Что нового в организации CAM-систем

Сергей Кугаевский

Бурное развитие производительных сил, произошедшее в начале XXI века, привело к существенным изменениям в организации производственного процесса не только в нашей стране, но и во всем мире.

Попробуем сформулировать основные черты этих изменений в области применения автоматизированного оборудования с ЧПУ.

Во-первых, отметим повсеместный переход к использованию многоосевых обрабатывающих центров (ОЦ) токарной и фрезерной группы, позволяющих довести до максимума концентрацию обработки заготовки на одном рабочем месте. Возможность полной обработки сложных деталей за одну-две операции не только повышает точность получения размеров, но и в разы (это крайне важно!) сокращает длительность производственного цикла изготовления деталей. В результате сократилось потребление станков с ЧПУ в количественном аспекте. Вместо трех или четырех станков с ЧПУ токарной и фрезерной группы приобретается один многоосевой ОЦ, стоимость которого, правда, вдвое превышает стоимость станка традиционной компоновки.

Во-вторых, большие изменения произошли в области инструментальной подготовки производства. С одной стороны, появились фирмы — производители высокопроизводительного режущего инструмента, гарантирующего заданную геометрию режущей кромки и оптимальность рекомендуемых режимов обработки. С другой стороны, большинство предприятий больше не в состоянии содержать инструментальные цеха для того, чтобы изготавливать собственный режущий инструмент. В результате при расширении типоразмеров и характеристик предлагаемого инструмента соответствующие службы предприятий вынуждены ориентироваться на ограниченный комплект фрез, сверл и резцов, которые заказываются для оснащения конкретного рабочего места. При этом используемые БД инструмента на этих рабочих местах становятся менее универсальными и разнообразными. Зато каждому инструменту можно смело поставить в соответствие оптимальные с точки зрения производительности (а при желании — с точки зрения экономичности) режимы резания. Это дает возможность формализовать выбор режимов резания при использовании CAD/ CAM-систем.

В-третьих, изменения коснулись и возможностей конструкторско-технологического проектирования. Повсеместно происходит переход от использования 2D-моделей к 3D-моделям деталей и сборок. Соответственно расширяются возможности 3D-моделирования. Это касается вопросов не только расчета УП для 4- и 5-осевых станков, но и формирования алгоритмов обработки отдельных конструкторско-технологических элементов (КТЭ). Рассматривается возможность представления 3D-модели детали как совокупности КТЭ по принципу модульной системы. Дело остается только за разработкой стандартов, описывающих структуру КТЭ, включая требования к точности и шероховатости поверхностей.

Подводя итоги всему вышесказанному, можно сделать простой, но важный вывод:

• количество автоматизированных станков и применяемой технологической оснастки на производстве сократилось;
• САПР технологического назначения достигли уровня, позволяющего полностью формализовать процесс обработки, чего раньше не удавалось.

Этот вывод позволяет сформулировать новые требования к структурному содержанию CAM-систем, отвечающему современным производственным условиям.

На рис. 1 показана структурная схема работы традиционной CAM-системы.

Рис. 1. Структурная схема традиционной CAM-системы

Общим для традиционных систем является то, что пользователь-технолог в интерактивном режиме подбирает для каждого перехода объект обработки (формирует КТЭ) и средства обработки (выбирает режущий инструмент, стратегию и режимы обработки). В результате формируется файл CLDATA, содержащий информацию о траектории движения инструмента и месте ввода технологических команд. Эта информация является, по сути, универсальной и уже в дальнейшем преобразуется в NC-коды конкретного станка в ходе работы блока «постпроцессор». В свое время ориентация на такие «инвариантные» постпроцессоры была весьма прогрессивной, так как позволяла использовать одни и те же исходные данные о траектории для различных станков с ЧПУ. И в настоящее время такой подход является эффективным, если применяемые станки обладают близкими технологическими возможностями.

Но ситуация в производственной сфере предприятия изменилась. Вернемся к выводам, сделанными нами ранее. Правильно ли в данных условиях уповать на универсальность информации в CLDATA? Ведь заранее известно, что данная обработка предназначена для определенного станка? Может быть, пора вплотную заняться расширением возможности блока «процессор», встраивая в него конфигурации, учитывающие специфику имеющегося станка. При этом можно использовать представление о детали как о совокупности объемных конструкторско-технологических элементов (КТЭ), для каждого из которых имеется алгоритм обработки. Выбирая нужную конфигурацию процессора, можно использовать настройки, характерные для конкретного станка, включая особенности применяемого инструмента и возможности использования для программирования станочных циклов обработки. Учитывая высокую стоимость одного часа работы многофункционального станка, следует особенно тщательно проектировать операционную технологию, моделировать в 3 D все компоненты технологической системы, выполнять проверку на соударение и использовать элементы групповой обработки.

Рис. 2. Структурная схема CAM-системы на основе автоматизации обработки КТЭ

Предлагаемая новая структурная схема организации CAM-системы представлена на рис. 2.

Отличие в предложенной структуре CAM-системы касается двух взаимосвязанных направлений:

• стандартизация данных о детали на основе формализации параметров КТЭ;
• создание конфигураций обработки, предназначенных для отдельных рабочих мест (или групп подобных рабочих мест).

Второе направление означает, что на этапе процессора вводятся ограничения на функциональность применяемого оборудования. Известно, что сверление с использованием приводного инструмента на 4-осевом токарном ОЦ и сверление на ОЦ обычной компоновки — это не одно и то же. Это касается и моделирования, и получения NC-кода. Конфигурации обработки должны учитывать применяемый режущий и вспомогательный инструмент. Зачастую этот инструмент приобретается специально для конкретного рабочего места (станка) и не может использоваться для других станков. Введение конфигураций обработки позволит применять в рамках проектирования в CAM высокоскоростного, осевого и высокоподачного фрезерования именно для тех станков, которые для этого предназначены. В результате для постпроцессирования остаются задачи расчета NC-кода, визуализации обработки и проверки соударений, а также окончательного расчета времени обработки. Примером такой системы может служить решение FeatureCAM фирмы Delcam.

Примечание. + — задача полностью решена в компьютерной среде;

– — решение задачи в компьютерной среде отсутствует;

+/– — задача частично решена в компьютерной среде.

Разработка технологического маршрутавключает:

• выбор поверхностей для черновых и чистовых баз;
• расчет припусков на обработку;
• расчет технологических размерных цепей;
• выбор оборудования;
• проектирование приспособлений для закрепления заготовки или выбор из существующих;
• выбор средств контроля обработанных поверхностей;
• прогнозирование трудоемкости обработки.

Разработка операционной технологии включает:

• выбор стратегии обработки (алгоритма выборки основного материала и обхода контура);
• выбор режущего инструмента;
• выбор вспомогательного инструмента (оправки, державки и др.);
• определение режимов обработки (скорость, подача, СОЖ и т.д.);
• оптимизацию режимов обработки по нагрузке на режущую кромку инструмента.

Ведение технологической документации включает:

• оформление текстовых технологических карт (маршрутных, операционных, карт контроля, ведомостей оснастки и др.);
• оформление графических технологических карт (карт операционных эскизов);
• ведение технологических баз данных (оборудование; режущий, вспомогательный и измерительный инструмент; установочные приспособления и т.д.);
• выполнение расчетов по загрузке оборудования, потребности в технологической оснастке и др.

Расчет траектории движения инструмента включает:

• определение базовых точек траектории;
• определение мест ввода технологических команд;
• формирование промежуточной информации в виде CLDATA .

Формирование управляющих программ (постпроцессирование) включает:

• выбор системы кодирования на основании паспорта станка;
• компьютерную симуляцию процесса обработки и проверку столкновений;
• расчет времени обработки;
• кодирование УП.

Подобные CAM-системы, организованные на основе автоматизации задач, связанных с обработкой КТЭ для специфических условий применяемого оборудования, могут существенно повысить эффективность технологической подготовки для многофункциональных станков с ЧПУ. В таблице приведено сравнение по решаемым задачам CAM-систем, организованных на базе автоматизации технологических переходов (традиционные CAM-системы) и на базе автоматизации обработки КТЭ.

К специализированным САПР технологического назначения мы отнесли и так называемые CAPP -системы ( Computer Aided Process Planning ), применяемые в настоящее время для оформления технологической документации.

Сравнивая возможности CAD/ CAM-систем, построенных по принципу автоматизации технологических переходов и по принципу автоматизации обработки КТЭ, можно отметить, что последние имеют более высокий уровень автоматизации, так как в них больше функций выполняется без участия человека. Главная отличительная черта этих САПР — автоматизированная формализация алгоритмов выборки основного материала на черновых стадиях и обхода контура на чистовых стадиях обработки. Автоматизированный выбор инструмента и режимов обработки из базы данных после этого становится делом техники.

САПР и графика 1`2009