Наиболее распространенные проблемы обработки на станках с ЧПУ, решаемые с помощью CAD/CAM/CAPP-системы ADEM

Даниил Зинченко

Сегодня на многих машиностроительных предприятиях России активно проводится техническое перевооружение производства. Обновляется устаревший станочный парк для механообработки, а также для других видов обработки металлов (литье, термообработка, обработка металлов давлением и др.). К сожалению, не все предприятия, точнее их руководящий состав, понимают, что аппаратная автоматизация производства (станки с ЧПУ) должна быть неразрывно связана с программной автоматизацией (соответствующие CAD/CAM/CAE/PDM/MES­системы). Невозможно добиться качественного результата по повышению производительности только путем приобретения нового металлообрабатывающего станка, который очень часто программируется вручную оператором на стойке с ЧПУ, что делает финансовые затраты по его закупке бессмысленными. Ведь управляющую программу все равно надо проверять непосредственно на станке, все команды и функции приходится прописывать вручную на стойке. Конечно же, большое количество предприятий добилось очень высокого уровня автоматизации процессов производства, внедрив у себя и MDC­системы для сбора аналитики и мониторинга использования оборудования с ЧПУ, и MES­системы для грамотного планирования производства, и PDM­системы для организации работы с конструкторско­технологическим составом изделия. Но ведь и сегодня на профильных выставках по металлообработке можно услышать вопросы типа «а что такое CAM­система» или «мы закупили новые станки фирмы N, но их программирование осуществляем на контроллере ЧПУ». При грамотной финансовой политике стоимость систем автоматизации почти полностью растворяется на фоне стоимости металлообрабатывающего станка, тем более что такое внедрение не требует огромных одноразовых финансовых вложений, поскольку может выполняться поэтапно.

Компенсация недостатков математического аппарата станков 

Несмотря на активизацию процессов техперевооружения производств, на мощностях сохраняются станки еще советского образца, нуждающиеся в замене. Спрос на новейшие модели металлорежущих станков и обрабатывающих центров с ЧПУ еще значительно превышает предложение, а точнее, финансовые возможности предприятий по закупке того или иного вида оборудования. Эта ситуация заметно обострилась в связи со значительным повышением курса иностранных валют и неспособностью отечественных станкостроительных предприятий за удобоваримую стоимость удовлетворить возрастающий спрос.

Тем не менее в этой статье мы предлагаем читателям коснуться именно проблем внедрения систем автоматизации подготовки управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ (то есть CAM­систем), а следовательно, проблем адаптации САМ­системы к производственным процессам на станках с ЧПУ. Ведь именно САМ­система по своему назначению наиболее приближена к конечному результату деятельности машиностроительного предприятия — изготовлению продукции в необходимые сроки в нужном количестве согласно размерным характеристикам и техническим требованиям, указанным на чертеже. САМ­система является буферным звеном между виртуальной и реальной моделью детали или сборочного узла, поэтому относиться к ней следует не как к «коробочной» поставке, а как к полноценному решению, включающему множество факторов — проблем предприятий, которые приходится решать специалистам по внедрению систем и которые на том или ином предприятии могут быть абсолютно разными, что нередко влияет на совокупное ценообразование решения в каждом конкретном случае.

Первая из таких проблем ранее описывалась в наших статьях, а именно — отсутствие синхронизации работы приводов станка по линейным и круговым перемещениям: разбиение перемещений с большим угловым перемещением по одной из осей вращения. Это случаи, когда обработка уже спроектирована, получена управляющая программа, а станок не может корректно отработать все запрограммированные перемещения инструмента. Подобные трудности имеют место при несовершенстве математического аппарата станков. Например, отсутствует синхронизация перемещений по угловым и линейным осям. Грубо говоря, по прямой инструмент перемещается быстро, а поворачивается (наклоняется) медленно. В таких случаях, если встречается участок траектории инструмента с небольшим линейным перемещением и довольно большим изменением угла наклона инструмента, происходит следующее: инструмент совершает перемещение по прямой, практически не изменяя угла наклона, а после того, как инструмент уже пришел в конечную точку перемещения, происходит большая часть перемещения по угловым осям. Как следствие — зарезы на поверхности детали, получаемые от неравномерности перемещений инструмента. Выход из этой ситуации один — компенсировать недостатки в математических расчетах, выполняемых станком, средствами САМ­системы. ADEM в таких случаях позволяет разбивать большие перемещения по угловым и линейным осям на несколько небольших участков, тем самым давая возможность станку выполнить перемещение и по линейным, и по угловым осям с примерно одинаковой скоростью, что, в конечном счете, помогает избежать дефектов в виде зарезов на формируемой поверхности. 

Деталь с массивом отверстий, которая обрабатывается
с помощью подпрограмм из табл. 1

Таблица 1

Фрагмент УП с использованием подпрограмм

%MPF40

(€ђ­1600)

(T1 Sverlo D10)

(Setka: 7462 otv)

(1 rjad, 46 otv)

:1G90G0G55X­616Y­913.365Z0

N2W150

N3M3S500

N4W0

N5L41P22

N6L42

N7L41P22

N8L1

N9L35

(2 rjad, 48 otv)

:10G90G0G55X­627Y­894.313Z0

N11W0

N12L41P23

N13L43

N14L41P23

N15L1

N16L35

(3 rjad, 50 otv)

:17G90G0G55X­638Y­875.26Z0

N18W0

N19L41P24

N20L44

N21L41P24

N22L1

N23L35

Приведем еще несколько примеров, относящихся к программированию обработки на станках с ЧПУ старого образца, которые не поддерживают круговую интерполяцию в 360°. За счет постпроцессора в программной среде ADEM эта проблема решается автоматически путем разбиения дуги в 360°на дуги по 90°. Нередко также встречаются станки, которые не поддерживают функцию постоянной скорости резания G96. За счет постпроцессора специалисты Группы компаний ADEM осуществляют организацию автоматической поддержки данной функции путем переключения оборотов в необходимых (рассчитываемых постпроцессором) точках. В сегменте станков, программируемых с виртуальных стоек (например, nccad), бывают ситуации, когда стойка не поддерживает радиусную коррекцию фрезы (G41, G42). В таких случаях единственным способом поймать точный размер оказывается использование CAM­системы. Например, с помощью фрезы D8 произвели фрезеровку и оказалось, что припуск снят не полностью. Это бывает, если в качестве инструмента используется фреза с большим вылетом и ее отгибает в процессе обработки или если фреза «подсевшая». В таком случае в CAM­системе ADEM диаметр инструмента меняется, к примеру, на D7,9.

Образец поверхности обработки с использованием команды управления центром инструмента и без таковой

Также одной из распространенных проблем станков с ЧПУ старого образца является недостаточный объем внутренней памяти для хранения УП. Из­за отсутствия USB­разъема хранение на сменных электронных носителях также невозможно. Решением является переход на автоматическое создание параметрических программ, что и было осуществлено на предприятии «ЗиО­Подольск». Была поставлена задача задать цикл глубокого сверления для массива около 20 тыс. отверстий. Для этого необходимо использовать стандартные циклы сверления систем ЧПУ Fanuc, а не стандартные циклы типа G83. Общая УП была разбита на подпрограммы в несколько типов: 1 — дробление длины отверстия, 2 — сверление одного отверстия, 3 — сверление n отверстий при определенном шаге и уклоне строк сетки. К примеру, подпрограмма L41 задает повторение программы P23 определенное число раз. Следующим шагом необходимо было дать описание методики составления УП технологам, работающим на предприятии, чтобы они четко знали алгоритм своих действий, и их задачи в этой области сводились к минимуму. В итоге, исходными параметрами для обработки были: шаг отверстий по оси X, шаг отверстий по оси Y и угол наклона сетки отверстий. Выбор отверстий осуществляется рамкой, а задачей системы ADEM, в свою очередь, становится составление УП, которая программирует обработку отверстий в определенном порядке с помощью подпрограмм. В табл. 1 приведен образец УП с использованием подпрограмм для обработки детали.

Проблемы с более современным оборудованием с ЧПУ сводятся к тому, что некоторые предприятия зачастую закупают многокоординатные станки с урезанным функционалом по управлению центром инструмента в системе ЧПУ (функция RTCP (Rotation Tool Center Point) в системе ЧПУ Fanuc, Япония), что предельно важно при программировании на таких станках.

Таблица 2

Исходя из таких реалий, специалисты Группы компаний ADEM разрабатывают постпроцессоры, заменяя недостающие необходимые функции набором открытых команд для управления положением инструмента. В табл. 2 приведена сравнительная таблица УП с наличием команды управления центром инструмента G43.3 и с ее отсутствием.

ПО ADEM изначально формировалось как система, которая берет свои корни из рядовых производственных задач и во главу угла ставит решение проблем, наиболее часто встречающихся именно на производстве. Такой проблемой стал для нас контроль толщины стружки, снимаемой при фрезеровании. Большинство известных САПР для подготовки УП оперируют заданием процента от диаметра инструмента, который соответствует глубине резания. Этим же параметром часто оперируют и поставщики режущего инструмента. Но именно толщина стружки согласно теории резания имеет прямую зависимость с силой резания и величиной подачи на зуб, а следовательно, влияет на процесс резания и режимы обработки. А вот между подачей на зуб и процентом от диаметра инструмента существует тригонометрическая зависимость, а не прямая, как с величиной толщины стружки. Режущая кромка инструмента работает в определенном диапазоне толщин стружки. Если толщина стружки больше, ломается режущая кромка, если меньше — происходит «засаливание» инструмента. Фреза проскальзывает по заготовке, снимает меньше указанной величины толщины стружки и стирается по задней кромке, в связи с чем повышается температура в зоне резания, а следовательно, велика вероятность наклепа поверхностного слоя обрабатываемой заготовки. Кроме того, на современных станках с ЧПУ теперь почти всегда имеется индикация усилия на приводы при обработке. Это, в сущности, и есть сила резания в той или иной плоскости, на которую проецируется вектор силы. Так вот, при обработке по УП, сгенерированной в системе ADEM, усилия резания не имеют резких скачков и находятся в пределах 5% от предыдущего показателя в каждый новый момент. В то же время, при контроле именно процента от диаметра инструмента эти скачки носят внезапный характер и достигают размера в 20%, что станками часто квалифицируется как удар. Это наиболее важно для чувствительных станков с датчиками отслеживания усилия на приводы. Такие станки при резком повышении усилия просто останавливаются в аварийном режиме, что может свести на нет всю осуществленную уже обработку детали. Данная проблема имела место на предприятии ОАО «РСК «МиГ» на трехкоординатных станках Macodel Willemin M920 при обработке пластичной и вязкой нержавеющей стали. При использовании УП от других конкурирующих САМ­систем станок просто останавливался, а в случае применения УП от ADEM станок работал в стабильном режиме с использованием инструмента Sandvik CoroMill 210 (который имеет параметр именно диапазона подачи на зуб, а не процента от диаметра инструмента) и при величине 1700 оборотов шпинделя в минуту показывал результаты в 0,7…0,75 мм/зуб!

Со следующей проблемой специалисты по внедрению ADEM столкнулись на одном из предприятий авиационного машиностроения. Проблема заключалась в отсутствии опции контроля положения инструмента при работе с осями вращения — вывод в УП координат, функционально зависимых от параметров вылета инструмента. Предприятие приобрело пятикоординатный токарно­фрезерный станок с приводным инструментом и качающимся шпинделем. Но станок имел существенный технический изъян — при переключении в режим фрезерования он терял ранее выбранную системы координат детали. То есть фрезерную обработку осуществить было невозможно — сбивались все заданные корректоры на инструмент и терялась траектория, а следовательно, станок начинал бесконтрольно фрезеровать в непредвиденной точке, рискуя осуществить столкновение с недвижимыми узлами в рабочей камере. Для решения проблемы был создан отдельный постпроцессор, который выдавал оператору на стойке с ЧПУ запрос, что нужно заново осуществить обмер детали щупом, задать новую систему координат и внести соответствующие данные в пустые поля запроса. Проблема была решена, хоть и пришлось пожертвовать ощутимым увеличением времени обработки.

Пример моделирования 5х-обработки с использованием измерительных циклов

Еще одна проблемма заключалась в реализации работы с контрольно­измерительными циклами и необходимостью вывода результатов измерения в файл отчета. На одном из предприятий был закуплен пятикоординатный вертикально­фрезерный станок с измерительными датчиками фирмы Renishaw. Номенклатура производства состояла из мелкогабаритных деталей, которых на рабочем столе станка могло разместиться несколько десятков. В связи с этим возникла необходимость осуществлять межоперационный обмер каждой детали, дабы не делать это вручную на столе станка (что отнимает уйму времени, а в некоторые поднутрения сложно «залезть» просто физически) и не снимать детали для обмера контроллером, нарушая тем самым базирование на столе станка и сбивая «ноль детали». Эта задача была успешно решена специалистами ADEM путем создания отдельного постпроцессора с программированием измерительных циклов датчика и генерированием файла отчета. Как результат, на выходе имелась готовая УП для обработки детали и файл отчета с данными по измерению деталей.

Как известно, работа с циклами соответствующей системы ЧПУ позволяет значительно сократить УП и упростить процесс задания и контроля параметров обработки. Также короткая УП значительно легче считывается системой ЧПУ, которая перед наступлением следующего кадра УП успевает дать соответствующую команду на приводы станка. Очередной задачей при программировании обработки циклами было формирование циклов обработки с учетом ini­файлов производителя устройства ЧПУ (а именно — под ShopTurn и ShopMill от Siemens). ShopTurn и ShopMill — интерфейсы системы ЧПУ Siemens для задания циклами токарной и фрезерной видов обработки соответственно. Проблема здесь заключается в том, что с их помощью можно задать обработку только на самом экране стойки. Для того чтобы ShopTurn и ShopMill воспринимали такие же внешние циклы как свои собственные, необходимо перед и после каждого цикла прописывать множество параметров, которые позволят системе ЧПУ сказать — «да, это собственный цикл».

Нередко на предприятиях при покупке нового станка с ЧПУ не представляют, для каких целей он будет использоваться через 1­2 года, когда серия деталей, под производство которых он предназначался, будет завершена. И вообще, любому технологу сложно предвидеть, с какими ограничениями в работе станка он столкнется на каждой новой детали. Особенно это характерно для единичного производства на станках сложной кинематики. Примером такой проблемы служит использование многокоординатного станка с поворотной осью B (вращение инструмента) и поворотной осью C для обработки камеры стыковочного узла космической станции. Ее обработка планировалась на станке с поворотным столом (вращение по оси С) и поворотным шпинделем (вращение по оси В). Но станок имел размер рабочей зоны, которого было недостаточно для размещения столь крупногабаритной детали, а обработать ее нужно было инструментом с большим вылетом, чтобы добраться до всех поднутрений. Тем не менее задача была решена. С помощью постпроцессора было реализовано синхронное движение инструмента одновременно по двум осям: поступательное движение в направлении углубления отверстия и разворот инструмента, чтоб не было столкновения с кромкой отверстия на детали.

Автор постарался кратко описать характер проблем, которые решаются с помощью средств программной автоматизации обработки на станках с ЧПУ. Как мы можем увидеть, их достаточно. Повышение производительности оборудования не ограничивается лишь обновлением станочного парка предприятия — на данный процесс влияет множество факторов. Программная автоматизация производства тоже не является окончательным критерием оценки уровня и культуры производства. Прежде всего, этот показатель зависит от волевого решения и желания руководства идти в ногу со временем, использовать современные как аппаратные, так и программные средства автоматизации и контроля производства, а также не бояться покидать привычную зону комфорта предприятия для достижения более качественных и количественных показателей в будущем.  

САПР и графика 9`2015