Cimatron E: обработка с ЧПУ в комплексе задач предприятия

Виктор Молочник

Читатели, которые знакомились со статьями по Cimatron E в №6 и 9 журнала «САПР и графика» за этот год, уже смогли составить общее представление об этой CAD/CAM-системе. В настоящей статье мы хотим дать более подробную информацию о том, как в этой системе решаются задачи обработки на станках с ЧПУ.

Методология решения задач ЧПУ в разных CAD/CAM-системах имеет много общего. Однако знающий читатель всегда найдет возможность для сравнения и сможет сделать выводы о качестве тех или иных решений в Cimatron E. При этом важно помнить, что Cimatron E обеспечивает интегрированное решение комплекса задач проектирования и подготовки производства изделий (гибридное моделирование деталей и сборочных единиц, прием и передача моделей через спектр интерфейсов, управление проектом, подготовка чертежно-конструкторской документации, проектирование формообразующей оснастки и др.), а обработка с ЧПУ — это лишь одна из задач, органично встроенных в общий комплекс.

Cimatron E обеспечивает решение следующих задач при программировании обработки на станках с ЧПУ:

• выбор стратегий обработки и задание параметров выбранных стратегий;
• задание и выбор режущего инструмента;
• выбор обрабатываемых и ограничивающих поверхностей на модели изделия (детали);
• задание технологических режимов обработки;
• формирование траектории движения инструмента с учетом стратегий обработки, выбранных поверхностей, режущего инструмента, автоматического контроля зарезаний и оптимизации траектории инструмента с учетом текущего состояния заготовки (рис. 1);
• автоматическое отслеживание изменений, вносимых в модель обрабатываемого изделия. При этом модель может быть создана в Cimatron E или импортирована из других систем;
• использование технологических шаблонов (темплейтов) для формирования траектории инструмента;
• оперативное редактирование траектории при изменении задания на обработку, без внесения изменений в геометрию модели и повторного расчета траектории;
• поддержка алгоритмов высокоскоростной резки (HSC);
• реалистичная визуализация процесса обработки изделия (детали) на станке;
• автоматическое сравнение модели обработанной детали с конструкторской моделью и формирование цветовой «карты распределения припусков» для детального анализа результатов обработки;
• реалистичная визуализация перемещений исполнительных огранов станка при обработке детали с одновременным контролем столкновений инструмента и державки с приспособлениями и узлами станка;
• формирование управляющей программы для конкретной модели станка с ЧПУ с помощью соответствующего постпроцессора;
• генерация постпроцессоров для любых моделей станков с ЧПУ с помощью генератора постпроцессоров IMSpost.

Среди этих задач наибольший интерес для анализа представляют стратегии обработки. Именно набор предлагаемых стратегий в значительной степени отличает одну САМ-систему от другой (разумеется, при условии, что все остальные вышеперечисленные задачи решены на должном уровне). Из возможных в Cimatron E видов обработки рассмотрим стратегии фрезерования.

На этапе создания траектории инструмента пользователь устанавливает тип траектории (2,5-, 3-, 4- или 5-координатная обработка). Далее для выбора текущей стратегии обработки следует указать: класс стратегии (Главный выбор), подкласс стратегии (Дополнительный выбор) и число используемых в данной стратегии координат станка (Размерность) (см. табл.). После этого становятся доступными параметры, уточняющие характеристики обработки для выбранной стратегии.

Стратегия Volume Milling (объемное фрезерование) обеспечивает послойную черновую выборку массивов материала. Слои располагаются горизонтально, то есть ось инструмента перпендикулярна плоскостям слоев. Обработка на слое ведется по спирали, параллельными или радиальными проходами, что определяется Дополнительным выбором. Ширина фрезерования и высота слоя (глубина фрезерования) задаются в качестве параметров расчета траектории инструмента. На обрабатываемых поверхностях при необходимости можно оставить припуск.

Существует три разновидности данной стратегии — Pocketing, Waterline и Zcut. Pocketing — это наиболее простая 2D-обработка плоских колодцев с островами. В качестве исходной геометрии для обработки достаточно задания соответствующих плоских контуров.

При технологии Waterline (3D-обработка) на уровне каждого слоя строятся так называемые ватерлинии, представляющие собой линии пересечения обрабатываемых поверхностей с плоскостью слоя. Эти линии всегда замкнуты (открытые области замыкаются внешним контуром), и фрезерование слоя ведется внутри этих замкнутых контуров. Образуемые поверхностями колодцы можно либо обрабатывать послойно целиком, переходя от одного колодца к другому, либо выполнять обработку для всех колодцев на данном слое и только потом переходить на следующий слой. Возможно дополнительное фрезерование материала, оставшегося между слоями.

Если выполняется повторная черновая (получистовая) обработка с меньшей высотой слоя (рис. 2), то система оптимизирует траекторию инструмента, исключая из нее перемещения по тем областям, где материал заготовки уже удален при предыдущем фрезеровании.

При технологии 3D-обработки Zcut ватерлинии не строятся, а движение инструмента по слою выполняется до соприкосновения с поверхностью (с учетом заданного припуска). После этого инструмент уходит со слоя либо вертикально вверх, либо двигаясь по поверхности до уровня предыдущего слоя. Далее инструмент опускается на текущий слой обработки на линии данного прохода (если это возможно) или выходит на начало следующего прохода.

Стратегия Contour Milling (контурное фрезерование) применяется для обработки 2D- или 3D-контуров. Дополнительный выбор Pocket позволяет выполнять чистовую обработку по границам плоских или поверхностных колодцев, а выбор Profile — выполнять фрезерование произвольных профилей за один или несколько проходов.

Стратегия Surface Milling (поверхностное фрезерование), при первых четырех вариантах Дополнительного выбора, обеспечивает фрезерование поверхностей детали параллельными, спиральными или радиальными проходами. При этом поверхности обрабатываются не последовательно, а рассматриваются как единое целое. Это во многих случаях позволяет эффективно выполнять получистовое и чистовое фрезерование деталей сложных форм, имеющих большое число разных поверхностей.

При чистовой обработке сложных деталей рекомендуется (при наличии соответствующего технологического оборудования с ЧПУ) использовать режимы высокоскоростной резки (High Speed Cutting). В этом случае за счет высокой скорости обработки и малого расстояния между проходами можно обеспечить нужное качество обрабатываемых поверхностей и исключить их последующую слесарную доработку.

При высокоскоростной резке к траектории инструмента предъявляются дополнительные требования — постоянство припуска и гладкость траектории (отсутствие резких изменений направления перемещений инструмента). Система Cimatron E обеспечивает выполнение этих требований. В частности, прямоугольные соединения между проходами заменяются на гладкие в виде специальных петель (рис. 3).

Еще одна опция стратегии поверхностного фрезерования — By Layers — обеспечивает выполнение чистового прохода вдоль границ слоев при послойной обработке. И наконец, опции Horiz Area и Vert Area, позволяющие автоматически определять поверхности, близкие к горизонтальным или вертикальным (критерием близости является величина угла), и выполнять чистовую доработку только этих поверхностей. (При совместной обработке совокупности поверхностей эти поверхности иногда оказываются «в невыгодном положении» с точки зрения полученной точности и их приходится дорабатывать отдельно.)

Стратегия Flow Line Milling (фрезерование по параметрическим кривым) используется для фрезерования одной или цепочки смежных поверхностей вдоль их параметрических кривых (Part Surface) или вдоль параметрических кривых дополнительно заданной поверхности (Aiming Surface).

Данная стратегия позволяет выполнять 3-, 4- и 5-координатную обработку наборов поверхностей. При многокоординатной обработке фреза располагается нормально к поверхности или с некоторым заданным углом по отношению к нормали. Поддерживается также обработка поверхностей боковой частью фрезы.

Стратегия Plunge Milling (черновая обработка врезанием) является новой эффективной технологией и требует использования такого оборудования с ЧПУ, которое обеспечивает необходимые усилия и режимы резания по оси Z. Фрезерование при данной технологии выполняется движениями инструмента сверху вниз (рис. 4).

Стратегия Cleanup (подбор) обеспечивает выборку материала, оставшегося после предыдущих операций обработки детали инструментом большего диаметра. При выполнении данной стратегии система рассчитывает состояние заготовки после обработки предыдущим инструментом, определяет зоны, доступные для текущего инструмента, и формирует траекторию обработки. Применение стратегии Cleanup может значительно сократить общее время обработки и повысить ее эффективность.

Стратегия Pencil (карандаш) является, как и Cleanup, одной из разновидностей доработки. Она обеспечивает выполнение одного или нескольких чистовых проходов инструмента вдоль внутренних углов (стыков смежных поверхностей) детали.

Перечисленные стратегии в совокупности дают в руки технологу ЧПУ мощный набор средств для выполнения самых различных видов обработки, обеспечивают реализацию современных технологий при построении траектории инструмента.

На рис. 5 изображена деталь ПЭТ-формы для выдува пластиковой бутылки, изготовленная с применением описанных выше стратегий и методов высокоскоростной резки. При твердости материала заготовки HRC 40 обработка велась на подачах 2-4 м/мин., общее время обработки составило 75 мин.

Говоря о новых технологиях, необходимо упомянуть еще один вид обработки. Это так называемая трохоидальная обработка, при которой инструмент движется по специальной спиралеобразной траектории. Такая траектория при обработке паза приведена на рис. 6. Инструмент не имеет постоянного контакта с обрабатываемой поверхностью, а на каждом витке спирали как бы «задевает» боковой частью поверхность и срезает металл. Фрезерование настолько специфично, что его иногда называют High Speed Slotting (высокоскоростное долбление).

Разумеется, для выполнения трохоидальной обработки необходимо технологическое оборудование с соответствующими возможностями. Однако эффективность этой технологии весьма высока — время фрезерования показанного на рис. 6 паза сокращается, по сравнению с обычными методами в 3-6 раз, при этом обеспечивается очень высокое качество обработанной поверхности. В системе Cimatron E опция трохоидальной обработки может быть установлена в рамках стратегии Contour Milling / Profile.

Наряду со стратегиями и технологиями обработки в рамках данной статьи затронем еще один вопрос. Он касается методов разработки постпроцессоров для станков с ЧПУ. Как было отмечено выше, в Cimatron E разработка постпроцессоров выполняется с помощью генератора IMSpost.

Данный генератор реализует самые современные идеи в области проектирования постпроцессоров. Эти идеи заключается в следующем:

• действия постпроцессора по преобразованию траектории инструмента в управляющую программу описываются на специальном языке высокого уровня, предусматривающем возможность оперировать параметрами траектории инструмента и управляющей программы как понятиями языка. Этим достигается максимальная гибкость проектирования при одновременной простоте и компактности программы действий постпроцессора;
• параметры, определяющие формат управляющей программы, задаются в специальных настроечных таблицах, что дополнительно упрощает проектирование и модификацию (редактирование) постпроцессора;
• с помощью специальных таблиц можно описать геометрию и взаимное расположение исполнительных органов и узлов станка с ЧПУ. Это обеспечивает автоматический расчет значений линейных и поворотных координат станка для каждого текущего положения инструмента, что облегчает разработку постпроцессоров для многокоординатного оборудования с ЧПУ.

Мы рассмотрели методы решения лишь тех задач, которые, с нашей точки зрения, наиболее интересны для анализа. Все остальные задачи ЧПУ также решены в Cimatron E с использованием самых современных CAD/CAM-технологий и с учетом более чем двадцатилетнего опыта эксплуатации известной системы Cimatron в самых разных отраслях мировой промышленности. Важное преимущество Cimatron E — высокая производительность, под которой понимается не скорость выполнения каких-либо отдельных операций, а общая минимизация времени решения всего спектра задач, возникающих в процессе проектирования и подготовки производства. 

«САПР и графика» 10'2001