Виртуалната реалност в програмирането на металорежещи машини с ЦПУ

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2013

Виртуалната реалност в програмирането на металорежещи машини с ЦПУ

В цифрово-програмното управление е постигнат забележителен напредък от 50-те години насам, благодарение на прогреса в електронната индустрия и производството на електрически продукти и компоненти.

Традиционното металообработващо оборудване - стругове, фрези, пробивни и шлайфмашини, разстъргващи и щанцмашини, както и формоващи машини и обработващи центрове, постепенно се автоматизира с интегрирането на блокове за машинно управление (MCU) за подобряване на контрола, повишаване на точността и повтаряемостта и ограничаване на зависимостта от операторите.

Така CNC машините се превърнаха в стандарт за съвременното автоматизирано оборудване за машинна обработка. Функционалността на тези машини е основен двигател и на бързото развитие в производството на прецизни детайли и обработването на сложни контури и обемно-профилни повърхнини.

Всичко това стана възможно благодарение на повишената им изчислителна мощност, новите видове интерполация, широкото използване на все по-съвършени САМ системи, развитието на точни и бързодействащи сервозадвижвания, появата на нови компановки и материали за носещите системи на машините, интегрирането в производството на високоскоростни режещи инструменти и др.

Като следваща крачка в процеса на развитие на CNC машините някои специалисти посочват имплементирането на виртуални системи, които ще позволяват на машината да запаметява различни последователности от движения, извършвани от оператора в етапа на програмиране.

Развитието на виртуалната реалност
е във фокуса на изследователската и развойна дейност през последните години, като за това способства и усъвършенстването на видеоадаптерите (графичните ускорители).

Триизмерните системи за имитиране и възпроизвеждане на човешките движения, които доскоро можеха да бъдат интегрирани само в свръхмодерни компютърни станции, вече могат безпроблемно да бъдат визуализирани и изпълнявани посредством обикновен персонален компютър.

Ето защо уеб ориентираното програмиране привлича вниманието на все повече инженери и разработчици на системи и решения с разнообразни приложения, а виртуалната реалност (ВР) става неизменна част от редица области, сред които медицина, архитектура, аеронавтика, дизайн и проектиране.

Технологията влияе значително и на преподавателските методи в образованието, където уеб базирани асинхронни сървъри постепенно заменят традиционните черни дъски, а студентите посещават виртуални класни стаи в предпочитано от тях време. ВР технологиите биха могли да допринесат и за подобряване на качеството на обучението и практическата подготовка за работа с CNC машини.

Несъмнено то може да се постигне и като се даде шанс на всеки студент да разработва програми за ЦПУ и да ги тества на CNC машини в реални условия, но това е скъпоструващо мероприятие и не всички факултети по машинно инженерство имат подобна възможност.

В този смисъл разработването на виртуални системи за обучение по CNC програмиране е подходящо решение, както и добър подход към повишаване на квалификацията на обучаваните студенти.

Ако в бъдеще, с напредването на разработките в областта, виртуалните инструменти бъдат успешно интегрирани в CNC металообработващите машини, те значително биха улеснили и ускорили процеса на програмиране, позволявайки на оператора да работи на виртуална работна маса и да движи виртуалната задвижваща глава на машината, за да генерира траектория на движение на инструментите.

Тези по-интуитивни и лесни за употреба системи за управление на металорежещи машини биха направили програмирането на основните технологични операции по-достъпни за средностатистическия оператор.

Пилотен проект в областта
Изследователски екип от полски учени наскоро предложи иновативен метод за програмиране на металообработваща машина, който дава възможност за “обучаване” на машината да изпълнява дадени програми, в рамките на които последователностите от операции предварително са били извършени ръчно от операторите, а ЦПУ системата ги е запаметила.

Частите и модулите на машината могат да бъдат премествани механично с помощта на подходящите ръчки и лостове, които измерват приложената сила и на базата на нейната стойност подават информация за нужната скорост към контролната система на металообработващата машина.

Това позволява на отделните подмодули на машината да се движат в пълен синхрон с движенията на оператора. Посредством този метод операторът може да “научи” инструментите и модулите да възпроизвеждат различни траектории и последователности от движения, които са съхранени в паметта на CNC машината под формата на програми за металообработка.

Виртуалната технология позволява аналогично програмиране на машината в “офлайн режим” извън физическите параметри на машината. Тя дава възможност на оператора да командва модулите и инструментите на металообработващите машини, като мести ръчно виртуалните им еквиваленти в рамките на своя ВР модел.

В проектираната от учените виртуална система за програмиране на металорежещи машини с ЦПУ операторският интерфейс се състои от входни и изходни модули и драйвери, които позволяват комуникация с персонален компютър. Входните устройства в системата са дигитални ръкавици, скенери на движенията на горните крайници и система за проследяване на движението на главата и ориентацията на тялото на оператора.

Дигиталната ръкавица се използва за измерване на средното огъване на всеки от петте пръста на дясната и лявата ръка, като следи общо 5 параметъра - положението на човешката ръка в трите основни измерения, плюс направлението на преместване и скоростта. Системата разполага и с два скенера, проектирани и конструирани така, че да измерват движенията на горната част на ръцете.

Скенерът за лява ръка е базиран на сензори за ориентация, докато този за дясна се основава на механична конструкция с потенциометри. Виртуалната система се свързва с компютър посредством USB интерфейс.

Измерването на ориентацията на ставите на горните крайници е на принципа на проста кинематика и дава възможност за прецизно определяне на позицията на ръката на оператора в пространството. Други сензори следят движението на главата и ориентацията на торса.

Изходното устройство в системата за виртуално програмиране е от типа HMD (head-mounted display) - дисплей, монтиран на главата, включващ два екрана, които извеждат независим образ за лявото и дясното око.

Гледайки стереоскопичното изображение, операторът може точно да прецени разстоянието между елементите във виртуалното пространство. Програмата за виртуална симулация е проектирана да получава сигнали от входните интерфейси и да ги обработва и интерпретира, както и в реално време да генерира въз основа на получените данни стереоскопичен образ, който е отражение на движенията, извършвани от оператора.

Работата с ЦПУ машините във виртуална среда може да е както в “онлайн”, така и в “офлайн” режим. Онлайн функциониране е необходимо, когато системата се използва за преместване на инструменти или модули в реално време. Режимът офлайн е предвиден за предварително програмиране на машината. Благодарение на тази възможност не е необходимо тя да се ангажира през цялото време и може да изпълнява и други технологични задачи в този момент.

Програмиране без въвеждане на код
Основна цел на проектираната система е да се даде възможност на оператора да програмира CNC машината без необходимостта от въвеждане на код. Това се постига чрез генериране на триизмерни виртуални версии на модулите и инструментите на машината, които могат да бъдат ръчно премествани, за да изпълняват действителните инструменти различни функции.

С подходящия жест операторът може да: съхрани или изтрие точка от траекторията, свързана с определена позиция на инструментите; да смени инструмента; да подаде команда за генериране на G-код и др.

Обработваният детайл се визуализира на виртуалния дисплей. Операторът може да определи размера на детайла чрез захващане на стените му и придърпването им в желаната посока, да мести виртуалната маса и задвижващата глава на машината и да генерира траектория на инструментите, която да подаде към физическата система, обработваща детайла.

Възможно е да бъде визуализиран и ефектът върху детайла, който би се получил при даден ход на инструмента и да се запамети позицията му с вдигнат палец или да се изтрие вече запаметена позиция с палец надолу. Позициите се съхраняват заедно с информация за моментната конфигурация на машината и работните й параметри.

Тези параметри могат да бъдат изменяни посредством подходящите жестове. Командата за генериране на G код е едновременно вдигнати палци на двете ръце. Накрая операторът може да се придвижи в рамките на виртуалното пространство и да огледа резултата с просто движение на главата си.

Представената в проекта виртуална система за програмиране на CNC машини е лесна за употреба и изпълнява посочените функции по интуитивен път, като наблюдава и резултатите от извършените операции. Системата е базирана на опита от програмирането на физически металообработващи машини с контролни лостове и ръчки. По-нататъшно развитие на проекта ще включва опции за гласов контрол и звукова поддръжка.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top