Технологическая реализация системы подготовки обработки детали станка с числовым программным управлением

Почти одновременно с  появлением методологии обобщенного постпроцессирования, начал разрабатываться метод создания универсальных постпроцессоров. Такие постпроцессоры последовательно читают записи из файла траектории движения инструмента и техкоманд (CLDATA-файл) и выполняют преобразование этих записей в один или несколько кадров управляющей программы по некоторым правилам, отличным для разных станков и систем ЧПУ.

Постпроцессор соотносит  каждой записи CLDATA-файла алгоритм ее превращения в кадр управляющей  программы, и сохранить эти правила отдельно для каждого станка-системы ЧПУ в виде файла. Именно это дало возможность создать один универсальный постпроцессор как машину, транслирующую каждую запись CLDATA-файла в кадры управляющей программы по правилам, которые можно подгружать из внешних файлов.

Такой метод получил  название "универсальный постпроцессор". Программист описывал алгоритмы  обработки каждой записи CLDATA-файла  применительно к методике ручного  программирования конкретного комплекса "станок – система с ЧПУ" и сохранял эти правила (алгоритмы) в виде текстовых файлов-постпроцессоров. Технолог, в свою очередь, лишь выбирал – при помощи какого файла-описателя алгоритмов, преобразовать свой CLDATA-файл в файл управляющей программы.

Эта идея, заимствованная из методов построения трансляторов с настраиваемой лексикой и семантикой, получила шилокое развитие на рубеже 90-х годов прошлого века. Подавляющее большинство CAD/CAM-систем используют сегодня именно такой метод для решения проблем постпроцессирования.

Особняком от всех этих способов обработки стоит разработка программного обеспечения для оборудования, с узкой сферой применения. К таким относятся всевозможные шлифовальные станки для изготовления осевого режущего инструмента. Основной проблемой разработки подобного программного обеспечения является практически полное отсутствие универсальных средств их разработки и привязанность к технологии изготовления. Также большую проблему создает существенная зависимость полученной геометрии на изделии от геометрических параметром инструмента.

Также, подобное оборудование накладывает  огромное количество ограничений на обработку, которые необходимо постоянно  учитывать.

В связи с этим, наиболее целесообразно  создавать специальные программные  модули, которые могут взять на себя всю математическую нагрузку по расчету траекторий движений, учета ограничений и создания управляющей программы.

Современные постпроцессоры для подобного  оборудования требуют только введения данных из чертежа или иной документации на изделие, а затем путем внутренних расчетов выдают готовую программу обработки, с учетом всех технологических особенностей. Подобные программные модули являются узкоспециализированными и разрабатываются по специальному заказу предприятия. Последней тенденцией стало встраивание таких модулей в систему ЧПУ, что позволило квалифицированному рабочему самостоятельно программировать сложные виды обработки.

 
2. Разработка системы подготовки обработки детали станка с ЧПУ

2.1 Функциональная  модель системы подготовки обработки  детали станка с ЧПУ

Для создания функциональной модели удобно пользоваться CALS системами. CALS – класс информационных технологий, направлен на обеспечение безбумажной поддержки жизненного цикла продукта. Предметом CALS является безбумажная технология взаимодействия между организациями заказывающими, производящими и эксплуатирующими тот или иной продукт, а также формат представления соответствующих данных. Доказав свою эффективность, CALS технологии начали активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы жизненного цикла продукта – от маркетинга до утилизации. В данном случае необходима только та часть функций системы BpWin, работающей по CALS технологии, которая отвечает за построение функциональной модели [23].

Функциональная модель представляет собой структурированное изображение  функций производственной системы  или среды, информации и объектов, связывающих эти функции. Модель строится методом декомпозиции: от крупных составных структур к  более мелким и простым.

На нулевом уровне (рисунок 2) вся  система представляется в виде черного  ящика, целью которого является создание управляющей программы для системы  ЧПУ. Для этого на вход системы  должен поступить ряд данных. Данные из чертежа изделия включают весь комплекс информации о геометрических свойствах изделия, его размерах, наборе поверхностей, подлежащих обработке, их точности и шероховатости.

Технологический процесс содержит рекомендации по режимам резания, технологической  оснастке, применяемой при данной обработке. Также в технологическом процессе могут содержаться технологические нюансы обработки, которые обязательно надо учесть при создании управляющей программы системы ЧПУ.

Также на вход должна поступить информация об инструменте и заготовке, которые  будут использоваться в процессе обработки данного изделия.

Рисунок 2 - Нулевой уровень  функциональной модели

Работать с данной системой будут технологи, отвечающие за технологический процесс, программисты, отвечающие за корректную работу всех программных модулей системы  и процесс постпроцессирования в код управляющей программы системы ЧПУ. Совместно с наладчиком станков с ЧПУ будет осуществляться ввод данных об инструменте и заготовке, в частности об их взаимном расположении друг относительно друга. Оператор будет вводить данные коррекции после правки кругов. Иногда функции оператора и наладчика станков с ЧПУ могут объединяться в одном специалисте.

Работа системы должна осуществляться на основании следующих  документов:

-  технического паспорта станка, в котором содержится информация об особенностях его эксплуатации, ограничениях перемещений по осям, режимах работы и габаритных ограничениях заготовки и инструмента;

-  инструкции по программированию ЧПУ, в которой содержится справочная информация о языке программирования, вспомогательных и служебных функциях, ограничениях системы ЧПУ;

-  Санитарные нормы и правила (СНИП) по работе на шлифовальных станках содержит методологию по способам безопасного ведения обработки;

-  Стандарт предприятия (СТП) предприятия на изготовление осевого режущего инструмента содержит всю технологическую базу по обработке данного инструмента, накопленную за все время его работы, а также возможные варианты решения спорных вопросов по конструкции изделия и технологии его обработки.

Результатом работы будет  выдача управляющей программы для системы ЧПУ, карты наладки для данного оборудования или кода ошибки, если введенных данных не достаточно, либо они ошибочны и выполнить расчеты и преобразования по ним не возможно.

На первом уровне система  разбивается два модуля (рисунок 3).

Первый модуль занимается расчетом перемещений инструмента, учитывая технологические и технические  ограничения. Все входные данные поступают именно на этот модуль и  соответственно все их преобразования также происходят в этом модуле. В связи с этим, этот модуль должен работать со всеми выше перечисленными документами. Работать с этим модулем должны также все выше перечисленные люди.

Модуль будет выдавать два вида файлов. Одна группа файлов будет являться управляющей программой системы ЧПУ, две другие группы файлов системные, обеспечивающие связь первого модуля со вторым. Первая группа системных файлов должна передавать исходные данные, содержащие информацию об оснащении станка (тип оснастки, инструмент, заготовка, их взаимное расположение). Вторая группа файлов должна содержать рассчитанные данные (траектории всех перемещений инструмента).

 

Рисунок 3 - Первый уровень функциональной модели

Второй модуль обеспечивает визуализацию обработки в анимированном, фотореалистичном виде. Данный модуль обеспечивает возможность наглядно проследить весь процесс обработки и введя необходимые поправки избежать получения бракованной продукции. Также этот модуль позволит провести процесс отладки и оптимизации программы на этапе ее создания.

Работать с этим модулем должны технолог и наладчик станков с  ЧПУ. Работа модуля основывается на техническом  паспорте станка и СТП предприятия  на изготовление осевого режущего инструмента. Результатом работы данного модуля является создание карты наладки и проверка результата обработки на аномалии (отклонение размеров от заданных, геометрия поверхностей, наличие зарезов, как на изделии, так и на оснастке).

На втором уровне, модуль расчета  перемещений инструмента можно разделить на четыре этапа (рисунок 4).

Первый этап – это моделирование  заготовки [4, 5]. На нем задаются параметры  заготовки (размеры, геометрические особенности, вылет из патрона). Все это производится на основании технического паспорта станка и СТП предприятия на изготовление осевого режущего инструмента.

 

Рисунок 4 - Второй уровень функциональной модели

Заданием параметров занимается технолог, но в процессе работы параметры могут менять в определенных пределах наладчик станков с ЧПУ и оператор. После окончания ввода данных параметры заготовки в оцифрованном виде передаются на следующий этап. Следующий этап – моделирование наладки инструмента. В этом этапе задаются типы используемых кругов, их размеры и координатные привязки к системе координат станка. Профиль каждого круга должен быть поставлен в соответствие поверхности (или группе поверхностей) которую он обрабатывает, поэтому при подборе кругов и создании их наладки необходимо использовать данные чертежа изделия. При этом необходимо руководствоваться техническим паспортом станка, СТП предприятия на изготовление осевого режущего инструмента и СНИП по работе на шлифовальных станках. Вводом данных должны заниматься те же люди, что и на первом этапе. По результату этого этапа создается первая группа системных файлов, содержащих информацию об оснащении. Те же данные, что и в файле передаются на следующий этап. Третий этап – моделирование обработки. Самый важный этап, на котором создается траектория обработки. Траектория должна учитывать особенности технологического процесса, и применяемого инструмента. Ввод данных на этом этапе осуществляет только технолог. На этот этап оказывают влияние те же документы, что и на втором этапе. На этом этапе формируется группа системных файлов, содержащих информацию обо всех перемещениях инструмента и заготовки, та же информация передается на следующий этап. На трех выше перечисленных этапах при определенных условиях необходимо вводить поправки по результатам визуализации. Это сделано для того, чтобы система могла работать в условиях реального производства, где невозможно учесть всех случайностей, как то: отсутствие заказанного инструмента, отклонений заготовок, наличия оснастки и т.д. Последний этап – постпроцессирование. На этом этапе вся набранная системой информация преобразуется в управляющую программу системы ЧПУ. Преобразование осуществляется программистом на основании инструкции по программированию ЧПУ станка. Этап моделирования обработки в свою очередь можно разделить еще на два этапа (рисунок 5). Первый этап – анализ геометрии изделия. На этом этапе технолог производит настройку приложения для максимально объективного преобразования данных в графическую информацию. Сюда необходимо подать информацию об оснащении и об инструменте. Здесь технолог вводит все уточнения по конструкции изделия, которых не было в чертеже. Все уточнения вводятся на основании СТП предприятия на изготовление осевого режущего инструмента.

Рисунок 5 - Третий уровень функциональной модели

В результате проведенного анализа  на следующий этап передаются все  геометрические параметры в оцифрованном виде [24]. Второй этап – назначение технологических переходов. На этом этапе технолог выделяет отдельные элементарные операции в соответствии с технологическим процессом и применяемым инструментом. Определяет все траектории движений на каждой операции в соответствии с СТП предприятия на изготовление осевого режущего инструмента, СНИП по работе на шлифовальных станках и техническим паспортом станка. По итогам этого этапа выдается информация о перемещениях в группу системных файлов и на этап постпроцессирования.

2.2 Алгоритм работы  программного модуля

Обобщенный алгоритм работы программного модуля мехатронной  системы станка с ЧПУ показан  на рисунке 6.

Рисунок 6 - Алгоритм работы программы

Первым этапом работы с программным модулем является ввод исходных данных. Исходные данные должны включать геометрические свойства изделия, заготовки, инструмента, особенности  технологии обработки, конструктивные особенности оснастки и так далее [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Все эти параметры должны вводиться в удобной для пользователя форме. Каждый из этих параметров должен вводиться отдельно друг от друга, но иметь определенные связи между собой. Связи обеспечивают создание ограничений на вводимые данные.

Сразу после ввода  данных программа запускается на расчет траекторий движения инструмента. Этот процесс должен быть максимально  автоматизирован, и иметь определенные настраиваемые параметры, чтобы  быть достаточно универсальным.

Траектории движений инструмента сохраняются в виде понятном только программному модулю. Чтобы заставить пакет 3D моделирования  читать эти данные, их необходимо преобразовать  в вид, понятный этому пакету. Затем  эти данные запускаются на выполнение пакетом 3D моделирования.

В этом пакете вначале  отрисовываются все основные элементы станка, находящиеся в зоне обработки, вся оснастка, рекомендованная к  применению, а также инструмент и  заготовка. Далее пакет, имитируя все  перемещения инструмента относительно заготовки, осуществляет вычитание одного тела из другого. Таким образом, формируется наиболее приближенная к действительности 3D модель детали. С этой моделью можно производить целый ряд действий: промерить все основные размеры, оценить топологию построения поверхностей, произвести контроль зарезов оснастки, элементов станка и заготовки во время всех технологических переходов.