4 - 2019

Металлообработка на станках с ЧПУ: как начать выпускать продукцию мирового уровня


Александр Лебедев,
продакт-менеджер Solid Edge, компания «Нанософт»

Металлообработка в XXI веке — вызовы и возможности

Согласно данным аналитического отчета J`son & Partners [1], продукция российского машиностроения характеризуется низким уровнем конкурентоспособности на мировом рынке. Объясняется это проблемами, которые сегодня испытывает отрасль. Перечислим основные:

  • спад потребления на внутреннем рынке, начавшийся в 2014 году;
  • увеличение доли изношенных станков;
  • отставание от развитых стран по доле станков с ЧПУ;
  • низкий уровень оптимизации и автоматизации производственных и бизнес­процессов предприятий.

При этом технологические инициативы промышленно развитых стран, как указано в том же отчете J`son & Partners, направлены в первую очередь на то, чтобы ускорить переход к производству продукции нового поколения, которое основано на технологии Интернета вещей (IoT), внедрения систем автоматизации и анализа больших данных.

Ведущие предприятия отрасли направляют инвестиции в технологии — передовое оборудование и технологии обработки — и в системы управления производственными процессами (MES­системы).

За последние три года наиболее эффективными вложениями в промышленном секторе стали следующие инвестиции:

  • в многофункциональные обрабатывающие центры;
  • пятиосевую/универсальную обработку, используемую на рынке высокоточной обработки;
  • быстросменные инструмент/крепление;
  • высокоскоростную механическую обработку (HSM);
  • программное обеспечение (ПО) для создания, симуляции и проверки управляющих программ для станков с ЧПУ (далее — УП).

Цифровизация машиностроения и переход на контракты жизненного цикла позволят предприятиям продвинуться в решении задачи увеличения доли конкурентоспособной продукции. По оценкам консалтингового агентства J’son & Partners [2], с новым подходом выпуск такой продукции возрастет с нынешних 16 до 30% к 2025­му и до, как минимум, 50% — к 2030 году.

Высокоавтоматизированная САD/CAM­система для решения задач машиностроения

Мировой промышленный концерн Siemens AG реализует свою стратегию цифровизации с помощью программного обеспечения от Siemens PLM Software. По мнению специалистов последней, машиностроительное предприятие для повышения конкурентоспособности должно решить следующие задачи:

  • обеспечить максимальную загрузку оборудования и сократить время на наладку;
  • внедрить сбор информации о продуктах и процессах для контроля и управления инструментальной оснасткой и приспособлениями совместно с деталями изделия на основе шаблонов;
  • внедрить симуляцию траектории обработки 3D­модели для симуляции кинематики станка и моделирования траектории движения инструмента;
  • сократить время программирования, внедрить автоматизацию этапов создания УП для обработки стандартных элементов (таких, например, как отверстия);
  • сократить время обработки, внедрить новые стратегии обработки.

Как показала практика ведущих компаний отрасли, последовательно решать эти задачи — долгий и неэффективный процесс. Требуется комплексный подход и внедрение CAD/CAM­системы, которая управляет всеми этапами изготовления изделия — от проектирования до готовой детали.

Ключевая особенность цифровизации производственного процесса — возможность проектировать с учетом требований рынка не только технические и функциональные характеристики продукта, но и процессы производства и эксплуатации. Для этого одновременно разрабатываются физический продукт, его математическая (программная) модель (так называемый цифровой двойник, digital twin) для управления производством продукта и автоматического мониторинга.

В результате внедрения системы процесс разработки становится более гибким: инженеры­конструкторы совершенствуют изделия, специалисты оптимизируют управляющие процессы, технологи­программисты проверяют стратегии и выбирают оптимальный способ изготовления изделий.

Преимущества использования САD/CAM­системы

Рассмотрим основные драйверы, которые снижают трудоемкость программирования, сокращают время обработки и износ станков с ЧПУ и, как следствие, приводят к росту выпуска продукции.

Драйверы повышения ценности по всей технологической цепочке приведены на рис. 1.

Рис. 1. Драйверы повышения эффективности производства

Рис. 1. Драйверы повышения эффективности производства

Основные результаты применения эффективной САD/CAM­системы:

  • рост производительности и эффективности работы за счет:
  • шаблонов процессов и автоматизации,
  • повторного применения инструментов и технологий обработки,
  • прослеживаемости производственной цепочки «деталь -> процесс -> изготовление»;
  • увеличение использования активов за счет:
  • сокращения времени наладки,
  • использования многофункциональных обрабатывающих центров, симуляции в G­кодах, взаимодействия со стойкой ЧПУ;
  • оптимизация операционных расходов за счет:
  • сокращения складских запасов через управление инструментами,
  • сокращения затрат на инструмент,
  • применения инструмента в САМ­системе, отслеживания времени жизни инструмента;
  • автоматизация и гибкость производства за счет:
  • поддержки безлюдных производств,
  • использования систем анализа производственных данных.

Solid Edge + Solid Edge CAM Pro: CAD/CAM­система от Siemens PLM Software

Solid Edge CAM Pro, основанный на NX CAM, входит вместе с Solid Edge в одну линейку решений Siemens PLM Software. Программное решение предоставляет широкий спектр функциональных возможностей — от двухосевого фрезерования и высокоскоростной обработки до программирования многофункциональных станков и пятиосевого фрезерования.

Программисты станков с ЧПУ могут использовать Solid Edge CAM Pro, чтобы решать задачи с различными требованиями к обработке — фрезерование, сверление, токарная и электроэрозионная обработка.

С помощью синхронной технологии можно напрямую редактировать модели деталей и подготавливать их к созданию программ для станков с ЧПУ, включая обработку глухих отверстий и зазоров, смещенных поверхностей, а также изменять размеры элементов детали.

Solid Edge CAM Pro использует концепцию мастер­модели с целью обеспечения сквозного проектирования и разработки программ для ЧПУ за счет привязки всех CAM­функций к единой модели, определяющей геометрию детали. В результате программист может начать разработку программы для станка с ЧПУ, не дожидаясь окончания работы конструктора. Полная ассоциативность обеспечивает последующее обновление операций управляющей программы для станка с ЧПУ при изменении геометрии модели.

Основные возможности Solid Edge CAM Pro

Работа с PMI — конструкторско­технологической информацией 3D­модели

Product Manufacturing Information, PMI — производственные данные, ассоциированные с трехмерной моделью изделия в САПР. PMI­данные включают геометрические размеры и допуски (GD&T), трехмерные аннотации (текстовые пометки), требования к качеству обработки поверхностей и спецификации материалов. Данные PMI поддерживаются во многих форматах файлов, используемых для обмена и визуализации данных об изделии (например, PDF и JT). Эти данные, если они заложены в модель инженером­конструктором, транслируются вместе с данными геометрии из Solid Edge в Solid Edge CAM Pro. Таким образом, программист станка ЧПУ получает всю необходимую информацию от инженера­конструктора. Это позволяет избежать ошибок и задержек, связанных с использованием 2D­чертежей, оптимизировать производственные процессы с помощью сквозного описания изделия, а также автоматизировать создание управляющей программы на основе этих данных (рис. 2).

Рис. 2. Отображение PMI в Solid Edge CAM Pro

Рис. 2. Отображение PMI в Solid Edge CAM Pro

Обработка на основе элементов (Feature­based machining)

Модуль обработки на базе элементов обеспечивает распознавание отверстий, карманов, плоских граней (в том числе на импортированных из других CAD­систем моделях) и создание стратегии их обработки. Распознавание выполняется как по параметрам элементов построения, так и по их топологии. Этот модуль существенно ускоряет программирование призматических деталей, обеспечивает оптимизацию обработки, требует меньшей квалификации оператора. Модуль автоматически распознает конструкторско­технологическую информацию об изделии (PMI) — допуски, 3D­аннотации, параметры чистоты поверхности при назначении технологии обработки. Например, для точных отверстий помимо сверления будут автоматически добавлены операции растачивания или развертывания (причем можно настроить предпочтительный тип операции).

Обработка на основе элементов — яркий пример автоматизации программирования, которая может привести к значительному сокращению времени на создание управляющей программы (рис. 3).

Рис. 3. Процесс распознавания элементов в Solid Edge CAM Pro

Рис. 3. Процесс распознавания элементов в Solid Edge CAM Pro

Постобработка и симуляция

Solid Edge CAM Pro включает собственную систему постобработки, которая тесно взаимодействует с ядром CAM­системы. Это позволяет легко сгенерировать требуемый код управляющей программы для большинства типов конфигурации станков и контроллеров.
Программа включает утилиту PostBuilder, которая позволяет создавать и редактировать постпроцессоры. Применяя графический пользовательский интерфейс утилиты, пользователь может задавать параметры требуемого кода программы для станка с ЧПУ.

Библиотека постпроцессора представляет собой интернет­ресурс, в котором содержится множество процессов, поддерживающих большое количество различных станков и инструментов. Кроме того, Solid Edge CAM Pro включает оптимизированный постпроцессор Sinumerik, который автоматически выбирает основные настройки контроллера в соответствии с данными операции технологического процесса (рис. 4).

Рис. 4. Постпроцессирование в Solid Edge CAM Pro

Рис. 4. Постпроцессирование в Solid Edge CAM Pro

Моделирование обработки на станке

Одним из основных преимуществ системы Solid Edge CAM Pro являются интегрированные функции имитационного моделирования и верификации обработки, которые позволяют специалистам выполнять проверку траектории движения инструмента в процессе программирования станков с ЧПУ. При этом доступен многоуровневый процесс проверки. Например, имитационное моделирование на основе G­кода показывает движение, управляемое выходными данными кода программы станка с ЧПУ на встроенном постпроцессоре NX. 3D­модель станка вместе с деталью, приспособлениями и инструментом перемещается в соответствии с движениями инструмента на основе G­кода (рис. 5).

Рис. 5. Имитационное моделирование в Solid Edge CAM Pro

Рис. 5. Имитационное моделирование в Solid Edge CAM Pro

Пятиосевая обработка

Основные преимущества: усовершенствованные стратегии обработки с гибкими вариантами управления осями инструмента, переменное профилирование оси автоматически обрабатывает сложные стенки на основе геометрии дна, обработка по Z­профилю с наклонным инструментом может уменьшить прогиб инструмента для лучшей чистоты поверхности. Для сложных деталей, используемых в аэрокосмических и энергетических отраслях, Solid Edge CAM Pro предлагает гибкий подход и ряд вариантов управления осями инструмента для пятиосевой обработки. Например, при программировании детали с несколькими карманами со спроектированными стенками необходимо один раз выбрать дно кармана, и система создаст траектории чистовой обработки для стенок (рис. 6).

Рис. 6. Пятиосевая обработка в Solid Edge CAM Pro

Рис. 6. Пятиосевая обработка в Solid Edge CAM Pro

Высокоскоростная обработка (High speed machining, HSM)

Высокоскоростная черновая обработка в Solid Edge CAM Pro поддерживает высокую скорость удаления материала при управлении нагрузками на инструмент. Эффективные стратегии HSM для фрезерования с высокой скоростью позволяют сократить время обработки и повысить качество обрабатываемых поверхностей пресс­форм и штампов, призматических и сложных деталей. Пользователю доступен широкий выбор стратегий высокоскоростной обработки для эффективного фрезерования закаленных деталей с обеспечением плавного перемещения инструмента и постоянства силы резания (рис. 7).

Рис. 7. Траектории высокоскоростной обработки в Solid Edge CAM Pro

Рис. 7. Траектории высокоскоростной обработки в Solid Edge CAM Pro

Прикладное программирование; фрезерование турбокомпонентов

Модуль Turbomachinery Milling предназначен для программирования станков с ЧПУ, которые обрабатывают многолопастные и многоосевые детали вращения. Предусмотрена возможность обработки лопаток с поднутрениями. Кроме того, поддерживается обработка нескольких рассекателей, что позволяет эффективнее работать с CAD­данными независимо от того, в какой системе они были созданы. Лопатки могут состоять из одной или нескольких поверхностей. Зазоры между поверхностями и наложения поверхностей исправляются автоматически. Система позволяет создавать плавные траектории движения инструмента на смежных поверхностях с несовместимыми параметрическими линиями, а также определяет операции механообработки для одного элемента моноколеса или крыльчатки, а затем автоматически применяет их к остальным частям детали (рис. 8).

Рис. 8. Траектории обработки лопастей в Solid Edge CAM Pro

Рис. 8. Траектории обработки лопастей в Solid Edge CAM Pro

Цифровой цех с Solid Edge CAM Pro

Solid Edge CAM Pro — инструмент для производителей, которые «строят» цифровой цех или планируют обновлять оборудование. С помощью этой системы пользователь может разрабатывать оптимальные программы обработки на станках с ЧПУ для моделей, созданных в Solid Edge или в сторонних CAD­форматах, снизить производственные издержки, повысить качество выпускаемых изделий.

Внедрение набора Solid Edge +Solid Edge CAM Pro — значительный шаг к цифровизации бизнес­процессов и росту конкурентоспособности продукции.

Демонстрации создания управляющих программ для токарной и фрезерной обработки в Solid Edge CAM Pro можно скачать с http://cad­expert.ru/meropriyatiya/vebinary/.

Список источников:

  • J’son & Partners. Исследование Перспективы Индустрии 4.0 и цифровизации промышленности в России и мире. Март 2018 г.
  • J’son & Partners. Экономические эффекты от цифровизации и внедрения IoT в машиностроении в России. Август 2018 г.