STEP-NC

STEP-NC es un lenguaje de control de máquinas herramienta que amplía los estándares STEP ISO 10303 con el modelo de mecanizado de ISO 14649, ^{[ 1 ] [ 2 ]} añadiendo datos de dimensiones geométricas y tolerancias para inspección, y el modelo STEP PDM para la integración en la empresa en general. El resultado combinado se ha estandarizado como ISO 10303-238 ^{[ 3 ] [ 2 ]} (también conocido como AP238).

STEP-NC fue diseñado para reemplazar los códigos G ISO 6983/RS274D con un protocolo de comunicación asociativo moderno que conecta los datos del proceso de control numérico computarizado (CNC) con la descripción del producto de la pieza que se está mecanizando.

Un programa STEP-NC puede utilizar toda la gama de construcciones geométricas ^{[ 4 ]} del estándar STEP para comunicar trayectorias de herramienta independientes del dispositivo al CNC. Puede proporcionar descripciones operativas CAM y geometría STEP CAD al CNC para que las piezas de trabajo, el material en bruto, los dispositivos de fijación y las formas de las herramientas de corte se puedan visualizar y analizar en el contexto de las trayectorias de herramienta. También se puede agregar información STEP GD&T para permitir la medición de calidad en el control, y se pueden agregar funciones de eliminación de volumen independientes de CAM ^{[ 5 ]} para facilitar la regeneración y modificación de las trayectorias de herramienta antes o durante el mecanizado para la fabricación en bucle cerrado.

La entrada a una máquina CNC en el lenguaje de control de código G ISO 6983/RS274D suele ser específica de la máquina y se limita a comandos de movimiento de ejes. La máquina herramienta recibe poca o ninguna información sobre el resultado deseado del mecanizado.

STEP-NC permite enviar más información sobre el proceso de mecanizado al control de la máquina y añade nueva información sobre el producto que se está mecanizando. ^{[ 6 ]} Estos "Datos inteligentes para un mecanizado inteligente" ^{[ 7 ]} permiten aplicaciones como las siguientes:

• Descripciones de trayectorias de herramientas que son portátiles e independientes de la geometría de la máquina. ^{[ 8 ]}
• Proceso visual, para mostrar las trayectorias de la herramienta en el contexto de la máquina y la pieza de trabajo, y eliminar los dibujos. ^{[ 9 ]}
• Simulación en máquina, para comprobar si hay mellas, interferencias entre máquinas y otros comportamientos no deseados.
• Inspección simplificada, con tolerancias vinculadas, sondas en la máquina y planes de trabajo de inspección asociados a las tolerancias de las piezas.
• Optimización de la velocidad y el avance, utilizando tolerancias, ^{[ 10 ]} información de la sección transversal, datos del sensor.

• Asociatividad para que se pueda enviar retroalimentación desde la fabricación al diseño.

Otro factor de motivación implica reducir los tiempos de inactividad resultantes de errores de programación. ^{[ 11 ]}

STEP-NC puede comunicar una descripción completa del proceso de mecanizado a un sistema de control de máquina herramienta o entre aplicaciones de software de fabricación. La información que maneja STEP-NC se puede dividir en las siguientes categorías generales. El estándar maneja parámetros específicos de la tecnología para fresado y torneado , y extensiones para otras tecnologías en desarrollo (ver Trabajo futuro ).

• Descripción del Producto
  • Pieza de trabajo, PDM y geometría del producto
  • Características de fabricación
  • Dimensiones y tolerancias
  • Medidas y propiedades de las piezas
• Descripción general del proceso ^{[ 12 ]}
  • Proyecto
  • Ejecutable
  • Operación
  • Trayectoria de la herramienta
• Descripción del proceso específico de la tecnología
  • Operaciones y herramientas de corte para fresado ^{[ 13 ]}
  • Operaciones y herramientas de corte para torneado ^{[ 14 ]}
  • Operaciones y dispositivos para inspección ^{[ 12 ]}

STEP-NC puede reemplazar las descripciones explícitas de trayectorias de herramientas que se utilizan actualmente, y agregar geometría de piezas, material en bruto y dispositivos de fijación, una descripción de las herramientas, dimensiones y tolerancias geométricas, e información PDM. Un archivo STEP-NC es difícil de editar manualmente debido a que contiene descripciones geométricas, pero para programas grandes el tamaño del archivo puede ser menor porque STEP-NC utiliza un formato XML comprimido en lugar de códigos ASCII.

STEP-NC no es el primer intento de proporcionar información de mejor calidad a una máquina CNC. El lenguaje de control básico (BCL) EIA 494 ^{[ 15 ]} definió un lenguaje de control que era portátil y tenía trayectorias de herramientas independientes de la geometría de la máquina, pero no contenía ninguna de las otras informaciones del modelo del producto que se encuentran en STEP-NC. ^{[ 16 ]}

El núcleo de STEP-NC es el modelo ISO 14649 para control CNC desarrollado por ESPRIT e IMS europeos ^{[ 17 ].} Los proyectos STEP-NC comenzaron en 1999. Estos fueron liderados por Siemens con contribuciones de la Universidad RWTH Aachen y la Universidad de Stuttgart en Alemania, Komatsu y FANUC en Japón, Heidenhain en Suiza y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang en Corea. ^{[ 18 ]} Los modelos para el control de fresadoras CNC ^{[ 13 ]} y tornos ^{[ 14 ]} se publicaron en 2005, y existen modelos preliminares para EDM y corte de contorno.

La integración del modelo CNC en STEP ^{[ 19 ]} para producir ISO 10303-238 se realizó en los Estados Unidos, bajo el proyecto NIST ATP Model Driven Intelligent Control of Manufacturing, liderado por STEP Tools, Inc. con una junta de revisión industrial (IRB) compuesta por empresas Fortune 500, desarrolladores de software CAD y CAM, fabricantes de máquinas herramienta, talleres y expertos de la industria. ^{[ 20 ]} STEP-NC AP238 se publicó en 2007. ^{[ 3 ]}

En 2005, el Grupo de Trabajo OMAC STEP-NC organizó un foro de pruebas AP238 en Orlando para demostrar piezas mecanizadas de 5 ejes utilizando trayectorias de herramienta independientes de la máquina AP238 CC1. Cuatro sistemas CAD/CAM produjeron programas de mecanizado AP238 para fresar una pieza de prueba de 5 ejes (un círculo/diamante/cuadrado NAS 979 con un cono de prueba NAS 979 invertido en el centro). Cada prueba se ejecutó en un par de CNC configurados para geometrías de máquina completamente diferentes (inclinación de la herramienta AB frente a inclinación de la mesa BC). ^{[ 21 ]} Además, Boeing cortó piezas en varias máquinas en sus instalaciones de Tulsa y en una máquina del NIST en Gaithersburg. ^{[ 22 ]}

En junio de 2006, Airbus organizó una demostración en vivo de mecanizado STEP-NC de 5 ejes en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad Paul Sabatier en Toulouse. ^{[ 23 ]} En 2007 se realizaron otras demostraciones de mecanizado y medición en Ibusuki, Japón. ^{[ 24 ]}

Del 10 al 12 de marzo de 2008, el equipo STEP Manufacturing (ISO TC184 SC4 WG3 T24) se reunió en Sandviken y Estocolmo, Suecia, para demostrar el uso de STEP-NC para la optimización de avance y velocidad, mecanizado de alta velocidad, compensación de herramientas basada en tolerancias y trazabilidad. Entre los participantes en las demostraciones se encontraban Airbus/Univ. Bordeaux, Boeing, Eurostep, KTH Royal Institute of Technology, NIST, Sandvik Coromant , Scania, STEP Tools y la Univ. de Vigo. ^{[ 25 ]}

Los días 1 y 2 de octubre de 2008, el equipo de STEP Manufacturing se reunió en el Centro de Tecnología Avanzada de Connecticut, en Hartford, Connecticut, para demostrar el mecanizado en bucle cerrado , la optimización de la alimentación y la medición mediante STEP-NC. El punto culminante de la reunión fue el mecanizado en vivo de 5 ejes de un impulsor de titanio. Entre los participantes en la demostración de mecanizado y otras actividades se encontraban Boeing, el Centro de Tecnología Avanzada de Connecticut, Concepts NRec, DMG, el Instituto Real de Tecnología KTH, Mitutoyo, NIST, Sandvik Coromant, Scania, Siemens y STEP Tools. ^{[ 26 ]}

Estos participantes y otros siguen organizando eventos internacionales de implementación y pruebas de STEP-NC con una periodicidad aproximada de seis meses. Las demostraciones de 2009 se centraron en el mecanizado de una pieza de molde en múltiples ubicaciones a partir de los mismos datos AP238, incluyendo una pieza mecanizada con un control STEP-NC desarrollado por FANUC. En una reunión en Seattle, se midió la precisión de las piezas utilizando una sonda CMM y un escáner láser. ^{[ 27 ]}

En la primera mitad de 2010, la actividad de prueba se centró en la gestión del desgaste de la herramienta y el mecanizado de una pieza en múltiples configuraciones con múltiples planes de mecanizado alternativos para mecanizado de 3, 4 y 5 ejes. La nueva pieza de prueba era una caja de engranajes que debía mecanizarse en sus seis lados. El desgaste de la herramienta y las consiguientes cargas de la máquina se predijeron a partir de los datos STEP-NC y se verificaron utilizando un dinamómetro . ^{[ 28 ]} En la segunda mitad de 2010, el foro de pruebas aplicó STEP-NC para configurar la compensación con medición en máquina de los datos de la pieza y la fijación utilizando un dispositivo de medición portátil FaroArm. ^{[ 29 ]}

En 2012, las pruebas se centraron en los cálculos de precisión de las máquinas herramienta, culminando en una demostración en junio en los laboratorios de ingeniería de producción de KTH en Estocolmo. El caso de prueba consistió en el fresado de una pieza forjada para un engranaje de corona en una máquina Mazak VQC 20 antigua. Los datos de precisión de la máquina se combinaron con la información de acoplamiento de la herramienta del STEP-NC para predecir las deflexiones, que se compararon con los resultados reales del mecanizado. ^{[ 30 ]}

En 2014, se mostró el intercambio de datos CAM mediante STEP-NC en IMTS 2014 con demostraciones diarias de mecanizado organizadas por Okuma. Boeing creó un proceso de mecanizado base para una pieza de molde y luego lo envió a Sandvik e ISCAR para su optimización, generando una descripción STEP-NC que contenía las tres opciones de proceso. Todo el mecanizado se realizó en titanio y se utilizó una variedad de software CAM, y todos los resultados se capturaron en formato STEP-NC. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

En IMTS 2018, un equipo formado por Airbus, Boeing, DMG MORI, Hyundai WIA, Renishaw y Mitutoyo demostró la fabricación de gemelos digitales combinando datos de modelos y procesos STEP-NC con el estado de la máquina herramienta MTConnect y los resultados de metrología del formato de información de calidad (QIF). ^{[ 33 ]}

Una segunda edición de AP238 se publicó en 2020, ^{[ 34 ]} seguida de una tercera edición en 2022 ^{[ 35 ]} para la fabricación integrada basada en modelos, con mejoras en geometría, tolerancia y cinemática introducidas por primera vez por AP242.

En los comités de normalización ISO se sigue trabajando para extender STEP-NC a nuevas tecnologías e incorporar las mejoras descubiertas durante su uso. Los modelos de proceso para nuevas tecnologías suelen ser elaborados por el comité ISO TC184/SC1/WG7. Se están investigando modelos para electroerosión por hilo y penetración ^{[ 36 ]} y para el corte de contornos en madera o piedra.

El trabajo de ampliación e integración de STEP-NC con la empresa manufacturera se lleva a cabo en el equipo de fabricación STEP del comité técnico ISO TC184/SC4/WG3/T24. ^{[ 37 ]} Este grupo también trabaja en las ampliaciones y mejoras descubiertas durante las pruebas. Se han propuesto varias ampliaciones de trazabilidad para vincular los programas de mecanizado STEP-NC con la retroalimentación de los sensores y la información del estado de la máquina durante la ejecución. ^{[ 38 ]}

El Programa Nacional de Investigación de Construcción Naval (NSRP) también ha albergado trabajos para implementar un prototipo que conecta un sistema de diseño de astillero con un corte de placas usando STEP-NC. ^{[ 39 ]} Este trabajo implicó extender STEP-NC al corte y marcado de placas de acero usando láseres y antorchas de plasma .

• Vídeo: Demostración del mecanizado de impulsores con STEP-NC (01/10/2008)
• Vídeo: Demostración de compensación de herramientas basada en tolerancias de STEP-NC (12/03/2008)
• ¿Qué es STEP-NC?
• Un conjunto de herramientas para las partes 10, 11 y 111 de la norma ISO 14649.