Проблема оптимизации NC программ для механообрабатывающих станков с ЧПУ

А.Ю. Солкин, П.К. Кузнецов

ПРОБЛЕМА ОПТИМИЗАЦИИ NC ПРОГРАММ ДЛЯ МЕХАНООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ С ЧПУ

A. Y.Solkin, PK. Kuznetsov

PROBLEM OF OPTIMIZATION OF NC PROGRAMS FOR THE NC MACHINE

TOOLING UNITS

Ключевые слова: твердотельная модель, механическая обработка, анализ модели, управляющая программа, CAM-система, аппроксимация.

Keywords: solid model, machine working, model analysis, control program, CAM-system, approximation.

Аннотация: в статье рассматриваются методы моделирования и анализа процесса обработки в CAM-системах при разработке управляющих программ для станков с ЧПУ, а так же методы оптимизации управляющих программ для получения оптимальных режимов резания при минимальном объеме программного кода.

Abstract: the article examines the methods of modeling and analyzing production process in CAM-systems in designing control programs for the NC machine tooling units, as well as the methods of optimization of control programs for gaining the optimal cutting mode with a minimum amount of the program code.

Введение

Научно-техническая революция установила очень высокую планку для современной промышленности. Соответствие современным требованиям является одним из основных критериев успешности предприятий, но это непростая задача. Технологии меняются быстрее, чем предприятия успевают их интегрировать, уровень автоматизации постоянно растет.

Тем не менее, мало оснастить предприятие современным оборудованием. Очень важно, чтобы это предприятие еще и эффективно работало. Добиться этого можно максимально оптимизировав технологический процесс, а если учесть, что на современном предприятии наиболее сложные и ответственные операции производятся на оборудовании с ЧПУ, то оптимизация технологического процесса сводится к оптимизации программного кода для этих станков.

К сожалению, литературы по этой теме крайне мало. Связано это со многими факторами, к ним относятся и специфичность этой проблемы, и коммерческая тайна многих разработчиков программного обеспечения для машиностроительных производств. На сегодняшний день существует множество компаний, предлагающих программные пакеты для разработки и версификации управляющих программ для станков с ЧПУ, но практически, ни один из этих программных пакетов не производит полноценного анализа обработки, а только устраняет ошибки, которые могут привести к аварии на станке во время обработки.

Одним из интересных трудов по оптимизации NC программ является статья Сергея Болсуновского и Владимира Вермеля «Сплайн-аппроксимация траектории инструмента в современных системах управления станков с ЧПУ». В этой статье рассказывается о методе аппроксимации траектории движения инструмента кубическими сплайнами, а результаты сравниваются с работой аналогично действующей функции в системе ЧПУ. Проблема, которую они решали, состояла в том, что система ЧПУ при оптимизации программного кода не использовала математическую модель. Это означало, что станок аппроксимировал траекторию движения инструмента относительно траектории, полученной в CAM пакете. А если учесть, что все CAM пакеты получают траекторию движения инструмента тоже путем аппроксимации, то появляется двойное приближение, которое может вызвать большие отклонения размеров детали.

В результате этого исследования им так и не смогли оптимизировать код управляющей

программы лучше, чем это делал встроенный в систему ЧПУ модуль. Тем не менее, авторы смогли поднять серьезную тему недостатков современных CAD/CAM пакетов.

Большая часть оборудования для механической обработки, находящегося в производствах, не оснащена самыми современными системами ЧПУ, мало того, очень часто встречаются станки с системой ЧПУ 70 - 80-х годов выпуска. Такое оборудование не обладает встроенными средствами контроля и редактирования программы, а также имеет значительные ограничения по минимальной величине перемещения в одном кадре и максимальному объему программного кода. Эти ограничения связаны не только с характеристиками контроллера, но и с динамическими характеристиками приводов станка. Отсюда появляется первая проблема - получение минимального объема программного кода, при сохранении математической точности аппроксимации и исключение сверх малых перемещений в пределах одного кадра программы.

Но не только старые станки требуют особого подхода в программировании. Чем современнее оборудование, тем более сложные задачи пытаются решать с его помощью. Среди таких задач встречаются и достаточно узкие и специфичные, как например обработка кулачков и копиров, эвольвентного зацепления, осевого и специального режущего инструмента. При обработке таких изделий необходимо производить специальные анализы траекторий обработки, которые должны определять не только линейную точность обработки, но и ее динамические характеристики, снимаемые припуски и положение рабочих кромок инструмента в каждый момент времени. Таким образом, второй проблемой будет оптимизация метода аппроксимации по динамическим характеристикам и проведение специальных анализов траектории.

Описание метода исследования

Для получения минимального объема программного кода необходимо максимально уменьшить количество элементов, заменяющих в программе исходный профиль. Основное большинство систем ЧПУ способны производить перемещения по прямой и дуге (коды G1, G2, G3). На сегодняшний день стали появляться системы ЧПУ, способные производить перемещения по сплайну, но таких систем пока еще достаточно мало, а их применение носит специальный характер.

Поскольку аппроксимация прямыми перемещениями заведомо уступает аппроксимации дугами практически по всем параметрам, то этот метод не интересен для подробного рассмотрения. На практике чаще всего применяется смешанная аппроксимация дугами и прямыми.

На первый взгляд может показаться, что замена траектории движения инструмента дугами - простая задача, но это не так. На самом деле, не существует единого метода замены кривой дугами. Задача становится многовариантной, причем каждый из вариантов дает свои преимущества.

Основные результаты

Анализ нескольких CAD/CAM систем показал, что они не дают возможности выбора метода аппроксимации, и чаще всего производят замену всего с одним регулируемым параметром - точностью приближения. Метод аппроксимации, предлагаемой в системе Unigraphics, заключается в обеспечении совпадения касательных первой точки первой дуги и первой точки кривой, а также касательность всех заменяющих дуг друг относительно друга. Достижение заданной точности в этой системе обеспечивается манипулированием длиной каждой из дуг и изменением их количества.

На рисунке 1 показано, что даже при равном количестве заменяющих дуг можно получить разные результаты отклонений заменяющих дуг от исходной кривой. В примере приведена замена дугами спирали Архимеда, в обоих случаях использовалось по 3 заменяющих дуги. Графики построены на развертке полярной системы координат. Метод подбора оптимального результата итерационный и потому достаточно прост для реализации с помощью

программирования. Скорее всего, именно из-за этого многие производители САО/САМ систем взяли его себе на вооружение.

О 20 40 60 80 100 120 140 160 160 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Щ - Не оптимальное распределение заменяющих дуг окружности Щ - Оптимальное распределение заменяющих дуг окружности

Рисунок 1 - График отклонений заменяющих дуг от исходной кривой

При всех своих достоинствах, такой метод не всегда может дать оптимальный результат. Таким случаем может оказаться обработка кулачков и копиров. У этих изделий самым важным параметром является вовсе не точность, а их динамические характеристики.

им/град2

Рисунок 2 - График ускорений копирного кулачка

Для оценки динамических характеристик профиля копиров и кулачков, необходимо исследовать закон изменения их геометрии по второй производной $''(ф), как показано на рисунке 2. В этом случае замена дугами в соответствии с параметром точности не может дать положительного результата (рисунок 3).

Рисунок З - Аппроксимация дугами с заданной точностью

Как видно из рисунка З, при выдерживании заданной точности аппроксимации не все дуги соответствуют параметрам закону изменения кривизны, показанному на рисунке З а. На рисунке З б красным отмечены те участки характеристики, в которых создается резкое изменение кривизны, приводящее к динамическим ударам во время работы кулачка. Кроме того, можно наблюдать множество дуг малой длины, которые, во время обработки на высоких подачах, могут неправильно отрабатываться.

Выводы

На сегодняшний день существует достаточно много различных CAD/CAM систем, которые дают их пользователям широкие возможности по разработке математических моделей и управляющих программ для станков с ЧПУ, но очень малое число таких систем может выполнять узкие задачи. Тем более, все системы, которые могут выполнять специальные анализы, заточены под конкретные задачи и не обладают универсальностью.

Далеко не всегда упрощение траектории движения инструмента должно выполняться по критерию точности. Существует множество задач, требующих учета и других параметров, таких как динамические характеристики изделия, минимальная длина заменяющей дуги и т.д.

В условиях реального производства задача получения оптимальной управляющей программы для станка с ЧПУ многовариантна, и содержит множество переменных, которые не всегда может учесть человек. Для решения подобных задач требуется применение вычислительной техники, а результат может отличаться в зависимости от системы ЧПУ, станка, типа выполняемой работы и т.д.

Заключение

Проблема создания оптимального программного кода для станков с ЧПУ появилась вместе с первым подобным оборудованием и существует до сих пор. Проблема осложнена

отсутствием единого понятия оптимального программного кода. Для разных изделий, производящихся на оборудовании с ЧПУ, оптимальный код формируется по своему.

Следует также сказать, что очень часто для достижения оптимального программного кода необходимы глубокие знания технологических особенностей обработки изделия и его конструкции, потому что конечной целью оптимизации является сокращение времени обработки для получения годной продукции. Особенно это актуально для многоосевой обработки. Здесь, на конечное время обработки, точность и качество получаемой поверхности влияет положение инструмента и его режущих кромок относительно заготовки, объем снимаемого материала, подвод охлаждающей жидкости и т.д.

Конечно, учет всех этих параметров не возможен не только человеком, но, зачастую, даже вычислительной техникой, запрограммированной человеком. Сейчас уже существуют технологии самообучаемых систем, таких как нейронные сети. Возможно, именно эти системы смогут сказать следующее слово в развитии технологии анализа моделей и оптимизации программного кода управляющих программ для станков с ЧПУ.

Библиографический список

1. Болсуновский С.А., Вермель В.Д. Сплайн-аппроксимация траектории инструмента в современных системах управления станков с ЧПУ; САПР и графика. - №6. - 2009. -С. 88 - 90.

2. Волков Е.А. Численные методы: Учебное пособие. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 256 с.

3. Аксенов С.В., Новосельцев В.Б. Организация и использование нейронных сетей (методы и технологии) / Под общ. ред. В.Б. Новосельцева. - Томск: Изд-во НТЛ, 2006. - 128 с.