Sesija 6

OD NC MAŠINA ALATKI I AUTOMATSKIH FLEKSIBILNIH TEHNOLOŠKIH SISTEMA DO RAČUNAROM INTEGRISANE PROIZVODNJE, AUTOMATSKIH FABRIKA I

VIRTUELNE PROIZVODNJE

FROM NC MACHINE TOOLS AND AUTOMATIC FLEXIBLE TECHNOLOGICAL SYSTEMS TO THE COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING, AUTOMATIC

FACTORIES AND VIRTUAL MANUFACTURING

Ratko Gatalo1, Milan Zeljković, Janko Hodolič, Ljubomir Borojev, Slobodan NavalušićFakultet tehničkih nauka, Institut za proizvodno mašinstvo Novi Sad, V. Perića Valtera 2

Sadržaj: U radu se polazi od razvoja mašina alatki sa numeričkim upravljanjem (NU-NC) odnosno sa kompjuterizovanim numeričkim upravljanjem (KNU-CNC) koje su bile generator fleksibilne automatizacije u području proizvodnog mašinstva. Sa druge strane njihov razvoj je svestrano uticao i inicirao razvoj sistema za automatizovano projektovanje proizvoda, projektovanje tehnološkog procesa, kontrole kvaliteta, i dao izuzetan doprinos kompleksnoj računarskoj integraciji proizvodnje (CIM). Paralelni razvoj računarske tehnike, informacionih i komunikacionih tehnologija stvorili su uslove i za sasvim nove prilaze i ostvarenja u svim segmentima računarom integrisane proizvodnje. Za te prilaze danas se koriste izrazi virtualna realnost, virtualni proizvod i sl.

Abstract: The paper starts with the machine tools with numerical control (NU-NC), more exactly computer numerical control (KNU-CNC) development, which has been generator of the flexible automation in the production engineering field. In the other hand theirs development is versatile influenced and initiatived on the systems for automated product design development, technological process projecting, quality control and exceptionally contributed to the complex computer integrated manufacturing (CIM). Parallel development of computer technique, information and communication technologies creates a conditions and new approaches and achievements in all computer integration manufacturing segments. For these approaches the terms as virtual reality, virtual product and etc. are using today.

1.0 UVOD - POLAZNA RAZMIŠLJANJAProizvodno mašinstvo i proizvodne tehnologije odavno

predstavljaju vrlo zahvalno područje za primenu najnovijih dostignuća iz područja informacionih tehnologija. Poznato je da je npr. mikroprocesor među prvim primenama doživeo svoju primenu upravo kod numerički upravljanih (NC) mašina alatki.

Kroz razvoj mašina alatki sa kompjuterizovanim numeričkim upravljanjem poslednjih deset godina, sa jedne strane, razvoj personalnih računara i njihove softverske podrške sa druge strane, uz razvoj savremenih komunikacionih sistema i tehnika stvoreni su uslovi da buduća proizvodnja skoro uopšte neće ličiti na današnju a pogotovo ne na onu od pre dvadesetak godina.

Uz primenu računara danas se izvodi projektovanje proizvoda (CAD), inženjerski proračuni i analize (CAE), projektovanje tehnološkog procesa (CAPP), programiranje rada NC mašina (SAP) i planiranje i praćenje, procesa proizvodnje (PPS).

Sa druge strane, uz predhodno, automatizovana proizvodnja bazirana na numeričkim, kompjuterskim i adaptivnom upravljanju (CAM) i kontrola kvaliteta takođe bazirana na numeričkom upravljanju i kompjuterskoj obradi (CAQ) predstavljaju osnovu za proizvodno - informacione integracije, koje se nisu mogle ni zamisliti pre 15-naestak godina. Virtualna proizvodnja danas je već stvarnost.

U radu se pokušava globalno obraditi napred navedena problematika, a detaljnije se daje naglasak na računarom integrisanu proizvodnju (CIM) i suštinu pojma virualne proizvodnje.

Nedavno je prvi autor ovog rada iniciran da se priseti određenih svojih razmišljanja od pre skoro 20. godina. Prisećanje je izazvao gospodin Dejan Ristanović, urednik uglednog časopisa PC PRESS svojim uvodnim komentarom pod imenom MILENIUM2 u kojem između ostalog komentariše prognoze Ser Artura Klarka o mogućim događanjima do 2100. godine. Originalni tekst predviđanja - prognoza nisu nam bile dostupne pa ih navodimo u izvornoj formi iz navedenog uvodnog komentara.

Naime ser Artur Klark predviđa direktnu vezu mozga i računara do 2025. godine.

U vezi sa predhodnim predviđanjima čini se interesantnim da se ovde podsetimo na razmišljanja iz rada R. Gatala tada još relativno mladog istraživača koji je u uvodnom referatu za XVI savetovanje proizvodnog mašinstva (zbornik radova) održanog u Mostaru 1982. godine pokušao da u okviru poglavlja 2.5.2 (str. 310) predvidi razvoj NU mašina i NU sistema. Ta predviđanja u nastavku prenosimo u potpunosti.

„Presek dosadašnjeg stanja i tendencija razvoja NU mašinama alatkama u bližoj budućnosti, ukazali su na inzvanredne mogućnosti NU na planu povišenja kvaliteta, proizvodnosti i ekonomičnosti u metaloprerađivačkoj industriji, pri čemu je sigurno da u daljoj budućnosti treba očekivati dalji razvoj i svih danas poznatih tehnika i tehnologija na kojima bazira razvoj industrije mašina alatki i industrije prerade metala. To će svakako dovesti i do mnogih rešenja koja se u ovom trenutku teško mogu i predpostaviti.

Prepuštajući se razmišljanju samo na osnovu dosadašnjih saznanja o pokušajima da se u automatski integralni sistem fleksibilnog tehnološkog sistema po ON-LINE principu uključi i sistem kompletnog automatskog projektovanja tehnološkog

1 Autor je i profesor na Mašinskom fakultetu u S. Sarajevu2 PC PRESS, #63, januar 2001 (str. 10,12)

Sesija 6

procesa, nije teško zamisliti da sledeća faza u ON-LINE povezivanju bude i automatsko projektovanje delova, sklopova itd. u ceo sistem.

A što onda u tom razmišljanju ne bismo išli i dalje. „Video”- tastaturno komuniciranje između čoveka i računara prihvatljivo je jer smo već navikli na njega, pa zašto ne bi bilo ostvareno i na bazi interaktivne sprege. „Video”-memorija računara ili čak „misao”-memorija računara. Tako bi došli do potpuno automatizovanih fabrika u kojima se uloga čoveka svodi isključivo na misaono komuniciranje sa proizvodnim pogonom - sistemom u kojem nema čoveka, a moćni računarski sistem obezbeđuje: projektovanje proizvoda, projektovanje tehnološkog procesa, upravljanje celokupnim tehnološkim sistemom uz kompletnu pripremu svih elemenata za uspešno funkcionisanje celog takvog sistema.

Bilo bi to vrlo lepo, tim pre što bi se uloga čoveka svela samo na zadavanje osnovnog proizvodnog zadatka i moguće donošenje određenih vitalnih odluka (a zar ne bi mogli očekivati da će čovek dotle toliko uspeti da „opameti” računare da to ne mora da radi), no zamislimo samo koliko ljudi, naravno visokostručnih treba da rade na tome, da bi jedan jedini vodio bez problema takvu fabriku. Pomislimo pri tome samo na informacionu bazu , pa programske pakete, i opet koliko ljudi i napora treba uložiti da bi se sve ovo proširilo na ceo kompleks fabrika. Sve to pomalo nestvarno izgleda kada se posmatra u svetlu onoga što sada imamo (misli se na osnovne proizvodne tehnoologije), ali zar će sve ono na čemu se zasniva ova naša tehnologija obrade (npr. tehnologija obrade rezanjem) ostati na nivou na koji smo počeli da se navikavamo, uz samo povišenje brzina rezanja. Zašto ne bi mogli pomišljati da jednog dana (a koje godine-to ćemo videti)možemo očekivati da te naše konvencionalne metode obrade, bez obzira da li se radi o obradi postupcima sa ili bez obrade rezanjem, budu prevaziđene.” (završen citat).

Bez ikakve namere da se ulazi u polemiku sa vrlo uglednim autorom naučne fantastike kojem se ne može osporiti izuzetno poznavanje i nauke u nastavku ovog rada želi se ukazati na određena dostignuća i pravce u razvoju u području proizvodnje i proizvodnog mašinstva koji usput

mogu da doprinesu i shvatanju da nas u bliskoj budućnosti očekuje buran razvoj koji će prevazići i najoptimističkija predviđanja.

2.0 RAZVOJ NC MAŠINA ALATKI, AUTOMATSKIH TEHNOLOŠKIH SISTEMA I MAŠINA ALATKI NA BAZI NOVIH KONCEPCIJA

Prve generacije NC mašina alatki iz pedesetih i šezdesetih godina, te složenijih sistema na bazi NC upravljanja iz sedamdesetih godina (DNU-FTS) bazirale su na klasičnoj ožičenoj elektronici. Uvođenjem mikroprocesorske tehnike i tehnologije odnosno CNC upravljačkih sistema, u periodu osamdesetih godina, unet je sasvim nov kvalitet u razvoj mašina alatki. Mini računar u sastavu upravljačke jedinice stvorio je uslove za upravljanje mašinama alatkama sa velikim brojem osa upravljanja-kretanja (sl.1),

sl. 1. Koncepcija struga DVO 4230 firme Boley

a sa druge strane, uslove za vrlo efikasno povezivanje većeg broja mašina alatki, manipulacionih sistema, merno-kontrolnih sistema, te transportno-skladišnih sistema u jedinstveni sistema fleksibilne namene kojim upravlja centralni računarski sistem (sl.2.a i b)

sl. 2.a FTS za obradu rotacionih delova

sl. 2.b FTS za obradu prizmatičnih delova

Današnja dostignuća u razvoju CNC upravljačkih sistema podrazumevaju otvorenu arhitekturu koja je vrlo bliska arhitekturi PC računara (sl.3)

sl. 3. Upravljačka jedinica SINUMERIC firme SIEMENS

Paralelno sa razvojem NC mašina alatki građenih po klasičnoj koncepciji, koja bazira na kinematici još od Moudsli-eve koncepcije iz XIX veka, poslednjih decenija bolje reći decenije razvijaju se mašine alatke građene po principu paralelnih mehanizama. Ovi mehanizmi u ranijem periodu su bili od posebnog interesa za robotske manipulacione sisteme, ali su u poslednjoj deceniji postali vrlo interesantni za primenu u mašinama alatkama namenjenim za izradu složenih - reljefnih formi (sl. 4). Dostignuća u razvoju savremenog KNU za klasično koncipirane mašine alatke u velikoj meri mogu da podržavaju upravljanje i ovakvim koncepcijama mašina alatki.

sl. 4 Mašina alatka građena po principu paralelnih mehanizama - HEKSAPOD (firme MIKROMAT)

Jedna sasvim nova oblast razvoja mašina i sistema koja uzgred rečeno predstavlja graničnu oblast, jesu mašine i sistemi koje pripadaju agilnim (naprednim) tehnologijama (sl. 5)

sl. 5. Strukturni razvoj tehnologija [13]

3.0 RAČUNAROM INTEGRISANA PROIZVODNJA (CIM) I FABRIKE BEZ LJUDI

Računarom integrisana proizvodnja (Computer Integreted Manufacturing-CIM) podrazumeva nadgradnju i

povezivanje - integrisanje automatskih fleksibilnih tehnoloških struktura (AFTS) sa svim sistemima koji se na te strukture nadovezuju (sistemi kontrole i ispitivanja, sistemi montaže) kao i sa svim sistemima koji im predhode (planiranje i praćenje proizvodnje, projektovanje tehnološkog procesa izrade i programiranje izrade na mašinama) te projektovanje proizvoda. Pri tome ne treba zaboraviti ni sve ostale poslovne funkcije u jednom preduzeću.

To znači da CIM sistem predstavlja koncept integracije svih procesa u jednom poslovnom sistemu. Naravno da se takva integracija danas ne može ni zamisliti bez upotrebe računara. Na slici 6 prikazan je jedan od mogućih globalnih modela CIM sistema [1-].

sl. 6. Globalni koncept CIM sistemaOvde najniži nivo čine fleksibilni tehnološki sistemi koji

zajedno sa sistemima montaže, kontrole, skladištenja i sl. su preko centralnog računarskog sistema koji njima upravlja integrisani u jedinstveni proizvodni sistem. Za ovaj kompleks često se koristi termin „fabrika bez ljudi”. Nadgradnjom ovog kompleksa sa CAPP/SAP sistemom, CAD sistemom, CAE sistemom i svim drugim CAx sistemima iz domena poslovnih funkcija dolazi se do celine pojma računarom integrisane proizvodnje (CIM).

Na Institutu za proizvodno mašinstvo (IPM) Fakulteta tehničkih nauka (FTN) u Novom Sadu još 1990. godine postavljena je koncepcija laboratoriskog CIM sistema (sl.7) bazirana na povezivanju komponenata putem lokalne računarske mreže (LAN).

sl. 7. Konfiguracija LAN u IPM-FTN

Koncepcija je realizovana 1994. godine. Pri tome je kao osnova poslužila NC oprema (Obradni centar „H. Harbeck” - FM-38 i fleksibilana tehnološka ćelija INDEX 600),

specijalizovana računarska oprema (CAD radna stanica - H. Packard, CAP/SAP radna stanica MicroVAX), PC računarska oprema univerzalne namene. Sa druge strane podršku su predstavljali softverski paketi univerzalne namene (I-DEAS, ME-10, AutoCAD, H-200,...) i softverski paketi koji su bili rezultat sopstvenog razvoja (SAPOR-S, SAPOR-P, SAPOR-K, NOSEL, KINKAR, GLAKAR, itd.).

Tokom proteklih godina koncepcija laboratoriskog CIM-a je usavršavana i osavremenjivana delom računarskim a delom softverskim resursima i resursima za spoljnu komunikaciju. Nažalost zbog poznatih problema u poslednjih 10-ak godina osavremenjavanje u pogledu osnovne mašinske opreme nije ostvareno (sl. 8.)

sl. 8. Kofiguracija Laboratoriske CIM koncepcije IPM-FTN iz 2000.godine

4.0 VIRTUELNA REALNOST I VIRTUELNA PROIZVODNJA

Koncepcije virtualne realnosti u području mašinstva, a posebno proizvodnog mašinstva već danas se mogu posmatrati kao dosta širok pojam. Virtualna realnost (VR) (Virtual Reality-VR) ili još šire Virtualna i "proširena" realnost (VPR) (Virtual and Augmented Reality - VAR) postali su vrlo zapažen i ozbiljan predmet interosavanja uglednih naučnih krugova u području proizvodnog mašinstva [9].

Ne ulazeći u dublju analizu i elaboriranje problematike virtualne realnosti ovde se želi dati kratki globalni osvrt, određena razmišljanja i ukazati na određene osnovne pokušaje u realizaciji u tzv virtualne proizvodnje u domaćim uslovima.

Pojam VPR (VAR) tehnologija u suštini između ostalog obuhvata uže pojmove [9.]:

virtualna fabrika virtualna proizvodnja virtualna mašina - proizvod virtualni prototajping (izrada prototipa) virtualno inženjerstvo virtualna organizacija itd.

To su tehnologije virtualne realnosti koje su prisutne u vrlo velikom broju profesionalnih oblasti pa i u proizvodnji.

U ovom momentu čine se vrlo atraktivnim i impozantnim rezultati vezani za tehnologiju razvoja virtualnih proizvoda kroz 3D projektovanje prototipova.

Kombinujući korišćenje "snažnih" CAD radnih stanica sa jedne strane, specijalizovanih softverskih rešenja sa druge strane i specijalizovane optičke i slične opreme razvijena su rešenja [11] [9] prostorne vizuelne prezentacije objekta - proizvoda (npr. Sl. 9) kojem korisnik - projektant može prići sa svih strana i pravaca. Ne treba komentarisati šta to znači u odnosu na 3D prezentaciju objekta na video terminalu - monitoru.

sl. 9. Prostorna vizuelizacija objekta - proizvoda metodom tehnologije virtuelne realnosti

Drugi primer koji se želi izložiti odnosi se na virtualnu proizvodnju (virtualnu fabriku), koja je koncipirana u FTN - IPM u N.Sadu i na čijem se razvoju intezivno radi [7]. Naime, bazirajući se na savremenim internim i globalnim komunikacionim tehnikama i tehnologijama, koristeći se standardizovanim pravilima ponašanja (npr. standardi serije ISO 9000) mogiće je širom zemlje pa i sveta koristiti raspoložive CAD, CAPP, SAP, CAM, CAQ, ... resurse, koji se angažuju po potrebi i do prestanka potrebe. Integracija u fleksibilni tehnološki sistem ove vrste nazvan je "virtualna fabrika" (Sl.10).

sl. 10. Virtuelna fabrika za proizvodnju vitalnih delova jednog ekstrudera za preradu plastičnih masa

Poseban aspekt razvoja koncepta tehnologije virtualne realnosti, odnosno obezbeđenje njegovog uspešnog funkcionisanja vezan je za koncepciju simultanog projektovanja (šire posmatrano - konkurentnog inženjerstva).

Određeni početni rezultati u ovom području ilustrovani su na Sl.11. [4 → 6].

sl. 11. Globalna arhitektura eksperimentalnog sistema za simultano projektovanje

Koncepcija podrazumeva istovremenu CAD(1) /CAD(2)

/CAE / CAPP / SAP/ ... komunikaciju u razvoju proizvoda i razvoju tehnologije njegove izrade.

5. 0 UMESTO ZAKLJUČKAProizvodno mašinstvo razvija i proizvodi vrlo precizne

mašine koje će u suštini proizvoditi sve druge mašine. I ne samo to, tehnologije i mašine koje ih podržavaju - realizuju, su vrlo prisutne i u tzv. graničnim oblastima. Međutim te tehnologije i mašine su prisutne i u oblastima koje na prvi pogled nemaju neku posebnu vezu sa proizvodnim mašinstvom.

Ako se to detaljnije analizira onda se lako može doći do zaključka da tu postoje itekako jake veze, a za budućnost se mogu predvideti i očekivati daleko jače veze.

Da bi to potkrepili ilustrovat ćemo viđenje jednog od autora ovog rada kako vidi blisku budućnost autivnosti i rada stomatologa /protetičara u toku manjih i većih zahvata kod zubnih struktura.

Procedura bi globalno mogla da bude sledeća (naravno uz aktivno učešće stručnjaka stomatologa / protetičara)1. Snimanje 3D stanja konfiguracije zubnih struktura uz

pomoć mehaničkih, optičkih i laserskih senzora2. Računarsko 3D modeliranje rekonstruisanih varijanti

zubnih struktura (uz aktivno učešće pacijenata)3. Statička / dinamička analiza ponašanja /opterećenja zuba

kod pojedinih varijanti i izbor najpovoljnije varijante4. Na bazi 1, 2, 3, odnosno odabrane varijante,

projektovanje i izrada protetičkog elementa / implantata po principima brze izrade prototipa

5. Ugradnja i doterivanje protetičkog elementa / implantata

6. Verifikacija (provera) ugrađenog rešenja kroz statičku i eventualno naponsku analizu uz korišćenje odgovarajućih senzora.

U većini ovih faza naravno da bi aktivno učešće imale mašine i uređaji građeni na bazi paralelnih mehanizama, i odgovarajući senzori za identifikaciju ponašanja.

6.0 LITERATURA[1] Kalajdžić M., Gatalo R., Glavonjić M., Lukić Lj., Milutinović

D., Hodolič J., Majstorović V., Borojev Lj.: Fleksibilni tehnološki sistemi u obradi rezanjem - stanje i perspektive razvoja, Naučna konferencija sa medjunarodnim učešćem “Mašinstvo za XXI vek”, Monografija, Novi Sad, 1995.

[2] Spasić Ž., Hodolič J., Pilipović M., Stoiljković V., Arsovski S.: Na putu ka inteligentnoj računarom interisanoj proizvodnji, Naučna konferencija sa medjunarodnim učešćem “Mašinstvo za XXI vek” Novi Sad, 1995.

[3] Gaalo R., Hodolič J.: Od numerički upravljanih fleksibilnih tehnoloških struktura do računarom integrisane proizvodnje, 10. Medjunarodna konferencija INDUSTRIJSKI SISTEMI - IS 96, Zbornik radova, knjiga I, Novi Sad, 1996.

[4] Gatalo R., Hodolič J., Zeljković M., Navalušić S., Borojev Lj., Lužanin O.: Simultani inženjering - koncepcija, podloge: dostignuća na Institutu za proizvodno mašinstvo, 11 Medjunarodna konferencija INDUSTRIJSKI SISTEMI - IS 99, Zbornik radova, Novi Sad, 1999.

[5] Milačić V., Spasić Z.: Kompjuterski integrisani tehnološki sistemi - CIM sistemi, Mašinski fakultet, Jupiter zajednica, Beograd, 1990.

[6] Balič J.: Contribution to integrated Manufacturnig, DAAAM International Wiena, Wiena, 1999.

[7] Toma J., Gatalo R.: Jedan koncept globalne integracije fleksibilnih tehnoloških struktura, VI Medjunarodna konferencija FLEKSIBILNE TEHNOLOGIJE - MMA 97, Zbornik radova, knjiga II, Novi Sad, 1997.

[8] Iwata, K., Onosato M., Teramoto K., Osaki S.: A Modelling and Simulation Architecture for Virtual Manufacturing Systems, Annals of the CIRP, Vol. 44. (1) 1995.

[9] Lu, S.C-Y, Shpitalni, M.Gadh R.: Virtual and Augmented Reality Technologies for Product Realization, Annals of the CIRP, Vol. 48 (2) 1999.

[10] Koren Y., Heisel U., Jovane F., Moriwaki T., Pritschow G., Ulsov G., Van Brussel H.: Reconfigurable Manufacturing Systems, Annals of the CIRP, Vol. 48 (2) 1999.

[11] Waurzyniak P.: Virtual Models Gain Favor, Manufacturing Engineering, april 2000.

[12] Gatalo R.: Numeričko upravljanje mašinama alatkama i NU tehnologija - stanje i tendencije razvoja, uvodni referat, XVI Savetovanje proizvodnog mašinstva, Mostar, 1982.

[13] Kalajdžić, M.: Osnovna i primenjena istraživanja u proizvodnom inženjerstvu, uvodni referat, 26. Jupiter konferencija, Beograd, 2000. god

[14] Tomović, R., Stankovski,S.: Pravci razvoja računarskih nauka, Naučna konferencija sa međunarodnim učešćem, Mašinstvo za XXI vek, monografija, Novi Sad, 1995.

[15] Milačić,V.:Intelektualni kapital, Apologija ljudskog duha, ECPD, Beograd, 1999.