4 - 2005

Развитие возможностей 3D-коррекции

Андрей Дубровин

Впервые я столкнулся с возможностью компенсации размеров фрезы для трехмерной обработки при работе с устройством числового программного управления (УЧПУ) FIDIA итальянского производства. С помощью УЧПУ FIDIA можно проектировать управляющие программы (УП) методом сканирования. В России многие пользуются таким методом проектирования: устанавливают на стол станка модель будущей детали и сканируют по желаемой стратегии. При этом вся геометрия очень точно и с учетом отклонений щупа записывается на диск в виде управляющей программы. И все было бы хорошо, если бы не одно обстоятельство: щуп имеет точные геометрические размеры, а фреза может иметь отклонения, то есть получить правильную поверхность с помощью такой УП можно только при условии, что фреза и щуп идеально совпадают по размерам. В случае масштабной модели фреза должна масштабно отличаться от щупа. А что делать, если захочется оставить припуск или снять межэлектродный зазор? Неужели на каждое отклонение заказывать новый щуп или новую фрезу? Именно для таких ситуаций трехмерная коррекция просто незаменима!

В коррекции «от сканирования» не все идеально. В инструкции написано, что не рекомендуется применять фрезы с отклонением от размеров щупа более 10%. Сначала не понятно было, откуда возникает погрешность и почему именно 10%, но со временем все стало ясно. Дело в том, что основным элементом 3D-коррекции является нормаль к поверхности обработки, а во время сканирования податливый щуп отклоняется от своего положения в неконтактном состоянии. Величина отклонения настраиваемая и может достигать 1 мм. УЧПУ пересчитывает координаты положения шпинделя щупа в координаты нижней точки щупа с большой точностью. Единственная информация, с помощью которой можно определить величину отклонения щупа по осям, — это сила, отклоняющая щуп от исходного положения и достигающая 300 г. И именно значение этой силы может быть применено для определения вектора нормали. Принято считать, что сила реакции, действующая на щуп, является нормалью к поверхности. Это так, если щуп неподвижен, но если он в движении и в контакте, то появляется сила трения, которая практически не влияет на точность расчета координат, но влияет на отклонение вектора нормали (рис. 1). Если коррекция не используется, то никакой погрешности не возникает. Однако с применением коррекции появляется погрешность, пропорциональная величине изменения корректора. Во время движения щупа в зоне контакта с поверхностью возникает сила трения, которая отклоняет направление вектора на вполне конкретный угол B:

,

где k – коэффициент силы трения щупа по модели.

И тогда можно точно вычислить погрешность от несовпадения размеров щупа и фрезы :

 

где Rщ и Rф — радиус щупа и радиус фрезы соответственно.

Таким образом, можно заранее вычислить погрешность и умело пользоваться коррекцией в пределах заданной точности. Вам хотелось бы полностью освободиться от погрешности? Это вполне реально: УП можно создавать не только методом сканирования, но и с помощью CAM-системы. При этом достигаемая точность расчета вектора на два порядка выше. Результат, полученный в ходе первого испытания, был потрясающим: с помощью одной программы как цилиндрической, так и сферической фрезой были получены совершенно идентичные поверхности. С тех пор началась промышленная эксплуатация УП с 3D-коррекцией.

С момента выхода в свет предыдущей статьи о трехмерной коррекции (см. № 10'1999) был накоплен новый опыт эксплуатации 3D-коррекции. Конечно, чаще всего 3D-коррекция используется для решения ординарных производственных задач — это применение фрез различных размеров для получения нужной обработки и обработка с постоянным припуском или снятие слоя материала в минус (меж­электродный зазор). Досадным моментом работы было отсутствие УЧПУ, поддерживающих 3D-коррекцию. Поэтому между CAM-системой и УЧПУ присутствовало еще одно звено обработки информации — программа преобразования УП с 3D-коррекцией в обычные УП трехосевой обработки.

Некоторое время преобразование выполнялось с помощью самостоятельной программы, но позже все алгоритмы были перенесены в макрос системы ГеММа-3D. Это оказалось намного удобнее как для развития 3D-коррекции, так и для работы операторов СЧПУ. Последний просмотр и отладку УП оператор СЧПУ прежде выполнял в редакторе машинных программ системы ГеММа-3D, а после создания макроса получил возможность работать в одной, привычной для него среде. Кроме того, теперь можно использовать многоинструментальную обработку.

Но прогресс идет, в цех поступает новое оборудование с более широкими возможностями. Вначале был запущен станок 800V Стерлитамакского станкостроительного завода с УЧПУ Haidenhain. Совсем недавно была проведена модернизация куйбышевского фрезерно-расточного станка 24К40 с заменой старой УЧПУ 2С42-65 на новую ФМС-3000 нижегородского производства. Не осталось ни одной УЧПУ, которая не поддерживает 3D-коррекцию, поэтому отпала необходимость в промежуточном звене. С тех пор начался новый этап эксплуатации 3D-коррекции.

Многим программистам ЧПУ приходится переделывать программы с контурной коррекцией на обработку контура с другой стороны. Эту задачу легко можно выполнить либо заменой параметров коррекции G41/G42, либо, если позволяет УЧПУ, с помощью отрицательного значения корректора. Мы попытались сделать то же самое для трехосевой обработки — естественно, с помощью 3D-коррекции. То есть использовать одну и ту же УП для обработки поверхности сверху и снизу, изменяя параметры корректоров и привязок на УЧПУ: поворот вокруг оси Х на 180°, смещение по Z , изменение корректоров на диаметр фрезы и на радиус скругления. На самом деле в реальном производстве трудно найти поверхности, на которых можно было бы выполнить такую работу. Так, на пресс-форме для литья корпуса фары к автомобилю «Нива-Шевроле» нашлась только одна подходящая поверхность — занижение вокруг поверхности разъема, а сама поверхность разъема на пуансоне недоступна для фрезерной обработки. Обработка была выполнена на станке Rambaudi с УЧПУ Fidia, ее результат показан на рис. 2.

Аналогичная работа была проведена на станке 800V с УЧПУ Haindenhain по обработке поверхностей соприкосновения двух формообразующих деталей пресс-формы также с получением положительного результата. Приобретенный во время таких работ опыт свидетельствует, что данные приемы неэффективны при наличии CAM-системы, которая может подготовить УП быстро и технологично. Однако если САМ-система отсутствует или модель утеряна и не подлежит восстановлению, этот прием поможет выполнить поставленную задачу.

И еще один необычный случай — работа над пуансоном пресс-формы для литья детали «повторитель» 10-й модели ВАЗ (такое оранжевое стеклышко-рассеиватель, которое крепится на боковой поверхности переднего крыла автомобиля). Поскольку это рассеиватель, то на его внутренней поверхности присутствуют многочисленные риски, для получения которых аналогичные риски должны быть выполнены на пуансоне. Периметр пуансона состоит только из дуг окружностей, от контура периметра строится уклон, на котором нужно сделать риски с шагом 0,5 мм. Такую поверхность можно обработать либо 5-осевой гравировкой, либо строганием. Поскольку собственных 5-осевых станков у нас нет, пришлось строгать. Оператор СЧПУ попросил программу с 3D-коррекцией, а на вопрос, зачем это нужно, ответил, что, во-первых, значительно снижаются требования к точности заточки и настройке резца, а во-вторых, строгать нужно в несколько проходов с замерами значения глубины рисок. Для проектирования УП была использована обычная фрезерная операция обработки по изопараметрикам с быстрым переходом по петле. К сожалению, стойка Haidenhain не позволяет поворачивать шпиндель во время выполнения кадра движения. Пришлось задавать команду поворота шпинделя за пределами обработки в неподвижном положении по осям. Для подготовки этой программы специально был разработан постпроцессор в системе ГеММа-3D, который информацию о векторе нормали использует для 3D-коррекции и для расчета угла поворота шпинделя. Обработка строганием на фрезерном станке показана на рис. 3.

р аботу 3D-коррекции трудно представить на бумаге посредством текста и изображений, однако отдельные моменты показать все же можно. Для испытания стойки ФМС-3000 в системе ГеММа-3D были подготовлены модель для обработки и программа обработки модели сферической фрезой диаметром 16 мм без припуска. ГеММа-3D предоставляет самый удобный сервис для подготовки УП с применением 3D-коррекции. На рис. 4 показано, как выглядит управляющая программа с векторами нормали в редакторе машинных программ системы ГеММа-3D. УП была выполнена дважды: в первый раз сферической фрезой 16 мм с припуском 1 мм (рис. 5), во второй — цилиндрической фрезой 10 мм без припуска (рис. 6). На изображении хорошо видны следы подреза поверхности модели, которые являются грубейшим нарушением правил эксплуатации 3D-коррекции. Обрабатывать эту поверхность цилиндрической фрезой недопустимо.

Если УП правильно спроектирована для обработки набора произвольных поверхностей с определенными размерами фрезы, то можно применять фрезы с меньшими размерами по сравнению с заданной при проектировании, а точнее говоря, не больше должны быть радиус скругления и диаметр торца. При нарушении этих условий появляется вероятность испортить поверхность детали той частью фрезы, которая не участвует в расчетах. Особенно опасна в этом смысле обработка острых внутренних изломов.

Работая с контурной коррекцией, оператор СЧПУ для достижения нужного результата пользуется таким параметром как корректором на радиус фрезы. В 3D-коррекции присутствуют три параметра, влияющих на обработку. Каждый из них по-своему влияет на припуск при обработке детали. Корректор на длину определяет припуск по оси Z , корректор на радиус фрезы (аналогично контурной коррекции) определяет припуск на боковых стенках, радиус скругления фрезы определяет припуск на уклонах. На рис. 7 показано сечение детали (зеленым цветом) и следы обработки цилиндрической фрезой диаметром 40 мм с различными корректорами радиуса скругления: красная линия — корректор равен + 10 мм , синяя линия для корректора — 10 мм. Для чего это нужно? УП задает идеальную траекторию для идеальной фрезы. На деле же во время обработки возможны различные отклонения от идеального варианта. При обработке легче всего выдержать вертикальный размер — жесткость фрезы наибольшая, износ наименьший. Горизонтальные размеры в большей степени зависят от жесткости фрезы, причем отклонение фрезы может меняться в течение одной обработки по мере затупления рабочих кромок фрезы. Поверхности уклонов детали могут иметь значительные отклонения по причине отгибания и вследствие износа рабочих поверхностей фрезы. Для цилиндрических фрез, а также в том случае, если на зубе выполнена фаска, управление припуском на уклоне становится актуальным.

Следующими возможностями не всегда удается воспользоваться по некоторым техническим причинам. Так, для правильной работы 3D-коррекции на внутренних изломах должны быть два кадра движения. С точки зрения обычной 3D-обработки — это абсурд. Действительно, зачем нужны в программе два кадра подряд с совершенно одинаковыми координатами? А для 3D-коррекции нужны два кадра с одинаковыми координатами, но с разными векторами нормали, которые соответствуют различным стенкам излома (рис. 8). Если хотя бы один из них будет отсутствовать, то при изменении корректора получатся значительные, сравнимые с корректором отклонения от желаемой поверхности. К сожалению, не все САМ-системы стабильно выдают в программу двойной кадр с такими требованиями.

Правильная отработка УП с большим изменением корректора показана на рис. 9. Хорошо видно, что точки двойного кадра превратились в два совершенно самостоятельных кадра с нормальной обработкой поверхностей излома. В настоящее время обработка изломов с коррекцией выполняется именно таким образом. Невооруженным глазом виден недостаток: в изломе остался недообработанный слой материала, показанный штриховкой. Но и эта проблема вполне решаема. Если пресловутый двойной кадр все-таки заменить одним и приложить к нему вектор, направленный по биссектрисе от векторов двух исходных кадров, то получится УП с очень чистой обработкой изломов даже с учетом значительного уменьшения диаметра фрезы (рис. 10). Естественно, полученный таким образом вектор уже не будет называться вектором нормали и будет иметь значение больше единицы. Имея такой математический аппарат можно выполнить красивую карандашную обработку изломов, обрабатывая их последовательными проходами с уменьшением размеров фрезы. Но чтобы внедрить это в производство, нужны согласованные действия разработчиков CAM-систем и разработчиков УЧПУ, поскольку в настоящее время ни одна из CAM-систем не умеет создавать векторы для изломов, а из существующих УЧПУ только Haidenhain может работать с векторами, значение которых больше единицы. Впрочем, есть еще один вариант — промежуточная программа преобразования, которой, правда, следовало бы предпочесть промышленный вариант решения этого вопроса.

Долгое время на нашем предприятии эксплуатировались одновременно две системы кодирования УП с 3D-коррекцией: подобно тому, как при задании контурной коррекции можно программировать либо контур детали, либо траекторию фрезы, так и при 3D-коррекции можно запрограммировать или точку поверхности, или точку фрезы. Это было вы­звано тем, что не все используемые CAM-системы могли проектировать «честные» УП с вектором нормали. Сейчас, когда накоплено больше опыта подготовки постпроцессоров и промышленной эксплуатации 3D-коррекции, мы решили остановиться на том варианте, который показался нам более удобным. Это вариант кодирования точки поверхности. В данном случае, во-первых, кадры УП являются точками поверхности, что облегчает контроль точности изготовления, во-вторых, если при обработке в качестве корректоров указать реальные размеры фрезы, то, как и в контурной коррекции, получится модель без отклонений, используемая при подготовке УП, а в-третьих, только в этом случае возможно правильное масштабирование детали на станке, что нельзя идеально сделать с помощью обычных УП 3D-обработки, поскольку УЧПУ при этом масштабирует траекторию фрезы, а не модель.

3D-коррекция для 5-осевой обработки — реально ли это и нужно ли? При обработке в пяти осях торцом фрезы на глобусном столе корректор на длину фрезы напрямую управляет припуском. Полученный опыт позволяет легко применить 3D-коррекцию для станков с поворотной головой (TWIST) и для варианта обработки торцом. Но обработка торцом — самый неудачный в плане технологии вид обработки, поскольку основная режущая поверхность, то есть центр фрезы, имеет нулевую скорость резания. Чаще применяют обработку с наклоном фрезы, так чтобы основная рабочая кромка находилась далеко от оси вращения фрезы. В этом случае отработанная математика 3D-коррекции не действует, но ее можно развить и на полноценную 5-осевую обработку. Например, каждый кадр APT-файла, созданного в Pro/ Engineer, содержит девять чисел: три — декартовы координаты, три — вектор оси фрезы, три — вектор нормали к поверхности. Этой информации вполне достаточно для создания 5-осевых УП с коррекцией.

Благодаря этому снимаются многие производственные проблемы. Оператор СЧПУ сам может задавать эквидистантное отклонение от поверхности детали, которое может потребоваться по технологии обработки, или использовать его для точной подгонки размеров детали, уменьшая погрешность от износа фрезы либо ликвидируя разницу размеров при установке фрезы другого типоразмера. Но гораздо важнее то, что при установке другой фрезы того же типоразмера может измениться вылет фрезы, что влияет на расстояние от центра поворота шпиндельной головки до конца фрезы. Поскольку этот размер участвует в расчете УП, то получается, что при отсутствии коррекции необходимо каждый раз пересчитывать УП, а это гораздо более трудоемкий процесс, чем пересчитать обычную УП трехмерной обработки.

Некоторые из описанных возможностей уже применяются и являются функциями некоторых УЧПУ. Сегодня необходимо дальнейшее повышение удобства работы и увеличение производительности труда специалистов ЧПУ обработки, чтобы и остальные возможности были реализованы. Но для того, чтобы воплотить в жизнь эти новшества, необходимо серьезно потрудиться, а самое главное — следует обратить внимание разработчиков УЧПУ и CAM-систем на то обстоятельство, что без их плодотворного сотрудничества полезные новшества не будут реализованы.

«САПР и графика» 4'2005