Изготовление корпусных деталей с использованием преимуществ 2,5-координатной обработки

Григорий Иванец

При разработке САD/CAM-систем исторически сложилось так, что модули 2,5-координатной (2,5D) обработки развивались с учетом технологического опыта разработки программ на предприятиях, а также использования в программах непосредственно команд станка, вызывающих станочные циклы CNC-систем (сверлильные, расточные, резьбонарезные, фрезерные). Разработка же модулей 3D-обработки уходит своими корнями в потребности инструментального производства, где основными изделиями являются детали пресс-форм и штампов с формообразующими элементами. Задача 3D-обработки — в кратчайшие сроки обеспечить разработку программ, реализующих обработку требуемой детали с помощью нескольких типоразмеров фрез. Модули 3D-обработки преимущественно решали задачи автоматического расчета черновой обработки детали из заготовки в форме параллелепипеда, расчета шага между строчками по заданной высоте гребешка, обеспечения беззарезной технологии обработки, доработки необработанных зон после предыдущего инструмента — то есть задачи, универсальные для большинства формообразующих деталей. Модули 2,5D в основном решают задачи получения точностных характеристик заданных деталей, что обеспечивается вводом коррекции на радиус, устранением погрешностей, связанных с отгибом инструмента и его износом. Соответственно и подходы в модулях 3D- и 2,5D-обработки различны.

В системе ГеММа-3D модули 3D- и 2,5D-обработки всегда развивались параллельно — как ветви одного фрезерного модуля. Поэтому появление в конструкторских бюро предприятий множества разнообразных пакетов трехмерного моделирования не застало разработчиков системы врасплох. Именно ориентация на необходимость импорта трехмерной геометрии из любой CAD-системы явилась основанием для выбора IGES-формата в качестве главного средства обмена данными с внешними системами.

В системах 2,5D-обработки геометрию детали можно описать совокупностью контуров, представляющих собой объединенную в общий примитив последовательность  простейших математических геометрических элементов (отрезков, дуг, сплайнов, канонических кривых типа «спираль Архимеда» и т.п.). В CAD-системах аналогом контура является полилиния.

В некоторых САМ-системах контур детали описывается при помощи языковых операторов. Исходный текст программы состоит из двух частей. В первой части описывается расчет точек и параметров дуг, на основе которых будет создан контур. Во второй части задается контур вместе с технологическими параметрами обработки его отдельных элементов. Такой подход имеет богатую биографию. Он лежал в основе самой старой системы АРТ, получившей широкое распространение в 80-90-х годах прошлого века. Поэтому большинство САМ-систем, в том числе ГеММа-3D, поддерживают выдачу результата расчета траектории инструмента на языке АРТ. Языковой подход позволяет легко создавать параметрические исходные тесты описания программ, но он оказался неприемлемым для стыковки с трехмерным моделированием.

В системе ГеММа-3D контур всегда описывался посредством построения на экране геометрических примитивов с помощью выпадающих меню и команд графического редактора, встроенного в систему. Это дало возможность импортировать геометрию 3D-модели в модель 2,5D-обработки параллельным проецированием границ поверхности на заданную плоскость, используя в качестве вектора направления проецирования вектор нормали к плоскости. Для иллюстрации вышесказанного рассмотрим пример модели корпуса на рис. 1. Для обработки участка, выделенного зеленым цветом, контур детали вместе с выступом проецируется в плоскость задания технологии обработки (в  нашем примере плоскость А90), так как она образуется поворотом вокруг оси Х на 90° плоскости ХУ. Имя плоскости должно быть понятно при внедрении программ в производство и при их авторской поддержке. Плоскость обработки является плоскостью ХУ локальной системы координат (ЛСК). Пример создания ЛСК показан на рис. 2. Ось шпинделя всегда параллельна оси Z ЛСК. В системе ГеММа-3D имеется большое количество опций задания ЛСК. В том числе можно использовать координатные плоскости исходной системы координат и плоскости, параллельные ранее созданным.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Для создания технологического прохода 2,5D-фрезерования минимальной информацией является контур обработки (хотя в системе ГеММа-3D есть и опция «Ручная гравировка», позволяющая формировать контур в процессе разработки прохода по точкам с использованием «резиновой нити», но она позволяет задать только перемещения центра фрезы). Для обработки зеленой грани нужно перевести в плоскость контур зеленой грани, а также контуры границ желтых выступов (рис. 3). Элементы данного контура будут по-разному использоваться для различных глубин обработки.

Контуры желтых выступов должны быть обработаны точно, поэтому в технологии они представляются как контуры детали (рис. 4). Остальные контуры на глубине положения зеленой грани служат ориентиром, обеспечивающим задание зоны обработки. Зона обработки, необходимая в технологических переходах обработки открытых карманов, задается с помощью контура заготовки. В качестве контура заготовки не обязательно задавать истинные границы грани. Чаще всего задается некий габаритный прямоугольник, поскольку его легко построить в редакторе по двум диагональным точкам. Выход фрезы за пределы контура заготовки регулируется в параметрах прохода. При обработке закрытых карманов контур заготовки не требуется. В некоторых случаях в состав модели обработки входят контуры прижимов — они задаются как ограничивающие контуры. Состав контуров, которые входят в модель, задается в специальных окнах параметров (рис. 5). Эти окна выдаются  при выборе одной из опций обработки карманов  («Подбор штриховкой» и «Карман эквидистантой»). В первой опции строки формируются параллельно друг  к другу под заданным углом к горизонтали, а во  второй — эквидистантно контуру детали и заготовки (рис. 6). Режимы резания и глубины обработки задаются в таблице технологических параметров прохода (рис. 7). В новой версии системы введены кнопки расчета режимов резания и задания глубины и высот по фронтальной проекции детали (рис. 8). Также в новой версии добавлено врезание по винтовой линии.

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Если карман закрытый, с малыми радиусами скругления, или  имеет внутри выступы, то его невозможно обработать одним инструментом большого диаметра. Для точного расчета необработанной зоны в системе ГеММа-3D имеется опция «Вписать фрезу».  Можно также оценить площадь, обработанную предыдущими инструментами, в опции «Динамика». Для каждого из инструментов можно использовать свой контур заготовки. Так, для доработки участка между выступами фрезой меньшего диаметра построим маленький прямоугольник и получим в опции «Контур экв.» проход, обеспечивающий доработку зоны (рис. 9). На рис. 10 показан контроль зоны обработки, полученной после отработки фрезы диаметром 20 мм и диаметром 10 мм.

При работе с трехмерной моделью помимо визуализации проходов в плоскости обработки можно выполнить просмотр движения фрезы непосредственно на модели, чтобы оценить, все ли элементы внешнего окружения зоны обработки были учтены при разработке данного 2,5D-прохода (рис. 11).

Для чистовой обработки контура детали предназначены опции «Контур» и «Контур эквидистантой». Рассмотрим их работу на примере обработки желто-серой грани, показанной на рис. 12. После создания плоскости обработки и проецирования линии контура получим исходную модель для разработки 2,5D-прохода (рис. 13).

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

Рис. 15

Рис. 16

Рис. 17

В отличие от традиционных 3D-опций, в 2,5D-опциях можно задать направление коррекции на радиус и элементы подхода и отхода от контура. В опции «Контур эквидистантой» задание этих элементов выполняется автоматически в соответствии с выбранными параметрами подхода (рис. 14) и положением точки начала и конца обработки. На рис. 15 показана траектория, наиболее технологичная для обработки первым инструментом, когда подход и отход можно выполнить за пределами детали. Если в опциях указать величину дуги касательного элемента при подходе, то при выходе на контур в пределах реального металла автоматически формируется  элемент подхода к контуру по касательной дуге (рис. 16). На траектории слева отход выполнен по нормали к контуру, потому что точка конца обработки была указана за пределами контура. На траектории справа отход также производится по касательной, так как точка конца обработки находится на контуре. Траектория может быть как эквидистантной к контуру, так и совпадать с контуром детали (в этом случае величина  коррекции  равна диаметру инструмента). Для второго варианта в опции «Контур эквидистантой» нужно просто выбрать вариант «Обработка по контуру». Технолог может сам назначать подходы-отходы в графическом режиме, но для этого он должен работать с опцией «Контур», окно параметров которой показано на рис. 17. Опция «Контур» позволяет уже при задании видеть точное положение элементов подхода-отхода, поскольку они изображаются в виде бегунка, приклеенного к контуру (рис. 18). Смещение мыши вызывает смешение белого бегунка. Справа на рис. 18 показана траектория по контуру с касательными элементами подхода-отхода. Возникает вопрос, не дублируют ли опции друг друга? Нет, не дублируют. В опции «Контур» более развиты элементы подхода-отхода, а в опции «Контур эквидистантой» — работа с эквидистантой. Например, во второй опции можно задать автоматическое скругление во внутренних углах эквидистанты для обеспечения плавности движения  инструмента и облегчения расчета коррекции для старых систем ЧПУ (рис. 19). Для обеспечения плавности обхода внешних углов и одновременно для их гарантированной остроты на металле введена опция расчета технологических эквидистант. На рис. 20 показаны исходные параметры  и результат расчета технологической эквидистанты для нашего контура. После корректировки эквидистанты путем скругления внутренних углов радиусом 1 мм (утилита «вписать фрезу») в опции «Контур» получена гладкая траектория, удовлетворяющая самым строгим требованиям к технологии обработки детали по контуру (рис. 21).

Рис. 18

Рис. 19

Рис. 20

Рис. 21

Доказательством того, что в системе ГеММа-3D в алгоритмы модуля 3D-фрезерования включены подходы 2,5D-фрезерования, служит опция «Подборка» в черновой обработке карманов. При работе с концевыми фрезами в ней можно, так же как и в опции «Контур эквидистантой», задавать характеристики ввода коррекции на радиус инструмента и определять параметры подхода-отхода от контура (рис. 22). На рис. 23 показана соответствующая траектория 3D-обработки.

Рис. 22

Рис. 23

Рис. 24

Рис. 25

Совокупность заданных параметров и выбранных контуров из модели обеспечивает формирование траектории инструмента с учетом заданных режимов резания, корректоров и других параметров. Параметры прохода можно изменять  при формировании структуры  управляющей программы.  Структура программы представляется в специальном окне в  виде таблицы (рис. 24). Наличие структуры не требует при формировании проходов обязательно соблюдать их истинную последовательность. Всегда  можно вернуться к таблице  программы, вставить новый  проход, изменить уже вставленные, а также ввести команду  для указания поворота стола  перед отработкой данного технологического прохода (рис. 25).

В настоящей статье не рассматривается механизм задания станочных циклов, так как он уже довольно давно введен в систему ГеММа-3D, а цель данной статьи — показать новые технологические подходы, которые включены в новую версию системы  для решения задачи обработки корпусных деталей удобными для технолога-программиста средствами.

САПР и графика 2`2006