Изкуствен интелект в механичната обработка с ЦПУ

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 2/2020 • 01.04.2020

Преходът на съвременното индустриално производство към принципите на Четвъртата индустриална революция рефлектира особено отчетливо върху сектора на металообработката. Металорежещите машини с цифрово-програмно управление (ЦПУ) са поле за внедряването на множество цифрови иновации, насочени към повишаване на тяхната свързаност, интелигентност, ефективност и производителност.

През последните години експертите в бранша все по-често поставят изкуствения интелект, невронните мрежи и машинното обучение сред Industry 4.0 технологиите, които притежават най-голям потенциал да оптимизират механичната обработка с ЦПУ. И макар навлизането им в този сегмент на пръв поглед да изглежда революционно и визионерско, процесът по надграждане функционалността на CNC машините с AI-базирани инструменти всъщност е напълно закономерен и навременен. Обяснението се корени във факта, че изкуственият интелект на практика представлява функция на различни алгоритми, които с времето автоматично се оптимизират с помощта на машинно самообучение. Цифрово-програмното управление поначало се основава на базова форма на изкуствен интелект, която се използва за управление на движението на металообработващите машини. Ето защо случващата се в момента дигитална технологична еволюция, базирана на събирането и обработката на големи обеми данни от индустриалното оборудване, само тласка производителите на ЦПУ платформи напред към разширяване на възможностите им с по-усъвършенствани форми на изкуствен интелект.

 

Надграждане на технологичните възможности

AI-технологиите се оказват ключ към разработването на нови приложения в сферата на механичната обработка с ЦПУ – производственият метод, който през последните години така или иначе се е утвърдил като водещ в металообработващия сектор. В условията на масово внедряване на свързана и интелигентна производствена инфраструктура в умните фабрики по света изкуственият интелект навлиза във все повече аспекти на индустрията. Този процес отново е логичен и предопределен от глобалното и динамично нарастване на изискванията за качество, бързина и прецизност към производствените предприятия в сферата на металообработката, които обслужват високотехнологичния съвременен отрасъл на машиностроенето. Така надграждането на технологичните възможности на машините с ЦПУ с помощта на AI-базирани технологии се оказва логичен отговор на повишените потребности на пазара и стремежа към непрекъснато оптимизиране на скоростта и точността на работа на CNC оборудването и разширяване на приложенията му.

Ако погледнем назад към зората на цифровото компютърно управление, ще стигнем до първите приложения на технологията и внедряването на ЦПУ във вертикални фрези и стругови центрове. През последните десетилетия цифровите управления намират място и сред индустриалните принтери за триизмерен печат. Днес механичната обработка с ЦПУ е най-масовият производствен метод за изработката на големи партиди изделия на базата на компютърно-асистиран дизайн (CAD).

Благодарение на широката си популярност и почти безгранични възможности технологията се радва на обширно приложение в редица индустриални отрасли.

Сред промишлените сектори, които са напълно зависими от използването на CNC машини, са високотехнологичното машиностроене, автомобилостроенето, отбраната, селското стопанство и т. н. Възможностите на оборудването с ЦПУ бързо и прецизно да обработва както микроскопични, така и едрогабаритни детайли, го превръща в рентабилна инвестиция за малки, средни и големи производствени предприятия.

Всички тези фактори, свързани с търсенето, определят и динамичното предлагане на пазара на металообработващи машини с ЦПУ. Производителите непрекъснато се стремят да оптимизират функционалните възможности и приложенията на продуктите си, да подобряват енергийната, ресурсната и икономическата им ефективност, да намаляват габаритите им и да повишават степента им на автоматизация. Същевременно, броят на компаниите, които разработват и предлагат CNC оборудване в глобален мащаб непрекъснато расте, като се очаква този ръст да се запази стабилен и в бъдеще, заедно с успоредно нарастване в броя на приложенията.

Основни причини за навлизането на изкуствения интелект сред водещите технологични тенденции на развитие в сектора днес са популяризирането на концепцията Internet of Things, усъвършенстването на самите AI платформи, както и на инструментите за обработка на гигантски информационни масиви. Технологичната еволюция притежава потенциал да даде нов тласък нагоре на традиционно високите стандарти за производителност, прецизност и надеждност на механичната обработка с ЦПУ.

Оборудването в сегмента поначало притежава потенциал да свърши в пъти повече работа за много по-кратко време в сравнение с конвенционалните металорежещи машини. Компютърното управление пък елиминира рисковете и неточностите, свързани с човешка грешка, като в резултат многократно се повишава точността на изработка на механично обработените детайли. С увеличаването на изискванията на оборудването в свързаните и интелигентни производства машините с ЦПУ са поставени пред предизвикателството да стават все по-гъвкави, запазвайки безкомпромисно високата си надеждност.

 

Предимства от интегрирането на AI технологии

Сред основните ползи от внедряването на изкуствен интелект в механичната обработка с ЦПУ е свеждането до минимум на времената на престой. При конвенционалната обработка нежелани производствени прекъсвания могат да настъпят вследствие на множество причини, включително машинни неизправности, износване на компоненти и възли, нарушаване на калибровката и т. н. В такива сценарии операторът обикновено губи доста ценно време, докато открие причината за отказ и локализира проблема. В зависимост от индустриалния сектор и мащаба на операциите производствените предприятия страдат от спадове в производителността с между 5 и 20% поради нежелани престои на оборудването за механична обработка.

Ключово предимство на AI-базираните ЦПУ платформи е, че разполагат с инструменти за самодиагностика, които могат както впоследствие, така и превантивно да идентифицират различни настъпили или предстоящи неизправности. Машинното обучение позволява на програмното управление да научи как функционира машината по време на нормален режим на работа и да разпознава широк кръг от проблеми и извънредни събития. Софтуерът непрекъснато подобрява способностите си в течение на времето и достига изключително високо ниво на прецизност при диагностицирането на аварии, като така предотвратява стотици часове нежелани престои годишно.

Важна функция на AI-базираните компютърни управления е възможността за значително оптимизиране работата на машината. Наред със събирането и обработката на данни за диагностиката на неизправности, изкуственият интелект анализира получените данни за статуса и поведението на оборудването при различни режими и работни параметри, като притежава способността автоматично и в реално време да променя настройките на машината с цел постигане на оптимална производителност, енергийна ефективност и точност. Възможно е реализирането и на други подобрения в дългосрочен план, например намаляване на износването на инструменталната екипировка, подобряване на качеството на обработените повърхности и т. н. Основно приложение на AI технологиите в механичната обработка с ЦПУ е оптимизирането на траекторията на металорежещия инструмент посредством анализ на данните, събрани от различните сензори и измервателни прибори, свързани с платформата. Целта е постигане на оптимално движение на инструмента с цел максимална производителност и минимално износване.

 

Еволюция на производството

Ключова възможност във връзка с внедряването на изкуствен интелект в ЦПУ платформите е управлението на качеството на готовите изделия. В прецизните съвременни приложения на механичната обработка устойчиво високото крайно качество е необходимо и задължително условие за успешната пазарна реализация на продукцията. За целта се осъществява непрекъснат мониторинг и контрол на допуските, а необходимите пренастройки в работните параметри се извършват автоматично от платформата и в реално време.

Тези възможности притежават потенциал коренно да променят производствените стандарти в металообработката и да наложат многократно по-високи изисквания към ефективността, управлението на разходите и материалните загуби, прецизността и бързината на изработка. Потенциалът на изкуствения интелект в механичната обработка с ЦПУ се разширява благодарение на вече утвърдената роля на роботизираните системи в сегмента, които се използват за приложения като роботизирано обслужване на металообработващи машини и повишаване степента им на автоматизация. В комбинация роботите и AI технологиите създават условия за организиране на т. нар. “lights-out” автономни режими на работа без нужда от намеса на оператор. Ползите се коренят в постоянно високото продуктово качество, възможностите за автономни машинни решения и непрекъсната работа, елиминирания риск от човешка грешка, тенденциите към постоянно оптимизиране на работния процес и т. н.

Друг важен ефект от навлизането на изкуствения интелект и машинното обучение в модерната механична обработка е потенциалът за разработване на усъвършенствано поколение продукти. Иновации като генеративния дизайн се възползват от пълния потенциал на AI-базираните компютърни алгоритми. Чрез въвеждането на набор от изходни данни в софтуера, като достъпни видове материали и производствени методи, времеви и бюджетни ограничения, машинните инженери могат автоматично да получат наготово най-ефективното и рентабилно решение с оптимални параметри според заложените променливи. Всеки възможен вариант на продуктов дизайн се подлага на симулация от AI платформата, като производственият процес може да се моделира чак до готовото изделие и неговата последваща реализация.

В условията на динамично променящ се пазар дигиталните решения и Industry 4.0 технологиите носят необходимите конкурентни предимства на производствените компании в сферата на механичната обработка. Техен плюс е, че не се ограничават само до обработващите процеси и операции, а предлагат възможности за цялостно оптимизиране на производствената верига на ниво завод, предприятие и дори отрасъл. Изкуственият интелект, заложен в платформите за оперативен мениджмънт и ресурсно планиране, свързва процесите по металообработка с различни макроикономически, политически и социални фактори, географски локации, нагласи в потребителското поведение, пазарни анализи и прогнози и др. Така един традиционно откъслечен процес по фрезоване на метален детайл в някой отдалечен цех в условията на Четвъртата индустриална еволюция може да се окаже ключов елемент от глобалната производствена екосистема. С помощта на изкуствения интелект, машинното обучение, генеративния дизайн и облачните технологии механичната обработка с ЦПУ се превръща във все по-свързано звено от интелигентното производство.

 

Възможности и предизвикателства

Основният ресурс на изкуствения интелект са данните. Възможностите за тяхното събиране, съхранение и обработка в модерната индустрия непрекъснато се увеличават благодарение на все по-достъпната цена и нарастващата интелигентност и функционалност на сензорните технологии. За разлика от конвенционалните средства за автоматизация, при които отговорът на всяко входиране на данни към системата се очаква и програмира, машинното обучение самостоятелно търси модели в информацията посредством различни изчислителни алгоритми и подбира подходящите отговори. Сред технологичните разработки в сегмента се налага и т. нар. дълбоко самообучение (deep learning), което притежава още по-голяма процесорна мощ, без да се нуждае от човешки насоки за ориентир в сравнение с машинното обучение. При deep learning платформите алгоритмите са структурирани в отделни слоеве, които изграждат цялостна йерархична система. Откритията на всяко ниво се използват за оптимизиране на способностите за автономни решения на следващото ниво. Приложението на технологията в механичната обработка с ЦПУ е основно насочено към повишаване на интелигентността, автономността и ефективността на машините. Благодарение на изкуствения интелект е възможно да се разкрие и пълният потенциал на метрологията в металообработката. Усъвършенстваната функционалност на средствата за измерване и инспекция в сегмента надгражда приложенията по контрол на качеството с възможности за автономно управление на обработващите процеси и операции. Както вече споменахме, основният ресурс на изкуствения интелект са данните, а метрологията е специализирана именно в преобразуване на резултатите от различни производствени събития в данни.
AI-базираните платформи за компютърно управление на механичната обработка притежават невиждани досега възможности за откриване на причинно-следствени връзки. Те са способни да обработват огромен брой променливи в комплексните и динамични съвременни производства и да идентифицират необходимите корелации във връзка с повишаване на ефективността, производителността и точността на работа.

Не на последно място, изкуственият интелект позволява истински бум на развойната дейност в областта на дизайна, обработващите процеси и материалознанието, базиран на експерименти, които доскоро не биха били възможни. Виртуалното симулиране с помощта на AI-базирани алгоритми на различни промени в работните параметри и микроструктурните свойства на материалите може да доведе до революционни открития по посока оптимизиране на различни фактори, които ограниченията на физическата реалност досега не са позволявали.

 

Иновативни приложения

Сред най-иновативните приложения на изкуствения интелект в механичната обработка с ЦПУ са методите за оптимизация на траекторията на металообработващите инструменти. Водещо предимство на CNC оборудването пред конвенционалните обработващи машини е именно високата ефективност, повторяемост и прецизност при позициониране и движение на инструмента. Проучванията на учени и разработчици в областта показват директна зависимост между производителността на рязане и траекторията на инструмента по време на механична обработка. Ето защо дефинирането на оптимални работни параметри може значително да повиши ефективността на една машина с ЦПУ, същевременно редуцирайки разходите. За целта високотехнологичните AI-базирани платформи за компютърно управление разполагат с възможности за подобна оптимизация с помощта на изкуствени невронни мрежи и модели за обработка на информация, вдъхновени от работата на човешкия мозък.

Друго интересно приложение изкуственият интелект и машинното самообучение намират във все по-популярните онлайн производствени платформи, чрез които много предприятия поръчват необходимите им стандартни или персонализирани механично обработени машинни детайли или възли. В тях AI-базирана платформа управлява процеса по конфигуриране, приемане и обработка на клиентските поръчки. Почти безграничните възможности за персонализация на продукта включват задаване на параметри като желана геометрия на детайла, материал за изработка, количество и др. Новата производствена парадигма на Industry 4.0 прави възможна и рентабилна изработката на компоненти и изделия дори в единични партиди с необходимата бързина и точност.

Платформата с изкуствен интелект е способна в реално време, още в процеса на самата поръчка, прогнозно да изчисли цената на готовото изделие, за да е наясно клиентът каква сума ще е необходимо да заплати и дали тя отговаря на бюджетните му изисквания. С всяка следваща поръчка платформата се усъвършенства и самопрецизира благодарение на анализа на най-търсените от потребители в различни браншове продукти и дизайни.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top