Analysis of automatic design systems

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

После получения технического задания (ТЗ) следующим пунктом идёт разработка технологического процесса (ТП). ТП должен быть составлен технически грамотно в соответствии с внутренними стандартами предприятия (у каждого могут быть свои, но структура составления одна) на карте эскизов (рисунок 1) и быть достаточно информативным хотя бы для того, чтобы исключить высокую вероятность брака в ходе изготовления. Как показывает статистика на многих предприятиях подавляющий процент брака, появляется вследствие халатного отношения операторов станков с ЧПУ из-за отклонений от ТП.

Рис. 1. Пример карты эскизов

 Составляется он на различных форматках в соответствии с ГОСТ 3.1105-84 [1]. Содержат в себе подробную информацию о базировании и креплении заготовки (детали) на координатном столе станка с ЧПУ или в патроне шпинделя между техническими установками. Дополнительно указываются линейные, диаметральные размеры, шероховатости и прочее в зависимости от требований. Жирной линией выделяются контуры, которые подвергнутся механической обработке на станке.

Далее следует непосредственная работа в САПР. В модуле CAD разрабатывается электронный чертёж изделия (рисунок 2) путём работы с геометрическими параметрами, построение может быть выполнено с помощью других САПР, главное, чтоб файл был сохранён в одном формате. Затем получают твердотельную 3D модель изделия c помощью различных инструментов интерфейса (рисунок 3).

Рис. 2. Построение геометрии в электронном чертеже

Рис. 3. Построение 3D модели

После того, как 3D-модель детали построена, осуществляется работа с помощью модуля CAM. Проводя работу в нем, технолог-программист определяет основные и вспомогательные поверхности и геометрические элементы разрабатываемого изделия для последующего составления ТП (где осуществляется выбор стратегий обработки и настройка режимов для инструментов). Система автоматически в зависимости от установок вычисляет траекторию перемещений инструмента (рисунок 4).

Рис. 4. Пример настройки параметров обработки

После настройки параметров обработки конкретного участка детали в CAM системе проводится визуальный анализ возникших траекторий (рисунок 5) и проводится моделирование (верификация) механической обработки (рисунок 6). Программист имеет возможность легко исправить возникшие ошибки, которые могут быть обнаружены на этом этапе. Достаточно вернуться к предыдущему этапу.

Рис. 5. Анализ траектории перемещения инструмента

Завершающим результатом работы в САПР является получение управляющей программы (УП). Такой код создаётся с помощью постпроцессора, который преобразует УП под требуемые характеристики конечного станка с ЧПУ.

Рис. 6. Моделирование механической обработки

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Система автоматизированного проектирования (САПР) - специализированное программное обеспечение, состоящее из различных модулей, наличие которых позволяет проводить работы по разработке цифровых чертежей и твердотельных 3D моделей разной сложности, а также проводить разработку конструкторской и технологической документации в различных отраслях промышленности.

В некоторых САПР также используется модуль CAE, функциональные возможности которого нужны для проведения инженерного анализа по различным параметрам [2].

В рамках ЖЦ изделий данные системы решают различные задачи, направленные на автоматизацию работ, выполняющихся на стадии проектирования и подготовки производства [3].

Основной целью применения САПР является повышение эффективности труда человека, в которые входят работы направленные на:

• сокращение трудоёмкости процесса по проектированию изделий и планированию производства;
• сокращение общих сроков на проектирование изделий;
• сокращение себестоимости проектирования и изготовления изделий, а также уменьшение затрат на эксплуатацию оборудования на производстве;
• повышение качества конечного продукта и контроль технико-экономического уровня результатов проектирования;
• сокращение затрат связанных направленных на проведение натурных и испытаний и моделирование различных процессов, посвященных инженерному анализу.

Достижение этих целей обеспечивается путём использования технологии параллельного проектирования, смысл которой заключается в проведении различных этапов работ одновременно, а не последовательно, что позволяет, ускорить цикл разработки некоторого продукта.

Унификация, то есть приведение к единой системе проектных решений и процессов проектирования, позволяет повторно использовать ранее разработанные проектные решения и результаты стратегического проектирования, а также проводить замену натурных испытаний на математическое моделирование (инженерный анализ) для различных процессов.

Довольно часто выбор систем автоматизированного проектирования для дальнейшей деятельности обусловлен следующими критериями:

1. Важна степень распространённости САПР,

В некоторой степени распространение ПО влияет на простоту заключения контракта по предоставлению для предприятия лицензии ПО. Широкое распространение системы также может сказываться на цене поддержки и сопровождении лицензии оперативного устранения некорректной работы программного софта и получения последних модификаций.

2. Удобство работы САПР и её освоения;

Несмотря на то, что многие производители позиционируют свои системы как довольно удобные в плане взаимодействия, субъективно в них много различий. Если есть возможность выбирать из нескольких вариантов систем, направленных на работу в одной отрасли производства следует учесть этот параметр и выбрать тот с которым у сотрудников есть опыт работы, этот пункт перекликается с первым пунктом.

3. Совместимость с другими САПР.

Совместимость с другими системами является необязательным пунктом, но если на предприятии есть несколько подразделений, которым приходиться обмениваться файлами, включающими файлы, описывающие движение инструмента при описании механической обработки для станков с ЧПУ, тогда в этом есть некоторый смысл. Для конструкторской документации и подобных документов, как правило, не нужна совместимость. Большинство САПР обладают возможностью использовать для этих целей нейтральные форматы.

На данный момент существует большое множество САПР зарубежного и российского производства специализирующихся на проектирования изделий в разных отраслях промышленности. Системы можно условно разделить на 3 категории (базовые, средние и тяжелые). Разделение во многом основано на широте их функциональных возможностей, которое во многом определяется наличием различных модулей, а также специализацией и особенностью архитектуры как ПО [4].

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

После задания заготовки, для деталей перейдя в раздел механической обработки, начинается описание её технологии. Первой представлена обработка детали втулка для 2-х координатного станка, перед началом можно заранее создать комплект инструментария для проведения разных участков детали, но предпочтительно создавать их непосредственно во время работы [5].

Для тела вращения целесообразней начать обработку с точения торца и грубого точения внешнего контура. Необходимо настроить параметры обработки включая рассчитанные режимы и др., а также указать элементы принадлежащие детали и заготовки для того чтобы САПР корректно провела расчет траектории инструмента. После грубого точения аналогично необходимо смоделировать чистовую обработку контура с 1 проходом по контуру и смоделировать результат.

Рис. 7.Настройка точения контура

После описания чернового точения проводится чистовая обработка контура втулки с другими режимами. Следом идет задание проточки канавок, описав исполнение одной, последующие воспроизводятся путем копирования по длине детали [6].

Рис. 8. Симуляция точения внешнего контура

Завершающим переходом обработки данной детали является проведение операции глубокого сверления и растачивания центрального отверстия втулки.

Рис. 9. Конечный результат моделирования

3.1. ФОРМИРОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ СТРАТЕГИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ

Далее рассматривается моделирование [7] обработки фрезерования деталей кронштейн и корпус. Описание обработки следует начать с обработки основных поверхностей переходя вспомогательным.

 Обработка детали кронштейн проведена в двух вариациях:

1. Рекомендованные параметры резания металла без использования уникальных подходов к стратегии фрезерования.
2. Измененные параметры резания, реализована трохоидальное фрезерование (часть в технологии HSM).

Основное отличие обработки приходится на исполнения фрезерования карманов и отверстий детали. Если использовать простые стратегии для фрезерования инструменту потребуется провести больше переходов для получения качественной обработки поверхности детали.

Первым общим шагом в технологиях обработки идёт попутное черновое и чистовое фрезерование верней половины детали. После проведения контурного фрезерования идёт черновое и чистовое фрезерование кармана и отверстия. Начиная с этого момента технологии разделяются по исполнению.

Если использовать классическое попутное фрезерование (фрезой Ø 5 мм в этом случае), при черновой обработке глубину погружения фрезы не должна превышать 1хD, а врезание в металл режущей кромки более чем на 50% от диаметра фрезы [8]. Данные режимы не следует превышать, так как это повышает динамическую ударную нагрузку на инструмент, что негативно сказывается на инструменте и качестве резания. Притом коэффициент контакта режущей кромки с зоной резания  вирируется очень сильно от 50-100%, где 100% является вся поверхность режущей кромки при 180⁰, чем выше этот коэффициент, тем больше нагрузка режущую кромку, что ведет к повышенному износу кромки.

Следуя этим рекомендациям, настроена технология для первого варианта исполнения обработки.

Вариант №2 включает в себя исполнение обработки путём высокоскоростного фрезерования (HSM), для его реализации следует следить, чтобы коэффициент а_е принимал значения не более 10%, в данном случае используется значение 6-10%, что означает, что инструмент с каждым проходом врезается на глубину не более 0,5 мм (от диаметра 5мм). Благодаря таким показателям, при построении оптимальных траекторий движения (по спирали или трохоидам) можно использовать более высокую скорость резания без повышения ударных нагрузок [9].

Использование такого маленького значения этого коэффициента позволяет провести черновое фрезерования на полную глубину паза (10мм), с наименьшей осевой и радиальной нагрузкой на инструмент, что повышает его стабильность. Также использование всей длины режущей кромки равномерно её нагружает, обеспечивая равномерный более низкий износ. На рисунке 10 представлены траектории каждого из подходов к фрезерованию кармана.

Рис. 10. Фрезерование кармана при обычных режимах (справа) и по HSM технологии (слева)

Далее проводиться чистовое фрезерование данного участка, после чего. После чего проводиться фрезерование отверстия, с аналогичным разделением технологии, где при высокоскоростном фрезеровании осуществляется расфрезеровка отверстия от центра по спирали (рисунок 11 слева), и обычном фрезеровании по окружности.

Рис. 11. Фрезеровка отверстий по двум технологиям

После проведения этих переходов проводится технический останов для смены крепления заготовки. Затем проводится полная обработка нижней части кронштейна с исполнением оставшихся боковых карманов (рисунок 12) с аналогичным разделением подходов к технологии обработки детали и других поверхностей.

Рис. 12. Конечный результат моделирования

По результату параллельного моделирования обработки детали в двух вариациях с последующим получением G- кода язык ISO-7bit в виде двух УП (и сбора статистики с помощью редактора УП) удалось добиться следующего:

Таблица 1.

Статистика по технологиям

• Правильное использование подхода трохоидального и высокоскоростного фрезерования позволило уменьшить динамическое и тепловое воздействие на режущие кромки фрезы и обрабатываемую поверхность. Это позволило сразу провести получистовую обработку карманов детали без существенного снижения качества готовой поверхности и повышения ударных нагрузок.
• Время полной обработки детали сокращено примерно на 26% (как видно из таблицы 1), в сравнении с классической обработкой детали (доп. операции и другая стратегия) при других режимах и траекториях [10]. Можно добиться ещё более высоких показателей сокращения времени при изменении диаметра инструмента, учитывая тип материала, геометрию детали и другие факторы. В масштабах серийного производства это позволит в некоторых случаях снизить экономические затраты и повысить выработку станка.

3.2. РАССМОТРЕНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ЧАСТНОГО СЛУЧАЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ

Для проведения более качественной оценки эффективности использования подходов HSM дополнительно представлена металлообработка другой детали из сплава алюминия, обработка которой должна осуществляться на станке с многоосевой кинематикой (3+2). Модель рассматриваемой детали типа «корпус» представлена на рисунке 13.

Рис. 13. Твердотельная модель детали корпус

Подготовка для описания технологии обработки этого изделия соответствует двум предыдущим (втулке и кронштейну), совершается переход внутри проекта в раздел, отвечающий за механическую обработку, и задаются инструменты необходимые для её выполнения.

Общая стратегия включает в себя черновую обработку, формирующую внешний контур детали и последующие фрезерование голубого кармана с последующим фрезерованием центрального паза и черновых и чистовых проходов по вспомогательным поверхностям. Первое на что стоит обратить внимание это на то какую стратегию использовать для обработки внешнего контура.

Так как стартовая заготовка имеет форму прямоугольного параллелепипеда при классическом подходе к фрезерованию (с учётом режимов) необходимо пустить весь металл в стружку, что не всегда оправдано. Данная стратегия выделяется тем, что избавляет технолога-программиста от необходимости проводить технологический останов для удаления лишних кусков металла после обработки, на рисунке 14 показана моделируемая траектория.

Рис. 14. Внешняя черновая контурная обработка

Особенности реализации технологического перехода:

1. Для снижения динамической нагрузки на инструмент радиальная глубина врезания взята 40% от диаметра инструмента, вместо 50%. Так как используемая фреза имеет очень большой вылет из патрона и необходимо следить за радиальной нагрузкой. Обработка проводилась фрезой с диаметром 16 мм и вылетом не менее 100 мм, это обусловлено глубиной кармана и геометрией изделия в целом.
2. Между проходами дополнительно добавлены шаги доработки с интервалом в 2 мм, это позволяет сделать черновое фрезерование менее грубым, так как на вспомогательной наклонной поверхности не будет очень высоких ступенек оставшегося металла, что в свою очередь упрощает последующую доработку этой поверхности.

Несмотря на то, что сплав алюминия обладает меньшей твёрдостью, глубина фрезерования взята не больше 1 диаметра инструмента, это снизит негативное воздействие на инструмент, в первую очередь это уменьшит вибрации.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам моделирования металлообработки обработки изделий была сформулирована методика, направленная на оптимизацию стратегии механической высокоскоростной металлообработки при разработке управляющей программы:

Пункт 1. Анализ технологических особенностей детали.

1.1. Разделение детали на основные и вспомогательные поверхности. Выбор этих элементов непосредственно влияет на последовательность технологических переходов при описании технологии обработки, если не учесть последовательность есть риск потерять время обработки на некоторых операциях смене инструмента одного на другой. Некоторые технологические переходы могут быть выполнены не качественно или привести к поломке инструмента, в случае если его траектория проходит участки, где ещё не убран металл.

1.2. Выбор оптимального способа крепления заготовки на столе станка. Осуществить базирование детали без вспомогательных элементов, которые могут перекрывать поверхности, которые подвергнуться обработке, если станок и геометрия детали позволяют. Это обеспечит экономию времени на технических остановах.

Пункт 2. Выбор оптимального комплекта металлорежущего инструмента.

2.1. Характеристики инструмента должны обеспечить максимально допустимую технологическую эффективность. Использование каждого инструмента должно быть оправдано, если стоит выбор между 2 инструментами, следует выбрать тот, с помощью которого можно сделать максимальное количество технологических переходов.

2.2. Подобрать оптимальные режимы резания, соответствующие требованиям используемой стратегии для обработки материала. Напрямую влияет на качество детали и скорость исполнения УП.

Пункт 3. Моделирование технологичной стратегии механической обработки.

3.1. При генерации очень сложных траекторий движения инструмента проверять их на избыточность. При некоторых конфигурациях могут быть сгенерированы холостые ходы движения инструмента. Если время разработки позволяет, следует попробовать реализовать ту же технологию обработки участка, но с помощью детальной настройки или даже другого инструмента интерфейса САПР. В случае успеха можно немного сократить время обработки определённого участка.

About the authors

Sergey Gusev

Author for correspondence.
Email: gs-serg@mail.ru
Russian Federation

Vadim Vladimirovich Makarov

Email: makfone@mail.ru
Russian Federation

References

Supplementary files