CC BY
15УДК 621.914
1 12 2 3
М.Н. Зимин , Г.Н. Каневский ' , О.А. Коревский , А.С. Пичугин
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ФРЕЗЕРНО-ГРАВИРОВАЛЬНЫХ РАБОТ
Научно-производственное предприятие «Модель» 1,
2
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева ,
ОАО «НИТЕЛ» 3
Рассмотрены особенности гравировальных работ на фрезерно-гравировальном станке. Систематизированы по геометрическому признаку поверхности как основа для гравировки и сами узоры. Проведен анализ вариантов программного обеспечения для 2-, 4-координатной гравировки. Рассмотрены пути решения проблемы неровностей заготовок. Предложены варианты отслеживания неровностей заготовок.
Ключевые слова: фрезерно-гравировальный станок, программное обеспечение, система ЧПУ, обмер, оцифровка поверхности, кривизна заготовки, алгоритм работы
Автоматизированная интегрированная технология подготовки и управления обработки на станках с ЧПУ обычно включает в себя реализацию CAD/CAM задач на основе соответствующего программного и аппаратного обеспечения. Применительно к фрезерно-гравировальным технологиям необходимы удобная программная среда для разработки CAD-моделей изделия с гравировальным узором на его поверхности (текста, рисунка), разработки технологии и управляющих программ обработки сложного профиля, специальный режущий инструмент, а также набор функций ЧПУ, обеспечивающий обработку узоров.
Вопросам практического использования CAD/CAM систем Cimatron и CimaGraphi, их взаимодействия при моделировании и разработки управляющих программ обработки 3D-узора на 3D-поверхности посвящена статья [1]. Там же рассмотрены особенности использования режущего инструмента и металлорежущего станка.
В данной статье рассматриваются в более широком плане возможности программного обеспечения в зависимости от типа и формы поверхностей и узоров, а также варианты решения некоторых проблем, возникающих в практике гравировки.
Анализ возможностей и применимости программного обеспечения рассматривается на примере двух принципиально разных по функционалу систем: CAD/CAM-системы общемашиностроительного назначения Cimatron v.11 и специализированной системы для гравировальных работ V Carve Pro [2].
ПО Cimatron позволяет реализовывать полную производственную цепочку изготовления изделия: конструирование детали и оснастки - разработка маршрутной и операционной технологии - оформление технологической документации - создание управляющих программ (УП).
Конструирование детали производится в среде 3D, при этом используются средства твердотельного, поверхностного или гибридного моделирования. На деталь оформляется КД по требованиям ЕСКД. Также возможно эффективно контролировать рабочие зоны оборудования и геометрию инструмента, используя средства симуляции и верификации.
Система V Carve Pro предназначена для разработки УП для станков с ЧПУ для выполнения гравировальных работ до 2,5 обработки. Функциональные возможности укрупнен-
© Зимин М.Н., Каневский Г.Н., Коревский О.А., Пичугин A.C., 2014.
но включают в себя создание геометрии обработки или импорт геометрии детали, разработку траектории движения инструмента, получение УП.
Таблица 1
Создание CAD моделей поверхности (детали) и узора
Типы узоров
Плоская X-Y
Типы поверхностей
Цилиндр X-Y-Z
3D -поверхность X-Y-Z
Плоский, X-Y
Cimatron Поверхность - легко Узор - сложно V Carve Pro Поверхность - легко Узор - легко
Cimatron Поверхность - легко Узор - сложно V Carve Pro Поверхность - легко Узор - легко
Cimatron Поверхность - легко Узор - сложно V Carve Pro Поверхность - невозможно Узор - невозможно
3D-контур X-Y-Z
Cimatron Поверхность - легко Узор - сложно V Carve Pro Поверхность - легко Узор - невозможно
Cimatron Поверхность - легко Узор - сложно V Carve Pro Поверхность - легко Узор - невозможно
Cimatron Поверхность - легко Узор - сложно V Carve Pro Поверхность - невозможно Узор - невозможно
Разработка УП обработки поверхности (детали) и узора
Таблица 2
Типы узоров Типы поверхностей
Плоская X-Y Цилиндр X-Y-Z устанавливается в поворотном столе (рис. 1) 3Б-поверхность X-Y-Z
Плоский, X-Y Поверхность и узор: 2-координатная обработка: X-Y, Z-установочное перемещение Узор: 2-координатная (X-Y) или 3-координатная (Х-Y-A) обработка Поверхность: 3-коорди-натная обработка, X-Y-Z Узор: 3-координатная обработка: X-Y-Z
Cimatron Поверхности и узора (сложнее) V Carve Pro Поверхности и узора (легче) Cimatron Узора (сложнее) V Carve Pro Узора (легче) Cimatron Поверхности и узора V Carve Pro Поверхности и узора -невозможно
3D-контур X-Y-Z Поверхность: 2-координатная обработка: X-Y. Узор: 3-координатная обработка, X-Y-Z Узор: 3-координатная (Х-Y-Z) или 4-коор- динатная (X-Y-Z-A) обработка Поверхность: 3-координатная обработка: X-Y-Z, Узор: 3-координатная обработка: X-Y-Z
Cimatron Поверхности и узора V Carve Pro Поверхности и узора -невозможно Cimatron Поверхности и узора V Carve Pro Поверхности и узора -невозможно Cimatron Поверхности и узора V Carve Pro Поверхности и узора -невозможно
Рис. 1. Общий вид фрезерно-гравировального станка BZT-PFU-2015 PX-G
с поворотным столом
В табл. 1 и табл. 2 сведены все возможные варианты сочетаний поверхностей - основы узоров и самих конфигураций узоров; для каждого варианта сочетаний указаны возможности использования программного обеспечения. При этом в силу особенностей конфигураций поверхностей как основы узора, а также самого узора, т.е. шрифта или рисунка, в силу особенностей их моделирования и технологии обработки в дальнейшем разделяются понятия «поверхность» и «узор».
Как показывает подробный анализ возможностей программного обеспечения и как видно из краткой сводки результатов этого анализа (табл. 1 и табл. 2), для автоматизированной гравировки рационально применение различных программных средств, каждое из которых наиболее эффективно и удобно может быть использовано для решения определенных задач. Так, система VCarve Pro ориентирована на разработку контуров и управляющих программ обработки плоского узора или шрифта на плоской поверхности и для этих целей имеет широкий набор функций, возможностей, удобна в работе, недорогая. Таких задач в машиностроительных изделиях большинство, и данная система может быть востребована.
Система Cimatron имеет самые широкие возможности для моделирования и разработки УП поверхностей любой сложности и точности, но не имеет удобных средств работы для гравирования плоских узоров и шрифтов, и поэтому если ее использовать для гравировки, то для сложных пространственных узоров, где требуется точное математическое описание контуров и поверхностей.
Рассмотренные две системы отражают два типа задач: самые простые и самые сложные. Естественно, существуют системы, в той или иной степени претендующие на универсальность, например CimaGraphi и ArtCAM. Эти системы имеют неплохие средства моделирования плоских и 3D-узоров и разработки УП, но, по сравнению с системой Cimatron, слабые возможности работы с поверхностями. Наилучшее решение сложных задач находится в рациональном сочетании разных систем, как показано в работе [1].
Кроме того, программные системы, имеющие возможность моделирования 3D-поверхностей - основ узора, могут оказаться незаменимыми при решении некоторых проблем точной гравировки, например, необходимости поддержания требуемой или постоянной глубины гравировки в разных участках листа. Это вызвано двумя причинами: волнистостью самого листа и разнотолщинностью листа в состоянии поставки. Первая причина может быть устранена с помощью специального механизма прижима шпиндельной головки к листу, как, например, решено в [3]. Далее рассмотрены варианты решения второй проблемы.
Глубина гравировки в машиностроительных изделиях, например, для корпусов и
пультов, может колебаться в пределах 0,2 - 0,5 мм, при этом разнотолщинность может быть не менее 0.3 - 0.7 мм. В такой ситуации часть листа просто не будет обработана, а на обработанных участках разница в высоте гравировки даже в 0,05 - 0,07 мм уже визуально определяется. Решением данной проблемы может стать технология предварительного определения высоты разнотолщинности и ее учет при разработки УП, либо отслеживания кривизны при движении по траектории УП.
В любом варианте работа на станке будет происходить в два этапа:
• первый этап - измерение и сбор в определенном формате данных на разных участках листа о величинах неровностей;
• второй этап - передача данных в систему ЧПУ станка, корректировка разработанной или создание новой УП.
Выполнять эти работу могут по-разному, с разной степенью автоматизации. Рассмотрим эти способы.
Ручной способ
Этап 1. Измерение и сбор данных. Оператором производятся измерения высоты неровностей по оси 2 вручную с помощью линейки, концевых мер или индикатора в заранее определенных местах (точках) листа.
Этап 2. Разработка УП. Целесообразнее всего оператору вручную скорректировать разработанную ранее УП на станке, добавив в кадрах УП величину 2.
Достоинство ручного способа: не требуются финансовые вложения и специальная подготовка. Недостатки: длительность процедуры при обмере большой площади, неудобство обмера «горбов» линейкой, отсутствие визуализации обмера, отсутствие автоматического сохранения данных и передачи их в СУ станка, измеряется только величина 2, практически невозможно точно определить X,Y, следовательно, будут ошибки при корректировке УП. Применимость этого варианта. Для небольших участков листа с малым количеством неровностей и малым числом измеренных точек.
Механизированный способ
Этап 1. Измерение и сбор данных с использованием координатно-измерительной машины типа «рука». Оператор устанавливает и позиционирует координаты точек неровностей. При этом измеряются значения Х,У,2. Массив данных формируется в электронном виде или переписывается с экрана компьютера. По сути, этот процесс представляет собой пошаговое сканирование поверхности листа.
Этап 2. Разработка УП. Если получен массив значений Х,У,2, соответствующий оставленному следу конкретной УП, то массив Х,Т,2 вводится в ПО Cimatron. Для этого массив должен быть записан в определенном порядке. По этим данным строится ломаная линия, которая и будет являться траекторией для новой УП.
Формат данных и пример массива для ввода в ПО Cimatron:
X123.12 Y10.25 Z0.12
X123.35 Y10.80 Z0.24
X124.47 Y11.05 Z0.35
X125.89 Y11.24 Z0.78
X127.64 Y11.67 Z0.41
X129.13 Y12.02 Z0.20
Достоинства механизированного способа: возможность визуализации результатов обмера и сохранения массива данных в текстовом формате, одновременное получение значений координат Х,У,2. Недостатки: ручной подвод измерительного щупа к каждой заранее выбранной точке листа, необходимость повтора измерений для определения данных с требуемой точностью, так как щуп при каждом измерении касается под разными углами к поверх-
ности, длительность процедуры обмера, разделение этапов 1 и 2 во времени и, тем самым, простой гравировального станка, накопление ошибки по цепочке измерение - обработка в ПО Cimatron - построение УП. Трудно обеспечить точность построения поверхности в пределах 0,05 мм.
Автоматизированный способ.
Этап 1. Измерение и сбор данных. Используется измерительный датчик, который в автоматизированном режиме по управляющей программе на станке с ЧПУ перемещается по листу по координатам X,Y и измеряет координату Z, при этом выполняется измерение отклонения высоты Z для каждого кадра УП. Таким образом, создается массив данных XYZ, соответствующий кадрам УП. Такой подход, судя по рекламной информации, реализован, например, в станках Roland [4]. Однако данных по применению такого подхода нет, поэтому рассмотрим более подробно возможность этого варианта.
Достоинства автоматизированного способа: высокая производительность, особенно на листах большого размера, возможность точного измерения, так как измерительный щуп всегда имеет строго вертикальное положение, возможность измерений с мелким шагом. Недостатки: определенная сложность и более высокая стоимость реализации способа.
При этом обмерять можно либо весь лист (сканирование), либо двигаться по командам от УП и обмерять только траекторию гравировки. Если реализуется процесс сканирования, то необходима обработка «облака» точек, построение 3D-поверхности листа и затем разработка УП уже не для плоской поверхности, а для 3D-поверхности, что является достаточно трудоемким, длительным и неточным процессом. Поэтому для автоматизированного способа предлагается отслеживание неровностей в соответствии с траекторией гравировки, при этом потребуется только корректировка кадров УП: добавление в каждый кадр значения высоты Z.
Этап 2. Разработка УП. Для разработки новой УП после обмера (сканирования) в качестве исходной информации будем иметь:
• массив X, Y, соответствующий кадрам УП в ЧПУ гравировального станка;
• сигналы от датчика, соответствующие величинам Z, полученные с определенным шагом.
В связи с этим, задача второго этапа - принять эти сигналы и синхронизировать их с
массивом X, Y.
Для реализации данного подхода требуется специальное программное обеспечение в системе ЧПУ станка, принимающее координаты сканированных точек, обрабатывающее их в определенном формате и генерирующее кадры УП (рис. 2).
Управление движением X,Y по УП от ЧПУ
Передача Z в ЧПУ
Автоматическое формирование новой УП
Обработка
Рис. 2. Схема получения и обработки данных с датчика обмера поверхности листа
В качестве примера такой системы ЧПУ можно привести схему работы системы ЧПУ модели NC 3.5 разработки НПП «Модель» (рис. 3), установленной на ряде станков с функцией обработки массива сканированных точек [1, 5, 6].
Рис. 3. Схема работы математического обеспечения СПУ NC 3.5
Библиографический список
1. Каневский, Г.Н. Изготовление художественных изделий с использованием CimatronE и CimaGraphi / Г.Н. Каневский [и др.] // САПР и Графика. 2006. № 6. С. 72-74.
2. Vectric passionate about CNC [Электронный ресурс]. - United Kingdom: Vectric Ltd, сор. 2013. - Режим доступа: htpp://www.vectric.com
3. Серия 10000 [Электронный ресурс]. - Canada: AXYZ Automation, cop.2013-2014. - Режим доступа: http: //www .axyz-ru.com/series/17
4. Roland EGX-20 [Электронный ресурс]. - Japan : Roland, сор.2013. - Режим доступа: htpp:// www.roland-dg.ru.
5. Панышев, Н.Н. Особенности систем управления металлообрабатывающим оборудованием в производстве формообразующей оснастки / Н.Н. Панышев, Г.Н. Каневский // Опыт: сб. ст. Спец. приложение к журналу РИТМ. 2007.№1.
6. НПП «Модель» [Электронный ресурс]. - Российская Федерация: ООО «НПП «Модель», сор. 2014. - Режим доступа: htpp://www.model.nn.ru
Дата поступления в редакцию 11.12.2014
M. N. Zimin1, G. N. Kanevskiy1'2 , O. A. Korevskiy2, A. S. Pichuguin3 AUTOMATED INTEGRATED PROCESS OF MILLING AND ENGRAVING WORK
"Model" Research and Development Enterprise1, Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev2
OAO "NITEL"3
Particularities of engraving work on a milling and engraving machine are dealt with. The surfaces are systemized by their geometry as engraving bases, so are the patterns. Software variants for 2- to 4-dimensional engraving are analyzed. The solutions to the problem of uneven piece surfaces are considered. The variants of uneven pieces controlling are suggested.
Key words: milling and engraving machine, software, NC system, measurement, digital surfacing, flection of piece, working algorithm.
