Výzkum pro praxi: Optimalizace obrábění a aplikace digitálních dvojčat

Vývojem moderního konceptu virtuálních modelů a digitálních dvojčat strojů a procesů se RCMT zabývá systematicky již více než 10 let, a to zejména díky spolupráci s předními českými výrobci strojů. Motivací bylo vyvinout softwarové nástroje, které umožní nejen zdokonalit postupy navrhování strojů, ale také zvýšit spolehlivost, kvalitu a produktivitu obrábění. Realistická predikce a vizualizace procesů, odpovídající skutečnému dynamickému chování stroje a jeho řízení, umožňuje eliminovat dosud běžné postupy odlaďování strategií NC obrábění na stroji. Tým RCMT pod vedením Ing. Matěje Sulitky, Ph.D., vyvíjí softwarové řešení MillVis, které se v současnosti stává účinným nástrojem technologů. S využitím MillVis byla úspěšně řešena již řada komplexních průmyslových úloh, které vedly k bezchybné výrobě dílců a vyšší produktivitě obrábění. Vybrané dva úspěšné příklady si ukážeme v tomto článku.

Důležitost vzájemné provázanosti kvalitního nastavení stroje a technologie demonstrují příklady obrábění tvarově složitých forem ve společnosti TOS Varnsdorf. V daném případě bylo cílem bezchybně obrobit tvarově komplexní formu pomocí optimálního nastavení stroje a technologie. Navrženy byly tři technologické postupy od hrubování po dokončování. K nim byly v CAM vytvořeny dráhy nástroje, vygenerovány NC kódy, zvoleny řezné nástroje a nominální řezné podmínky. Všechny tři uvažované strategie měly stejnou výšku nerovnosti „scallop“, lišily se pouze drahami nástroje.

Simulace a vizualizace úběru materiálu v MillVis pomocí digitálního dvojčete stroje WHT 110 na úrovni NC kódu vedly zejména ke kontrole návaznosti operací hrubování, dohrubování a předdokončení a jejich součástí bylo také ověření bezkoliznosti NC programů. Následná vizualizace obrábění s využitím virtuálního CNC systému Siemens Sinutrain umožnila hodnotit skutečný průběh pohybu nástroje a chyby přesnosti a jakosti obrobených ploch. Na základě těchto dat byly voleny co nejvhodnější a nejproduktivnější dráhy nástroje v CAM nebo vhodné technologické cykly a jejich parametry v CNC řídicím systému, jako je např. cyklus CYCLE832. Detailní vizualizace v MillVis skutečného průběhu procesních veličin, včetně přesnosti a jakosti obrobených povrchů, nebo odtlačení nástroje, představovaly pro technologa cenná data, podle nichž probíhala optimalizace přípravy technologie.

Uvedený postup s využitím digitálního dvojčete stroje vedl k návrhu finální optimalizované strategie obrábění, která splňovala požadavky jakosti, přesnosti a produktivity. Tento návrh byl úspěšně aplikován při výrobě formy a ukázal současně potenciál využití stroje WHT 110. Bez využití softwarové optimalizace v MillVis by řešení této úlohy vyžadovalo množství testů obrábění na stroji, které by bylo náročné časově, a vyžadovalo by i nemalé náklady.

Předmětem této spolupráce byla podpora společnosti TOS Kuřim – OS při zavádění nové technologie obrábění funkčních ploch na velkých svařencích podvozků kolejových vozidel. První fáze vývoje technologie se zaměřila na vizualizaci odbavení parametrického NC kódu pomocí MillVis, včetně zahrnutí všech používaných obráběcích cyklů pro CNC Siemens Sinumerik. Parametrizace NC programu vyplynula z proměnlivosti přídavků na obrábění na jednotlivých plochách a spočívala ve volbě potřebného počtu obráběných vrstev na základě údajů z měření obrobkovou sondou. Simulace a vizualizace obrábění poskytly kolizní kontrolu nástroje s obrobkem a kontrolu průběhu objemu odebíraného materiálu, řezných sil a požadovaného výkonu vřetene.

V další fázi bylo nutno ověřit volbu upnutí dílce a navrhnout možné rozmístění upínek v přípravku a velikost upínacích sil tak, aby nevznikly nežádoucí a neopravitelné chyby obrábění a současně upnutí vyhovělo působení procesních sil. Vytvořen byl výpočtový model dílce metodou konečných prvků, s jehož pomocí byla provedena optimalizace upnutí a utahovacích momentů upínek.

Klíčovým požadavkem byl takt výroby. K jeho splnění byly vytvořeny přesné časové studie na základě digitálního dvojčete stroje FRUN s virtuálním CNC systémem, který vedle obráběcích časů zahrnoval i časy pro výměny vřetenových hlav a nástrojů. Nová strategie ukázala potenciál zkrácení výchozího času obrábění o více než 30 %, čímž splnila přísné požadavky zákazníka a přispěla nemalou měrou k úspěšnému předání strojů.

Vedoucí vývojových projektů a zkušebny TOS Varnsdorf Ing. Tomáš Kozlok ke spolupráci s RCMT v oblasti virtuálních modelů a digitálních dvojčat uvádí: „Zákazník si kupuje obráběcí stroj s cílem, aby na něm produkoval výrobu, resp. aby mu daný stroj generoval zisk. Dlouhodobou snahou naší společnosti je maximálně eliminovat veškeré prostoje a nevýrobní časy obráběcího stroje. Jedním z těchto neproduktivních časů je velmi často odlaďování nejvhodnějších podmínek obrábění daného dílce přímo na stroji. Jedním ze zásadních témat, kterému se ve spolupráci s RCMT dlouhodobě věnujeme, je právě problematika virtuálních dvojčat strojů. V praxi jsme si ověřili, že díky virtuálnímu dvojčeti stroje dnes dokážeme s opravdu velmi vysokou pravděpodobností predikovat nejvhodnější strategii obrábění, řezné podmínky, čas obrábění, a dokonce i jakost obrobené plochy, a to vše s maximálním možným využitím potenciálu stroje. Výrazně tak dochází k časové úspoře při odlaďování na samotném stroji, neboť veškeré tyto přípravné činnosti probíhají ve virtuálním prostředí.“

Ing. Petr Kupka, který je vedoucím technologie a technického rozvoje TOS Kuřim – OS, hodnotí spolupráci s RCMT takto: „Ve spolupráci s RCMT se dlouhodobě zabýváme optimalizací obrábění s využitím simulačních nástrojů. Díky těmto prostředkům je možné např. nastavit parametry CNC řízení přímo pro potřeby technologie, anebo technologii naladit podle možností stroje, což je zvláště u těžkých obráběcích strojů velmi důležité. Prvním významným společným výsledkem, dosaženým za podpory digitálního dvojčete stroje, byla v nedávné době úspěšná výroba Francisovy turbíny z nerezové oceli. Společně získané znalosti jsme spolu s RCMT dále rozvíjeli a na přelomu minulého roku úspěšně uplatnili při předávání dvou strojů se zákaznickou technologií pro Škoda Transportation. Zde jsme byli schopni již v přípravné fázi odladit virtuálně NC programy a významně optimalizovat frézovací operace pro zkrácení výrobního času. V příštích letech počítáme ve spolupráci s RCMT s dalším rozvojem know-how v oblasti simulací pro podporu optimalizací technologií obrábění, neboť v tom spatřujeme odpověď na stále se zvyšující nároky zákazníků.“ Přínos spolupráce pro výzkumnou organizaci

Tým RCMT v oblasti vývoje digitálních dvojčat vede Ing. Matěj Sulitka, Ph.D.: „Digitální dvojčata strojů a procesů jsou jedním z klíčových prostředků digitalizace výroby. Umožňují zkracovat vývoj strojů a zavádět nové technologie obrábění do výrobních procesů rychleji a s podstatně nižšími náklady, což přispívá k významné konkurenční výhodě. Pro nás patří výzkum a vývoj procesních digitálních dvojčat k jedné ze strategických aktivit, která je součástí budoucí vize autonomní výroby. Rád bych velmi ocenil, že můžeme na vývoji těchto prostředků spolupracovat s TOS Varnsdorf, TOS Kuřim – OS, Toshulin nebo Kovosvit MAS a že získáváme od našich partnerů důležitou zpětnou vazbu při zavádění simulačních modelů procesních digitálních dvojčat do průmyslové praxe.“ Vývojem aplikací digitálních dvojčat pro optimalizaci obrábění se v RCMT zabývá Ing. Michal Stejskal: „Úroveň digitálních dvojčat a pokročilých simulací, kterou v RCMT vyvíjíme, dává technologovi do rukou mocný nástroj jak při přípravě, ladění, tak i při optimalizaci stávající výroby. Na půdě RCMT se v odborně pestrém týmu zabýváme zdokonalováním kvality výstupů digitálních dvojčat. To jde ruku v ruce s nasazením a testováním těchto softwarových nástrojů v ostrých podmínkách průmyslové praxe. Za to patří velký dík našim průmyslovým partnerům.“ 

Oba představené příklady názorně ukázaly účinnou synergii know-how a zkušeností technologů a využití pokročilých simulačních nástrojů, díky nimž je možné úspěšně řešit náročné úkoly obrábění. Obrobky vznikají jako výsledek interakce stroje a procesu, a je proto potřeba dívat se na vývoj technologií jako na provázanou úlohu. Jinými slovy, sebelépe navržená technologie bez vazby na odpovídající naladění stroje nemusí vést k uspokojivým výsledkům. Význam této synergie stoupá zvláště dnes, kdy se stále stupňují požadavky zákazníků na zvyšování spolehlivosti výroby a snižování nákladů a času potřebného na zavedení technologií do praxe. Pokročilé virtuální modely a procesní digitální dvojčata, jak je vyvíjí RCMT, v tom představují účinný moderní nástroj technologa.

Vývoj digitálních dvojčat a virtuálních modelů strojů a procesů je spolufinancován z projektů s veřejnou podporou TA ČR.