Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические предпосылки к решению задачи оптимизации холостых перемещений инструмента при фрезеровании сложных поверхностей на трёхкоординатных станках с ЧПУ 14
1.1. Техническое обеспечение процесса фрезерования сложных
поверхностей деталей на трёхкоординатных станках с ЧПУ 14
1.1.1. Общее сведение о сложной поверхности 14
1.1.2. Оборудование для формообразования деталей, имеющих сложные поверхности 16
1.1.3. Инструментальное обеспечение трёхкоординатных станков с ЧПУ при обработке деталей со сложными поверхностями 17
1.1.4. Программное обеспечение процесса обработки сложных поверхностей на трёхкоординатных фрезерных станках с ЧПУ 19
1.1.4.1. Unigrahpics (NX) 19
1.1.4.2. PowerMILL 20
1.1.4.3. SprutCAM 21
1.1.4.4. MasterCAM 21
1.2. Технологическое обеспечение процесса обработки сложных поверхностей деталей на трёхкоординатных фрезерных станках с ЧПУ 22
1.2.1. Частные стратегии обработки сложных поверхностей 23
1.2.2. Общая стратегия обработки сложных поверхностей 31
1.2.2.1. Метод определения минимального холостого перемещения инструмента при его переходе от одного участка к другому 32
1.2.2.2. Метод определения наивыгоднейшей последовательности обработки инструментами выделенных участков 33
Выводы з
2. Алгоритм и программный модуль оптимизации холостых перемещений инструмента при фрезеровании сложных поверхностей на трехкоординатных станках с ЧПУ 45
2.1. Постановка задачи 45
2.1.1. Математическая модель минимизации холостых перемещений при смене обрабатываемого участка 54
2.1.2. Математическое моделирование последовательности обработки участков сложной поверхности 64
2.1.2.1. «Жадный» алгоритм оптимизации последовательности обработки участков 65
2.1.2.2. «Адаптационный алгоритм поиска по большим окрестностям» при оптимизации последовательности обработки участков 70
2.2. Алгоритм и программный модуль оптимизации холостых перемещений при фрезеровании сложных поверхностей 79
2.2.1. Алгоритм работы программного модуля Optiuncutmove 1 80
2.2.2. Алгоритм работы программного модуля Optiuncutmove 2 84
Выводы 87
3. Экспериментальные исследования 89
3.1. Методика проведения эксперимента 90
3.2. Этапы проведения эксперимента 91
3.3. Оборудование, приборы, инструментальное обеспечение, используемые при проведении эксперимента 94
3.3.1. Вертикально-фрезерный станок DMC 635 V фирмы Deckel Maho 94
3.3.2. Координатно-измерительная машина Contura G2 Carl Zeiss 95
3.3.3. Прибор Form TalySurf І200 96
3.4. Технология обработки тестовых деталей 97
3.4.1. Технология обработки первой детали 98
3.4.2. Технология обработки второй детали 104
3.5. Определение и сравнение параметров шероховатости на поверхностях тестовых образцов 109
3.6. Определение и сравнение отклонений формы и размеров тестовых образцов от электронной модели 113
Выводы 115
Заключение 117
Библиографический список 119
- Общее сведение о сложной поверхности
- Технологическое обеспечение процесса обработки сложных поверхностей деталей на трёхкоординатных фрезерных станках с ЧПУ
- Математическая модель минимизации холостых перемещений при смене обрабатываемого участка
- Оборудование, приборы, инструментальное обеспечение, используемые при проведении эксперимента
Общее сведение о сложной поверхности
На сегодня специалисты имеют возможность использовать в практической деятельности различные комплексы программного обеспечения, позволяющие полностью автоматизировать процесс конструкторско-технологической подготовки производства деталей любой геометрической сложности. Общепризнано, что цикл создания изделия состоит из нескольких этапов. Во-первых, разработки дизайна и 3D модели с помощью CAD-системы; во-вторых, автоматической генерации управляющей программы для станков с ЧПУ с помощью САМ-системы; в-третьих, имитации процесса изготовления (механообработка рельефа); и, в конечном счете, при необходимости, ручной доводки.
NX компании Siemens PLM Software (ФРГ) широко используется в машиностроении, особенно в компаниях, выпускающих изделия с высокой плотностью компоновки и большим числом деталей и изделий со сложными формами. Средства промышленного дизайна в NX предназначены для моделирования поверхностей свободной формы, визуализации, решения задач обратного инжиниринга, интеграции с конструкторскими САПР (CAD), средствами инженерного анализа (САЕ) и технологическими САПР (САМ).
Программа NX САМ имеет тесно интегрированную систему постпроцессирования, позволяющую достаточно просто сгенерировать требуемый код станка с ЧПУ для большинства типов станков и систем ЧПУ. Многоуровневый процесс проверки программы для станка с ЧПУ включает симуляцию на основе G-кода, что позволяет исключить необходимость использования внешних пакетов программ для симуляции.
Интеграция NX САМ с системой управления данными и процессами Teamcenter является основой расширенного решения для производства деталей. Это позволяет легко управлять всеми типами данных, включая ЗО-модели детали, карты наладки, перечни инструментов, а также файлами управляющих программ для станков с ЧПУ, обеспечивая полный контроль ревизий. Такое управление данными и процессами гарантирует использование нужных данных, в том числе оснастки и программ для станков с ЧПУ, что обеспечивает сокращение затрат и времени изготовления деталей.
Последние технологии автоматизации программирования станков с ЧПУ в NX САМ позволяют повысить эффективность производства. Благодаря обработке на основе элементов можно сократить время программирования до 90%. Кроме того, шаблоны позволяют использовать заранее определенные процессы на основе правил и тем самым стандартизировать программируемые задачи с целью ускорения их выполнения [150].
PowerMILL - это программный продукт компании Delcam ріс (Великобритания). Система предназначена для программирования фрезерной обработки на станках с ЧПУ. С помощью системы PowerMILL рассчитывают траектории перемещения инструмента путем задания геометрии заготовки, формы и размеров режущего инструмента, технологических областей обработки, стратегий, величины межстрочного шага, припуски и допуски, режимы резания, траектории холостых перемещений инструмента (подводов, отводов и переходов) [151].
Система PowerMILL дает возможность выполнять многие операции в фоновом режиме, позволяя при этом продолжать создание, редактирование и даже генерацию траекторий в активном режиме.
Система SprutCAM, разработанная фирмой СПРУТ-Технология (Россия), имеет развитые средства доступа к компонентам импортированной геометрической модели; средства формирования технологической модели на базе импортированной геометрической модели; расширенный набор функций управления параметрами технологических операций. Плоские контуры, построенные в среде двухмерного моделирования, могут быть использованы для определения границ заготовки, зон обработки, запрещенных зон, а также для задания закона перемещения инструмента в управляемых и контурных операциях.
Mastercam Mill компании АСКОН (Россия) предоставляет следующие возможности программирования чистовой обработки деталей на фрезерных станках с ЧПУ: моделирование чистовой обработки поверхностей твердотельных моделей; использование гибридной технологии для последовательной обработки участков пологих поверхностей между соседними проходами с постоянным шагом по глубине; усовершенствование полученных траекторий, оптимизацию времени цикла; последовательную, гладкую обработку (без ступеней) благодаря отслеживанию кривых многократных поверхностей или тел. Из перечисленных систем автоматизированного программирования наиболее удобной для создания управляющей программы (УП) является система NX.
Преимуществом данной системы над остальным является то, что она содержит все необходимые функции для разработки стратегии резания, позволяет симулировать обрабатываемый процесс и обеспечивать контроль столкновений. Более того, будучи интегрированной универсальной системой, NX позволяет редактировать модель в процессе разработки управляющей программы, и обеспечивает импорт и экспорт пакета документов различных типов.
Автоматизированное программирование при решении сложных технологических задач позволяет наиболее эффективно использовать дорогостоящее оборудование, применение которого позволяет создавать изделия с поверхностями любой сложности, удовлетворяющие заданным требованиям по качеству при минимальных затратах времени на их обработку. 1.2. Технологическое обеспечение процесса обработки сложных поверхностей деталей на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ
Автор работы [42, с. 68] рассматривает процесс получения сложных поверхностей детали с помощью фрезы одного типоразмера, обеспечивающей полное удаление припуска, в том числе и в местах сопряжения участков поверхности, описываемых малыми радиусами. Такой процесс формообразования сопряжен с большими затратами машинного времени. Современное металлорежущее оборудование позволяет использовать при обработке несколько инструментов, что делает возможным при чистовом фрезеровании основную часть припуска снимать инструментом, обеспечивающим повышенную производительность, а для удаления недоработанных областей использовать концевой инструмент с малыми размерами образующей его режущей части, что позволяет существенно уменьшить время формообразования. При этом к основным задачам, связанным с фрезерованием сложных поверхностей деталей, относится: разделение поверхности на отдельные конструктивно-технологические участки; выбор фрез с наиболее подходящей формой и размерами для обработки каждого участка; определение стратегий резания на каждом участке. Деление на области и выбор фрез для обработки по определенной стратегии обеспечивает повышение производительности обработки детали при достижении требуемого качества поверхности.
Следует иметь в виду, что последовательность обработки выделенных участков может оказать влияние на длину холостых перемещений инструмента и число смен фрез с учетом их стойкости.
Саму стратегию, применяемую для обработки каждого участка, называют частной, устанавливающей в рамках технологического перехода траекторию движения инструмента при обработке одной из областей [23], [24], [25]. Последовательность обработки участков - это общая стратегия.
Технологическое обеспечение процесса обработки сложных поверхностей деталей на трёхкоординатных фрезерных станках с ЧПУ
Холостые перемещения с увеличенной скоростью подачи происходят при движении инструмента из конечной точки отвода до точки его смены О, а при необходимости смены фрезы - в процессе движения из точки О до начальной точки врезания и при движении от конечной точки отвода до начальной точки врезания в заготовку следующего обрабатываемого участка.
Определение маршрута перемещения фрез, при движении по которому величина холостых перемещений получила бы минимальное значение, в конечном счете, позволяет оптимизировать вспомогательное время, существенно повысить производительность процесса обработки и сократить станочное время.
Из рис. 2.2. следует, что вспомогательное время, затрачиваемое на холостые перемещения при смене фрез и при смене обрабатываемого участка, является одной из составляющих оперативного времени. Оперативное время Основное время где: t0 - основное время к-ото технологического перехода; р - число технологических переходов; tv. - вспомогательное время (время выполнения i-ого вспомогательного перехода); q - число вспомогательных переходов. При этом вспомогательное время tv. на выполнение /-ого перехода технологического процесса при необходимости смены фрез, который включает в себя индексацию магазина, транспортирование инструмента из магазина в точку смены фрез, подвод к начальной точке обработки участка и отвод его из конечной точки траектории в точку смены принято рассчитывать по формуле: где: tc - постоянное время смены фрезы; tf. - время индексации магазина, связанное с порядком размещения фрез в магазине и последовательности выполнения операций технологического процесса; li0 - длина холостого перемещения от конечной точки обрабатываемого участка до точки смены инструмента; /0, - длина холостого перемещения от точки смены в начальную точку /-ого обрабатываемого участка; v - скорость холостых перемещений.
Следует отметить, что в длину l0i входят: длина холостого движения из точки смены фрез О до поверхности безопасности ПБ и длина участка подхода (рис. 2.1). Длина /ю включает в себя длину возврата фрезы из конечной точки отвода до поверхности безопасности ПБ и длину холостого перемещения от поверхности безопасности ПБ до точки смены фрез О (рис. 2.1).
Вспомогательное время tv. на выполнение /-ого перехода технологического процесса при смене обрабатываемого участка определяется выражением: где: v - скорость холостых перемещений; lt - длина холостых перемещений, включающая в себя возврат инструмента из конечной точки обрабатываемого участка в начальную точку следующего обрабатываемого участка. Длина холостых перемещений /г определяется расстоянием возврата фрезы из конечной точки отвода к локальной поверхности безопасности ЛП длиной обхода и длиной подвода (рис. 2.1).
Учитывая это вспомогательное время tv может быть определено следующей зависимостью: где: n + m = q;n - количество технологических переходов со сменой фрез; т - количество технологических переходов со сменой обрабатываемых участков. Количество технологических переходов при смене фрез п зависит от требований к качеству поверхности детали: - в случаях, когда к качеству поверхности детали, нормируемому параметрами шероховатости, требования невысоки, смена фрез осуществляется тогда, когда период стойкости их полностью исчерпан. После смены фрезы процесс обработки должен быть продолжен с того места, от которого произошел отвод инструмента от заготовки. - для тех деталей, у которых требования к шероховатости поверхности высоки, смена инструмента должна происходить сразу после того, как процесс резания на участке полностью завершился. Это позволяет исключить появление следа от взаимодействия предыдущей и последующей фрез с заготовкой и свести к минимуму затраты на доводочные работы. Из (2.4) следует, что изменение последовательности обработки участков сопровождается изменением значения вспомогательного времени.
С целью повышения производительности при получении сложной поверхности детали фрезерованием перемещения инструментов от одной области обработки к другой и к инструментальному магазину станка для его смены должны выполняться по наивыгоднейшему маршруту, при движении по которому вспомогательное время, затрачиваемое на холостые перемещения минимально. При этом технологический процесс должен вестись с минимальным количеством используемых инструментов, с кратчайшими холостыми перемещениями при переходе инструмента от одного обрабатываемого участка к другому. А также учитывать, что при фрезеровании таких поверхностей начальные точки врезания и конечные точки отвода инструмента не совпадают и что перемещения по всему маршруту должны происходить с минимумом холостых движений. При этом необходимо учитывать стойкость инструмента (рис. 2.3).
Математическая модель минимизации холостых перемещений при смене обрабатываемого участка
Эффективность алгоритма оптимизации холостых перемещений инструмента при получении фрезерованием сложных поверхностей деталей на трехкоординатных станках с ЧПУ подтверждена практически. Программное обеспечение, разработанное на основе предложенного алгоритма, позволило минимизировать холостые перемещения при смене инструментов, используемых для обработки отдельных участков сложных поверхностей и оптимизировать последовательность их обработки. Экспериментальные исследования проводились, как в режиме виртуального моделирования процесса обработки, так и реального изготовления деталей изделий на вертикальном фрезерном станке DMC 635 V фирмы Deckel Maho. Качество оценивалось по результатам сопоставления размеров и формы полученных деталей с размерами и формой электронных моделей с применением координатно-измерительной машины Contura G2 Carl Zeiss и путем оценки параметров микрорельефа поверхностей деталей, полученных с использованием традиционных методов подготовки управляющих программ и программного обеспечения, как результата настоящих исследований. Определение параметров шероховатости производилось с применением прибора Form TalySurf І200.
Адекватность полученных результатов эксперимента достигнута за счет наложения следующих условий: 1) использование для сопоставления результатов опытов при моделировании и обработке тестовых деталей одной формы и размеров; 2) поверхности тестовых деталей должны иметь не менее 10 участков сложной формы с определенными границами; 3) поверхности должны отвечать требованиям получения их фрезерованием концевым инструментом на трехкоординатном фрезерном станке с ЧПУ (фрезеруемости) за одну установку; 4) при обработке тестовых деталей одной формы и размеров должены использоваться однотипные наборы режущего инструмента; 5) с целью снижения затрат на проведение эксперимента заготовки имеют габариты в пределах 150x150x50 мм; 6) при моделировании и подготовке управляющих программ должно использоваться программное обеспечение, применяемое в производственных условиях.
Подтверждение эффективности предлагаемого метода автоматического определения последовательности выполнения технологических переходов при чистовой обработке деталей сложной формы на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ должно быть осуществлено путем сравнения результатов получения одних и тех же деталей с применением программных модулей САМ системы Urographies и программ расчетов по алгоритму, разработанному в рамках проведенного исследования.
По составленным управляющим программам должны быть изготовлены тестовые детали.
Результаты виртуального моделирования и физической реализации процесса обработки позволяющие определить значения машинного времени и вспомогательного времени, включающего время холостых перемещений и время смены фрез, должны быть сведены в таблицы. На основании полученных данных должен быть проведен анализ с последующими выводами.
Полученные на станке тестовые детали должны быть оценены на соответствие размеров и формы электронным моделям и по качеству полученного поверхностного слоя. Результаты должны быть подтверждены протоколами измерений и обобщены. 3.2. Этапы проведения эксперимента
На первом этапе осуществлен выбор тестовых деталей с поверхностями сложной формы, имеющими двояковыпуклые и двояковогнутые участки, а также участки цилиндрической, конической и сферической формы, плавно сопрягаемые между собой и с плоскими участками обрабатываемой поверхности. При подборе деталей принималось во внимание, что поверхности их должны иметь не менее 10 областей, обрабатываемых концевыми цилиндрическими, сфероцилиндрическими и коническими фрезами. Кроме того обработка должна осуществляться с использованием наборов инструментов, состоящих не менее чем из трех фрез различных типоразмеров, из одного материала.
На втором этапе проводилась разработка трёхмерных моделей тестовых деталей с использованием NX 7.5 Unigraphics.
На третьем этапе разрабатывалась технология и управляющие программы обработки тестовых деталей с применением модулей САМ системы NX 7.5 Unigraphics и опциями оптимизации, имеющимися в её составе. На четвертом этапе разрабатывалась технология и управляющие программы обработки тестовых деталей с применением модулей САМ системы NX 7.5 Unigraphics, опциями оптимизации и программным обеспечением «Программа определения последовательности обработки и минимизации холостых перемещений станка при фрезеровании сложных поверхностей» (далее - Optiuncutmove), разработанным в процессе проведения настоящего исследования, позволяющим минимизировать холостые перемещения при смене инструментов и оптимизировать последовательность обработки отдельных участков сложных поверхностей. Алгоритм работы программы представлен на рис. 3.2. Первый шаг алгоритма связан с формированием входных данных: координат узловых точек поверхности детали, координат точек начала и окончания холостых переходов инструмента, числа обрабатываемых участков, времени резания каждой обрабатываемой области, скорости холостых перемещений, периодах стойкости инструментов, времени смены фрез. Далее по исходным данным с использованием программных средств Optiuncutmove определяется последовательность обработки локальных областей при условии минимизации холостых перемещений при переходе от одного участка обработки к другому. На третьем шаге алгоритма происходит процесс редактирования управляющей программы в соответствии с результатами, полученными на предыдущем этапе.
Оборудование, приборы, инструментальное обеспечение, используемые при проведении эксперимента
Стратегия чистовой обработки цилиндрическим фрезами диаметром 10мм и диаметром 4мм, и сфероцилиндрической фрезой диаметром 10мм по варианту 1 (без оптимизации) представлена на рис. 3.15.
Количество отдельных участков, обрабатываемых цилиндрической фрезой диаметром 10 мм, цилиндрической фрезой диаметром 4 мм и сфероцилиндрической фрезой диаметром 10 мм указано в таблице 3.12.
Из таблицы 3.12 видно, что количества отдельных участков, обрабатываемых цилиндрической фрезой диаметром 10мм и цилиндрической фрезой диаметром 4мм меньше десяти. Следовательно, для определения последовательности обработки данных участков стратегия обработки осталась неизменной (см. рис. 3.15а, рис. 3.156), т.е. без оптимизации.
Стратегия чистовой обработки сфероцилиндрической фрезой диаметром 10мм по варианту 2 (с оптимизацией) представлена в рис. 3.16.
Определение и сравнение параметров шероховатости на поверхностях тестовых образцов Для определения и сравнения параметров шероховатости на поверхностях тестовых деталей, обработанных на фрезерном трехкоординатном станке с ЧПУ, был использован профилометр-профилограф Form TalySurf І200. Для того, чтобы определить параметры шероховатости на поверхности каждого участка, проведены измерения в зависимости от размеров участка на определенной трассе. При этом скорость движения щупа составила 1 мм/с. В результате на каждом измеренном участке получены средние значения параметров шероховатости.
Ниже наглядно представлены результаты измерения параметров шероховатости у одного из участков. Протоколы измерения параметров шероховатости на поверхности тестовых образцов размешены в приложении 3. Протокол измерения параметров шероховатости на одном участке Определение параметров шероховатости на детали 1 проведено на 28 участках (рис. 3.19), а детали 2 - на 29 (рис. 3.20) в соответствии с количеством областей, выделенных для обработки и отличающихся формой и размерами (см. 3-4).
Из графиков рис. 3.21, 3.22 и данных таблиц 3.16, 3.17 следует, что отклонения параметров шероховатости на поверхностях деталей 1 и 2 на соответствующих участках, обработанных по управляющим программам, подготовленным с применением программного модуля Optiuncutmove и без его применения лежат в пределах погрешности измерения. Параметры шероховатости Ra на участках обработки различны от 0,05 до 0.4 мкм, что объясняется разнообразием траекторий врезания и частными стратегиями резаний, предусмотренными технологическими процессами обработки каждого участка.
Таким образом, изменение последовательности обработки участков при неизменной частной стратегии обработки каждого участка не сопровождается ухудшением качества поверхности детали. Определение и сравнение отклонений формы и размеров тестовых образцов от электронной модели
Для определения и сравнения отклонений формы и размеров тестовых деталей, обработанных на трехкоординатном фрезерном станке с ЧПУ, была использована координатно-измерительная машина Contura G2 Carl Zeiss. С целью создания одинаковых метрологических условий, измерения фиксировали в точках, одинаково-расположенных на поверхностях контролируемых деталей.
Точность измерений была определена техническими возможностями КИМ и составляла 0,001 мм. Результаты измерений, полученные в электронном виде, были импортированы в систему автоматизированного контроля для сравнения с электронным эталоном тестовой детали и определения отклонений. Инструментальные средства Contura G2 Carl Zeiss позволили сформировать протоколы измерений каждой детали в графическом (рис. 3.23) и табличном формате (табл. 3.18) (см.: Приложение 3).
Результат определения и сравнения отклонения формы и размеров тестовых образцов от электронной модели показывает, что разность параметров отклонений А в измеренных точках тестовых деталей, лежит в пределах допусков. Это подтверждает тот факт, что изменение порядка обработки участков сложной поверхности и применение программного модуля оптимизации холостых движений не влияет на точность сложной поверхности детали, получаемой фрезерованием.
Анализ данных, представленных в таблицах 3.6-3.9, 3.13-3.15, показывает, что применение алгоритма оптимизации последовательности обработки участков сложных поверхностей и алгоритма оптимизации холостых перемещений инструмента по сравнению с системой подготовки управляющих программ в NX 7.5 без программного модуля Optiuncutmove позволяет, в различных случаях, сократить от 27% до 44% вспомогательного времени, и от 3% до 17% оперативного времени при неизменном качестве поверхностности детали, что обеспечивает повышение производительности обработки деталей на дорогостоящих станках.