Software de simulación: Verificación visual para operaciones CNC más seguras y rápidas

¿Cansado de depender del botón rojo? El software de simulación es la clave para configuraciones de máquina más seguras y cortas.

En un mundo CNC perfecto, la primera pieza siempre es buena. No hay necesidad de brutos adicionales o barras. Los tiempos de configuración son solo los necesarios para cambiar algunas herramientas y cargar un nuevo programa. Nunca hay un choque, nunca la necesidad de reprogramar un código ineficiente. El operador solo presiona el botón verde y sale una pieza terminada minutos u horas después.

¿Cuál es la tecnología mágica que hace posible este mundo? Se llama software de simulación, y aunque ha llevado a muy pocos talleres al estado de nirvana manufacturero descrito arriba, es un movimiento importante en esa dirección.

Al dar a los programadores la capacidad de simular todo sobre el proceso de mecanizado —los portaherramientas, husillos y torretas, la pieza de trabajo en constante cambio y las herramientas de corte moviéndose alrededor y a través de ella— los desarrolladores de software están haciendo sus mundos virtuales en predictores altamente precisos de todo lo que ocurrirá una vez que ese botón verde sea presionado. La línea final es clara: si su taller no está usando software de simulación de trayectoria de herramienta para probar sus programas NC, no solo está desperdiciando valioso tiempo de producción sino también poniendo en riesgo máquinas herramienta costosas y su récord de seguridad.

Contratando un seguro

Pero espere —nuestro software CAM ya tiene capacidades de simulación, está pensando. ¿Por qué deberíamos invertir dinero adicional si nuestro sistema actual puede hacer el trabajo? Según Ben Mund, analista senior de mercado para el desarrollador de CAD/CAM Mastercam CNC Software Inc. (Tolland, CT), puede haber muy buenas razones para hacer exactamente eso.

"La mayoría de los sistemas CAM hoy ofrecen algún nivel de simulación de trayectoria de herramienta que es perfectamente aceptable para la mayoría de aplicaciones de mecanizado", dijo. "La diferencia entre esto y software de simulación dedicado es que los paquetes CAM, por regla general, no leen el G-code post-procesado real usado por la máquina herramienta. Debido a esto, la simulación de trayectoria de herramienta independiente proporciona una capa adicional de seguridad para trabajos de altísimo valor y aplicaciones de mecanizado complejas. Es como contratar una póliza de seguro".

Como con todo lo demás en manufactura, sin embargo, el software CAM es cada vez más capaz, y eso incluye la capacidad de simular más del proceso de mecanizado —donde modelos de alambre crudos de la herramienta de corte y pieza de trabajo eran una vez la norma, Mastercam y otros ahora ofrecen representaciones sorprendentemente realistas de todo el entorno de mecanizado, incluyendo sujeción de trabajo, portaherramientas, e incluso el CNC mismo.

Mund equipara este desarrollo a la convergencia gradual de CAD y CAM —donde los dos fueron una vez productos completamente separados, CAM hoy se está volviendo muy similar a CAD, y viceversa.

"Muchos talleres ya no necesitan un sistema CAD independiente porque su paquete CAM hace todo lo que necesitan", dijo. "Es una situación muy similar con software de simulación de máquina y trayectoria de herramienta —CAM puede no ofrecer la misma profundidad de verificación, pero de nuevo, a menos que quieras ese nivel extra de seguridad, hace el trabajo —y está progresando constantemente".

Avanzando con fuerza

Craig Chester, gerente de producto PowerMill en Autodesk Inc. (San Rafael, CA), está de acuerdo con la evaluación de Mund. "Muy pocos de nuestros clientes usan paquetes de simulación especializados, ya que confían en la fiabilidad de su simulación CAM", dijo.

El pequeño porcentaje de clientes que sí invierten en paquetes independientes típicamente lo hacen porque tienen múltiples soluciones CAM, quizás de diferentes proveedores, y una sola solución especializada proporciona resultados consistentes, explicó Chester. Estos son generalmente clientes más grandes, como firmas aeroespaciales o de defensa, que también tienden a ser los que usan diferentes paquetes CAM para sus tornos multitarea, centros de mecanizado de cinco ejes, equipos EDM, etc.

Irónicamente, la mayor ventaja del software de simulación independiente —la capacidad de leer G-code de máquina— también puede ser su talón de Aquiles.

"El inconveniente de simular fuera del programa CAM es que el usuario solo descubre problemas después de que la pieza ha sido programada", señaló Chester. "Si el error está al principio del proceso de mecanizado, entonces muchas trayectorias de herramienta subsiguientes necesitarán ser reprogramadas. Pero simulando todo en el programa CAM, estos recálculos innecesarios y costosos pueden evitarse".

Pero no tan rápido. Tom McCollough, director de gestión de producto en el grupo CAM y Manufactura Híbrida de Autodesk, está de acuerdo en que la simulación integrada da a los programadores la capacidad de determinar rápidamente los efectos de cambios en la trayectoria de herramienta, pero añadió que esto no es una solución todo en uno para un número de empresas.

"Imagina haber hecho semanas de desbaste y semi-acabado en una herramienta automotriz muy grande, solo para chocar contra el material en las etapas finales, dañando tanto la pieza como el husillo", dijo. "Esto puede impactar adversamente no solo el trabajo en cuestión, sino otros trabajos (para otros clientes) en la cola. El impacto potencial es enorme, por eso los fabricantes de componentes de alto valor están motivados para obtener una 'segunda opinión' de un software independiente".

La simulación impulsada por G-code en NX CAM de Siemens usa los mismos programas NC que impulsan las máquinas herramienta. La simulación altamente precisa ayuda a las empresas a eliminar fallas, mejorar calidad de pieza y aumentar tiempo de actividad de máquina, según Siemens.

Hazme un sólido

Jean-Marc Cauzac, gerente de rol DELMIA en Dassault Systèmes (Waltham, MA), ofrece recomendaciones similares. Como los otros proveedores de software entrevistados para este artículo, los productos CAM de Dassault Systèmes ofrecen capacidades de simulación precisas y realistas, con representaciones 3D completas de la máquina herramienta, incluyendo dispositivos de sujeción, mandíbulas y platos, y cabezales indexadores.

Cauzac dijo que esto es suficiente para la mayoría de fabricantes de piezas porque la mayoría de problemas de colisión pueden (y deben) eliminarse bien antes de la generación de código de máquina. "Un sistema integrado permite que todos los desafíos de accesibilidad y alcanzabilidad se verifiquen muy temprano en la definición del programa, incluyendo errores de trayectoria de herramienta como recorrido rápido en el material o parámetros de corte demasiado agresivos, así como posible colisión entre cualquiera de los elementos recién listados".

Cauzac señaló, sin embargo, que la simulación CAM integrada es en algunos aspectos limitada: Algunos clientes no quieren creer simulaciones provenientes del software que crea la trayectoria de herramienta, temiendo que el proveedor de software no pueda ser tanto juez como jurado.

Cuando el cliente está usando varias soluciones CAM en su instalación, un solo programa de simulación externa —asumiendo que tiene una interfaz precisa al software CAM— es preferido por su capacidad para proporcionar validación homogénea.

El software de simulación especializado es a menudo más completo que la simulación basada en CAM, que tiende a ser más orientada a trayectoria de herramienta y no considera los ciclos enlatados y subrutinas usados en la mayoría de controles.

Los argumentos a favor del software de simulación externa aparte, Cauzac sugirió que los sistemas integrados son tanto más rápidos como menos propensos a error. "Proporcionan continuidad digital perfecta porque todos los elementos 3D usados en la simulación tienen la misma fuente", dijo. "No hay necesidad de transferencia de datos entre dos sistemas, lo que incurre en esfuerzo adicional y la posibilidad de que la información se pierda".

Usa la Fuerza

Como Ben Mund de Mastercam mencionó anteriormente, leer el código usado por el controlador de máquina es quizás el diferenciador clave entre software de simulación independiente e integrado. Alguien con mucho que decir sobre el tema es Gene Granata, gerente de producto para el software de simulación y verificación de trayectoria de herramienta VERICUT del proveedor CGTech Inc. (Irvine, CA).

"Un número de personas están intentando disipar el valor de la simulación de terceros alegando que es innecesaria, o es exagerada", dijo. "Pero para alcanzar un gemelo digital de la máquina herramienta y proceso de mecanizado, tienes que incluir cosas como compensación de cinco ejes, longitud de herramienta y offsets de fijación, macros y subrutinas, y cómo la herramienta de corte realmente se mueve mientras está en modo de posicionamiento, elementos que no se consideran cuando las instrucciones internas del sistema CAM se usan para construir la simulación".

Mientras la discusión arde sobre si los talleres de máquinas necesitan este nivel de precisión de simulación, Granata es rápido en señalar algo que sí necesitan: optimización. "Es un mundo perro come perro ahí afuera, y mantenerse en el negocio a menudo se basa en márgenes de ganancia muy delgados. Para ese fin, hay un enorme enfoque en optimización de trayectoria de herramienta".

Para Granata, la optimización no se trata de rutinas específicas de CAM enfocadas en limpieza efectiva de bolsillos y cargas de viruta constantes, aunque esos son partes admitidamente necesarias de la ecuación de mecanizado. Lo más importante, dijo, es encontrar formas de optimizar trayectorias de herramienta basadas en lo que la máquina herramienta es capaz de hacer, dado el material de la pieza de trabajo y las herramientas de corte usadas.

Aquí es donde entra Force, un módulo de software dentro de la suite VERICUT que complementa la simulación de trayectoria de herramienta y software CAM por igual, sin importar qué logo esté en la caja.

"Esto representa un nivel completamente nuevo de inteligencia de programación Industry 4.0, y CGTech así como otros desarrolladores de software realmente solo están arañando la superficie de esta capacidad", dijo. "Cada fabricante de herramientas de corte le dirá que sus herramientas pueden ser empujadas más fuerte y la optimización es la mejor manera de lograr eso".

Leyendo la G

Situado entre la simulación independiente e integrada está Siemens PLM Software Inc. (Plano, TX), que fue uno de los primeros socios de CGTech y continúa en ese papel hoy. Pero como explicó el Director Senior de Manufactura Avanzada de Piezas de Siemens, Vynce Paradise, la compañía decidió en el camino desarrollar su propio giro sobre simulación, uno que es parte integral de su software NX CAM.

"Hay muchos buenos sistemas CAM ahí fuera y todos ofrecen algún nivel de simulación de trayectoria de herramienta, pero es importante reconocer que hay múltiples niveles disponibles", dijo. "Está la simulación básica donde puedes ver el modelo de material, la herramienta de corte, y tal vez el portaherramientas, cada uno moviéndose relativo a los otros. Llamamos a eso verificación de trayectoria de herramienta, y aunque útil, es solo un punto de partida".

Da un paso más y tienes verdadera simulación de máquina, el "gemelo digital" que el Granata de CGTech mencionó y un término que cualquiera en Siemens conoce. "Esto es en lo que nos estamos enfocando hoy", señaló Paradise. "Va más allá de lo básico recién descrito para incluir todos los aspectos de la configuración de mecanizado, cada uno con su propia cinemática y movimiento relativo. Muchos sistemas CAM hoy muestran esto, pero lo diferente del nuestro es que estamos publicando código NC al vuelo y usándolo para simulación en NX CAM, proporcionando una solución 'lo mejor de ambos mundos'".

Paradise ofreció la siguiente analogía: Si quieres convertirte en piloto de aerolínea, ¿preferirías aprender en un simulador de vuelo que use software genérico de simulación de vuelo o en uno que replique más de cerca el entorno de control del avión real? "La simulación integrada CAM usando el G-code real es muy similar a lo último y sigue siendo la forma más completa de replicar lo que va a pasar durante el proceso de mecanizado".

Adelante primavera

Spring Technologies Inc. (Boston), adquirida este año por el proveedor de soluciones tecnológicas Hexagon, es otro desarrollador de software de simulación y verificación de máquinas CNC. El Gerente General Silvère Proisy concuerda con sus colegas en los méritos de optimización de trayectoria de herramienta y validación de G-code, pero añadió varias otras consideraciones para quienes puedan estar probando uno de estos sistemas de software.

El primero es que la simulación no es solo para talleres con máquinas herramienta altamente complejas o piezas caras. "Por supuesto, nuestros clientes primarios son aquellos con tornos multicanal y centros de mecanizado de cinco ejes, pero estamos viendo un aumento en talleres que quieren optimizar sus programas NC, y esto incluye aquellos con maquinaria básica de dos y tres ejes", dijo Proisy. "Y aunque nadie puede permitirse chocar cualquier equipo de capital, son los talleres más pequeños los más afectados cuando ocurre este desafortunado evento. Nuestro software NCSIMUL elimina ese riesgo".

La optimización de trayectoria de herramienta del software de simulación y verificación Vericut de CGTech se basa en fuerzas de corte proyectadas y ayuda a mejorar la vida de la herramienta y eliminar la vibración que conduce a chatter, según la compañía.

Con simulación de trayectoria de herramienta, los programadores siempre saben dónde estaba la herramienta y a dónde va después, como en este módulo de Mastercam.

Para los críticos que sugieren que el uso de software de simulación independiente consume mucho tiempo y es propenso a errores, Proisy dijo que los usuarios deben mirar a la automatización como el siguiente paso en simulación de trayectoria de herramienta; al instalar NCSIMUL en un servidor conectado a la red de planta, es posible enviar archivos de trayectoria de herramienta a una "caja negra" y hacerlos verificar automáticamente —a menos que haya un problema, el único esfuerzo es leer el reporte por correo que el G-code está listo para ir. Este es solo el primer paso por el camino de la automatización.

Según Prosiy, el software de su compañía es actualmente capaz de reprocesar programas NC para uso en otras máquinas herramienta, y hacerlo "con solo pulsar un botón". De cara al futuro, visualiza una interfaz flexible pero inteligente que se encargará de ese paso automáticamente basado en a qué máquina se ha asignado el trabajo.

"El tercer punto es conectividad", dijo. "Gracias a nuestra asociación con Hexagon, anticipamos que pronto podremos extraer datos de sensores en la máquina herramienta y usar esos valores para actualizar el programa al vuelo. Podrían ser offsets de longitud de herramienta o ubicaciones de fijación, o podría ser retroalimentación sobre cargas del husillo y vibración. Aún no estamos tan lejos en Industry 4.0, pero definitivamente es algo que viene".

Completando el rompecabezas de simulación

Jeff Fritsch, vicepresidente de ventas y marketing en CAMplete Solutions Inc. (Kitchener, ON), también tiene sus miras puestas en Industry 4.0 y el IIoT (Internet Industrial de las Cosas). El software TruePath de la compañía "proporciona todo lo necesario para analizar, modificar, optimizar y simular trayectorias de cinco ejes en un entorno 3D integrado", mientras que sus productos Lite y TurnMill ofrecen funcionalidad similar para fresadoras de tres ejes y tornos con herramienta viva, respectivamente.

En términos de funcionalidad Industry 4.0, sin embargo, es el Sistema de Protección Inteligente (IPS) de CAMplete el que ofrece el indicador más claro de la dirección que está tomando la comunidad manufacturera. Desarrollado en asociación con el fabricante de máquinas Matsuura, IPS aprovecha las capacidades de simulación de TruePath para entregar una mirada anticipada inteligente basada en datos de máquina en proceso. El resultado es un entorno de máquina virtualmente a prueba de choques, incluso en modo de operación manual, según Fritsch.

Considerando el uso aumentado de tornos multitarea complejos y máquinas multitarea, la simulación de mecanizado precisa, como la proporcionada por DELMIA de Dassault Systèmes, es más importante que nunca.

"Al igual que otros sistemas de simulación, TruePath lee el G-code y verifica que será seguro correr en la máquina", dijo. "Pero al final del día, nadie puede asegurar que el operador realmente ponga la herramienta adecuada en el husillo y que la pieza esté ubicada donde se supone que debe estar".

IPS trabaja en conjunto con TruePath para eliminar este problema potencial, dijo. En lugar de depender del sistema CAM para varios valores, hay una conexión de fibra óptica de alta velocidad directamente al controlador de máquina —no hay necesidad de hacer suposiciones sobre offsets o valores de macro porque se leen en tiempo real, y la máquina se detiene de forma segura antes de la posición problemática.

Aunque aún no está disponible para otras marcas de máquinas, IPS viene, al igual que el sondeo inteligente de máquina que medirá piezas, hará los offsets apropiados, y automáticamente re-ejecutará cualquier parte del programa necesaria para corregir una condición fuera de tolerancia.

"Esto no es diferente a lo que un operador humano haría, pero lo estamos haciendo con software", dijo Fritsch. "Ahora mismo estamos en el proceso de construir esta lógica para que la máquina pueda empezar a confiar en retroalimentación automatizada para tomar decisiones, mejorando finalmente la calidad de la pieza mientras reduce tiempos de ciclo y costos operativos. Los talleres no deberían tener que mecanizar dos o tres piezas para hacer una buena, o perder tiempo sacando piezas de la máquina para medirlas —debería ser primera pieza, buena pieza, sin toda la interacción humana. Ese es nuestro objetivo".