obróbka skrawaniem.pdf

WIRTUALNE LABORATORIUM DYDAKTYCZNE

PROCESìW OBRìBKI SKRAWANIEM

ý. R AUCH , M. N OWAK , M. P AĘKO , S. W ĦGLARCZYK , J. K USIAK

Akademia Grniczo-Hutnicza

Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakw

Abstract

Teaching of technology of production processes is difficult without practical trainings.

However, the performance of real industrial experiments is very expensive and it is not

justified economically for educational purposes. The alternative solution is construction of

fully automated virtual laboratory, which can be operated in remote mode. The proposi-

tion of such laboratory based on the CNC machine is presented in the paper.

1. Wstħp

Otwarcie europejskich rynkw pracy dla wysoko wykwalifikowanych inŇynierw

spowodowaþo, iŇ konkurencyjnoĻę osb oferujĢcych swoje usþugi w tym zakresie po-

winna systematycznie wzrastaę. Jednym z elementw przyczyniajĢcych siħ do podno-

szenia kwalifikacji inŇynierskich nabywanych jeszcze podczas studiw jest przede

wszystkim czas poĻwiħcony na ęwiczenia praktyczne, co jest szczeglnie istotne

w przypadku takich kierunkw ksztaþcenia jak m.in.: metalurgia, informatyka przemy-

sþowa czy teŇ inŇynieria materiaþowa. Niestety ze wzglħdu na kosztowny i ograniczo-

ny dostħp do stanowisk laboratoryjnych, studenci posiadajĢ najczħĻciej tylko moŇli-

woĻę obserwacji doĻwiadczeı wykonywanych przez osoby prowadzĢce zajħcia labo-

ratoryjne lub obserwacji prac przemysþowych w trakcie odbywania praktyk zawodo-

wych. Zwykle, wiedza wynoszona z takich zajħę jest czysto teoretyczna, czasami lek-

ko wzbogacona o elementy praktyczne. Idea wirtualnego laboratorium polega na

przeniesieniu caþego ciħŇaru ęwiczeı praktycznych z nauczyciela na studenta tak, aby

ten ostatni mgþ samodzielnie projektowaę i wykonywaę okreĻlony rodzaj ekspery-

mentw. Proces ten moŇliwy bħdzie do realizacji dziħki udostħpnieniu rzeczywistej

maszyny laboratoryjnej w sposb zdalny poprzez Internet. Dziħki takiemu rozwiĢza-

niu student otrzyma zdecydowanie szerszy dostħp do urzĢdzeı laboratoryjnych oraz

moŇliwoĻci projektowania i przeprowadzania wþasnych doĻwiadczeı. Dodatkowym

atutem wirtualnego laboratorium jest stosunkowo niska cena jego eksploatacji w po-

rwnaniu do kosztw wykonywania eksperymentw w warunkach przemysþowych.

Podobna idea zdalnego laboratorium przedstawiona zostaþa dla procesu cieplno-

chemicznego destylacji [1] oraz procesu walcowania pierĻcieni [2].

ý. Rauch, M. Nowak, M. Paęko, S. Wħglarczyk, J. Kusiak

PodejĻcie umoŇliwiajĢce zdalne sterowanie procesami laboratoryjnymi powoduje,

iŇ ksztaþcenie studentw oraz aktywnej zawodowo grupy inŇynierw otrzymuje nowy,

nie tylko teoretyczny, wymiar. Proces ksztaþcenia obywa siħ w sposb nieliniowy, a

dostħp studenta do specjalistycznego wyposaŇenia laboratoryjnego jest synchroniczny

(zajħcia laboratoryjne) oraz asynchroniczny (zdalny) [3].

W niniejszej pracy przedstawiono koncepcjħ wirtualnego laboratorium, ktre de-

dykowane jest dziedzinie plastycznej przerbki metali. Podstawħ tego rozwiĢzania

stanowi maszyna laboratoryjna procesw obrbki skrawaniem wykonujĢca m.in. mo-

dele ze styroduru lub pianki poliuretanowej, z Ňywic modelowych i narzħdziowych.

W pracy przedstawiono rwnieŇ wstħpne zaþoŇenia projektowe.

2. Dydaktyka obecnie

Wiele procesw przemysþowych charakteryzuje siħ bardzo dþugim, skoıczonym

lub niejednokrotnie ciĢgþym, czasem trwania. Przykþadem takich procesw sĢ procesy

cieplno-chemiczne, biotechnologiczne oraz obrbki skrawaniem. W tych ostatnich

czas trwania obrbki materiaþu silnie zaleŇy od stopnia skomplikowania zadanego

ksztaþtu, iloĻci zmian narzħdzia skrawajĢcego oraz od zadanej szybkoĻci skrawania.

Zwykle czas ten zawiera siħ w przedziale od pojedynczych minut do kilku godzin.

Dodatkowy problem stanowi duŇa rŇnorodnoĻę specjalistycznych urzĢdzeı, z ktry-

mi student powinien siħ zapoznaę.

2.1 Oprogramowanie CAD: AutoCAD, INVENTOR, SolidWorks, CATIA

Pierwszym etapem ksztaþcenia studentw w ramach przedmiotw zwiĢzanych

z wytwarzaniem wyrobw w postaci odkuwek jest projektowanie wirtualnych modeli

3D odkuwki (rys.1 A) za pomocĢ dedykowanego oprogramowania.

Rys.1. Wirtualne modele odkuwki A i matrycy B, C. Rzeczywisty ksztaþt matrycy D.

Nastħpnie uwzglħdniajĢc odpowiedni skurcz termiczny projektowane sĢ wirtualne

modele narzħdzi (matryce (rys.1 B, 1C)) do przerbki plastycznej metali. Podobnie

sytuacja wyglĢda w przypadku projektowania form wtryskowych, rozdmuchowych

i odlewniczych. Efekt docelowy widoczny jest na rys. 1 D.

Wirtualne Laboratorium Dydaktyczne Procesw Obrbki Skrawaniem

2.2. Oprogramowanie CAM: EdgeCAM, CATIA-CAM

Na podstawie wirtualnego modelu matrycy student przystħpuje do projektowania

procesu obrbki skrawaniem z rozdzieleniem na poszczeglne operacje i zabiegi. Wy-

korzystujĢc oprogramowanie EdgeCAM [4] oraz wczeĻniej przygotowany postproce-

sor na wybranĢ obrabiarkħ CNC (Frezarka Eberle FRP 600), projektowany jest proces

obrbki skrawaniem, a w koıcowej fazie generowany kod NC. Przeniesienie kodu do

komputera Frezarki CNC pozwala na powtarzalne wykonywanie modeli matryc, na-

tomiast moŇliwoĻę wczeĻniejszej wirtualnej symulacji procesu obrbki, pozwala na

wyeliminowanie bþħdw obrbki, a w szczeglnoĻci kolizji z materiaþem obrabianym

i uchwytami mocujĢcymi [4].

2.3 Obrabiarka CNC

Ostatecznie caþy proces uruchamiany jest na laboratoryjnej obrabiarce CNC

(rys. 2), ktrej parametry opisane zostaþy poniŇej:

Frezarka: FRP 600 HSC

Konstrukcja: Ramowa

Wymiary stoþu: 1 000 x 800 mm

Wrzeciono

Jager typ KS 16/50:

Moc 1.8 kW

Liczba

obrotw:

50 000 obr/min

Sterownie: ISO, DIN 60025

Napħdy: YASHKAWA

Przesuwy: w osi X 600 mm

w osi Y 600 mm

w osi Z 200 mm

Rys.2. Obrabiarka laboratoryjna.

GþwnĢ niedogodnoĻciĢ takiego rozwiĢzania jest fakt, iŇ jedynie w dwch pierw-

szych etapach procesu edukacji kaŇdy ze studentw moŇe uczestniczyę samodzielnie.

Ostatni etap wykonywany jest najczħĻciej przez osobħ uprawnionĢ do obsþugi maszy-

ny, co powoduje, iŇ wiħkszoĻę studentw nie ma moŇliwoĻci wykonywania rzeczywi-

stego eksperymentu w sposb indywidualny. Aby sprostaę tym potrzebom stworzona

zostaþa idea wirtualnego laboratorium, za pomocĢ ktrego kaŇda zainteresowana oso-

ba bħdzie posiadaþa dostħp do zasobw maszyny i bħdzie mogþa wykonaę ekspery-

ment w sposb zdalny przy zredukowanym udziale osb z obsþugi technicznej.

2.4. Ksztaþcenie zdalne

Ze wzglħdu na duŇe zapotrzebowanie inŇynierw o wĢskich specjalnoĻciach, po-

siadajĢcych wiedzħ praktycznĢ dotyczĢcĢ nowoczesnych urzĢdzeı i technologii, roz-

wijane jest coraz powszechniej ksztaþcenie w sposb zdalny w formie tzw.

ý. Rauch, M. Nowak, M. Paęko, S. Wħglarczyk, J. Kusiak

e-learningu. Ta forma ksztaþcenia umoŇliwia pozyskiwanie wiedzy w sposb bardzo

elastyczny poprzez dostħp do materiaþw szkoleniowych znajdujĢcych siħ na platfor-

mach e-learningowych. W przypadku dziedzin inŇynierskich, sĢ to nie tylko materiaþy

teoretyczne, ale rwnieŇ praktyczne, oparte na symulacjach komputerowych analizo-

wanych procesw. Student ma moŇliwoĻę korzystania z tych materiaþw poprzez In-

ternet z dowolnego miejsca i w dowolnym czasie. Przykþadem takich szkoleı moŇe

byę kurs CNC obsþugi obrabiarek sterowanych numerycznie opracowany w ramach

projektu WELCOME 1 [7].

3. Koncepcja wirtualnego laboratorium

Proponowanym rozwiĢzaniem jest dostħp do laboratorium z wykorzystaniem no-

wych technologii komunikacyjnych tj. sieci Internet i komunikacji mobilnej GSM.

ZaletĢ rozwiĢzania jest moŇliwoĻę dostħpu do specjalistycznego wyposaŇenia labora-

torium w trakcie prowadzenia zajħę, jak rwnieŇ poza ich godzinami.

Rys. 3. Schemat zdalnego dostħpu do urzĢdzeı oraz relacji zaufania.

Rys. 3 przedstawia proponowany schemat dostħpu do dwch specjalistycznych

urzĢdzeı znajdujĢcych siħ w rŇnych instytucjach (uczelnie, wydziaþy, laboratoria,

itp.). Student w ramach zajħę laboratoryjnych zapoznaje siħ z charakterystykĢ i zasadĢ

dziaþania dostħpnej obrabiarki CNC i wsplnie z prowadzĢcym zajħcia przygotowuje

program przebiegu symulacji. Nastħpnie korzystajĢc z terminala zestawia bezpieczne

1 http://t-welcome.bitmedia.cc/system/contentview.php/statisch/welcome/en/startseite.ihtml

Wirtualne Laboratorium Dydaktyczne Procesw Obrbki Skrawaniem 5

kodowane poþĢczenie poprzez wirtualnĢ sieę prywatnĢ (ang. Virtual Private Network,

VPN) do serwera dostħpowego. W tym momencie nastħpuje proces uwierzytelnienia

skþadajĢcy siħ z identyfikacji osoby oraz autoryzacji dostħpu do okreĻlonych zasobw.

PomyĻlne zakoıczenie uwierzytelnienia powoduje zestawienie bezpiecznego poþĢcze-

nia miħdzy terminalem studenta a serwerem dostħpowym. Wszystkie wymieniane pa-

kiety miħdzy tymi komputerami bħdĢ kodowane (informacje niezbħdne dla autoryzacji

zostajĢ pobrane z bazy danych).

Pozytywna autoryzacja gwarantuje dostħp do serwera usþug (SU). SU umoŇliwia

zdalnĢ pracħ na graficznym pulpicie (ang. Remote Desktop, RDP) z wykorzystaniem

specjalistycznego oprogramowania. Zintegrowane inŇynierskie oprogramowanie ma

na celu wspomaganie procesu produkcyjnego (CIM) w fazie projektowania (CAD),

wytwarzania (CAM) i przygotowania CNC. Ponadto, CIM powinien takŇe umoŇliwiaę

przeprowadzenie symulacji obrbki w celu sprawdzenia poprawnoĻci skþadni progra-

mu oraz sprawdzenie braku przekroczenia ograniczeı fizycznych. Natomiast rolĢ SU

jest obsþuga i kolejkowanie spþywajĢcych do systemu zleceı oraz informowanie ob-

sþugi o potrzebnych wymianach surowych elementw. Oprcz opisanej funkcjonalno-

Ļci moŇliwa jest takŇe optymalizacja kolejki zleceı przy zadanym kryterium, np.

prostsze elementy w pierwszej kolejnoĻci, przy zaþoŇeniu, Ňe pþyta gþwna maszyny

pomieĻcię moŇe nawet do szeĻciu rwnoczeĻnie wykonywanych eksperymentw.

Po wykonaniu weryfikacji i przetestowaniu programu na symulatorze dostħpnym

w ramach wirtualnego laboratorium, moŇe on zostaę przekazany do systemu sterowa-

nia nadrzħdnego (serwera usþug SU). Zadaniem tego systemu jest kolejkowanie i ob-

sþuga napþywajĢcych zleceı, nastħpnie przekazanie zlecenia do realizacji sterowniko-

wi obrabiarki. System powinien umoŇliwiaę powiadomienie zwrotne zleceniodawcy o

statusie zakoıczenia obrbki oraz zaþadowanie kolejnego programu. Dodatkowo, sys-

tem ten powinien przechowywaę i udostħpniaę na ŇĢdanie operatora historiħ zleceı,

bþħdw, zdarzeı i alarmw wraz z czasem ich zaistnienia. Zakres obrbczy maszyny

pozwala zwykle na zamontowanie jednoczeĻnie kilku surowych elementw, ktre na-

stħpnie sekwencyjnie mogĢ byę obrabiane. ZaletĢ jest wydþuŇenie czasu interwencji

operatora miħdzy kolejnymi zmianami elementw. W przypadku wadliwego dziaþania

systemu wykonywanie programu zostaje zawieszone do czasu usuniħcia przyczyny

usterki. Szczegþowy raport o wykonaniu obrbki elementu zleceniodawca otrzymy-

waþby pocztĢ elektronicznĢ wraz z dostħpnoĻciĢ raportu na stronie WWW.

Baza danych osb majĢcych dostħp do danej maszyny przechowywana moŇe byę

w odpowiednio przygotowanej strukturze drzewa katalogw (LDAP, Active Directo-

ry, itp.) lub w relacyjnej bazie danych SQL. Proces autoryzacji realizowany byþby

z wykorzystaniem protokoþu Kerberos, ktry zapewnia wysoki stopieı bezpieczeı-

stwa przekazywanych informacji w sieci INTERNET. Takie podejĻcie umoŇliwia

stworzenie relacji zaufania jednostronnego lub obustronnego miħdzy poszczeglnymi

organizacjami i umoŇliwia dostħp do zdalnego laboratorium uprawnionym osobom

z zaufanej organizacji. Tym samym unika siħ koniecznoĻci przechowywania i zarzĢ-

dzania kontami wraz z danymi osobowymi w wielu miejscach Î organizacjach.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: