Модуль ADEM CAM Expert
А. Быков, Р. Карамов
О рациональном проектировании технологии
При проектировании технологии механообработки в современных CAD/CAM системах деталь представляют комплексом технологических конструктивных технологических элементов (КТЭ). Такое описание топологии объекта отличается от конструкторского представления и связано непосредственно с понятием технологического перехода*.
В простейшем случае эта связь выглядит как связь КТЭ и технологической операции. Например, конструктивный элемент Вал надо точить, а конструктивный элемент Отверстие нужно сверлить.
В общем случае, конструктивный элемент — это геометрический элемент детали, обрабатываемый за один технологический переход.
Для чего это нужно? Не проще было бы просто назначить на всю деталь один переход, например - фрезеруй все поверхности, и на этом успокоиться!
На самом деле, это тоже самое, что одеть человека не в рубашку, брюки и ботинки, а в три рубашки. Для каждой части тела есть свое рациональное обмундирование. Так и в детали для каждой ее части есть свое рациональное технологическое решение обработки.
Итак, чтобы получать разумный технологической процесс для конкретной детали, необходимо представить ее в виде системы КТЭ. Это важно как при подготовке техпроцессов для универсального оборудования, так и при создании управляющих программ для ЧПУ.
Рис 1. Представление детали системой КТЭ
Первый важный момент. Декомпозиция детали на конструктивные элементы имеет не только объективные стороны, но и субъективные. Разные исполнители, в зависимости от своего опыта, традиций производства, наличия оборудования и инструмента представят деталь разными комплексами КТЭ. Как говориться, если есть два технолога, то будет минимум три варианта техпроцесса.
Второй важный момент. Такая необходимая для программирования ЧПУ процедура, как группировка поверхностей в конструктивные элементы иногда может быть процессом очень трудоемким, особенно если модель детали содержит сотни, тысячи и десятки тысяч поверхностей. Возникает желание помочь технологу хотя бы в виде автоматизации получения первого варианта декомпозиции.
Третий важный момент. А что делать начинающему специалисту, если рядом нет опытного технолога?
В модуле ADEM CAM реализована обработка 17-ти типов конструктивных элементов, с помощью которых можно описать любую геометрию обрабатываемой детали.
В данной статье мы рассмотрим только те, которые связаны с операциями плоской 2,5x многопозиционной обработки** фрезерованием и сверлением. Такими операциями обычно изготавливается широкий класс деталей машиностроения и приборостроения.
Приведем описание нескольких конструктивных элементов из всего множества, характерных для подобных деталей.
Колодец — это конструктивный элемент, имеющий плоское дно и ограниченный со всех сторон плоскими или не плоскими стенками. Внутри колодца могут быть острова, также ограниченные плоскими или неплоскими стенками.
Рис 2 . КТЭ Колодец
Уступ — это конструктивный элемент, похожий на колодец, но часть стенок отсутствует.
Рис 3. КЭ Уступ
Стенка — это конструктивный элемент, который представляет цепочку вертикальных граней, обрабатываемых снаружи. У КТЭ Стенка отсутствует дно.
Рис 4. КЭ Стенка
Окно — это конструктивный элемент, который представляет цепочку вертикальных граней, обрабатываемых изнутри. У КТЭ Окно также отсутствует дно.
Рис 5. КЭ Окно
Отверстие - конструктивный элемент, ограниченный цилиндрической гранью, радиус кривизны которой равен половине диаметра сверла. КТЭ Отверстие может быть глухим и сквозным, то есть иметь или не иметь донную замыкающую поверхность.
Рис 6. КТЭ Отверстие
Подводные камни распознавания КТЭ
Можно сказать, что в основном все проблемы науки возникают из достижений науки.
Современные CAD и CAM продукты основаны на математике, которая описывает тела системой граничных поверхностей. Это компактное и удобное для реализации представление несет в себе ряд существенных недостатков, которые в значительной мере отражаются на задаче распознавания КТЭ.
В принципе, единожды сформулировав определение типов КТЭ в терминах граничного представления (boundary representation) можно было бы считать задачу решенной. Но как всегда, черт прячется в деталях.
Первая малоприятная особенность - два разных КТЭ могут включать в себя одну поверхность. Классический пример – тор. Это одна поверхность, о которой трудно однозначно сказать, что это отверстие, и вообще сложно отнести к какому либо типу КТЭ.
На рис. 7 приведен пример, когда одна и та же поверхность, помеченная цветом, принадлежит и колодцу и соседствующему с ним уступу.
Рис 7. Одна поверхность принадлежит двум КТЭ
Исключение данной поверхности из одного элемента, в пользу другого, будет неправильно, можем, например, неверно определить высоту КТЭ для дальнейших расчетов.
Следует отметить, что искусственная разбивка поверхностей модели на части с целью уточнения области КТЭ задача не из простых и содержит множество конфликтных ситуаций. Поэтому, на практике она только усложняет и дестабилизирует алгоритмы распознавания.
Еще большая неоднозначность возникает при многопозиционной обработке. Одна и та же поверхность может быть представлена различными типами КТЭ в зависимости от позиционирования детали. Например, у кубика боковые грани могут быть определены как КТЭ Стенка, обрабатываемая боковой частью фрезы, а после поворотов детали, как элементы типа Плоскость, обрабатываемые торцевой частью фрезы.
Очевидно, что четкого критерия выбора варианта, исходя только из геометрических соображений, не существует.
Вторая, более серьезная проблема. Как это ни странно звучит это для неискушенных читателей, граничное представление тела является плоским описанием трехмерного объекта. Используя его, невозможно определить, принадлежит ли поверхность телу или отверстию в нем, нельзя отличить сквозное отверстие от глухого и т.п.
Для того чтобы решать подобные задачи, приходится “искусственно” выходить в третье измерение, опять же используя граничное представление. При такой постановке уже необходимо жертвовать быстродействием и/или вносить вероятностную составляющую в процесс анализа.
А теперь о самой серьезной проблеме. Как ни крути, а определение КТЭ зависит от технологии изготовления. Последовательность действий: что будем обрабатывать сначала, а что потом, меняет картину представления детали конструктивными элементами.
Классическая ситуация курицы и яйца. Чтобы создать маршрут нужно представить деталь системой КТЭ, а чтобы найти КТЭ, нужно знать маршрут. Собственно говоря, в этом и заключается творческое начало процесса проектирования технологии механообработки.
Что может помочь в этой неопределенной ситуации?
Однозначности можно достичь, приняв некоторые правила игры. А правила эти можно получить, рассмотрев реальные техпроцессы.
Наиболее часто встречается такой порядок обработки одной позиции детали:
1. Сначала фрезеруется главная Плоскость детали по максимуму Z
2. Фрезеруются все доступные Стенки
3. Фрезеруются все доступные Уступы, Колодцы
4. Сверлятся Отверстия
Приняв такую последовательность за правило, мы значительно снизим степень неопределенности.
Приведем еще ряд полезных правил. Например, такое - все элементы обрабатываем сверху вниз по глубине. То есть, если есть колодец в колодце, то первым фрезеруем верхний, а потом нижний. На практике, конечно, встречаются оба решения, но мы возьмем за основу такой вариант.
Не менее полезная стратегия с точки зрения стремления к однозначности - в каждой зоне обрабатываем все элементы за одну установку и больше к ней не возвращаемся.
Свод таких стратегий позволяет проще реализовать алгоритмы решения задачи. Если не закрепить подобные правила, то вариантность будет расти как снежный ком. Так можно получить вместо автоматического технолога их целую толпу, которая между собой никогда не договорится.
Как работает ADEM CAM Expert?
Независимо от того была ли модель импортирована, или создана в самой системе ADEM деталью считается одно тело. Заметим, что тело может иметь щели и другие геометрические дефекты. Главное чтобы с точки зрения топологии оно было единым телом.
Что касается плоской обработки, пользователь имеет возможность выбора метода обработки из двух вариантов: “2,5 x” – простая плоская и “2,5x + 3x” - многопозиционная.
В первом случае будет произведен анализ только в текущей рабочей плоскости, Z координата которой будет соответствовать нормали к плоскости рабочего стола станка. Пользователь всегда имеет возможность изменить рабочую плоскость и заново произвести анализ.
Во втором случае, система вначале произведет точно такой же анализ, а потом сама определит новые зоны (положения детали) для того, чтобы обработать максимально возможное число КТЭ.
Отметим, что рассматривая каждую зону, алгоритм также стремится определить максимальное число КТЭ, которые можно обработать. Поэтому предыдущая зона имеет приоритет над последующей. Это позволяет пользователю получать различные варианты техпроцесса, варьируя первой установкой рабочей плоскости.
Результат анализа система представляет визуально с разбивкой КТЭ по типам и зонам.
Рис 8. Представление результата анализа КТЭ для многопозиционной обработки.
Формируется также текстовый файл с результатами анализа. Туда пишутся зоны и КТЭ, которые в них входят, номера граней, составляющих эти элементы, и данные для определения плоскостей безопасности и холостых ходов. Файл может быть использован и другими CAM системами, так как имеет открытый формат.
Этой информации вполне достаточно для автоматического формирования маршрута механообработки. Далее в модуле ADEM CAM маршрут и составляющие объекты можно корректировать до получения окончательного варианта техпроцесса и программы ЧПУ.
Мы рассмотрели только плоское многопозиционное фрезерование и сверление. Возможности модуля ADEM CAM Expert значительно шире. Но об этом в следующей статье.
*Примечание:
Технологический переход представляет собой законченную часть технологической операции, выполняемую над одной или несколькими поверхностями заготовки, одним или несколькими одновременно работающими инструментами. Каждый технологический переход обладает индивидуальным набором параметров.
**Примечание:
Многопозиционная обработка – обработка детали с разных сторон за счет ручного или автоматического поворота детали на станке.