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

Однако, это не означает, что для создания «настоящей» УП под 5-ти координатный станок достаточно на финальном этапе воспользоваться нужным постпроцессором - и ограничиться этим. На сегодняшний момент далеко не все САМ-системы предоставляют средства для действительного программирования одновременной обработки по 5-ти координатам. Ведь эта технология довольно сложна и в обязательном порядке должна предполагать решение таких вопросов как:

фрезерование по контуру (в том числе сложной формы);

контроль и поддержание нормали к обрабатываемой поверхности (независимо от наклона фрезы/заготовки);

дробление и отвод стружки (одинаково эффективно для различного типа материала и вида фрезы - с одной или несколькими спиральными канавками и пр.);

полный контроль угла наклона инструмента.

Соответственно САМ-система должна в обязательном порядке решать эти и целый ряд других не менее сложных вопросов. Отдельно следует упомянуть обязательное требование компьютерной системы быть способной оптимизировать маршрут движения фрезы по 5-ти координатам, автоматически предлагать (назначать) параметры фрезерования (скорость, подачу) для конкретного материала и инструмента (в том числе нестандартного), быть совместимой/воспринимать различные форматы импортируемых данных и т.д.

Без соблюдения вышеописанных требований (прежде всего относящихся к САМ-системе), «честная» процедура 5-ти координатной обработки будет затруднительна. А работа дорогостоящего оборудования без использования всех технологических возможностей обернётся потерей времени и средств.

3.1.2 Программное обеспечение

Немаловажным этапом в разработке управляющей программы является создание и последующая интеграция технологической 3D-модели в САМ-систему, без которой процесс программирования окажется очень трудоёмким или же вообще неосуществимым. Большинством специалистов применяется CAD-система, если предварительно данная работа не была произведена конструкторским подразделением.

Одной из таких систем, и одной самых часто используемых, является продукт компании DassaultSysteМes - SolidWorks (рисунок 3.1).

SolidWorks является конструкторской системой твердотельного параметрического моделирования машиностроительных конструкций специально разработанной для использования на персональных компьютерах. Стандартный графический пользовательский интерфейс Windows и средства твердотельного параметрического моделирования позволяют быстрее и легче, чем когда-либо создавать трехмерные модели деталей, сборочные единицы, генерировать чертежи.

SolidWorks имеет значительный список преимуществ и достоинств по сравнению с аналогичными продуктами на рынке. Ниже приедены основные возможности данной системы использованные в диссертационной работе:

Создание 3D-моделей деталей;

Инженерный анализ (расчет напряженно-деформируемого состояния);

Анализ технологичности детали.

Рисунок 3.1- Интерфейс SolidWorks

Как было отмечено ранее п.2.3, процесс разработки управляющей программы ведется с использованием САМ-системы. В данной работе разработка происходила в системе Мastercam (рисунок 3.2), являющейся, на данный момент, лидером по спросу на мировым рынке ПО в данном сегменте.

Мastercam - CAD/САМ-система для программирования токарной, токарно-фрезерной, фрезерной и электроэрозионной обработки, а также обработки дерева, гравировки, раскроя и резки листового материала на соответствующем оборудовании с ЧПУ. Разработчик - известная американская компания CNC Software.

Мastercam позволяет разрабатывать в автоматизированном режиме управляющие программы по каркасной геометрии и по любым 3D-моделям -- как созданным в Мastercam, так и переданным в него с помощью большого набора прямых и нейтральных трансляторов.

К ключевым преимуществам Мastercam относятся:

легкость изучения и удобство в эксплуатации;

2D- и 3D-каркасное, поверхностное, твердотельное моделирование, оформление эскизов;

библиотека трансляторов из CAD-систем;

надежность системы, высокая скорость расчетов;

наглядная проверка созданных траекторий;

полная ассоциативность геометрии и траекторий;

настраиваемая конфигурация «станок-CЧПУ»

Рисунок 3.2 - Интерфейс Мastercam

Дальнейшим этапом, после получения управляющей программы в первоначальном виде (после преобразований постпроцессора), идет контроль и ручная доводка управляющей программы. Программным средством для этого служат различные редакторы, представленные в большом ассортименте на рынке, начиная от встроенных в САМ-систему, заканчивая полноценными программными продуктами. Одним из таких редакторов является CIМCO Edit - полнофункциональный редактор управляющих программ для станков с ЧПУ. Интерфейс программы представлен на рисунке 3.3.

На данный момент CIМCO Edit с более чем 75000 проданных лицензий во всем мире, стал стандартом для технологов-программистов, нуждающихся в удобном инструменте для редактирования УП и передачи данных на станки с ЧПУ.

Рисунок 3.3 - Интерфейс SIМCOEdit

Стоит отметить лишь небольшой список возможностей данного редактора, использованных в данной работе, чтоб дать оценку эффективности данного программного продукта и всего процесса контроля и ручного корректирования управляющей программы:

Отсутствие ограничений на размер УП;

Определение рабочего диапазона УП;

Использование базовых математических функций (вращение и зеркальное отображение УП);

Изменение компенсации инструмента;

Прорисовка 3D и 2D траекторий движения инструмента;

Поддержка твердотельной визуализации с проверкой на столкновения и зарезы;

Сравнение файлов двух управляющих программ, позволяющее найти различия в строках УП или постпроцессора.

3.1.3 Структура управляющей программы

Программирование процесса обработки на современных станках с числовым программным управлением производится на языке, который часто называют языком ИСО (ISO) 7 бит, или языком G и М кодов. Коды с адресом G, являются подготовительными и определяют настройку СЧПУ на конкретный вид работы. Коды с адресом М, являются вспомогательными и предназначаются для управления режимами работы оборудования. Например, поставлена задача, чтобы фреза совершала движение по прямой линии. В этом случае используется команда G01. А если необходимо произвести смену инструмента, то в УП указывается команда М06.

Для управления большим количеством функций оборудования с ЧПУ применяется множество число различных кодов (подробный список G и М кодов приведен в таблице 1 приложения 3). Для создания управляющей программы, достаточно выучить основной набор G и М кодов.

Управляющая программа является упорядоченным набором команд и действий, с помощью которых, определяются перемещения исполнительных органов станка и другие второстепенные функции. Любая УП обработки включает в себя некоторое количество строк. Эти строки называются кадрами управляющей программы. Кадр управляющей программы - составная часть УП, вводимая и отрабатываемая как единое целое и содержащая не менее одной команды. Система ЧПУ считывает и выполняет программу кадр за кадром. На практике распространено присвоение каждому кадру УП своего номера, который располагается в самом начале кадра и обозначен буквой N. В примере, приведенном ниже, представлены номера кадров c N1 до N14. Большое количество станков с ЧПУ позволяют работать без нумерации кадров, которые применяются исключительно для простоты зрительного восприятия и удобства навигации по программе.

Неотъемлемым требованием УП является наличие в самом начале программы символа "%" и номера программы, который начинается с латинской буквы "O" и четырех цифр после (например, О0001). Данные кадры не оказывают влияния на процесс обработки, но тем не менее они необходимы для того, корректной работы СЧПУ и возможности отделения в памяти одной программ от другой. Номера у этих кадров не указываются.

О0001 (KANAVKA)

Кадр №1 задает системе ЧПУ определенный режим работы с учетом следующих кадров УП. Например, команда G21 означает, что станок за базовую возьмет метрическую систему, т.е. все совершаемые перемещения рабочих органов задаются и производятся в миллиметрах, а не в дюймах. Такие кадры носят названия "строки безопасности", так как они дают возможность перейти системе в определенный стандартный режим работы или отменить ненужные функции.

N1 G21G40G49G54G80G90

Последующие кадры управляющей программы указывают станку о необходимой подготовке к обработке. Для этого необходимо переместить инструмент из магазина в шпиндель (кадр N2), включить компенсацию длины инструмента (кадр N3) и задать шпинделю вращение в необходимом направлении с требуемой скоростью (кадр N4). Также, почти всеми, технологами используются комментарии. СЧПУ проигнорирует любой текст, находящийся в круглых скобках, что дает возможность, отметиь в кадре диаметр инструмента или его маркировку.

N2 М06Т02(D20_Freza_410120001)

N3 G43Н02

N4 М03S3550

Непосредственно обработка детали описана в кадрах с номерами от N5 до N13. Данная часть УП содержит в себе коды, служащие для осуществления перемещения инструмента в заданные координаты. Например, кадр N8 осуществляет перемещение инструмента в точку с координатами Х3, Y3 со значением скорости подачи, 250 миллиметров в минуту.

N5 G0Х3.Y8.

N6 Z0.5

N7 G01Z-l .F250

N8 Х3.Y3.

N9 X7.Y3.

N10 Х7.Y8.

N10 Z0.5

Заключительные кадры управляющей программы служат для остановки шпинделя (кадр N12) и завершения программы (кадр N13):

N12 М05

N13 М30

%

Любую управляющую программу можно представить схематично, в виде следующих областей (рисунок 3.4).

При создании управляющей программы одним из основных этапов является определение стратегии обработки. Выбор плана обработки поверхности производится на основании разделения обрабатываемых поверхностей детали на основные и неосновные поверхности.

Основными являются точные поверхности, формообразующие, габаритные. В состав неосновных поверхностей включаются малые отверстия, малые резьбовые отверстия, лыски, пазы, канавки, фаски, остальные подобные поверхности. Основные поверхности и планы их составляют базу для формирования последовательности обработки детали.

Рисунок 3.4 - Структура управляющей программы

3.2 Внедрение управляющей программы в реальном производстве

Процесс внедрения управляющей программы, с позиции технолога-программиста, начинается с переноса управляющей программы на УЧПУ. Для выполнения данной операции существует несколько способов, которые применяются в зависимости от того, каким набором интерфейсов оснащен станок с ЧПУ. Наибольшее распространение в современном оборудовании с ЧПУ получили такие интерфейсы как: USB 2.0, Ethernet, CF.

В данном исследовании было проведено внедрение управляющей программы на пяти координатный фрезерный обрабатывающий центр LeadwellV-40iT оснащенный системой числового управления Fanuc 0i-МD (рисунок 3.5), располагающийся на территории цеха механической обработки АО «ВОМЗ». Расположение рабочих органов и инструментального магазина станка представлено на рисунке 3.6.

Данный обрабатывающий центр поддерживает все, из перечисленных, интерфейсы передачи данных с персонального компьютера в стойку станка. Выбор способа загрузки управляющей программы в память станка остается за наладчиком или оператором. При отработке программы был использован способ передачи через интерфейс CF, посредством Flash-карты.

Рисунок 3.5 - LeadwellV-40iT + Fanuc 0i-МD

Дальнейший действия по внедрению управляющей программы, до получения первой детали, выполняет наладчик, используя функционал стойки станка с ЧПУ.

В данной главе были рассмотрены основные принципы и структура разработки управляющей программы, рассмотрен процесс внедрения разработанной УП в реальном производстве, с использованием пятикоординатного оборудования, на базе существующего предприятия.

Рисунок 3.6 - Рабочие органы станка



4. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛИ В МОМЕНТ ОБРАБОТКИ

4.1 Результаты отработки первой детали

В большинстве случаев, при использовании пяти координатного оборудования, результатом обработки заготовки по новой управляющей программе, является деталь, максимально приближенная по своему внешнему виду к тому, который установлен инженером-конструктором в конструкторском чертеже. Отклонениям от данного правила являются случаи, когда технологический процесс содержит дальнейшие операции с механической обработкой или заготовка подверглась деформациям и повреждениям, которые нельзя учесть на стадии верификации и подготовки производства (некачественный материал в поставке, ограниченный математический функционал верификатора, поломка инструмента, перебои с электроснабжением и т.д.).

В результате обработки, на первой детали был выявлен ряд дефектов, которые не позволяют считать данную деталь годной и продолжать дальнейший технологический процесс с ее использованием. К таким дефектам относятся зарезы (рисунок 4.1 и рисунок 4.2) в тело детали и дробление материала (рисунок 4.3). Данный вид зарезов инструмента не относится к числу "стандартных" зарезов, возникающих при некорректном написании управляющей программы. В данном случае возникает, так называемое "затягивание" фрезы в материал, возникающее из-за упругих деформаций технологической системы под действием сил резания.



4.1.1 Силы резания при фрезерной обработке на станках с ЧПУ

Силы резания при контурном фрезеровании на станке с ЧПУ в местах резкого изменения траектории относительного движения изменяются вследствие разного изменения глубины резания. Стоит рассмотреть данный

Рисунок 4.1 - "Затягивание" фрезы

Рисунок 4.2 - "Затягивание" фрезы

Рисунок 4.3 - Дробление материала

процесс, для анализа его природы и последующего учета полученных сведений для корректировки и оптимизации управляющей программы.

На заготовку со стороны фрезы действуют составляющие силы резания: тангенциальная РZ и радиальная Рr, (рисунок 4.4). Значения этих сил зависят от параметров режима обработки и в значительной мере от текущей глубины резания, определяющей угол контакта фрезы с заготовкой И. При постоянных условиях обработки можно считать, что составляющие РH и РV

Рисунок 4.4 - Схема силового взаимодействия концевой фрезы и заготовки при плоском контурном встречном фрезеровании приложены в некоторой точке, определяемой значением центрального угла Иi

Значение Иi неизвестно. Сложением векторов РZ и Рr определяют результирующую силу резания R. Последнюю в свою очередь можно представить как сумму сил действующих в направлениях: параллельном подаче РH и перпендикулярном подаче РV.

Главное влияние на величину погрешности контура оказывает составляющая силы резания РV, лежащая в плоскости, перпендикулярной оси инструмента, и перпендикулярная направлению подачи. Сила РV, параллельная направлению подачи, по модулю в большинстве случаев силы РH. Она оказывает влияние на величины погрешности контура лишь в местах резкого изменения траектории относительного движения фрезы и обрабатываемой детали.

Из геометрических соотношений между силами резания, возникающими в процессе встречного фрезерования, можно записать:

(4.1)

где РZ - окружная сила резания, направленная касательно к фрезе в точке приложения силы, Н;

Рr - радиальная сила резания, направленная по нормали к фрезе в точке приложения силы, Н;

Иi - угловая координата (центральный угол) точки приложения силы резания, град.

Из анализа данных соотношений видно, что при встречном фрезеровании можно создать такие условия обработки, при которых сила РV равна нулю, а следовательно, погрешность контура отсутствует.

Очевидно, знак силы РV определяется знаком выражения .

При происходит затягивание фрезы в тело детали.

При происходит отжим фрезы.

При .

Данные выводы, о полученных зависимостях сил, будут учтены при последующей оптимизации существующей управляющей программы и, в дальнейшем, при разработке новых.



4.1.2 Вибрации при фрезерной обработке на станках с ЧПУ

Второй типа дефекта (рисунок 4.3) относится к категории вызванных возникновением вибраций в зоне резания, вследствие "отжима" заготовки. При встречном фрезеровании нагрузка на зуб фрезы возрастает от нуля до максимума, при этом сила, действующая на заготовку, стремится оторвать ее от стола, что приводит к вибрациям и увеличению шероховатости обработанной поверхности. Для дальнейшей оптимизации необходимо рассмотреть причины возникновения таких вибраций и выделить способы их уменьшения.

Вибрации всегда сопровождают любой процесс механической обработки и являются одним из негативных факторов.

Различают 3 основные группы вибраций в зависимости от источника:

- Вибрации сочлененной технической системы. При механической обработке такой системой является система «Станок-инструмент-деталь», а вибрации связаны с наличием сочленений и соединений между элементами этой системы.

- Термомеханические вибрации, возникающие в зоне резания и связанные с деформацией заготовки, стружки и режущей части инструмента.

- Регенеративные вибрации. Если рассматривать процесс фрезерования (рисунок 4.5), то очевидно, что каждый зуб фрезы, совершая колебания, оставляет за собой волнистую поверхность заготовки, и в результате каждый последующий зуб срезает слой заготовки переменной толщины, что в свою очередь приводит к осцилляциям силы резания и появлению вибраций.

Влияние каждой группы вибраций в целом на устойчивость неодинаково. Автоколебания, возникающие из-за регенерации поверхности, оказывают наибольшее влияние в сравнении с остальными двумя группами.

Рисунок 4.5 - Регенеративные вибрации при фрезеровании

Все три группы колебаний взаимодействуют. При обработке с низкими скоростями появляются низкочастотные автоколебания. Частота таких вибраций близка к частоте собственных колебаний технической системы и узлов станка. При обработке с высокими скоростями частота возникающих вибраций приближается к частоте волновых процессов в зоне резания.

Регенеративные вибрации, как вид автоколебаний, существуют постоянно и не затухают из-за переменной силы резания. Осциллировать силу резания заставляют переменные параметры, такие как толщина реза, угол зацепления между фрезой и заготовкой, появление нароста на режущей кромке.

Развитие теории регенерации колебаний продолжается до настоящего времени, и соответствующие диаграммы устойчивости становятся все более популярными. Такие диаграммы отражают зависимость устойчивости процесса резания от параметров обработки, таких как скорость вращения шпинделя и радиальная глубина резания (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 - Диаграмма устойчивости

На рисунке 4.6 видно, что на высоких скоростях можно обеспечить устойчивость процесса обработки при сравнительно большой глубине резания. Использование такой диаграммы позволяет подобать оптимальные параметры обработки, которые позволят и сохранить устойчивость процесса резания, и повысить эффективность работы.

Существует различные пути уменьшения вибраций при обработке:

1) Увеличение жесткости технологической системы (уменьшение вылета инструмента);

2) Избегать прерывистого резания(уменьшение шага зубьев фрезы);

3) Балансировка быстро вращающихся частей технологической системы;

4) Устранение дефектов в передачах и кинематических цепях станка;

5) Изоляция технологической системы от внешних источников вибрации (виброопоры, изолированные фундаменты и т.п.);

6) Выбор оптимальных режимов резания;

7) Применять оптимальные СОЖ (уменьшение трения в зоне резания).

8) Использование инструмента с рациональной геометрией.

4.2 Расчет напряженно деформированного состояния

Напряженно деформированное состояние (НДС) конструкции -- совокупность внутренних напряжений и деформаций, возникающих при действии на неё внешних нагрузок, температурных полей и других факторов.

Напряженно деформированное состояние определяется двумя методами. Расчётным и экспериментальным, в виде распределения напряжений, деформаций и перемещений в конструкции. НДС является главным критерием для оценки статической прочности и ресурса конструкций на всех этапах жизненного цикла изделия.

При расчёте напряженно деформированного состояния особым образом идеализируется расчётная схема. С внедрением современных универсальных численных методов расчёта сложная конструкция может рассматриваться как совокупность простых механических элементов (балок, пластин, стержней).

НДС классифицируется на местное и общее.

Общее НДС определяется в силовых элементах конструкции без учёта концентрации напряжений, вызванных местными конструктивно-технологическими особенностями (отверстиями, выточками и пр.).

Местное НДС определяется в районе концентратора напряжений и учитывает вид концентратора и приложенную нагрузку.

Фрезерование характеризуются наиболее сложной кинематикой и динамикой резания, связанной с переменностью срезаемого слоя, ударностью процесса врезания и их периодической повторяемостью. Для исследования аспектов фрезерования применяется анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в момент механической обработки.

Напряженно-деформированное состояние при резании определяется геометрией режущего инструмента и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, и чаще всего описывается моделью ассиметричного остро заточенного клина, внедряемого в упругопластическое твердое тело и совершающего скольжение в направлении плоскости резания, при этом толщина срезаемого слоя является постоянной.

В данной работе расчет НДС произведен для определения процессов проходящих во время обработки заготовки, в тех зонах, где наблюдаются зарезы и дробление материала.

С развитием компьютерных технологий и средств математического анализа на мировом рынке появляется все больше программных продуктов позволяющих производить расчеты напряженно деформированного состояния с высокой точностью. Одним из таких продуктов является интегрированный, в SolidWorks, модуль инженерного анализа SolidWorks Simulation, который и будет использоваться в данной работе.

При фрезерной обработке для расчета НДС необходимо знать нагрузки, с которыми инструмент воздействует на заготовку. К таким нагрузкам относится окружная сила резания и крутящий момент при фрезеровании.

Окружная сила резания (тангенциальная) наиболее важная сила, так как она производит основную работу резания и по ней рассчитывают крутящий момент. Расчет данных нагрузок произведен по формулам:

(4.1)

где C - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и материала из которого изготовлен режущий инструмент;

tх - глубина фрезерования, мм;

Sy - подача, мм/зуб;

B - ширина фрезерования, мм;

z - число зубьев фрезы, шт;

Dq - диаметр режущего инструмента, мм;

x, y, q - показатели степеней зависящие от обрабатываемого материала и материала из которого изготовлен режущий инструмент.

(4.2)

где P - окружная сила, Н;

D - диаметр режущего инструмента, мм.

4.2.1 Расчет НДС в момент возникновения "затягивания"

Для предотвращения дальнейшего возникновения зарезов производится анализ напряженного деформированного состояния детали, в моменты, когда образовались данные дефекты. Информацию о моменте времени обработки, в который произошло затягивание инструмента, как правило, сообщает наладчик, производивший обработку первой детали.

Использую формулы (4.1) и (4.2) производится расчет нагрузок действующих в процессе обработки.

Коэффициент С указывается в справочных таблицах для каждого материала отдельно. Для алюминия его значение равняется 40.

Принимая во внимание то, что случай повреждения детали (рисунок 4.1 и рисунок 4.2) произошли на чистовых проходах режущего инструмента, для расчета силы резания величина t принимается равной величине съема чистового прохода - 0,05 мм.

Подачу на зуб можно определить двумя способами. Первый способ - это стандартное значение из каталога режущего инструмента. Второй способ подразумевает под собой тот факт, что с учетом опыта внедрения большого количества управляющих программ на определенном типе оборудования и постоянством поставляемого материала, технолог-программист задает собственные значения подачи на зуб или скорости подачи стола станка. При использовании параметра скорости подачи стола станка, для получения необходимого значения S, производится перерасчет значения по формуле:

(4.3)

где S-подача на зуб, мм;

Vc - скорость подачи стола, мм/мин;

N - частота вращения шпинделя, об/мин;

z - количество зубьев фрезы, шт.

Имея значения Vc,=400 мм/мин, N=2000 об/мин и z=3, получаем значение S=0,027 мм.

Ширина фрезерования устанавливается равной 40% от диаметра фрезы 20 мм. и равняется 8 мм.

Число зубьев фрезы z - 3.

Используя эти данные в формуле (4.1) получаем значение силы резания Р:

Н.

Далее производится расчет крутящего момента по формуле (4.2):

Н*мм,

Применив полученные данные для расчета НДС, получаем эпюру напряжений по Мизесу (пластическая деформация наступает тогда, когда интенсивность напряжений достигает величины, равной пределу текучести при напряженном состоянии) (рисунок 4.7 и рисунок 4.8).

Рисунок 4.7 - Эпюра напряжений

Рисунок 4.8 - Эпюра напряжений

Как видно из полученных эпюр, в зонах отмеченных красным и желтым цветом, напряжения превосходят предел текучести, установленный для данного материала, образую в этом месте пластическую деформацию с последующим "затягиванием" фрезы в тело детали.

Для предотвращения зарезов и оптимизации управляющей программы можно рассмотреть два способа. Подробные данные способы описаны в пункте 5.2.

4.2.2 Расчет НДС в момент возникновения дробления

Так же как и в предыдущем случае, для выявления "слабых мест" управляющей программы в процессе обработки, в момент возникновения дробления материала

Принимая во внимание тот факт, что процесс дробления вызван вибрациями, возникающими в момент врезания режущего инструмента в заготовку, расчет НДС проводится на определение величины отклонения ("отжима") заготовки от инструмента.

Для последующего расчета используем те же формулы, что и в п.4.2.1, используя данные из таблицы 4.1.

Таблица 4.1 - Данные для расчета НДС

Параметр	Значение
С	25
t	0,05мм
S	0,04 мм
B	20 мм
z	2
D	20 мм

Н.

Н*мм,

Используя алгоритм аналогичный, использованному при предыдущих расчетах, получаем эпюру пространственных перемещений изображенную на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 - Эпюра перемещений

Как видно из эпюры, в точку захода фрезы в деталь, создаются максимальные отклонения от плоскости составляющие 35 микрон. Следует отметить, что величина перемещения резко снижается, при дальнейшем заходе режущего инструмента в материал, тем самым уменьшая вибрации, что хорошо видно на самой детали (рисунок 4.3) и на представленной эпюре (рисунок 4.9).

Подводя итог, можно сказать, что благодаря проведенному анализу и исследованиям НДС была определена природа дефектов обработки и выявлены "слабые" места управляющей программы. Так же, можно отметить, что возможности САМ-системы, использованной для создания УП, и ее верификатора не позволили выявить данные дефекты на стадии разработки управляющей программы, дав тем самым, возможность для корректировки и оптимизации.



5. ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ

Оптимизацией программы называют такие преобразования, которые позволяют сделать ее более эффективной, т.е. сделать ее более экономной по памяти и/или более быстрой по выполнению тех же функций, что и до оптимизационного преобразования.

На сегодняшний день на предприятиях приборо- и машиностроения замечено увеличение выпускаемой продукции повышенной сложности. В след за, изделиями, усложняется и металлообрабатывающее оборудование, станки приобретают все большую универсальность, стойки ЧПУ оснащаются новыми функциями, вследствие чего технология обработки на данном виде оборудования усложняется. В современном производстве значение ошибки может грозить серьезными последствиями для производства: порча заготовок, выход из строя узлов и всего оборудования в целом, поломка режущего инструмента, простоем оборудования на длительный период. Для предотвращения данных факторов, при программировании станков с ЧПУ необходимо использовать программные средства, основная задача которых - симулировать процессы, происходящие с технологической системой (оборудованием, инструментом, заготовкой). Вместе с этим, значимую роль в эффективности предприятия продолжает играть фактор времени, который отражается не только в сокращении времени затрачиваемого на разработку изделия, но и в постоянном сокращении его времени жизни. Необходимо иметь в виду, что, постоянный рост влияния информационных технологий в технической подготовке производства, постоянно растущее значение кооперации предприятий и тенденции в области развития виртуальных предприятий. Данный фактор вносит свои изменения в существующие методики разработки технологии производства изделий. В этой ситуации единственно возможным путем обеспечения высоких темпов, гибкости и качества производства, является использование "виртуальных производственных комплексов". С помощью этих программных систем можно осуществлять процессы верификации и оптимизации УП для различных видов оборудования с ЧПУ, производить контроль состояния обрабатывающего инструмента и заготовки, увеличить производительность парка используемых станков.

Предприятия, ставящие целью снизить затраты и поднять эффективность своего производства, часто вкладывают солидные средства на приобретение современных станков с числовым программным управлением. Но, как показывает практика, неэффективно развивать в одном направлении средства производства (станки), необходимость в постоянном развитии программного обеспечения, используемого в технологическом бюро, является такой же неотъемлемой частью достижения требуемого эффекта. Существует большое количество примеров, когда небольшое время, затраченное на проверку УП до ее запуска на оборудовании, позволяло сохранить дорогостоящее оборудование, оснастку и инструмент. Одним из таких программных инструментов, созданных непосредственно для этих целей, является ПО контроля NC-программ (верификаторы УП).

Большинство заводы теперь используют программное обеспечение для верификации для того, чтобы произвести проверку их NC-программ. Программное обеспечение может дать гарантии, что деталь, полученная сразу после первого прогона управляющей программы будет, правильной, и поэтому наладчик не должен находиться возле станка, чтобы наблюдать за процессом обработки первой детали. Таким образом, пробные прогоны NC-программ на деревяшках станут вещью прошлого.

Помимо этого, определенную пользу приносит возможность верификаторов NC-программ оптимизировать режимы обработки, а в частности скорости подачи. Время производственного цикла, ресурс инструмента и качество детали могут увеличиться в результате усовершенствованного контроля над скоростью подачи. Такая NC-программа с "оптимизированными" скоростями подачи становится проще с точки зрения ее последующего контроля станочником.

Современные стратегии обработки со сложными траекториями движения инструмента позволяют достичь высокой производительности, но они абсолютно не учитывают тот факт, как оборудование со сложной кинематикой отреагирует на сложную трехмерную траекторию перемещения инструмента. Например, каждый тип оборудования имеет свои собственные ограничения по скорости и ускорению перемещения рабочих органов, а также различные скорости выполнения команд и минимальное время реакции управляющей стойки станка с ЧПУ.

Ранее процесс тестирования и оптимизации УП применялся только при крупносерийном производстве, при котором стоимость и время, затраченные на доводку управляющих программ, окупались на выпуске многотысячной партии деталей. Но такой подход не подходит для опытного или мелкосерийного производства, так как затрачивает слишком большое количество производственных ресурсов. Из-за этого, часто, эти предприятия жертвовали производительностью станков и использовали особые, проверенные на практике параметры, обеспечивающие стабильное качество и относительно приемлемое качество обработки.

Подавляющее большинство -технологов, участвующих в создании программ для станков с ЧПУ, испытывают постоянную нехватку времени и вынуждены разрабатывать УП в максимально сжатые сроки, не акцентируя должного внимания на их эффективности для конкретного оборудования путем ручного выборы оптимальных параметров. Такая доработка ЧПУ -программ требует изготовления серии тестовых деталей.

При традиционном подходе на новых станках обычно используются такие же управляющие программы, которые уже работают на имеющихся станках с ЧПУ. УП редко переписываются, исходя из возможностей нового оборудования. Иногда причиной становится незнание технологами характеристик нового оборудования и отсутствии должных навыков при работ с ними. Обычно, новое оборудование дает возможность произвести увеличение скорости подачи, но это только один из путей повышения производительности.

Контроль траектории и её оптимизация - два пути существенного увеличения производительности и экономии средств, при относительно небольших усилиях.

Рассматривая оптимизацию на конкретном примере (оптимизация управляющей программы) выделим основные методы, по которым и будет производиться улучшение управляющей программы.

Ручная оптимизация;

Применение расчета НДС;

Оптимизация с использование ПО;

Создание "плагина" для САМ-системы или редакторов УП.

5.1 Метод ручной оптимизации

Из всего списка методов оптимизации, представленных выше, ручная доводка управляющей программы является самым трудоемким процессом. В свою основу данный принцип закладывает попереходную проверку управляющей программы технологом-программистом, на предмет выявления лишних траекторий движения инструмента, некорректно заданных режим обработки для определенных переходов, сокращения количество холостых перемещений и т.д. Данная работа требует опыта в ручном написании управляющих программ, знания основных G и М кодов, кинематики станка и определенного уровня внимательности от инженера.

Имея в своем распоряжении управляющую программу и первую деталь (рисунок 4.1 - рисунок 4.3), производится анализ обработки. По полученным результатам и данными предоставленными наладчиком/оператором станка с ЧПУ, определяются зоны (фрагменты) управляющей программы, которые можно оптимизировать. Данный анализ является необходимым элементом, в процессе ручной оптимизации, так как полная проверка (от начала до конца) управляющей программы может занять продолжительное время, которое и так затрачивается в достаточном количестве при использовании данного метода.

Можно выделить два способа ручной оптимизации. Оба способа используют общие принципы и алгоритмы, но отличаются средствами используемыми для достижения конечного результата.

Первый способ, он же самый сложный и один из первых появившихся в мировой практике, подразумевает использование простого текстового редактора, для изменения кода управляющей программы. Одним из таких текстовых редакторов, является стандартное приложения интегрированное в операционную систему Windows - "Блокнот".

Фрагмент управляющей программы в окне текстового редактора представлена на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 - Фрагмент УП в "блокноте"

Очевидно, что при данном способе сложно быстро и эффективно производить действия по оптимизации. Это обусловлено тем, что на сегодняшний день, для станков со сложной кинематикой, в частности пяти координатных фрезерных центров, подбирается номенклатура деталей со сложной формой и управляющие программы для таких деталей имеют большое количество переходов, что приводит увеличению количества кадров УП. Но несмотря на то, что способ простого редактирования не предоставляет для программиста ничего кроме текста управляющей программы, данный метод и по сей день используется на небольших производствах, которые не имеют возможности приобрести специальное ПО в силу ограниченности бюджета.

Так же, стоит отметить, что при редактировании через текстовый редактор, технолог не имеет возможности увидеть результаты своих действий до повторного прогона управляющей программы на станке, полагаясь только на свое пространственное представление траектории.

Путем решения данной проблемы явился способ оптимизации по средствам использования программного обеспечения, имеющего расширенный функционал в сравнении с обычным "блокнотом".

Как было отмечено в п.3.1.2, в данной работе использован редактор управляющих программ CIМCO Edit (рисунок 5.2). Функционал данной программы позволяет вести ручную корректировку, с мгновенным отображением изменения траектории режущего инструмента. Так же в данном редакторе существует цветовое разделение для различных элементов управляющей программы, что улучшает восприятие кода программы (например: красным цветом отмечены перемещения на быстрых ходах, зеленым линейные перемещения, синим круговая интерполяция и т.д.)

Рисунок 5.2 - Фрагмент УП в редакторе SIМCOEdit

Оба выше описанных способа по своей методика не отличаются друг от друга и в силу удобства использования второго способа, действия по оптимизации будет производиться с использованием расширенного ПО.

Используя специальный модуль "Backplot" редактора УП и опираясь на данные, полученные от наладчика производившего обработку первой детали, находится фрагмент обработки в управляющей программе, который подлежит корректировке. Данная функция позволяют экономить солидное время на поиск нужных кадров, избегая ручного поиска.

Путем ручной корректировки значений координат и режимов обработки, производятся действия по оптимизации выбранного участка управляющей программы или всей программы в целом.

В процессе "доводки" УП могут быть скорректированы следующие параметры:

координаты перемещений инструмента по осям X,Y и Z;

координаты перемещения стола станка по осям А и С;

значения режимов обработки S (обороты шпинделя) иF(подача стола) для различных переходов;

значение G команд для циклов сверления и нарезания резьбы;

выполнение предварительной команды подготовки следующего инструмента.

Следует отметить, что не все изменения перемещения по координатам, которые будут произведены, могут оказаться удачными и не вызвать ошибок при отработке стойкой станка. Например, при корректировке перемещений с круговой интерполяцией G02 и G03, необходимо учитывать точность изменяемых значений X, Y, I и J, чтоб УЧПУ корректно произвело пересчет значений координат и применило значение коррекции на радиус инструмента (если таковое имеется) и не выдала ошибку "G41/G42 ошибка коррекции".

Данный метод позволяет провести лишь общую оптимизацию программы, не затрагивая моменты, касающиеся нестандартных воздействий между элементами системы СПИД.

Не смотря на все недостатки и трудность данного метода, он остается востребованным при оперативном внедрении, отработке и корректировке управляющей программы.



5.2 Метод оптимизации с применения расчета НДС

Метод оптимизации, с применением данных полученных при расчете напряженно деформированного состояния, является совокупностью инженерного анализа, разработки управляющей программы с использованием САМ-систем и метода ручной оптимизации.

Данный метод позволяет провести более углубленную оптимизацию по сравнению с предыдущим, производя корректировку траекторий движения режущего инструмента и режимов обработки с учетом расчета напряженно деформированного состояния детали, в момент образования зарезов и дробления.

Принцип работы данного метода рассмотрим на имеющейся детали "Основание". За исходные данные в данном методе берется первая готовая деталь, ее 3D-модель, данные о режущем инструменте и управляющая программа.

Опираясь на анализ дефектов первой детали (п.4.1) и расчеты НДС произведенные в п.4.2, имеем исходные данные для корректировки кода программы. В связи с тем, что природа между дефектами изображенными на рисунках 4.1 и 4.3 различна, то пути оптимизации будут различаться.

Наиболее заметным и более критичным повреждением является "затягивание" фрезы в тело детали. Данный процесс негативно влияет на все элементы технологической системы и должен быть устранен в первую очередь.

Установив природу и момент возникновения дефекта (обработка на чистовом проходе со съемом 0.05 мм.), производится корректировка значений параметров обработки (величина снимаемого материала, режимы обработки, изменение траектории обработки) и производится повторный расчет НДС.

Производя перерасчет НДС, используются формулы (4.1), (4.2) и (4.3). Для получения оптимальных значений напряжения, не превосходящих предел текучести для данного материала, необходимо произвести изменения величин подачи на зуб, оборотов шпинделя и величины снимаемого слоя.

Для первого перерасчет примем значения F=100 мм/мин, S=5500 об/мин и t=0.01 мм.

Используя данные значения получаем величину Р=21,5 Н и М=215 Н*мм. Применив эти данные для расчета напряженно деформированного состояния, получаем эпюру напряжений рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 - Эпюра напряжений для первого перерасчета

Как видно из данной эпюры, значения принятых исходных данных оказались слишком малы. В результате данного исследования можно выделить как сильные, так и слабые стороны. К положительной стороне относится то, что при данных режимах и величине съема материала, гарантированно исключена возможность повреждения детали и возникновения зареза в данном месте обработки. К недостаткам можно отнести то, что уменьшение значения подачи и величины снимаемого материала приводит к увеличению времени отработки кадра управляющей программы, что при общем использовании может значительно увеличить время всей программы в целом. Поэтому следует подобрать такие значения параметров обработки, которые будут обеспечивать одновременно и качество детали и относительно малое время программы.

Проведя серию расчетов НДС, были подобраны оптимальные значения величин режимов обработки и количество снимаемого материала. При значениях F=200 мм/мин, S=5000 об/мин и t=0.03 мм, была получена эпюра (рисунок 5.4) максимально удовлетворяющая требованиям оптимизации.

Рисунок 5.4 - Эпюра напряжений

Аналогично производится расчет НДС для второго участка детали, на котором произошло "затягивание" инструмента. Были установлены оптимальные значения подачи, оборотов и глубины резания. Эпюра напряжений представлена на рисунке 5.5.

F=280 мм/мин,

S=5200 об/мин;

t=0.04 мм.

Рисунок 5.5 - Эпюра напряжений

Методика расчета напряженного деформированного состояния для участка детали, в котором возникли вибрации, производится аналогично. Отличием является критерий оценки в связи с различной природой дефекта. Если в предыдущих расчетах производилась оценка по величине напряжения на детали, то в данных расчетах, оценка ведется по величине перемещения детали в момент обработки относительно своего статичного положения.

Использовав ранее полученные данные и проведя серию расчетов напряженного деформированного состояния, были получены следующие значения величин влияющих на качество получаемой поверхности: F=240 мм/мин.,S=5000 об/мин.,t=0,04 мм.. Данные отображенные на эпюре перемещений (рисунок 5.6) указывают на то, что величина отклонения не превышает допустимое значение, а следовательно, при использования полученных значений, возникновение вибраций приводящих к дефекту поверхности исключено.

Дальнейшим этапом по оптимизации является изменение управляющей программы. Данные действия могут производиться двумя различными способами. Первый способ аналогичен ручной оптимизации и подразумевает под собой ручное изменение управляющей программы по средствам редактора УП. Вторым способом является изменение, полученных в результате расчетов величин, непосредственно в среде САМ-системы, путем указания необходимых численных значений в параметрах перехода обработки.

Рисунок 5.6 - Эпюра перемещений

Выбор одного из способов корректировки управляющей программы, целиком и полностью, ложиться технолога-программиста, который учитывает все факторы, влияющие на разработку и оптимизацию.



5.3 Оптимизация с использованием программного обеспечения

Оптимизация с использованием программного обеспечения получает все большую популярность среди крупных предприятий, использующих дорогостоящее механообрабатывающее оборудование. Большинство производителей САМ-систем создают и программы для оптимизации траекторий, движений и режимов обработки. Данные программы могут поставляться как отдельные продукты, так и как встроенные модули непосредственно в саму САМ-систему. Часто встречающимися примерами таких программ являются: Vericut (CGTech), NX (SieМens), PTC CreoParaМetric (бывш.Pro/ENGINEER) (РТС), отечественная система Техтран (НИП-Информатика). Для рассмотрения вопроса оптимизации воспользуемся данными по программе Vericut и его модулю OptiPath.

Данное программное обеспечение позволяет производить корректировку управляющих программ по большому спектру показателей. К таким особенностям относится разделение оптимизация черной и чистовой обработки отдельно друг от друга.

Цель черновой обработки -- удаление как можно большего количества материала за меньшее время. OptiPath обеспечивает поддержку максимально безопасных режимов работы инструмента при различных условиях резания. Например, при плоскостной черновой обработке детали из алюминиевого сплава, удаление материала можно осуществлять с постоянной глубиной резания, а ширину резания при этом, от прохода к проходу, варьировать в широком диапазоне значений. OptiPath производит изменение скоростей подачи, для поддержания постоянного объема снимаемого материала.

При чистовой обработке толщина стружки обычно зависит от геометрии, оставшейся после черновой обработки. OptiPath делает возможным произвести оптимизацию скорости подачи таким образом, чтобы обеспечить неизменное значение толщины стружки. Результатом этого является повышение стойкости режущего инструмента и улучшения качества поверхности при обработке. Эти моменты особенно важны при обработке сферическими фрезами или при контурной обработке с малым значением ширины резания. Например, при получистовой или чистовой обработке формообразующих. Неизменная величина толщины снимаемой стружки рекомендуется почти всеми производителями инструмента.

Преимуществом программной оптимизации является возможность работы с УП для обработки сложных сплайн-поверхностей. Данные продукты позволяют оптимизировать подачу режущего инструмента на протяжении всей траектории его движения. Более подробно данный процесс изображен на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 - Сравнение УП

Так же к особенностям данного вида оптимизации стоит отнести то, что программа позволяет корректировать управляющую программу, созданную для высокопроизводительной высокоскоростной обработки. Модуль OptiPath отслеживает величину снимаемого материала и производит корректировку режимов обработки, сохраняя постоянную толщину стружки. Это дает возможность не только обеспечить более эффективный процесс механической обработки, но и защитить оборудование и режущий инструмент от поломки (рисунок 5.8).

Использование данного метода позволяет добиться максимального эффекта для производства, за счет следующих показателей:

улучшения качества обработки - фиксированное усилие резания способствует меньшему отжиму инструмента или полностью исключает данное явление. Благодаря этому обеспечивается качество обработки в углах, на ребрах и на участках сопряжения, при чистовом переходе;

Рисунок 5.8 - Высокоскоростная обработка

увеличивается жизненный ресурс металлорежущего инструмента;

уменьшается износа станка - фиксированное значение усилия резания снижает нагрузки на приводы и обеспечивает их плавную работу;

оптимальное использование времени.

Принимая во внимания все особенности данного метода оптимизации, хочется отметить, что на данный момент он является самым оптимальным и предоставляет максимальную эффективность оптимизации. Но также, нельзя не сказать о том, что подобный способ улучшения управляющей программы является дорогостоящим, лицензии на программное обеспечение исчисляются тысячами долларов, и не все предприятия могу позволить себе их использование, открывая тем самым возможности для поиска других путей по оптимизации.

5.4 Создание "плагина" для САМ-системы или редактора УП

Промежуточным звеном, на пути между ручной и программной оптимизацией, можно отметить метод создания программных модулей динамически подключаемых к САМ-системе или редактору и расширяющие ее возможности.

Одним из основных этапов данного метода, является постановка задачи(критерия) по которому будет производиться оптимизация (в расчет не берутся универсальные модули больших размеров выполняющие сразу несколько функций). На этом этапе программист выбирает ту характеристику (значение, элемент) управляющей программы, который будет редактироваться. Данный выбор сугубо индивидуален и подбирается для каждого конкретно случая. В данной работе рассматривается возможность изменения режимов обработки на чистовых проходах в процентном соотношении с величинами установленным для черновой обработки.

Последующим шагом при создании плагина, идет процесс создания алгоритма работы данного модуля. Наиболее наглядным способом для этого процесса является создание блок-схемы алгоритма (рисунок 5.9).

Одной из особенностей создания данного плагина, является владение навыками программирования. В рамках диссертационного исследования, при создания программного модуля были использованы такие языки программирования как Delphiи JavaScript.

Основной задачей программного модуля, была выбрана замена параметров в управляющей программе влияющих на получение чистовых

Рисунок 5.9 - Блок-схема алгоритма

поверхностей в процессе обработки детали. Такими параметрами являются режимы обработки, характеристики режущего инструмента и величина снимаемого слоя материала. Плагин (рисунок 5.10) взаимодействует, напрямую с редактором управляющей программы, производя корректировку кода УП.

Принцип работы данного модуля основан на том, что пользователь (технолог-программист), заранее зная параметры необходимые для замены, указывает диапазон величин снимаемого материала на чистовом проходе и указывает на номер инструмента в программе, по исходным значениям выбирает нужный переход. Далее путем ввода в пустые ячейки требуемых значений, производит замену значений данных параметров непосредственно в самой управляющей программе.

Использование данного плагина на практике показало его эффективность при работе с управляющими программами для пяти координатных фрезерных центров. В связи с большим объем УП, программный модуль производит действия по оптимизации в разы быстрее, чем, если б эти же действия выполнял человек.

Рисунок 5.10 - Плагин оптимизации УП

Как и любой другой, данный метод имеет свои сильные и слабые стороны. К преимуществам можно отнести относительную простоту и доступность данного метода, удобство использования и широкий диапазон возможностей данных плагинов, затраты времени и средств на которые значительно меньше, чем на разработку полноценных программных продуктов описанных в п.5.3. К минусам данного метода, в первую очередь, тот факт, что не в каждом технологическом бюро есть специалисты способные создать подобное средство оптимизации, из-за нехватки или отсутствия знания по языкам программирования. Так же к недостаткам относится то, что для полноценной оптимизации управляющей программы по большому количеству критериев потребуется создание не одного, не двух, а целого десятка простых плагинов, с последующей необходимостью объединения их в единое решение. Данный процесс влечет за собой значительные затраты времени, которое является дорогостоящим ресурсом на небольших производствах и предприятиях.