Le nuove norme per il controllo delle macchine

1. Le nuove norme per il controllo delle macchine Considerazioni generali sullo sviluppo delle norme per l’automazione industriale presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

2. Attuale situazione della programmazione CN • Lo standard attuale in fase di revisione ISO 6983:1982, con ISO 841:2001 per il nome degli assi, risale alla fine degli anni 60 ed era fatto per il nastro perforato. • E’ stato aggiornato con una serie di aggiunte specifiche da parte dei principali fornitori di CN • Non prevede lavorazioni ad alta velocità nello spazio e le traiettorie a 3D vengono suddivise dal CAM in una serie di segmenti rettilinei • I dati in uscita dai sistemi CAD, utilizzati per la progettazione dei pezzi, devono essere trattati dai sistemi CAM e quindi per le lavorazioni a 3D trattati con processori APT (Automatically Programmed Tool), che generano una serie di dati (norme ISO3592 e 4343), chiamati CLData (Cutter Location data), che interpretati da un altro programma, chiamato “postprocessor”, diverso per ogni tipo di macchina, danno origine al programma finale per il CN (standard ISO 6983). presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

3. Commenti sulla situazione della programmazione delle macchine a CN • Il processo è lungo e non corrispondente alle possibilità dei moderni sistemi informatici. • Nessuna integrazione con CAD/CAM • Difficoltà nella programmazione di superfici complesse, non previste dalla norma attuale e risolte con soluzioni particolari da ciascun costruttore di CN • Nessuna integrazione con il sistema informativo di fabbrica ed in particolare con la pianificazione della officina • Nessuna possibilità di modificare lavorazioni complesse in officina presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

4. Attuale situazione della programmazione delle macchine di misura • La norma esistente ISO 22093:2003 derivata da una iniziativa americana risalente al 1986, che ha portato alla definizione di un vocabolario per la comunicazione bidirezionale dei dati di misura, diventato quindi norma ANSI (DMIS – Dimensional Measuring Interface Standard), è molto recente ed è quindi adeguata alle esigenze delle moderne macchine di misura e dei sistemi informatici direttamente connessi. • Viene presa in considerazione solo l’interfaccia fra la macchina ed il mondo esterno. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

5. Commenti sulla situazione della programmazione macchine di misura • Come per il controllo numerico delle macchine la attuale norma “DMIS” continua ad essere focalizzata sull’interfaccia fra macchina di misura e mondo esterno. • Non è prevista una effettiva integrazione con i sistemi CAD • Nessuna integrazione con le macchine per la lavorazione del pezzo • Nessuna possibilità di operare in ciclo chiuso con la lavorazione presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

6. Lavori internazionali per la definizione di una nuova norma per il controllo numerico • I lavori sono iniziati a metà degli anni 90 su iniziativa europea (Germania, Svizzera), americana (USA con NIST) ed italiana (con UNINFO). Si sono quindi aggiunti i giapponesi ed i coreani. • Un primo esame da parte del gruppo di lavoro del sottocomitato TC184/SC1 delle iniziative di normazione in atto nel TC 184 ha evidenziato l’importanza della norma STEP (“STandard for the Exchange of Product model data) , per quanto riguardava le definizioni della geometria dei pezzi da lavorare e si è quindi deciso di approfondire l’analisi di tale norma. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

7. Evoluzione della norma “STEP-NC” • Il comitato TC184/SC1 si è reso subito conto delle possibilità date da “STEP”, in particolare per il suo modello dei dati geometrici, che è stato molto ben certificato dalle prime implementazioni, ed ha quindi sviluppato in tale direzione i suoi lavori. • E’ stata quindi definita, utilizzando le parti di “STEP” utili a tale scopo, un’unica struttura standard di dati per i diversi sistemi CAD, CAM e CNC che devono scambiarsi i dati. • I diversi tipi di informazione (geometriche, tecnologiche, lavorazioni di macchina) sono state separate in modo da permettere una più facile interattività con gli operatori. • Il modello dati implementato è diventato la norma ISO 14649 – 1:2003 e -10:2004 e successive parti. • La sperimentazione sta andando avanti con l’interpretazione di tale modello secondo le regole delle prime implementazioni di STEP da parte dell’industria aerospaziale (protocollo di applicazione AP238 e norma ISO 10303 – 238:2007). presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

8. ISO 14649 – Interfaccia con CAD/CAM presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

9. ISO 14649 - Unica base dati spartita presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

10. ISO 14649 - Struttura dello standard presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

11. Attività italianaFoto presa a Zogno (BG) nel 2001 - Macchina CMS, controllo OSAI e lavorazione con nuovo standard presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

12. PROGETTI INTERNAZIONALI presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

13. Ibusuki – July 2-4, 2007 Integrated Machining and Measurement Participants STEP Tools, USA Boeing, USA NIST, USA Airbus, France Université Bordeaux, France Sandvik Tooling, Sweden Fanuc, Japan Milestones Workpiece with AP-203e2/AP-238 tolerances and datums High speed machining Generation of DMIS inspection code from AP-238 Part machined at NIST, U.Bordeaux, and Sandvik Part measured using DMIS (Sandvik), Renishaw cycles (NIST), M&H cycles (Bordeaux) FANUC ISO 14649 demonstration The new ST-Machine presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

14. Hartford – October 1-2, 2008 Five axis closed loop machining Participants STEP Tools, USA CCAT, USA Boeing, USA UTRC, USA Mitutoyo, USA Concepts NREC, USA Sandvik Tooling, Sweden Milestones Impeller machining Workingstep reuse across blades Measurement using PHARO Arm Model extensions for curve measurement First use of Machine tool model presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

15. Kirkland – May 15, 2009 Laser scanning and mold measurement Participants STEP Tools, USA Mitutoyo, USA Micro Encoder, USA CCAT, USA Boeing, USA NIST, USA Al’s Rod Shop, USA KTH, Sweden Scania, Sweden U.Bath, UK Milestones Measurement of Catia AP-203e2 tolerances using CMM probe Measurement of Catia AP-203e2 tolerances using laser scanning presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

16. Situazione ad oggi • I lavori di “STEP-NC” dimostrano che l’attenzione si è spostata dalla definizione delle interfacce fra i diversi sistemi alla utilizzazione di una base dati comune in modo da permettere un facile scambio dati fra i diversi sistemi. • E’ perciò essenziale, per capire i concetti fondamentali introdotti dalle nuove norme per il controllo delle macchine, considerare la norma “STEP” generale. • Questo fatto è stato molto bene evidenziato da SIEMENS all’ultima EMO 2009 a Milano, dove è stato pubblicizzato il concetto di PLM (Product Lifecycle Management), cioè la strategia di innovazione delle aziende basata sulla creazione di un archivio dati comune e condiviso per tutti i dati di prodotto dalla progettazione alla manutenzione. • Tale archivio è l’obiettivo di “STEP”, in particolare del gruppo di sviluppo del protocollo AP239, standard ISO 10303 – 239: 2005, (Industrial automation systems and integration – Product data representation and exchange – Part 239: Product Life Cycle Support ), attualmente in revisione, anche se oggi citare “STEP” non è più di moda. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

17. Dal sito web di SIEMENS presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

18. Breve storia della norma “STEP” • La nuova norma internazionale ISO 10303, conosciuta con il nome STEP è stata concepita all’inizio (da fine anni 80 all’inizio anni 90) per scambiare i dati fra sistemi CAD diversi ed avere quindi una norma internazionale al posto delle norme nazionali esistenti (IGES, americana, SET, francese, VDAFS, tedesca). • Allo sviluppo di STEP hanno contribuito parecchie centinaia di esperti delle principali aziende internazionali in particolar modo dei settori aerospaziale, automobilistico e militare. • Il proseguire dei lavori negli anni 90 ha reso evidente che lo scambio dei dati di prodotto permesso dalla norma non era limitato ai dati geometrici, ma che la applicazione della norma poteva permettere lo scambio di tutti i dati di prodotto generati durante tutto il suo ciclo di vita. • Si è passati perciò con il lavoro di centinaia di esperti, ciascuno concentrato sui propri problemi, a comporre come un enorme puzzle tutte le tessere necessarie alla definizione della struttura dati necessaria per realizzare PLM, partendo dallo scambio dei dati geometrici. Il tutto senza soluzione di continuità e senza che il fatto venisse notato anche dagli addetti ai lavori,. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

19. Evoluzione di “STEP” Si è passati da singoli protocolli di applicazione, alla interoperabilità fra diversi protocolli all’attuale sistema modulare, comprendente un gran numero di singoli moduli, che costituiscono le tessere di un enorme “puzzle”, con cui si possono creare modelli diversi, ma compatibili fra loro, in modo da comprendere tutte le attività industriali che interessano. Oggi (2009) i moduli partono dal TS 10303-1001 ed arrivano al TS 10303 – 1782 (esistono ovviamente dei buchi nella numerazione, ma non molti) con qualche problema di aggiornamento e manutenzione. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

20. Cosa significa definire una base di dati • Una base di dati è un insieme di informazioni strutturata in modo da consentire l’accesso e la gestione dei dati stessi (inserimento, cancellazione, modifica) ai diversi utenti interessati. • Il modo ancora attualmente più usato è quello relazionale, in cui i dati sono rappresentati mediante tabelle e relazioni fra esse. Con tale metodologia si cercherà di far capire anche ai non addetti ai lavori l’importanza della norma “STEP” e le sue implicazioni anche per quanto riguarda il controllo delle macchine. • La struttura di “STEP” è in realtà basata su concetti fondamentali e quindi non legata all’evoluzione delle tecnologie informatiche, per cui può essere anche considerata “orientata agli oggetti” ed anche, come verrà successivamente mostrato, basata su strutture semantiche, ma gli esempi basati sull’aspetto relazionale sono più facili da realizzare e diffondere a livello degli esperti di trattamento dati delle industrie meccaniche. • “STEP” è un insieme di definizioni di “entità” (o “concetti”), dotate di diversi “attributi” e delle loro relazioni. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

21. Rappresentazione in “STEP” del modello dati • Ogni concetto (entità) viene rappresentato con un rettangolo • Ogni entità può avere relazioni con altre entità o mediante i propri attributi oppure tramite relazioni gerarchiche di SUPERTIPO o SOTTOTIPO. • Le relazioni mediante attributi sono rappresentate in EXPRESS-G mediante linee sottili (tratteggiate se l’attributo è opzionale). Il verso della relazione è rappresentato con un piccolo cerchio attaccato al rettangolo, che rappresenta l’entità verso cui si ha la relazione. • A fianco della linea viene scritto il nome dell’attributo. • Quando una entità ha SUPERTIPI o SOTTOTIPI viene detta complessa ed un supertipo permette di raccogliere le proprietà che sono comuni a più sottotipi. • Un sottotipo possiede i suoi propri attributi ed eredita gli attributi di tutti i suoi supertipi. • Un esempio è nella diapositiva seguente, che rappresenta alcuni attributi e relazioni delle entità automobile e persona (ovviamente nella realtà gli attributi di automobile e di persona sono molti di più). presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

22. Un automobile è un sottotipo di veicolo. Un auto ha come attributi modello, che è una stringa di caratteri, e proprietario, che è una persona. Una persona è un supertipo di uomo o donna. Una persona ha come attributo un numero variabile da 0 a n di figli. I figli sono persone. Le persone hanno come attributo il nome, che è una stringa di caratteri. Uomo e donna ereditano tutti gli attributi di persona. Si può indicare che oltre la relazione diretta si può avere anche la relazione inversa, che per alcune relazioni è più semplice da utilizzare. Spesso nei SUPERTIPI compare l’indicazione (ABS). Questo significa che il SUPERTIPO è “astratto” cioè non esiste nessun SUPERTIPO che non sia uno dei suoi SOTTOTIPI: un esempio può essere “persona”, che comprende solo tutti gli uomini e tutte le donne, mentre non esiste nessuna persona che non sia o uomo o donna (almeno fino a quando non si prendono in considerazione altri sessi). Rappresentazione grafica con EXPRESS-G presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

23. Utilizzazione del modello dati di “STEP” • L’evoluzione di “STEP” illustrata nella diapositiva numero 17 evidenzia il fatto che la nuova norma per il controllo numerico nasce insieme alla creazione di una struttura dati tale da permettere un archivio comune di tutte le informazioni concernenti i prodotti e tutto il loro ciclo di vita dalla progettazione alla fabbricazione (con gli strumenti per produrre e controllare i pezzi prodotti), alla vendita e alla manutenzione. • Su tale archivio per elaborare i dati operano diversi sistemi informatici e la macchina utensile a controllo numerico può essere considerata come uno di questi sistemi. • Per capire in pratica come funziona la norma è utile trasformare in una base dati (insieme di tabelle con relazioni) le definizioni della norma. • Come semplice esercitazione vediamo quindi come trasformare l’esempio precedente in una base dati (nel nostro caso una base dati Microsoft Access): una tabella per ogni entità, più tabelle ausiliarie per selezioni e cardinalità multiple. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

24. Base dati Microsoft Access ottenuta dall’esempio EXPRESS presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

25. Analisi possibile da parte delle aziende del modello dati proposto da “STEP” • Per giudicare la rispondenza del modello alle specifiche esigenze aziendali occorre pensare il modello come una base dati con cui scambiare tutti i dati contenuti nei diversi sistemi informatici. • Lo scambio deve essere visto come bidirezionale, ossia occorre pensare a come costruire traduttori dati sia nel verso sistemi aziendali>modello sia nel verso opposto. • Il modello standard deve ovviamente essere previsto per contenere in modo facile e comprensibile tutti i dati necessari al funzionamento dei diversi sistemi informatici utilizzati dall’azienda, dal CAD per la progettazione, ai CAM per la programmazione dei controlli numerici ai sistemi per la gestione della produzione e dell’azienda. • Se tale premessa è verificata, il che sarà dovuto solo alle capacità e all’esperienza degli esperti, che hanno sviluppato e stanno sviluppando la norma, perché non è stata finora stabilita una ragione teorica che garantisca a priori tale fatto, il modello dati permetterà l’integrazione dei vari sistemi informatici ed il raggiungimento degli obiettivi illustrati. • Un primo risultato molto importante del lavoro di mappatura nello standard di tutti i dati aziendali è il recupero, l’organizzazione, l’archiviazione e la possibilità di riutilizzazione e di condivisione di tutti i dati aziendali esistenti. • Le possibilità date dalla integrazione delle diverse informazioni, che nel nostro caso comprendono anche le caratteristiche degli utensili (TC29) e delle macchine (TC39), devono ancora essere esplorate e possono essere anche superiori alle aspettative, come è illustrato dall’esempio seguente. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

26. Uso moderno di modelli dati come “Ontologie” (oggi molto alla moda) • Secondo i concetti illustrati dalla Università di Stanford: una “Ontologia” definisce un vocabolario comune per ricercatori che hanno necessità di condividere informazioni in un certo dominio. • Un modello dati STEP può essere considerato una “Ontologia” e la sua popolazione con i dati dell’impresa la corrispondente base di conoscenza (“Knowledge base”). • Con questa visione il lavoro fatto dagli esperti del TC184 sul modello dati per tutto il ciclo di vita del prodotto, compreso il lavoro per “STEP – NC”, può essere considerato come uno studio per la definizione di una “Ontologia” del settore industriale meccanico, e per la rappresentazione della base di conoscenza di ogni impresa con la popolazione della “Ontologia” definita. • Questa più moderna interpretazione della nostra attività di normazione può aprire nuove prospettive con la possibilità di usare le più moderne tecnologie informatiche e non va considerata solo un cambio di nome. • Tutto il lavoro precedentemente fatto in ambiente STEP con i modelli dati in EXPRESS può essere facilmente trasferito nel programma creato dalla Università di Stanford per le Ontologie e le Basi di Conoscenza, chiamato Protégé (le entità sono le classi, gli attributi sono gli “slots”). presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

27. Vantaggi dati dall’uso di ontologie • Ci sono differenti programmi accessori o ‘plug-ins’ per Protégé. • JADE (Java Agent DEvelopment framework) è un sistema software sviluppato in italia dai laboratori di Telecom (http://sharon.cselt.it/projects/jade/ ) implementato completamente in Java. • Un esempio di agente, sviluppato dal prof. Silvano Rivoira del Politecnico di Torino, é Sommelier. • In Protégé è stato sviluppato ed instanziato un modello dati concernente i vini, i cibi e le loro caratteristiche secondo L’Associazione Italiana Sommelier per i vini e l’associazione Gourmet per i cibi. • La regola per combinare vini e cibi è scritta con Jess e Jesstab (altri plug-ins di Protégé). • Immaginate per l’applicazione di questo strumento di avere un ristorante e come fornitori del vino tre enoteche. • Tutti (ristorante ed enoteche) hanno il modello dati per vini e cibi e condividono l’agente Sommelier. • Il ristorante ha una cena importante e manda usando l’agente Sommelier una richiesta di proposta “CFP”, (‘call for proposal’) con il numero del piatto principale del menu. • Utilizzando le regole scritte in Jess l’agente esplora i database delle enoteche per trovare i vini che più si accoppiano al cibo del menù e porta indietro al ristorante le proposte di ogni enoteca (figure successive). • Questo moderno approccio ai modelli dati ed ai dati in essi contenuti (“Ontologie” e relative “Basi di conoscenza”) appare molto potente e dà una idea delle potenzialità ancora inesplorate date dall’uso di modelli dati comuni e standard. In questo esempio però è necessario oltre che la struttura dei dati definire nello standard anche le unità e le modalità di misura. presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

28. Base dati con le caratteristiche dei vini presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

29. Proposta per menù 24 (gamberi di fiume > Verdicchio 92% di armonia) presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

30. Nota 1 (Citazione attività italiana e ontologia da CNR) presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

31. Da articolo CNR (Nicola Guarino) Modellazione logica della conoscenza di prodotto: problemi e prospettive Nicola Guarino LADSEB-CNR Corso Stati Uniti, 4 - 35127 Padova guarino@ladseb.pd.cnr.it http://www.ladseb.pd.cnr.it/infor/Ontology/ontology.html • 1. Introduzione In una qualunque azienda di tipo manifatturiero, la necessità di rappresentare in modo integrato, dettagliato e flessibile la conoscenza di prodotto appare oggi fuori discussione. Una prima risposta a questo problema è costituita dall’adozione di uno standard sufficientemente generale per la rappresentazione della conoscenza di prodotto: la norma ISO-10303, (conosciuta come STEP, STandard for the Exchange of Product data) è finalizzata proprio alla integrazione e riutilizzazione di tale conoscenza, e … Il progetto in corso presso il LADSEB-CNR di Padova riguarda proprio la definizione di un’ interfaccia logica per lo standard STEP (o per alcune delle sue parti), che contribuisca a una migliore definizione della semantica dello standard stesso e che faciliti l’integrazione di componenti intelligenti. Per maggiori informazioni sulle iniziative riguardanti l’adozione dello standard STEP in Italia, si può contattare il responsabile della commissione “CeSTEP” presso UNINFO, ing. Luciano Lauro, email uninfo@polito.it presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

32. Nota 2 (citazione attività italiana) presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

33. Nota 3 (Libro su STEP - NC) presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

34. Nota 4 (da libro citato esempio analogo al nostro) presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010

35. Riferimenti utili • Informazioni sul progetto STEP-NC si trovano all’indirizzo: http://www.steptools.com • Informazioni generali sulla integrazione dei sistemi di controllo si trovano agli indirizzi: http://www.plcs-resources.org/ http://www.eurostep.com/ http://www.epmtech.jotne.com/ http://www.plm.automation.siemens.com/it_it/about_us/success/index.shtml • Per avere informazioni generali su STEP in italiano ed una serie di riferimenti ai siti in cui trovare informazioni su STEP può essere utile andare al mio indirizzo: http://xoomer.virgilio.it/luciano.lauro/ presentazione aSTANIMUC – 20 gennaio 2010