NC prograok kiterjesztett száítógépes sziulációja Extended Siulation of NC Part Progra With Coputer Tools Erdéli Ferenc, Hornák Olivér eg. docens eg. tanársegéd Miskolci Egete, Inforatikai Intézet, Alkalazott Inforatikai Tanszék Abstract A odern száítógépes gártásiránítás (MES) növeli a rugalas terelés enedzsent lehetőségeit a robusztus, alternatívákat is tartalazó technológiai tervek alkalazására. Megfelelően gors és egbízható döntéseket azonban csak a tervezés során előkészített alternatívák alapján lehet hozni. Ez szükségessé teszi a száítógépes NC progratervezés és sziuláció szolgáltatásainak fejlesztését. A cikk foglalkozik a forgácsolás koplex sziulációja odellezési probléáival, és összefoglalja az esztergálás technológiai odelljének összefüggéseit. Ráutat, a esterséges intelligencia ódszerek és az objektu orientált odellezés előneire a probléák egoldásában..bevezetés A gépgártásban a fé alkatrészek közel 80 százaléka a is forgácsolással készül. Ennek legfontosabb oka, hog a forgácsoló szerszá egszerű, az alakképzés folaata a szerszágépen, odell alapján, ozgásleképzéssel vezérelhető. A forgácsolással elérhető geoetriai pontossággal és alakhűséggel ás technológiák gakran ne versenképesek. A forgácsolás hatékonsága az utóbbi években is jelentősen fejlődött. A fejlődés fő jellezői: Az CNC vezérléstechnika szolgáltatásainak további fejlődése. A nag űveleti koncentráció, a egunkáló központok elvének térnerése. A szerszáanagok forgácsoló képességeinek növekedése. Az autoatizált és rugalas gártócellák, gártórendszerek (FMS) elterjedése. A forgácsolási technológiát alkalazó cégek igéne, hog a forgácsolási űveletek tervezése és iránítása ég hatékonabb legen. A cégek törekvése: Bonolult, szoborszerű felületek egunkálhatósága. Az autoatizált NC egunkáló központok kihasználásának növelése. A űveleti idők további csökkentése, a terelékenség növelése. A űveletek várható inőségének, pontosságának növelése. A forgácsolási űveletek tervezésénél növekvő igén van: A tervezési folaat száítógépes táogatására (CAPP, NCP, CAD/CAM). A folaat egbízhatóbb odellezésére, űveleteleek optiálására. A űveleti költségek, idők, erőforrás (szerszá) felhasználás pontosabb becslésére. A inőség, pontosság, selejtarán kockázat egbízhatóbb becslésére. Alternatív, (végeredén invariáns) technológiai tervek létrehozására. A szájegvezérlésű gépek progratervezésénél a száítógépes táogatás a kulcselee a fenti igének kielégítésének. Az NCP, CAD/CAM rendszerek a CAPP alkalazások leggakrabban használt eszközei. Az NCP rendszerek legfontosabb hagoános funkciója a szerszáok prograozott pontja pálájának egtervezése és transzforálása NC progra-kód forájába. Ennek végrehajtása az NC gépen (szabálozott pozicionálással) a kívánt unkadarab alakot adja. A a használatos NC progratervező alkalazások többségének van beágazott sziulátora, ael azonban legtöbbször csak szintaktikai ellenőrzést végez, és a egunkálás geoetriai odelljét állítja elő, illetve ehhez kapcsolódva képes szolgáltatásokra (pl. szerszáütközés vag interferencia feliserése, pálabejárási idők becslése, stb). A forgácsolási folaat fizikájának egbízható odellezése rendszerint hiánzik a szolgáltatások közül, íg száos, a terelés hatékonságát jellező űszaki-gazdasági utató előre ne becsülhető. A probléák gökere a forgácsleválasztási folaat extré bonolultságában van. [] A forgácsolás elélete ár az 930-as évek óta kutatja a forgácsolási odellek területét és jelentős eredéneket ért el. Az 970-es évektől főként a nag szerszágártó cégek használták fel a kutatási eredéneket, alkalazási kézikönvek illetve újabban elektronikus adatbázisok forájában. Meglepő, hog ég a legnépszerűbb NCP alkalazások is ilen kevéssé építenek a
folaatok fizikai odellezésére. Az ipari gakorlatban, az eléleti eredének felhasználása csak lassan terjed. Továbbra is jelentős szerepe van az adott gártási körnezet viszonait jól iserő technológusok és gépkezelők tapasztalatainak és heurisztikus döntéseinek. 2. A TERVEZÉS ÉS VÉGREHAJTÁS INTEGRÁCIÓJA (CIM) A technológiai tervezés (CAPP) a tereléstervezés (PPS) és a gártásiránítás (MES) sikeres integrációjának esélei a igen kedvezőek, tekintettel a száítógépes hálózatok (LAN) fejlődésére. A háro funkcionális területen használt alkalazások azonban - a hálózati lehetőségek ellenére - száos esetben ne nújtanak elegendő szolgáltatást a bevezetőben felsorolt igénekhez kapcsolódó feladatok egoldására. A MES szintjén a gártásiránítás sikerességének egítélésére általában több különböző kritériu is használatos. Ilenek:. Gártási költségek. 2. Átfutási idők. 3. Szállítókészség. 4. Folaatban lévő unkák ennisége (WIP level). 5. Erőforrások kihasználtsága. 6. Selejtarán. 7. Rugalasság (átállíthatóság rendelés vag erőforrás státus változása iatt). A MES szintű újraüteezés dinaikus feladat, ael döntéstáogatáson kívül a beavatkozási terület-bővítését is igénli. CAD STEP Product librar CAPP NCP CLD Post Processor ISO NCL Siulation Extended siulation ERP DNC librar PPS data base PPS MES. ábra. A kiterjesztett sziuláció szerepe a CIM-ben Ilen tipikus MES feladat pl. a következő. Eg terék szerelésénél kiderül, hog eges rendelések prioritása üzleti okok iatt egváltozott. Új határidők keletkeznek, aelek azonban csak akkor tarthatók, ha eges hiánzó alkatrészcsoportok a szokásosnál gorsabban legárthatók vag beszerezhetők. A MES szintjén ezt a feladatok ake or bu döntéssel, a unkák újraüteezésével, kapacitások felszabadításával, a sorozatok egbontásával lehet egoldani. Lénegesen javítaná az újraüteezés sikerének eséleit, ha pontosan isertek lennének azok a határok, aelek a forgácsolási űveletek átfutási idejét csökkenthetik, változatlan inőségi színvonalon, de kissé növekvő szerszáfelhasználással esetleg néileg nagobb selejtkockázattal. Ez operatívan és hatékonan egvalósítható, ha alternatív NC prograok vannak a DNC archív könvtárakban, aelek sziulátorral ki vannak próbálva, azonnal letölthetők és felhasználhatók. Ilen alternatívákat azonban csak egbízható űszaki-gazdasági odellek alapján lehet készíteni. A robusztus és alternatív technológiai tervek MES szintű felhasználásának célja a gártásiránítás rugalasságának növelése. Gakorlati tapasztalat, hog a terelésiránítás leggakoribb célfüggvéne, a készletszint. gépkihasználás és a szállítókészség optiálása közül leggakrabban a szállítókészség, azaz a határidők betartása játssza a főszerepet. Ezt a utatót elsősorban az elindított sorozatok átfutási ideje határozza eg. Ezt gakran csak korlátozottan lehet befolásolni az üteezés dinaikájával. A űveleti idők ellenőrzött ódosítása csak akkor lehet sikeres, ha a űveletek alternatívái előre egtervezettek. Az alternatív egoldások szintézise száítógépes odellezést és sziulációt igénel. A sziulációnak ki kell terjedni a űveletek technikai, geoetriai aspektusán túl az erőforrások felhasználására és a teljesítés inőségére is. 3. A FORGÁCSOLÁS MŰSZAKI GAZDASÁGI MODELLEZÉSE
A forgácsoló űveletek űszaki-gazdasági odellezésének jelentőségét utatja, hog a CIRP 997-ben unkacsoportot hozott létre Modelling of Machining Operations néven, ael 998- ban [] átfogó jelentésbe tette közzé áttekintő értékelést és ez a téa a CIRP 998-as Konferencián Kenote Paper-ként szerepelt. A Miskolci Egete Alkalazott Inforatikai Tanszéke háro téakörben is végez évek óta kutatásokat, aelek a forgácsolás általános és specifikus odellezését érintik. Ezek a következők:. Folaat-felügeleti feladatok egoldása forgácsoló szerszágépeken AI eszközök felhasználásával. 2. A forgácsolási adatok optiálása a forgácsolási intenzitás (, c 3 /in) állapotjelzőjének felhasználásával. 3. A CAPP-PPS-MES integráció feladatainak egoldása csoporttechnológiai ódszerekkel. 4. A valósidejű gártásiránítás (MES) funkciók bővítése a robusztus és alternatív technológiai tervek alkalazásával. A forgácsolási űveletek sziulációjánál alkalazható odellek lehetséges 6 absztrakciós szintje a következő:. fizikai (phsical) szint 2. űveletele (eleent)szint 3. alaksajátosság (feature)szint 4. űvelet (operation) szint 5. unka (job) szint 6. rendelés (order) szint. Az első háro odellezési szinten a technológia fizikai folaatai, a foltonos állapotjelző játsszák a fő szerepet. Itt tehát olan odellekre van szűkség, ael az anagleválasztás geoetriai, kineatikai, dinaikai, fizikai tulajdonságait prezentálja. (Ne foglalkozunk itt ost a ásodik háro szint odelljeivel, aelek a eseénvezérelt diszkrét dinaikus odellezés (EDDM) hatáskörébe tartoznak.) A forgácsolás elélet, a technológiai tervezés elélete, valaint a száítógépes NC prograozás által kidolgozott eljárások alkalasak a odellezési feladatok eg részének egoldására. Ezek geoetriai és fizikai odellek. A hagoános egoldások azonban ne táogatják a forgácsolási űveletek űszaki-gazdasági odellezését és sziulációját. A nehézségek okai a következők: A odelleknek nagszáú be-, ki- és belső változót kell kezelni. A változók közötti kapcsolatokra száos esetben nincs egbízható eléleti eredén. Az anagtulajdonságok figelebevétele igen nehéz, csak epíriával lehetséges. A részfolaatok között néhán, csak sztochasztikus változókkal írható le. A nehézségek áthidalására a száítógépes odellezés általános sikeres ódszerei nújtanak reént. Ilen ódszerek a következők:. Az objektu orientált odellezés következetes alkalazása. 2. MI ódszerek alkalazása a nelinearitások kezelésére. 3. Az állapotegenletek használata a dinaikus folaatleírásra. 4. A koponensekre épített szoftverfejlesztés; 5. A grafikus szeléltetés és az interaktív eber-gép egüttűködés kihasználása. A koplex szeléletnél a odellezési absztrakciós szintek között kieelkedő szerep jut az alaksajátosság szintnek. Ezen a szinten lehet a legnagobb valószínűséggel olan odellt konstruálni, ael egfelől kihasználja a fent felsorolt száítógépes technológiai előnöket, ásrészt lehetővé teszi az alacsonabb és a agasabb szinteknek egfelelő odellek felépítését. 4. AZ ESZTERGÁLÁS MŰVELETELEM SZINTŰ MODELLJE Az esztergálás űveletele szintű odelljét, ael alkalas folaat enedzselési döntések táogatására is, a következőképpen foglalhatjuk össze. (2. ábra).
v f f F z d A F R R M R A C 2. ábra. Az esztergálás geoetriai odellje Geoetriai viszonok. D (t) a szerszá száraztató felülete által súrolt pillanatni legkisebb átérő. l T D M (t) az aktuális anaghatároknak egfelelő pillanatni legnagobb átérő. Munkadarab geoetria függő. A sziulátor száítja. D =.( DM + D ) az esztergálási közép átérő. 2 d = ( D M D ) a pillanatni fogásélség. A sziulátor száítja. 2 π 2 2 A = Dπ. d =.( DM D ) az aktuális hatás-keresztetszet. 4 v f f = [/fordulat] a pillanatni főorsó fordulatra eső előtolás n A c = d( t). f [ 2 ] a pillanatni forgácskeresztetszet l T (t) a pillanatni, fogásban lévő szerszá élhossz (szerszágeoetria függő) Ac h c = a pillanatni (az él entén átlagos) forgácsvastagság. lt Kineatikai viszonok: n [fordulat/in] a pillanatni főorsó fordulatszá. v f = n. f [/in] a pillanatni előtoló sebesség. f : a fordulatonkénti előtolás. v = D. π. n. [/in] a pillanatni közepes forgácsolási sebesség. = A. v f = D. π. d. v f = D. π. d. n. f = v. f. d. [c 3 /in] a pillanatni anag-leválasztási intenzitás (Material Reoval Rate, MRR). Dinaikai viszonok: F = kq ( h, db. anagkód). Ac [N] (Itt kq a fajlagos forgácsoló erő), vag: F x F F F = C (db. anagkód). v. f. d. Π K A pillanatni főrgácsoló erő. Itt x i i K korrekciós ténezők, a hűtés, a nersdarab, a befogás inőségének leírására. x i F = λ (élszögek). F [N] A pillanatni fogásvétel iránú erő. Szerszá geoetria függő. F = λ (élszögek). F [N] A pillanatni előtolás iránú erő. Szerszá geoetria függő z z 3 M = D. F.0 [N] A pillanatni forgácsoló noaték. 2 2π P( t) = M. n [N/sec] A pillanatni forgácsolási teljesítén. 60 A technológiai viszonok A technológiai viszonok odellezésére csak epíria áll rendelkezésre. A legfontosabb technológiai állapotjelző a szerszá éltartaa. Stacionárius forgácsolás esetén odellezésre a F x
Talor egenlet a legalkalasabb, ha a forgácsolási adatok bizonos határok között vannak. Ne stacionárius forgácsolás esetén a kisérleti tapasztalatok szerint eg terhelésfüggő lineáris odell is használható. Ez a odell a szerszáanagtól és a terheléstől függő kopási sebességet ( v ) használ q állapotjelzőként. A szerszá terhelés jellezésére a bevonatos lapkáknál az L T = f. v állapotjelző használható. A odell szerint: v = k (sz. anagkód). L T [/in] Itt q = / q 4 k = / C v. t ( t) Cv R u ( i) = u o + v dt, 0 u, u =, T = = t x H v v 0 ref d f v A odell a halozódó kopás feltételezését használja, és stacionér esetben a Talor összefüggést adja. Ez a odell statisztikus odellezésre is alkalas, ha k valószínűségi változó exponenciális (vag ás) eloszlással. A technológiai viszonok odellezésére szolgál az öngerjesztett rezgési hajla becslése. Az öngerjesztési állapot a unkadarab és a szerszágeoetria ellett a gépbefogó-unkadarab-szerszá rugalas echanikai rendszer tulajdonságaitól függ. Itt a odellezés száára háro út járható.. Mérési adatok alapján sziulációs időben űködő dinaikai odell felépítése. 2. Stabilitási kárta leképzése a odellbe. 3. Neurális háló használata a hajla becslésére. A felhasznált forgácsolási energia a forgácsoló erő odellje segítségével: t c s ds Ec ( tc ) = P( t) dt ahol tc =, a forgácsolási főidő. v 0 f ( ds) 0 Itt ds szerszápála elei ívhossza. Az R a : várható közepes felületi érdesség, δ : a várható átlagos éretpontosság, δ a a várható átlagos alakhűség, p S : a várható selejtarán odellezése nagon nehéz. Létező gépek esetén, érések intái alapján MI ódszerekkel, neurális hálóval van esél odellezésre. A űszaki-gazdasági viszonok odellje. Az esztergálási folaat értékeléséhez nélkülözhetetlenek a űszaki gazdasági állapotjelzők és ezek integrált, vag átlagos értékei. A űveletele várható forgácsolási ideje t = tc + tr + ti, ahol t r : a gorsenettel egtett utakhoz szükséges idő, és t i az előtolás nélkül felhasznált idő (Pl. szerszá váltás és szerszácsere idő). A űveletele ideje az NC progra, tehát a geoetriai odell alapján nagon pontosan száítható. A űveletele várható költsége csak az adott körnezet (cég) érvénes adatainak és konvencióinak figelebevételével száítható. A űveletele szinten használható odell: t K Σ = K + Kt = kw. t + ( kw. tcs + KT ) ahol: k w : a unkahel percköltsége, K T : : az eg T cserére jutó szerszáköltség, t cs : a szerszá csere idő, K t. A űveletelere jutó szerszáköltség. V A űveletele átlagos anagleválasztási intenzitása: = t c Az érvénes technológiai korlátok iseretében a űveletele valailen érteleben optiális intenzitása illetve optiális technológiai adatai száíthatók. A Tóth T. professzor által kidolgozott odell szerint: A űveletelere az átlagos, fajlagos, költség-ekvivalens utató az átlagos anagleválasztási intenzitás ( ) és eg koplex, szerszáköltség utató (R) függvéne. q vv v K d. f Cv. T τ = = +. Itt: R = = q V. kw R th th Kt, és t H = + tcs. k w
A költség-optiális intenzitás, ha a fogásélség állandó és az erő (előtolás) korlát ( R M ) van érvénnben: * RM =. η =, * M ( q ) Az eredén összevethető a űveletele ténleges (az NC progra alapváltozatában kódolt) átlagos intenzitásával. Itt a axiális intenzitás abból a feltételből száítható, hog az aktuális szerszá éltartaa ne csökkenhet a űveletele forgácsolási főideje alá. Szerszáköltség egtakarítás céljából az intenzitás csökkenthető, ha a gép kapacitása egébként sincs leterhelve A iniális intenzitás ilenkor τ értékének tapasztalatilag elfogadható axiuából adódik. q t q H V M = RM.,, t c, in =, és tc, Max = V. τ Max V τ Max M A határainak iserete lehetővé teszi a költségtartalék aktuális és axiális értéke, a iniális űveletele idő, az időtartalék, és a hozzátartozó intenzitás, valaint az éltarta szinkronizálás hatásfokának érését. Ha az éltarta iniális értékét korlát feltételnek írjuk elő, vag a gép teljesíténe korlátozott, akkor az aktuális kódolt intenzitást T, Max és P, Max aktuális értékével is össze kell vetni. Ez a fent részletezett odell esetén ár ne okoz gondot. A odellezés agasabb szintjei iránában ez a odell jól aggregálható. Az aggregálás olan koplex odell-funkció, ael az alacsonabb szintű odell adataira építve állítja elő a agasabb szintű odell jellezőit. A űveleteleek aggregálása idő és költség vonatkozásokban additív. Az alacsonabb szint odelljének iránában dekopozicióra van szükség. Mivel a odell belső kapcsolatai nelineárisak, a dekopozició körültekintést igénel. A odell pontossága a nelineáris részodellek iatt csak konkrét esetekben becsülhető. Fontos szepont lehet a részodellek kienő jellezőinek érhetősége. A odell validálása végül csak laboratóriui kísérletekkel végezhető el. 4. KÖVETKEZTETÉSEK A odern terelésenedzsent száára fontos eszköz lehet az NC prograokba kódolt technológia variálása, alternatív NC prograok alkalazásával. Az NC prograokba kódolt geoetriai odellre alapozott kiterjesztett NC sziulátor döntéstáogató adatokat szolgáltathat a tereléstervezés és a gártásiránítás száára. A kutatás a Technológiai folaatok objektu orientált odellezése c. FKFP 0275 száú projekt táogatásával készült. A szerzők a táogatásért köszönetűket fejezik ki. Irodalojegzék [] Erdéli F., Hornák O: Overwiev of the Possibilities of NC Siulation of CAM. MicroCAD 0. International Conference. 200. pp. 8-24. [2] Erdéli F., Hornák O.: NC Progra Siulation with the Capabilit of Generating Alternative Process Plan for Flexible Manufacturing. th Prolaat 200 Conference on Digital Enterprise, Budapest 200 Nov. 7-0. Kluwer Acadeic Publishers, pp. 43-50. [3] van Lutterveit C A, Childs T H C, Jawahir I S, Klocke F, Venuvinod P K, : Present Situation and Future Trends in Modelling of Machining Operations. CIRP kenote papers. 998. pp. -42. [4] El Maragh H A: Evolution and Future perspectives of CAPP. Annals of the CIRP V42/2 993.pp. 739-75. [5] Tóth T, Erdéli F: The Role of Optiization and Robustness in Planning and Control of Discrete Manufacturing Processes. Proceeding of the 2 nd World Congress on Intelligent Manufacturing Processes & Sstes. June 0-3. 997. Budapest, Hungar, Springer, pp. 205-20. [6] Tóth Tibor: Tervezési elvek, odellek és ódszerek a száítógéppel integrált gártásban. Tankönv. Miskolci Egetei Kiadó 988.