A. Pöttinger Maschinenfabrik, Grieskirchen) szerelőcsarnokában a nappali fény, a jobb megvilágítás érdekében a mennyezetre szorosan egymás mellé erősített hosszanti világítótestekből (fényvezetőkből, fénycsíkokból) jut a helyiségbe. A világító sávok közti konkáv (alulról nézve homorú) felületekről az esővíz lefolyik a mélyebben futó vályúkba, amelyek szabályozott módon vezetik el a tetőről. Ezek a 30 cm mély, összesen 150 m hosszúságban a tetőre fektetett fedett horganylemezvályúk ki vannak téve savas esőnek, agresszív légköri szennyezéseknek és az épület mozgása általi igénybevételnek is. Mindez idővel korróziós repedéseket idézett elő rajtuk és a nedvesség behatolása a termelőmunkát is zavarta. A gyár illetékesei a tető helyreállításával megbízott cég javaslatára a szűk munkaterületen is elvégezhető, folyadéktömítés mellett döntöttek. Választásuk a poliésztergyanta bázisú, nemezerősítésű Kemperol V210 tömítőkészítményre esett, amely az építési adottságokhoz alkalmazkodva szétfolyás nélkül tapad a kívánt felületre. Ehhez azonban a vályúk peremét és környezetét tapadásra alkalmas bevonattal kellett ellátni. A vályútetőkön ezután hőszigetelő réteget, EPS-25 hőszigetelő lapokat, végül öntapadó bitumencsíkot alkalmaztak. Az ugyancsak új tetőszennyvízcsatornákat 15 cm-es közönként helyezték el, befoglalva a tömítés síkjába. A tömítés alapozó készítménye a Kemperol-D (Kemper System GmbH and Co. KG), amelyre két rétegben kell felvinni a rugalmas tömítést olyan módon, hogy az első felkenésre ráhengerelt erősítő nemezt a második réteggel még nedvesen át kell itatni. A folyékony műanyag ezután 2 mm vastag, homogén bevonattá keményedik. A 35 éve bevált Kemperol-termékekkel hosszú időre megoldódott az ipari csarnok vízzáró tetőszerkezetének gondja, ugyanis a bevonat ellenáll az időjárási tényezők és ultraibolya sugárzás hatásának, nem válik rideggé, sőt rugalmasságát megőrzi –30 és +90 °C között. A Kemperol V210 nemezbélésének köszönhetően nem szakad és a repedéseket 2 mm-ig áthidalja. (Instandhaltung, 2005. 2. sz. p. 40–41.)
