Использование систем симуляции для повышения точности и производительности механической обработки

Резо Алиев, Константин Давыдов

Применение систем симуляции в КИП

Управление процессом высокоскоростного фрезерования

Симуляция процесса плоского шлифования

Заключение

В настоящее время в КИП (компьютерно-интегрированное производство — Computer Integrated Manufacturing) идет быстрое развитие современных информационных технологий. Одними из развитых систем, базирующихся на передовых достижениях в области компьютерной графики, являются системы симуляции. В данной статье рассмотрены особенности применения этих систем для оптимизации процесса механической обработки.

Применение систем симуляции в КИП

В условиях постоянно возрастающей конкуренции, когда предъявляются жесткие требования к гибкости производства и разнообразию продукции, симуляция имеет большое значение как инструмент для проектировщика и производителя. Симуляция открывает широкие возможности по созданию реальных комплексных систем, проведению анализа и оптимизации их структуры и свойств на компьютере. С помощью этих систем можно анализировать альтернативные возможности планирования и сравнивать их на основе экономических показателей. Оптимизация при помощи систем симуляции имеет большой потенциал на всех этапах проектирования и использования технологического оборудования. Основные требования к таким системам заключаются в том, что моделирование процесса и его отдельных элементов должно быть простым и по возможности непродолжительным. В настоящее время для этого широко применяется графическая поддержка, дающая возможность графически представить технологический процесс изготовления изделия на основе моделируемой технологической системы.

Традиционно симуляция применяется для поддержки проектирования новых продуктов, но может быть использована и для оптимизации уже имеющихся продуктов — с помощью анализа их взаимосвязей. Продуктом может являться как отдельный станок, так и гибкая производственная система с многочисленными компонентами. В отличие от стандартных методов проектирования технология симуляции дает возможность варьировать различные параметры модели. Например, еще на стадии проектирования можно на мониторе компьютера проверить пригодность робота для присоединения к станку, показать его графическое изображение, возможные перемещения, что позволяет определить колебание его частей и рабочее пространство.

Второй областью применения симуляции является графическое моделирование процесса механической обработки изделия. Целью графико-динамической симуляции процесса обработки на станках с ЧПУ является проверка программы управления на логические ошибки и их устранение. В результате применения систем симуляции на этапе проектирования выявляются возможные повреждения инструмента, приспособления или станка. Это имеет большое значение при производстве многовариантных продуктов, где имеющиеся программы ЧПУ могут подгоняться или изменяться без применения целевого станка в цеху. В таких случаях можно проверить на компьютере большое количество программ без прерывания процесса обработки для тестирования, что значительно сокращает время подготовки производства.

Развитие современной компьютерной графики дало возможность значительно улучшить визуальное представление перемещающихся частей технологической системы, а применение объемного моделирования в системах симуляции позволяет осуществлять движения станка в реальном времени.

Управление процессом высокоскоростного фрезерования

В целях сокращения времени выполнения заказа — как на этапе проектирования, так и в процессе изготовления — в производстве применяются современные технологии. В процессе изготовления деталей с пространственно-сложными поверхностями широкое применение находит высокоскоростное фрезерование, которое в силу сложной геометрии заготовки является трудно управляемым процессом.

При 3-координатном высокоскоростном фрезеровании поверхность заготовки сначала обрабатывается с применением стратегии с постоянным уровнем Z для снятия максимального объема материала, в результате чего получается межоперационный контур, имеющий ступенчатую структуру. Затем для получения заданного контура поверхности применяется чистовое фрезерование фрезой со сферической головкой.

В результате постоянного изменения условий резания при обработке ступенчатого контура сила резания колеблется. Ее отклонения вызывают перемещения в технологической системе, что в конечном итоге ведет к образованию погрешности формы на обработанной поверхности. Это наследственное влияние определяет время последующей ручной обработки.

Рассмотрим применение системы симуляции VERICUT фирмы CGTech для уменьшения погрешности формы, вызванной ступенчатостью заготовки, появляющейся на этапе черновой обработки. Для симуляции процесса обработки сначала создаются объемные модели станка и инструмента.

Для этого станок разбивается на функциональные узлы: станину, шпиндель, стол, суппорт и т.д. Затем в координатной системе VERICUT создаются объемные модели этих компонентов с применением геометрических элементов, имеющихся в этой системе, — призма, цилиндр, конус. Кроме того, имеется возможность использования элементов, созданных в CAD-системах. Для приближения симуляции обработки к реальным условиям моделирование производится в координатной системе станка относительно нулевой точки с учетом расположения элементов на станке, их размеров, взаимосвязей, степеней свободы и ограничения перемещений по координатным осям (рис. 1).

Модели инструментов помещаются в каталог инструментов (рис. 2). Каждый инструмент состоит из трех частей: режущей части, тела инструмента и патрона. Нумерация и координатная привязка инструмента осуществляется в соответствии с реальными условиями на станке. При симуляции выбор инструмента производится автоматически — в зависимости от номера, заданного в программе управления.

Для уменьшения влияния ступенчатости поверхности на точность чистовой обработки в системе VERICUT имеется модуль OptiPath, который позволяет оптимизировать управляющую программу по различным критериям. В нашем случае обработка характеризуется изменяющейся нагрузкой в технологической системе, которая возникает при снятии неравномерного слоя материала. При симуляции заданной программы функция Semi-Finishing исследует параметры стружки в зоне контакта и в зависимости от этого варьирует подачу так, чтобы сохранить постоянным заданный объем снимаемого материала. На рис. 3 показан полученный после оптимизации закон изменения подачи. Управление скоростью подачи позволяет создать в технологической системе равномерное отжатие, что, в свою очередь, формирует на обработанной поверхности малую неточность формы. В результате оптимизации подачи при обработке в среднем задаются высокие скорости подачи, позволяющие сократить время на обработку и, следовательно, минимизировать загрузку станка.

Реализация управления скоростью подачи на высокоскоростных станках во многом зависит от динамических свойств управления приводом подачи. При обработке заготовок c пространственно-сложными поверхностями инструмент часто вынужден менять направление движения. Это сопровождается соответствующим торможением и ускорением его подачи. Время, необходимое для этого маневра, зависит от характеристик конкретного станка. Определив время запаздывания на моделируемом станке, его можно будет учитывать при оптимизации.

Симуляция процесса плоского шлифования

При плоском шлифовании высокоточных плит задвижек в зоне изменения контакта шлифовального круга с заготовкой появляется характерная погрешность в виде неточности формы, что отрицательно сказывается на работоспособности изделия. Управляя скоростью подачи, можно достичь уменьшения этой погрешности. Применение системы VERICUT позволяет создать программу управления точностью процесса плоского шлифования без вмешательства программиста-технолога.

На рис. 4 показан фрагмент симуляции процесса плоского шлифования в системе VERICUT на примере шибера. Симуляция проводилась на основе модели детали. Для получения программы управления скоростью подачи применяется модуль OptiPath. На основе скорости подачи для установившегося процесса вычисляется объем снимаемого материала в минуту Vуст. Во время симуляции динамически, шаг за шагом, вычисляется объем снимаемого материала V и сравнивается с Vуст. Компенсация полученной разницы осуществляется путем изменения скорости подачи. Эти изменения дописываются в ЧПУ-программу. Описанным выше образом была получена программа управления скоростью подачи, показанная на рис. 5.

Заключение

Развитие компьютерной технологии привело к возможности полной визуализации обработки на станках с ЧПУ еще на стадии технологической подготовки производства. Это позволяет как бы обходить трудоемкие расчеты для моделирования и управления точностью механической обработки. Кроме того, применение систем симуляции позволяет программисту-технологу наблюдать трехмерную модель перемещающихся частей технологической системы, что снижает вероятность ошибок в программе, сокращает время на ее отладку на станке и исключает возможность столкновения и поломки инструмента. Наряду с повышением точности механической обработки система симуляции позволяет снизить себестоимость продукции.

«САПР и графика» 10'2001