Производство деталей со сложными поверхностями на НПО «НАУКА»

Д.М. Чекарьков, А.А. Калинин

Статистика последних десятилетий развития научно-технической революции позволяет сделать вывод, что объем проектно-конструкторских и проектно-технологических работ каждые 10 лет возрастает приблизительно в 10 раз. Одновременно с этим все более актуальными становятся проблемы увеличения производительности труда разработчиков новых изделий, сокращения сроков проектирования, повышения качества разработки проектов, решение которых определяет уровень научно-технического прогресса общества. Исследования в этой области показали, что решение перечисленных задач напрямую связано с активным внедрением и эксплуатацией интегрированных автоматизированных систем конструкторско-технологического проектирования.

CAD/CAM-системы приобретают для промышленного производства все большее значение. Особенно остро возникает необходимость в их использовании при проектировании и изготовлении деталей с фасонной формой, поскольку именно эти процессы отличаются высокой трудоемкостью. Очень заметно трудоемкость возрастает за счет подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и внедрением этих программ в производственный процесс изготовления изделий сложной формы. Для снижения трудоемкости производства сложных фасонных изделий необходимо использовать современные автоматизированные системы. Перед пользователем стоит выбор между российскими системами и западными. Если предположить, что вопрос цены никак не влияет на приобретение программных продуктов указанного вида, то в пользу отечественных разработок можно привести целый ряд аргументов. Например, очень часто отечественный производитель не имеет мощных стоек ЧПУ, которые позволяли бы достаточно просто осуществлять 5-координатную фрезерную обработку — очень распространенную операцию при изготовлении сложных поверхностей. Другая проблема — инструментальная. Инструмент западных фирм, предназначенный для конкретных видов обработки, например радиусные фрезы, весьма дорог и доступен далеко не всем производителям отечественной продукции, а обработка, в которой используется такой тип инструмента, постоянно применяется на предприятиях, специализирующихся на выпуске фасонных деталей. Перечисление неблагоприятных факторов можно продолжить, но реальное производство должно жить, активно развиваться и совершенствоваться. Поэтому необходимо внедрять отечественные автоматизированные системы, которые способны преодолевать указанные проблемы. До недавнего времени в России всего несколько разработок могли конкурировать с западными в области автоматизации подготовки управляющих программ. Приблизительно два года назад на отечественном рынке появилась система T-FLEX ЧПУ, а еще через некоторое время специалисты НПО «НАУКА», проведя необходимое тестирование, начали внедрять эту систему у себя на предприятии.

Если коротко представить T-FLEX ЧПУ, то следует отметить:

• сквозную параметризацию, которая позволяет разработчику путем параметрического изменения чертежа детали одновременно изменять и управляющую программу;
• возможность поверхностной и твердотельной обработки;
• наличие постоянно расширяющейся библиотеки постпроцессоров;
• качественное техническое сопровождение.

Система способна удовлетворить основные требования технологов-программистов благодаря наличию в системе возможности создания управляющих программ в автоматизированном режиме для многих видов обработки. Так, например, существуют модули для следующих видов обработки:

• электроэрозионной;
• лазерной;
• токарной;
• сверлильной;
• фрезерной (2,5D, 3D, 5D).

Для нормальной работы системы приобретать все перечисленные модули не обязательно. Достаточно купить конструкторскую систему T-FLEX CAD 2D/3D, необходимый в данном случае модуль обработки и базовый модуль, в состав которого входят:

• математическое ядро, ориентированное на технологические расчеты и работающее совместно с ядром Parasolid;
• редактор инструмента;
• библиотека постпроцессоров;
• система ведения проекта;
• таблично настраиваемый генератор постпроцессоров;
• эмулятор обработки.

В общем, все то, что необходимо для работы системы в условиях реального производства.

В рамках статьи невозможно сколько-нибудь полно описать процесс работы с системой T-FLEX ЧПУ, но ряд рабочих моментов, которые встречаются каждый раз при подготовке управляющей программы на новую деталь, отметить необходимо. Прежде всего речь идет о получении управляющей программы. Понятно, что управляющая программа генерируется в системе автоматически. Для этого необходимо использовать один из постпроцессоров, библиотека которых поставляется вместе с системой, или создать свой постпроцессор.

На НПО «НАУКА» были успешно апробированы два подхода к созданию постпроцессоров в системе. Основной интерес вызывала генерация постпроцессора для стойки ЧПУ Olivetti 8600, управляющей станком, на котором осуществляется 5-координатная фрезерная обработка деталей, например турбинного колеса для турбохолодильника. Однако, поскольку стойка была спроектирована и построена с учетом требований стандарта ISO 6983, постпроцессор был получен путем проведения табличных настроек генератора постпроцессоров системы T-FLEX ЧПУ и создания ряда макросов в этом же генераторе для корректной записи перемещений по координатам (рис. 1).

В генераторе постпроцессоров T-FLEX ЧПУ реализована возможность описания формата записи выходных числовых данных при помощи макросов. Таким образом, формирование управляющей программы полностью доступно конечному пользователю. Макросы внутреннего представления дают дополнительный инструмент технологу-программисту по настройке системы T-FLEX ЧПУ. Независимо от описанной геометрии детали и методов ее обработки макросы влияют на создание геометрической, технологической и топологической части управляющей программы. Средства описания правил записи полностью доступны пользователю, причем доступна не только коррекция, но и ввод новых законов и правил описания управляющей программы. Необходимо отметить, что для создания набора типовых постпроцессоров пользователь может использовать один настроенный постпроцессор и затем, меняя формат записи числовых данных, формировать списки описания команд. Числовые данные внутренней структуры управляющей программы не ограничиваются только геометрическими параметрами (X, Y, Z, I, J) и также включают в себя общие технологические параметры (S, F, T) и семантические правила (N, D). Описание правил записи управляющей программы осложняется большим количеством возможных вариантов. Построение универсальных структур правил формирования постпроцессора приводит к тому, что зачастую даже опытный пользователь системы довольно долго не может разобраться во всех правилах и в итоге вынужден обращаться за помощью к разработчикам (настройки, как правило, выполняются разработчиками за дополнительную плату). В связи с этим адаптация CAM-системы к новому станку затягивается. При использовании макросов, предлагаемых T-FLEX ЧПУ, таких проблем не возникает. Пользователь имеет реальную возможность не только контролировать сам процесс постпроцессирования, но и видеть каждый шаг создания постпроцессора, отлаживать его и корректировать, доводя до совершенства.

Для создания другого постпроцессора для стойки ЧПУ «Вектор 40» был использован совершенно иной подход к генерации постпроцессоров. Как известно, наибольшая сложность возникает при создании постпроцессора для несовременных стоек ЧПУ. Для генерации постпроцессоров к стойкам такого вида вместе с системой T-FLEX ЧПУ поставляется специализированный сервисный модуль. Кроме того, в этом модуле пользователь при необходимости может создавать постпроцессоры для других видов стоек. Потребность в этом возникает в случае создания специализированных машинных циклов, прошитых в устройстве ЧПУ. Особо следует подчеркнуть, что теперь опытный технолог-программист может подключать к системе постпроцессоры, разработанные им ранее. Единственное требование к подключаемым постпроцессорам — это соответствие их определенным правилам записи кадров управляющей программы. Привести постпроцессоры к требуемому виду можно все в том же модуле создания внешних постпроцессоров. Для этого необходимо обработать каждую команду, используемую в ранее созданном постпроцессоре. Разумеется, все это происходит автоматически в специальных обработчиках внутри упомянутого модуля. В дальнейшем подключение созданного постпроцессора осуществляется в специальном диалоговом окне при сохранении управляющей программы. Для этого технолог-программист просто выставляет необходимую метку в соответствующем поле окна (рис. 2).

Помимо этого технологу-программисту постоянно требуется создание необходимого для расчета траектории обработки инструмента. Для этого в системе T-FLEX ЧПУ предусмотрен специализированный модуль «Редактор инструментов» (рис. 3), входящий в состав базового модуля. Данный специализированный программный модуль предназначен для проектирования режущего инструмента и создания баз данных для производственных структур, например для конкретного рабочего места, производственного участка и т.д. В «Редакторе инструментов» можно не только создавать новый инструмент, но и редактировать существующий. В наличии имеется основной инструмент для следующих видов обработки:

• фрезерной;
• сверлильной;
• токарной.

При проектировании инструмента его тип должен соответствовать используемой обработке. Для выбора достаточно щелкнуть по соответствующей кнопке с изображением инструмента внутри рабочего окна редактора.

После этих действий появляется окно, содержащее эскиз выбранного инструмента с параметрами, предустановленными по умолчанию. В этом окне технолог-программист и осуществляет весь процесс проектирования нового или редактирования старого инструмента. Кроме того, в редакторе имеется ряд возможностей для работы с эскизом создаваемого инструмента. Например, после изменения параметров можно просмотреть инструмент с новыми параметрами. Если же пользователя в новых параметрах что-то не устраивает, он может вернуться на шаг назад, то есть к старым параметрам. По завершении всех действий, связанных с редактированием инструмента, пользователь в блоке «Идентификация» присваивает инструменту собственные имя и номер, под которыми данный инструмент будет сохранен сначала в списке инструментов главного окна редактора инструментов, а затем и в конкретном инструментальном файле. Необходимо особо отметить возможность удаления из списка одного конкретно выбранного инструмента, а также всех инструментов. Используя возможности редактора, специалисты НПО «НАУКА» подготовили необходимый инструмент для обработки, например турбинного колеса для турбохолодильника, который был сохранен в специальном файле (рис. 4). Впоследствии этот файл был использован для расчета траекторий обработки и генерации управляющей программы по рассчитанным траекториям.

Относительно первых двух рабочих этапов следует сказать, что они представляют собой подготовительную работу для процесса расчета траекторий обработки и генерации по этим траекториям управляющей программы. Основная же работа выполняется системой T-FLEX ЧПУ при расчете траекторий обработки. Понятно, что предварительно создается модель детали, которую необходимо обработать. В нашем случае в качестве модели было выбрано турбинное колесо турбохолодильника (рис. 5). Для того чтобы полностью обработать указанную деталь, необходимо представить набор обработок. Весь этот набор в случае необходимости может сохраняться в одном файле, соответственно и управляющая программа может представлять собой один файл. Следует особо подчеркнуть, что обработка для одной и той же детали может сохраняться с разными постпроцессорами, то есть для обработки в случае необходимости можно использовать оборудование разных марок. В статье представлена чистовая обработка большой лопатки турбинного колеса турбохолодильника.

Перед расчетом траектории для указанной обработки необходимо выполнить дополнительные построения специальных геометрических элементов. В терминах системы — необходимо достроить направляющий и ограничивающий пути. Эти элементы будут определять характер движения инструмента при обработке. В качестве обработки была выбрана фрезерная 5-координатная зонная обработка твердого тела с автоматическим определением зоны. Данный способ обработки позволил одновременно непрерывно обрабатывать «спинку» и «корыто» лопатки турбинного колеса.

Для расчета траектории в системе T-FLEX ЧПУ были заданы необходимые параметры обработки. Вообще, в системе возможно задание набора параметров в зависимости от выбранной 5-координатной обработки. В нашем случае интерес представляют следующие параметры для обработки по сечениям:

• имя траектории (по умолчанию система предлагает «Траектория 1»);
• файл с инструментом. Пользователь выбирает файл, содержащий информацию о применяемом инструменте, который был заранее спроектирован с использованием «Редактора инструмента»;
• имя инструмента. Пользователь может задать конкретное имя инструмента, применяемое на станке, из списка находящегося в файле с инструментом;
• ускоренная подача, задаваемая конкретным цифровым значением с размерностью, поддерживаемой стойкой ЧПУ и системой управления (размерность в параметрах не указывается);
• рабочая подача, задаваемая конкретным цифровым значением с размерностью, поддерживаемой стойкой ЧПУ и системой управления (размерность в параметрах не указывается);
• частота вращения шпинделя;
• припуск на деталь (заготовку). Задается величина припуска — расстояние между исходным и эквидистантным телами (либо между исходной и эквидистантной поверхностью);
• припуск на обработку. Задается величина припуска, которая добавляется к припуску на деталь и на заготовку;
• направление вращения шпинделя;
• обрезка внешняя и внутренняя (только для поверхности). Используется в случае применения проходов типа «зигзаг» или «петля». Внешняя обрезка подразумевает учет внешнего контура обрабатываемой поверхности, а внутренняя — учитывает внутренние контуры обрабатываемой поверхности;
• включение охлаждения;
• точность аппроксимации, задаваемая конкретным цифровым значением с размерностью, поддерживаемой стойкой ЧПУ и системой управления (размерность в параметрах не указывается);
• количество проходов. Задается число проходов инструмента в случае чистовой обработки (зачистки). При черновой обработке под количеством проходов понимается количество сечений, в которых происходит съем материала;
• подъем инструмента. Задается расстояние до плоскости безопасности;
• тип прохода. Задается один из возможных типов: зигзаг, зигзаг с прямолинейным обходом, зигзаг с обходом, петля, двойная петля. Кроме того, задается вектор сечений, указывающий их ориентацию. Пользователь может поставить метку напротив зон или сечений. В зависимости от этого изменится характер обработки: в первом случае материал будет выбираться из конкретной зоны, а во втором — обработка будет вестись последовательно от сечения к сечению;
• параметры съема материала. Данное поле используется только при черновой обработке. Задается вектор, который показывает направление проходов инструмента в сечении. Перекрытие — задается расстояние между проходами инструмента в сечении;
• угол опережения может задаваться по движению инструмента и перпендикулярно движению инструмента. Под углом опережения понимается наклон инструмента во время обработки для переноса точки резания из центра инструмента (создание ненулевой угловой скорости);
• 5-координатная трансформация — позволяет производить расчет траектории в координатах детали или в координатх станка с учетом вылета инструмента. Если отключить 5-координатную трансформацию, то вылет инструмента необходимо задавать самостоятельно.

На рис. 6, 7 приведены необходимые для указанной выше обработки турбинного колеса числовые значения параметров, задаваемых специалистами НПО «НАУКА».

После задания необходимых параметров система произведет автоматический расчет траектории обработки, и в рабочем окне будет отображена модель обрабатываемой детали с траекторией (рис. 8).

Поскольку постпроцессор был подготовлен заранее, технолог-программист просто сохраняет управляющую программу в соответствии с требуемым постпроцессором. Далее был проведен визуальный контроль обработки. Для этого можно использовать встроенный в базовый модуль системы T-FLEX ЧПУ имитатор обработки или, как поступили и специалисты НПО «НАУКА», просмотреть обработку со съемом материала в T-FLEX NC Tracer (рис. 9).

T-FLEX NC Tracer обеспечивает:

• имитацию различных типов 2D-, 2,5D-, 3D- и 5D-обработки;
• динамическое вращение, панорамирование и увеличение изображения модели обрабатываемой детали;
• чтение файлов управляющих программ в кодах ЧПУ по стандарту ISO6983/DIN66025(24);
• задание твердотельных моделей заготовки в виде прямоугольного бруска, цилиндра и VRML-модели любой формы;
• позиционирование, перенос и поворот твердотельных моделей для точной имитации обработки;
• совершенную визуализацию (прозрачность и тени, динамическое изменение освещения, точное масштабирование фрагментов, запись и воспроизведение процесса обработки, создание фотореалистичных изображений);
• возможность создания баз данных инструментов, используемых при обработке на одном или нескольких станках;
• интерактивное редактирование управляющих программ;
• режим «отладки» управляющей программы с возможностью поэлементного поиска внутри исходных кодов (команды, строки).

В заключение еще раз перечислим основные возможности системы T-FLEX ЧПУ, которые стали определяющими при выборе системы на предприятии НПО «НАУКА». Система T-FLEX ЧПУ:

• непосредственно встроена в систему T-FLEX CAD, что обеспечивает прямое взаимодействие с системой T-FLEX CAD. Это означает отсутствие проблем передачи данных с конструкторского этапа на этап подготовки управляющей программы, а следовательно, и накопления ошибки;
• рассчитывает траектории для всех видов электроэрозионной, лазерной, сверлильной, токарной и фрезерной обработок. В перечисленных видах обработки присутствуют также специализированные виды обработки. Например, обработка технологических элементов типа «карман», «колодец», «остров»; двухконтурное резание для электроэрозионной и лазерной обработок; обработка канавок с проходом типа «зигзаг» и с проходом типа «спираль» в токарной обработке и другие возможности;
• осуществляет подготовку управляющих программ с использованием эскизов, чертежей, поверхностей, твердых тел и их комбинаций. В качестве исходных данных могут фигурировать перечисленные выше графические данные, подготовленные в конструкторском модуле системы T-FLEX CAD или в других системах. Пользователь указывает элементы модели, которые необходимо обработать;
• обладает редактором инструментов, где пользователь может спроектировать инструмент, необходимый ему для обработки, с тем чтобы внести его в инструментальную базу данных для конкретного рабочего места, участка, цеха и т.д.;
• позволяет создавать библиотеки инструментов как для одного станка, так и для предприятия в целом;
• обладает набором станочных циклов. В системе реализован целый ряд (порядка 50) машинных циклов для сверления, токарной и фрезерной обработок. Все эти циклы созданы для различных стоек ЧПУ и существенно облегчают пользователю создание управляющей программы;
• реализует программное управление шпинделем и СОЖ;
• сочетает в себе как поверхностную, так и твердотельную, или зонную, виды обработок;
• позволяет работать с радиусной эквидистантной и радиусной контурной коррекциями;
• в зонной обработке предлагает, например, чистовую обработку твердых тел с учетом направляющей и ограничивающей кривой, чистовую обработку с автоматическим расчетом врезания и выхода инструмента, черновую и чистовую обработку с фиксированным, плавающим и сопрягающим вектором нормали; обработку фигурной ограничивающей зоны, зонную обработку инструментом любой геометрии и еще целый ряд видов зонной обработки;
• позволяет осуществлять генерацию постпроцессоров для стоек ЧПУ с помощью табличных настроек, работы с макросами, а также подключение внешних постпроцессоров. В зависимости от видов стоек ЧПУ возможно использование различных функций генератора постпроцессоров;
• обладает библиотекой постпроцессоров. Совместно с системой поставляется библиотека постпроцессоров, которая насчитывает порядка 110 постпроцессоров для различных типов стоек и различных видов обработки, из которых более 30 — внешние постпроцессоры;
• включает в себя модуль ведения проекта, то есть возможность создания единой управляющей программы для различных видов обработки. Данный модуль активно используется при моделировании обработки на обрабатывающих центрах;
• позволяет проводить параметрические изменения управляющих программ. При параметрическом изменении исходных данных, полученных на этапе конструирования, происходит автоматическое изменение рассчитанной траектории обработки и полученной по данной траектории управляющей программы. Таким образом, можно говорить о сквозной параметризации всей системы;
• предлагает динамическое моделирование процесса обработки двумя способами (со съемом материала и без съема материала). В базовой поставке пользователь получает имитатор обработки без съема материала, который позволяет быстро просмотреть и проконтролировать управляющую программу. В данном имитаторе возможны покадровая прокрутка управляющей программы, перемещение вперед и назад и т.д. Кроме того, возможны различные манипуляции с объектом обработки. Пользователь также может приобрести имитатор обработки со съемом материала. Данный модуль представляет собой современный редактор управляющих программ, который работает с управляющими программами, созданными не только внутри системы, но и в других системах, а также вручную. NC-Tracer позволяет производить имитацию обработки по управляющим программам с учетом любой кинематической схемы станка, компоновки станка, а также с использованием 5-координатной трансформации;
• автоматически контролирует рассчитываемую траекторию на зарезание, то есть уже на этапе расчета траектории система не позволяет инструменту зарезать обрабатываемую деталь. 

«САПР и графика» 10'2001