CC BY
20МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 67.02
РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ТОКАРНОЙ ГРУППЫ
Перминов Александр Павлович,
НПО Энергомаш им. Академика В.П. Глушко,
ведущий инженер-технолог [email protected]
Ковалев Сергей Валерьевич,
НПО Энергомаш им. Академика В.П. Глушко, инженер-технолог второй категории
Аннотация
В статье рассмотрены теоретические аспекты процесса разработки управляющих программ для станков с числовым программным управлением токарной группы. Для более детального анализа авторами были выбраны и рассмотрены конкретные производственные процессы и применяемые в них параметры управляющей программы на языке SINUMERIK-840D: программирование режимов резания, программирование траекторий инструментов, коррекция радиуса рабочей вершины резца, обработка деталей по замкнутому контуру и нарезание цилиндрической резьбы. Приведены аргументы в пользу актуальности, практической значимости и необходимости проведения дальнейших научных изысканий по проблеме.
Ключевые слова: станки с ЧПУ, управляющая программа, числовое программное управление, SINUMERIK-840D, программирование режимов резания, программирование траекторий инструментов, коррекция радиуса рабочей вершины резца, обработка деталей по замкнутому контуру, нарезание цилиндрической резьбы.
DEVELOPMENT OF CONTROL PROGRAMS FOR MACHINES WITH NUMERICAL PROGRAM CONTROL OF THE TURNING GROUP
Perminov Alexander Pavlovich,
Scientific Production Association Energomash named after Academician V.P. Glushko,
leading process engineer [email protected]
Kovalev Sergey Valerievich,
Scientific Production Association Energomash named after Academician V.P. Glushko,
technologist of the second category
Abstract
The article deals with the theoretical aspects of the process of developing control programs for machine tools with numerical control of the turning group. For a more detailed analysis, the authors selected and considered specific production processes and the parameters of the control program used in them in the SINUMERIK-840D language: programming of cutting conditions, programming of tool paths, correction of the radius of the working tip of the cutter, machining of parts along a closed contour and cutting of cylindrical threads. Arguments are given in favor of the relevance, practical significance and the need for further scientific research on the problem.
Keywords: CNC machines, control program, numerical control, SINUMERIK-840D, programming of cutting conditions, programming of tool paths, tool tip radius correction, closed contour machining, cylindrical threading.
Одной из ключевых особенностей современного этапа развития машиностроения является активное распространение и применение в повседневной деятельности многофункциональных станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Такой тип управления станком подразумевает обработку заготовку на станке по управляющей программе, в которой данные заданы в особой цифровой форме. Внедрение указанного инновационного
оборудования в производственный процесс позволяет в значительной мере интенсифицировать производство и заметно повысить уровень качества изготавливаемых деталей. Следовательно, современные качественные научные изыскания по данной проблеме, которые затрагивают теоретические аспекты различных нюансов применения станков с числовым программным управлением, являются актуальными и практически значимыми.
Различными аспектами применения станков токарной группы с числовым программным управлением в разное время интересовались такие отечественные ученые, как Шинкин С.В., Каштальян И.А., Русинов В.Л., Усенко В.И., Берлинер Э.М., Дибиров С.Ю., Ерохин В.В., Кодаков А.И., Фесенко М.А. и другие. Однако авторами данного исследования был выявлен пробел в теоретической базе по узкой теме особенностей разработки управляющих программ для станков с числовым программным управлением. В связи с этим данная проблема и была выбрана в качестве объекта исследования.
Под управляющей программой станка с числовым программным управлением принято понимать комплекс команд (совокупность геометрической и технологической информации) на языке программирования, которые соответствуют заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной заготовки [3, с. 8].
Практически каждый элемент управляющей программы обработки деталей на станках с числовым программным управлением токарной группы соответствует элементу программы, которая разработана для станков типа обрабатывающий центр (ОЦ). Для проведения более качественного исследования авторами была выбрана и рассмотрена конкретная, одна из самых популярных систем ЧПУ - SINUMERIK-840D (рис.1), которая применяется для выполнения любых по сложности задач в области токарной обработки, сверления, фрезерования, шлифования, обработки стекла и древесины, порезки, перфорации, изготовления инструмента и так далее [4, с. 90].
Рис.1. Цифровая система числового программного управления SINUMERIK-840D
Система SINUMERIK-840D во многом схожа с языком программирования станков FANUC. Так, обе системы имеют идентичные функции, кодирующие перемещения инструментов и
вспомогательные функции (М0...М5, М8, М9, М30). Однако в некоторых аспектах языки различаются - в SINUMERIK-840D несколько иначе организованы командные кадры, осуществляющие запуск управляющей программы, кодирование системы отсчета, вызов подпрограмм, вызов и отвод инструментов и так далее. Ключевые команды и их назначение представлены в таблице 1.
Для более детального рассмотрения особенностей разработки управляющих программ для станков с числовым программным управлением авторами были выбраны и проанализированы пять основных производственных процессов: программирование режимов резания, программирование траекторий инструментов, коррекция радиуса рабочей вершины резца, обработка деталей по замкнутому контуру и нарезание цилиндрической резьбы [1, с. 82].
Таблица 1. Ключевые команды языка SINUMERIK-840D и их назначение
Команда Назначение
GXZ73 Перемещение револьверной головки к точке смены инструментов по координатным осям X, Z
GXYZ73 Перемещение револьверной головки к точке смены инструментов по координатным осям X, Y, Z
G59 Z=ZMW_i Вызов 1-ой системы координат детали, где 1=1^6
G40 Отмена коррекции диаметра инструмента
G41 Ввод коррекции радиуса режущей кромки - контур справа от инструмента
G42 Ввод коррекции радиуса режущей кромки - контур слева от инструмента
G63 Нарезание резьбы в центральном отверстии метчиком
G92 Предельная частота вращения шпинделя (об/мин)
G94 Подача резца задается в мм/мин
G95 Подача резца задается в мм/об
G96 Обработка деталей при постоянной скорости резания (подача резца задается в мм/об по умолчанию)
G97 Обработка деталей при постоянной частоте вращения шпинделя, задается в об/мин
L100 Старт управляющей программы
START_:
L140 Задание углового положения патрона при фрезерной обработке
L235 Токарная обработка
L237 Фрезерная обработка
CYCLE95 Типовой цикл обработки детали по замкнутому контуру
CYCLE97 Типовой цикл нарезания резьбы токарным резцом
SETMS (1) Переадресовка команд М3 и М5 (запуск и останов шпинделя) на приводы инструментов
SETMS (4) Переадресовка команд М3 и М5 на привод шпинделя
М12 Угловая фиксация шпинделя
М13 Снятие угловой фиксации шпинделя
CR= Величина радиуса дуги циркуляции
ANG= Угловое положение отрезка перемещения к направлению Z+
RND= Величина радиуса притупления острой кромки
CHR= Величина симметричной фаски притупления острой кромки
D Ячейка корректоров вылетов режущей кромки Wx и Wz в таблице параметров инструментов для Т;)
С Угловое смещение патрона при фрезерной обработке
Р Число вызовов подпрограмм
, . . . Информация для оператора
Программирование режимов резания.
Таблица 2. Описание параметров токарной обработки, вносимых в управляющую программу, и соответствующие им подготовительные функции
Параметр обработки Описание
G94 Задает подачу инструмента Р в мм/мин; постоянная частота вращения шпинделя задается символом Б, об/мин. Метод характерен для фрезерной обработки (в ОЦ он обычно применяется по умолчанию). При программировании токарных операций метод применяется, в частности, при сверлении в детали центральных отверстий
G95 Задает подачу резца Р в мм/об; постоянная частота вращения шпинделя задается символом Б (об/мин). В этом случае скорость резания является переменной на различных диаметрах обрабатываемой поверхности и на отдельных участках может отличаться от расчетной. Метод, хотя и не является оптимальным, может применяться в некоторых случаях токарной обработки на станках с ЧПУ, в частности, при выполнении деталей, не обладающих достаточной жесткостью и динамической устойчивостью
G96 Задает постоянную скорость резания; подача резца Р, мм/об задается по умолчанию. Отметим, что, хотя в расчетных формулах скорость резания обозначается символом V, в УП, совместно с функцией, она обозначается Б. Например, командный кадр G96_S120 задает скорость резания 120 м/мин. Такой метод задания режимов резания наиболее эффективен и применяется в большинстве случаев токарной обработки на станках с ЧПУ
G92 При токарной обработке с постоянной скоростью резания (по функции G96) частота вращения шпинделя увеличивается при движении резца от периферии к центру. Это требует ввода в систему ЧПУ станка допол-нительногопараметра-предельнойчастотывращенияшпинделяБтах, об/мин. Она устанавливается функцией G92, например: G92_S2000
G97 Задает обработку деталей при постоянной частоте вращения шпинделя Б, об/мин. Метод применяется, в частности, при выполнении резьб. Отметим, что любая из функций G94, G95 или G97 отменяет обработку с постоянной скоростью резания по функции G96
Специфические методы кодирования скорости резания и подачи обрабатывающего инструмента - одна из ключевых особенностей программирования токарных операций на станках с числовым программным управлением токарной группы. Основные параметры расчета - скорость резания V (скорость перемещения обрабатываемой поверхности относительно рабочей вершины инструмента), а также подача инструмента вглубь заготовки Р [6, с. 113].
Скоростью резания для токарной обработки принято считать окружную скорость в текущей точке соприкосновения детали с рабочей вершиной резца. Данная величина рассчитывается по формуле:
У= ^п/1000 (м/мин),
где D - диаметр резания, мм; п - частота вращения, об/мин.
Как правило, при токарной обработке деталей рабочая вершина резца может смещаться с одного вращающегося диаметра обрабатываемого контура на другой, следовательно, скорость резания является переменной величиной, а частота вращения (п) - постоянной1. Для поддержания оптимального режима резания по всему контуру токарной обработки в станках с числовым программным управлением предусмотрен специальный механизм обеспечения заданной постоянной скорости резания V [4, с. 90]. Параметры обработки, как правило, вносятся в управляющую программу непосредственно после вызова очередного инструмента. Описания этих параметров и соответствующих им подготовительных функций представлены в таблице 2.
Программирование траекторий инструментов.
Кадр на прямолинейное перемещение включает в себя функции, задающие вид перемещения, координаты точки-адреса, а также подачу инструмента Р (для G1), например, G1_U20_W-5_F... Функция G2 задает циркуляционные перемещения резцов по часовой стрелке, функция G3 - циркуляционные перемещения резцов против часовой стрелки. При этом обязательно условие о том, что угловая величина дуги должна быть строго меньше 90о. Радиус
дуги циркуляции в языке SINUMERIK-840D кодируется символом CR=... Система числового программного управления большинства современных станков токарной группы настроена таким образом, что направление циркуляции ^2 или G3) в плоскости Х^ определяются с положительного направления координатной оси Y [2, с. 48]. Примеры кодирования циркуляции и сравнение двух языков программирования для данной операции приведены на рис.2.
1 Для сравнения, в большинстве случаев фрезерной обработки скорость резания является постоянной при вращении инструмента с заданной частотой.
G3 GJ
J Л- •
ш xi
6)
£
jff
в)
г*
IASVC SIN UMERIK
G2 Л50 Z-40 RIO G2 Л'50 Z-40 CR = 10
6) G3 X40 ZrlO RIO GS X4Ö Z-iO CR—10
e) GS XSO Z-SO RIO GS XSO Z-SO CR = 10
Рис.2. Кодирование циркуляционных перемещений в языках FANUK
Помимо этого, следует отметить, что расположение (ориентация) рабочей вершины резца в плане обработки Х^ кодируется буквой А с численными значениями 1...9. Канавочные резцы, в отличие от остальных типов резцов, имеют две рабочие вершины. Система числового программного управления станка воспринимает эти вершины как два раздельных инструмента. Каждая из вершин имеет свое значение ориентации в плане обработки А, а также свои значения вылетов ТО' . и ТО'
XI Zl
по отношению к базовой точке станка F..
1
Язык SINUMERIK-840D позволяет активизировать параметры любой из вершин резца непосредственно в процессе движения по управляющей программе. Активизация параметров вершины резца осуществляется добавлением в командный кадр управляющей программы, задающий перемещение инструмента, обозначения заданной ячейки таблицы параметров
инструментов Б.. В момент активизации параметров вершины резца происходит смещение на нее программной точки Р1.
Рассмотрим практический пример. На рисунке 3 продемонстрировано применение канавочного резца и его параметры. Канавка шириной 10 мм выполняется резцом шириной 5 мм. Сначала резец осуществляет врезание в тело заготовки с обеспечением припуска на чистовую обработку [1, с. 87]. Чистовая обработка производится в два этапа: обработка правой стороны канавки и далее обработка всего контура канавки слева направо.
Параметрическая ячейка D124 включается в момент приближения правой вершины резца, код расположения которой А=4, к правой стенке канавки; ячейка D104 включается в момент приближения левой вершины резца, код расположения которой А=3, к левой стенке канавки.
Рис.3. Пример применения канавочногорезца и его параметры
Параметрическая ячейка D124 включается в момент приближения правой вершины резца, код расположения которой А=4, к правой стенке канавки; ячейка D104 включается в момент приближения левой вершины резца, код расположения которой А=3, к левой стенке канавки.
Коррекция радиуса рабочей вершины резца.
Как известно, рабочая вершина токарного резца Р. является его программной точкой. Однако реальная рабочая вершина резца не может быть абсолютно острой; она может быть выполнена с некоторым радиусом скругления. При движении резца параллельно осям X и Z обработка детали осуществляется точками на рабочей вершине, координаты которых определены значениями W'Xi и W'Z¡. Однако при обработке поверхностей, расположенных под некоторыми углами к осям X и Z, резец осуществляет касание контура некоторой плавающей точкой, лежащей на скруглении его рабочей вершины. Таким образом, возникает погрешность между теоретической траекторией и реальным контуром обработки [5, с. 94]
С целью устранения геометрических погрешностей при обработке контурных поверхностей в систему числового программного управления станка вводится поправка, переносящая программную точку Р. непосредственно на скругленную поверхность вершины резца. Эта поправка называется корректором радиуса рабочей вершины резца или (сокращенно) корректором радиуса. Корректировка делает точку Р. «плавающей», перемещающейся вдоль радиуса рабочей вершины резца. Эта точка располагается непосредственно напротив контура обработки (в плане Х^) в каждый текущий момент времени. Величина радиуса скру-гления обозначается RS и вносится в таблицу параметров инструментов [2, с. 50].
Корректор радиуса обычно вводится в действие командой управляющей программы в момент подвода резца к контуру обработки. Для этого применяются функции:
• G41, когда контур обработки расположен справа от резца;
• G42, когда контур обработки расположен слева от резца.
Отключение корректора радиуса производится функцией G40 в момент отвода инструмента от контура обработки.
На рис.4 приведеныварианты кодирования коррекции радиуса рабочей вершины резца.
\ С42 С41
* и
И
Рис.4. Варианты кодирования коррекции радиуса рабочей вершины резца
Обработка деталей по замкнутому контуру.
Как правило, в качестве заготовок для подавляющего числа деталей, которые изготавливаются настанкахтокарной группы, используются прутки с заданным диаметром. В языке SINUMERIK-840D типовые циклы обработки детали по замкнутому контуру обозначаются CYCLE95. Параметры обработки вносятся в CYCLE95 в виде группы обезличенных цифр.
Ввод параметров обработки в систему числового программного управления станка осуществляется с применением
отдельной таблицы параметров цикла, которая вызывается на экран стойки ЧПУ виртуальной клавишей «Перетранслировать». Таблица помещена на экране дисплея станка совместно с графическим отображением цикла. Графические отображения циклов различаются между собой в зависимости от вида обработки (наружная или внутренняя, продольная или поперечная, черновая или чистовая). Отображения дают зрительное восприятие вида и параметров обработки [6, с. 113].
Нарезание цилиндрической резьбы.
При нарезании резьбы на станках токарной группы рабочая подача Р и частота вращения шпинделя п жестко связаны между собой: их отношение (Р/п) соответствует шагу резьбы.
Применяются два метода выполнения резьбы:
• нарезание метчиком, применяемое при обработке центральных отверстий небольшого диаметра; отметим, что метчик следует крепить в специальном патроне с компенсатором смещений;
• нарезание токарным резцом, применяемое при обработке центральных отверстий большого диаметра и наружных поверхностей.
В рассматриваемых станках для обеспечения возможности нарезания резьбы метчиком предусмотрено специальное кодирование перемещений инструмен-
та по функции 063. Эта функция позволяет программировать вход метчика в отверстие; синхронный останов подачи и вращения в точке-адресе; дальнейшее включение реверса и выход метчика из отверстия [3, с, 10].
Нарезание резьбы токарным резцом на языке SINUMERIK-840D кодируется по типовому циклу CYCLE97. Параметры обработки вносятся в систему числового программного управления в виде группы обезличенных цифр так же, как и в CYCLE95. Ввод параметров обработки осуществляется с применением таблицы параметров цикла, которая вызывается на экран стойки ЧПУ виртуальной клавишей «Перетранслировать». Таблица помещается на экран дисплея станка совместно с графическим отображением цикла. Графическое отображение дает зрительное восприятие характера и параметров обработки (рис.5).
Рис.5. Нарезание резьбы резцом на станке с числовым программным числовым
управлением токарной группы
Рассмотрев пять основных производственных процессов и особенности разработки управляющих программ для каждого из них, можно сделать вывод о том, что применение числового программного управления, с одной стороны, является технически сложным и многогранным процессом. Однако данная модификация стандартных станков позволяет автоматически и максимально точно управлять движением рабочих органов станка, что влечет за собой повышение эффективности производства и улучшения качества изготавливаемых деталей.
Проведенное исследование особенностей процесса разработки управляющих программ для станков с числовым программным управлением не является исчерпывающим и охватывает лишь малую часть нюансов и теоретических аспектов. В связи с высокой степенью актуальности и практической значимостью рассмотренной авторами проблемы представляется необходимым проведение дальнейших качественных научных изысканий в этом направлении.
Список использованных источников:
1. Ерохин В.В. Реализация геометрической задачи в станках с ЧПУ // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2017. № 2. С. 80-90.
2. Измайлов А.В. Разработка методики создания управляющей программы для станка с ЧПУ // Science Time. 2018. № 5 (53). С. 46-53.
3. Ковалев С.В., Перминов А.П. Практические аспекты подготовки операций на станках с числовым программным управлением токарной группы // National Science. 2022. № 2. С. 7-12.
4. Кондаков А.И., Фесенко М.А. Оценка производительности многоцелевых станков с ЧПУ // Известия вузов. Машиностроение. 2015. № 10 (667). С. 87-95.
5. Михалев О.Н., Янюшкин А.С., Ереско В.С. Проектирование интеллектуальной обработки на станках с ЧПУ // Решетневские чтения. 2018. Том 2. С. 90-101.
6. Цугленок М.Н., Герман А.С., Ворожейкин В.В. Дополнительная проверка управляющей программы для станков ЧПУ // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2019. С. 111-115.
© Перминов А.П., Ковалев С.В., 2022
