Развитие станков с числовым программным управлением приводит к постоянной эволюции ПО, обеспечивающего разработку управляющих программ для них. Мы уже не раз знакомили читателей с возможностями интегрированной CAD/CAM/CAPP системы ADEM в области ЧПУ обработки. Напомним, что ADEM поддерживает различные типы станков: токарные, лазерные, координатно-пробивные, электроэрозионные, фрезерные и постоянно расширяет свою функциональность, направленную на поддержку каждого из них. Учитывая возросшую в последнее время популярность многокоординатного оборудования, в версии ADEM 8.0 значительное внимание уделено именно этому виду обработки.
В зависимости от числа одновременно управляемых координат сложные фрезерные станки можно разделить на 4-х и 5-ти координатные (когда к трем линейным перемещениям добавляются одно или два угловых). Изменение углов инструмента по отношению к детали может быть выполнено:
- Поворотом стола и/или шпинделя;
- Совместным поворотом детали, закрепленной в шпинделе токарно-фрезерного обрабатывающего центра и дополнительного фрезерного шпинделя;
- Использованием силовых роботов-манипуляторов, на которых установлен вращающийся фрезерный инструмент. В качестве примера можно привести станки немецкой фирмы KUKA Roboter GmbH (Рис. 1). Работа этих станков по управляющим программам, подготовленным в системе ADEM, была продемонстрирована на выставке EMO Hannover 2005 в сентябре этого года.
Рис. 1 Фрезерные станки KUKA.
Система ADEM позволяет вести проектирование, не привязываясь к конкретному типу кинематики станка (она будет учтена постпроцессором автоматически при создании УП), а сосредоточив внимание на технологических аспектах обработки. В то же время, интеграция модулей проектирования техпроцессов и программирования станков с ЧПУ позволяет включать программные операции в общий техпроцесс, дополняя их необходимыми приспособлениями, мерительным и вспомогательным инструментом, формировать эскизы и карту наладки станка. Сама же программная операция (УП) - набор технологических переходов и команд, характерных для ЧПУ обработки.
Обратимся непосредственно к описанию возможностей многокоординатной обработки, под которой будем понимать как лазерную обработку, так и фрезерование.
4-х координатная обработка на телах вращения.
Идея проста: плоская траектория как бы "наворачивается" на тело вращения, образующая которого задана произвольным контуром. Ось инструмента при этом может быть выставлена либо по нормали к обрабатываемой поверхности, либо по нормали к оси вращения детали. В качестве места обработки может быть определен любой конструктивный элемент, доступный в системе: например, "Колодец" или "Текст". Этому виду обработки присущи все возможности ADEM, доступные в плоском фрезеровании: многопроходная обработка, врезание, коррекция, подбор необработанных зон и др. Диапазон его применения очень широк: от лазерной маркировки сувенирной продукции (Рис. 2) до обработки корпусов в ракетно-космической промышленности. Впрочем, в обоих этих случаях обработка выполняется чаще всего на цилиндре или конусе.
Рис. 2 Лазерная гравировка логотипа ADEM на брелке-фонарике.
5-ти координатная обработка произвольных поверхностей.
Начиная знакомство с 5-ти координатной обработкой, уделим внимание лазерной обработке - сварке объемных деталей и резке плоских и объемных элементов. Поскольку описание возможностей плоской лазерной обработки выходит за рамки данной статьи, кратко отметим лишь основные возможности: параметрическое копирование обработки на группе точек и возможность управляемого создания точек прерывания луча, что исключает выпадение деталей, заданных замкнутыми контурами.
Итак, лазерная обработка. Для создания управляющих программ сварки в ADEM используется возможность движения лазера вдоль объемной кривой с заданным фокусным расстоянием и вектором оси лазерного луча. Во время движения вдоль кривой допускается корректировка угла наклона луча на ее отдельных участках, что позволяет более гибко управлять положением шпинделя. Изменение углов может производиться дискретно, на каждом участке, или меняться плавно по ходу движения.
Более широкие возможности доступны в режиме лазерной резки, который применяется в основном для обработки тонкостенных оболочек. Для того, чтобы задать положение инструмента в пространстве и обеспечить его удержание по нормали к обрабатываемой оболочке, достаточно указать поверхности движения, по которым скользит луч, и набор управляющих кривых (Рис. 3). Режимы работы лазера выбираются из базы данных, созданной на основе информации, предоставленной компанией "TRUMPF laser GmbH+Co", и исходя из марки материала, указанного в техпроцессе.
Рис. 3 5-ти координатная лазерная резка.
Конечно же, объемная лазерная обработка по сложности уступает фрезерной, поэтому развитие версии 8.0 велось именно в направлении фрезерования. В первую очередь был реализован полный контроль коллизий: проверяется касание инструмента и компонентов шпинделя как рабочих, так и контрольных поверхностей. Были существенно расширены виды формируемых траекторий, среди которых следует отметить спираль, эквидистанту, зигзаг UV c автоматической сшивкой поверхностей, контурные траектории, обеспечивающие плавный переход в продольном и поперечном направлении с одной кривой на другую и др.(Рис. 4).
Рис. 4 Схема обработки "Контурный зигзаг".
Появилась возможность задания углов опережения/отклонения, позволяющих исключить нулевую скорость резания в центре фрезы и обеспечивать доступ инструмента в теневые зоны. Также были переработаны с учетом специфики многоосевой обработки методы подход/отход к обрабатываемым поверхностям, что позволяет теперь выполнять их наиболее оптимальным образом.
Интеграция пятиосевой обработки и функций позиционирования позволила реализовать схему обработки "5+2". Ее применение оправдано в тех случаях, когда диапазон изменения углов инструмента ограничен, а станок оснащен делительной головкой. В этом случае в одном переходе программируется 5-х обработка зоны, доступной для инструмента, после чего происходит дискретный разворот заготовки в следующую доступную зону и продолжение обработки в следующем переходе.
Возможности 5-ти координатного фрезерования лучше всего рассмотреть на примерах. Самым простейшим методом обработки, но далеко не самым эффективным, является фрезерование поверхностей, когда инструмент выставлен по нормали к обрабатываемой поверхности. Этот метод требует указания лишь набора фрезеруемых и контролируемых поверхностей.
Более эффективен метод обработки, добавленный в систему по просьбам наших пользователей. В авиационной промышленности одними из наиболее часто обрабатываемых деталей являются различного рода шпангоуты и нервюры. Практически все они содержат линейчатые поверхности, так называемые "переменные малки": угол их наклона может быть переменным. Для облегчения обработки подобных деталей, ADEM предлагает режим фрезерования боковой поверхностью фрезы. Используя его, достаточно определить набор поверхностей, вдоль которых должен двигаться инструмент. Так, на рисунке 5 показана чистовая обработка коническим инструментом "закрытой малки" с отрицательным углом в 3 градуса. Для облегчения визуального контроля правильности расчетов можно активизировать совместное отображение траектории и вектора оси инструмента.
Рис. 5 Обработка "закрытой малки" конической фрезой.
Следующий пример (Рисунок 6) демонстрирует обработку деталей на токарно-фрезерных обрабатывающих центрах. В этом случае деталь устанавливается в основной шпиндель, обеспечивающий непрерывное вращение детали вокруг одной из осей. Фреза, как правило, устанавливается в дополнительный шпиндель, формирующий перемещения по трем линейным и одной поворотной координатам. Такую технологию обработки часто называют спиральной траекторией и используют для обработки турбинных лопаток или электродов для прошивных электроэрозионных станков.
Рис. 6 Спиральная обработка электрода.
Во всех приведенных выше примерах мы использовали возможности ADEM, при которых геометрическая модель сама определяла положение инструмента по отношению к обрабатываемой детали. В большинстве случаев этого вполне достаточно для формирования УП, к тому же значительно упрощается сам процесс создания маршрута. Но существует определенный класс деталей, требующих специальных методов управления углами наклона инструмента. Так, при черновой обработке межлопаточного пространства моноколес или шнеков возникает ситуация, когда инструмент, не дойдя до границы одной обрабатываемой поверхности, начинает касаться соседней.
В этом случае, конечно же, можно автоматически развернуть инструмент для того, чтобы избежать зарезания соседних поверхностей, но этот метод не является полностью универсальным. Для более гибкого и полного управления углами в систему ADEM было введено понятие кривой оси инструмента. При ее задании настроечная точка фрезы движется по обрабатываемой поверхности, а ось фрезы всегда проходит через указанную кривую. Это метод был использован при обработке канавки шнека, представленной на рисунке 7. Движение инструмента в этом примере происходит по UV линиям обрабатываемых поверхностей вдоль их естественных границ. Но граничные кривые могут быть заданы и явно. В качестве кривой оси инструмента могут использоваться любые виды геометрических объектов из числа доступных в модуле CAD системы ADEM. В данном примере было использовано ребро вспомогательной поверхности. Заметим так же, что независимо от используемого метода фрезерования допустимо использование ограничивающих контуров, задающих конкретное место обрабатываемой поверхности.
Рис. 7 Обработка шнека.
Наиболее полный набор методов многокоординатного фрезерования был задействован при изготовлении моноколеса, показанного на рисунке 8, маршрут обработки которого состоит из восьми технологических переходов. Обработка выполняется на основе заготовки, предварительно обработанной на токарном станке. Вначале концевой фрезой выполняется черновая 3-х обработка межлопаточного пространства, а затем металл, оставшийся в теневых зонах, удаляется шаровой фрезой с использованием стратегии "Зигзаг UV" и заданием угла отклонения. Заметим, что вся дальнейшая обработка выполняется на основе геометрии одной лопатки, и повторяется на всех остальных с помощью углового копирования траектории вокруг общего центра вращения. После оформления вершины лопатки производим чистовую обработку межлопаточного пространства аналогично тому, как мы это делали выше при обработке шнека, при этом фрезерование ведется в направлении линий потока. Завершаем работу чистовым фрезерованием пера лопатки, используя стратегию обработки боковой частью конической фрезы.
Рис. 8 Обработка моноколеса.
После того, как сформирована траектория движения инструмента, остается последний этап - создание управляющей программы. Как было отмечено ранее, именно на этом этапе происходит учет кинематической схемы станка, которая заложена в постпроцессоре. На первых этапах развития 5-ти координатной обработки в постпроцессоре приходилось выполнять достаточно большой объем вычислений, что делало задачу его написания излишне трудоемкой. По мере накопления опыта для каждого типа станков был создан базовый постпроцессор, который выполнял все рутинные вычисления и максимально упростил для пользователя процесс адаптации системы к конкретному станку, сведя его вмешательство в настройку постпроцессора к минимуму. В то же время, базовый постпроцессор полностью открыт для редактирования.
В заключение отметим, что все описанные методы многоосевой обработки с успехом были протестированы и применяются на различных предприятиях, использующих ADEM для проектирования УП. Среди них можно выделить Харьковский авиационный завод (г. Харьков), ЗЭМ РКК "Энергия" (г. Королев), РСК МИГ (г. Москва), ФГУП ПО "Старт" (г. Заречный Пензенской обл.), ОАО ТЭМЗ (г. Томск), РКЗ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и многие другие.
автор статьи: Алексей Казаков