Правильный выбор программного обеспечения CAD/CAM

Александр Николаев, Вячеслав Савушкин

Три главных вопроса

Передача данных из других систем

Собственные средства моделирования — CAD для CAM

Твердотельная модель и поверхности

Время освоения и внедрения

Интеллектуальные средства организации техпроцесса

Основные модули CAM-системы

Российский рынок предлагает большое количество разнообразных зарубежных и отечественных CAM-систем. Все они предназначены для решения одной задачи, но цена и функциональные возможности этих систем могут значительно различаться. Как правильно сделать выбор, на что следует обратить внимание в первую очередь, является ли число продаж в мире важным показателем при выборе системы или есть другие, более объективные критерии?

Три главных вопроса

Для оценки CAM-системы, которую вы хотели бы приобрести, необходимо изначально задаться тремя наиболее важными вопросами и получить на них ответы:

1. Решает ли программное обеспечение конкретные производственные задачи, стоящие перед вашим производственным подразделением?
2. Является ли система расширяемой и модульной, имеет ли возможность развития, позволит ли в дальнейшем перейти на другие версии и расширить возможности, поскольку потребности современного производства постоянно растут?
3. Повысит ли система производительность и качество производства при решении поставленных задач, окупится ли она в приемлемый срок?

Если вы не получили положительный ответ на все три вопроса, то, вероятнее всего, вам следует отказаться от этой системы и искать ту, что полнее удовлетворяет требованиям производства.

Современная, хорошо разработанная CAM-система включает набор базовых возможностей, отвечающих актуальным потребностям большинства пользователей и позволяющих решать задачи по подготовке управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ.

Модульная концепция программного обеспечения аналогична принципам модернизации и наращивания возможностей аппаратных средств компьютеров. Избавив вас от необходимости сразу покупать полную систему, включающую все возможности, даже те, что вам не нужны, правильно разработанная CAM-система предложит ряд модулей обновления, которые можно будет приобретать по мере того, как потребности вашего производства будут расти и расширяться.

Время окупаемости сильно различается и изменяется в зависимости от индивидуальных особенностей и конкретных производственных задач. Оно может быть только проанализировано с использованием специфичной для вашего производственного подразделения информации. Этот анализ по существу такой же, что и в случае любого капиталовложения: с одной стороны, стоимость вложенных средств, а с другой — прибыль и время ее получения.

Предположим, например, что в настоящее время ваше подразделение готовит управляющие программы только для токарных станков с ЧПУ. Это означает, что в данный момент, вероятно, можно использовать менее дорогой CAM-модуль, по сравнению с тем, что потребовался бы для подготовки УП и для фрезерных станков с ЧПУ. Теперь допустим, что ваше предприятие планирует примерно через год приобрести несколько новых фрезерных станков с ЧПУ. Позволит ли используемое вами сегодня программное обеспечение решать новые задачи поддержки этого современного, более сложного оборудования? Сможете ли вы безболезненно модернизировать свою текущую CAM-систему, нарастить и расширить ее возможности или должны будете покупать другую, более современную систему, снова вкладывать средства и начинать процесс освоения и внедрения с нуля? Ответы на эти вопросы вам сможет дать только анализ вашей конкретной производственной ситуации. Все это необходимо учитывать, прежде чем вы приступите к поиску, анализу и приобретению программного обеспечения.

Итак, рассмотрим, какие базовые возможности, отвечающие потребностям большинства пользователей, должны содержаться в CAM, предназначенной для подготовки УП для станков с ЧПУ. Ответ на этот вопрос, конечно, неоднозначен, но опыт показывает, что существует определенный набор возможностей, которые должны присутствовать обязательно.

Передача данных из других систем

Одна из важнейших возможностей — передача данных об изготавливаемой детали. Вероятнее всего, эти данные представляют собой не бумажный чертеж, а файл с компьютерной моделью обрабатываемой детали. Это означает, что ваше программное обеспечение должно иметь возможность точного импортирования таких данных. Для выполнения этого в состав CAM должны входить встроенные трансляторы данных разных форматов, которые делятся в основном на два типа: нейтральный и прямой.

Трансляторы данных в нейтральном формате, например IGES, — это универсальный формат данных, наиболее распространенный и часто используемый во всем мире. Трансляторы некоторых CAM распознают, в какой CAD-системе был создан входящий IGES-файл, и настраиваются на особенности этой системы. Это ценное «интеллектуальное» качество обеспечивает и гарантирует наиболее точную передачу данных.

Прямые трансляторы позволяют выполнять полную передачу данных о геометрии изделия, потому что используют оригинальный формат базы данных конкретной CAD/CAM-системы. Но, поскольку каждая система требует отдельного прямого транслятора, стоимость их достаточно высока, а кроме того, необходимо постоянное обновление и модификация при выходе новых версий. Следовательно, можно ожидать, что использование прямого транслятора данных потребует дополнительных затрат на обновление и поддержку последних версий. Помимо всего прочего может потребоваться дополнительная плата за возможность двунаправленной передачи данных. Исходя из этого лучше сразу узнать, что включено в поставку и не потребуется ли в будущем дополнительная плата за обновление и поддержку новых версий.

В общем случае базовая CAM-система должна бесплатно включать набор трансляторов для основных наиболее распространенных форматов обмена данными, типа IGES, VDA, DXF. Если вы будете использовать технологию «обратного проектирования» для воссоздания модели по прототипу, вам также потребуется возможность импортировать цифровые данные от измерительной машины. В некоторых случаях важно иметь возможность обратной передачи информации о траектории движения инструмента, а также преобразования кодов УП в геометрический вид.

Для примера отметим, что в состав любого модуля системы SURFCAM входят обязательные двунаправленные трансляторы форматов IGES, VDA-FS, DXF, а также ACIS SAT и Parasolid.

Что касается прямых трансляторов данных, то здесь следует упомянуть о новых технологиях, одна из которых, называемая one-step-транслятор, непосредственно транслирует данные из CAD-системы в CAM посредством простого нажатия кнопки мыши (например, из SolidWorks в SURFCAM).

Собственные средства моделирования — CAD для CAM

Для того чтобы спроектировать и разработать компьютерную модель изделия или даже отдельной детали от начальной концепции, чертежа или эскиза, потребуется CAD-система с полными функциональными возможностями. Но если ваше программное обеспечение предназначено в основном для подготовки УП и использует интегрированный внешний интерфейс с CAD, применяемой в конструкторском подразделении предприятия, то, скорее всего, нет необходимости дублировать эти функции и иметь полнофункциональную CAD-систему в технологическом подразделении.

Базовые возможности CAD-модуля любой CAM-системы должны быть относительно дешевыми и включать основные функции трехмерного моделирования и редактирования, необходимые для выполнения дополнительных технологических построений и быстрого внесения изменений в модель обрабатываемой детали. Достаточно функциональная, но гибкая CAD должна отвечать требованиям и особенностям производственного подразделения, то есть предоставлять возможность создавать необходимые модели изделий для производства, эффективно их редактировать и в конечном счете — ускорять процесс генерации траектории инструмента и подготовки УП для станков с ЧПУ.

Для подготовки производства и обработки фасонных деталей пресс-форм и другой оснастки желательно наличие дополнительных функций построения, типа создания линии или поверхности разъема, разделение модели на полуформы. Разъем пресс-формы может представлять собой довольно сложную поверхность или даже набор таких поверхностей. Желательно, чтобы такие функции включали анализ на обеспечение разнимаемости пресс-формы.

Твердотельная модель и поверхности

Проектные подразделения, которым требуются обширные возможности моделирования деталей и сборок, предпочитают в основном CAD-системы параметрического твердотельного моделирования для платформы PC, поскольку они предлагают широкий спектр возможностей при цене, составляющей незначительную долю от стоимости CAD-систем на платформе UNIX.

Твердотельные модели строятся из составных примитивов разных форм, типа цилиндров, тел вращения, призм и других типовых элементов, а также содержат информацию об объеме, весе и инерционных свойствах. На самом деле любая твердотельная модель всегда состоит из поверхностей с добавленными данными о топологии. Поэтому обычно CAM-система может импортировать поверхности из любой твердотельной модели изделия для выполнения дальнейшей обработки этой модели.

В своем отчете за март 1999 года CIMdata, Inc. отмечает, что твердотельные модели наиболее пригодны для определения первичных форм детали, а модели из поверхностей лучше подходят для сложных форм и деталей произвольных свободных форм.

Таким образом, твердотельные модели очень полезны на концептуальной стадии проекта, но когда предполагается производство и обработка на станках с ЧПУ деталей сложных форм, особенно пресс-форм и другой технологической оснастки, то оптимальные результаты дает модель из поверхностей, созданная и управляемая в CAD-системе, которая поддерживает работу с поверхностями сложных форм.

Система SURFCAM включает большой набор средств создания моделей деталей с использованием функций построения и редактирования NURBS-поверхностей, а помимо этого — и модуль Design Plus для параметрического твердотельного моделирования деталей и сборок.

Время освоения и внедрения

Современная CAD/CAM-система должна быть эффективна для профессионала, но проста и легка для освоения рядовым пользователем. Программное обеспечение должно предоставлять современные средства и методы интерактивного обучения. В настоящее время контекстно-зависимая интерактивная справочная система со ссылками по различным темам является стандартом. В состав многих программ наряду с документацией в печатном виде входит и полная интерактивная документация в электронном виде, содержащая оглавление с перекрестными ссылками по разделам и темам всей документации.

Современные средства обучения, включающие мультимедийные учебные примеры со звуком, контекстно-зависимую интерактивную справочную систему, всегда выгодно отличали систему SURFCAM. Теперь для официальных пользователей доступно новое средство обучения через Internet — SURFCAM eTraining. Здесь содержится множество полезной информации по всем разделам системы. Пользователь может изучать SURFCAM в удобное для него время и в удобном темпе и своевременно узнавать подробности о возможностях новых версий.

Интеллектуальные средства организации техпроцесса

Хорошие CAM-системы включают настраиваемые библиотеки инструментов и материалов даже в минимальной конфигурации. Интеллектуальная CAM рассчитывает и предлагает рекомендуемые подачи и скорости резания на основе заданных параметров инструмента и материала заготовки и инструмента. Конечно, технолог-программист должен иметь возможность изменять параметры режимов резания и задавать их по своему усмотрению, используя рекомендуемые режимы как справочные для проверки и сравнения.

Для правильной и удобной организации операционного техпроцесса обработки на станках с ЧПУ несомненное преимущество дают средства, позволяющие представлять техпроцесс в виде дерева с входящими в него операциями и переходами. Например, диспетчер операций ЧПУ SURFCAM, который обеспечивает удобный графический интерфейс и позволяет выполнять над технологическими операциями и переходами различные действия типа упорядочения и быстрого просмотра, внесения изменений в траектории инструмента и параметры обработки, связанные с операциями.

Часто на производстве изготавливают аналогичные или подобные детали. Поэтому крайне необходимо иметь средства создания техпроцесса по аналогу, с помощью которых, используя набор готовых операций техпроцесса с заданными и проверенными режимами обработки, можно копировать готовый техпроцесс обработки уже отработанной детали для обработки подобной, с внесением небольших изменений в технологические параметры. Такая возможность очень важна и позволяет значительно сокращать время разработки и отладки техпроцесса обработки на станках с ЧПУ для типовых деталей.

При подготовке УП для станков с ЧПУ также важно иметь информацию для сопутствующих технологических документов, включающую время выполнения операции и информацию об инструментах. Необходимо наличие возможности вывода такой информации в файл отчета, формат которого может быть настроен и отформатирован для соответствия требованиям производства.

Основные модули CAM-системы

Довольно часто CAM-системы подразделяются на модули по функциональному принципу, то есть по типу обработки и по количеству осей координат, для которых они позволяют разрабатывать управляющие программы — для 2-, 3-, 4- и 5-координатных станков с ЧПУ. Соответственно это программное обеспечение продается по тому же модульному принципу, при котором цена растет с повышением функциональных возможностей предлагаемых модулей CAM-системы. Обычно более функциональные и дорогие модули включают в себя все возможности предыдущих, более дешевых модулей. Итак, рассмотрим основные модули CAM-систем.

Токарная обработка — подготовка управляющих программ для токарных станков с ЧПУ с двумя осями координат. Обычно это самый недорогой CAM-модуль. Он должен решать задачи по подготовке УП для следующих токарных операций: черновое и чистовое, продольное и поперечное точение, подрезка торцов, обработка канавок и галтелей, растачивание, нарезание резьбы резцом, отрезка и выполнение циклов обработки отверстий. Для каждой операции должна поддерживаться возможность управления различными параметрами, такими как припуск, направления и углы режущих перемещений и вспомогательных перемещений подвода и отвода, задание формы и геометрии заготовки, количество и шаг черновых и чистовых проходов. Все токарные операции должны рассчитываться с учетом геометрических параметров инструмента — главного и вспомогательного углов в плане, так чтобы полностью исключить возможность возникновения зарезов.

2- или 2,5-координатная фрезерная обработка. Как правило, цена CAM-модуля, решающего данную задачу, примерно соответствует цене токарного модуля. Однако за такую или несколько большую цену этот модуль должен обеспечивать выполнение широкого набора операций фрезерной обработки, наиболее важные из которых:

• контурная обработка с различными типами подхода и отхода к контуру и возможностью задания коррекции на радиус инструмента;
• обработка полостей различной глубины с применением разных стратегий;
• доработка необработанных зон и углов инструментом меньшего диаметра;
• сверление и другие типы обработки отверстий.

3-координатная фрезерная обработка. Этот основной модуль при подготовке УП для объемной фрезерной обработки применяется для изготовления технологической оснастки: фасонных частей пресс-форм и штампов, электродов для их прожига, а также других изделий, имеющих сложные геометрические формы. Основные операции 3-координатной фрезерной обработки: черновая послойная обработка (удаляет весь материал между границами детали и заготовки, со смещением по глубине Z для каждого слоя); черновая обработка параллельными проходами вдоль заданной плоскости; черновая обработка методом высверливания, когда материал высверливается с заданным шагом; чистовая/получистовая послойная обработка со смещением по глубине Z для каждого слоя (применяется для окончательной обработки крутых, почти вертикальных областей детали); чистовая/получистовая обработка параллельными проходами вдоль заданного направления. Направление проходов может задаваться плоскостью, направляющей поверхностью или кривой. Шаг между проходами может быть постоянным либо вычисляться по критерию качества обработки (высоте гребешка); доработка остатков материала автоматически обнаруживает и подвергает обработке те области детали, где остался лишний материал после всех предыдущих операций; доработка по кривым в местах стыковки поверхностей, как сопрягающихся, так и пересекающихся под углом; проецирование траектории на обрабатываемый участок детали. Этот метод также иногда применим для гравирования текстов и рисунков на поверхности детали.

Конечно, как для 2- и 2,5-, так и для 3-координатной фрезерной обработки все операции должны рассчитываться с учетом геометрии детали и используемого инструмента так, чтобы полностью исключить возможность возникновения зарезов на детали. Параметры каждой операции должны эффективно управляться и изменяться. Особенно важны такие параметры, как перемещения врезания, вспомогательные перемещения подвода и отвода, возможность использования разнообразных типов инструментов с применением коррекции на радиус и длину инструмента, задание формы и геометрии заготовки, параметры черновых и чистовых проходов. Также важно иметь возможность задания различных ограничений для выделения зон обработки на детали, обхода препятствий и прижимов. Для наилучшего использования современных станков, поддерживающих технологию высокоскоростного фрезерования, необходимо создавать гладкие специальные траектории движения инструмента без углов и изломов. Это значит, что для высокоскоростной обработки требуются скругления углов в местах резкого изменения направления движения инструмента, а также выполнение перемещений подвода и отвода инструмента по касательной дуге. Это позволяет повысить значение скорости рабочей подачи, избежать выполнения торможения в местах излома траектории инструмента, значительно сократить время обработки, а также повысить качество поверхности детали после обработки.

SURFCAM поддерживает технологию высокоскоростного фрезерования и позволяет создавать соответствующие оптимизированные траектории инструмента для контурной обработки, обработки полостей, операций доработки меньшим инструментом, черновой послойной обработки, черновой и чистовой обработки параллельными проходами вдоль заданной плоскости.

Электроэрозионная 2- и 4-координатная обработка. Подготовка УП для 2-координатной электроэрозионной обработки обычно не является очень сложной задачей. Это обработка наружного или внутреннего контура детали с заданием различных типов контурной коррекции и режимов подхода и отхода к обрабатываемому контуру. 4-координатная электроэрозионная обработка с наклоном проволоки выполняется по двум контурам детали (верхнему и нижнему) либо непосредственно по линейчатой поверхности, построенной по этим двум контурам.

Модуль SURFCAM 2 Axis PLUS помимо решения задач по 2- и 2,5-координатной фрезерной обработке позволяет эффективно создавать управляющие программы как для 2-, так и для 4-координатной электроэрозионной обработки. Существуют и отдельные специализированные CAM-системы, которые предназначены для подготовки управляющих программ только для этого вида обработки.

4- и 5-координатная фрезерная обработка. В основном такой вид обработки применяется для изготовления определенного типа деталей: сложные винтовые поверхности, лопастные колеса и импеллеры, коллекторы со сложными каналами. Обычно обработка выполняется для отдельной поверхности, а не для всей детали. При такой обработке предотвращение возможных зарезов не может быть автоматическим. Для этого применяются специальные средства, ограничивающие поворот и перемещение инструмента и управляющие углом между вектором инструмента и нормалью к обрабатываемой поверхности. Важна возможность обработки боковой стороной инструмента и обработки по контуру вдоль направляющей поверхности с применением различных типов фрез. Часто применяются конические фрезы с радиусом скругления. Совсем не многие CAM-системы позволяют выполнять многокоординатную обработку сложной детали, состоящей из множества поверхностей. SURFCAM — единственная CAM-система для платформы персональных компьютеров, которая имеет такую возможность.

***

В этой статье мы осветили далеко не все вопросы, касающиеся программного обеспечения по подготовке производства на станках с ЧПУ. Сегодня существует большое количество важных свойств и функций CAM, поэтому подробно описать их все в одной краткой статье невозможно. Однако обсудить основные моменты, на которые обязательно следует обратить внимание перед покупкой программного обеспечения CAM, крайне необходимо. Но поскольку эта тема достаточно обширна, в следующем номере мы продолжим рассмотрение наиболее важных функций CAM-систем. Кроме того, мы уделим внимание средствам проверки и имитации обработки, применение которых практически исключает требующие много времени и средств отладку и пробные прогоны управляющей программы на станке с ЧПУ.

«САПР и графика» 6'2001