Architettura CNC aperta di NUM e software di simulazione 3D per corsi di progettazione meccanica universitari

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Green business backgroundIl prestigioso College of Engineering della Purdue University ha scelto di equipaggiare uno dei suoi principali laboratori educativi con sistemi CNC ad architettura aperta di NUM e con software di simulazione 3D. Le apparecchiature forniranno agli studenti un’esperienza pratica di programmazione CNC e li aiuteranno a familiarizzare col funzionamento di macchine utensili avanzate a CNC e con le tecniche di controllo, usando una potente combinazione di macchine virtuali e di sistemi di dimostrazione CNC fisici ad alte prestazioni. La Purdue University è uno dei migliori istituti accademici di ricerca degli USA e comprende una delle più grandi facoltà di ingegneria della nazione. Il suo College of Engineering comprende 14 scuole e dipartimenti, ciascuno specializzato in una particolare disciplina ingegneristica, ed è attualmente in una fase di ulteriore grande espansione. Come parte dell’ampliamento, la Purdue University sta aggiornando i laboratori di ingegneria meccanica nella sede principale dell’università. Questi laboratori vengono utilizzati principalmente per insegnare agli studenti le basi del controllo e della programmazione dei CNC, e per introdurli nei processi e nelle tecniche della produzione basata su macchine. Attualmente sono equipaggiati con parecchie macchine da dimostrazione a due assi CNC basate su sistemi CNC NUM delle serie 760 e 10xx, insieme ad un simulatore NUM 2D.
Secondo il Professor Yung C. Shin, che supervisiona tutte le attività di educazione e di ricerca relative ai CNC nella School of Mechanical Engineering, “Quando abbiamo realizzato il laboratorio di ingegneria meccanica negli anni ’90, abbiamo guardato i sistemi CNC di molti produttori. Tuttavia, molti sistemi erano come delle scatole nere cosicché il loro funzionamento era difficile da comprendere, ed era quindi molto lontano dall’ideale per l’insegnamento dei concetti base del controllo CNC. Quindi abbiamo deciso di basare la nostra piattaforma educativa sui sistemi CNC di NUM, principalmente per la loro architettura aperta e per il fatto che NUM fu entusiasta di aiutarci ad usare i loro prodotti in questo ruolo. L’apertura dei CNC di NUM, specialmente per quanto riguarda il codice NC e le infrastrutture di I/O, ci permette di dimostrare chiaramente lo scambio di dati tra PLC, CNC e l’elettronica dei drive, e semplifica l’integrazione con altre apparecchiature di laboratorio. Inoltre, molte delle macchine CNC che usiamo nei nostri laboratori di ricerca per la produzione sono basati su sistemi CNC di NUM, cosicché ci sono molti punti in comune nel codice.” NUM ha agito come partner CNC per la School of Mechanical Engineering per circa 24 anni. Steven Schilling, General Manager della NUM Corporation di Naperville nell’Illinois, evidenzia l’importanza di questo supporto a lungo termine per gli istituti di istruzione.
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“I responsabili della Purdue hanno sempre avuto accesso al nostro supporto tecnico e ricevono un aiuto ingegneristico ogni volta che devono riconfigurare o riprogrammare sistemi CNC per nuovi progetti. Questa stretta collaborazione assicura che le apparecchiature CNC del laboratorio della Purdue siano sempre aggiornati e che, gli studenti, abbiano sempre nuovi strumenti a disposizione per lo sviluppo di nuove tecnologie di lavorazione.“ L’ultimo aggiornamento agli equipaggiamenti CNC del laboratorio di ingegneria meccanica è molto esteso. NUM ha fornito due sistemi CNC Flexium 68 configurati per applicazioni di fresatura, ciascuna con NCK (Numerical Control Kernel), PLC, HMI e simulatore 3D hardware e software, più delle chiavette con simulatori aggiuntivi per quattro PC. Il Flexium 68 offre una base molto versatile per applicazioni di istruzione e ricerca come queste, dove il tipo di macchina e l’approccio di controllo cambia col tempo. Come standard, l’NCK contiene fino a 5 assi/mandrini su un singolo canale, con piena interpolazione su 4 assi. Singole opzioni NCK possono espanderlo fino a 32 assi/mandrino fino a 8 canali, fino a 32 assi interpolati, mentre le configurazioni multi-NCK possono gestire più di 200 assi. Per aiutare a migliorare l’ergonomia, il laboratorio ha installato due console da tavolo per l’interazione uomo-macchina. Ogni console è equipaggiata con un pannello operatore NUM FS152i ed un pannello operatore MP04, dotati di interfaccia CAN. I pannelli operatore hanno schermi LCD da 15 pollici e PC industriali integrali con drive a stato solido che lavorano con una versione embedded di Windows(TM), e sono connessi con la rete Ethernet dell’università. Ogni console può essere usata per la simulazione oppure per controllare la macchina dimostrativa del laboratorio CNC. NUM ha anche fornito tutti i motori, I drive, gli alimentatori e l’hardware associato per due ulteriori macchine dimostrative a 2 assi. Entrambe le macchine combinano i servodrive a doppio asse di ultima generazione NUMDrive C con i servomotori brushless BPH. Una di queste macchine usa la versione HP del drive con anelli di controllo ad alte prestazioni, per facilitare la ricerca in applicazioni che richiedono una cinematica molto veloce e precisa. Usando Flexium, gli studenti della Purdue University ed i ricercatori post-laurea possono ora investigare sulle tecniche CNC fino ad un livello molto dettagliato. Tutta la parametrizzazione e la programmazione dei CNC, servodrive, I/O e PLC è realizzata usando un set di strumenti software unificato per aiutare ad accorciare la curva di apprendimento, aumentare la produttività e la soddisfazione sul lavoro, ed incoraggiare gli sforzi di collaborazione. La caratteristica architettura aperta del sistema ha vantaggi multipli. Si possono creare o modificare facilmente degli HMI (Human-Machine Interfaces) specifici per l’applicazione usando degli editor standardizzati e linguaggi come l’HTML, JavaScript, Visual Basic, Delphi, C o C++, mentre il PLC può essere programmato usando qualsiasi linguaggio orientato agli oggetti, grafico o testuale, conforme alle IEC 61131-3. Inoltre gli studenti che desiderano un controllo a basso livello dell’NCK – per esempio, per trasformazioni degli assi in tempo reale – possono usare gli operatori dinamici nel codice, mentre, tecniche come la compensazione in tempo reale, possono essere sviluppate usando le macro in un anello di controllo nei servodrive. Le potenzialità di simulazione grafica 3D di Flexium che la Purdue University sta installando nel laboratorio di ingegneria meccanica miglioreranno la flessibilità del lavoro in modo significativo. Finora il software di simulazione richiedeva una connessione fisica al sistema CNC – il che significa che solo uno studente alla volta poteva utilizzarlo – ed era limitato alla simulazione di base 2D delle linee della traiettoria. Il laboratorio ha ora sei stazioni di simulazione separate – due sulle console da tavolo e quattro su PC stand-alone – ciascuno capace di simulare un vero pezzo in lavorazione in 3D in modalità stand-alone, senza la necessità di accedere al sistema CNC. Saranno installati ulteriori sei PC in rete, che permetteranno agli studenti di effettuare la simulazione da diverse postazioni.
Gli studenti sono ora in grado di simulare ed ottimizzare ogni parte del programma in codice ISO che hanno scritto, con la piena visualizzazione del percorso del punto centrale dell’utensile e dell’asportazione del materiale dal pezzo in lavorazione, sostenuti da un controllo automatico anti-collisione tra i componenti della macchina, l’utensile ed il pezzo in lavorazione. Il software di simulazione attualmente supporta torni da 3 a 5 assi e fresatrici/foratrici a 3 assi, così come tagli a di profili a getto d’acqua ed al plasma, e può essere trasferito molto facilmente tra le applicazioni. Esso crea un’immagine dinamica a colori, che mostra il pezzo in lavorazione come un oggetto 3D che può essere ruotato e visto da ogni angolazione. La Purdue University ha previsto di rendere disponibile agli studenti la nuova struttura CNC in autunno, come spiega il Professor Shin, “Abbiamo la necessità di essere in grado di offrire a più studenti l’esperienza pratica di programmazione e virtualizzazione di CNC il più rapidamente possibile. C’è ora una rinascita nel mercato interno dell’automazione grazie a nuovi processi come la produzione additiva, e le competenze nella programmazione di CNC scarseggiano nuovamente. Gli studenti sono entusiasti della programmazione CNC quando possono vedere i risultati dei loro sforzi – che sia un simulatore, un dimostratore CNC oppure una macchina utensile – perciò le nostre nuove strutture sono un importante strumento educativo. Circa il 65% dei nostri laureati intraprende una carriera nel settore manifatturiero, e molti di loro sono diventati professori nel loro ramo. Mi piace pensare che quando organizzano i loro laboratori essi ricordino le fondamenta che gli abbiamo fornito.”

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