Lavorazione CNC digitale a doppio comando: dalla simulazione all'ottimizzazione del processo a ciclo chiuso
astratto
Il gemello digitale non è più un modello 3D di fantasia, ma è diventato la tecnologia di base per lo sviluppo del processo di lavorazione CNC. Realizza la verifica del processo senza rischi prima della lavorazione, il mirroring in tempo reale e l'avviso di anomalia durante la lavorazione e l'ottimizzazione continua basata sui dati dopo la lavorazione costruendo un modello digitale uno per uno mappando con la macchina utensile fisica nello spazio virtuale. Questo documento espone sistematicamente i principali livelli tecnici della costruzione del gemello digitale CNC: modellazione cinematica della macchina utensile ad alta fedeltà, modello fisico del processo di taglio (forza di taglio, vibrazione, deformazione termica), raccolta dati in tempo reale e interfaccia di mappatura e algoritmi di ottimizzazione del processo basati su gemelli. L'accento è posto su come rilevare le collisioni che non possono essere rilevate dalla simulazione CAM tradizionale attraverso la lavorazione virtuale - come l'interferenza tra il gambo il pezzo, la collisione tra l'utensile e il braccio che cambia utensile. Prendendo come esempio la lavorazione a cinque assi di giranti complesse, viene mostrato il processo del gemello digitale che identifica in anticipo il superamento del limite dell'albero e la collisione testa-tavola del mandrino, e viene evitato un potenziale incidente grave. Viene ulteriormente analizzato il metodo ingegneristico del gemello digitale che combina i dati di produzione (carico del mandrino, usura dell'utensile) per realizzare la correzione a circuito chiuso dei parametri di processo. Infine, viene dato un percorso fattibile per le piccole e medie imprese per costruire gemelli digitali leggeri a basso costo.
I limiti della simulazione NC tradizionale
Quasi tutti i software CAM forniscono la simulazione del percorso utensile, ma di solito si basano solo sulla geometria del pezzo e sul modello dell'utensile, senza considerare la reale struttura cinematica della macchina utensile, la geometria del mandrino del gambo, il meccanismo di cambio utensile e la possibilità di interferenza del dispositivo. Di conseguenza, il comune programma "simulazione senza collisioni in CAM" ha un incidente di collisione dopo essere stato caricato sulla macchina. Inoltre, la simulazione tradizionale non può simulare la deformazione e l'espansione termica dell'utensile causata dalle forze di taglio, con conseguente deviazione della dimensione di finitura dal valore preimpostato.
I gemelli digitali sono emersi proprio per colmare questo divario.
L'architettura a tre livelli dei gemelli digitali
2,1 Geometria-cinematica gemella
Costruire un modello 3D che sia completamente coerente con la macchina utensile fisica, comprese tutte le parti in movimento (scatola del mandrino, giradischi, testa oscillante, magazzino utensili, ecc.) e definire la precisa relazione di coppia di movimento (asse di traslazione, asse di rotazione e loro limiti). Ad esempio, la catena di movimento della macchina utensile a doppia testa oscillante a cinque assi: utensile mandrino asse asse X asse Y asse Z asse A (intorno a X) asse C (intorno a Z). Il sistema twin è in grado di calcolare la posizione di tutte le parti in qualsiasi momento. Soluzioni collaudate sul mercato come VERICUT, il concetto elettromeccanico di Siemens NX e piattaforme gemelle digitali dedicate per macchine utensili (ad esempio ModuleWorks, CGTech).
2,2 Comportamento fisico gemelli
Sovrapporre il modello della forza di taglio, il modello strutturale agli elementi finiti e il modello dell'effetto termico. Quando vengono dati il percorso dell'utensile e i parametri di taglio, il gemello fisico può prevedere la potenza del mandrino, la forza di taglio, la deformazione del pezzo e lo spostamento termico e quindi correggere il punto di controllo dell'utensile. Tali modelli sono attualmente utilizzati principalmente nella ricerca scientifica o nelle migliori aziende aerospaziali, ma il grado di commercializzazione è in aumento.
2,3 Sincronizzazione dei dati in tempo reale twin
Lettura in tempo reale della posizione dell'asse, del carico del mandrino, dei dati del sensore di vibrazione dal controller CNC tramite il protocollo OPC UA o MTConnect e aziona la macchina virtuale nel modello gemello per muoversi in modo sincrono. Una volta che la deviazione tra la posizione reale e la posizione di comando del modello virtuale supera la soglia, viene emesso un allarme. Ciò equivale a un "sistema di monitoraggio a specchio" in tempo reale.
III. Lavorazione virtuale: rilevamento delle collisioni e verifica del processo
Questo è il valore industriale più diretto del gemello digitale. Nella lavorazione a cinque assi, molte collisioni sono dovute a un improvviso cambiamento nell'albero dell'utensile, causando il colpo del gambo o della testa del mandrino sul pezzo o sull'apparecchio. Le simulazioni CAM spesso non possono essere trovate a causa della mancanza di modelli di gambo. Nel gemello digitale, importa la libreria completa del gambo, il modello dell'apparecchio e il modello della macchina ed esegui il codice G. Il sistema rileva automaticamente la distanza tra due parti e mette in pausa e segnala il tempo e il tipo di collisione al di sotto del valore di sicurezza.
Caso pratico: un programma a cinque assi di una girante, tutto è normale nella simulazione CAM. Dopo aver importato VERICUT digital twin, viene rilevato che quando ci si avvicina al limite di corsa dell'asse C, lo spazio tra il guscio del mandrino e il bordo della lama è di soli 0,15 mm (mentre la distanza di sicurezza richiede 1 mm) e l'asse A supererà la corsa -5. Il programmatore ha modificato di conseguenza la strategia di inclinazione dell'albero dell'utensile e il percorso di evitamento per evitare una collisione che potrebbe causare una perdita di 500.000 yuan.
IV. Ottimizzazione a circuito chiuso basata su gemelli
Andando oltre, il gemello digitale viene combinato con i dati di misurazione dopo la lavorazione per formare un ciclo chiuso. Ad esempio: dopo aver terminato un disco della turbina, l'errore di contorno viene rilevato con una macchina di misura a coordinate. I dati di errore vengono mappati sul modello gemello e la fonte dell'errore (possibilmente deformazione termica o offset dell'utensile) viene calcolata al contrario. Il sistema gemello ottimizza automaticamente il programma di lavorazione per il pezzo successivo, compensando il percorso dell'utensile. Dopo 2-3 iterazioni, la precisione di lavorazione può essere migliorata del 30% -50%.
V. Pratiche a bassa soglia per le PMI
Non tutte le aziende hanno bisogno di un gemello fisico completo. I percorsi a basso costo includono: costruzione di modelli cinematici di macchine con un motore 3D open source, accoppiato con una libreria di simulazione G-code gratuita; utilizzo di CNC con interfaccia MODBUS per l'acquisizione della posizione degli assi e implementazione di semplici avvisi di collisione in script Python. Il periodo di recupero è di solito inferiore a sei mesi.
VI. Conclusione
I gemelli digitali stanno portando la lavorazione CNC dalla modalità tradizionale di "trial-cut-adjust-re-cut" in una nuova era di "verifica virtuale una volta riuscita + ottimizzazione del feedback in tempo reale". Per la produzione di pezzi di piccolo valore multi-varietà, i gemelli digitali sono diventati uno strumento necessario per ridurre i rischi e accorciare i cicli e sono una delle tecnologie chiave per l'implementazione della produzione intelligente.
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