CC BY
50УДК 621.91
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ С ЧПУ
О. Н. Михалев1 , А. С. Янюшкин1 , В. С. Ереско2
1Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова Российская Федерация, 428015, г. Чебоксары, просп. Московский, 15 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: Mih_tm@mail.ru
При проектировании обработки в CAM-системе отсутствует связь траектории инструмента с характеристиками станка, инструментов и заготовки, это делает проектирование некачественным, что недопустимо в ракетно-космической отрасли.
Ключевые слова: интеллектуальная обработка, CAD/CAM-система, управляющая программа, проектирование обработки, обработка на станках с ЧПУ.
DESIGN OF INTELLIGENT PROCESSING ON CNC MACHINES
O. N. Mikhalev1*, A. S. Yanyushkin1*, V. S. Eresko2
:The Chuvash State University named after I. N. Ulyanov 15, Moskovsky Av., Cheboksary, 428015, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Mih_tm@mail.ru
When designing the machining in the CAM system, there is no connection of the tool path with the characteristics of the machine, tools and workpiece, this makes the processing not of high quality, which is unacceptable in the rocket and space industry.
Keywords: intelligent machining, CAD/CAM-system, CNC-program, machining design, machining on CNC machines.
Введение. При разработке управляющей программы в САМ-системе наблюдается отсутствие тесной связи траектории инструмента с характеристиками станков, инструментов и обрабатываемого материала, организация подобной связи осуществляется силами программиста и полностью зависит от его знаний и опыта. Как следствие обработка получается не максимально эффективной, так как учесть все вручную довольно сложно. Поэтому требуется создание специального модуля для САМ-системы, позволяющего учитывать характеристики станка, инструмента, обрабатываемого материала и других характеристик технологической системы при генерации траектории перемещения инструмента. Одной из сложностей является создание математического обеспечения, позволяющего производить расчеты сложных кривых с учетом множества параметров обработки, обеспечивая максимальную производительность и благоприятные условия для резания в любой точке траектории.
Особое значение это имеет при обработке труднообрабатываемых материалов, таких как нержавеющие, титановые, жаропрочные и другие сплавы, широко применяемые в ракетно-космической, авиационной, автомобильной и многих других отраслях промышленности [1].
Протекающая сегодня Четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0) призвана соединить цифровые технологии и промышленность в единое целое. Сегодня цифровизация и оцифровка промышленности двигается большими темпами, происходит роботизация и автоматизация предприятий, создается единое цифровое пространство и реализовывается множество других цифровых решений. Одним из таких решений является создание интеллектуальной, адаптивной обработки на станках с ЧПУ.
Модуль проектирования интеллектуальной фрезерной обработки. Все станки с ЧПУ обладают различными техническими характеристиками, качеством, конструкцией и множеством других параметров. В виду данных различий обработка одной и той же детали на каждом станке происходит по-разному, с различными режимами, стратегиями и другими показателями обработки, которые указываются в САМ-системе на этапе проектирования обработки.
При разработке управляющих программ (УП) в САМ-системе все показатели обработки в большинстве случаев не зависят от характеристик станка, инструмента и обрабатываемого материала, а полностью устанавливаются на усмотрение технолога-программиста, что чаще всего является не оптимально. В момент обработки происходит либо перегрузка станка
и инструмента, что ведет к снижению их срока службы, либо к неиспользованию всех возможностей станка и инструмента, что в свою очередь ведет к низкой производительности. Как видно и тот и другой случай являются не оптимальными, а найти ту золотую середину, когда обработка будет происходить максимально быстро, при этом обеспечивая долгий срок службы станка и инструмента, вручную довольно сложно, практически невозможно и не рентабельно.
Таким образом, появляется необходимость создания специальных программных модулей для CAM-систем, которые будут учитывать все характеристики оборудования, инструмента и обрабатываемого материала, таким образом, обработка будет протекать в благоприятных условиях без перегрузок при этом будет достигаться максимальная производительность, необходимое качество обработки, максимальный срок службы станка, а также и максимальная стойкость инструмента, т. е. та самая золотая середина.
УП, созданная в таком модуле будет максимально соответствовать конкретному станку, инструменту, обрабатываемому материалу, а обработка по данной УП будет называться интеллектуальной.
При разработке такой УП не требуется множество проверок показателей обработки, все режимы резания модуль рассчитывает самостоятельно, учитывая нагрузку на инструменте и станке, причем делает это в считанные секунды.
Сегодня технолог-программист следит за опасными моментами в траектории и регулирует режимы обработки практически вручную, чтобы не увеличить износ или не сломать инструмент, для чего требуется много знаний и опыта. Используя модуль для интеллектуальной обработки работать в CAM-системе сможет человек с более низкой квалификацией и небольшим опытом.
Над такими модулями работают несколько компаний, такие как SolidCAM, Siemens и другие, чьи
САМ-системы уже оснащены подобными модулями, и они довольно хорошо зарекомендовали себя и указали дальнейший путь развития всех остальных САМ-систем. Наиболее известный модуль 1МасЫт^ от компании 8оШСАМ, являясь первопроходцем, реализовался уже по всему миру и имеет серьезные наработки в этом направлении (рис. 1).
Задача разработки модулей для адаптивной обработки является довольно сложной, выходит на уровень искусственного интеллекта, и реализовать ее сразу невозможно, это иногда прослеживается и в работе существующих модулей, когда в реальности станок работает на пределе, хотя работает по программе, созданной с помощью такого модуля. Либо характеристики станка не соответствуют действительности, либо обрабатываемый материал - своим характеристикам, либо расчеты модуля не верны, либо все сразу.
В данном направлении наибольший интерес представляет именно математическое обеспечение модулей интеллектуальной обработки, а характеристики станков и материалов принять заявленными ГОСТ и другими стандартами. Здесь необходимо обеспечить максимальное соответствие управляющей программы характеристикам оборудования, инструмента и материала.
Математическое обеспечение при построении траектории движения инструмента должно учитывать все рекомендации по обработки конкретного материала, конкретным инструментом и станком, т. е. обеспечивать плавные ходы инструмента, минимальные холостые перемещения, задействовать максимально возможную длину режущей кромки и множество других приемов оптимальной обработки, при этом обеспечивать одинаковую нагрузку на инструмент в любой точке траектории, при том, что геометрия деталей бывает довольно сложная. Также все это должно быть увязано с жесткостью технологической системы.
N1010 603 Х5.5896 VI.2822 1.0302 7-.3304 N1020 Х5.6103 У1.2909 1-0791 3-.2186 N1030 601 Х5.63 У1.3002 N1040 603 Х5.6996 ¥1.3423 1.2771 1-.537 N1050 Х5.8444 У1.4765 1.4712 1-.6539 N1060 Х5.9944 У1.7034 1.9203 Г)-.7716 N1070 Х6,0707 У1.8781 11,1674 1-. 6133 N1080 Х6.1577 У2.2388 11,5512 1-.5649 N1090 Хв.1618 У2,6118 11.6198 1-.2043 N1100 Х5,9955 УЗ.1582 11.4648 1.1472 N1110 Х5,9118 УЗ.2908 11.0027 1,5399 N1120 Х5.831 УЗ,3845 1,6608 1.4889 N1130 Х5.7649 УЗ.4385 1.3617 7.3749 N11.40 601 Х5.7594 У3.442 N1150 603 Х5.7343 УЗ.4559 1.1251 1.1959 N1160 Х5.6515 УЗ,4779 1.1 1.2098 N1170 Х5.5943 УЗ.4751 1,0172 1.2318 N1180 602 Х5.5459 УЗ.4684 1.1219 1-.6981
Рис. 2. Управляющая программа модуля 1МасЫш^
Рис. 3. Пример обрабатываемого точного отверстия
Для нахождения реальных показателей жесткости технологической системы станок-приспособление-инструмент-деталь модули оснащаются дополнительными возможностями для регулирования нагрузки на станок, в том числе и степень агрессивности обработки, таким образом, снижая степень агрессивности, мы снижаем нагрузку, но в тоже время увеличиваем время обработки.
Для плавности хода инструмента используются полиморфные спирали, возможно они похожи на трохоиды, однако имеют более сложную геометрию, что также скажется на сложности кода УП. Ручной расчет траектории в виде данных спиралей и написание по ним УП, как видно, потребует много сил и времени, что является не рентабельным.
Особое значение подобные модули имеют при проектировании обработки труднообрабатываемых материалов, например, титан, аустенитная нержавеющая сталь, жаропрочные сплавы, закаленные стали и многие другие. Традиционная обработка таких материалов вызывает сложности в силу множества
причин, высоких сил резания, а в том числе и неиспользования всей режущей части инструмента, что сказывается на низкой стойкости инструмента. Использование модулей для интеллектуальной обработки не только делает обработку труднообрабатываемых материалов более стабильной и производительной, но и увеличивает стойкость инструмента, что всесторонне ведет к экономической выгоде. При этом еще и происходит снижение трудоемкости проектирования обработки деталей (рис. 2, 3).
Модуль интеллектуальной обработки точных отверстий на станках с ЧПУ. Привязка оборудования, инструментов и материала требуется не только для фрезерования, но также и для обработки точных, сложных отверстий, состоящих из множества различных ступеней. Обеспечение низкой шероховатости поверхности и высокой точности обрабатываемых отверстий является одной из сложных задач механической обработки на станках с ЧПУ. Небольшие неточности в режимах резания, припусках приводят к невозможности обеспечения необходимых высоких
параметров. Все эти параметры обработки также закладываются на усмотрение технолога-программиста и порой не точно, поэтому часто окончательная отладка обработки отверстий происходит опытным путем при наладке станка.
Создание модуля для обработки точных отверстий с привязкой к оборудованию, обрабатываемому материалу, инструменту позволяет более быстро достигать нужных результатов.
Разработанный модуль самостоятельно формирует маршрут обработки отверстия по заданным параметрам точности, а также произведет подбор инструмента из базы данных. Если необходимого инструмента нет, в базе данных модуль предложит ввести инструмент необходимого диаметра. Также модуль обладает способностью сгенерировать УП для станка с ЧПУ и карту его наладки. Модуль входит в состав системы САПР ТИП ЧПУ [3]. Отличается большой гибкостью и позволяет вести ручные корректировки, если это необходимо пользователю в каких-либо нестандартных случаях (рис. 3).
Модуль обработки точных отверстий соответствует принципам модульной технологии в машиностроении, т. е. представлению чертежа и модели детали в виде стандартизированных и унифицированных конструктивных элементов [4]. Это позволило разработать математическое обеспечение для автоматизированного построения технологии обработки отверстий.
Создание подобных модулей интеллектуальной обработки позволяет значительно повысить степень автоматизации современных САБ/САМ-систем, снизить трудоемкость и сроки разработки УП [2, 5]. Проектировать качественные УП смогут специалисты более низкой квалификации и не имеющих богатого опыта работы.
Совершенствование САБ/САМ-систем является одним из ключевых направлений в области обработки на станках с ЧПУ. И модули для интеллектуального проектирования обработки являются важным составляющим данного развития.
Как и все проекты Четвертой промышленной революции, интеллектуальная обработка направлена на повышение производительности и рентабельности предприятий, а также их конкурентоспособности на мировом уровне. Интеллектуальная обработка имеет важное значение, так как напрямую влияет на производительность обработки и повышение срока службы оборудования и инструментов. Внедрение Индустрии 4.0 и в частности модулей для интеллектуальной обработки в скором времени станет главным инструментом конкурентоспособности предприятий.
Библиографические ссылки
1. Михалёв О. Н., Янюшкин А. С. Высокопроизводительная механическая обработка труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ // Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении : сб. науч. ст. Курск : Университетская книга, 2018. Вып. 3. С. 232-235.
2. Mikhalev O. N., Yanyushkin A. S. Perfection of the automated systems of machine-building manufactures // Materials, Methods & Technologies : тезисы докл. 12 Междунар. симпозиума (7-11.07.2011, Варна, Болгария). Варна, 2011. С. 76.-81.
3. Янюшкин А. С., Михалев О. Н. Система автоматизированного проектирования технологической подготовки производства на станках с ЧПУ (САПР ТПП ЧПУ v. 1.0) // Свидетельство № 2008615315 2008.
4. Базров Б. М. Модульная технология в машиностроении. М. : Машиностроение, 2001. 368 с.
5. Михалёв О. Н., Янюшкин А. С. Повышение степени автоматизации CAD/CAM-систем при проектировании обработки точных отверстий на многоцелевых станках с ЧПУ // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2008. № 5. С. 33-38.
References
1. Mikhalev O. N., Yanushkin A. S. Highperformance machining of hard-to-work materials on CNC machines // Prospects for the development of processing technologies and equipment in engineering: Sat. scientific. Art. Kursk: JSC "University Book", 2018. 3rd issue. P. 232- 235.
2. Mikhalev O. N., Yanyushkin A. S. Perfection of the automated systems of machine-building manufactures / O.N. Mikhalev, A.S. Yanyushkin // Materials, Methods & Technologies : theses dokl. 12th International Symposium. (Varna, Bulgaria on 7-11.07.2011). Varna, 2011. P. 76-81.
3. Yanushkin A. S., Mikhalev O. N. The automated design system for technological preparation of production on CNC machines (SAPR TPP CNC v. 1.0) // Certificate № 2008615315 2008.
4. Bazrov B. M. Modular technology in engineering. Moscow: Mechanical Engineering, 2001. 368 p.
5. Mikhalev O. N., Yanushkin A. S. Increasing the degree of automation of CAD / CAM-systems when designing the machining of precise holes on multi-purpose CNC machines // Herald of Computer and Information Technologies. 2008. № 5. P. 33-38.
© Михалев О. Н., Янюшкин А. С., Ереско В. С., 2018
