Бунаков П.Ю., Рудин Ю.И., Стариков А.В. Основы автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов

Подождите немного. Документ загружается.

151

• чем меньше различных видов карт раскроя, тем быстрее оператор

выполнит задание;

• появляется возможность одновременного раскроя нескольких лис-

тов в том случае, когда это допускает оборудование.

Помимо этого, уменьшение количества одинаковых карт раскроя при-

водит к уменьшению вероятности возникновения субъективных ошибок.

Критерий минимизации общего количества резов имеет особую акту-

альность при раскрое большого количества полноформатных листов, по-

скольку позволяет уменьшить количество раскраиваемых плит.

Минимизация общей длины резов необходима при работе с особо

твердыми или хрупкими материалами, требующими дорогого инструмента.

Все рассмотренные критерии оптимизации связаны с уменьшением

трудоемкости выполнения технологической операции раскроя на имеющемся

оборудовании и сокращением затрат времени.

Совокупность критериев оптимизации карт раскроя представляют со-

бой заведомо противоречивое множество требований. Улучшение карт рас-

кроя по одному из показателей неизбежно приводит к их ухудшению по дру-

гим. Поэтому при автоматизированном раскрое материалов вводится понятие

приоритета действия каждого критерия, которые определяются технологом

в зависимости от типа производства (эксклюзивное, индивидуальное, серий-

ное, массовое) и характеристик раскройного оборудования.

Помимо рассмотренных критериев при формировании карт раскроя

большое значение имеет правильность настройки технологических парамет-

ров оборудования:

• ширины реза (толщины пилы);

• максимальной длины реза на данном станке;

• максимальной ширины отрезаемой полосы.

Еще одной немаловажной характеристикой автоматизированных сис-

тем раскроя является качество оформления карт раскроя, которое имеет

большое значение для сокращения времени его выполнения. Они должны

быть наглядными, понятными оператору и содержать всю необходимую ин-

формацию.

В состав САПР БАЗИС, рассмотренной в подразделе 5.2, входит мо-

дуль оптимизации раскроя материалов БАЗИС-Раскрой, в котором реализо-

ваны все перечисленные выше требования автоматизации данной технологи-

ческой операции. Пример карты раскроя, полученной в этом модуле, показан

на рис. 9.5.

152

Рис. 9.5. Пример карты раскроя материала

9.2. Общие сведения о числовом программном управлении

Числовым программным управлением

(ЧПУ или NC – Numerical Con-

trol) называется использование специально закодированной информации для

автоматического управления технологическим оборудованием.

Основоположником ЧПУ считается Джон Т. Парсонс, профессор Массачусетского тех-

нологического института (США), который в конце 40-х годов прошлого века разработал

оборудование для кодирования управляющей программы на металлических перфокартах.

Эта программа управляла приводами подач фрезерного станка. Координаты точек в про-

грамме задавались в цифровом виде. В 1948 система была принята в эксплуатацию в во-

енной авиапромышленности США. Первый коммерческий вариант системы ЧПУ появил-

ся в 1952 году. Дальнейшее развитие ЧПУ шло по пути совершенствования аппаратной

части от электронных ламп до современных интегральных схем, а также повышения точ-

ности и функциональности. Параллельно шло развитие специальных языков программи-

рования для оборудования с ЧПУ.

153

Управляющая программа (УП) содержит числовые данные, необходи-

мые для изготовления детали, и представляет собой пошаговый алгоритм

этого процесса. Она считывается и интерпретируется системой управления

станка, поэтому деталь изготавливается автоматически, без участия человека.

Аппаратная часть системы ЧПУ состоит из блока управления и самого

станка (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Аппаратная конфигурация станка с ЧПУ

Система управления реализует две основные функции: считывание

программы обработки детали и управление работой станка. Соответственно

она состоит из двух функциональных блоков:

• модуль обработки данных;

• система автоматизированного регулирования (САР).

В функции модуля обработки данных входит считывание УП с исполь-

зуемого носителя информации, декодирование операторов программы, пре-

образование декодированной информации в команды управления станком и

данные о положении инструмента по каждой из осей станка, направлении его

движения, подаче и т.д., а также передача всех этих данных в САР.

САР, в свою очередь, принимает информацию от модуля обработки

данных и преобразует ее в электрические управляющие сигналы, при помо-

щи которых производится управление приводными механизмами станка.

Помимо этого, она организует прием сигналов обратной связи о реальном

положении инструмента и скорости его движения по каждой из осей и подает

в модуль обработки специальный сигнал на считывание следующего блока

информации. Поскольку траектория движения инструмента задается в циф-

ровом виде, т.е. в виде координат последовательных точек с определенным

шагом, неотъемлемым элементом САР является интерполятор – устройство

выработки команд для непрерывного перемещения инструмента между эти-

ми точками.

Системы ЧПУ классифицируются по характеру движения инструмента

на системы позиционного и контурного управления.

Системы позиционного управления используются в тех случаях, когда

траектория движения инструмента относительно детали не имеет значения,

т.е. инструмент перемещается от одной точке к другой, не касаясь детали.

Типичным примером позиционной обработки является сверление отверстий

в деталях мебельного изделия под установку фурнитуры.

154

Системы контурного управления используется, когда важна траекто-

рия движения инструмента в процессе обработки относительно детали. Такие

системы управления устанавливаются на фрезерных, токарных, шлифоваль-

ных и других станках.

Системы управления первые станков с ЧПУ работали на электронных

лампах и транзисторах, а для считывания УП в них использовались устрой-

ства чтения с перфолент

. Они не имели блоков памяти, поэтому обрабатыва-

ли команды по одной. Станки, оснащенные системами управления такого ти-

па, называются станками с ЧПУ типа NC.

Современные системы управления работают на интегральных микро-

схемах и имеют блоки памяти. Они называются станками с ЧПУ типа CNC

(Computer Numerical Control), т.е. станками со встроенным компьютером. Это

позволяет выполнять однократную загрузку УП для обработки всех деталей

партии, а также взаимодействовать с другими элементами системы автомати-

зации производства: промышленными роботами, загрузочными устройствами

и т.д. Дальнейшее развитие систем управления шло по пути расширения воз-

можностей встроенных компьютеров. В современных станках с ЧПУ они

практически полностью соответствуют привычному персональному компью-

теру – имеют монитор, оперативную память, жесткий диск, коммуникацион-

ные порты, графические устройства ввода, а также необходимое программ-

ное обеспечение. Это позволяет вводить УП в диалоговом режиме, использо-

вать заранее запрограммированные последовательности команд (например,

для операций сверления, фрезерования фиксированных торцов и т.д.) и визу-

ально контролировать траекторию движения инструмента.

Наличие встроенных компьютеров позволяет формировать производ-

ственные системы, состоящие из сервера (центрального компьютера), управ-

ляющего работой участка станков с ЧПУ типа CNC. Они получили название

систем ЧПУ типа DNC (Distributed Numerical Control – Распределенное Чи-

словое Управление).

Управляющая программа для обработки деталей на станках с ЧПУ

должна содержать сведения о геометрической форме детали, траектории

движения инструмента относительно заготовки и некоторых дополнительных

технологических действиях, например, выборе нужного инструмента или за-

дании скорости вращения шпинделя. Это требует согласования систем коор-

динат станка и программы. Если УП разрабатывается программистом, то ему

необходимо задавать траектории движения инструмента в системе координат

станка, а если она формируется по данным, полученным из САПР, то систе-

мы координат станка и математической модели должны быть одинаковыми.

Линейные перемещения инструмента определяются осями x, y, z, обра-

зующими правую декартову систему координат. У каждого станка существу-

Перфолента (перфорационная лента) – это носитель информации в виде узкой тонкой

ленты из бумаги или пластмассы. Информация на перфоленту записывается пробивкой

отверстий (перфорацией). Перфоленты широко использовались в качестве устройств хра-

нения информации в ЭВМ первых поколения (1950-60-е гг.).

155

ет своя система координат, но все они подчиняются общим правилам, приве-

денным в таблице 9.1.

Таблица 9.1. Направления осей координат станков

Направление осей координат Описание типа

станка

Z X

Станки, подоб-

ные токарным, в

которых вра-

щается деталь

Параллельно шпинделю,

положительное направ-

ление соответствует

удалению инструмента

от шпинделя

По направлению переме-

щения инструмента, поло-

жительное направление

соответствует удалению

инструмента от заготовки

Станки, в кото-

рых вращается

инструмент

(фрезерно-

присадочные,

сверлильные)

Параллельно движению

инструмента, положи-

тельное направление со-

ответствует удалению

инструмента от заготов-

ки

Параллельно столу, поло-

жительное направление по

правой руке оператора,

стоящего лицом к столу

Прочие (шли-

фовальные,

прессы)

Перпендикулярно набо-

ру инструментов, поло-

жительное направление

соответствует удалению

инструмента от заготов-

ки

Параллельно столу

По правилу правой руки

Напомним, что правило правой руки применительно к рассматривае-

мой ситуации гласит: если ладонь правой руки расположить таким образом,

чтобы ось z входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по оси x, то

отогнутый на 90˚ большой палец укажет направление оси y.

Количество направлений взаимных перемещений инструмента и заго-

товки может быть больше трех. Например, когда инструмент может не толь-

ко перемещаться по любой кривой в пространстве (три степени свободы, со-

ответствующие станки называются 3-координатными), но и менять свою ори-

ентацию в пространстве (поворачиваться). Станки с большим количеством

степеней свободы, или многокоординатные станки, в деревообработке ис-

пользуются сравнительно редко. Основная область их применения – маши-

ностроение, где необходимо изготавливать детали сложной пространствен-

ной формы, например, корпуса, гребные винты, турбинные лопатки и т.д.

Процесс написания программ представляет собой кодирование ин-

формации в соответствии с определенными правилами в виде, который мо-

жет восприниматься системой управления станка.

156

9.3. Управляющие программы для станков с ЧПУ

Система управления станком обрабатывает УП по кадрам (блокам) –

последовательности команд, необходимых для выполнения элементарного

действия (обработки элементарной поверхности, установки скоростей дви-

жения по осям и т.д.). Каждая команда обозначается буквой (идентификато-

ром), за которой следует число, определяющее конкретную команду данного

типа. Например, m03 – команда задания направления вращения шпинделя по

часовой стрелке, или g02 – предварительная команда интерполяции дуги ок-

ружности по часовой стрелке, т.е. подготовка инструмента к обработке дуги .

Перечень идентификаторов основных команд приведен в таблице 9.2.

Таблица 9.2. Идентификаторы команд УП

Идентификатор

Описание команды

N Последовательный номер команды, используется для быст-

рой ориентации в программе

G Предварительная команда, которая определяет те или иные

действия при подготовке к перемещению инструмента

X, Y, Z, A, B Координаты инструмента по соответствующим осям и его

ориентация (поворот относительно осей x и y). Значения

координат могут задаваться в миллиметрах или базовых

единицах длины (basic length unit — BLU), определяемые

разрешением (минимально возможным перемещением) по

соответствующей оси. Координата, заданная в единицах

длины, представляет собой целое число – количество шагов

необходимых для перемещения на заданное расстояние.

F Скорость подачи инструмента

S Скорость вращения шпинделя

T Номер инструмента при использовании многоинструмен-

тальных головок

M Прочие команды (смена инструмента, изменение направле-

ния вращения шпинделя и т.д.)

При ручном написании программ необходимо закодировать требуемую

последовательность команд. Это очень трудоемкий процесс и прежде всего

потому, что программа должна описывать движение инструмента, а не кон-

тур детали. Другими словами программист должен рассчитывать координаты

перемещения центра инструмента. Кроме того, ему придется задавать боль-

шое количество вспомогательных точек. Несмотря на то, что в современных

системах управления существуют функции автоматической коррекции кон-

тура детали на режущий инструмент, ручное составление программ остается

трудоемким процессом.

Для облегчения процесса составления УП разработаны специальные

языки высокого уровня. При их использовании программисту достаточно оп-

ределить геометрию детали, общую траекторию движения инструмента и

157

технологические параметры инструмента и режимов резания. Эта информа-

ция кодируется на языке высокого уровня, после чего транслируется (компи-

лируется) в специальный машинно-независимый формат – CL data. Файл с

данными в этом формате, который стандартизован Международной органи-

зацией по стандартизации (ISO) может иметь двоичный или текстовый вид.

Для перевода его в вид, воспринимаемый системой управления конкретного

станка, используются специализированные программы – постпроцессоры,

которые ориентированы на конкретную систему управления.

Существует достаточно большое количество языков программирования

УП для станков с ЧПУ, но наиболее широкое распространение получал язык

АРТ (Automatically Programmed Tools – Автоматически программируе-

мые станки). Он был разработан в Массачусетском технологическом инсти-

туте (МТИ) по контракту с ВВС США группой специалистов под руково-

дством математика Дуглас Т. Росса. Работы по созданию APT начались в

июле 1956 г., а в мае 1957 г. были представлены основы синтаксиса и семан-

тики языка, близкие к английскому языку. В 1959 г. на конференции в МТИ

было сделано первое сообщение о языке АПТ, и в том же году, по-видимому,

он впервые был применен в производственных условиях. В последующие го-

ды были разработаны улучшенные варианты языка – APT 2 и APT 5.

Создатель языка Дуглас Т. Росс в дальнейшем стал инициатором ис-

пользования ЭВМ в проектных работах. Под его руководством начиная с

1959 г. разрабатывался язык AED (ALGOL

Extended for Design – язык Ал-

гол, расширенный для проектирования), предназначенный для создания про-

грамм компьютерного проектирования деталей, сборка которых затем произ-

водилась на программно управляемых станках.

Язык APT послужил базой для разработки целого семейства подобных

языков в различных странах мира: ADAPT и UNIAPT – в США, EXAPT,

MINIAPT и TELEAPT – в Германии, АПТ ЕС и АПТ СМ – в Советском Сою-

зе и ряд других.

APT – это не только язык программирования для станков с ЧПУ, но

также и программа, которая выполняет расчеты по определению положений

режущего инструмента в соответствии с операторами языка. Эта система

предназначена для программирования операций обработки заготовок в трех-

мерном пространстве на станках, имеющих до пяти управляемых осей.

APT включает в себя четыре типа операторов:

• геометрические операторы для определения геометрических харак-

теристик детали;

• операторы движения, для описания траектории перемещения ре-

жущего инструмента;

ALGOL (ALGOrithmic Language – алгоритмический язык) – семейство языков програм-

мирования высокого уровня, первый из которых был разработан в 1958 году. В свое время

был очень популярен в Европе, в том числе, и в бывшем СССР, где были разработаны

лучшие для того времени компиляторы языков АЛГОЛ-60 и АЛГОЛ-68.

158

• операторы постпроцессора, которые применяются к конкретному

типу станку и его системы управления для задания скорости пода-

чи, скорости резания и других параметров обработки;

• вспомогательные операторы: смена инструмента, задание характе-

ристик обрабатываемых поверхностей и т.д.

Важной особенностью APT является поддержка работы с макроопера-

торами – последовательностями команд, которые можно многократно вызы-

вать на выполнение, что значительно упрощает разработку УП.

Значительную часть УП занимают операторы описания геометрии де-

тали, т.е. именно той информации, которая уже имеется в ее математической

модели, сформированной конструктором. Поэтому в современных САПР

программирование заменяется генерацией файлов в формате CL data непо-

средственно по модели. Последовательность разработки УП в этом случае

• на визуальном изображении детали выделяются те элементы гео-

метрии, которые будут определять траектории движения инстру-

мента – при двумерной обработке это контура, а при трехмерной –

поверхности;

• из библиотеки, входящей в состав САПР, выбирается нужный ре-

жущий инструмента;

• определяются траектории подвода, обработки и отвода инструмента

в исходное положение, при этом координаты точек траектории вы-

числяются автоматически с учетом геометрии резца и детали;

• выбор постпроцессора и автоматическая генерация УП;

• виртуальное моделирование движения резца (верификация про-

граммы) и исправление обнаруженных ошибок.

В процессе формирования траектории движения инструмента необхо-

димо обеспечить технологические требования обработки материала, несо-

блюдение которых приводит к искажению геометрических параметров кон-

тура панели, ухудшению качества поверхности реза, а в отдельных случаях и

к выходу из строя станка. По этой причине полностью автоматические алго-

ритмы формирования траектории не всегда могут гарантировать полное и

безошибочное соблюдение всех технологических требований. В состав со-

временных САПР мебельных изделий входит модуль проектирования УП для

станков с ЧПУ, который реализует следующие основные операции:

• автоматическое получение всей необходимой информации из мате-

матической модели изделия;

• интерактивный режим проектирования УП, обеспечивающий реа-

лизацию максимального набора проектных операций;

• автоматическое формирование траекторий движения инструмента;

• автоматическая генерация текста УП для выбранного станка с ЧПУ.

Математическая модель мебельного изделия включает в себя большой

объем разобщенных геометрических данных об отдельных составных эле-

ментах. Это не является критичным при дизайнерском и конструкторском

159

проектировании, но становится таковым при переходе к проектированию

технологических процессов обработки. Для проектирования УП необходимо

в автоматическом режиме выполнить так называемую предпроцессорную об-

работку модели, т.е. выделить обрабатываемые контура и поверхности, а

также найти и локализовать потенциально ошибочные элементы и места их

сопряжения. Один из примеров такой ошибочной ситуации – образование за-

реза, показан на рис. 9.7.

Рис. 9.7. Схема образования зареза

Автоматическое формирование траектории движения инструмента

должно выполняться на основе учета и анализа следующей совокупности

данных:

• геометрические параметры контура обработки и инструмента;

• способ подвода и отвода инструмента: по касательной, нормали или

дуге;

• схемы врезания и движения инструмента: в общем случае траекто-

рия движения инструмента представляет собой последовательность

стандартных фаз: подвод, врезание, черновой проход, чистовой

проход, отвод инструмента;

• наличие в переходе черновой и чистовой обработки: припуск на

чистовую обработку, перекрытие следа фреза на начальном участ-

ке, перебег фрезы;

• режимы резания, определяемые для каждой фазы обработки с воз-

можностью автоматического изменения подачи в зависимости от

типа обрабатываемого участка.

Для автоматической генерации текста УП необходимо задать большое

количество параметров, многие из которых назначаются технологами на ос-

новании собственного опыта. В этом случае траектория движения инстру-

мента может получиться неоптимальной, например, с большим количеством

мест резкой смены движения инструмента, из-за чего приводы станка значи-

тельную часть времени будут находиться в режиме торможения или разгона.

Помимо этого конструкционные свойства основного мебельного материала

(ДСтП) накладывают ряд ограничений на геометрические параметры обраба-

тываемых контуров.

При проектировании УП с использованием математической модели из-

делия, необходимо учитывать такой немаловажный фактор, как уровень ква-

160

лификации конструктора в области технологии. Опыт показывает, что конст-

руктор далеко не всегда интуитивно или осознанно учитывает технологиче-

ские особенности изготовления; очень часто многие параметры деталей вы-

бираются им спонтанно, исходя из субъективных предпочтений или пожела-

ний дизайнера. Поэтому в процессе разработки УП технологу необходимо

убедиться в технологичности конструктивных решений. Это даст дополни-

тельную экономию времени и ресурсов за счет сокращения времени обработ-

ки деталей и количества сменного инструмента, уменьшения времени согла-

сований принятых решений между конструктором и технологом и сокраще-

ния количества технологических переходов, что в конечном итоге приводит к

снижению себестоимости изготовления изделий.

Рассмотрим последовательность работы технолога по проектированию УП для об-

рабатывающего центра Pro Master фирмы HOLZHER-Reich Spezialmaschinen GmbH

(рис. 9.8) в модуле БАЗИС-ЧПУ.

Рис. 9.8. Обрабатывающий центр Pro Master

Обрабатывающий центр Pro Master является многофункциональным устройством,

предназначенным для выполнения операций сверления, пиления и фрезерования. В его

состав входит сверлильный блок с 18 автономными сверлильными шпинделями, блок го-

ризонтального сверления с двумя двойными шпинделями по оси Х и двойным шпинделя-

ми по оси Y и по оси Х, один или два блока фрезерования, один или два пильных блока.

Центр оснащен встроенным компьютером с цветным дисплеем и программным обеспече-

нием с графической оболочкой. Сменные инструментальные магазины включают в себя 6,

12 или 18 позиций для инструмента и обеспечивают быструю наладку и высокую произ-

водительность.

Модуль БАЗИС-ЧПУ предназначен для автоматической передачи информации об

изделии, спроектированном в системе БАЗИС, на обрабатывающие фрезерно-присадочные

центры и станки с числовым программным управлением различных производителей. Он

реализует все основные возможности, перечисленные выше.

Математическая модель, спроектированная в системе БАЗИС (рис. 9.9), передается

в модуль БАЗИС-ЧПУ (рис. 9.10) напрямую, что полностью исключает потери информа-

ции. Параллельно формируется список всех панелей, из которых состоит изделие, с визуа-

лизацией информации о каждой из них, включая контур с нанесенным на нем расположе-

нием отверстий (рис. 9.11).