Кому поручить программирование ЧПУ-обработки: программисту-технологу или оператору станка?

Производители инструментальной оснастки и другие субподрядчики по всему миру сталкиваются сегодня с двумя ключевыми проблемами. Первая из них — заказчики проектируют изделия все более сложной формы. Тенденции моды выдвигают на первый план эстетические критерии, а не функциональные особенности изделия. Кроме того, сложная форма все чаще бывает обусловлена эргономическими требованиями. Вторая проблема — несмотря на возрастающую сложность продукции, сроки работы от приема заказа до отгрузки готовой продукции продолжают сокращаться. Законы рынка таковы, что зачастую сроки поставки даже более важны, чем отпускная цена. Хотя, конечно, заказчик всегда стремится заплатить меньше, а продукцию получить как можно быстрее.

Когда компания — изготовитель оснастки берется за сложный заказ и одновременно пытается значительно сократить сроки производства, неизбежно начинают выявляться узкие места. Как правило, одним из них оказывается CAD/CAM-подразделение, что обусловлено рядом объективных факторов. Из-за усложнения формы изделия возрастает конструктивная сложность сборной оснастки, что, в свою очередь, уменьшает технологические допуски на ее изготовление. Повышение конструктивной сложности означает увеличение количества обрабатываемых поверхностей, на задание обработки которых требуется время. При задании сложной ЧПУ-обработки технологу также приходится использовать больше инструментов, что требует больших сроков программирования. Все это увеличивает «компьютерное» время счета, необходимое для генерирования траекторий инструмента (УП). Конечно же, рост вычислительной мощи компьютеров и оптимизация кода CAM-систем улучшили ситуацию. Но в большинстве случаев компании не остается другого выхода, как экстенсивно увеличить количество рабочих мест с CAM-системой. Однако найти опытного технолога, владеющего именно используемой вами CAM-системой, оказывается весьма непросто. Общая тенденция такова, что опытные ЧПУ-программисты уходят работать в крупные холдинги, которые могут предложить высококвалифицированному сотруднику более высокую зарплату. Поэтому увеличить штат ЧПУ-программистов довольно сложно. Как же в таком случае быть небольшим компаниям? Если компания использует надежную CAM-систему с высокой степенью автоматизации подготовки УП, то для несложных изделий можно передать функции технолога-программиста непосредственно оператору станка с ЧПУ. Таким образом, часть УП будет разрабатываться прямо в цехе.

В отчете компании CIMdata за 2005 год, посвященном обзору рынка CAM-систем, указано, что 57% проданных CAM-систем применяется программистами — технологами станков с ЧПУ на своих рабочих местах. 18% пользователей использовали CAM-систему прямо в цехе на станках с ЧПУ. Оставшиеся 25% задействуют CAM-систему от случая к случаю в зависимости от текущих обстоятельств. К сожалению, в отчете нет никаких данных по распределению предпочтений пользователей по регионам. Комментарии от представительств компании Delcam plc, работающих по всему миру, говорят о том, что идея ЧПУ-программирования в цехе зародилась в Северной Америке и именно там получила наибольшее распространение. В Европе ЧПУ-программирование в цехе тоже становится популярным. А вот в Азии наоборот: там всю ЧПУ-обработку предпочитают программировать в отдельном CAD/CAM-отделе, удаленном от цеха.

Преимущества ЧПУ-программирования в цехе

Размещение CAM-системы в цехе обеспечивает целый ряд преимуществ. Прежде всего, операторы станков больше знают об особенностях механообработки и всех установленных в цехе станков. Поэтому только они могут подобрать наилучшие режим и стратегию механообработки (с учетом имеющегося в наличии инструмента). Таким образом, ЧПУ-программирование в цехе должно повысить качество обработки.

Конечно же, многие технологи — программисты станков с ЧПУ начинали работать операторами в цехе и, лишь набравшись опыта, перешли из цеха в CAD/CAM-подразделение. Тем не менее такое повышение по карьерной лестнице вовсе не означает, что ЧПУ-программист хорошо осведомлен о возможностях и особенностях новых инструментов и станков, появившихся после его ухода из цеха. Например, современные режущие инструменты могут работать на скоростях резания и подачах, считавшихся недостижимыми еще пять-семь лет назад. Это лишь один из примеров, когда компания может терять выгоду от неполного использования возможностей нового оборудования. Как показывает практика, лишь работающий в цехе у станка оператор в полной мере представляет возможности и ограничения станка и инструмента.

Также важно, что только оператор знает текущее состояние станка, инструмента, заготовок и технологических приспособлений (зажимов). Если оператор досконально владеет ситуацией в цехе, эффективность планирования будет более высокой. ЧПУ-программист, работающий в удаленном от цеха CAD/CAM-отделе, не обладает оперативной информацией, что чревато простоем оборудования во время перепрограммирования ЧПУ-обработки под другой инструмент или станок.

Иногда у оператора возникает необходимость по каким-то причинам отредактировать уже готовую и отработанную ЧПУ-программу. Например, в случае отсутствия или поломки необходимого инструмента он может выбрать имеющийся в наличии подходящий альтернативный типоразмер инструмента и самостоятельно пересчитать УП без привлечения CAD/CAM-отдела. Естественно, оператор при этом должен обладать достаточно высокой квалификацией, однако предоставление ему определенной самостоятельности и ответственности за выполненную работу будет способствовать повышению его квалификации, заинтересованности в конечном результате и престижности труда.

Вышесказанное вовсе не означает, что надо полностью отказываться от CAD/CAM-отдела и всю его работу возложить на операторов станков. Высвобожденные у CAD/CAM-отдела ресурсы следует направить на решение очень важной задачи — быстрое и точное определение стоимости потенциального заказа. Если производитель будет придерживаться разумной (конкурентоспособной) ценовой политики и намного быстрее своих конкурентов назовет потенциальному заказчику конкретную, обоснованную цену, то у него есть все шансы получить заказ. Как правило, заказчик уже ориентировочно представляет стоимость работ, и если предложение приблизительно совпадет с его ожиданиями, то, скорее всего, он не станет терять время и ждать, пока другие конкуренты назовут ему аналогичные цены. Участие в подготовке коммерческого предложения CAD/CAM-отдела позволит проанализировать заказ и снизить вероятность того, что он станет убыточным для исполнителя вследствие недооценки его сложности.

Требования к CAM-системе

Чтобы перевести подготовку УП из CAD/CAM-подразделения в цех, необходимо, чтобы CAM-система удовлетворяла некоторым специфическим требованиям оператора станка с ЧПУ.

Во-первых, у операторов, как правило, нет столь большого опыта работы с программным обеспечением, как у программистов-технологов. Поэтому даже такие базовые операции, как «Копировать», «Вставить» и «Вырезать», должны выполняться в CAM-системе привычной для ОС Windows комбинацией клавиш — это позволит значительно сократить период начального обучения.

Вторая исключительно важная особенность — оператор должен видеть на экране визуализированную 3D-модель обработанной заготовки с обработанным припуском, которая автоматически обновляется после каждого перерасчета УП. Конечно, это очень пригодится и работающему в офисе технологу-программисту, который не видит станок. Визуализация припуска на обработку позволяет выбрать оптимальную стратегию обработки и наиболее подходящий по форме и размеру инструмент. Но еще больше визуализация обработки нужна оператору станка с ЧПУ — это позволит ему мгновенно сравнить обработанную на станке деталь с компьютерной моделью. Таким образом, визуализация обработки в CAM-системе вселит в оператора уверенность, что он получит ожидаемый результат, предсказанный CAM-системой.

В-третьих, CAM-система должна предлагать широкий диапазон стратегий обработки с возможностью ручного редактирования УП на любом участке траектории. Она должна позволять опытному оператору сделать именно так, как он хочет, не ограничивая его своими возможностями. Кроме того, CAM-система должна полностью поддерживать все существующие возможности станка с ЧПУ, особенно это касается программирования пятиосевой и высокоскоростной обработки. Во многих CAM-системах сегодня обеспечивается высокая степень автоматизации разработки УП, которая позволяет сократить сроки подготовки УП и период освоения программного продукта новым пользователем. Однако большинство траекторий, рассчитанных такими CAM-системами, являются компромиссом для некого усредненного типа станка и не позволяют в полной мере использовать возможности конкретной модели станка отдельно взятого производителя. Поэтому CAM-система должна предоставлять возможность тонкой настройки под каждый тип станка для достижения наивысшей производительности обработки.

В-четвертых, для оператора в цехе время генерации CAM-системой управляющих программ более критично, чем для технолога-программиста в удаленном от станка отделе. Ведь при расчете новой УП станок может оказаться бездействующим, а любой его простой способен подорвать репутацию оператора.

Наконец, в-пятых, CAM-система обязательно должна иметь модуль для проверки сгенерированных УП на отсутствие зарезов и столкновений. Визуализация обработки тоже поможет выявить все проблемы еще до того, как УП будет отправлена на дорогостоящий станок. Имитация работы УП особенно важна для пятиосевой обработки, так как неопытный программист может нечаянно повредить дорогостоящий станок. В случае поломки станка компания не только будет вынуждена оплатить ремонт, но и потеряет значительную выгоду от длительного простоя оборудования. Верификация УП позволяет с высокой степенью достоверности гарантировать, что во время работы станка не произойдет никаких неприятностей, связанных с правильностью сгенерированных УП. Наиболее совершенные верификаторы обработки используют точные, подробные 3D-модели станка, инструмента и заготовки и позволяют обнаружить любые нежелательные контакты между инструментом, деталью и всеми элементами станка. В случае выявления нежелательных или опасных перемещений пользователь может вручную отредактировать УП или использовать другую стратегию обработки.

Визуализация обработки в CAM-системе способна также косвенно повысить производительность обработки. Например, во время визуализации пользователь может увидеть, что иное расположение заготовки на поворотном столе станка или применение другого фиксирующего приспособления позволит повысить производительность обработки.

Цеховая CAD-система

Если по поводу необходимости и полезности наличия в цехе CAM-системы споров не возникает, то целесообразность присутствия там CAD-системы не столь однозначна.

Очень часто переданная заказчиком 3D-модель содержит ошибки геометрии. Часть из них вызвана некорректным преобразованием данных из других CAD-систем. Например, 3D-модель может содержать дубли поверхностей или зазоры между кромками, некоторые поверхности могут быть утеряны, иногда неправильно задается нормаль поверхности. Все эти недостатки относительно просто могут быть выявлены и исправлены во многих CAD-системах. Другой, более сложный тип ошибок зачастую связан с непригодностью модели для серийного производства. Например, в 3D-модели могут отсутствовать литейные уклоны либо она может содержать слишком малые радиусы скругления, что будет препятствовать заполнению формы во время литья. Исправить такого рода ошибки можно во многих гибридных CAD-системах. Конечно же, доработка 3D-модели может быть быстро выполнена оператором прямо в цехе. Однако возникает вероятность того, что CAD-модель получит изменения, которые не являются ни принципиально необходимыми, ни конструктивно допустимыми. Чтобы избежать таких просчетов, необходимо проработать механизм быстрого утверждения изменений в CAD-модели между оператором, CAD/CAM-отделом и заказчиком. Для большинства компаний разумней будет так распределить обязанности между CAD/CAM-отделом и цехом, чтобы в цех попадали только полностью доработанные и утвержденные CAD-модели, чтобы оператор станка с ЧПУ не задумывался над правильностью геометрии детали.

Пример из практики: компания Delphi

Мировые тенденции автомобильной промышленности таковы, что большинство производителей предпочитают размещать как можно больше заказов у своих субпод рядчиков, а не самостоятельно производить все компоненты. Тем не менее компания Delphi (www.delphi.com), являющаяся мировым лидером в области производства автомобильной электроники, наоборот, стремится расширять собственное производство. Так, ее подразделение Flint (Мичиган, США) оснастило свой 29-й производственный цех CAM-системой PowerMILL и высокоскоростными станками Makino. Это позволило компании значительно сократить время от получения CAD-модели до отгрузки готовой партии.

В 29-м цехе разработка УП для станков Makino выполняется непосредственно операторами станков с ЧПУ, для чего было приобретено восемь лицензий на PowerMILL компании Delcam plc. «Мы, операторы станка, понимаем все тонкости и особенности станочного оборудования, поэтому можем производить высококачественные пресс-формы, — рассказывает Джеф Джонс (Jeff Johns), программист-оператор станка с ЧПУ, который занимается высокоскоростной обработкой элементов пресс-форм. — Сочетание нашего практического опыта, станков Makino и программного обеспечения Delcam дает нам неизменно превосходные результаты. PowerMILL позволят нам программировать обработку именно так, как нам необходимо, и мы достигли огромной экономии времени за счет сокращения перемещений инструмента по воздуху и уменьшения количества поломок инструмента».

Высокое качество обработанной поверхности и абсолютное отсутствие зарезов — отличительные признаки пресс-форм Delphi

«Кроме того, при использовании CAM-системы PowerMILL у нас никогда не было зарезов на деталях, — добавляет программист-оператор Роб Берджерон (Rob Bergeron). — Для нас это крайне важно, так как требования к нашей продукции не допускают наличия на рабочих поверхностях пресс-форм следов от ремонта сваркой в случае зарезов. Всего один зарез для нас будет означать, что деталь нужно обрабатывать на станке заново!»

«Главная выгода от ПО Delcam plc заключается в быстроте его освоения, — считает программист-оператор Билл Джордан (Bill Jordan). — Квалифицированный оператор, который уже знает команды управления контроллером станка с ЧПУ, может начать разрабатывать эффективные УП спустя всего лишь две недели. Каждый новый релиз PowerMILL оправдывает ожидания наших программистов, а последующая за апгрейдами успешная работа свидетельствует о том, что компания Delcam тщательно тестирует свое ПО, прежде чем оно попадет в цех к заказчику».

Переход на пятиосевое фрезерование позволил Shinyoung Precision значительно сократить сроки поставки готовой продукции

К подразделению внутри крупной компании предъявляется даже больше требований, чем к внешнему субподрядчику. Во-первых, собственное подразделение должно обеспечивать меньшую стоимость продукции, чем может предложить любой из внешних конкурентов. Во-вторых, срок поставки готовой продукции тоже должен быть меньше, чем у любого из конкурентов. Как правило, на выпуск новой партии отводится 8-12 недель. Но, несмотря на столь жесткие требования, 29-й цех успешно работает с 2002 года, а объем производимой им продукции неуклонно растет.

Конкуренция заставляет 29-й цех искать пути уменьшения себестоимости продукции. Сокращение производственных издержек реализуется за счет автоматической работы станков без присутствия операторов и существенного уменьшения объема ручной доводки. «Поверхность, обработанная инструментом с частотой вращения 30 тыс. об./мин,
выглядит невероятно гладкой, поэтому мы уже близки к стадии, когда пресс-форму можно будет сразу со станка без ручной доводки отправлять на производство», — объясняет г-н Берджерон.

Производимая 29-м цехом оснастка предназначена для серийного производства электромеханических изделий, таких как корпуса для очистителей воздуха, датчики указания уровня топлива, светодиодные кластеры и т.п. «Мы знаем, что, производя заказы внутри компании, наш цех идет вразрез с мировыми тенденциями, — комментирует ситуацию
г-н Джордан. — Тем не менее высокоскоростные станки Makino и CAM-система PowerMILL позволяют нам снизить себестоимость продукции до приемлемого уровня и превзойти ожидания нашего заказчика».

Успех компании Shinyoung Precision

Применение ПО Delcam и передача полномочий по разработке УП в цех, где используются пятиосевые станки с ЧПУ Mikron, позволило известному корейскому производителю мобильных телефонов Shinyoung Precision значительно сократить время выполнения заказов. Основанная в 1993 году компания Shinyoung Precision (www.shinyoung.co.kr) владеет тремя заводами и одним научно-исследовательским центром вблизи Сеула, столицы Южной Кореи. Сегодня в Shinyoung Precision, поставляющей продукцию для Motorola и LG, работает около 300 сотрудников.

За прошедшие пять лет, на протяжении которых при поддержке регионального представительства Hankook Delcam происходило внедрение программных продуктов семейства Power Solution, компания сумела сократить среднее время производственного цикла с 30 до 11 дней. В перспективе этот срок, вероятно, удастся уменьшить до 9 дней.

Использование CAM-систем непосредственно в производственных цехах началось в Shinyoung Precision в 2002 году и сопровождалось переходом на PowerMILL. Причина перевода ЧПУ-программирования из CAD/CAM-отдела в цех заключалась в стремлении устранить задержки вследствие несогласованности работы CAD/CAM-отдела и производственного участка. Только это позволило сократить производственный цикл с 30 до 22 дней! Как выяснилось позже, нововведение повысило качество производимой продукции, поскольку операторы-программисты, исходя из особенностей конкретных станков, назначали более рациональные стратегии обработки и инструмент. Кроме того, уменьшилось количество поломок инструмента, что также снизило себестоимость продукции.

Успехи в механообработке подвигли руководство Shinyoung Precision сделать следующий шаг — аналогичным образом перевести в цех программирование электроэрозионной обработки, для чего у Delcam был приобретен CAM-модуль для электроэрозионной обработки в PowerMILL. Это позволило сократить усредненный производственный цикл еще на два дня.

В феврале 2004 года были приобретены пятиосевые станки фирмы Mikron. Комбинация пятиосевых станков Mikron и CAM-системы PowerMILL позволила значительно повысить качество обработанных поверхностей за счет применения более короткого (а следовательно, более жесткого) инструмента.

Повышение качества отфрезерованных поверхностей позволило Shinyoung Precision значительно снизить объем электроэрозионной обработки. Ранее она выполнялась сначала черновыми электродами, а затем — чистовыми. Объем снимаемого материала был достаточно большим, что требовало существенных временных затрат. Сейчас черновая электроэрозионная обработка заменена пятиосевым фрезерованием и используется только чистовая электроэрозионная обработка.

Дополнительная экономия времени была получена от применения чистовых электродов на пятиосевых станках за один установ. Ранее электроды обрабатывались на трехосевых станках в несколько установов, что не только занимало больше времени, но и негативно отражалось на точности.

Вместо заключения

В данной статье мы постарались показать, какие выгоды получит производитель инструментальной оснастки, если программирование станков с ЧПУ будет поручено операторам-программистам. Надеемся, что два приведенных примера из практики заставят приверженцев программирования ЧПУ-обработки в обособленных CAD/CAM-подразделениях задуматься о возможностях снижения издержек и повышения производительности труда. Но не стоит думать, что ЧПУ-программирование в цехе само по себе является решением всех проблем. В Delphi одним из ключей к успеху послужила высокоскоростная обработка, а в Shinyoung Precision — переход на пятиосевое фрезерование. Но в обоих случаях одним из основных компонентов была CAM-система, способная в полной мере реализовать возможности применяемого станочного оборудования. Только взвешенный подход, при котором в совокупности характеристик рассматривается комплекс из возможностей оборудования и CAM-системы, позволит повысить производительность труда и качество продукции.

По материалам Delcam plc
Перевод Константина Евченко

САПР и графика 12`2008