CC BY
27РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ГЕНЕРАЦИИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ ВИНТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ШНЕКА ДЛЯ СТАНКА С ЧПУ
С. И. Петрушин, И. И. Оголь, А. В. Мухолзоев Томский политехнический университет, 634050, Томск, Россия
УДК 621.9.042
Описан способ построения траекторий движения инструмента и генерации программы для обработки винтовой поверхности шнека на четырехкоординатном станке с ЧПУ. Представлена реализация предложенных подходов в виде прикладной библиотеки для САПР KOMPAS 3D. Ключевые слова: шнек, ЧПУ, управляющая программа, САПР, обработка. Paper describes a method for creating tool paths and NC program generation to handle screw surface machining using 4-axis CNC milling machine. Implementation of the proposed approach is presented as an KOMPAS 3D CAD application library.
Key words: screw, CNC, NC program, CAD, CAM.
Введение. Обычно при изготовлении шнеков различного назначения c винтовой канавкой сложного профиля для получения канавки используется фасонная фреза. Однако при мелкосерийном производстве такой подход представляется нецелесообразным вследствие высоких затрат на разработку и изготовление специализированного инструмента.
В данном случае можно использовать обработку канавки на станке с ЧПУ с помощью типового набора инструментов [1]. При реализации этой обработки возникает необходимость составления управляющей программы для станка с ЧПУ.
При разработке программы для обработки винтовой канавки шнека машины для грануляции полимеров (рис. 1) использование типовых ходов дало неудовлетворительные результаты. Управляющие программы (УП), созданные с помощью типовых стратегий для ротационной обработки в CAM-системах (computer aided manufacturing), являются неоптимальными. Они содержат большое количество холостых ходов и "лишних" перемещений, кроме того, структура программ не приспособлена к дальнейшему редактированию непосредственно на станке, так как винтовые ходы канавки подвергаются интерполяции и разбиваются на короткие участки. При изготовлении даже небольших партий указанные выше недостатки приводят к значительному увеличению общего времени обработки. Кроме того, не обеспечивается равномерность толщины фрезеруемого слоя в течение одного винтового хода, что вызывает ухудшение качества поверхности и снижение производительности [2].
Создание УП путем "ручного" программирования нерационально, так как требует большого объема математических вычислений и геометрических построений.
Рис. 1. Эскиз (а) и трехмерная модель (б) шнека для переработки пластмасс
Целью работы являются разработка и реализация алгоритма формирования УП обработки винтовой поверхности шнека для станка с ЧПУ по заданному сечению, профилю канавки, числу заходов и ходу винта.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка алгоритма выбора оптимального инструмента для черновой и чистовой обработки.
2. Разработка алгоритма расчета траекторий движения инструмента при черновой и чистовой обработке.
3. Реализация разработанных алгоритмов, обеспечивающая взаимодействие с системами САПР, применяемыми в машиностроении.
1. Алгоритмы построения траекторий движения и выбора инструмента. Обработка винтовой поверхности шнека осуществляется на четырехкоординатном фрезерном станке следующим образом:
1. Фреза позиционируется в плоскости Х2 (далее профиль винтовой канавки определяется сечением плоскости Х2) станка в координатах, смещенных за пределы заготовки. Данное смешение необходимо для обеспечения плавного врезания фрезы.
2. Совершается вращение поворотной осью А, согласованное с перемещением фрезы. При этом происходит удаление материала заготовки и формирование поверхности шнека. Поворот оси осуществляется с перебегом для обеспечения выхода инструмента из зоны резания.
3. Инструмент перемещается в точку профиля на противоположной стенке канавки, и совершается обратный поворот.
Путем линейных преобразований можно получить программу для четырехкоординатного станка с любой другой схемой расположения осей.
Процесс обработки включает два этапа: 1) черновая, в результате которой удаляются основные объемы материала; 2) чистовая, в результате которой окончательно формируются необходимые форма и качество поверхности.
1.1. Черновая обработка. При расчете траектории движения чернового инструмента необходимо дополнительно задать максимально допустимую высоту неровности профиля и припуск на чистовую обработку (рис. 2). Неровность возникает вследствие использования при черновой обработке концевых фрез, имеющих прямоугольный профиль сечения. Необходимо контроли-
2
Рис. 2. Схема расположения припуска (1) и максимально допустимых неровностей профиля (2)
ровать высоту неровностей, так как при чистовой обработке они могут приводить к увеличению возникающих в процессе обработки вибраций, которые окажут негативное влияние на качество поверхности и стойкость инструмента.
Для нахождения опорных точек положения фрезы при черновой обработке предлагается использовать следующий алгоритм (рис. 3):
1. В качестве текущей точки принимается начальная точка профиля.
2. Из текущей точки строится вертикальная прямая, отстоящая от профиля канавки на заданную высоту неровности Н в направлении оси ^
3. В точке пересечения вертикальной прямой и линии профиля (точка А) строится горизонтальная прямая.
4. В точке пересечения горизонтального отрезка и профиля (точка В) строится вторая вертикальная прямая.
5. Точки А и В сохраняются в массиве опорных точек.
6. В качестве текущей точки выбирается точка А. Пункты 2-5 повторяются до завершения построения контура.
7. По наименьшему расстоянию между последними опорными точками определяется максимально допустимый диаметр фрезы ^тах.
1 _
\
/
2
Рис. 3. Схема построения опорных точек положения фрезы при черновой обработке: 1 - высота неровностей профиля; 2 - фреза
8. Из списка доступных инструментов выбирается фреза с наибольшим диаметром, не превышающим ^шах. Выбранная фреза устанавливается в качестве используемой для обработки. Обозначим ее радиус ^инстр.
9. На основе опорных точек путем смещения координат У нечетных точек на положительное значение ^инстр, четных точек - на отрицательное значение вычисляется массив координат положений инструмента.
10. Если расстояние между точками А и В больше 4^инстр, возникает необходимость в дополнительных рабочих ходах. Координаты этих ходов рассчитываются следующим образом.
Пусть В - массив координат положений инструмента,
В1 = А, Вп = В, п = |_(Вп -В,) / Динстр] ,
В2 = В1 + (Вп - В1 - 2^инстр) / п,..., Вп-1 = Вп-2 + (Вп - В1 - 2Яинстр) / П.
11. На основе координат формируется УП с использованием шаблона, включающего шапку программы и команды завершения. Тело программы создается путем дополнения команд перемещения инструмента в вычисленные координаты командами поворота оси А.
1.2. Чистовая обработка. Для чистовой обработки профиля используются радиусные фрезы, так как они позволяют обработать поверхность с меньшей высотой неровностей за меньшее число ходов. При чистовой обработке также возникает неровность профиля, обусловленная формой инструмента. Высота неровности может контролироваться, однако ее уменьшение приводит к увеличению числа ходов фрезы вдоль профиля и, следовательно, к увеличению времени обработки. Обозначим максимально допустимую высоту неровности профиля через к .
При определении используемого для обработки инструмента требуется найти фрезу с максимальным диаметром, способным обработать заданный профиль с указанной точностью без образования зарезов.
Для нахождения диаметра инструмента предлагается использовать следующий алгоритм:
1. Строится эквидистанта на расстоянии к (рис. 4,а).
2. Строятся эквидистанты соответствующие радиусам доступных фрез (рис. 4,б).
3. В точках перегибов контура строятся окружности с радиусами, равными радиусам доступных фрез (рис. 4,в).
4. По пересечениям эквидистанты максимально допустимой неровности профиля и окружностей выбираются радиусы фрез, подходящие для обработки данной канавки. При этом используется следующий критерий: окружность и эквидистанта максимально допустимой неровности профиля не должны пересекаться более двух раз, в противном случае это указывает на возникновение недореза при использовании инструмента с данным диаметром (рис. 4,д).
5. Среди возможных фрез, подобранных в п. 4, определяется фреза с наибольшим радиусом, которая принимается как используемая для обработки.
Для формирования УП чистовой обработки профиля винтовой канавки предлагается следующий алгоритм:
1. В качестве текущей точки принимается начальная точка эквидистанты к обрабатываемому профилю (обозначим этот контур $) на расстоянии, равном ^инстр (рис. 4,г).
а - кривая допустимой погрешности профиля; б, в - эквидистанты, соответствующие доступным фрезам; г - схема определения начальной точки профиля; д - схема определения максимального диаметра фрезы; е, ж - схемы нахождения следующей точки профиля
2. Текущая точка заносится в массив опорных точек. В текущей точке строится окружность радиусом Яинстр (см. рис. 4,г).
3. В точке пересечения окружности, построенной в п. 2, с эквидистантой профиля на расстоянии Н формируется вспомогательная окружность радиусом ^инстр (рис. 4,е).
Рис. 5. Фрагмент сформированной управляющей программы для шнека и траектории движения инструмента (а) и результат симуляции обработки на станке Haas VF3 (б)
4. Точка пересечения вспомогательной окружности и кривой d является новой текущей точкой (рис. 4,.ж).
5. Пункты 2-4 повторяются до завершения построения контура d.
6. На основе координат опорных точек формируется УП аналогично формированию УП для черновой обработки.
2. Реализация и пример использования. При реализации предложенных алгоритмов создана прикладная библиотека для системы трехмерного моделирования и черчения KOMPAS 3D (компании АСКОН). Библиотека создавалась в среде программирования Borland Delphi на языке Object Pascal c использованием функций API KOMPAS 3D.
Данный подход имеет большое количество преимуществ:
- отсутствует необходимость в импорте графической информации;
- используются функции геометрических построений системы KOMPAS;
- используется язык программирования высокого уровня для реализации алгоритма;
- используется графическая среда, привычная для пользователя-технолога.
На рис. 5 показаны фрагмент сформированной управляющей программы для шнека и траектории движения инструмента и результат симуляции обработки на станке Haas VF3. Выполненные измерения показывают правильность сгенерированной УП.
Список литературы
1. МАЛЬЦЕВ А. М., АВВАКУМОВ А. А. Обработка шнеков на токарных станках с ЧПУ // САПР и графика. 2012. № 7. С. 39-41.
2. ДОМНИН П. В. Разработка процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей инструментов на основе применения стандартных концевых и торцевых фрез: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ "СТАНКИН", 2012.
Петрушин Сергей Иванович - д-р техн. наук, проф. Томского политехнического университета; тел.: (382-2)41-96-25; e-mail: [email protected];
Оголъ Илъя Игоревич - ассист. Томского политехнического университета; тел. (382-2) 41-96-25; e-mail: [email protected];
Мухолзоев Андрей Владимирович - магистрант Томского политехнического университета
Дата поступления - 11.10.12 г.
