Fiind o tehnologie de vârf a industriei moderne de producție, prelucrarea CNC produce intrări esențiale pentru aproape toate tipurile de produse de fabricație pentru diferite aplicații, incluzând matriță de injecție, matriță de tablă, matriță de turnare, dispozitive de ghidare și dispozitive de fixare și alte unelte speciale. Tehnologia CNC a fost utilizată pe scară largă în fabricarea asistată de computer (computer-aided manufacturing = CAM), prelucrarea de mare viteză (high speed machining = HSM) și prelucrarea de ultra precizie (ultra precision machining = UPM). Utilizarea extensivă a CNC îmbunătățește semnificativ productivitatea ingineriei de precizie, dar a cauzat o lipsă de tehnicieni sau mașiniști calificați, în special în domeniile cu cunoștințe intensive, cum ar fi HSM și UPM. Prin urmare, pregătirea mașiniștilor calificați este o muncă crucială, dar provocatoare. Un mașinist HSM calificat trebuie să aibă cunoștințe bune de prelucrare, să înțeleagă funcționarea mașinilor-unelte, și să poată face planificarea procesului de prelucrare. În mod tradițional, cursanții își dobândesc abilitățile de operare în câțiva ani prin observare și referire la manualul de operare. După care, ei vor învăța să opereze singuri mașini sub îndrumarea unor operatori cu experiență. Achiziția și întreținerea mașinilor CNC reale, consumurile de materiale reale în prelucrare, precum și configurarea și întreținerea pentru ateliere, toate contribuie substanțial la costul ridicat al instruirii CNC convenționale. De aceea, instruirea CNC rentabilă și sigură este foarte dorită.

Un ucenic va cunoaște o instalație convențională manipulând-o în condiții controlate, prelucrând inițial piese simple, având întotdeauna grijă să țină unealta departe de placa frontală. Accidentele se întâmplă. O rotire suplimentară a pârghiei și a uneltei poate lovi masa mașinii. Chiar dacă un tăietor rupt și o placă frontală zgâriată într-o instalație de învățare nu reprezintă o mare pierdere, o mașină-unealtă CNC costă de câteva ori mai mult și este mai predispusă la accidente grave. O linie greșită de cod poate lovi axul principal spre masa mașinii, provocând o coliziune îngrozitoare care provoacă pierderi grave. Studenții ar putea fi traumatizați de coliziune și își pot pierde interesul pentru această meserie, care se confruntă cu o problemă tot mai mare de deficit de forță de muncă.

Odată cu computerele din ce în ce mai comune, dezvoltarea ulterioară evidentă este un software care poate simula întregul proces, renunțând cu totul la mașina-unealtă din viața reală. Provocarea trecerii de la o mașină unealtă manuală la o versiune CNC rezidă în partea de programare, nu în manipularea mașinii. Deoarece atât panourile de control PC, cât și CNC folosesc ecran tactil, nu este nicio diferență dacă programarea este pentru o mașină simulată pe PC sau pentru un panou de control al mașinii CNC din viața reală, care în sine este un computer, astfel încât instruirea de programare CNC poate fi înlocuită în mod natural cu prelucrare virtuală. În timp ce instruirea CNC folosind mașini CNC reale este necesară, utilizarea tehnologiei de realitate virtuală (virtual reality = VR) pentru a sprijini instruirea CNC a fost un subiect popular în ultimii ani (Avgoustinov 2000).

Simularea întregului proces de prelucrare pentru formarea CNC este semnificativă, având în vedere costurile mai mici și natura fără riscuri. Scăderea drastică a costului computerului, cuplată cu creșterea prețului la nivel mondial la materiale și mașini-unelte înseamnă că pregătirea CNC virtuală folosind modelarea și simularea computerizată este o abordare rentabilă și durabilă a educației tehnice și profesionale în aplicațiile de producție. Sistemul virtual de instruire CNC este dezvoltat pentru simularea mai multor procese de prelucrare. Este deosebit de important în pregătirea prelucrării de mare viteză și de ultra-precizie, care necesită cunoștințe intensive. În comparație cu instruirea manuală convențională la fața locului sau e-learning, sistemul virtual de instruire CNC crește foarte mult eficiența învățării și eficacitatea cursanților, și îmbunătățește economia de costuri în ceea ce privește utilizarea mașinilor și a materialelor.

Fabricarea virtuală este utilizarea unui sistem de realitate virtuală desktop pentru proiectarea asistată de computer a componentelor și proceselor de fabricație. Realitatea virtuală este o tehnologie computerizată care permite utilizatorilor să vadă sau să se „cufunde” într-o lume alternativă. Imersiunea și interacțiunea om-mașină reprezintă nucleul tehnologiei VR. Tehnologia VR are aplicații evidente în educație și formare, unde sunt efectuate sarcini potențial periculoase, cum ar fi zborul sau intervenția chirurgicală, și, de asemenea, a fost folosită pentru multe aplicații diferite într-o varietate de industrii. Această lucrare a oferit o perspectivă asupra reconstrucției centrului de prelucrare virtual prin utilizarea platformei PC și a realizat navigarea centrului de prelucrare și operarea interactivă om-mașină. În acest mediu virtual, utilizatorii pot opera centrul de prelucrare și pot finaliza un proces de prelucrare a produsului. Prin această platformă virtuală, utilizatorii pot obține cunoștințe despre structura centrului de prelucrare și se pot familiariza cu operarea complexă a centrului de prelucrare înainte de a avea ocazia de a manipula unealta de prelucrare reală, ceea ce este de dorit pentru operarea practică.

Starea actuală a instruirii CNC virtuale

În comparație cu aplicațiile de simulare NC care sunt scumpe și mature, sistemul virtual de antrenament CNC este încă primitiv. Dezvoltatorii simulatoarelor NC nu încearcă în mod activ să ofere un sistem de instruire, deoarece piața software-ului de instruire este logic mai mică decât software-ul de producție. Mai important, dezvoltatorii de simulatoare NC trebuie să reînnoiască motorul grafic sau nucleul geometriei pentru a se potrivi utilizării jocurilor educaționale. Niciunul dintre cele mai importante simulatoare NC nu are nicio capacitate de antrenament CNC. Acest lucru lasă dezvoltarea unui sistem virtual de instruire CNC în sarcina vânzătorilor de mașini-unelte și a școlilor care nu au experiență pentru a dezvolta un motor grafic bun (Garcia-Plaza et al. 2011).

Furnizorii de control CNC și-au dezvoltat propriul sistem de instruire. De exemplu, Siemens a dezvoltat SinuTrain, care este un software de instruire CNC. Rulează pe computer și este potrivit pentru scopuri de instruire și auto-studiu, așa cum este pentru scrierea de programe și simulare. Servește pentru scrierea și simularea programelor NC pe un PC, bazate pe limbajul de programare DIN 66025, precum și produsele ShopMill, ShopTurn și ManualTurn+ și comenzile limbaj pentru comenzile SINUMERIK® 810D, 840D și 840Di, toate sunt produse Siemens. Programele scrise cu acest software pot fi folosite pe mașini reale. O condiție prealabilă este ca software-ul SinuTrain să fie adaptat la controlul SINUMERIK pe care urmează să fie executat programul. Această adaptare trebuie efectuată de personal special calificat, de exemplu de la Siemens. Este important de respectat instrucțiunile Siemens și ale producătorului de mașini-unelte atunci când adaptați software-ul. Siemens nu își asumă nicio răspundere dacă aceste cerințe nu sunt respectate.

Sistemele de antrenament CNC virtuale specifice vânzătorului au GUI-uri foarte bune care au fost personalizate pentru controlerul CNC al furnizorului; unii au chiar și o tabletă tactilă care simulează panoul de operare. Însă, simularea de tăiere este brută și primitivă, în ciuda animației de sunet și de zbor a așchiilor.

VRML poate fi folosit ca mijloc ieftin de simulare a uneia dintre cele mai interesante, dar și cele mai consumatoare de timp și resurse, ale producției asistate de computer (CAM) - prelucrarea pieselor complexe.

Au existat multe cercetări și multe publicații despre instruirea CNC virtuală în ultimii 10 ani. Majoritatea motoarelor grafice publicate se bazează pe VRML și Java 3D. Au explorat instruirea CNC bazată pe internet și simularea NC la distanță etc., care sunt futuriste, dar nu practice în acest moment. Hardware-ul computerului este foarte ieftin acum că nu este nevoie să rulați un sistem de antrenament pe internet. Grafica de la distanță pe internet nu este necesară. Unele dintre ele folosesc filme flash, cum ar fi micro media pentru a face animație, care ar putea fi folosite doar pentru scene prefixate.

În VRML, realizarea îndepărtării dinamice a materialului în timpul unui proces de prelucrare rămâne o problemă (Garcia-Plaza et al. 2011). Unele software comerciale, cum ar fi NC virtual de la Deneb, pot exporta o animație VRML pentru a descrie un proces de prelucrare. Dar, în timpul procesului de tăiere, geometria unei piese de prelucrat rămâne neschimbată. Motivul este că VRML nu acceptă operațiuni de setare între obiecte geometrice, cum ar fi unirea, intersecția și diferența. Acest lucru face dificilă simularea modificării geometriei unei piese de prelucrat sub tăiere.

În termeni profani, actualele sisteme virtuale de antrenament CNC sunt jocuri educaționale cărora le lipsește senzația realistă de prelucrare, care este destul de diferită de simulatoarele realiste, cum ar fi simulatoarele de zbor care sunt folosite pentru a antrena piloți.

Următoarea generație de instruire CNC virtuală este de a oferi instruire CNC intensivă de cunoștințe, pentru viitorul mașinist calificat din industria ingineriei de precizie (precision engineering = PE), prin modelare fizică-geometrică generalizată și simulare a proceselor multiple de prelucrare, în special prelucrarea de mare viteză și ultraprecizie. Pentru a realiza această viziune, este nevoie de un nou model în-proces (IPM) care este deformabil și precis.

Centrul virtual de mașini CNC

Noul model propus în-proces a fost utilizat în sistemul virtual de instruire CNC dezvoltat la Institutul de Tehnologie de Fabricare din Singapore (SIMTech) pentru formarea programatorilor CAM și a mașiniștilor CNC. Diagrama bloc este prezentată în Fig. 51. Arhitectura altor sisteme de prelucrare virtuală va fi, de asemenea, similară cu aceasta; ele vor diferi doar în schema de reprezentare.

Mașina CNC virtuală și panoul de control au fost dezvoltate pe platforma Microsoft Windows, cu OpenGL ca motor grafic. Arhitectura sistemului urmează Microsoft Application Framework, cu o casetă de dialog fără model ca plan pentru panoul de control.

Panoul de control CNC din Fig. 52 este diferit de dialogul normal Microsoft Windows în ceea ce privește experiența utilizatorului, deoarece panourile de control CNC au fost dezvoltate înainte de era PC, cu afișaj CRT și butoane tari. Pentru a simula panoul de control CNC tradițional, dialogul convențional fără model trebuie să fie personalizat cu caracteristici grafice speciale, chiar și butoanele au fost desenate din imaginea bitmap. Cum să rotiți butoanele este o altă problemă, roata centrală a mouse-ului a fost folosită pentru a se roti.

Cadrul mașinii, mânerul ușii, axul, piesa de prelucrat, butonul de schimbare a sculei, indicatorul sondei și masa de lucru sunt prezentate în Fig. 53. Toate uneltele de pe mașină sunt operabile cu butoanele mouse-ului și roata centrală.

Măsurarea virtuală pe mașină-unealtă poate fi realizată cu menghină virtuală, cadran, sondă, wiggler și presetter scule din Fig. 54. Instrumentele virtuale reflectă operarea manuală în același mod ca și cele reale; acele indicatoare se rotesc exact ca un ceas adevărat; wiggler vibrează cu o umbră. Utilizatorul poate roti manual instrumentul cu clicuri de mouse și roată centrală.

Cu aceste componente virtuale de scule, un cursant poate învăța cum să prindă piesa de prelucrat pe masa mașinii virtual, cu o procedură de operare predefinită, așa cum se arată în Fig. 55.

Cursanții pot folosi sistemul pentru a simula procesul de frezare și pentru a salva modelul „prelucrat” pentru alte procese de prelucrare din aval. Figura 50 demonstrează simularea adaosului de prelucrare rămas și a înălțimii crestăturii. În plus, ei pot controla viteza de simulare pentru a vedea detaliile din orice unghi cu privire la situația curentă a prelucrării, ceea ce este dificil, dacă nu imposibil, în antrenamentul real bazat pe mașină.

A fost furnizat un set de mostre de prelucrare diferite pentru a demonstra modul în care traseul sculei generat funcționează cu freza sub diferiți parametri de tăiere cu ajutorul controlerului virtual. Cursanții pot învăța diferite configurații într-un timp scurt folosind simulatorul virtual pe PC, ceea ce scurtează semnificativ curba de învățare în comparație cu formarea tradițională într-un atelier.

Deși este periculos să arăți efectul unei setări greșite sau al unui cod NC în atelier, simulatorul virtual are grafică și sunet dezvoltate pentru a sintetiza diferite efecte. În special, sistemul virtual de instruire CNC poate simula un accident folosind un efect grafic și sonor atunci când un cursant rupe un picior al unei piese de prelucrat în timpul prelucrării virtuale. Printre câteva beneficii, siguranța și reducerea costului materialelor sunt câștigurile directe și majore din simularea virtuală.

Panou virtual de control CNC

Panoul de control CNC virtual este o copie virtuală a unui panou de control al mașinii reale. Panoul CNC virtual este integrat cu o mașină-unealtă simulată. Mașina simulată răspunde la programele, comenzile și intrările panoului de control virtual în același mod ca o mașină reală. Emulatorul CNC și simulatorul de mașini-unelte permit oricui să învețe automatizarea CNC reală în orice moment și în orice loc. Noul ecran tactil Windows servește ca o interfață bună pentru panoul de control. Pentru panoul de control cu ​​ecran tactil LCD modern, PC-ul cu ecran tactil este o clonă naturală, astfel încât emularea este perfectă cu tastatura virtuală.

Afișajul virtual emulează afișajul CRT real cu stilul tradițional de text. Conținutul afișajului se va modifica în funcție de diferite moduri de control, cum ar fi poziția actuală, toate pozițiile, tabelul WCS, compensarea etc., așa cum se arată în Fig. 56. Afișajul CRT virtual și mișcarea mașinii sunt sincronizate fără întârziere.

După ce cursantul măsoară poziția piesei de prelucrat pe masa mașinii, datele pot fi introduse cu ușurință în panoul de control virtual prin tastatura virtuală. Datele pot fi preluate într-o sesiune ulterioară.

Operație virtuală de prelucrare manuală

Sistemul virtual de instruire CNC începe ca o mașină-unealtă oprită. Stagiarul trebuie să pornească mașina și să elibereze butonul roșu de oprire de urgență. Apoi, operațiunea de întoarcere la origine trebuie finalizată pentru trei axe. Fără acest pas, următoarea operație nu va fi exactă și precisă.

Ușa trebuie deschisă înainte de orice operațiune pe masa mașinii. Tabelul de scule poate stoca dispozitivele de fixare. Stagiarul poate trage sculele între masa mașinii și tabelul de scule.

Operarea manuală virtuală este o mare provocare pentru un computer personal de cost redus. Cursantul trebuie să fie capabil să mute piesa de prelucrat, să strângă șurubul, să introducă o bară paralelă, să tragă o lamă printr-un spațiu și să rotească butoanele tot timpul. Mouse-ul și ecranul tactil sunt principalele dispozitive interactive ale PC-ului. După multe încercări și erori, rotița mouse-ului este folosită pentru a strânge șuruburile și a roti butoanele, clicurile duble pe piesa de prelucrat sunt simulate cu un ciocan pentru a schimba piesa de prelucrat pentru poziționare, iar ecranul tactil este folosit ca tastatură a panoului de control, astfel că acesta este cea mai realistă abordare.

Diferitele cursore sunt afișate pentru o utilizare ușoară. Va exista un cursor cu șurub atunci când crucea mouse-ului se află lângă un șurub. Un cursor ciocan va apărea la limita piesei de prelucrat și va indica că o schimbare minoră de poziție poate fi realizată printr-o lovitură.

Un mașinist poate opera manual un sistem virtual de antrenament CNC pentru a monta piesa de prelucrat pe masa mașinii, a o strânge cu dispozitivul de fixare sau menghină, alinierea cu axa și configurarea originii prelucrării. Menghina virtuală și dispozitivele de fixare trebuie blocate cu un șurub; în caz contrar, poziția piesei de prelucrat se va schimba în timpul simulării tăierii. Schimbarea piesei de prelucrat este animată cu vibrații și sunet.

Toate frezele trebuie să fie presetate la lungimea corectă și să înregistreze această valoare a lungimii sculei prin panoul de control virtual. Indicatorul cu cadran virtual, sonda tactilă și presetarea tăietorului funcționează ca și dispozitive reale cu două grade de ace pentru afișare. Verificările de interferență în timp real vor furniza valori realiste pe afișaj.

Cala virtuală ar putea fi folosită pentru a verifica distanța dintre vârful tăietorului și piesa de prelucrat. Cursanții folosesc mouse-ul pentru a trage cala selectată prin gol și pentru a vedea diferența. Dacă cala selectată este mai groasă decât spațiul, aceasta nu va trece prin spațiu. Folosind diferite cale și dispozitive de tăiere, cursanții pot calcula lungimea corectă a tăietorului și poziția corectă a piesei de prelucrat.

Wiggler virtual este un instrument și mai interesant pentru alinierea piesei de prelucrat. Va înceta să vibreze numai dacă diametrul său exterior se aliniază corespunzător cu pereții piesei de prelucrat. Animația grafică a lui wiggler este amplificată pentru o observare ușoară.

Instruire sigură pentru operarea mașinilor într-o sală de clasă

Diploma de specialitate în inginerie de precizie pentru calificarea competențelor lucrătorilor (precision engineering Worker Skill Qualification = PE WSQ) este o inițiativă comună a SIMTech și a Agenției pentru Dezvoltarea Forței de Muncă din Singapore (Workforce Development Agency = WDA) pentru a oferi instruire practică pentru a echipa viitorii profesioniști PE în tehnologii de vârf a proceselor de prelucrare de precizie. Acest program se desfășoară printr-o serie de prelegeri, demonstrații de laborator și atașamente de proiect în aplicații industriale selectate. Deoarece majoritatea organizațiilor de formare au un număr limitat de mașini-unelte CNC și instructori CNC disponibile, acestea pot instala sistemul virtual de instruire CNC pe computerele lor pentru a efectua instruire practică. În acest program, laboratorul virtual de pregătire este conceput pentru ca 40 de studenți să învețe CNC. Se desfășoară un curs de prelucrare de mare viteză pentru ca cursanții WSQ să învețe prelucrarea folosind sistemul. Sunt create douăsprezece seturi de exemple HSM, permițând cursanților să învețe diferite tehnici și strategii de prelucrare, una dintre teme fiind prezentată în Fig. 57. Folosirea antrenamentului CNC virtual poate reduce eficient curba de învățare CNC de la săptămâni, tipic, la doar o noapte. Cursanții pot face auto-învățare folosind același software pe propriile computere.

Cu sprijinul financiar din partea Local Enterprise and Association Development Programme (LEAD), SPETA a implementat sistemul virtual de instruire CNC în sala de clasă, așa cum se arată în Fig. 58. Ca una dintre numeroasele domenii critice pe care le-au identificat pentru a îmbunătăți capacitățile companiilor PE, a fost acordată o mare atenție pregătirii mașiniștilor CNC. În parteneriat cu SIMTech, SPETA folosește sistemul pentru a instrui mașiniștii CNC – oarecum ca simulatoarele de zbor pentru a antrena piloți, ceea ce va reduce semnificativ orele de instruire pe mașina reală.

Sistemul este utilizat și în Institutul de Învățământ Tehnic (ITE) pentru formarea mașiniștilor pentru control numeric computerizat. Reducând semnificativ orele și resursele mașinii necesare, sistemul virtual de instruire CNC permite cursanților să exerseze mai mult cu diferite cerințe de prelucrare în același timp alocat de instruire. Cu această pregătire suplimentară, cursanții ar avea un ciclu de învățare mai scurt atunci când încep să lucreze cu companiile. Instruirea virtuală CNC a fost prezentată în televiziunea locală, radioul și toate ziarele. Figura 59 evidențiază pregătirea CNC virtuală în Metal Asia (MTA) și Singapore Science Festival.