Съвременни тенденции в управлението на машините

Управлението на съвременните високоефективни металорежещи и металообработващи машини се осъществява основно чрез ЦПУ системи, които позволяват извършването на все по-голям брой обработващи (често хибридни) операции. При тези операции са налице непрекъснато нарастващи изисквания по отношение на точността на обработка, екологичната пригодност, енергийната ефективност и надеждността.

Голямото разнообразие в типа и сложността на машинните задачи произтича както от разнородните бизнес изисквания на потребителите, така и от силната конкуренция между производствените компании на местните и международни пазари. В металообработката се наблюдава и интензивен глобален натиск върху производствените разходи, като от огромно значение е цената за изработка на брой детайл.

Тези фактори налагат потребност от висока ефективност и едновременно с това – ниска цена на машините. Оптимизация на производителността и работните им параметри може да се постигне чрез прилагане на съвременни техники за проектиране (включително цифровизация и виртуализация), използване на ценово-ефективни материали, внедряване на усъвършенствани софтуерни системи и модули и т. н.

Изискванията на потребителите по отношение способностите на машините на бъдещето обикновено се свеждат до висока производителност, по-кратки периоди на цикъла и по-добро качество на продукцията. В същото време производителите на металообработващи машини се фокусират върху интегрирането на все повече ноу-хау в оборудването, което прави работата с тях още по-лесна и интуитивна.

Изисквания към системите за управление

В автомобилостроенето – един от основните отрасли, в които се използват металорежещи и металообработващи машини, количествата на произвежданите компоненти се увеличават, докато в същото време жизненият цикъл на продукта става все по-кратък благодарение на платформените стратегии на производителите на автомобили. Инвестициите в нови машини и системи трябва да се изплащат все по-бързо. Повече детайли трябва да бъдат произведени за по-кратко време.

Едновременно с това размерите на партидите с разнообразни производствени настройки стават все по-малки и дори единични. За да е възможно постигането на такова гъвкаво производство по икономически целесъобразен начин, крайните потребители трябва да могат да преконфигурират машините си чрез софтуерни команди, издадени от системи за управление от по-висок клас.

Ето защо основното изискване към производителите на машини на съвременния динамичен пазар е да разработват оборудване с високо ниво на интелигентност. Това е единственият начин да се управляват ефективно по-сложни решения за автоматизация с повече оси, като същевременно се подобрява качеството и се намалява времето за обработка.

Осъществяването на тази задача налага новите поколения системи с ЦПУ да използват високопроизводителни многоядрени процесори, които интелигентно разпределят различните задачи за цифрово управление, логически контрол и комуникация. Интелигентното балансиране на натоварването елиминира отрицателната обратна връзка между отделните ядра на процесора, причинени от различни натоварвания в зависимост от конфигурацията на приложението и по този начин гарантира постоянна цялостна производителност.

Пълна обработка с различни технологии

За да отговорят на нарастващите изисквания по отношение на производителността и качеството, производителите на машини все повече съчетават класически процеси като пробиване, фрезоване или фрезоване по едно направление. Други технологии, които не включват физическо рязане на метал, като например лазерното рязане и заваряване и адитивните техники, също се използват за производството на цели детайли, които се привеждат към крайната им форма чрез последваща обработка.

Комбинацията от различни технологии, някои от които се изпълняват едновременно на една машина, изискват централна система за управление с много високо ниво на изчислителна мощност и архитектура, която гарантира възможно най-бърз обмен на данни между каналите.

Съвременните ЦПУ системи предлагат необходимата мащабируемост по отношение на функциите и производителността, за да се постигне оптимално решение за автоматизация именно за такива приложения. Една от иновациите в областта на ЦПУ, намиращи все по-добра реализация на съвременния пазар, са контролерите с ултрабърз процесор (CPU).

Този процесор от нов тип осигурява на контролерите по-високи експлоатационни от стандартните скорости, повишавайки производителността на системата с параметри, вариращи между 20 и 50% спрямо класическите продукти в този сегмент на пазара. Бързата обработка на програмата с ЦПУ осигурява много ниски времена на циклите, докато по-високата мощност на PLC контролера поддържа високоскоростната обработка на съчленени стълбови програми.

Използването на оптични влакна за предаване на данните увеличава оптичната комуникация между ЦПУ и задвижванията, като позволява усъвършенстване на реактивността на системата и прецизността на обработката. Оптичните влакна предлагат и друго предимство – намаляване на системния шум, пораждан от електростатични смущения. Това иновативно решение само по себе си повишава надеждността и производителността на машините, като особено внимание се обръща на работата със свръхвисоки скорости.

Други новости

Новите поколения ЦПУ процесори намаляват и количеството допълнителни компоненти, които се използват за изпълнението на дадено приложение. Това води до по-малък брой възможни източници на грешки и до подобряване на качеството на продукта, в допълнение с намаляване на разходите. Благодарение на новите си функции модерните ЦПУ системи позволяват ефективно управление както на струговите, така и на фрезовите операции.

Многоосното или многоканално управление е значително подобрено, позволявайки постигането на по-нататъшно намаляване на времето на цикъла и оптимизирана синхронизация между каналите.

Управлението от четвърто поколение позволява висока скорост, прецизност и качествена обработка. Интегрираните машинни инструкции разполагат с множество оптимизации, включващи функции за редуциране на времето на цикъла в случай на едновременно ускоряване или забавяне и компенсации при работа с цел намаляване на вибрациите на машината по време на високоскоростната обработка. Оптимизациите в инструкциите предлагат по-голяма прецизност при същите времена на обработка или същата прецизност за по-кратки времена за обработка.

Иновативните обработващи центри, извършващи завъртане на обработвания детайл, могат да използват сервомотори вместо шпиндели на двигатели за ротационни инструменти. Използването на всяка от сервоосите, оборудвани с мултихибридни задвижвания като ротационен инструмент, допринася за преоразмеряването на металообработващите машини и осигуряването им с множество предимства по отношение на разходите.

Управлението на програмата в много модерни конфигурации е опростено чрез капацитивен сензорен дисплей, разделен на два независими визуализационни прозореца, всеки от които може да визуализира софтуерна клавиатура, документи или други приложения с приложени дискретни операции. Иконите на дисплея позволяват бързо възпроизвеждане на функции и оперативни менюта, визуализира се геометрията на инструмента, неговото състояние и траектория, а функцията за графична проверка в 3D поддържа модерна триизмерна графична симулация за тестване на по-сложни програми за обработка. Освен това са налични модели, които управляват свободно определени нива на достъп за отделни оператори, за да се подобри безопасността на данните и машините и да се избегнат експлоатационни грешки.

Иновации и стандарти

Ключово съображение, когато става дума за бъдещата жизнеспособност на концепциите за ЦПУ, е управлението на връзката между контролера и IT системите от по-високо ниво. Потребителите, особено Tier 1 доставчици в автомобилната индустрия, са все по-отворени към иновативни концепции като Industry 4.0. Компаниите в бранша се обединяват около тезата, че са необходими отворени стандарти за комуникация при управленията на металорежещите и металообработващите машини. В резултат на въвеждането им потребителите биха могли бързо и икономично да реализират много от ползите на цифровизацията. Използването на ЦПУ системи собствена разработка (със затворен код) правят по-трудно независимото използване на решения на трети страни.

Модерни отворени ЦПУ системи с Multi-Ethernet интерфейс поддържат всички популярни Ethernet протоколи в реално време, както и OPC UA стандарта за комуникация на данни. Водещите производители на машини и автоматизация работят в тясно сътрудничество с различни организации и инициативи за стандартизация съгласно изискванията на Industry 4.0.

Сред първите резултати от тези сътрудничества е разработката на универсални машинни интерфейси, които позволяват четенето на данни от различни машини с разнообразни системи за управление от различни поколения и препращането им в стандартизиран формат към системи за анализ на данни. Това значително намалява разходите, когато става въпрос за постигане на ефективна комуникация както на ниво машина, така и при комуникация със свързаните периферни устройства за автоматизация или системи за управление на по-високо ниво. Някои от производителите на машини вече прилагат този стандарт.

Индивидуални потребителски интерфейси

Независимо от комплексността на съвременните машини, крайните потребители очакват потребителски интерфейси с по-малка сложност. Същевременно се запазва ключовата роля на човешкия фактор в бъдещите цифрови модели на производство. В много области на бита и индустрията въвеждането на смартфона като устройство за осъществяване на функции за управление значително промени начина, по който работим с цифровите технологии. Дори секторът на металообработващите машини, който по своята същност е доста консервативен, отговаря на тази тенденция. Това е особено вярно в приложения, включващи директна работа с машините. Пример за това са т. нар. мултисензорни дисплеи, които поддържат функции за разпознаване на жестове.

Производителите адаптират потребителските интерфейси все по-точно към съответните машини и технологиите за обработка. Визуализацията на една шлифовъчна машина например се различава значително от тази на ротационна трансферна машина, като целта е операторът да се насочва оптимално чрез съответните процеси. Разработчиците опростяват и стандартните софтуерни интерфейси за персонални компютри с цел редизайна и конфигурирането на стандартни екрани.

В същото време, възможностите за интегриране на софтуер на трети страни в машините, като специални CAD/CAM програми, стават все по-важни. Такъв пример е интегрирането на общи програми за оптимално рязане на метални листове и генериране на цифрови програми в потребителския интерфейс на CNC системата. Потребителите могат да превключват между различните приложения само с едно натискане на бутон.

Посредством мултусензорни панели и съответния софтуер потребителите могат дори да персонализират тези интерфейси. В резултат на това е много лесно да се направи разграничение между “експертен” и “стандартен производствен” режим в зависимост от сложността на програмата, приложението и квалификацията на операторите. Избраният потребителски профил дава на операторите видимост само на настройките, от които се нуждаят за своите задачи и са оторизирани да променят. Обикновено персоналът по поддръжката и мениджърите на смени имат достъп до профили с повече правомощия и информация.

В същото време все повече промишлени производители оборудват операторите си и персонала по поддръжката със смартфони и таблети. В резултат на това упълномощени служители или сервизни инженери могат да получат безжичен достъп до машината, да осъществяват отдалечен мониторинг и диагностика и да анализират производствените данни по време на циклите на обработка. И тук отворените стандарти са основно изискване.

Диференциация чрез ноу-хау

Днес системите за управление с ЦПУ предлагат предварително дефинирани решения за почти всяка технология на обработка като стандарт. Производителите на машини разработват все повече функции, пригодени точно към съответната технология за обработка и последователност на процесите. Така дадена машина може да бъде специализирана за дадено приложение.

Това позволява на производствените компании да създават допълнително стойност, която ги отличава от конкуренцията. Специфично изграденото ноу-хау е важно предимство в условията на глобална конкуренция. Когато разработват собствени ЦПУ системи, проектантите се налага да споделят ноу-хау с производителите на контролни системи, ако се нуждаят от достъп до ядрото за управление.

Т. нар. Open Core Interface платформи за машини с цифрово-програмно управление предлагат софтуерна технология, която предлага нови възможности за реализиране на самостоятелно разработени функции на езиците на високо ниво, за да допълни стандартните основни функции на системата за управление. В резултат на това производителите на машини могат да насочат цялото си ноу-хау към разширяване на стандартния цифров контрол и да защитят интелектуалната си собственост по оптимален начин.

Цифрови близнаци

Производителите на машини проучват нови възможности и по отношение на инженерните работни процеси. В много отдели за разработка се изпълняват проекти за създаване на цифрови близнаци на машините. ЦПУ автоматизацията е ключов елемент в тази посока. Разработчиците използват софтуерни пакети, които са пригодени към системата за управление и включват всички компоненти за създаване на виртуален образ на машината, софтуерни операционни панели и възможности за 3D симулация на машинната обработка.

Цифровите близнаци не само позволяват по-бързо конструиране на металорежещи и металообработващи машини, но и позволяват предварително виртуално въвеждане в експлоатация на системата за управление, докато машината се инсталира. Това спомага за елиминиране на множество проблеми и оптимизиране на производителността на машините. Крайните потребители използват цифрови близнаци на своите машини, за да симулират и оптимизират предварително различни производствени промени. Превантивният анализ на сблъсъци в програмите за обработка намалява риска от повреда на машината и забавяне в началото на производството.

Тенденции на бъдещето

Революцията в цифрово програмното управление е едва в своето начало, като всяка година производителите разработват нови, по-ефективни начини за използване на тази технология. Много експерти днес се фокусират върху начините за интегриране на машини с ЦПУ с роботи, използвани за подаване на заготовки към машините и проверка на геометрията на готовите изделия.

Това опростява производствения процес, намалява отпадъците и увеличава производителността. Един-единствен контролен панел може да е достатъчен, за да управлява цялата производствена линия от суровината до крайното изделие.

Друга ключова иновация е появата на хибридни машини с ЦПУ и интегриран в тях 3D принтер. Гъвкавостта на този тип системи дава възможност не само за отнемане на материал от заготовката, но и добавянето на такъв при промяна в концепцията за дизайна на изделието. Тъй като цената на тези устройства постепенно намалява, а комплексността им се увеличава, се очаква производството на ЦПУ системи да става все по-персонализирано и децентрализирано в бъдеще.