Виртуальный производственный комплекс Sirius и его интеграция с CAD/CAM Cimatron

Виктор Молочник, Александр Салиенко

Как известно, станки с ЧПУ — это высокотехнологичное и достаточно дорогое оборудование, требующее бережного отношения и эффективной эксплуатации. Выполнение этих условий во многом связано с организацией разработки и отладки управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ.

Применение современных CAD/CAM- или CAM-систем обеспечивает значительное ускорение разработки УП, а для программирования сложной трехкоординатной или многокоординатной обработки является просто необходимым. CAD/CAM- или CAM-системы, как правило, содержат развитые средства контроля УП — от пошагового просмотра траектории инструмента до реалистичной визуализации процесса обработки детали.

Однако есть ряд задач, которые не решаются CAD/CAM-системами или выходят за пределы их возможностей. Например, уже имеется готовая УП, но вам требуется перевести обработку детали с одного типа станка на другой или промоделировать на основании УП процесс обработки. Другой пример — выполнение оптимизации режимов резания в имеющейся УП при замене материала заготовки. Еще одна важная задача — полноценный контроль столкновений узлов станка, приспособлений и инструмента при обработке — тоже решается далеко не всеми CAD/CAM-системами.

Решение всего комплекса задач, связанных с отладкой, контролем и преобразованиями УП, обеспечивается новым программным продуктом фирмы Sirius Systems Corporation (США). В России и СНГ этот продукт — Виртуальный производственный комплекс Sirius — поддерживается и сопровождается фирмой «Би Питрон». Таким образом, в службах ЧПУ предприятий появилась возможность организовать отдельные рабочие места, где технолог за счет воспроизведения на экране компьютера полной производственной среды может решить многие проблемы еще до начала реальной обработки на станке.

Комплекс Sirius включает следующие компоненты (модули):

• NC Verify — обеспечивает базирующийся на твердотельной модели контроль процесса резания, обнаруживая ошибки в программах для фрезерной, токарной и электроэрозионной обработки.
• Virtual Controller — мощный универсальный «обратный постпроцессор», выполняющий преобразование УП в нейтральный формат описания траектории инструмента.
• Machine Simulator — обнаруживает коллизии (столкновения) путем полной анимации оборудования с ЧПУ и всех его компонентов.
• NC to Solid — поддерживает возможности обратного инженерного проектирования за счет генерирования CAD-модели на основании траектории движения инструмента.
• NC Optimizer — анализирует траекторию движения инструмента и оптимизирует режимы резания.

Если попытаться кратко сформулировать, что в целом дает службе ЧПУ применение комплекса Sirius, можно отметить следующее:

• повышение качества обрабатываемых деталей;
• обнаружение ошибок в управляющей программе, контроль зарезаний;
• гарантированное соответствие деталей конструкторским спецификациям;
• уменьшение износа оборудования и инструмента;
• увеличение загрузки и производительности оборудования;
• уменьшение стоимости изготовления;
• обучение операторов станков с ЧПУ и технологов-программистов.

Рассмотрим более подробно функции и принципы работы модулей комплекса Sirius.

NC Verify обеспечивает реалистичную имитацию процесса обработки на фрезерных, токарных и электроэрозионных станках, в том числе имитацию полноценной пятикоординатной обработки. В качестве исходных данных выступают описания заготовки и траектории движения инструмента.

Заготовка простой формы (прямоугольная или цилиндрическая) может быть определена непосредственно в модуле NC Verify. Заготовка сложной формы описывается в файле формата STL. Файл может быть сформирован, например, CAD/CAM-системой или модулем NC to Solid комплекса Sirius.

Траектория движения инструмента представляется в нейтральном формате CLDATA (в CL-файле). CL-файл либо генерируется CAD/CAM-системой, либо является результатом работы модуля Virtual Controller. Данные содержат координаты точек (элементов) траектории, технологические режимы обработки, описание геометрии используемого режущего инструмента.

В процессе реалистичной имитации обработки можно изменять положение точки обзора, выполнять динамический поворот и изменение масштаба детали, выполнять построение сечений, менять направление освещения, генерировать слайды изображения, проводить геометрические измерения. На специальной панели в процессе имитации отображаются текущие координаты, номер и параметры инструмента, значения подачи и скорости шпинделя, режим охлаждения, текущее суммарное время обработки. Процесс имитации можно записывать в специальный файл и повторно воспроизводить.

Поддерживаются как стандартные формы режущего инструмента (например, фреза определяется семью параметрами), так и библиотеки инструментов пользователя. Имеется возможность задавать (с последующим использованием в процессе имитации) вспомогательный инструмент — державку. Технолог может также определить зажимное приспособление (чтением STL-файла) и «поместить» в него заготовку. В процессе имитации система контролирует:

• врезание инструмента в заготовку на ускоренной подаче;
• столкновение державки с заготовкой;
• столкновение инструмента или державки с приспособлением.

После врезания/столкновения имитация может быть автоматически остановлена или продолжена с записью в специальный протокол информации об ошибке в траектории.

Контроль зарезания поверхностей детали в NC Verify реализован как отдельная функция и выполняется путем сравнения модели обработанной детали с исходной CAD-моделью «спроектированной» детали (STL-файл). Участки зарезания поверхностей подсвечиваются красным цветом.

Virtual Controller выполняет в определенном смысле подготовительные функции, преобразуя различные файлы УП в нейтральный формат CLDATA. После преобразования информация о траектории инструмента поступает на вход других модулей Sirius.

Для того чтобы правильно «воспринимать» форматы УП для различных систем ЧПУ (контроллеров), Virtual Controller имеет библиотеку с описаниями более 100 наиболее распространенных моделей систем ЧПУ. Описания составлены на специальном несложном языке. Каждое описание включает разделы:

• общие сведения;
• адреса в кадре УП;
• подготовительные функции G;
• смешанные функции M;
• прочие сведения;
• сверлильные циклы.

Можно как редактировать имеющиеся описания, так и создавать новые, адаптируя библиотеку контроллеров к условиям конкретного предприятия.

Чтобы Virtual Controller мог преобразовывать УП для многокоординатных станков в формат CLDATA, ему необходимо иметь описание кинематической схемы станка, где указаны взаимное расположение линейных и поворотных осей и кинематические связи между ними. Такая информация вводится с помощью диалогового интерфейса в модуле Machine Simulator, после чего она преобразуется в текстовое представление с несложным синтаксисом и может далее редактироваться.

Перевод УП с одной модели станка с ЧПУ на другую осуществляется с применением соответствующего постпроцессора, на вход которого подается CL-файл, сгенерированный модулем Virtual Controller на основании исходной УП. Virtual Controller учитывает широкий диапазон особенностей форматов УП, в том числе наличие подпрограмм и макросов.

Machine Simulator контролирует возможные столкновения в системе СПИД («Станок — Приспособление — Инструмент — Деталь») за счет виртуального воспроизведения всего станка в целом и применяемых при обработке средств технологического оснащения. Движения исполнительных органов станка при обработке конкретной детали определяются содержанием соответствующего файла УП. Реалистичная имитация работы станка может быть начата с любого кадра УП и выполняется пошагово или непрерывно.

При имитации имеется возможность изменять положение точки обзора, выполнять динамический поворот и изменение масштаба, генерировать слайды изображения. Процесс имитации можно записывать в специальный файл и повторно воспроизводить.

Machine Simulator обнаруживает столкновения всех элементов: инструмента, державки, зажимных приспособлений, заготовки, стола, палет, шпиндельной головки или патрона, поворотных исполнительных органов (осей) станка и др. После обнаружения столкновения имитация может быть автоматически остановлена или продолжена с записью соответствующей информации в специальный протокол.

Геометрическая конфигурация, взаимное расположение и кинематические связи всех узлов и исполнительных органов станка вводятся, как уже упоминалось выше, с помощью диалогового интерфейса. Данные преобразуются в текстовое представление с несложным синтаксисом и допускают дальнейшее редактирование. Очевидно, что описания станков можно составлять и непосредственно в текстовом виде.

Machine Simulator может применяться не только как средство контроля УП, но и как средство для обучения операторов станков и технологов-программистов. Его целесообразно использовать также для проверки правильности проектирования новых многокоординатных станков и постпроцессоров.

NC to Solid генерирует CAD-модель в формате STL, IGES или VRML на основании информации о траектории инструмента, представленной в CL-файле или файле УП. При использовании файла УП должна быть определена также геометрия режущего инструмента.

CAD-модель может быть передана в CAD/CAM-систему для модификаций или для моделирования приспособлений. Модель может использоваться также в качестве первоначальной заготовки для дополнительных операций обработки в САМ-системе и модуле NC Verify.

В модуле NC to Solid имеется (как и в NC Verify) операция сравнения «спроектированной» и «изготовленной» деталей. Однако здесь возможности такого сравнения значительно шире.

Пользователь может определить ряд диапазонов для величин отклонений изготовленной детали от спроектированной. Для каждого из диапазонов задаются его границы (например, от 0,1 до 0,3 мм) и цвет. При сравнении деталей формируется пространственная цветовая карта распределения отклонений (припусков), наглядно иллюстрирующая как участки и величины зарезаний, так и величины припусков на необработанных участках. Для любой указанной на модели точки могут быть в специальном окне выведены ее координаты и точная величина отклонения.

NC Optimizer анализирует траекторию движения инструмента для трехкоординатного фрезерования и оптимизирует значения подач и скоростей резания. Для оптимизации модуль использует таблицы режимов резания, подготовленные в среде СУБД Microsoft Access.

Головная таблица режимов содержит ссылки на частные таблицы (подтаблицы) в зависимости от трех параметров: материала заготовки, материала инструмента и вида обработки. Виды обработки подразделяются на торцевое фрезерование, чистовое фрезерование поверхностей, сверление и др. Для торцевого фрезерования, например, подтаблицы содержат по пять колонок: диаметр фрезы, глубина фрезерования, ширина фрезерования, подача на зуб, контурная подача в миллиметрах в минуту.

Можно создавать новые таблицы режимов резания, корректировать и дополнять имеющиеся. Очевидно, что базу данных с таблицами следует адаптировать к условиям конкретного предприятия.

Входными данными для процесса оптимизации являются:

• описание траектории инструмента в файле УП;
• модель заготовки в STL-файле (прямоугольная или цилиндрическая заготовка задается непосредственно);
• описание геометрии режущего инструмента семью параметрами;
• материал заготовки и материал режущего инструмента.

Модуль NC Optimizer полностью интегрирован с модулями NC to Solid и Virtual Controller. Меню работы с NC Optimizer вызывается из модуля NC to Solid. Здесь можно задать различные варианты настройки процесса оптимизации.

В результате оптимизации генерируются файлы, содержащие модифицированную УП и данные в формате CLDATA. Формируется также протокол с указанием времени обработки для каждого блока УП и суммарного времени, с подробными пояснениями по выполненным корректировкам подач и скоростей резания.

Возможности виртуального производственного комплекса Sirius не только вызвали интерес у большого числа пользователей, но и привлекли внимание разработчиков ряда CAD/CAM-систем. Разработчики встраивают модули комплекса Sirius в свои системы, обеспечивая их высококачественными средствами контроля управляющих программ. Одним из ярких примеров является CAD/CAM-система Cimatron, в состав которой начиная с 10-й версии входят модули NC Verify (под именем Simulator) и NC to Solid (под именем Verifier).

В предыдущих версиях Cimatron аналогичные функции контроля УП поддерживались собственными средствами, которые, однако, имели более ограниченные возможности. В частности, несмотря на наличие технологических процедур для пятикоординатной обработки, отсутствовала возможность ее реалистичной имитации. Таким образом, с включением модулей Sirius возможности Cimatron для пятикоординатной обработки значительно увеличились.

Информационная связь Cimatron с модулями Sirius осуществляется за счет преобразования созданной траектории движения инструмента в формат CLDATA.

Теперь при организации отдельных рабочих мест для контроля и отладки УП пользователи CAD/CAM Cimatron имеют заметное преимущество благодаря полной информационной интеграции используемой CAD/CAM-системы и виртуального производственного комплекса Sirius.

«САПР и графика» 6'2000