Создание виртуальной модели станка DMU 125 P duoBLOCK В системе VERICUT

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Создание виртуальной модели станка DMU 125 P duoBLOCK В системе VERICUT Научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

В.И. Аверченков

Рассмотрены преимущества использования виртуальной подготовки производства при проектировании высокоточных и наукоемких изделий. Описана процедура построения виртуальных моделей станков с ЧПУ в системе VERICUT на примере станка DMU 125 P duoBLOCK.

Ключевые слова: верификация, виртуальная модель станка, ЧПУ, технологическая подготовка производства, CAM.

В настоящее время в компьютерно-интегрированном производстве (КИП, Computer Integrated Manufacturing, CIM) одними из развитых систем, базирующихся на передовых достижениях в области компьютерной графики, являются системы симуляции [1; 2].

В условиях постоянно возрастающей конкуренции, когда предъявляются жесткие требования к гибкости производства и разнообразию продукции, симуляция имеет большое значение как инструмент для проектировщика и производителя. Симуляция открывает широкие возможности по созданию реальных комплексных систем, проведению анализа и оптимизации их структуры и свойств на компьютере. С помощью этих систем можно анализировать альтернативные возможности планирования и сравнивать их на основе экономических показателей. Оптимизация при помощи систем симуляции имеет большой потенциал на всех этапах проектирования и использования технологического оборудования. Основные требования к таким системам заключаются в том, что моделирование процесса и его отдельных элементов должно быть простым и по возможности непродолжительным. В настоящее время для этого широко применяется графическая поддержка, дающая возможность графически представить технологический процесс изготовления изделия на основе моделируемой технологической системы.

Традиционно симуляция применяется для поддержки проектирования новых продуктов, но может быть использована и для оптимизации уже имеющихся продуктов - с помощью анализа их взаимосвязей. Продуктом может являться как отдельный станок, так и гибкая производственная система с многочисленными компонентами. В отличие от стандартных методов проектирования технология симуляции дает возможность варьировать различные параметры модели. Например, еще на стадии проектирования можно проверить пригодность робота для присоединения к станку, показать его графическое изображение, возможные перемещения, что позволяет определить колебание его частей и рабочее пространство.

Другой областью применения симуляции является графическое моделирование процесса механической обработки изделия. Целью графико-динамической симуляции процесса обработки на станках с ЧПУ является проверка программы управления на логические ошибки и их устранение. В результате применения систем симуляции на этапе проектирования выявляются возможные повреждения инструмента, приспособления или станка. Это имеет большое значение при производстве многовариантных продуктов, где существующие программы ЧПУ могут подгоняться или изменяться без применения целевого станка в цехе. В таких случаях можно проверить на компьютере большое количество программ без прерывания процесса обработки для тестирования, что значительно сокращает время подготовки производства.

Для подготовки производства наукоемких и высокоточных деталей одной из предпочтительных схем является схема виртуальной подготовки производства (рис. 1).

Рис. 1. Схема виртуальной подготовки производства

Использование данной схемы позволяет существенно сократить время подготовки производства за счет полного компьютерного моделирования, верификации и оптимизации обработки, автоматического назначения режимов резания.

Виртуальный станок дает возможность обнаружить и локализовать коллизии между рабочими органами оборудования и приспособлениями при обработке деталей, а также отыскать ошибки в управляющей программе (УП) и оптимизировать код. Таким образом, отработка управляющей программы возможна полностью на компьютере, без использования оборудования для этих целей.

Уберечь дорогостоящее оборудование и инструмент от поломки, сократить затраты на создание управляющих программ для металлообрабатывающего оборудования, значительно повысить их производительность призван программный комплекс VERICUT.

При помощи VERICUT можно создавать описания станков с ЧПУ, чтобы затем выполнять реалистичную имитацию движений узлов и органов станка при обработке. Данный программный продукт также позволяет организовывать интерфейсы с различными CAD/CAM-системами, создавать пользовательские приложения. виртуальный станок визуализатор режущий

Обладая большой функциональностью для широкого круга пользователей, VERICUT имеет модульную структуру, что позволяет гибко настраивать систему под конкретного пользователя и его производственные задачи. Каждый модуль спроектирован так, чтобы обеспечить максимальное удобство и функциональность при работе на отдельном этапе производственного процесса, а независимость от CAM-систем позволяет использовать VERICUT как единое средство контроля УП для всего парка станков, имеющихся на предприятии.

VERICUT представляет собой не просто визуализатор движения режущего инструмента, это целый производственный комплекс на рабочем столе. С помощью этой системы становится возможным контролировать и оптимизировать УП для любых типов станков с ЧПУ: фрезерных, сверлильных, токарных, токарно-фрезерных, шлифовальных, заточных, электроэрозионных, протяжных.

VERICUT выполняет пять основных функций:

1. Симуляция - обеспечивает визуализацию процесса съема материала с заготовки по готовым управляющим программам.

2. Верификация - дает возможность контролировать процесс обработки, принимая во внимание движение и взаимное расположение рабочих органов станка, используемого технологического оборудования и инструмента.

3. Анализ - позволяет оценивать качество обработки путем сравнения обработанной заготовки с моделью детали и измерять геометрические параметры. Зачастую от момента конструкторской разработки до создания готового изделия деталь (а точнее - ее модель) проходит через множество разработчиков, подразделений и систем CAD/CAM. В конечном итоге изделие не всегда точно соответствует своей исходной модели. В обычном производстве единственный способ, с помощью которого можно в этом убедиться, -выполнение реальной механической обработки на станке. Модуль AUTO-DIFF программного комплекса VERICUT осуществляет проверку и сравнение модели, полученной после виртуальной обработки, и математической модели конструктора. Проверка на зарезания может выполняться на любом шаге эмуляции обработки. Задавая точность проверки, можно определить места зарезаний или избыточного материала с указанием кадров программы ЧПУ, где произошло отклонение, и его величину. Это позволяет проанализировать результаты обработки и внести необходимые коррективы в управляющую программу до ее передачи в цех.

4. Экспорт - помогает при отработке новой детали на предмет ее технологичности, замыкая цепь «конструктор -- технолог-программист ЧПУ»; при этом 3D-модель обработанной детали из VERICUT переносится в CAD-систему в формате IGES или STL.

5. Оптимизация - корректирует подачу для ускорения обработки, повышения качества обработки и эффективности использования оборудования. Модуль OptiPath позволяет осуществлять автоматический подбор оптимальных скоростей подачи, исходя из условий резания и количества удаляемого материала (чем меньше удаляется материала, тем выше скорость подачи, и наоборот). Учитываются такие факторы, как:

технические характеристики станка (мощность приводов станка, скорости ускоренных перемещений и т. д.);

характеристики режущего инструмента (тип, материал, конструкция, количество зубьев, длина и т.д.);

виды обработки (черновая, получистовая и чистовая) и соответствующие им режимы резания (глубина резания, скорость подачи в начале резания, норма снимаемого объема материала, ширина резания, угол резания);

опыт операторов станков с ЧПУ, основанный на решении конкретных задач механической обработки.

С помощью указанных функций контроль всего процесса обработки детали осуществляется легко и с высокой точностью. При этом можно использовать все функции системы независимо от формата УП, будь то нейтральный формат CLDATA или G-коды, однако действительно правильный результат, соответствующий реальной обработке детали в цехе, можно получить только при работе с программой в формате G-кодов станка.

Процесс создания виртуальной модели станка начинается со сбора необходимой информации о станке. Такой информацией являются сведения:

о станке (его внешний вид, габаритные размеры, необходимые для построения 3D-моделей компонентов станка);

кинематике станка - для создания кинематической структуры станка;

рабочих зонах, т.е. возможных перемещениях рабочих органов станка;

системе числового программного управления - для подключения соответствующего контроллера.

Построение модели станка можно разбить на следующие этапы:

Создание будущей структуры данного станка.

Создание модели, описывающей перемещение движущихся частей станка.

Создание трёхмерных моделей деталей станка.

Подключение системы управления станка, определяющей, как станок с ЧПУ должен интерпретировать программу в G-кодах.

Структурная схема функционирования создаваемого виртуального станка представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема функционирования виртуальной модели станка

Виртуальная модель станка представляет собой пользовательский файл, состоящий из машинного и управляющего файлов. Управляющий файл представляет собой контроллер станка для компьютера, т.е. интерпретатор управляющей программы, показывающий, какие движения и действия должен совершать компонент. Машинный файл - это совокупность кинематической модели станка и 3D-моделей компонентов станка. После завершения построения виртуальной модели станка необходимо заполнить ее содержимым: подключить проверяемую УП, установить модель заготовки (в формате STL), подключить инструмент. После этого можно приступать к работе.

Основой виртуального станка является дерево построения модели, каждый элемент которого имеет имя и ряд других параметров (3D-модель, тип, положение, связь с другими компонентами, цвет и т.д.). При создании компонента необходимо задать его тип.

Для модели станка DMU 125 P duoBLOCK необходимо определить компоненты. В данном случае работает наследственность элементов, т.е. помимо собственного типа движения компоненту присваиваются движения элементов, стоящих выше него. Выделяют следующие группы элементов:

Base - неподвижный корпус станка.

Y, С - стол станка совершает движение по оси Y (элемент Y Liner) и вместе с ним поворот вокруг оси Z (элемент C Rotary).

Attach, Stock - данные элементы устанавливаются на столе станке для расположения на нем заготовки.

X, Z, B - голова станка совершает одновременные движения по осям X (элемент X Liner) и Z (элемент Z Liner), а также поворот вокруг оси Y (элемент B Rotary).

Spindle, Tool - шпиндель (элемент Spindle) и инструмент (элемент Tool) наследуют движение от головы станка.

Координаты в скобках указывают расположение элемента и задаются при добавлении 3D-модели к каждому элементу.

Для проверки правильности составления кинематической структуры в системе VERICUT предусмотрен такой режим, как MDI (Project > MDI) - Manual Data Input. С его помощью можно проверить движение каждого компонента и объединенных блоков компонентов. Выполняется ручной ввод данных, и компоненты движутся не по УП, а лишь вдоль своих направляющих или по нескольким командам. Так можно увидеть будущую работу станка. Выбираем в окне Axes элемент, чье движение собираемся исследовать, задаем шаг перемещений и с помощью специальных кнопок передвигаем элемент вперед или назад.

Следующим шагом построения виртуальной модели станка является создание для каждого кинематического компонента его 3D-модели. Трёхмерная модель необходима для наглядности работы станка и проверки коллизий между компонентами. В системе VERICUT существует два способа построения 3D-моделей: построение моделей средствами VERICUT и создание моделей в CAD-системах.

Для построения достаточно сложной модели целесообразно использовать специализированную систему 3D-моделирования, а результат затем экспортировать. VERICUT позволяет импортировать файлы следующих форматов:

IGES - широко используется как промышленный стандарт и поддерживается многими системами; но в то же время файлы модели IGES содержат только двухмерные данные (строки и дуги), поэтому их использование в VERICUT может вызвать массу затруднений.

Stereolithography (также известные как STL- или SLA-файлы) - текстовые или двоичные файлы, которые описывают фактически любую поверхность или твердотельную модель; трёхмерные модели в этих файлах аппроксимируются треугольниками со связанными нормалями к поверхности.

Результатом построения является виртуальная модель станка (рис. 3).

Рис. 3. Виртуальная модель станка DMU 125 P duoBLOCK

Станок DMU 125 P DuoBlock имеет магазин на 60 инструментов. Каждый инструмент устанавливается в свою ячейку, после чего при обработке вызывается соответствующий номер ячейки (1, 2, 3 и т.д.). Для каждого номера инструмента создаются державка и режущая часть инструмента.

Загрузка инструмента осуществляется в модуле Tool Manager через меню Project > Tool. Каждый инструмент имеет следующие характеристики:

ID - идентификатор инструмента.

Description - название инструмента.

Type - тип инструмента.

Units - единицы измерения.

Tool Display - твердотельная модель инструмента.

При добавлении нового инструмента система просит выбрать один из трех возможных видов инструмента: фрезерный, токарный или измерительный. Каждая составная часть инструмента задается отдельно: для фрезы - державка, режущая часть и режущие пластины (если есть необходимость); для резца - державка и режущая пластина; для измерительного инструмента - державка и параметры щупа.

Режущая часть любого металлорежущего инструмента представляет собой один или несколько режущих зубьев. Зуб инструмента имеет клиновидную форму в результате пересечения по режущей кромке передней и задней поверхностей. В процессе обработки зубья инструмента врезаются в материал заготовки и режущими кромками срезают его в виде стружки.

Поверхность, по которой происходит отделение стружки от заготовки, называют поверхностью резания. Она является поверхностью движения режущей кромки относительно заготовки. Поэтому плоскость, проходящая через касательную к режущей кромке и вектор скорости резания, будет касательной к поверхности резания. Ее называют плоскостью резания.

Расположение режущего клина относительно поверхности резания характеризуют геометрические параметры режущей части, которые предопределяют характер протекания процесса резания. Величины геометрических параметров в любой точке режущей кромки характеризуются значениями переднего и заднего углов, а также угла наклона режущей кромки.

Режущая часть инструмента (рис. 4) создается с помощью специального конструктора, где можно выбрать нужную форму режущей пластины или загрузить ее из CAD-системы.

Державка инструмента - это та часть инструмента, на которой крепится режущая пластина. Она создается также с помощью специального конструктора, где выбирается ее форма (куб, цилиндр, конус), выдавливание эскиза, вращение эскиза или подключение 3D-модели из файла. Выдавливание или вращение эскиза выполняется в специальном конструкторе, где создается 2D-контур будущей модели.

В связи с необходимостью иметь большое количество широко распространенных инструментов в системе VERICUT предусмотрена библиотека наиболее часто встречающихся в производстве инструментов. Для более удобной работы создан расширенный поиск инструментов по различным характеристикам: диаметру, высоте, длине и т.д. VERICUT поддерживает следующие типы инструментов: фрезы, свёрла, резцы, измерительный инструмент, электроды.

В системе VERICUT возможно как создание собственного управляющего файла, так и выбор уже созданных управляющих файлов из стандартной библиотеки. Библиотека VERICUT имеет достаточно большой набор стоек с ЧПУ, поэтому при создании виртуального станка можно использовать готовый управляющий файл - hei530.ctl (для контроллера Heidenhain iTNC 530).

Рис. 4. Конструктор режущей части токарного инструмента

Для управления реальным станком с ЧПУ используется числовое программное управление, роль которого для виртуального станка выполняет управляющий файл. Этот файл, так же как и машинный, может быть сохранён отдельно и использован для различных станков.

Управляющий файл сопоставляет команду (G, M, X, Y, Z и т.д.) управляющей программы некоторому набору макрокоманд VERICUT. Данные макрокоманды описывают поведение станка и управляют его работой.

Первым шагом создания связи макрокоманд VERICUT и команд УП является описание команд УП. Команды УП описываются при помощи модуля Word Format - Configuration > Word Format.

Данный модуль задаёт имена команд УП (поле name) и тип команды. Команды различаются по следующим типам:

Logical - задаёт логическое выражение (and, or, not и т.д.).

Special - обращается к специальным функциям управления станком с ЧПУ (начало, конец программ; начало, конец комментария и т.д.).

Math - задаёт математическую операцию (сложение, вычитание, тригонометрические функции и т.д.).

Function - назначает функцию управления, указанную в поле Sub Type.

Type II - задаёт определённый пользователем тип.

Macro - назначает команде УП набор макрокоманд.

Conditions - подобен по действию типу Function; кроме того, исполняет множество функций в зависимости от условия использования команды УП.

После того как заданы все команды и типы, необходимо запрограммировать команды, имеющие тип Macro. Программирование осуществляется набором последовательно выполняемых макрофункций. Модуль для программирования команд - Word/Address. VERICUT имеет обширный набор макрофункций (около 700), что позволяет описать практически любую макрокоманду.

Последним шагом подготовки виртуального станка к работе является загрузка управляющей программы. Управляющая программа - это текстовый файл ASCII, который содержит описания путей резцов, фрез, сверл и другие данные об инструментах. Программный комплекс VERICUT используется для проверки управляющей программы, созданной либо вручную (при помощи любого текстового редактора), либо специализированными программными средствами (CAM-системами). В меню NC Program Type необходимо выбрать формат УП - G-код или форматы CAM-систем, в которых были сформированы УП.

Во время процесса обработки есть возможность просматривать ход выполнения УП. В специальном окне отображен текст УП и курсор, который перемещается по коду в соответствии с выполнением программой данного фрагмента. После окончания обработки есть возможность вывода статистики ошибок и исправления ошибок прямо из системы.

Для оптимизации времени настройки виртуального станка в VERICUT используются файлы пользователя. Каждый такой файл объединяет машинный, управляющий и другие файлы, хранит пути этих файлов, настройки визуализации работы оборудования и ряд других настроек. Создание файла пользователя заключается в подключении всех необходимых для работы файлов и настройке их статического и динамического отображения. Когда пользовательский файл настроен и отлажен, он сохраняется через меню.

С учетом перспективности применения виртуальных моделей станков на этапах технологической подготовки производства изделий в настоящее время проводятся работы по созданию ряда виртуальных моделей станков с ЧПУ, имеющихся на предприятиях Брянской области.

Список литературы

Инновационные центры высоких технологий в машиностроении: монография / под общ. ред. В.И. Аверченкова, А.В. Аверченкова. - Брянск: БГТУ, 2009. - 190 с.

Российская энциклопедия CALS. Авиационно-космическое машиностроение. - М.: НИЦ АСК, 2008. - 608с.

Размещено на Allbest.ru