CC BY
88
УДК 621.398.001.2
О. В. Епифанова, асп., O [email protected],
Д. И. Троицкий, канд. техн. наук, доц.,(4872)35-18-87, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ НА ОБОРУДОВАНИИ С ЧПУ
Рассматриваются стратегии автоматизации технологической подготовки производства на станках с ЧПУ с применением CAM-систем. Предлагается расширение функциональных возможностей CAM-систем при помощи дополнительных модулей. Приводится примерразработки такого модуля.
Ключевые слова: CAM-система, технологическая подготовка производства, оборудование с ЧПУ.
Введение. Высокая сложность современных изделий делает автоматизацию технической подготовки производства и, в частности, автоматизацию процесса разработки управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ при помощи CAM-систем неотъемлемой частью процесса подготовки производства. По данным корпорации CIMData [1], в 2005...2008гг. около 35 % всех пользователей CAM-систем применяли не готовые программные продукты ведущих поставщиков (Dassault Systemes, Siemens, PTC, Delcam, Planit), a CAM-системы, разработанные самостоятельно или на заказ. Это свидетельствует о наличии большого количества технологических задач, которые не решаются наиболее распространенными САМ-средствами.
Постановка задачи. Для эффективного построения процессов технологической подготовки производства при использовании оборудования с ЧПУ необходимо исследовать следующие вопросы:
- классификация CAM-систем по назначению и функциональным возможностям;
- варианты расширения функциональных возможностей САМ-систем;
- стратегии верификации УП;
- стратегии разработки УП в зависимости от факторов производства (видов деталей, серийности, особенностей оборудования и т. д.)
Классификация САМ-систем. CAM-системы существенно отличаются друг от друга областью применения и набором функциональных возможностей. Их можно подразделить на следующие классы:
1) по уровню автоматизации:
- разработка самой программы фактически осуществляется вручную программистом-технологом с применением текстовых редакторов общего назначения;
- CAM-система используется на этапе расчета координат опорных точек и построения траектории движения инструмента (пример - КОМПАС ЧПУ);
- расчет режимов резания и формирование технологии осуществляется CAM-системой, но программист-технолог первоначально формулиру-
ет стратегию обработки, осуществляет выбор оборудования, инструмента, детализацию операции (пример - Гемма);
- технология обработки создается САМ-системой при участии про-граммиста-технолога (пример - СпрутСАМ);
2) в зависимости от оборудования различают системы для токарной, фрезерной, электроэрозионной обработки, деревообработки, гравировки, а также САМ для обрабатывающих центров;
3) в зависимости от сложности выполняемой операции САМ-системы делятся по числу координат обработки: 2, 2.5, 3, 4, 5-координатные;
4) по способу формирования технологии обработки:
- САМ-системы на основе операций требуют, чтобы пользователь выполнил многочисленные шаги по выбору стратегии обработки каждой поверхности заготовки;
- САМ-системы на основе конструктивных элементов используют набор элементов обработки для описания законченной детали;
- САМ-системы на основе процесса применяются, как правило, для программирования однотипных процессов и операций.
Варианты расширения функциональных возможностей САМ-систем. Особенностью современных САМ-систем является их модульная структура, что позволяет предприятию подобрать перечень функциональных возможностей в зависимости от своих потребностей. Это же позволяет в случае необходимости расширять возможности уже имеющейся системы.
Кроме того, многие САМ-системы предоставляют пользователю возможность разработки собственных модулей (с использованием встроенных средств программирования, например, для описания постпроцессоров) или подключать к системе модули, написанные на языке программирования высокого уровня. Такой подход позволяет предприятию наиболее гибко приспособить имеющуюся систему к кругу решаемых задач.
При наличии дополнительных требований к качеству детали или параметрам обработки, а также при необходимости решения задач, не формализуемых средствами имеющихся САМ-систем общего назначения, возникает необходимость в разработке или приобретении специализированного программного продукта.
Верификация УП. Важным этапом подготовки управляющей программы является проведение процедур верификации и отладки. Здесь также возможны различные варианты.
В простейшем случае средствами кодирования управляющей программы производится поиск и исправление синтаксических ошибок (если это необходимо), а дальнейшая отладка управляющей программы производится на станке путем обработки пробных деталей и исправления выявленных несоответствий. Этот способ отладки неэффективен, требует значительных затрат времени, труда и денежных средств по причине простоя оборудования.
Современные САМ-системы имеют, как правило, встроенные верификаторы, которые обеспечивают возможность графического построения и
проверки траектории движения инструмента по УП. На более высоком уровне производится моделирование обработки по управляющей программе с индикацией возникающих ошибок. В режиме расширенной верификации производится не только отладка, но и анализ и оптимизация управляющей программы.
Возможные стратегии разработки управляющих программ. Можно выделить стратегии предприятия в области автоматизированной разработки управляющих программ при технологической подготовке производства. Возможны следующие варианты:
1. Подготовка УП вручную (с минимальным привлечением средств автоматизации и САМ-систем).
2. Автоматизированная подготовка УП, для выполнения которой может понадобиться:
- приобрести компьютерную технику;
- приобрести САМ-систему:
- САМ-систему одного из ведущих поставщиков;
- специализированную САМ-систему;
- приобрести или разработать модули расширения функциональных возможностей;
- приобрести или разработать постпроцессоры для имеющегося оборудования.
3. Расширенная верификация не выполняется.
4. Расширенная верификация выполняется:
- с привлечением средств верификации САМ-системы;
- с привлечением специализированных верификаторов;
- с привлечением интегрированных средств анализа и оптимизации (например, Теспошайх).
При выборе соответствующей стратегии необходимо учитывать следующие условия производства:
1. Серийность выпуска.
2. Срочность заказа.
3. Характеристики имеющегося оборудования.
4. Имеющееся в наличии программное обеспечение.
5. Сложность разрабатываемого изделия.
6. Требования к разрабатываемым изделиям.
7. Квалификация персонала.
Примеры расширения функциональных возможностей САМ -систем. Повышение точности обработки при неизменном режиме резания возможно за счет оптимизации взаимного позиционирования инструмента и заготовки. Однако в процессе разработки управляющих программ для станков с ЧПУ программист-технолог сталкивается со значительным объемом вычислений, среди которых заметную роль играет расчет оптимальных параметров позиционирования [2]. К сожалению, такие расчеты, как правило, не автоматизируются стандартными САМ-системами [3,4].
В производственной практике одного из предприятий оборонной отрасли возникла задача обработки винтового паза на венчике, что требовало сложного геометрического расчета позиционирования инструмента и заготовки. Данный расчет не удалось провести стандартными средствами САМ-систем общего назначения. Поэтому была разработана математическая модель позиционирования, разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение.
Производится обработка винтового паза на венчике (рис. 1).
Рис. 1. Схема задания и основные исходные данные
Венчик имеет начальный выступ, с которого обработка начинается, и который не должен быть «зарезан» по ее окончании.
Конфигурация начального выступа задается углом А наклона плоскости выступа. Начальной точкой винтовой линии является точка, указанная на рис. 1. Обработка производится пальцевой фрезой, винтовой паз представляет собой поверхность заметания. Для безопасного начала обработки и вывода фрезы после окончания обработки предусмотрены задаваемые технологом врезание и перебег. Параметр 11 характеризует величину отступа при врезании. Под отступом понимается расстояние, на которое необходимо отвести фрезу перед началом обработки для обеспечения заданных конструктором требований к качеству обработанной поверхности.
При расчете позиционирования необходимо учитывать следующую схему и соответствующие ей параметры (рис. 1): диаметр винтовой линии d1 - внутренний диаметр винтовой поверхности; наружный диаметр венчика d2 - наружный диаметр винтовой поверхности; шаг винтовой линии h либо угол подъема винтовой линии ф. Кроме того, задается угол наклона плоскости выступа А, угол окончания винтовой линии F, величина начального отступа перед врезанием l1 и величина необходимого перебега l2, диаметр фрезы Лфр.
Для повышения точности в начале обработки следует позиционировать фрезу по касательной к винтовой линии с учетом величины отступа фрезы при врезании l1. При окончании обработки учитывается величина необходимого перебега l2, а также конфигурация начального выступа.
Схема позиционирования фрезы относительно заготовки с учетом отступа перед врезанием приведена на рис. 2, а.
Наличие величины отступа перед врезанием приводит к изменению положения начальной точки обработки, которое учитывается путем смещения фрезы сначала вдоль оси заготовки на величину Ay, затем в направлении, перпендикулярном оси заготовки на величину Ах, а также путем дополнительного поворота заготовки в направлении, противоположном направлению винтовой линии на угол а1.
Л 7 • ^ФР
Ay = li • sin ф + 2 'cos ^,
Л ^фр
Ах = —— • sin т,
2
li • cos (р- 360
а1 ~-------------1-,
п • di
Целью расчета параметров позиционирования при окончании обработки является определение запаса хода фрезы до начального выступа с учетом заданного перебега и определение полного угла поворота заготовки от начала обработки.
Рассмотрим положение фрезы в конце обработки с учетом смещения фрезы при врезании и позиционировании (рис. 2, б).
Согласно рис. 2, б, центр фрезы располагается выше точки оконча-
л ' ^ФР
ния винтовои линии на Ay = ^ • cos ф и смещен перпендикулярно оси
Л ' ^фр
заготовки на Ах = —— • sin ф.
2
Для определения запаса хода фрезы по окончании обработки следует учесть величины а2 - угол дополнительного поворота заготовки для обеспечения перебега, угол F - угол окончания винтовой линии по чертежу, а кроме того - величину ZABE (рис. 3, а).
а
б
Рис. 2. Расчетные схемы (учет врезания и перебега): а - схема положения фрезы перед началом обработки; б - схема положения фрезы е конце обработки (определение положения фрезы)
Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 3
Угол поворота заготовки для учета перебега а2 определяется по формуле:
l2 • cos (р- 360 .
«2 = ------------sin (p.
п • di
Запас хода фрезы составит 360° - ZABE - а2 - F°. Если запас хода отрицательный, то происходит «зарезание» начального выступа. Полный угол поворота а0§щ складывается из угла поворота по чертежу, угла поворота при врезании и угла поворота при перебеге:
^общ = ^1 + F + ^2
Схема, отражающая поворот заготовки для обеспечения перебега и величину запаса хода, представлена на рис. 3, б.
Основными элементами, подлежащими разработке являются: модуль расчета требуемых параметров позиционирования, интерфейс ввода исходных данных, интерфейс вывода информации о рассчитанной схеме.
Обобщенная схема работы программного модуля следующая: на вход программного модуля пользователь подает исходные данные, производится проверка корректности, вычисление требуемых параметров, формируется массив данных для расчета, которые передаются следующему модулю. Результаты сохраняются в файл и используются для построения схемы позиционирования.
Модуль графического вывода реализует процедуры построения схемы позиционирования инструмента и заготовки в пространстве в соответствии с исходными данными и результатами расчета.
На основании приведенных выше положений было разработано приложение, которой позволяет автоматизировать расчет параметров схемы взаимного позиционирования фрезы и заготовки при обработке винтового паза. Разработан интерфейс ввода исходных данных (в качестве средства разработки использовалась среда программирования Delphi 6.0), а также интерфейсы вывода результатов расчета: в текстовый файл и интерфейс графического вывода, реализованный с помощью KOMHAC-3D. Средствами последнего осуществляется построение схемы позиционирования по рассчитанным параметрам.
Ниже приведена распечатка файла с вариантом результатов расчета схемы позиционирования.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: Меньший диаметр di, мм = 40, больший диаметр d2, мм = 50.
Шаг винтовой линии h, мм = 5, угол подъема винтовой линии Fi, градусов = 2.279, диаметр фрезы ^фр, мм = 6, отступ перед врезанием li, мм = i.5, необходимый перебег l2, мм = i.5, угол поворота по чертежу F, градусов = 340, число витков = i.
Угол наклона плоскости выступа А, градусов = 50.
в
о\
о
а
б
Рис. 3. Расчетные схемы (по окончании обработки): а - схема положения фрезы е конце обработки; б -схема положения фрезы е конце обработки (дополнительный угол поворота при перебеге и запас хода)
Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 3
Результаты расчета: в начальный момент фреза должна быть отодвинута относительно начальной точки вдоль оси вращения заготовки на 3,0573 мм в направлении, противоположном направлению винтовой линии и на 0,1193 мм вдоль оси, перпендикулярной оси вращения заготовки, в направлении, совпадающем с направлением винтовой линии, а также заготовка должна быть повернута вокруг своей оси на угол 4.2938 градусов в направлении, противоположном направлению винтовой линии. Для фрезерования винтовой линии с заданными параметрами полный угол поворота должен составить 348.58760. Запас хода при этом составит 7.6504°.
Кроме того, при необходимости на основании результатов расчета и исходных данных генерируется схема взаимного позиционирования инструмента и заготовки.
На графической схеме выводятся схематичное изображение венчика с нанесенной на нем винтовой линией в соответствии с исходными данными, схема позиционирования фрезы в начале обработки с учетом величины врезания и схема позиционирования при окончании обработки с учетом перебега, которая отображает рассчитанные ранее параметры: запас хода, дополнительный угол поворота заготовки для обеспечения перебега.
Все схемы снабжены пояснениями в текстовой форме с расшифровкой приведенных параметров и обобщениями рассчитанных величин.
Заключение. На основании проведенных исследований были выявлены различные стратегии расширения функциональных возможностей CAM-систем и успешно решена задача автоматизации расчета точного позиционирования заготовок при пятикоординатной обработке. Разработанное приложение внедрено в производственную практику крупного предприятия оборонной отрасли.
Список литературы
1. CAM Software Market Leaders Named by CIMdata. URL: http://www.cim data.com/news_events/press_release.html?press_release_ID=3
2. Будущее машиностроения России /Сборник трудов Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. / МГТУ
им. Н. Э. Баумана. 2008. С. 48
3. ЛиберманЯ. Л., Черноголова С. А. Повышение точности систем ЧПУ / СТИН, № 1, 2008. С. 6-9
4. Ловыгин А. А., Васильев А. В., Кривцов С. Ю. Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM-система. М.: «Эльф ИПР», 2006. 286 с.
O. Yepifanova, D. Troitsky
PRODUCTION PLANNING AUTOMA TION FOR NC-PRODUCED PARTS
The paper considers NC production planning strategies using CAM-systems. CAM-systems functionality expansion with add-on modules is proposed. An example of such module is given
Key words: CAM system, production planning, NC manufacturing equipment
Получено 23.11.10
