Řídicí systém pro plánování a kontrolu výroby přesných asférických elementů

Kód výsledku v IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F04670361%3A_____%2F22%3AN0000003" target="_blank" >RIV/04670361:_____/22:N0000003 - isvavai.cz</a>

Výsledek na webu

—

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Řídicí systém pro plánování a kontrolu výroby přesných asférických elementů

Popis výsledku v původním jazyce

První činností bylo připravit jádro řídícího systému. Úloha sběru diagnostických dat využitelných v optické výrobě zahrnuje zpracování informací poskytovaných širokým spektrem typů strojů. Z tohoto důvodu je třeba při jejich získávání přistupovat ke každému stroji individuálně, dle konkrétní implementace softwaru. Naopak vzhledem k potřebám plánování výroby musí mít získaná data jednotný formát. Tyto dvě podmínky lze splnit využitím modulární struktury softwaru, jenž zodpovídá za sběr a ukládání diagnostických dat z jednotlivých strojů v optické výrobě. V rámci modulární koncepce softwaru pro sběr diagnostických dat bylo definováno vlastní jádro systému, kterým je serverová aplikace zajišťující centralizované řízení. Ke každému stroji je možné poté připojit klientskou aplikaci, která provádí vlastní získávání dat a dále je posílá serverové aplikaci. Serverová aplikace je tak zodpovědná za správu databáze a ukládání dat získaných z klientských aplikací. Takováto koncepce softwaru umožňuje libovolně měnit počet aktuálně monitorovaných strojů či konkrétní monitorované parametry beze změny funkce zbytku systému. Do jádra bylo nutné zahrnout výrobní stroje – generátory tvaru. Veškeré používané generátory tvarů jsou jednoduché CNC stroje s operačním systémem Windows. Data jsou proto automatizovaně přeposílána do společné databáze na lokálním serveru. Během vývoje byly započaty práce na tvorbě serverového software. Pro tento software byla navržena databáze dle požadavků na sbírané informace. Serverový software přijímá informace od jednotlivých strojů a přístrojů ukládá je do databáze a zároveň databázi spravuje. Serverový software bude zároveň zajišťovat exportování data do vhodných formátů pro další zpracování nebo prezentaci výsledků. Na jednotlivých strojích a přístrojích trvale běží klientský software pro sběr požadovaných dat a jejich odesílání serverové aplikaci. Vzhledem k odlišnostem jednotlivých strojů a přístrojů, byl každý klientský software vytvořen na míru danému stroji či přístroji. Hlavní podstatou sbíraných dat je informace o využití stroje pro plnění jednotlivých projektů. Cílem je docílit sběru těchto dat bez nutnosti interakce obsluhy stroje. Pro tento účel budou využity logy, které generuje většina řídících softwarů. V další etapě byla aplikace a ladění řídícího software. Proběhly práce na dokončení integrace výrobních strojů do řídícího systému, automatickém generování CNC kódu pro iterační leštění asférických povrchů, zahrnutí obráběcích nástrojů a přípravků do řídícího systému, optimalizace parametrů leštění (popsána v sekci Optimalizace procesu leštění) a integrace systému pro tvorbu reportů s výsledky měření. Prvním krokem asférické výroby je broušení, během kterého je připraven co nejpřesnější tvar a co nejnižší drsnost pro následné leštění. Pro každou čočku se v systému zvolí, na jakém stroji a jakým nástrojem bude broušena, do příslušného stroje je poté odeslán CNC kód. CNC kód je generován na základě série parametrů. V optické výrobě je nutné správně zvolit rychlost obrábění, aby došlo k minimalizaci podpovrchového poškození. V našem případě si software umí zvolit rychlost obráběcího nástroje i obrobkového vřetene samostatně. Otáčení čočky a posuv nástroje jsou definovány dle firemního know-how. Dalším parametrem, který se nastaví je tzv. přiblížení, kdy se upraví vybroušení tvar dle odchylky po leštění (leštění je konstantní). Podle dané čočky se pak upraví brousící proces. Operátor stroje může zvolit rozlišení brusné dráhy v jednotkách mm/bod a brusný mód (hrubé broušení, jemné broušení, zkrácení, nebo jednotný cyklus). Rozlišení určuje čas výroby a má velký vliv na přesnost. U výsledné čočky je nutné dodržet jednotnou centrální tloušťku, parametr výsledné tloušťky, nebo relativní hodnota úběru se nastavuje v programu. Dalším nastavitelným parametrem je bezpečná vzdálenost obráběcího stroje vůči obráběné čočce a náběhová a doběhová vzdálenost obráběcího nástroje. Do programu můžeme také ručně zadat počáteční a koncový poloměr dráhy broušení. Systém je schopný simulovat pohyb obráběcího nástroje, určovat rozsahy pohybu os a predikovat kolize. Leštění probíhá ve třech procesech. Všechny tři typy leštících procesů jsou řízeny v rámci projektu integrovaného centrálního systému, který využívá know-how a zkušenosti z předchozích výrobních sérii. Při zavádění nového asférického elementu do výroby jsou automaticky vygenerovány počáteční procesní parametry. Ty jsou určeny z minulých úspěšných procesů, ve kterých byly použity stejné nástroje a leštěný element měl obdobné základní parametry jako jsou materiál, průměr a křivost. Díky přístupu do vnitřní databáze procesů s více než dvacetiletou historií je tak možné nastavit stabilní sériovou výrobu asférického elementu v řádu jednotek hodin. Dalším krokem v přípravě kompletace interního software byla integrace jednoduchého CAD systému do vnitřního řídícího systému. Díky tomu je možné vytvářet výkresy vyráběných čoček rychle a efektivně. Před vytvořením reálného výrobku se vždy tvoří výkres dané čočky, a proto byl do vnitřního řídícího systému implementován jednoduchý CAD systém, který je podle daných matematických rovnic schopen vytvořit výkres dané čočky. Do vnitřního systému se zadají základní parametry, jako je její tvar, vnější rozměry, tolerance, typ skla, možné povrchové vady a povrchové úpravy. Výsledný výkres odpovídá normě ISO 10110. Podle daných parametrů se pak řídí výrobní procesy, neboť uvedené rozměry a tolerance jsou ověřovány v průběhu celého životního cyklu produktu. Do řídícího systému byla dále implementována měřící zařízení. V současné době jsou do řídícího systému zapojena 4 zařízení. Momentálně jsou v systému interferometry, které umožňují měřit tvar sférické nebo rovinné čočky, Luphoscan, což je unikátní optický profilometr pro celoplošné měření asfér, a kontaktní profilometr Mahr Surf. Zařízení jsou schopna ukládat naměřená data přímo ke konkrétní čočce do měřícího systému, nebo je možnost je uložit a nahrát do systému dodatečně. Při nahrávání výsledku se zvolí projekt a čočka, která je právě měřena. Další krok je zvolit, jaká strana čočky se právě měří a jakým zařízením. Po výběru zařízení zvolím měřící přístup (specifikovaný zákazníkem) a potvrdím nahrání dat. Dalším krokem bylo vytvoření integrace systému označování nástrojů a přípravků. Pro autonomní optickou výrobu je vhodné používat pro upnutí čočky v CNC obráběcím stroji vakuové přisávání nebo vložení do kleštiny. Další možností upnutí čočky do sklíčidla stroje je natmelení optického elementu na tmelku. V případě tmelení je třeba v řídícím systému propojit čočku s tmelkou pro následné další opracování ve výrobním procesu, protože v celém průběhu asférické výroby je čočka v páru s konkrétní tmelkou. To ze dvou hlavních důvodů. Pro zaznamenání hodnoty vycentrování a klínovitosti natmelené čočky, tyto hodnoty se následně využijí v automatickém generování CNC kódu pro asférické broušení a leštění. Druhým důvodem je možnost zpětného dohledání například poškozené tmelky, která může být odhalena v rámci výstupní kontroly, nalezením specifických vad na vyrobené čočce. Posledním cílem pro rok 2021 byla integrace systému pro tvorbu reportů s výsledky měření. Měření různých parametrů a zpracování výsledků měření je jeden z nejvýznamnějších kroků v optické výrobě. Tato důležitost se z výroby přenáší také na finální odeslání zákazníkovi, kde tvoří kritickou část přiložených informací. Během celého procesu výroby projde čočka mnoha stanovišti, kde se měří její tvar, iregularita a další parametry. K dalšímu měření dochází na kontrole kvality při výstupní kontrole. Zde se měří mikrodrsnost povrchu čočky, klín, průměr, centrální tloušťka a vady povrchu. Jedná se o škráby a tečky na povrchu kontrolované čočky. Ty se prozatím vyhodnocují vizuálně na základě komparativních standardů a jsou subjektivně hodnoceny kontrolorem. Z toho důvodu není možné efektivně zařadit měření vad povrchu do inteligentního PSM. V rámci projektu FX03030132 se ve firmě asphericon s.r.o. řeší zavedení kontroly povrchových vad pomocí materiálového mikroskopu a vyhodnocení podle ISO normy a zahrnutí výsledků do PMS. Pokud všechna měření vyjdou v rámci tolerance, je k čočce vygenerován protokol o měření přímo z dat uložených v řídícím systému. Zákazník tak v elektronické formě dostane všechny parametry k dodané čočce. Jedná se o celkový počet spuštěných kroků výroby, každá čočka má více výrobních cyklů. V rámci projektu byl integrován řídící systém, který je schopný zajišťovat řešení objednávek, naceňování výrobních procesů a vést statistiku vytížení strojů. Mimo to je díky systému možné evidovat celý výrobní proces čočky, od vybalení jednotlivých surových materiálů, naskladnění, prvotního broušení na sférických generátorech po úpravu na asférické tvary.

Název v anglickém jazyce

A control system for planning and controlling the production of precision aspherical elements

Popis výsledku anglicky

The first activity was to prepare the core of the control system. The task of collecting diagnostic data usable in optical production includes the processing of information provided by a wide range of machine types. For this reason, when obtaining them, each machine must be approached individually, according to the specific implementation of the software. On the contrary, due to the needs of production planning, the obtained data must have a uniform format. These two conditions can be met by using the modular structure of the software, which is responsible for collecting and storing diagnostic data from individual machines in optical production. As part of the modular concept of the software for collecting diagnostic data, the core of the system was defined, which is a server application ensuring centralized control. It is then possible to connect a client application to each machine, which performs its own data acquisition and then sends it to the server application. The server application is thus responsible for managing the database and storing data obtained from client applications. Such a software concept makes it possible to freely change the number of currently monitored machines or specific monitored parameters without changing the function of the rest of the system. It was necessary to include production machines – shape generators – in the core. All used shape generators are simple CNC machines with Windows operating system. The data is therefore automatically forwarded to a common database on a local server. During the development, work was started on the creation of server software. A database was designed for this software according to the requirements for the collected information. The server software receives information from individual machines and devices, stores them in a database and manages the database at the same time. At the same time, the server software will ensure the export of data into suitable formats for further processing or presentation of results. Client software is permanently running on individual machines and devices to collect the required data and send it to the server application. Due to the differences between individual machines and devices, each client software was tailored to the given machine or device. The main essence of the collected data is information about the use of the machine for the fulfillment of individual projects. The goal is to achieve the collection of this data without the need for machine operator interaction. For this purpose, the logs generated by most control software will be used. The next stage was the application and tuning of the control software. Work was completed on the integration of production machines into the control system, automatic generation of CNC code for iterative polishing of aspheric surfaces, inclusion of machining tools and fixtures in the control system, optimization of polishing parameters (described in the section Optimizing the polishing process) and integration of the system for creating reports with measurement results . The first step in aspherical production is grinding, during which the most accurate shape and the lowest possible roughness is prepared for subsequent polishing. For each lens, the system selects which machine and which tool it will be ground on, and the CNC code is then sent to the respective machine. The CNC code is generated based on a series of parameters. In optical production, it is necessary to choose the correct machining speed in order to minimize subsurface damage. In our case, the software can choose the speed of the machining tool and the workpiece spindle separately. The rotation of the lens and the displacement of the tool are defined according to the company's know-how. Another parameter that is set is the so-called approximation, when the grinding shape is adjusted according to the deviation after polishing (polishing is constant). The grinding process is then adjusted according to the given lens. The machine operator can choose the resolution of the grinding path in units of mm/point and the grinding mode (coarse grinding, fine grinding, shortening, or uniform cycle). Resolution determines production time and has a large effect on accuracy. For the resulting lens, it is necessary to maintain a uniform central thickness, the parameter of the resulting thickness, or the relative value of the removal is set in the program. Another adjustable parameter is the safe distance of the machine tool to the machined lens and the lead-in and run-out distance of the tool. We can also manually enter the start and end radius of the grinding path into the program. The system is capable of simulating the movement of the machining tool, determining the axis movement ranges and predicting collisions. Polishing takes place in three processes. All three types of polishing processes are managed within the project of an integrated central system that uses know-how and experience from previous production series. Initial process parameters are automatically generated when a new aspherical element is introduced into production. These are determined from past successful processes in which the same tools were used and the polished element had similar basic parameters such as material, diameter and curvature. Thanks to access to the internal database of processes with a history of more than twenty years, it is thus possible to set up stable serial production of the aspherical element in the order of units of hours. The next step in the preparation of the completion of the internal software was the integration of a simple CAD system into the internal control system. Thanks to this, it is possible to create drawings of manufactured lenses quickly and efficiently. Before creating a real product, a drawing of the given lens is always created, and therefore a simple CAD system was implemented into the internal control system, which, according to the given mathematical equations, is able to create a drawing of the given lens. Basic parameters such as its shape, external dimensions, tolerances, type of glass, possible surface defects and surface treatments are entered into the internal system. The resulting drawing corresponds to the ISO 10110 standard. The production processes are then controlled according to the given parameters, as the specified dimensions and tolerances are verified during the entire life cycle of the product. Measuring devices were also implemented into the control system. Currently, 4 devices are connected to the control system. Currently, the system includes interferometers that allow measuring the shape of a spherical or planar lens, Luphoscan, which is a unique optical profilometer for full-surface measurement of aspheres, and the Mahr Surf contact profilometer. The devices are able to store the measured data directly for a specific lens in the measurement system, or it is possible to store and upload them to the system additionally. When recording the result, the project and the lens that is currently being measured are selected. The next step is to choose which side of the lens is being measured and with which device. After selecting the device, I choose the measuring approach (specified by the customer) and confirm the data upload. The next step was the creation of an integration system for labeling tools and fixtures. For autonomous optical production, it is advisable to use vacuum suction or insertion in a collet to clamp the lens in a CNC machine tool. Another option for clamping the lens in the chuck of the machine is to glue the optical element to the putty. In the case of sealing, it is necessary to connect the lens with the sealant in the control system for further processing in the production process, because the lens is paired with a specific sealant during the entire aspheric production process. This is for two main reasons. To record the value of centering and wedgeness of the ground lens, these values ​​are subsequently used in the automatic generation of the CNC code for aspherical grinding and polishing. The second reason is the possibility of tracing back, for example, a damaged sealant, which can be detected during the final inspection by finding specific defects on the manufactured lens. During the entire production process, the lens passes through many stations where its shape, irregularity and other parameters are measured. Further measurement takes place at the quality control during the final inspection. Here the lens surface micro-roughness, wedge, diameter, central thickness and surface defects are measured. These are scratches and dots on the surface of the inspected lens. These are currently evaluated visually based on comparative standards and are subjectively evaluated by the controller. For that reason, it is not possible to effectively include the measurement of surface defects in intelligent PSM. As part of project FX03030132, asphericon s.r.o. deals with the introduction of inspection of surface defects using a material microscope and evaluation according to the ISO standard and inclusion of the results in the PMS. If all measurements come out within range and tolerances, a measurement protocol is generated for the lens directly from the data stored in the control system. The customer thus receives all the parameters for the delivered lens in electronic form. This is the total number of running production steps, each lens has multiple production cycles. A management system was integrated within the project, which is able to provide solutions for orders, pricing of production processes and keep statistics of machine utilization. In addition, thanks to the system, it is possible to record the entire production process of the lens, from the unpacking of individual raw materials, storage, initial grinding on spherical generators to adjustment to aspherical shapes.

Druh

X - Nezařazeno

CEP obor

—

OECD FORD obor

20205 - Automation and control systems

Projekt

<a href="/cs/project/FX01030046" target="_blank" >FX01030046: Zavedení inteligentního PMS pro výrobu přesné asférické optiky</a><br>

Návaznosti

P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)

Rok uplatnění

2022

Kód důvěrnosti údajů

C - Předmět řešení projektu podléhá obchodnímu tajemství (§ 504 Občanského zákoníku), ale název projektu, cíle projektu a u ukončeného nebo zastaveného projektu zhodnocení výsledku řešení projektu (údaje P03, P04, P15, P19, P29, PN8) dodané do CEP, jsou upraveny tak, aby byly zveřejnitelné.