Проектирование технологии для оборудования с ЧПУ

Числовым программным управлением называют использование закодированной в числовом виде информации при управлении функциями оборудования. Числовые данные, необходимые для изготовления детали, предоставляются станку в форме программы обработки детали. Эта программа состоит из набора операторов, которые могут интерпретироваться управляющей системой станка и преобразовываться в сигналы, перемещающие приводы. Программа содержит геометрическую информацию о детали, определяющую пути перемещения инструмента по отношению к заготовке. В программе указываются скорость резания, скорость подачи и дополнительные параметры, такие как состояние системы охлаждения, направление вращения шпинделя и др. Готовая программа должна давать результат, отвечающий техническим требованиям к изготовлению детали.

Приведем некоторые основные понятия, используемые в проектировании технологических процессов для станков с ЧПУ [6, 18]:

· удаляемый из заготовки материал;

· система базирования элементов оборудования, создается путем определения положений начала координат и направления координатных осей, отвечает за взаимное расположение станка, инструмента, оснастки и детали в процессе обработки;

· степень свободы станка, определяет направление относи­тельного движения режущего инструмента и заготовки;

· среда обработки, ее элементами являются описания имеющихся на предприятии станков, геометрические модели инструментов, оснастки, заготовки, детали;

· цикл — элементарный этап механической обработки;

· операция — совокупность циклов механической обработки, выполняемых одним инструментом;

· последовательность — совокупность операций, выполняемых данным станком с данной оснасткой без переустановки детали;

· процесс — совокупность последовательностей операций.

Для станков описывается:

· архитектура, определяющая возможные движения элементов станка в процессе его работы;

· технологические параметры (максимальные обороты шпинделя, максимальные скорости подачи, наличие охлаждения и т.д.);

· геометрические параметры;

· кинематическая схема, определяющая связь обрабатываемой заготовки с элементами технологической оснастки, станком и инструментом.

Станок с ЧПУ оборудован контроллером (стойкой), который управляет различными функциями станка (перемещением инструмента и детали, охлаждением и т.п.). Современный контроллер типа CNC (computer numerical control) напоминает персональный компьютер, часто отличается от него только наличием специальной платы. Он содержит процессор, оперативную память, постоянное запоминающее устройство, жесткий диск, коммуникационные порты, клавиатуру, дисплей, а иногда графическое устройство ввода (мышь, трекбол, сенсорный экран).

Программа для станка с ЧПУ описывает траекторию движения инструмента, а не геометрию детали. Поэтому ручной способ разработки программ несет в себе определенные трудности, требует арифметических и тригонометрических расчетов.

Автоматизированный подход к составлению программ обработки деталей предполагает использование языков программирования высокого уровня. Программный код, написанный на таком языке, компилируется в машинно-независимый файл (cutter location – CL data file), содержащий информацию о перемещениях режущего инструмента и вспомогательные сведения об управлении станком. CL-файл обрабатывается специализированным постпроцессором; в результате получаются программы, предназначенные для контроллера конкретного станка.

В настоящее время ручной и автоматизированный способы составления программ постепенно вытесняются генерацией CL-файла непосредственно по геометрической модели CAD с помощью CAM-системы, которая переводит каждую последовательность процесса обработки на язык выбранного контроллера. Такой подход иногда называют графическим программированием.

Обычно в CAM-системе не определяется жесткий порядок создания технологического процесса. Однако во многих случаях порядок проектирования следующий [19]:

1. Выделяются элементы геометрии конечной детали и заготовки. Для токарных, сверлильных и 2,5-осевых фрезерных операций, а также для операций лазерной резки, как правило, требуется двумерная геометрия. Если поверхности детали должны обрабатываться на трех- или пятикоординатном фрезерном станке, для составления программы потребуются геометрические сведения о поверхностях.

2. Определяется геометрия режущего инструмента. Программное обеспечение CAM обычно включает библиотеки инструментов, из которых пользователь может выбирать нужные ему экземпляры.

3. Определяется последовательность технологических операций, и планируются траектории движения режущего инструмента с соответствующими параметрами обработки. Использование большего количества точек на каждой траектории обработки сложной поверхности дает более точное соответствие детали ожидаемой форме, однако увеличивает общий объем файла программы.

4. Моделирование и визуальная проверка траектории движения инструмента на экране монитора (рисунок 6а, б), если потребуется – ее и корректировка.

5. Формирование CL-файла, передача его постпроцессору и получение файла в машинном коде выбранного контроллера. Возможен вывод текста программы на печать (рисунок 6в).

а б в

 

Рисунок 6 – Расчет траектории (а) обработки колодца (б)
и вывод управляющей программы для ЧПУ (в)

 

В процессе технологической подготовки производства деталь, подлежащую механической обработке, можно разложить на конструктивные элементы (технологические элементы формы), т.е. геометрические элементы, имеющие свои особенности обработки. Понятие конструктивного элемента связано с информацией о конструкции детали с точки зрения технолога, в которую входит:

· тип элемента (колодец или карман, уступ, стенка, окно, плоскость, паз, отверстие, торец, область, резьба, скос, плечо, поверхность);

· параметры элемента (глубина, припуск и т.д.);

· геометрия элемента (контуры, ломаные и т.д.).

Все процедуры изготовления могут быть описаны элементарными технологическими шагами, называемыми технологическими переходами, со следующими данными:

· тип перехода (фрезеровать, сверлить, центровать, зенкеровать, развернуть, расточить, нарезать, точить, подрезать, отрезать и др.);

· параметры перехода (подача, частота вращения шпинделя и т.п.).

Каждый станочный цикл определяет траекторию режущей кромки заданного инструмента. Некоторые станочные циклы могут быть выполнены только на определенных станках. Например, обработка неплоской поверхности совмещением оси инструмента с нормалью к этой поверхности (рисунок 7) не может выполняться на
3-координатном станке.

 

 

Рисунок 7 – Обработка сложной поверхности

 

Наиболее распространенными во многих отраслях машиностроения являются циклы 2,5-координатной фрезерной и токарной обработки.

Из-за количества одновременно изменяемых координат в траектории принято считать 2,5-координатное фрезерование плоской обработкой. По сравнению с объемным плоское фрезерование отличается большей потребностью в различных стратегиях обработки. Некоторые из разновидностей стратегий:

· спираль — обработка элемента по спирали (рисунок 8а);

· петля — обработка в параллельных плоскостях с сохранением выбранного (встречное или попутное) направления фрезерования (рисунок 8-б);

· зигзаг — обработка в параллельных плоскостях с чередованием встречного и попутного направлений фрезерования (рисунок 8в);

· эквидистанта — эквидистантная обработка от центра к границам обрабатываемого элемента;

· обратная эквидистанта — эквидистантная обработка от границ обрабатываемого материала к центру. Обычно применяется для обработки плоскостей;

· петля эквидистантная — обработка по ленточной спирали с сохранением выбранного (встречное или попутное) направления фрезерования. Обычно применяется для обработки уступов;

· зигзаг эквидистантный — обработка по ленточной спирали с чередованием встречного и попутного направлений фрезерования. Обычно применяется для обработки уступов;

· петля контурная — обработка с сохранением выбранного (встречное или попутное) направления фрезерования. Траектория формируется по кратчайшему расстоянию между двумя контурами;

· зигзаг контурный — обработка с чередованием встречного и попутного направлений фрезерования. Траектория формируется по кратчайшему расстоянию между двумя контурами.

а б в

Рисунок 8 - Спираль (а), петля (б) и зигзаг (в)

 

Важным является момент врезания инструмента в заготовку, поскольку на этом этапе фреза испытывает наибольшие нагрузки. Возможны следующие схемы врезаний:

· по нормали к поверхности;

· линейное врезание, под углом к плоскости обрабатываемой заготовки;

· радиусное, спиральное врезание по касательной к точке первого перемещения на рабочей подаче.

Для обработки конструктивных элементов с непрямыми стенками существуют следующие возможности:

· задание угла стенки и радиуса скругления на дне;

· задание стенки двумя контурами, лежащими в плоскости дна и верхней грани, что позволяет задавать элементы, стенка которых является переменной линейчатой поверхностью;

· задание контура профиля стенки.

Обработка таких элементов выполняется за несколько проходов по координате Z, глубина следующего прохода может быть рассчитана с учетом высоты гребешка на стенке.