Development of a data acquisition software for Heidenhain controllers to achieve process monitoring and workpiece quality prediction

Abstract

As demandas pela produção em larga escala de peças complexas está aumentando em todo o mundo. Esses modelos complicados de peças levam os fabricantes a empregar CNCs na fabricação a fim de alcançar uma melhor eficiência e maior qualidade. Apesar desse fato, devido a fatores de usinagem e à tecnologia associada, ainda é difícil levar os produtos finais às especificações exigidas, assim como monitorar e inspecionar tais peças e seus processos de produção. Uma nova abordagem para resolver esses problemas reside nas tecnologias da Indústria 4.0, que consistem na implementação de software de aquisição de dados para monitoramento paralelo ao processo das máquinas de usinagem em operação. Essa mudança na linha de produção pode oferecer um controle mais preciso do processo e análise de defeitos de qualidade a partir da digitalização de peças. Considerando essa proposta tecnológica, este projeto de fim de curso, juntamente com a gemineers GmbH, visa desenvolver um software de aquisição de dados em C++ para máquinas de usinagem operadas por controladores Heidenhain. Para desenvolver a aplicação desejada, foram realizados estudos iniciais para ter seus requisitos e modelagem definidos, resultando em uma implementação multi-tarefa baseada em quatro threads que funcionam como máquinas de estado. Juntas, elas foram construídas para conexão com máquinas de usinagem e obtenção de dados em alta e baixa frequência que, por sua vez, são posteriormente enviados para um servidor GraphQL através da rede usando o protocolo de comunicação WebSocket. Quando o desenvolvimento terminou, o software foi testado com a configuração de um controlador emulado para simular a usinagem de uma peça. Os dados adquiridos da operação foram enviados aos outros serviços da empresa, que transformam as informações em um gêmeo digital da peça usinada, e posteriormente exibido no Front-End existente. Com a visualização digital, a funcionalidade do software de aquisição de dados foi avaliada através da comparação dos resultados mostrados com os inicialmente esperados. No final, também foram realizados testes de desempenho para analisar o comportamento da aplicação desenvolvida e dos serviços relacionados. A partir das observações feitas, foram propostas e implementadas otimizações para alcançar melhorias gerais para o produto da gemineers. Resultados visuais e análises aprofundadas apresentaram uma aquisição de dados bem sucedida que obtém as informações necessárias para criar um gêmeo digital para o monitoramento do processo de usinagem.

The demands for large-scale production of complex workpieces is increasing worldwide. These complicated part designs lead manufacturers to employ CNCs in manufacturing in order to attain better efficiency and higher quality. Despite this fact, due to machining factors and the associated technology, it is still difficult to get the end products to the required specifications, as well as to monitor and inspect such workpieces and their production processes. A novel approach to solve these problems rely on technologies from the Industry 4.0, which consist in the implementation of data acquisition software for process-parallel monitoring machine tool operations. This change in the production line can offer more precise process control and quality defect analysis from part digitization. Considering this technological proposal, this thesis, along with gemineers GmbH, aims to develop a C++ data acquisition software for machine tools operated by Heidenhain controllers. To develop the desired application, initial studies were conducted to have its requirements and modeling defined, resulting in a multi-threaded implementation based on four threads that function as state machines. Together, they were built for connecting to machine tools and obtaining data in both high and low frequency that, in turn, are further sent to a GraphQL server over the network using the WebSocket communication protocol. When the development was over, the software was tested with an emulated controller setup for simulating the machining of a part. The data acquired from the operation was dispatched to the company's other services, which transform the information into a digital twin of the machined workpiece, later displayed in the existing Front-End. With digital visualization, the functionality of the data acquisition software was evaluated by comparing the shown results with the initially expected ones. In the end, performance tests were also conducted to analyze the behavior of the developed application and the related services. From the observations made, optimizations were proposed and implemented to achieve overall improvements for the gemineers' product. Visual results and in-depth analyses presented a successful data acquisition that obtains the necessary information to create a digital twin for process monitoring.