ГеММа-3D: оптимизация технологических параметров фрезерной обработки изделий сложной формы
В современных условиях одним из основных методов изготовления формообразующих элементов форм, литейных пресс-форм, штампов и другой сложной технологической оснастки является фрезерная обработка на станках с ЧПУ. Как правило, траектории движения инструмента рассчитываются в одной из известных CAM-систем, а скорость перемещения инструмента (подача) и величина скорости вращения шпинделя задается специалистом на соответствующем этапе формирования управляющей программы. При этом технолог, руководствуясь известными технологическими рекомендациями и своим личным опытом, определяет ограниченный набор величин подач для характерных участков траектории с учетом материала заготовки, геометрии детали, характеристик инструмента, возможностей станочного оборудования, а также условий резания на характерных участках по величине припуска, шагу между строками обработки, требований к точности и других факторов. Однако в процессе обработки реального изделия сложной формы условия на инструменте непрерывно изменяются (рис. 1), что приводит (при сохранении неизменными величины подачи и оборотов шпинделя) к существенным отличиям текущих условий резания от заданных.
Следствием этого является изменение в процессе обработки нагрузок на инструмент. В результате возможны заметные упругие деформации инструмента, вибрации инструмента и станка, их повышенный износ, а также снижение качества обработки. Простое уменьшение рабочей подачи для исключения «с запасом» перечисленных факторов приводит к неоправданному увеличению времени обработки. Соответственно себестоимость производства изделия, определяемая в значительной степени временными затратами на обработку, а также сроком службы инструмента и станочного оборудования, увеличивается.
Для решения данной проблемы некоторые производители инструментальных программных средств предлагают модули оптимизации технологических параметров обработки (как правило, величины подачи). Подобные программные средства анализируют условия резания инструмента на протяжении всей траектории его движения, корректируя величину подачи в соответствии с некоторым критерием оптимальности. Краткое описание возможностей такого программного продукта, разработанного в рамках системы ГеММа-3D, предлагается ниже.
Решается следующая задача. Вся траектория движения инструмента (в которой могут присутствовать линейные перемещения, движения по дугам окружностей и винтовым линиям) представляется в виде совокупности большого количества коротких (элементарных) перемещений (субкадров), для каждого из которых изменением условий резания можно пренебречь. Для оценки условий резания в каждом из субкадров площадь поверхности инструмента представляется в виде совокупности малых элементов поверхности таким образом, что в пределах каждого элемента относительная скорость резания и геометрические характеристики инструмента меняются пренебрежимо мало. Подача для каждого субкадра определяется интегральным вкладом всех малых элементов поверхности инструмента, с учетом векторов их скоростей резания и текущей геометрии детали. Полученная на всем множестве элементарных перемещений подача используется при последующей рекомбинации кадров для уменьшения объема результирующей управляющей программы.
На рис. 2 показана управляющая программа гравировки клише для высокой печати. Особенностью программы является наличие целого ряда зон, в которых организуется начало сегментов траектории с раскруткой. В этих сегментах после врезания, осуществляемого на пониженной подаче, фреза оказывается в условиях, близких к прорезанию канавки в материале, также требующей уменьшенной подачи по сравнению с номинальной. Имеется большое количество точек излома траектории.
В системе ГеММа-3D существует возможность задания торможения в угловых точках траектории. При этом величина подачи при прохождении всех углов будет одинаковой. Также задается подача врезания. Можно найти в управляющей программе зоны с тяжелыми для фрезы условиями резания и вручную поставить в них необходимые подачи или, наблюдая за ходом обработки, снижать подачу непосредственно с пульта системы управления станка. Однако такое решение будет трудоемким. Также очевидно, что на целом ряде участков условия несколько отличаются от номинальных как в лучшую, так и в худшую сторону.
Используемая методика и программное обеспечение позволяют полностью провести корректировку подач. Результат корректировки для фрагмента исходной управляющей программы показан на рис. 3.
В качестве номинальной была выбрана подача Fном= 650 мм/мин. Подача торможения в углах Fторм= 0,2xFном. Диапазон возможных подач при корректировке — 200… 900 мм/мин. Величины реальных подач отображаются на рис. 3 соответствующим цветом. Важнейший результат корректировки — наряду с обеспечением рациональных условий резания — снижение времени обработки. Так, для реального клише площадью около 200 см2, показанного на рис. 2, время обработки двумя инструментами сократилось с 21 мин 46 с до 11 мин 40 с, то есть рост производительности составил 86%.
Рассматриваемое приложение имеет интерфейс пользователя, аналогичный интерфейсу MS Developer Studio. Основное окно приложения содержит настраиваемые меню и панели инструментов, строку состояния, окно управления проектом с тремя закладками, а также окна текстовых и графических представлений текущих управляющих программ, используемых инструментов и заготовок.
Функциональность текстовых представлений аналогична программе WordPad — с возможностями предварительного просмотра и печати, настройки принтера, цветного форматирования, возврата к предыдущему состоянию, копирования, вставки, удаления, поиска и замены. Приложение может выступать контейнером для OLE-компонентов, позволяя внедрять и связывать документы, созданные в других приложениях, а также модифицировать их с помощью предоставляемых элементов управления приложения-сервера. Таким образом, появляется возможность сопровождать управляющие программы (а также заготовки и инструменты) технологическими картами, созданными с помощью мощных электронных табличных процессоров (например, Microsoft Excel), голосовыми пояснениями, анимационными роликами, растровыми или векторными изображениями и т.д.
Тонированные твердотельные модели графических представлений (с возможностями масштабирования, сдвига и поворота, программный интерфейс — OpenGL) позволяют быстро субъективно оценить геометрию управляющих программ, инструментов и заготовок, измерить атрибуты точки под курсором (выводятся в строке состояния) и обеспечивают удобство работы в интерактивном режиме.
В качестве формата управляющих программ выбран стандартный инвариантный APT-формат. В окне графического представления цвет траектории перемещения инструмента в каждом кадре управляющей программы определяется величиной подачи в этом кадре. Шкала соответствия цветов величинам подач отображается в строке состояния. Пользователь может загрузить одновременно произвольное количество программ с последовательной их отработкой на одной или нескольких заготовках. При открытии управляющей программы автоматически формируется библиотека используемых в ней параметрических инструментов и заготовок (заготовки произвольной формы импортируются в STL-формате).
Имеется возможность создания и редактирования пользователем инструментов в виде произвольных тел вращения — путем определения образующих в виде совокупности ломаных и дуг окружностей. Таким образом, набор допустимых типов инструментов выходит за рамки традиционных 3-, 5- и т.д. параметрических.
Как показывает практика, выбор инструмента и материала заготовки из соответствующих библиотек в качестве исходных данных для оптимизации часто приводит к неадекватным результатам. Объясняется это тем, что для одного и того же инструмента и материала заготовки желаемые величины подач могут сильно варьироваться в зависимости от возможностей конкретного станочного оборудования, а также требований к точности обработки и допустимому износу инструмента.
Значительно лучших результатов можно достичь, задавая с учетом требований к конкретному производству величину подачи используемого инструмента для некоторых эталонных условий обработки (рис. 4). В этом случае гарантируется совпадение требуемых и рассчитанных величин подач для этих условий обработки, с необходимой коррекцией при их изменении в процессе движения инструмента. Наряду с традиционным заданием параметров резания (глубина Ap и ширина Ae, рис. 4) может быть задан более общий случай (рис. 5).
В нем предусматривается, что в процессе обработки фреза может прорезать заготовку и выходить за ее пределы по глубине (выход определяется совокупностью параметров P1 и P2). Равенство параметров P1 и P2 аналогично заданию одной величины Ap. Также предусматривается выход за пределы заготовки по габаритам в плане (выход определяется параметрами E1, E2). В этой же модели учитывается и прохождение фрезы по каналу с шириной меньше ее диаметра.
Перед началом оптимизации следует также установить скорость быстрых перемещений и для каждого инструмента — величины минимальной и максимальной рабочей подачи, а также подачу ненагруженного (свободного) инструмента.
Описанный программный модуль имеет оптимизацию под расширенный набор инструкций SIMD2. Вследствие этого на аппаратных платформах на основе процессоров Intel Pentium 4 достигается трехкратное сокращение времени генерации оптимизированных программ.
Примеры применения описанного модуля в составе комплексной автоматизированной системы подготовки производства показывают, что практически во всех случаях повышается качество обработки при сокращении временных затрат.
