Řízení obráběcích strojů: od děrných štítků po virtuální realitu

V literatuře se vznik NC nejčastěji spojuje se jménem Američana Johna T. Parsona, který získal pro firmu svého otce Parsons Corp. zakázku na výrobu kovových nosníků pro helikoptéry. Využil již tehdy známou výpočetní techniku založenou na děrných štítcích a inicioval vznik prvního programu, který použil k vygenerování obrysu obráběného dílce s 200 body (na tehdejší dobu to bylo obrovské číslo) a následného posunutí každého bodu o poloměr řezného nástroje. Výsledkem byla velká číselná tabulka, která sloužila jako „návod k práci“ pro operátory. Jeden měl v ruce tabulku a tu předčítal dalším dvěma, odpovědným za osu X, resp. osu Y. Nejdříve se vždy stavěly souřadnice na jedné ose, a jakmile nástroj dojel do koncového bodu, začaly se stavět na ose druhé. Této metodě se říkalo „podle čísel“. První NC stroje se začaly vyrábět na počátku 50. let minulého století. Do dějin se zapsal číslicově řízený soustruh z roku 1952, který vyvinula společnost Monarch Machine Tool. V plné parádě se představil světu na výstavě Chicago Machine Tool Show v roce 1955, tehdy již spolu s řadou dalších strojů na děrné štítky, které byly již připraveny k prodeji nebo zatím jako prototypy, včetně slavného modelu Milwaukee-Matic II od společnosti Kearney & Trecker, který už disponoval funkcí číslicově řízené výměny nástroje. Dnes je to běžná vlastnost všech NC obráběcích strojů, tehdy to však bylo něco nevídaného. Vývoj číslicově řízených obráběcích strojů se během 50. let dostal do obrátek. Děrné štítky začal nahrazovat magnetický záznam dat a rozvíjí se systém tzv. pravoúhlého řízení – nástroj se již nemusí přestavovat pouze v rovnoběžné poloze vůči souřadným osám, ale může po dokončení obrábění v jedné ose plynule začít obrábět v druhé ose, která je na ni kolmá.

První obráběcí centra

Na počátku 60. let se na trh začala dostávat druhá generace levnějších tranzistorových počítačů, které byly schopny zpracovat mnohem větší objemy informací. Tranzistorový NC systém využila v roce 1960 americká společnost Kearney & Trecker, která postavila první obráběcí centrum na světě. Zatímco Amerika dále pokračovala v rychlém tempu vývoje NC obráběcích strojů, Evropa začala chápat, že se musí rychle dostat „do hry“, jinak začne zaostávat. Mezi návštěvníky strojírenského veletrhu v Chicagu v roce 1955 byl také Werner Feist, který tehdy pracoval v Ústřední výzkumné laboratoři Siemens v Norimberku. V roce 1957 začal v oddělení, které vedl, pracovat se svým týmem na vývoji vlastního NC řídicího systému. První prototyp se pravděpodobně poprvé představil veřejnosti v roce 1959 na výstavě obráběcích strojů v Paříži. O rok později, v září 1960, vývojáři společnosti Siemens předvedli na veletrhu obrábění v německém Hannoveru „dvě verze makety SSW“ (Siemens Schuckertwerke se v roce 1966 stal součástí koncernu Siemens AG). Ještě v roce 1960 si ale Feist poznamenal: „Co zatím víme, je, že na vývoji technologie číslicového řízení obráběcích strojů se pracuje téměř všude, i když tady v Německu jsme v trochu složitější situaci a zaostáváme.“ Začal boj o čas. V srpnu 1961 podává společnost Siemens-Schuckertwerke patentovou přihlášku na „technologii číslicového řízení výrobních strojů, zvláště obráběcích strojů“. Ve specifikaci patentu z roku 1964 se píše: „Vynález zahrnuje hrubé polohování prováděné pomocí digitálního měření vzdálenosti, zatímco jemné polohování probíhá na základě měření času, na něž se hrubé měření přepne po dosažení požadované vzdálenosti. Měření času může být provedeno například digitálně časovači řízenými křemenným výbrusem, např. vysokofrekvenčními vysílači, u nichž se počítají aktuální výchozí body.“ Rok 1964 je také tím, kdy řídicí systém od Siemens dostal jméno – SINUMERIK. Do konce 60. let a na začátku 70. let vzniká několik nových generací řídicího systému SINUMERIK, které postupně rozšiřovaly jeho funkce, a také několik různých verzí pro soustružení, frézování, broušení a prostřihování.

Od NC k CNC

Další vývojový skok nastal na začátku 70. let, kdy se americké společnosti Westinghouse podařilo doplnit NC systémy o paměť a funkce umožňující editaci programů. Ve stejném období přichází firma Kearney & Trecker s prvním pružným výrobním systémem (Flexible Manufacturing System). Bylo jasné, že k technologii počítačového číslicového řízení (CNC – Computerized Numerical Control) už je jen malý krůček. První obráběcí stroj s CNC tentokrát ale vznikl v Japonsku. Byl jím v roce 1972 FANUC Robodrill. O pouhý rok později, tedy v roce 1973, společnost Siemens uvedla na trh systém SINUMERIK 580 – „volně programovatelný systém číslicového řízení“ s přidáním CNC. Kromě minipočítačů se společně se systémem SINUMERIK začínají používat také mikroprocesory.

Do hry vstupují monitory a grafika

Stejně jako v předchozích dekádách, také v 80. letech byl hnací silou vývoje CNC rozvoj počítačové techniky. V řídicích systémech se začaly uplatňovat multiprocesorové mikropočítačové struktury na bázi CNC/PLC. Objevuje se také první CNC stroj s monitorem. Díky grafickému displeji se významně zjednodušuje programování. Pořizovací náklady na hardware založený na mikroprocesorech začaly prudce klesat a objevily se systémy lokální sítě (LAN) a spolu s tím logicky také začaly klesat náklady na pořízení CNC strojů a současně se zvyšovala i jejich dostupnost. Do druhé poloviny 80. let byly minipočítače a velké počítačové terminály nahrazeny síťovými pracovními stanicemi, souborovými servery a osobními počítači (PC). Až do této doby tvořila cena počítače podstatnou část nákladů na CNC stroje, a to se teď již mělo změnit. V zásadě levná PC si teď už mohla dovolit v podstatě každá firma. V roce 1981 společnost Siemens představila SINUMERIK System 3: CNC systém se zákaznickým ovládacím rozhraním a grafickým prostředím pro vývoj programů. V polovině 80. let začal být při vývoji dalších generací CNC systémů (počínaje typy SINUMERIK 810 a SINUMERIK 820) určující princip „otevřenosti“. Výrobci strojů mohou od té doby vytvářet svá vlastní ovládací rozhraní a přidávat do nich své vlastní položky, jako např. obrázky a větvená ovládací menu. Asi o deset let později společnost Siemens představila vysoce výkonný CNC systém SINUMERIK 840D s číslicovým ovládáním pohonů a otevřeným jádrem řídicího programu, jež umožňuje integrovat do CNC systému další softwarové komponenty. Rok 1989 byl revoluční nejen pro naši zemi, ale i pro celý svět CNC obrábění. National Institute of Standards and Technology, agentura amerického ministerstva obchodu, zveřejnila projekt Enhanced Machine Controller (EMC2, později přejmenovaný na LinuxCNC), což je open-source softwarový systém, který umožňuje řídit CNC stroje z libovolného PC použitím tzv. G-kódů.

První CNC systém s bezpečnostními funkcemi

Přišla 90. léta a s nimi nový trend zpřesňování výroby a zvyšování produktivity. Na CNC strojích se začala uplatňovat poměrně otevřená architektura. Trvale rostoucí variabilita obráběných dílů iniciovala vznik pružných výrobních systémů. V roce 1996 uvedla společnost Siemens na trh dosud nevídaný produkt SINUMERIK Safety Integrated – první CNC systém se zabudovanými bezpečnostními funkcemi. Do té doby bezpečnostní funkce zajišťovaly externí prvky – spínače, stykače a relé. V případě bezpečnostního rizika došlo k přerušení přívodu elektrické energie, a tím i k zastavení celého stroje. To, že tyto bezpečnostní funkce začal plnit sám řídicí systém, bylo do té doby nevídané a doslova průlomové. Především, tento koncept zcela zásadně zkrátil cestu od zjištění události k jejímu vyhodnocení a případné adekvátní reakci. Řídicí systém Safety Integrated je sám schopen v podstatě okamžitě zachytit překročení bezpečných limitů např. rychlosti nebo polohy a bezprostředně upozornit na vznik rizikové situace. Současně má přímý přístup k řídicím obvodům, takže může opět velmi rychle zareagovat a spustit stop. 90. léta ale přinesla ještě jednu další průlomovou novinku – grafické programování. V roce 1997 Siemens představil softwarové nástroje ShopMill a ShopTurn, dílenské programování pro operace frézování, resp. soustružení. Ta se později, konkrétně v r. 2009, stala spolu s ovládacím prostředím HMI Advanced součástí jednoho řešení – ovládacího rozhraní SINUMERIK Operate, které bylo poprvé představeno spolu s CNC systémy SINUMERIK 828D a SINUMERIK 840D sl na veletrhu obráběcích strojů EMO 2009. Než se ale na scéně objevil SINUMERIK Operate, byl tady rok 2005 a s ním i premiéra nového CNC systému SINUMERIK 840D sl pro 31 řízených os a systému SINUMERIK 802D sl určeného pro méně náročné aplikace na soustruzích a frézkách menší až střední výkonnosti. Rok 2005 se ale stal dalším z milníků v historii vývoje CNC ve společnosti Siemens především kvůli jiné světové premiéře – řešení SINUMERIK Solution Line: poprvé jsou všechna rozhraní propojena na základě průmyslového ethernetu – Profinetu. Není třeba zdůrazňovat, jak významně se touto standardizací rozhraní usnadnila integrace stroje do výroby. Vraťme se ale do roku 2009. Kromě doslova revolučního uživatelského rozhraní SINUMERIK Operate přichází Siemens také s novým technologickým paketem MDynamics pro frézování. Jádrem SINUMERIK MDynamics je nové inteligentní řízení pohybu Advanced Surface, které má za úkol zajistit co nejvyšší kvalitu povrchu. Další funkcí SINUMERIK MDynamics je nové nástrojové hospodářství a programové vybavení pro jednoduché seřízení stroje. V nabídce paketu jsou dále inovované technologické, resp. měřicí cykly a funkce vysokorychlostního obrábění (High Speed Cutting – HSC). SINUMERIK MDynamics je k dispozici pro tříosé stroje s řídicím systémem SINUMERIK 828D a pro pětiosé stroje s řídicím systémem SINUMERIK 840D sl. Na světovou špici se Siemens dostává v oblasti kompenzace, a to díky funkci Volumetric Compensation System, která jako jediná dokáže rychle, přesně a spolehlivě korigovat všechny geometrické chyby obráběcího stroje. Netrvá dlouho a Siemens oznamuje, že nyní již dokáže nabízet zákazníkům vše, co potřebují k efektivnímu návrhu i výrobě dílů v uceleném zpracovatelském řetězci CAD/CAM/CNC.