Разработка методов оптимизации управляющих программ для 5-ти координатных фрезерных обрабатывающих центров

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Достижения последних лет в области механической обработки деталей - комплексная автоматизация производства. Огромная роль в этом принадлежит развитию металлорежущего оборудования с числовым программным управлением. Конкурентоспособность любого современного предприятия обусловлена его производственной мощностью, и без парка станков различных групп от токарных до многоосевых, практически невозможно занять свою нишу на рынке. Всё больше на производстве универсальное оборудование вытесняется обрабатывающими центрами, поэтому на главенствующее место в процессе изготовления детали выходит технолог- программист. Если при работе на универсальном оборудовании всё зависит от квалификации рабочего стоящего за станком, то сейчас грамотно написанная управляющая программа (УП) позволяет одному наладчику обслуживать до 4 станков одновременно.

Основными задачами современного производства являются:

1. Достижение доли инновационной продукции в объеме реализации не менее 50%;

2. Обеспечение рентабельности по чистой прибыли не менее 10%;

3. Повышение производительности.

Для осуществления выше обозначенных целей есть всего 2 пути:

- Сокращение сроков;

- Снижение затрат.

Мировые тенденции станкостроения направлены на выпуск металлообрабатывающего оборудования с все более высоким уровнем автоматизации, с возможностью его быстрой переналадки на изготовление новых изделий, способного эффективно работать в составе современных гибких автоматизированных производств.

В настоящее время станки с числовым программным управлением получили широкое применение в машиностроительном производстве. Оборудование с ЧПУ позволяет обеспечить производительную обработку с высокой точностью, благодаря выполнению большого количества технологических операций и переходов за одну установку детали, на одном конкретном оборудовании. Одним из основных представителей данной группы оборудования являются станки типа многофункциональный фрезерный обрабатывающий центр.

С применением многофункциональных обрабатывающих центров, в совокупности с расширением количества технических возможностей, требования предъявляемые к квалификации специалистов, разрабатывающих управляющие программы, возрастает. На сегодняшний день трудно представить себе рабочее место технолога-программиста, которое не оснащено специальным техническим оборудованием и программным обеспечением для разработки управляющих программ. В связи с необходимостью создания эффективных программ управления станков ЧПУ, для оборудования со сложной кинематикой движения появилось потребность в пересмотре подходов к созданию и оптимизации УП.

В диссертационной работе рассмотрены методы оптимизации управляющих программ, позволяющие сократить время обработки деталей на оборудовании с ЧПУ, повысить качество изготавливаемых деталей, снизить износ инструмента и самого станка.



1. ОБЗОР ПО ЛИТЕРАТУРНЫМ ИСТОЧНИКАМ

1.1 Автоматизация фрезерной обработки

фрезерный обработка программирование станок

В наше время к продукции выпускаемой машиностроительными предприятиями предъявляют высокие требования. Данные требования касаются качества продукции, ее надежности и долговечности. Достижение данных требований в первую очередь зависит от качества обработки деталей, их сборки и совершенства конструкции изделия. Опыт в создании сложных конструкций позволяет создавать более совершенную продукцию, обеспечивая экономическую целесообразность их изготовления. Наиболее распространенным методом является механическая обработка. В рамках данного диссертационного исследования механическая обработка будет рассматриваться как обработка резанием.

1.1.1 Механическая обработка

Под механической обработкой резанием понимается процесс удаления режущим инструментом с поверхности заготовки слоя материала в виде стружки, для получения необходимой геометрии, соблюдением точности размеров, взаимного расположения поверхностей и шероховатости поверхностей детали. Механическую обработку резанием, по способу формообразования поверхности, можно классифицировать по видам механической обработки.

Точение - основной способ обработки поверхностей тел вращения. Главным движением резания является вращательное движение заготовки, а поступательное движение режущего инструмента -- движением подачи. Токарное оборудование предназначено для черновой, получистовой и чистовой обработки поверхности деталей и заготовок, нарезки резьбы различных видов (наружной и внутренней).

Сверление - вид механической обработки материалов резанием, при котором с помощью специального вращающегося режущего инструмента (сверла) получают отверстия различного диаметра и глубины, или многогранные отверстия различного сечения и глубины. Вращательное движение сверла называется главным (рабочим) движением, или движением резания. Поступательное движение вдоль оси сверла называется движением подачи.

Растачивание - это процесс механической обработки внутренних поверхностей отверстия расточными резцами в заданный размер. В большинстве случаев данный вид обработки осуществляется на токарных и расточных станках. Операция расточки может быть применена также, когда требуется обработка отверстий с непрямолинейными образующими. Главным движением является вращение инструмента. Движение подачи может совершать заготовка или инструмент.

Фрезерование - это процесс резания металлов и др. твёрдых материалов фрезой. Для фрезерования главным движением является движение непрерывное инструмента, а движением подачи поступательное движение заготовки. В частных случаях заготовка совершает круговое или винтовое движение подачи.

Шлифование - процесс обработки заготовок резанием с помощью инструментов (кругов), состоящих из абразивного материала. Обработку можно производить для заготовок различных материалов, для обработки закаленных сталей процесс шлифования один из самых распространенных способов получения чистовых поверхностей.

В данной работе рассматривается фрезерная обработка деталей, поскольку именно этот вид имеет один из наибольших объемов в производстве деталей.



1.1.2 Фрезерная обработка

Фрезерная обработка - это один из способов механической обработки. Данный способ обработки осуществляет обработку детали металлорежущим инструментом - фрезой, которая совершает вращательное движение. В процессе фрезерной обработки обрабатываемая деталь совершает поступательное движение относительно инструмента, в одном из трёх направлений: продольном, вертикальном или поперечном.

Фрезерование осуществляется режущим инструментом - фрезой. Расположение режущих зубьев может быть различным. Они могут располагаться как на торцевой поверхности, так и на цилиндрической. Любой зуб фрезы можно представить, как простейший инструмент - резец. В большинстве своем, фреза - это многозубый инструмент, в редких случаях применяют фрезы с одним зубом.

В современном производстве встречается большое разнообразие фрез.

Цилиндрические фрезы. Такой вид инструмента применяется на горизонтально-фрезерных станках при обработке различных плоскостей. Данные фрезы могут быть с прямой и винтовой геометрией зуба. Эти фрезы используются для обработки деталей имеющих ступенчатые поверхности и различного вида пластмасс. Цилиндрические фрезы изготовляются из быстрорежущей стали, а также оснащаются твердосплавными пластинками.

Торцевые фрезы. Предназначаются для обработки наружних поверхностей заготовок. Ось вращения устанавливается по нормали к плоскости обрабатываемой детали. По сравнению цилиндрическими фрезами, у которых все точки режущих кромок являются профилирующими, у торцовых фрез только вершины режущих кромок зубьев образуют профиль. Вспомогательными являются режущие кромки расположенные с торца. Преимуществами данных фрез является плавная работа даже при небольшой величине припуска, обеспечение большей производительность, чем цилиндрические.

Концевая фреза. Концевые фрезы получили большое техническое применение. Они применяются для обработки глубоких пазов, уступов, взаимно перпендикулярных плоскостей, для осуществления обработки контуров наружных и внутренних поверхностей сложного профиля. Являются самым распространенным типом инструмента фрезерной обработки.

Дисковые фрезы получили применение для обработки пазов, канавок и раскроя материала. Принимая во внимание конструктивные особенности, их можно классифицировать на три вида: для обработки пазов, двух- и трехсторонние.

Угловые фрезы применяются для обработки пазов (ласточкин хвост), плоскостей расположенных под различным углом. Одно угловые фрезы имеют режущие кромки, расположенные на конической поверхности и торце. Двух угловые фрезы имеют режущие кромки, расположенные на двух смежных конических поверхностях. Использование данного инструмента получило широкое применение при производстве инструмента, для получения стружечных канавок на различном вида инструменте.

Фрезы для обработки Т-образных пазов. Для данного вида обработки, широкое распространение в станкостроение получили Т-образные фрезы. Данный инструмент работает при больших нагрузках и часто подвергается поломкам, это процесс объясняется сложным отводом образуемой стружки. Каждый зуб совершает работу два раза за один оборот инструмента. С целью повышения стойкости инструмента и облегчения условий расположения стружки производят заточку фасок на зубьях с одного или с другого торца под углом 30°.

Фасонные фрезы получили применение в работе с различными канавками сложного профиля. Фасонные фрезы отличаются от других видов фрез, из-за того, что проектируются конкретно под определенные условия работы и обрабатываемые поверхности.



1.1.3 Применение систем с ЧПУ в условиях механообрабатывающем производстве

В современном промышленном производстве при производстве технологически сложной продукции, большинство деталей и сборочных единиц проходят процесс механической обработки на высокопроизводительном оборудовании, обладающее повышенной точностью. В условиях современного промышленного предприятия машиностроения создаются поточные линии из механообрабатывающих станков, комплексов, обрабатывающих центров, с числовым программным управлением. В настоящее время разработан целый комплекс систем автоматизации проектирования (САПР) разработок.

Система автоматизированного проектирования (САПР) -- автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.

Для работы оборудования с ЧПУ технологи-программисты создают управляющие программы, от которых зависит качество и надежность, не только деталей и сборок, но и в целом всей выпускаемых изделий машиностроения.

Для современных предприятий вопросы качества продукции занимают лидирующие позиции, а с учетом того, что почти все изделия включают в себя механообрабатываемые детали, то и вопросам качества самих деталей уделяется большое внимание. Именно по этому на предприятиях с каждым годом растет количество деталей изготовленных на оборудовании с числовым программным управлением, и на данный момент достигает значения до 70-75% от общего количества деталей (рисунок 1.1).



Рисунок 1.1 - Соотношение деталей полученных с помощью механической обработки

Данные показатели говорят о высоком показателе эффективности станков с ЧПУ применяемых в механообрабатывающем производстве. Но, непосредственно использование станков числовым программным управлением устанавливает некоторые условия при подготовке и организации производства, в особенности, необходимость качественной подготовки производства на предприятии, т.е. в разработки управляющей программы и подборе металлорежущего инструмента для данного оборудования.

Числовое программное управление (ЧПУ) станка -- это процесс управления механической обработки заготовки на конкретном оборудовании по, заранее написанной программе, в которой информация об обработке задана в виде цифрового кода.

Система числового программного управления (СЧПУ) -- это совокупность функционально взаимосвязанных технических и программных средств и методов, обеспечивающих числовое программное управление станком.

Устройство числового программного управления (УЧПУ) станками - это часть системы ЧПУ, выполненная как единое целое с ней и выдающая управляющие воздействия на исполнительные органы станка, в соответствии с УП, и информацией о состоянии управляемого объекта.

Управляющая программа (УП) -- это записанная на программоноситель в закодированном цифровом виде маршрутно-операционная технология на конкретную деталь с указанием траекторий движения инструмента. Процесс разработки управляющих программ весьма трудоемкий, поскольку программисту-технологу необходимо учесть огромное количество факторов от обрабатываемого материала, конфигурации заготовки, требований к поверхностям детали до подбора инструмента, подбор инструмента, выбор режимов, создание, непосредственно, самой стратегии и траектории обработки. Немаловажным фактором при создании управляющей программы является машинное время, т.е. время работы программы на станке, от этого параметра напрямую зависит стоимость изготавливаемой детали. Чем больше это время, тем больше стоимость этой детали, и тем меньшее количество этих деталей может быть изготовлено на этом оборудовании за определенный временной промежуток. Именно поэтому при подготовке производства уделяется большое внимание качественной разработке и оптимизации управляющих программ.

1.2 Обзор разработки управляющих программ

Для корректного использования оборудования с ЧПУ и полной реализации заложенных в них функциональных возможностей, требуется создание специальных управляющих программ. При их создании используется язык программирования, более известный среди программистов, как язык ISO 7 бит или язык G и М кодов.

1.2.1 Структура управляющей программы

Управляющая программа состоит из определенной последовательности кадров и в большинстве случаев в начале программы стоит символ «%» -начало программы, а оканчивается специальными командами М02 или М30.

Каждый кадр управляющей программы представляет собой один шаг обработки(в зависимости от УЧПУ) и может начинаться с номера кадра (N001, N002 и т.д.), а заканчиваться символом конец кадра «;». В общем виде формат кадра представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Формат кадра в общем виде

Каждый кадр управляющей программы состоит из специальных команд в форме слов (М03, Z8., A90.). Слово состоит из символа (адреса) и цифры, которые представлены в виде числовых значений.

Адреса X, Y, Z, A, B, C, D, E U, V, W, P, Q, R, являются размерными перемещениям. Они используются для обозначения координатных осей, вдоль которых осуществляются перемещения. Данные адреса, описывающие перемещения, могут иметь перед численным значением знаки "+" или "-", указывающие на направление перемещения. При отсутствии знака перемещение принято считать положительным.

Адреса I, J, K означают параметры интерполяции.

G - подготовительная функция.

М - вспомогательная функция.

S - функция главного движения.

F - функция подачи.

T, D, H - функции инструмента.

Данные символы, в зависимости от условий, принимают различные значения, в зависимости от конкретного установленного на станок УЧПУ.

Есть три способа, получивших наибольшее применение, для создания управляющих программ обработки для станков с ЧПУ: метод ручного программирования, метод программирования непосредственно на стойке ЧПУ и метод программирования с использованием САМ-систем (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Способы программирования оборудования с ЧПУ

1.2.2 Ручное программирование

При ручном написании УП для станка с ЧПУ чаще всего используют персональный компьютер с установленным на нем любым текстовым редактором. Метод ручного программирования заключается в создании управляющей программы в текстовом редакторе в виде G и М кодов и координат перемещения обрабатывающего инструмента технологом. Координаты обрабатывающей траектории берутся с чертежа или эскиза

Ручное написание управляющей программы является очень сложным и трудоёмким процессом, однако, любой из разработчиков управляющих программ должен хорошо понимать принципы и владеть техникой ручного программирования независимо от того каким методом он пользуется [1-5].

Применением ручного метода программирования может послужить обработка несложной детали или отсутствие необходимых средств разработки. В реальном производстве, когда в производственном процессе задействовано небольшое количество оборудования с числовым программным управлением, а обрабатываемые детали отличаются простотой, то производительность труда разработчика, с достаточным опытом ручного программирования, может оказаться соизмеримой с производительностью труда программиста использующего САМ-систему. Так же, при небольшой номенклатуре изготавливаемых деталей на предприятии, применение ручного программирования может оказаться оправданным, поскольку один раз разработанные программы без дополнительной доработки могут использоваться долгое время.

Важно отметить, что даже при использования САМ-системы как основного инструмента программирования весьма часто возникает потребность в ручной коррекции управляющей программы из-за обнаружения ошибок на стадии верификации. Необходимость ручной коррекции УП может возникать при отработке непосредственно на станке.

1.2.3 Способ программирования на стойке станка ЧПУ

Современные оборудование с числовым программным управлением, за редким исключением, предоставляют возможность создавать УП непосредственно на стойке станка, при помощи предустановленной дисплея и клавиатуры. При создании управляющей программы на стойке может применяться режим диалогового программирования и прямой ввод G и М кодов. В тоже время существует возможность контроля и тестирования ранее разработанной УП, с применением верификации, непосредственно, на экране стойки станка ЧПУ, при поддержке данной функции.

Данный способ применяется, в основном, при обработке деталей средней сложности-обработки различных плоскостей, отверстий, платиков и т.д.

К основным преимуществам этого метода относятся:

? визуализация параметров с возможностью проверки;

? более простой процесс создания программы для начинающего.

К недостаткам следует отнести:

? разработка управляющей программы производится с использованием специальных кодов с различными параметрами;

? возможности программы ограниченны из-за набора функций;

? Использует рабочее время оборудования.

1.2.4 Способ программирования с применением САМ-системы

САМ-Система - это система, которая обеспечивает интегрированное решение задач разработки конструкторского проекта изделия и формирования управляющих программ для обработки деталей изделия на оборудовании с ЧПУ [7]. Совокупность способов решения различных типов одной системы обусловлено тем, что их решение основано на использовании единой параметрической 3D модели изделия. Единство модели дает возможность обойти почти все проблемы, связанные с трансляцией данных между собой в различных системах, обеспечивая объединенное решение поставленных задач.

Создание УП с использованием САМ-систем значительно облегчает и сокращает время на процесс программирования. При использовании в работе САМ-системы технолог-программист избавлен от необходимости производить трудоемкие математические расчеты, и получает набор инструментов, существенно ускоряющий процесс разработки управляющей программы[7].

Использование именно этого метода проектирования получило наибольшее применение в промышленности и большая часть работ, в области создания УП, сопряжена непосредственно с использованием САМ-систем.

При данном способе проектирования, возникает проблема качественной разработки векторных моделей управляющих траекторий, проблема стандартизации элементов конструкции и создания на их основе подсоединяемых библиотек, потребность в верификации и корректировке УП, а также вопрос создания и внедрения данной системы в реальное машиностроительное производство [8-10].

Расширение возможностей САМ-систем с позиции проектирования управляющей программы, в большинстве случаев ведется по средствам решения отдельных задач проектирования. Например, за счет решения задач автоматизированного расчета расположения заготовки, решение которой, зачастую не под силу стандартному функционалу[8].

Большое количество работ направлены на решение задач определенного типа, конкретный программный продукт или описание разработки для определенного вида оборудования[8-10], данная узкая направленность ограничивает возможность общего применения предлагаемых решений.

В рамках технологической подготовки производственных систем важным аспектом являются вопросы качества разрабатываемых управляющих программ.

Существуют способы повышения качества работы станков с числовым программным управлением, благодаря оптимизации УП:

увеличение показателей механической обработки, благодаря более точным расчетам режимов резания;

контроль за износом инструмента и внесение корректировок в код управляющей программы;

Использование динамического программирования при создании УП.

Подводя итог вышесказанного, следует выделить, что в описанных способах, в силу их типизации и узкоориентированности, отсутствует необходимая гибкость в решении проблемы качества разработки УП, для большой номенклатуры изделий, в условиях серийного производства, включающих в себя детали подвергающиеся механической обработке.

Исходя из рассмотренных положений, была поставлена задача поиска методов оптимизации управляющих программ для станков с числовым программным управлением, которые несли бы универсальный характер, были бы доступны для технологов и позволяли достичь максимального эффекта от данного процесса.



2. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЯТИКООРДИНАТНОЙ ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

2.1 Многокоординатная обработка и ее особенности

Рост требований к увеличению производительности, качества и точности обработки деталей со сложным профилем приводит к необходимости автоматизации процессов их изготовления. В связи с возросшей конкуренцией возникает необходимость в современной и оперативной подготовке производства для выпуска нового изделия, в том числе техническом перевооружении производства, за счет приобретения современного и высокопроизводительного оборудования. Детали, имеющие сложную геометрическую форму, могут быть обработаны на оборудовании с многокоординатной кинематикой. При этом возникает задача разработки корректной управляющей программы, позволяющей многокоординатной станочной системе произвести обработку детали, с соблюдением всех предъявленных к ней технических требований, что является актуальным.

Впервые технология пятикоординатной обработки получила свое применение в авиационной и космической промышленности, где возникла потребность в изготовлении и механической обработки деталей со сложной формой. Пятикоординатные металлообрабатывающие центры получили свое применение в изготовлении таких сложных деталей как турбинные лопатки, лопасти и т.д.

Влияние на точность механической обработки деталей на станках с числовым программным управлением оказывает комплекс погрешностей на всем жизненном цикле детали в системе «эскиз - готовая деталь». Небольшая доля погрешностей при разработке и записи управляющей программы приходится на программоноситель. Большая же часть погрешностей возникает в системе СПИД при непосредственной обработке детали, в выполнении которой участвуют такие элементы как: заготовка, оборудование с числовым программным управлением, режущий инструмент, приспособление. Получение необходимого качества обработки детали, производительность, а так же себестоимость обработки, в комплексе зависит от всех элементов технологической системы. В процессе обработки на технологическую систему оказывают воздействие различные внешние и внутренние факторы. Данные факторы вызывают отклонение от требуемой последовательности действий технологического процесса обработки, следовательно, его выходные показатели ухудшаются. В результате действия этих факторов возникают упругие деформации элементов системы СПИД, их износ, тепловые деформации, вибрации, что ведет к ухудшению, в первую очередь, качества механической обработки, а также оказывает влияние на такие важные показатели как: себестоимость и эффективность обработки[11].

Пятикоординатная, в частности фрезерная, обработка, на сегодняшний день является одним из перспективных методов получения деталей сложной формы. На рисунке 2.1 и рисунке 2.2 показаны примеры деталей со сложными криволинейными поверхностями. Профили поверхностей таких деталей описываются на основе сплайн метода, что делает возможным применение CAD/CAМ-моделирования для корректного управления системой станка с ЧПУ.

Рисунок 2.1 - Турбинные лопатки

Рисунок 2.2 - Крыльчатка турбины

Детали, имеющие сложную форму, могут быть обработаны на оборудовании, имеющем многокоординатную кинематику и элементы, расширяющие их формообразующие способности, за счет изменения углов расположения инструмента и заготовки. Для этого пятикоординатные станки оснащаются изменяемыми специализированными элементами - высокотехнологичной оснасткой в виде поворотных инструментальных головок или глобусных столов. Для управления формообразованием и точностью оборудования данного типа необходима разработка методов аналитического описания криволинейных поверхностей сложных деталей. Для автоматизации процесса программирования обработки деталей, имеющих сложную форму, на оборудовании с числовым программным управлением существует необходимость развития и совершенствования методов описания геометрической информации на основе аналитических сплайн-функций [12].

Представленные выше детали(рисунок 2.1 и рисунок 2.2) обрабатываются при помощи контурного фрезерования. В настоящее время оно является наиболее точным и производительным методом изготовления деталей с криволинейным профилем. Особенностью данного процесса фрезерования является прерывистость резания каждым зубом фрезы. В момент контакта с заготовкой, только на некоторой части оборота, зуб фрезы совершает работу резания. Затем он продолжает движение, не входя в контакт с заготовкой, до момент следующего врезания, в следствии чего возникают дополнительные вибрации. Технологические операции с применением контурного фрезерования, в большинстве, являются чистовыми, и их реализация должна создавать условия для получения необходимых требований предъявленных к конкретной детали (точность и качество обработанных поверхностей).

Отличительной чертой процесса контурной фрезерной обработки является криволинейная траектория движения геометрического центра режущего инструмента. Соблюдение данной траектории перемещения осуществимо лишь при непрерывном изменении скоростей подач по координатным осям, сопровождаемым динамическим воздействием со стороны сил инерции, представляющих собой противодействие материальной точки изменению ее скорости [11]. На основании этого, следует вывод, что контурное фрезерование всегда сопровождается действием сил инерции. Оценку воздействия можно дать, только рассматривая динамику самого процесса. Процесс контурного фрезерования предусматривает относительные движения заготовки и инструмента, которые предопределяют изменение величин координатных скоростей, вызывающее дополнительные динамические возмущения, которые оказывают влияние на окончательную точность обработки.

Таким образом, для более точного описания процесса формообразования определяющего точность обработки сплайн поверхности, на фрезерном оборудовании с числовым программным управлением, необходимо с дополнение рассмотреть контурную обработку, как динамический процесс и определить зависимость точности обработки от текущей кривизны поверхности.

Контур, как правило, используемый при фрезеровании сложных поверхностей на заготовках, редко имеет ту же форму, что и контур готовой детали. Данное отличие может быть довольно большим. Этот параметр одним из основных факторов оказывающих влияние на определение значения припуска на обработку по контуру в больших границах. Это является причиной постоянного изменения значения величины силы резания, и как тог, возникающим погрешностям обработки.

Выбор режимов резания для контурной обработки, в наше время, осуществляются без учета возможного динамического воздействия, вызванного кривизной контура. Данный факт может стать причиной к существенных погрешностей обработки (в особенности на чистовых проходах), из-за изменения(смещения) заданной траектории движения инструмента. Влияние этого фактора может быть исключено только благодаря исследованию динамики процесса и его управлением, обнаружению всех факторов, указывающих на состояние системы, в определенную единицу времени, созданием такой траектории движения инструмента, которая исключает резкое изменение координатных скоростей.

Управление технологической системой станка за счет оптимизированных управляющих программ и разработка технологического процесса, на базе трехмерного моделирования изделия, в наше время, становится одной из актуальных задач. Под этим понимается полная автоматизация процесса технологического проектирования, основным элементом которого является трехмерная математическая модель изделия, созданная одним из конструкторских подразделений. Основная особенность трехмерной модели -это то, что внутри математически описанной формы модели находится информация о изделии в целом, его структуре и конкретных деталях, таких как поверхности или элементы форм.

Большое количество систем автоматизированного проектирования обеспечивает возможность инженеру создавать трехмерные модели деталей и сборок, как параметрически связанные модели. К такому ПО относятся одни из самых известных на рынке мировых CAD-систем программные продукты SolidWorks, Catia, Unigraphics, Компас-3D,Pro/Engineer .



2.2 Виды пятикоординатной обработки

Различают два вида пятикоординатной обработки: непрерывная и позиционная обработка (обработка с индексированием). При непрерывной обработке рабочие органы станка действительно одновременно совершают перемещения по всем степеням свободы.

2.2.1 Непрерывная пятикоординатная обработка

При непрерывной пятиосевой обработке может происходить одновременное движение по всем пяти осям станка. Основной особенностью пятиосевой непрерывной обработки является то, что помимо стратегий управления перемещением фрезы по поверхности детали, используются стратегии управления ориентации оси инструмента. Стратегии перемещения инструмента по поверхности обрабатываемой детали общеизвестны, это, например, послойные черновые выборки материала, чистовые перемещения с обеспечением постоянства высоты гребешка, перемещения вдоль заданных кривых на поверхности, между кривыми на поверхности, между контрольными поверхностями и т.д. А вот стратегии управления ориентацией оси это способы, которые позволяют изменять наклон оси инструмента во время обработки по определенным правилам [13].

Самый простой способ с точки зрения программирования -- это ориентация оси фрезы по нормали к обрабатываемой поверхности (рисунок 2.3). Этот способ имеет множество недостатков, например, траектория часто "вываливается" за диапазоны перемещения по осям, так же невозможно обрабатывать внутренние полости детали, небольшой ресурс фрезы из-за того, что точка резания находится в небольшой зоне фрезы, и наконец скорость резания в осевой зоне фрезы намного меньше чем на наружной. Помимо этого при таком способе обработки сложно учитывать наличие крепежной оснастки, геометрию державки инструмента, обходить необрабатываемые формы детали.

Рисунок 2.3 - Ориентация оси инструмента

2.2.2 Позиционная пятикоординатная обработка

При позиционной обработке дополнительные оси используются только для изменения положения заготовки или инструмента относительно друг друга, а остальные операции производятся в режиме трех координатной обработки, аналогично обычному трех координатному станку с ЧПУ. Позиционная пятиосевая обработка дает возможность применения высокоскоростного фрезерования.

Высокоскоростная обработка (BCO) (Highspeedcutting (HSС)) - является одним из современных и важных направлений в машиностроении (рисунок 2.4). Для высокоскоростной обработки главным принципом является: небольшая величина снимаемого материала, удаляемое с большой скоростью резания и высоким значением подачи. Данные режимы в 4-8 раз больше, чем режимы при обычной обработке. Рекомендуется брать глубину резания не превышающую 15% от диаметра фрезы. Работа в условиях высокоскоростных режимов отличается своими характерными особенностями, выдвигая ряд особых требований к управляющим программам, режущему инструменту и оборудованию в целом [9].

Рисунок 2.4 - Высокоскоростная обработка металла

При разработке УП, для способа использующего высокоскоростную обработку, значение шага и глубина обработки задается в несколько раз меньшие, чем аналогичные показатели для режимов обычного фрезерования. Заданная траектория движения фрезы должна быть плавной. Резкие смены скоростей подач и направлений перемещений являются недопустимыми. Зачастую простые линейные перемещения заменяются петлеообразными, используя трохоидальную траекторию.

Врезание фрезы в металл, должно осуществляться под малым углом или по винтовой траектории, но ни не вертикально. Только в этот случай оставляет возможность сохранить показатели режимов резания без изменений, что производит оптимизацию нагрузки на фрезу и исключает ее поломку.

Так как в любая рабочая программа для метода BCO содержит в себе значительное количество переходов. Объем такой программы может быть больше объема обычной УП в несколько, а то и в десятки или даже сотни раз. Процессор устройства числового программного управления оборудования обязан успевать выполнять задачу по отработке кадров УП и быть оборудован достаточно большим объемом памяти, без которой невозможен процесс быстрой подготовки к следующим перемещениям. В ином случае, система не располагает большим программным буфером для хранения УП, следует применять альтернативный режим передачи данных - DNC.

Из практики видно, что заметно уменьшить объем УП, оптимизировав ее для режима BCO, можно благодаря использованию различных способов и методов оптимизации.

Применение способа BCO, на всех стадиях процесса обработки заготовки, экономически нецелесообразно. Черновая обработка, зачастую, может проводиться с использованием стандартных инструментов и обычных режимов резания.

Дополнительная возможность при фрезерной обработке с использованием пяти координат - обработка наклонных поверхностей торцевыми и боковыми частями фрезы. Для этого данного вида механической обработки используются концевые и сферические фрезы.

Число и последовательность технологических переходов при фрезеровании зависят от количества и конфигурации поверхностей и отдельных зон, обрабатываемых на данной операции, от требований к точности обработки и шероховатости поверхностей.

Наиболее сложной задачей при проектировании операционного процесса является определение рациональной траектории рабочих перемещений инструмента при фрезеровании каждой конкретной зоны поверхности.

2.3 Технология пятикоординатной обработки на фрезерных станках с ЧПУ

Большинство современных моделей фрезерных станков с ЧПУ осуществляют обработку заготовок по трём независимым координатам. При этом режущий инструмент совершает продольное (Х) и поперечное (Y) движение в горизонтальной плоскости (параллельно рабочему столу с закреплённой заготовкой), а также вертикальное (Z) перемещение (в плоскости, перпендикулярной плоскости стола станка). При наличии специального поворотного устройства (для обработки заготовок цилиндрической формы), одно из горизонтальных перемещений (чаще всего - поперечное, вдоль координаты Y) заменяется поворотом заготовки вокруг своей продольной оси. Однако в любом случае, при трех координатной обработке траектория движения инструмента определяется только независимыми координатами Х, Y и Z. Но даже при этом, технологических возможностей станка позволяют обеспечить перемещения инструмента по сложной траектории и одновременно обрабатывать нескольких поверхностей без изменения положения заготовки.

Преимущества пятикоординатной обработки не ограничиваются обработкой поверхностей со сложным профилем. В современном производстве достаточно часто встречаются детали не имеющее сложных криволинейных поверхностей (в частности, корпусные), но содержащие большое количество сложных конструктивных элементов: рёбра жёсткости, галтели и скругления, приливы, бобышки, а главное - большое количество отверстий, находящихся в различных плоскостях [14]. Данные детали являются сложной задачей для технолога-программиста, разрабатывающего технологию их обработки. В этом случае, возможность сложного взаимного перемещения режущего инструмента и заготовки относительно пяти координат дает возможность производить обработку большого количества различных элементов на детали за один технологический установ заготовки на станке. Это значительно экономит время затрачиваемое на производство детали, помимо того, обеспечивает высокое качество механической обработки, позволяя получать детали с высокими требованиями к допускам форм и взаимному расположению поверхностей.

Программы для управления процессом многоосевой обработки разрабатываются с помощью систем CAD/САМ. Разработка корректных программ требует высокой квалификации технолога-программиста и определенных затрат времени.

Исходя из выше сказанного, становится очевидно, что при расширении кинематики станка до пяти координат, его возможности возрастают многократно. Так образом, отличием пяти координатной обработки от обработки по трем координатам является, что к вышеописанным движениям по трём координатам добавляется поворот вокруг двух дополнительных осей (т.е. наклон инструмента). На практике изменение угла наклона инструмента относительно заготовки может осуществляться как поворотом рабочего стола (платформы), так и/или наклоном самого шпинделя. Соответствующее усложнение конструкции станка и его удорожание компенсируется существенным расширением технологических возможностей механической обработки, что влечет за собой увеличение номенклатуры изготавливаемых деталей.

На данный момент пяти координатная обработка получила широкое применение в авиакосмической отрасли, кораблестроении, градостроительстве, автомобильной отрасли, рекламе, мебельном производстве, производстве инструментов, медицинского оборудования и многих других. Многоосевая обработка находит применение в изготовлении деталей самых сложных форм для литья, пуансонов, матриц и других объемных элементов со сложными поверхностями.

Применение пяти осевой обработки значительно расширяет возможности производства, но достижение заданных конструктором параметров качества и точности изготовления деталей возможно только при тщательной разработке экономически обоснованного технологического процесса обработки и разработанной и оптимизированной управляющей программой, для оборудования с ЧПУ.

2.4 3D коррекция

Зачастую технологу-программисту, при создании управляющей программы, приходится осуществлять построения дополнительных направляющих поверхностей и производить ограничения угла наклона режущего инструмента. Для создания корректной УП необходима квалифицированная создание наладка постпроцессора, что может обернуться существенными затратами для предприятия.

Термин 3D-коррекция часто используется, когда темой является метод объемной обработки. В случае с обычным плоским фрезерованием есть возможность произвести корректировку инструмента на радиус слева (G41) или справа (G42) от заданного контура обработки, т.е. перпендикулярно к обрабатываемой поверхности в точке контакта с фрезой. При использовании 3D-коррекции ситуация аналогичная. Отличие заключается в том, что необходимо знать вектор расположения фрезы и вектор перпендикуляра поверхности в точке контакта с инструментом. Принимая во расчет взаимное расположение данных векторов и корректирующего значения, система станка с числовым программным управлением производит расчет смещения в пространстве режущего инструмента, без изменения его расположения и установленной точки контакта.

2.5 Практическое внедрение пяти координатной обработки в реальном производстве

За последнее десятилетие в современном производстве, все большую поддержку получают идеи по автоматизации процессов связанных с изготовлением продукции. Внедрение автоматизации на производстве позволяет существенно повысить качество выпускаемой продукции, уменьшить число сотрудников, вовлеченных в процесс производства, и ощутимо увеличить производительность. Нередко случаи такого внедрения являются инновационными для конкретного предприятия или, даже, длявсе отрасли в целом. С учетом темы, в данной работе рассматриваются процессы автоматизации связанные с механической обработкой.

Наглядным примером одного из локальных инновационных внедрений средств автоматизации, служит опыт АО "ВОМЗ". Имея в распоряжении участок механического цеха, оснащенный трех координатными фрезерными станками с ЧПУ, осуществлял обработку конструктивно сложных деталей, с пятью и более плоскостями обработки. Данный способ получения деталей долгое время оставался единственным приемлемым, несмотря на то, что процесс изготовления занимал значительное время, приводя к увеличению затрат на производство данных деталей и изделий в целом.

В результате экономического и производственного анализа, было принято решение, об оснащении данного участка фрезерными пяти координатными обрабатывающими центрами с ЧПУ. Данное решение позволило перевести сложнопрофильные детали с трех на пяти координатную обработку, расширить номенклатуру изготавливаемых деталей, снизить затраты на производство и заложить основу для последующей роботизации участка, с последующим созданием на его основе гибкой производственной системы.

В рамках данной работы был проведен перевод технологии изготовления детали "Основание" с имеющегося трех координатного фрезерного станка с ЧПУ на оборудование позволяющие вести обработку по пяти координатам.

2.5.1 Технология с использованием трех координат обработки

В качестве основного механообрабатывающего оборудования выступает трех координатный вертикально-фрезерный станок МillStarBМV-850 представленный на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 -МillStarBМV-850

Частичная планировка участка с данными станками представлена на рисунке 2.6.

Принимая во внимание конструктивные особенности и технические требования предъявленные к детали, при разработке технологии изготовления были приняты следующие решения:

Рисунок 2.6 - Фрагмент планировки участка трех координатной обработки

Количество ЧПУ операции - 4 (2 черновые и 2 чистовые операции);

две операции термической обработки;

Заказ и изготовление специальной технологической оснастки.

Как несложно заметить, каждый из пунктов несет за собой большие временные и финансовые затраты. Что неизбежно приводило к высокой стоимости изготовления данной детали.

Чертеж детали и маршрутная карта для данной технологии приведены в приложении 1.

Но, стоит отметить, что наряду со всеми недостатками, обработка на трех координатном оборудовании имеет отличительную особенность - жесткость системы СПИД, т.к. заготовка устанавливается на горизонтальный стол станка или станочное приспособление по максимальной площади контакта базовой плоскости детали и меньше подвержена деформациям.

2.5.2 Технология с использованием пятикоординатной обработки

Принимая во внимание весь опыт изготовления деталей по предыдущей технологии, учитывая сложность детали и наличие нового оборудования, был осуществлен перевод технологии изготовления на новое оборудование. В качестве многокоординатного оборудования был использован пяти координатный фрезерный обрабатывающий центр LeadwellV-40iT (более подробное описание в п.3.2).расположенный на том же участке, что и станки BМV-850 (рисунок 2.7).

В сравнении с технологией использующей трех координатную обработку, можно выделить отличительные положительные особенности нового процесса изготовления детали:

Все операции ЧПУ объединяются в одну, за счет обработки за один установ;

Сокращается количество слесарных операций и термической обработки до одной;

Значительное сокращение времени на ЧПУ операции;

Сокращение затрат на инструмент и изготовление уникальной технологической оснастки;

Отсутствие брака деталей, получавшегося в результате не стыковки промежуточных операций.

Как и любая другая, данная технология имеет и свои недостатки. Основными проблемными местами являются:

Затраты на приобретение оборудования;

Затраты на приобретение программного обеспечения и постпроцессора;



Рисунок 2.7 - Выкопировка планировки участка с новым оборудованием

Трудоемкий и затратный по времени процесс создания управляющей программы, требующий, так же, высокой квалификации технолога-программиста.

Маршрутная карта и карта эскизов для данной технологии приведены в приложении 2.

2.5.3 Перспективная технология

Многокоординатные станки являются хорошей базой для создания их основе гибких производственных участков и гибких производственных систем. Опыт данной конвертации обычного участка в ГПС/ГАУ широко применяется на отечественных и зарубежных предприятиях идущих по пути автоматизации производства.

Имея в своем распоряжении 4 пятикоординатных фрезерный станка с ЧПУ, при наличии номенклатуры деталей и большой партией выпуска, встает вопрос о частичной автоматизации участка.

Объединив имеющиеся станки с роботом-сменщиком паллет, установкой общего склада заготовок, можно получить небольших размеров автоматизированную гибкую производственную систему. Данное решение позволит вести обработку деталей в безлюдном режиме, под контролем одного оператора, что еще позволит снизить время на изготовление единицы продукции.

Вариант фрагмента планировки участка преобразованного в ГПС приведен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Выкопировка перспективной планировки



3. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ. ВНЕДРЕНИЕ УП В РЕАЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Изготовление детали на современном оборудовании с ЧПУ условно может быть разделено на два этапа - создание управляющей программы (УП) и её воплощение непосредственно механической обработкой заготовки на станке. И если физические возможности пяти координатной обработки определяются типом оборудования и, по большому счёту, не зависят от обслуживающего персонала, то разработка программы управления целиком во власти «человеческого фактора».

Процесс разработки технологии обработки, создания и внедрения управляющей программы для станка с ЧПУ можно представить в виде следующих этапов:

Анализ конструкции детали

Выбор обрабатывающего оборудования

Определение схемы базирования заготовки на столе станка

Порядок обработки

Выбор металлорежущего инструмента

Создание управляющей программы

Наладка станка

Отработка первой пробной детали

Проверка первой детали на соответствие техническим требованиям, заданным в техническом задании (конструкторская документация)

Корректировка и оптимизация (опционально) управляющей программы

Запуск второй и последующих деталей.

3.1 Разработка управляющих программ

Схема работы программистов-технологов, на оборудовании с ЧПУ, носит одинаковый: с использованием САМ-системы производится разработка состоящей из отдельных траекторий движения инструмента управляющей программы. Данная программ, в дальнейшем, преобразуется в программный код. Каждая система ЧПУ имеет свои особенности кодировки. Задача программиста, выбрать для каждой детали наиболее эффективные способы и стратегии обработки. К ним относятся, черновые переходы, обеспечивающее удаление большей части материала заготовки, стратегии получистовой обработки и, непосредственно, чистовые перехода. Для каждой стратегии определяются фиксированные параметры обработки, такие как: скорость подачи стола или инструмента, глубина обработки, величина шага обработки, минимальный радиус в углах, частота вращения шпинделя, точность описания криволинейной траектории прямыми перемещениями и различные другие параметры, которые в точности определяют режим работы станка.

3.1.1 Основные положения при создании управляющих программ

Несколько упрощая и акцентируя внимание на создании управляющей программы, можно представить стандартную последовательность программирования станка с ЧПУ в виде следующих этапов:

разработка собственной (или импорт готовой - что в условиях современного производства встречается чаще) 3D-модели детали;

построение траектории движения фрезы (отдельно для каждого этапа обработки - чернового, чистового и пр.);

экспорт управляющей программы с использованием постпроцессора под конкретную модель фрезерного станка.

Как правило, современные CAD/CAМ-приложения для создания УП не привязаны к конкретному оборудованию, т.е. позволяют разрабатывать технологию обработки «в чистом виде». А конкретные особенности кинематики станка будут учтены специальным постпроцессором - при экспорте готовых файлов непосредственно перед загрузкой в ЧПУ.

Постпроцессор - это приложение к CAМ-программе (программный модуль), предназначенный для преобразования траектории обработки, в G-код (управляющую программу) для определенной системы управления (стойки) конкретного станка с ЧПУ. Разрабатывая постпроцессор, мы имеем дело с двумя фундаментальными объектами CAМ систем:

Траектория - кривая движения кромки центра инструмента, которую инженер-программист рассчитывает в CAМ системе. Траектория состоит из линейных участков и дуг. Набор данных о траектории называется СLDATA (CutterLocation DATA). Такая информация непонятна для станка.

Управляющая программа - набор данных в заданном формате (на языке конкретного УЧПУ) для управления перемещением рабочих органов станка, а также другими установленными на нем устройствами.

Среди постпроцессоров следует выделить настраиваемые и встроенные. Встроенные обычно создаются производителями контроллеров ЧПУ и обладают надежностью, главный их недостаток - они недостаточно гибки, из-за ограниченности набора параметров настройки. Когда необходима оптимизация УП или нестандартные функции контроллеров, наиболее привлекательны настраиваемые постпроцессоры [15].

Основное назначение постпроцессора - это перекодирование информации из формата CLDATA непосредственно в управляющую программу станка. Таким образом, постпроцессор - это промежуточное звено между CAМ системой и станком.