Software de Simulação: Verificação Visual para Operações CNC Mais Seguras e Rápidas

Cansado de andar no botão vermelho? Software de simulação é a chave para setups de máquina mais seguros e curtos.

Em um mundo CNC perfeito, a primeira peça é sempre boa. Não há necessidade de blanks extras ou barras. Tempos de setup são apenas o tempo necessário para trocar algumas ferramentas e carregar um novo programa. Nunca há uma colisão, nunca a necessidade de reprogramar um pedaço de código ineficiente. O operador apenas aperta o botão verde e sai uma peça acabada minutos ou horas depois.

Qual é a tecnologia mágica que torna este mundo possível? Chama-se software de simulação, e embora tenha levado poucas oficinas ao estado de nirvana manufatureiro descrito acima, é um movimento importante nessa direção.

Dando aos programadores a capacidade de simular tudo sobre o processo de usinagem — os porta-ferramentas, fusos e torres, a peça de trabalho constantemente mudando e as ferramentas de corte movendo-se ao redor e através dela — desenvolvedores de software estão tornando seus mundos virtuais em preditores altamente precisos de tudo que ocorrerá uma vez que aquele botão verde seja pressionado. A linha de fundo é clara: se sua oficina não está usando software de simulação de trajetória de ferramenta para provar seus programas NC, você não está apenas desperdiçando tempo de produção valioso mas também colocando máquinas-ferramenta caras e seu registro de segurança em risco.

Contratando um Seguro

Mas espere — nosso software CAM já tem capacidades de simulação, você está pensando. Por que devemos investir dinheiro adicional se nosso sistema atual pode fazer o trabalho? De acordo com Ben Mund, analista sênior de mercado para desenvolvedora de CAD/CAM Mastercam CNC Software Inc. (Tolland, CT), pode haver razões muito boas para fazer exatamente isso.

"A maioria dos sistemas CAM hoje oferece algum nível de simulação de trajetória de ferramenta que é perfeitamente aceitável para a maioria das aplicações de usinagem", ele disse. "A diferença entre isso e software de simulação dedicado é que pacotes CAM, como regra, não leem o G-code pós-processado real usado pela máquina-ferramenta. Por causa disso, simulação de trajetória de ferramenta autônoma fornece uma camada adicional de segurança para trabalhos de valor extremamente alto e aplicações de usinagem complexas. É como contratar uma apólice de seguro."

Como com tudo mais em manufatura, no entanto, software CAM é cada vez mais capaz, e isso inclui a capacidade de simular mais do processo de usinagem — onde modelos wireframe crus da ferramenta de corte e peça de trabalho eram uma vez a norma, Mastercam e outros agora oferecem representações surpreendentemente realistas de todo o ambiente de usinagem, incluindo fixação, porta-ferramentas, e até o CNC em si.

Mund equipara este desenvolvimento à convergência gradual de CAD e CAM — onde os dois eram uma vez produtos completamente separados, CAM hoje está se tornando muito CAD-like, e vice-versa.

"Muitas oficinas não precisam mais de um sistema CAD autônomo porque seu pacote CAM faz tudo que eles precisam", ele disse. "É uma situação muito similar com software de simulação de máquina e trajetória de ferramenta — CAM pode não oferecer a mesma profundidade de verificação, mas novamente, a menos que você queira aquele nível extra de segurança, ele faz o trabalho — e está constantemente progredindo."

Forçando a Passagem

Craig Chester, gerente de produto PowerMill na Autodesk Inc. (San Rafael, CA), concorda com a avaliação de Mund. "Muito poucos de nossos clientes usam pacotes de simulação especializados, pois eles estão confiantes com a confiabilidade de sua simulação CAM", ele disse.

A pequena porcentagem de clientes que investem em pacotes autônomos tipicamente o fazem porque têm múltiplas soluções CAM, talvez de diferentes fornecedores, e uma única solução especializada fornece resultados consistentes, explicou Chester. Estes são geralmente clientes maiores, como empresas aeroespaciais ou de defesa, que também tendem a ser aqueles usando diferentes pacotes CAM para seus tornos mill-turn, centros de usinagem de cinco eixos, equipamentos EDM e assim por diante.

Ironicamente, a maior vantagem do software de simulação autônomo — a capacidade de ler G-code de máquina — também pode ser seu calcanhar de Aquiles.

"O lado negativo de simular fora do programa CAM é que o usuário só descobre problemas após a peça ter sido programada", apontou Chester. "Se o erro é no início do processo de usinagem, então muitas trajetórias de ferramenta subsequentes precisarão ser reprogramadas. Mas simulando tudo no programa CAM, esses recálculos desnecessários e custosos podem ser evitados."

Mas não tão rápido. Tom McCollough, diretor de gerenciamento de produto no grupo CAM e Manufatura Híbrida da Autodesk, concorda que simulação integrada dá aos programadores a capacidade de determinar rapidamente os efeitos de mudanças de trajetória de ferramenta, mas adicionou que isso não é uma solução tudo-em-um para várias empresas.

"Imagine tendo feito semanas de desbaste e semi-acabamento em uma ferramenta automotiva muito grande, apenas para colidir com o estoque nos estágios finais, danificando tanto a peça quanto o fuso", ele disse. "Isso pode impactar adversamente não apenas o trabalho em questão, mas outros trabalhos (para outros clientes) na fila. O impacto potencial é enorme, é por isso que fabricantes de componentes de alto valor são motivados a obter uma 'segunda opinião' de um pedaço de software independente."

A simulação conduzida por G-code no NX CAM da Siemens usa os mesmos programas NC que acionam máquinas-ferramenta. A simulação altamente precisa ajuda empresas a eliminar falhas, melhorar qualidade de peça e aumentar tempo de atividade da máquina, de acordo com a Siemens.

Faça-me um Sólido

Jean-Marc Cauzac, gerente de papel DELMIA na Dassault Systèmes (Waltham, MA), oferece recomendações similares. Como os outros provedores de software entrevistados para este artigo, os produtos CAM da Dassault Systèmes oferecem capacidades de simulação precisas e realistas, com representações 3D completas da máquina-ferramenta, incluindo dispositivos de fixação, mandris e garras, e cabeças de indexação.

Cauzac disse que isso é suficiente para a maioria dos fabricantes de peças porque a maioria dos problemas de colisão podem (e devem) ser eliminados bem antes da geração de código de máquina. "Um sistema integrado permite que todos os desafios de acessibilidade e alcançabilidade sejam verificados muito cedo na definição do programa, incluindo erros de trajetória de ferramenta como travessia rápida no material ou parâmetros de corte excessivamente agressivos, bem como possível colisão entre qualquer dos elementos listados."

Cauzac notou, no entanto, que simulação CAM integrada é de algumas maneiras limitada: Alguns clientes não querem acreditar em simulações vindas do software criando a trajetória de ferramenta, temendo que o fornecedor de software não pode ser tanto juiz quanto júri.

Quando o cliente está usando várias soluções CAM em sua instalação, um único programa de simulação externo — assumindo que tem uma interface precisa para o software CAM — é preferido por sua capacidade de fornecer validação homogênea.

Software de simulação especializado é frequentemente mais abrangente que simulação baseada em CAM, que tende a ser mais orientada a trajetória de ferramenta e não considera ciclos enlatados e sub-rotinas usados na maioria dos controles.

Argumentos a favor de software de simulação externo de lado, Cauzac sugeriu que sistemas integrados são tanto mais rápidos quanto menos propensos a erro. "Eles fornecem continuidade digital perfeita porque todos os elementos 3D usados na simulação têm a mesma fonte", ela disse. "Não há necessidade de transferência de dados entre dois sistemas, o que incorre em esforço adicional e a possibilidade de que informação possa ser perdida."

Use a Força

Como Ben Mund do Mastercam mencionou anteriormente, ler o código usado pelo controlador da máquina é talvez o diferenciador chave entre software de simulação autônomo e integrado. Alguém com muito a dizer sobre o assunto é Gene Granata, gerente de produto para software de simulação e verificação de trajetória de ferramenta VERICUT da provedora CGTech Inc. (Irvine, CA).

"Várias pessoas estão tentando dissipar o valor de simulação de terceiros alegando que é desnecessário, ou é exagero", ele disse. "Mas para atingir um gêmeo digital da máquina-ferramenta e processo de usinagem, você tem que incluir coisas como compensação de cinco eixos, comprimento de ferramenta e offsets de fixação, macros e sub-rotinas, e como a ferramenta de corte realmente se move enquanto em modo de posicionamento, elementos que não são considerados quando instruções internas do sistema CAM são usadas para construir a simulação."

Enquanto o argumento rage sobre se oficinas de máquinas precisam deste nível de precisão de simulação, Granata é rápido em apontar algo que eles precisam: otimização. "É um mundo cão-come-cão lá fora, e permanecer no negócio é frequentemente baseado em margens de lucro rasas. Para esse fim, há um enorme foco em otimização de trajetória de ferramenta."

Para Granata, otimização não é sobre rotinas específicas de CAM focadas em limpeza de bolso efetiva e cargas de cavaco constantes, embora aqueles sejam admitidamente partes necessárias da equação de usinagem. O que é mais importante, ele disse, é encontrar maneiras de otimizar trajetórias de ferramenta baseadas no que a máquina-ferramenta é capaz, dado o material da peça de trabalho e ferramentas de corte sendo usadas.

É aqui que o Force entra, um módulo de software dentro da suíte VERICUT que complementa simulação de trajetória de ferramenta e software CAM igualmente, não importa cujo logotipo está na caixa.

"Isso representa um nível inteiramente novo de inteligência de programação Industry 4.0, e CGTech assim como outros desenvolvedores de software estão realmente apenas arranhando a superfície desta capacidade", ele disse. "Todo fabricante de ferramentas de corte dirá que suas ferramentas podem ser empurradas mais forte e otimização é a melhor maneira de alcançar isso."

Lendo o G

Equilibrando entre simulação autônoma e integrada está a Siemens PLM Software Inc. (Plano, TX), que foi uma das primeiras parceiras da CGTech e continua nesse papel hoje. Mas como o Diretor Sênior para Manufatura Avançada de Peças da Siemens, Vynce Paradise, explicou, a empresa decidiu ao longo do caminho desenvolver sua própria abordagem de simulação, uma que é parte integral de seu software NX CAM.

"Há muitos bons sistemas CAM lá fora e todos oferecem algum nível de simulação de trajetória de ferramenta, mas é importante reconhecer que há múltiplos níveis disponíveis", ele disse. "Há a simulação básica onde você pode ver o modelo de estoque, a ferramenta de corte, e talvez o porta-ferramenta, cada um movendo-se relativo aos outros. Chamamos isso de verificação de trajetória de ferramenta, e embora útil, é apenas um ponto de partida."

Dê um passo adiante e você tem simulação de máquina verdadeira, o "gêmeo digital" que o Granata da CGTech mencionou e um termo que qualquer um na Siemens está familiarizado. "Isso é no que estamos focando hoje", Paradise apontou. "Vai além do básico descrito para incluir todos os aspectos do setup de usinagem, cada um com sua própria cinemática e movimento relativo. Muitos sistemas CAM hoje mostram isso, mas o que é diferente sobre o nosso é que estamos postando código NC na hora e usando-o para simulação no NX CAM, fornecendo uma solução 'melhor dos dois mundos'."

Paradise ofereceu a seguinte analogia: Se você quer se tornar um piloto de linha aérea, você preferiria aprender em um simulador de voo que usa software genérico de simulação de voo ou em um que replica mais de perto o ambiente de controle do avião real? "Simulação integrada CAM usando o G-code real é muito similar ao último e permanece a maneira mais completa de replicar o que vai acontecer durante o processo de usinagem."

Primavera Adiante

Spring Technologies Inc. (Boston), adquirida este ano pelo provedor de soluções de tecnologia Hexagon, é outro desenvolvedor de software de simulação e verificação de máquina CNC. Gerente Geral Silvère Proisy concorda com seus colegas nos méritos de otimização de trajetória de ferramenta e validação de G-code, mas adicionou várias outras considerações para aqueles que podem estar chutando os pneus em um destes sistemas de software.

A primeira é que simulação não é apenas para oficinas com máquinas-ferramenta altamente complexas ou peças caras. "Claro nossos clientes primários são aqueles com tornos multi-canal e centros de usinagem de cinco eixos, mas estamos vendo um aumento em oficinas que querem otimizar seus programas NC, e isso inclui aquelas com maquinário básico de dois e três eixos", disse Proisy. "E enquanto ninguém pode pagar para colidir qualquer equipamento de capital, são as oficinas menores que são mais afetadas quando este evento infeliz ocorre. Nosso software NCSIMUL elimina esse risco."

Otimização de trajetória de ferramenta do software de simulação e verificação Vericut da CGTech é baseada em forças de corte projetadas e ajuda a melhorar vida da ferramenta e eliminar vibração que leva a chatter, de acordo com a empresa.

Com simulação de trajetória de ferramenta, programadores sempre sabem onde a ferramenta estava, e para onde vai a seguir, como neste módulo Mastercam.

Para os críticos que sugerem que o uso de software de simulação autônomo é tanto consumidor de tempo quanto propenso a erro, Proisy disse que usuários devem olhar para automação como o próximo passo em simulação de trajetória de ferramenta; instalando NCSIMUL em um servidor conectado à rede do chão de fábrica, é possível enviar arquivos de trajetória de ferramenta para uma "caixa preta" e tê-los verificados automaticamente — a menos que haja um problema, o único esforço é ler o relatório por e-mail que o G-code está bom para ir. Este é apenas o primeiro passo no caminho da automação.

De acordo com Proisy, o software de sua empresa é atualmente capaz de reprocessar programas NC para uso em outras máquinas-ferramenta, e fazê-lo "com o apertar de um botão". Indo para frente, ele visualiza uma interface flexível mas inteligente que cuidará daquele passo automaticamente baseado em qual máquina o trabalho foi atribuído.

"O terceiro ponto é conectividade", ele disse. "Graças à nossa parceria com Hexagon, antecipamos que em breve seremos capazes de puxar dados de sensores na máquina-ferramenta e usar aqueles valores para atualizar o programa na hora. Pode ser offsets de comprimento de ferramenta ou localizações de fixação, ou pode ser feedback sobre cargas do fuso e vibração. Ainda não estamos tão longe na Industry 4.0, mas é definitivamente algo que está vindo."

Completando o Quebra-Cabeça Sim

Jeff Fritsch, vice-presidente de vendas e marketing na CAMplete Solutions Inc. (Kitchener, ON), também tem seus olhos postos na Industry 4.0 e IIoT (Industrial Internet of Things). O software TruePath da empresa "fornece tudo necessário para analisar, modificar, otimizar e simular trajetórias de ferramenta de cinco eixos em um ambiente 3D integrado", enquanto seus produtos Lite e TurnMill oferecem funcionalidade similar para fresadoras de três eixos e tornos com ferramentas vivas, respectivamente.

Em termos de funcionalidade Industry 4.0, porém, é o Intelligent Protection System (IPS) da CAMplete que oferece o indicador mais claro da direção que a comunidade de manufatura está tomando. Desenvolvido em parceria com construtor de máquinas Matsuura, IPS aproveita as capacidades de simulação do TruePath para entregar look-ahead inteligente baseado em dados de máquina em processo. O resultado é um ambiente de máquina virtualmente à prova de colisão, mesmo enquanto em modo de operação manual, de acordo com Fritsch.

Considerando o aumento do uso de tornos mill-turn complexos e máquinas multitarefa, simulação de usinagem precisa, como a fornecida por DELMIA da Dassault Systèmes, é mais importante do que nunca.

"Como com outros sistemas de simulação, TruePath lê o G-code e verifica que será seguro rodar na máquina", ele disse. "Mas no final do dia, ninguém pode garantir que o operador realmente coloque a ferramenta apropriada no fuso e que a peça está localizada onde deveria estar."

IPS trabalha em conjunto com TruePath para eliminar este problema potencial, ele disse. Em vez de confiar no sistema CAM para vários valores, há uma conexão de fibra óptica de alta velocidade diretamente ao controlador da máquina — não há necessidade de fazer suposições sobre offsets ou valores de macro porque eles são lidos em tempo real, e a máquina é parada com segurança antes da posição problemática.

Embora ainda não disponível para outras marcas de máquinas, IPS está vindo, assim como sondagem inteligente de máquina que medirá peças, fará os offsets apropriados, e automaticamente re-rodará qualquer parte do programa necessária para corrigir uma condição fora de tolerância.

"Isso não é diferente do que um operador humano faria, mas estamos fazendo com software", disse Fritsch. "Agora estamos no processo de construir esta lógica para que a máquina possa começar a confiar em feedback automatizado para tomar decisões, ultimamente melhorando qualidade de peça enquanto reduz tempos de ciclo e custos operacionais. Oficinas não deveriam ter que usinar duas ou três peças para fazer uma boa, ou perder tempo tirando peças da máquina para serem medidas — deveria ser primeira peça, peça boa, sem toda a interação humana. Esse é nosso objetivo."