Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день в различных отраслях промышленности для выпуска продукции используются станки для проведения металлообработки и других материалов. Работа данных станков, рассчитанных на ЧПУ невозможна без использования соответствующих систем, которые позволяют осуществлять оперативное конфигурирование системы для решения различных технологических задач путем управления приводами станка. В текущей работе представлено рассмотрение функциональных возможностей модуля визуализации системы ЧПУ «АксиОМА Контрол» в сравнении с другими известными системами такого же типа, с последующим расширением возможностей данного модуля.

Для достижения цели поставлена следующая задача, направленная на расширение функциональных возможностей модуля отрисовки режущего инструмента в системе ЧПУ «АксиОМА Контрол», а именно, анализ существующих средств визуализации траектории режущего инструмента в системах ЧПУ.

Научная новизна работы заключается в разработке методики проведения анализа траектории режущего инструмента, отличающейся реализацией алгоритмов и представлением данных.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Целью работы является рассмотрение функциональных возможностей модуля визуализации системы ЧПУ «АксиОМА Контрол» в сравнении с другими известными системами такого же типа, с последующим расширением возможностей данного модуля. На основании этого сформулирована цель работы, а именно: расширение функциональных возможностей модуля визуализации траектории перемещения режущего инструмента в системе ЧПУ «АксиОМА Контрол», путем разработки модуля анализа его траектории.

3. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТРАЕКТОРИИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Интерфейс отрисовки крайне важен для работы, поскольку позволяет оператору быстро оценить внештатную ситуацию. Ошибки могут быть на всех стадиях наладки обработки детали. Ошибка может быть допущена как при позиционировании детали или инструмента, при привязке нулевой точки, настройке смещений осей и многого другого. Конечно, при наладке станочного оборудования, как правило, возникают трудности, если ранее были сделаны другие настройки под другой заказ. Для этого в системах управления (ЧПУ), необходимы такие функциональные возможности, как визуализация обработки. Данная функциональность крайне важна, она позволяет вовремя заметить ошибку, оценить её опасность, и вовремя исправить, что сохранит как оборудование, так и инструмент от поломки и чрезмерного механического воздействия.

Помимо этого, наличие визуализации может позволить оператору-программисту оценить правильность выбранных алгоритмов обработки, технологических решений по обработке заготовки, скорость обработки, которая крайне важна для поточного производства [1].

Многие решения, применённые в современности, построены на новых технологиях в сфере IT, поскольку применяется активно 3D визуализация с динамическими объектами, динамической отрисовкой процесса резания и обработки в целом.

Существует несколько видов визуализации, есть визуализация траекторий, подразумевается, что это 2D визуализация движения инструмента на рабочей плоскости, и 3D визуализация всей обработки, которая включает в себя визуализацию снятия материала с заготовки, симуляцию движения и вращения инструмента, визуализацию скорости резания, параметров инструмента и времени обработки.

Как было сказано ранее, большую популярность имеют системы с 3D функциональной возможностью, поскольку для большинства людей полноценная визуализация имеет большую информативность. С другой стороны, аппаратная часть должна обладать достаточной вычислительной способностью, что естественно привносит новые требования [2].

Рассмотрим реализацию визуализации в разных системах ЧПУ, от разных фирм, и произведем некоторый анализ.

3.1. SIEMENS SINUMERIK 840D

Одна из самых известных систем ЧПУ -  система от компании Siemens. Данная система является до сих пор флагманом индустрии, благодаря огромному опыту компании в данной сфере, огромному количеству наработок, решений, качественному программному продукту и достаточной сервисной поддержке.

Интерфейс продукта от данной компании крайне упрощён, в первую очередь, внедрением готовых форм, заполняя которые система сама прописывает управляющий рабочий код, многое в данной системе упрощено, и максимально наглядно. Имеется возможность, и писать чистый G-код, для тех, кому это необходимо, но для большинства программное упрощения, такие как ShopMill или ShopTurn.

Также компания не обошла стороной и сторону визуализации. В данном продукте имеется визуализация траекторий, которая включена в общий комплекс визуализации, также присутствует и мощная 3D визуализация. В целом компания приложила много усилий, для создания наглядности, упрощённости для оператора. Достаточно неплохо продумала интерфейс, с которым необходимо соприкасаться пользователю.

На рисунке 1 представлен некоторый пример визуализации, представленный в среде разработки Sinumerik 840D.

На рисунке 1 представлен пример визуализации обработки заготовки. Как мы видим, визуальная составляющая представляет собой несколько частей:

• визуализация заготовки
• визуализация инструмента
• отрисовка нулевой точки детали

Из функциональных возможностей в данном окне есть возможности переключения между видами. Имеется возможность оценить траекторию инструмента сверху детали, а также каждую боковую сторону, если это требуется. Также имеется возможность дополнительной настройки заготовки под обработку, используя стандартные координат XYZ [3].

Рис. 1. Пример 3D визуализации в Sinumerik 840D

На рисунке 2 рассмотрим 2D визуализацию:

Рис. 2. Режим 2D визуализации

В отличие от некоторых других систем ЧПУ 2D режим включается в общем модуле визуализации отдельной кнопкой, без необходимости выходить в главное меню. Это упрощает работу с системой и позволяет быть наглядной для пользователя. В этом режиме также отрисовывается заготовка, нулевая точка, и инструмент и также, как и в режиме 3D обработанная поверхность окрашивается в другой цвет.

Имеется возможность приближать/отдалять заготовку, а также одной кнопкой выбрать направление взгляда обрабатываемой модели. Ещё имеется возможность регулировать скорость обработки (визуализации) детали, но в ограниченных пределах. Помимо этого, имеется возможность отключать/включать отрисовку траектории инструмента.

В процессе обработки, все показания отображены исключительно на экране с параметрами. При визуализации обработки отображается только программные координаты и динамические параметры.

Рис. 3. Визуализация в процессе обработки в системе ЧПУ Sinumerik

В данном окне нет возможности отслеживать и анализировать параметры обработки. Функциональные возможности по отображению заготовки от режима симуляции отличаются незначительно.

Также имеется возможность масштабировать заготовку, переключаться между видами обработки. На этом функциональные возможности визуализации при обработке закончились.

3.2. ITNC640 HEIDENHEIN

Система Heidenhein также представляет продукт, который имеет достаточные возможности для визуализации. На рисунке 4 представлен режим визуализации в режиме отладки [4].

Функциональная возможность режима отладки в системе Heidenhein имеет покадровое воспроизведение симуляции процесса обработки, тем самым позволяет вовремя оператору оценить ситуацию, если процесс по какой-то причине может привести к какой-либо аварийной ситуации.

В предыдущей системе такого нет, что естественно выгодно отличает эту систему.

Также имеется возможность установки «флажка» остановки. Программа при выполнении остановится на той строчке, у которой есть точка-останова. Данная возможность также позволяет программисту-оператору быстро отследить и обнаружить ошибки в конкретной части кода, без прогона всего кода.

Компания Heidenhein воспользовалась уже существующим в мире высокоуровневого программирования методами отладки кода. Этот подход положительно зарекомендовал себя и позволяет быстро искать ошибки в коде.

В режиме теста (отладки) пользователю предлагается несколько режимов отображения информации на экране пользователя: программа + графика, программа + состояние. В первом на экран выводится код программы и визуальная составляющая, во втором - код программы и показания по координатам, значения параметров и другое.  Данное разделение имеет смысл тогда, когда в параметрах обработки достаточно много информации, и необходимо разделить её на отдельную вкладку.

Рис. 4. Система ЧПУ Heidenhein

Данное решение может пригодиться в ситуации, когда необходимо расширить спектр информации, которую нужно знать программисту-оператору. Например, реальные показания с датчиков положения, ускорения, которые возникают при обводе контура заготовки и многое другое [5].

3.3. FAGOR

Компания FAGOR имеет огромные возможности в плане визуализации. На рисунке 5 показана 3D визуализация системы ЧПУ FAGOR. 3D визуализация в системе ЧПУ достаточно хорошо реализована. Отрисовка производится по двум объектам, это сама модель заготовки, и инструмент, что крайне необходимо для процесса визуализации. По функциональным возможностям система предлагает все стандартные функции, это приближение/отдаление, переключение видов, изменение цветов обработки.

В данной системе 3D и 2D переключается в соответствующем меню, где есть 7 вариантов отображения:

• Отображение 3D линий
• Секционное отображение (чертёжные 3 вида)
• Плоскость XY
• Плоскость XZ
• Плоскость YZ
• Комбинационное отображение (3 – 2D вида, 1 – 3D вид)
• 3D отображение

Рис. 5. 3D визуализация в системе ЧПУ FAGOR

Также стоит отметить, на область отображения параметров обработки. Любое показание поделено на 2 вида: реальные параметры, при которых идёт обработка, и программные параметры. Справа представлены столбцы реальных и программных данных по координатным осям, а чуть выше представлены динамические характеристики процесса – подача, и скорость вращения заготовки. То же самое есть и в 2D режиме [6].

Рис. 6. 2D визуализация в системе ЧПУ FAGOR

В данной системе ЧПУ отладка управляющей программы с помощью средства визуализации затруднена, поскольку не имеется возможность быстро редактировать код программы, не выходя из режима симуляции. Возможности ускорять визуализацию, помимо увеличения скорости обработки, нет, как нет и возможности прерывать симуляцию на конкретных строчках кода управляющей программы. Симуляция происходит для всего кода, для редактирования нужно остановить симуляцию, сбросить программу, отредактировать код программы и заново запустить симуляцию.

Важно отметить, что имеется возможность в данной системе ЧПУ видеть реальные параметры процесса обработки, т.е. реальные положения координат, реальные скорости обработки и вращения инструмента, но отсутствует возможность анализировать данные реальные параметры наглядно [7].

В режиме визуализации режима обработки, то система отображения схожа с отладочной визуализацией.

Помимо этого, есть возможность распечатать и сохранять в файл изображение обработки детали в формате *.bmp. Это позволяет выводить результат обработки, для последующего анализа и формирования последующих действий и работ [8].

Данная функциональная возможность отсутствует у всех, выше представленных систем, что выгодно выделяет эту систему среди остальных.

3.4. СИСТЕМА ЧПУ «АКСИОМА КОНТРОЛ»

Система ЧПУ «АксиОМА Контрол» также обладает возможностью визуализации. В данной системе ЧПУ есть возможность как для 2D визуализации, так и для 3D визуализации.

Данная система имеет достаточно большие функциональные возможности, как в симуляции процесса обработки, так и в процессе визуализации обработки в реальном времени.

Рис. 7 3D визуализация в системе ЧПУ «АксиОМА Контрол»

В данной системе ЧПУ «АксиОМА Контрол» имеется практически все те же функции, которые есть и в других выше рассмотренных системах ЧПУ. В вертикальной панели представлены клавиши перемещения заготовки в пределах окна визуализации, имеется возможность приближения/удаления заготовки. Если остановить процесс визуализации имеется возможность дополнительных настроек, например, изменение цветов, масштабов заготовки.

В окне визуализации отображается траектория инструмента, код программы, геометрические параметры обработки и технологические параметры обработки детали [9].

Рис. 8. 2D визуализация в системе ЧПУ «АксиОМА Контрол»

В данном режиме имеется большая функциональность. Имеется возможность менять единицы измерения, систему координат, единицы подачи, имеется возможность вывода на экран графики сразу с двух каналов. Данная функциональность крайне важна для отслеживания процесса обработки при многоканальном режиме. Также имеется устанавливать смещение и различные другие возможности [10].

Имеется возможность отслеживать текущие и конечные координаты, параметры подачи, скорость вращения шпинделя.

Отсутствует возможность поиска ошибок благодаря точкам останова, локального воспроизведения симуляции конкретного участка [11].

Отсутствует возможность видеть реальные динамические характеристики, в сравнении с программными, такие как подача и скорость вращения инструмента. Также отсутствует возможность отслеживать это визуально и наглядно [12].

4. СРАВНЕНИЕ СРЕДСТВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В РАССМОТРЕННЫХ СИСТЕМАХ ЧПУ

Далее представлена сводная таблица из рассмотренных систем ЧПУ. По вертикали расположены критерии, которые относятся к возможностям визуализации систем ЧПУ.

Таблица 1

Сравнение средств визуализации систем ЧПУ

Из таблицы 1 видно, что в большинстве систем ЧПУ нет реализации проведения анализа отклонений реальных значений координат от рассчитанных, что не позволяет производить анализ процесса обработки.

Также важно внедрить функциональную возможность, связанную с осуществлением контроля реальных показаний с датчиков положения. Это важно для понимания возможных отклонений в форме детали, анализе отклонения приводов. Помимо этого, необходимо иметь возможность сравнить траектории и произвести некоторый анализ наглядно.

Быстрая отрисовка имеет огромный смысл тогда, когда необходимо быстро оценить правильность кода управляющей программы на наличие простых ошибок, недочётов в позиционировании, как модели заготовки, так и инструмента.

Также имеется необходимость осуществления функциональной возможности сохранять в файл изображение после визуализации процесса обработки. Это расширяет возможности системы в целом и значительно повышает уровень взаимодействия пользователя системы с системой.

Во всех системах ЧПУ есть реализация визуализации рассчитанной траектории, а также везде присутствует 2D и 3D визуализация. Из данной таблицы видно, что отсутствует визуализация реальной траектории у всех систем ЧПУ. Проведение анализа отклонений реальных значений координат от рассчитанных присутствует в системе ЧПУ Heidenhein, а также в ЧПУ «АксиОМА Контрол», при условии, что будет использоваться разрабатываемый модуль анализа траектории. Возможность расширения функциональности модуля визуализации доступна только в ЧПУ «АксиОМА Контрол», в других системах отсутствует, так как «АксиОМА Контрол» является открытой и гибкой системой, а другие имеют закрытый код. Также в таблице можно увидеть отсутствие «Сохранение координат в файл .txt», которая присуща другим системам ЧПУ, кроме «АксиОМА Контрол», что позволяет провести полноценный анализ с рассчитанными и реальными координатами.

5.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнена работа, в которой содержится решение задач по анализу траектории перемещения режущего инструмента в системе ЧПУ «АксиОМА Контрол». Проведенный анализ в статье выявил, что большинство систем ЧПУ не реализовало представленные функциональные возможности, что не позволяет производить полноценный анализ процесса обработки.

Разработана структурная схема, на которой отображены основные элементы этой системы и взаимодействия между ними. Схема помогает графически увидеть, как файлы подгружаются в разрабатываемый модуль анализа и что происходит внутри модуля анализа, а точнее как взаимодействуют модули друг с другом. Также схема демонстрирует вывод результатов анализа данных в отчеты (графики, файлы txt и xls) . Была составлена диаграмма прецедентов, в которой отображены основные возможности инструмента для анализа.

Об авторах

Сергей Сергеевич Гусев

Автор, ответственный за переписку.
Email: gs-serg@mail.ru
Россия

Вадим Владимирович Макаров

Email: makfone@mail.ru
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы