Технологическая реализация системы подготовки обработки детали станка с числовым программным управлением

• Введение
• Техническое задание
• 1. Анализ мехатронной системы станка с ЧПУ
• 1.1 Общая структура и классификация систем ЧПУ
• 1.2 Обоснование применения программного управления оборудованием
• 1.3 Назначение постпроцессоров
• 2. Разработка системы подготовки обработки детали станка с ЧПУ
• 2.1 Функциональная модель системы подготовки обработки детали станка с ЧПУ
• 2.2 Алгоритм работы программного модуля
• 2.3 Выбор программных средств реализации системы
• 3. Технологическая реализация системы подготовки обработки детали станка с ЧПУ
• 3.1 Описание кодов программного модуля
• 3.2 Правила установки и настройки программного модуля
• 3.3 Тестирование и отладка программного модуля
• 3.4 Инструкция пользователя
• 4. Расчет экономической эффективности
• 4.1 Расчет затрат на разработку системы
• 4.2 Методология расчета общей стоимости владения программным продуктом
• 4.3 Экономический эффект
• 5. Обеспечение безопасности жизнедеятельности
• 5.1 Общие сведения о безопасности жизнедеятельности
• 5.2 Требования к рабочему месту инженера-программиста
• 5.3 Расчет естественного освещения рабочего места
• 5.4 Расчет искусственного освещения
• Заключение
• Список литературы
• Приложение, А Исходный текст программного модуля
• Приложение Б Параметры проекта Delphi8
• Приложение B Текст настроечного файла программного модуля4
• Приложение Г Текст файлов связи с пакетом 3D моделирования0
• Приложение Д Текст управляющей программы ЧПУ3
• Введение
• Велико разнообразие машин и устройств, которые создаются и используются человеком. Современные машины — это сложные технические системы, состоящие из большого числа технических аппаратов, приводов различного типа, приспособлений, измерительных и решающих устройств. Все эти машины и устройства представляют собой оборудование, являющееся основой функционирования самых различных систем: машиностроительных заводов, транспорта, электростанций и т. д.
• Таким образом, под оборудованием можно понимать всю сумму технологий, на которую опирается человечество в своем развитии. Появление развитой вычислительной техники, персональных компьютеров, информационных сетей открывает реальные возможности для дальнейшей автоматизации оборудования — от автоматизации его проектирования до создания высокоадаптивных машин и систем различного назначения.
• В машиностроительной и металлургической промышленности более половины всех станков работают в условиях массового, серийного и мелкосерийного производства, при этом удельный вес основного времени относительно не велик.
• Применение систем числового программного управления в станках является наиболее эффективным средством повышения машинного времени и автоматизации мелкосерийного производства, что обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность и позволяет организовать централизованную подготовку программ обработки даже вне предприятия, которые легко могут быть размножены.
• При использовании станков с ЧПУ, наряду с повышением производительности, сроки подготовки производства сокращаются почти вдвое. Вместе с тем резко сокращаются слесарно-доводочные и другие работы, требующие больших трудозатрат и допускающие ошибки. Также можно получить значительную экономию средств на проектирование и изготовление технологической оснастки.
• Появление промышленных роботов и других средств автоматизации производства значительно снижает объем ручного труда и выставляет высокие требования к уровню квалификации персонала. В значительной степени увеличивается доля инженерного труда, появляются потребности в новых знаниях и развитии новых технологий.
• Автоматизация технологических процессов требует внесения серьезных изменений в технологию механической обработки, технологию создания технологических процессов, заставляет разрабатывать и вводить новые правила и стандарты для более эффективной работы всей системы.
• Разработка программного обеспечения для автоматизации производства выходит на совершенно новый уровень с появлением современных средств проектирования, разработки и ведения документации. Разработка специального программного обеспечения особенно важна в условиях инструментального производства, где изготавливаются уникальные по сложности и точности изделия, большинство из которых просто невозможно изготовить универсальным путем.
• Техническое задание
• 1. Основания для разработки
• Систему подготовки обработки детали станка с числовым программным управлением (ЧПУ) Walter CIP6 разработать на основании заявки бюро разработки управляющих программ технологического отдела Инструментального производства ОАО «АВТОВАЗ» .
• Тема: Система подготовки обработки детали станка с ЧПУ
• 2. Назначение разработки
• Система выполняется в виде программного модуля и создается для автоматического расчета всех необходимых параметров обработки по введенным данным и вывода текста программы, готового для ввода в память станка.
• Система подготовки обработки детали станка с ЧПУ должна быть предназначена для:
• — ввода исходных данных с чертежа и технологии;
• — создания наладки режущего инструмента;
• — расчета всех необходимых геометрических свойств;
• — проверки по ограничениям станка;
• — визуализации обработки;
• — корректировки введенных данных;
• — расчета траектории обработки;
• — диагностики ошибок;
• — формирования кода управляющей программы;
• — выдачи в файл текста управляющей программы обработки.
• Внедрение системы подготовки обработки детали шлифовального станка с ЧПУ Walter CIP6, позволит создавать программы для обработки сложного по конструкции осевого инструмента, проводить глубокий анализ конструкционных и режущих свойств реального изделия на этапе разработки управляющей программы, повысить качество выпускаемой продукции и избежать выпуск брака.
• 3. Требования к программному изделию
• 3.1 Требования к функциональным характеристикам
• Программный модуль должен обеспечивать выполнение следующих функций:
• — Ввод исходных данных с чертежа и технологии;
• — Создание наладки режущего инструмента;
• — Расчет всех необходимых геометрических свойств;
• — Проверку по ограничениям станка;
• — Визуализацию обработки;
• — Корректировку введенных данных;
• — Расчет траектории обработки;
• — Назначение подачи с учётом ограничений, связанных с характером движения, допустимым диапазоном подач, особенностями реализации режимов разгона — торможения в ЧПУ;
• — Формирование циклов обработки;
• — Назначение припусков обработки;
• — Расчет траектории обработки;
• — Диагностика ошибок;
• — Формирование кода управляющей программы;
• — Выдачу в файл текста управляющей программы обработки.
• Результатом работы будет файл управляющей программы, готовый к запуску на станке в ЧПУ Walter CIP6.
• 3.2 Требования к надежности
• — ограничение ввода некорректной информации;
• — контроль достоверности информации;
• — обеспечение наглядности создаваемых процессов;
• — защита от случайных нажатий клавиш;
• — дружественность интерфейса пользователя.
• 3.3 Условия эксплуатации
• — корректная работа пользователей;
• — соблюдение инструкций работы с программным модулем;
• — соответствие программного обеспечения, установленного на компьютере пользователя.
• 3.4 Требования к составу и параметрам технических средств
• Система предназначена для работы на IBM — совместимых компьютерах с минимальной конфигурацией: процессор — 2200 Mh и выше, объем оперативной памяти 512 Mb и более, размер свободного места на жестком диски не менее 50Mb, монитор с разрешением 1024×768 и выше, профессиональная видеокарта, мышь с колесом прокрутки, клавиатура.
• 3.5 Требования к информационной и программной зависимости
• Система должна работать под управлением операционной системы Windows 2000 или Windows XP, пакет твердотельного моделирования Designer Modeling 2005.
• 4. Требования к программной документации
• Разрабатываемые программные модули должны быть документированы, т. е. тексты программ должны содержать все необходимые комментарии.
• Информационная система должна включать справочную систему о работе и подсказки пользователю.
• В состав сопровождающей документации должны входить:
• — описание программных модулей;
• — описание функций программных модулей.
• Инструкция пользователю по работе с программными модулями.
• 5. Технико-экономические показатели
• Разработать систему подготовки обработки детали станка с ЧПУ предназначенную для создания управляющей программы операций шлифования осевого инструмента, автоматизации расчетов технологических переходов, а также визуализации обработки при помощи пакета твердотельного моделирования Designer Modeling 2005.
• Использование данного программного модуля должно обеспечить корректное преобразование траектории движения инструмента и технологические команды в коды управления соответствующей комбинацией «станок — система ЧПУ», без использования другого специализированного программного обеспечения. А также позволит создавать программы для обработки сложного по конструкции осевого инструмента, проводить глубокий анализ конструкционных и режущих свойств реального изделия на этапе разработки управляющей программы, повысить качество выпускаемой продукции.
• Разработать систему подготовки обработки детали станка с ЧПУ, которая будет иметь простой интерфейс, понятный конечному пользователю, высокую скорость работы, возможность анализа ряда технологических и конструкционных параметров.
• 6. Стадии и этапы разработки
• Разработка основного алгоритма работы модуля дней
• Отладка и тестирование на реальных изделиях дней
• Разработка пользовательского интерфейса дней
• Тестирование специалистами бюро разработки управляющих программ для анализа работы и выдачи замечаний дней
• Доработка замечаний дней
• Окончательное тестирование работы программного модуля
• постпроцессора дней
• 7. Запуск и отладка программного модуля
• Запуск и отладка программного модуля включает следующие этапы:
• — Разработка, согласование и утверждение программы и методики испытаний;
• — Проведение предварительных государственных, межведомственных, приёмо-сдаточных и других видов испытаний;
• — Корректировка программы и программной документации по результатам испытаний;
• — Подготовка и передача программы и программной документации для сопровождения и изготовления;
• — Оформление и утверждение акта о передаче программы на сопровождение и изготовление.
• 8. Порядок контроля и приемки программного модуля
• Первоначальные испытания работоспособности разработанного программного модуля мехатронной системы станка с ЧПУ Walter CIP6 проводит разработчик на стадии его разработки. Контроль работоспособности готового программного модуля постпроцессора проводит заказчик. Для этого он может привлекать экспертов своей организации или экспертов со стороны.

1. Анализ мехатронной системы станка с ЧПУ

1.1 Общая структура и классификация систем ЧПУ

На основе достижений кибернетики, электроники, вычислительной техники и приборостроения были разработаны принципиально новые системы программного управления — системы ЧПУ, широко используемые в промышленности. Эти системы называют числовыми потому, что величина каждого хода исполнительного органа станка задается с помощью числа. Каждой единице информации соответствует дискретное перемещение исполнительного органа на определенную величину, называемой разрешающей способностью системы ЧПУ или ценой импульса.

В определенных пределах исполнительный орган можно переместить на любую величину, кратную разрешающей способности. Число импульсов, которое можно подать на вход привода, чтобы осуществить требуемое перемещение, определяется отношением длины перемещения к цене импульса системы ЧПУ. Число импульсов, записанное в определенной системе кодирования на носителе информации (перфоленте, магнитной ленте и других), является программой, определяющей величину размерной информации.

Станки с программным управлением по виду управления подразделяют на станки и системами циклового программного управления и станки с системами числового программного управления. Системы циклового программного управления более просты, так как в них программируется только цикл работы станка, а величины рабочих перемещений, т. е. геометрическая информация, задаются упрощенно, например, с помощью упоров. В станках с ЧПУ управление осуществляется от программы, в которой в числовом виде занесена и геометрическая, и технологическая информация.

Система ЧПУ — это совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для реализации ЧПУ станком, предназначенная для выдачи управляющих воздействий исполнительным органам станка в соответствии с управляющей программой.

Устройство программного управления станками — это часть системы ЧПУ, выполненная как единое целое с ней и осуществляющая выдачу управляющих воздействий по заданной программе.

Числовое программное управление — это управление, при котором программу задают в виде записанного на каком-либо носителе массива информации. Управляющая информация для систем ЧПУ является дискретной и ее обработка в процессе управления осуществляется цифровыми методами. Управление технологическими циклами практически повсеместно осуществляется с помощью программируемых логических контроллеров, реализуемых на основе принципов цифровых электронных вычислительных устройств.

Структурная схема системы ЧПУ представлена на рисунке 1, а. Чертеж детали (ЧД), подлежащий обработке на станке с ЧПУ, одновременно поступает в систему подготовки программы (СПП) и систему технологической подготовки (СТП). Последняя обеспечивает систему подготовки программы данными о разрабатываемом технологическом процессе, режимах резания и так далее. На основании этих данных разрабатывается управляющая программа (УП). Наладчики устанавливают на станок приспособления, режущие инструменты согласно документации, разработанной в системе технологической подготовки. Установку заготовки и снятие готовой детали осуществляет оператор или автоматический загрузчик. Считывающее устройство (СУ) считывает информацию с носителя программы. Информация поступает в устройство ЧПУ, которое выдает управляющие команды на целевые механизмы (ЦМ) станка, осуществляющие основные и вспомогательные движения цикла обработки. Операционная система на основе информации (фактическое положение, скорость перемещения исполнительных узлов, фактический размер обрабатываемой поверхности, тепловые и силовые параметры технологической системы и др.) контролируют величину перемещения целевого механизма. Станок содержит несколько целевых механизмов, каждый из которых включает в себя (рисунок 1, б): двигатель (ДВ), являющийся источником энергии; передачу (П), служащую для преобразования энергии и ее передачи от двигателя к исполнительному органу (ИО); собственно исполнительный орган (стол, салазки, суппорт, шпиндель и т. д.), выполняющие координатные перемещения цикла.

Рисунок 1 — Структурная схема системы ЧПУ и целевого механизма Система ЧПУ может видоизменяться в зависимости от вида программоносителя, способа кодирования информации в управляющей программе и метода ее передачи в систему ЧПУ. Устройство ЧПУ размещают рядом со станком (в одном или двух шкафах) или непосредственно на станке (в подвесных или стационарных пультах управления). Двигатели приводов подач станков с ЧПУ, имеющие специальную конструкцию и работающие с конкретным устройством ЧПУ, являются составной частью системы ЧПУ.

Все данные, необходимые для обработки заготовки на станке с ЧПУ, получает от управляющей программы, которая содержит два вида информации: геометрическую и технологическую. Геометрическая информация — координаты опорных точек траектории движения инструмента, а технологическая — данные о скорости, подаче, номере инструмента и т. д. Управляющую программу записывают на программоносителе. В оперативных системах ЧПУ программа может вводиться (с помощью клавиш) непосредственно на станке.

Важнейшей технической характеристикой систем ЧПУ является ее разрешающая способность или дискретность, т. е. минимально возможная величина линейного и углового хода исполнительного органа станка, соответствующая одному управляющему импульсу. Большинство современных систем ЧПУ имеют дискретность 0,001 мм/импульс, реже 0,0001 мм/импульс.

Системы ЧПУ классифицируют по следующим признакам:

— по уровню технических возможностей;

— по технологическому назначению;

— по числу потоков информации (незамкнутые, замкнутые, самоприспосабливающиеся или адаптивные);

— по принципу задания программы (в декорированном виде, т. е. в абсолютных координатах или в приращениях от ЭВМ);

— по принципу привода (ступенчатый, регулируемый, следящий, шаговый);

— по числу одновременно управляемых координат;

— по способу подготовки и ввода управляющей программы.

По уровню технологических возможностей международной классификации системы ЧПУ делятся на следующие классы:

— NC — системы с покадровым чтением перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки;

— SNC — системы с однократным чтением всей перфоленты перед обработкой партии одинаковых заготовок;

— CNC — системы со встроенной малой ЭВМ (компьютером, микрокомпьютером);

— DNC — системы прямого числового управления группами станков от одной ЭВМ;

— HNC — оперативные системы с ручным набором программ на пульте управления.

По технологическому назначению системы ЧПУ подразделяются на четыре вида: позиционные; обеспечивающие прямоугольное формообразование; обеспечивающие прямолинейное формообразование; обеспечивающие криволинейное формообразование.

Позиционные системы ЧПУ обеспечивают высокоточное перемещение (координатную установку) исполнительного органа станка в заданную программой позицию за минимальное время. По каждой координатной оси программируется только величина перемещения, а траектория перемещения может быть произвольной. Перемещение исполнительного органа из позиции в позицию осуществляется с максимальной скоростью, а переход к заданной позиции — минимальной скоростью. Точность позиционирования повышается в результате подхода исполнительного органа к заданной позиции всегда с одной стороны (например, слева направо). Позиционными системами ЧПУ оснащают сверлильные и координатно-расточные станки.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямоугольное формообразование, в отличие от позиционных систем позволяют управлять перемещением исполнительного органа станка в процессе обработки. В процессе формообразования исполнительный орган станка перемещается по координатным осям поочередно, поэтому траектория инструмента имеет ступенчатый вид, а каждый элемент этой траектории параллелен координатным осям. Чтобы сократить время перемещения исполнительного органа из одной позиции в другую, в ряде случаев используют одновременное движение по двум координатам. При грубом позиционировании подход исполнительного органа к заданной позиции осуществляется с разных сторон, а при точном позиционировании — всегда с одной стороны. Число управляемых координат в таких системах достигает 5, а число одновременно управляемых координат — 4. Указанными системами оснащают токарные, фрезерные, расточные станки.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямолинейное (под любым углом к координатным осям станка) формообразование и позиционирование, управляют движением инструмента при резании одновременно по двум координатным осям (X и Y). В данных системах используют двухкоординатный интерполятор, выдающий управляющие импульсы сразу на два привода подач. Общее число управляемых координат в таких системах 2 — 5. Указанные системы обладают большими технологическими возможностями (по сравнению с прямоугольными) и применяются для оснащения токарных, фрезерных, расточных и других видов станков.

Системы ЧПУ, обеспечивающие криволинейное формообразование, позволяют управлять обработкой плоских и объемных деталей, содержащих участки со сложными криволинейными контурами.

Системы ЧПУ, обеспечивающие прямоугольное и криволинейное формообразование, относятся к контурным (непрерывным системам), так как они позволяют обрабатывать заготовку по контуру. Контурные системы ЧПУ имеют, как правило, шаговый двигатель.

Многоцелевые (сверлильно-фрезерно-расточные) станки для расширения их технологических возможностей оснащают контурно-позиционными системами ЧПУ.

По числу потоков информации системы ЧПУ делятся на замкнутые, разомкнутые и адаптивные.

Разомкнутые системы ЧПУ характеризуются наличием одного потока информации, поступающего со считывающего устройства к исполнительному органу станка. В механизмах подач таких систем используют шаговые двигатели. Крутящий момент, развиваемый шаговым двигателем, недостаточен для привода механизма подачи. Поэтому указанный двигатель применяют в качестве задающего устройства, сигналы которого усиливаются различными способами, например, с помощью гидроусилителя моментов (аксиально-поршневого гидродвигателя), вал которого связан с ходовым винтом привода подач. В разомкнутой системе нет датчика обратной связи, и поэтому отсутствует информация о действительном положении исполнительных органов станка.

Замкнутые системы ЧПУ характеризуются двумя потоками информации: от считывающего устройства и от датчика обратной связи. В этих системах рассогласование между заданными и действительными величинами перемещения исполнительных органов устраняется благодаря наличию обратной связи.

Адаптивные системы ЧПУ характеризуются тремя потоками информации:

— от считывающего устройства;

— от датчика обратной связи по пути;

— от датчиков, установленных на станке и контролирующих процесс обработки по таким параметрам, как износ режущего инструмента, изменение сил резания и трения, колебание припуска и твердости материала обрабатываемой заготовки и т. д. Такие системы позволяют корректировать программу обработки с учетом реальных условий резания.

По способу подготовки и ввода управляющей программы различают так называемые оперативные системы ЧПУ (в этом случае управляющую программу готовят и редактируют непосредственно на станке, в процессе обработки первой детали из партии или имитации ее обработки) и системы, для которых управляющая программа готовится независимо от места обработки детали. Причем независимая подготовка управляющей программы может выполняться либо с помощью средств вычислительной техники, входящих в состав систем ЧПУ данного станка, либо вне ее (вручную или с помощью системы автоматизации программирования).

1.2 Обоснование применения программного управления оборудованием

По мере развития общества потребности человека неуклонно растут. Добиваясь определенного уровня благосостояния, человек стремится к новым вершинам — такова его природа. В то же время, находя пути удовлетворения своих потребностей, человек вынужден становиться производителем материальных благ. А став производителем, вынужден постоянно работать над совершенствованием технологии производства, повышая его эффективность и улучшая качество продукции. На сегодняшний день никто из нас не мыслит себе жизнь без домашней и офисной техники, посуды, упаковки и т. д., имеющих современный дизайн. А это — пластмассовые и металлические корпуса, состоящие из массы сложных поверхностей, которые подчас невозможно даже отобразить на чертеже. Уровень современной технологии позволяет создавать в памяти компьютера трехмерные модели деталей сложной формообразующей оснастки штампов и пресс-форм и изготавливать их на станках с числовым программным управлением в условиях единичного производства. При этом процесс подготовки управляющих программ для станка с числовым программным управлением выполняется автоматически на основе трехмерной модели изделия. Сложная деталь изготавливается «с листа», без создания опытных образцов. Естественно, что при наличии на предприятии потока индивидуальных заказов остро встает проблема организации и планирования производства, решаемая также при помощи современных автоматизированных систем. Идея гибкого автоматизированного производства не является новой, но при современном уровне развития компьютерных технологий и сетевых решений приобретает особое значение. В то же время задача создания такого производства достаточно сложна. Она выдвигает повышенные требования, как к программному обеспечению инженерного корпуса, так и к системам управления оборудованием.

Наш взгляд на систему числового программного управления металлообрабатывающего оборудования за последние 10 — 15 лет претерпел кардинальные изменения. Ранее единственной тенденцией развития станков с числовым программным управлением была тенденция превращения их в обрабатывающие центры. При этом станки оснащались магазинами, рассчитанными на большое количество инструментов. Для встраивания станка в автоматическую линию он комплектовался быстросменными столами-спутниками и их накопителями. Программирование осуществлялось вручную. С появлением мощных (и особенно персональных) компьютеров стало возможным создавать управляющие программы для станков с числовым программным управлением автоматически, сократив до минимума количество ручного труда. Это позволило разрабатывать управляющие программы для обработки сложных трехмерных поверхностей, используемых чаще всего в формообразующих деталях оснастки штампов и пресс-форм. При этом требования, предъявляемые к станкам с числовым программным управлением, изменились. Произошло это в основном благодаря увеличению размера и структурным изменениям управляющей программы, а также существенному увеличению доли основного времени обработки при соответствующем уменьшении доли вспомогательного времени. Управляющая программа (УП) обработки одной поверхности теперь достигает нескольких мегабайтов (а иногда и десятков мегабайтов) и состоит из множества «коротких кадров» — программных блоков, описывающих короткие перемещения инструмента (чем выше точность обработки, тем короче эти перемещения, так как их длина определяет точность аппроксимации). Обработка при этом ведётся преимущественно одним инструментом много часов подряд, а станок теряет уже ставшее привычным оснащение: магазины, столы-спутники и т. д. Разумеется, речь здесь идет о станке, предназначенном для изготовления сложной формообразующей оснастки. Количество управляемых координат при этом возросло до пяти. Но вместе с этим значительно выросли требования к системе ЧПУ.

Учитывая имеющийся на данный момент практический опыт, можно сказать, что современная система ЧПУ, предназначенная для сложной трехмерной обработки, должна обеспечивать следующее:

1. Возможность ввода (приема с внешнего носителя или через сеть) управляющих программ неограниченного размера, их редактирования и исполнения как единого целого.

2. С целью уменьшения основного времени обработки — опережающая (по отношению к исполнению) расшифровка кадров управляющей программы:

— возможность отработки движения без снижения до нуля скорости в конце перемещения, описанного в каждом отдельном кадре (при соблюдении условия отсутствия превышения максимальных ускорений по осям);

— это позволяет отрабатывать сложную траекторию, описываемую в управляющей программе и состоящую из множества «коротких кадров», на скорости, близкой к заданной скорости подачи;

— определение предельных ускорений по управляемым осям с учетом динамических характеристик станка;

— возможность перехода с одной траектории обработки на другую на рабочей подаче без торможений и разгонов по трехмерной петле, рассчитанной системой CAM (computer-aided manufacturing);

— для этого требуется интеграция с CAM-системой или с CAM-сервером через сеть;

— возможность работы на повышенных скоростях рабочих подач (до 60 м/мин);

— с этой целью помимо достаточной для перекрытия требуемого диапазона регулирования разрядности цифро-аналогового преобразователя необходимо, чтобы время гарантированной реакции системы управления движением было относительно малым (около 200 мкс).

3. С целью снижения времени переналадки — доступ к файлам и ресурсам конструкторского и технологического бюро через стандартную сеть, включая поддержку стандартных (в том числе распределенных) баз данных:

— встроенная функция трехмерной коррекции траектории движения инструмента на величину его радиуса;

— возможность интеграции с CAM-сервером для выполнения полноценной коррекции УП по результатам предыдущих операций (в том числе трёхмерной коррекции траектории движения инструмента на величину его радиуса);

— привязка набора управляющих программ, подпрограмм, корректоров, параметров системы и служебной информации к конкретному изделию (проекту);

— возможность параллельно с процессом обработки выполнять редактирование или эмуляцию работы другой управляющей программы, ввод управляющей программы с дискеты (в том числе с использованием многотомных архивов), доступ к сети, включая обращение к CAM-серверу;

— возможность автоматизированного измерения (или поиска) баз заготовки (детали), контроля размеров детали и инструмента.

4. С целью увеличения коэффициента загрузки оборудования в условиях единичного и мелкосерийного производства — возможность работы совместно с системой управления верхнего уровня на основе стандартных сетевых технологий, возможность информационной поддержки систем планирования и диспетчеризации на уровне цеха или участка.

5. С целью повышения надежности системы — повышение ресурса узлов ЧПУ за счет применения отлаженных серийных модулей (плат), применение вместо традиционных реле высоконадежных твердотельных силовых модулей (с гальванической изоляцией прочностью не менее 1500 В) и оптоэлектронных датчиков положения.

6. С целью увеличения ремонтопригодности и уменьшения времени поиска неисправностей — наглядное представление сигналов электроавтоматики в соответствии с электрической схемой станка и приведенными в техническом описании алгоритмами работы:

— наличие подсистемы диагностики и выдачи сообщений оператору;

— возможность непосредственного управления исполнительными устройствами;

— конфигурирование ЧПУ из стандартных узлов, из которых также могут быть построены системы управления другим оборудованием завода, и с использованием по возможности стандартного базового программного обеспечения.

7. С целью обеспечения гибкости системы — возможность постоянной доработки системы ЧПУ в соответствии с непрерывно растущими требованиями современного производства:

— возможность быстрой адаптации к любому технологическому оборудованию (в том числе не металлорежущему);

— возможность интеграции со сложными автономными системами (например, с системами технического зрения);

— возможность выполнения необходимых измерений и обмера детали-прототипа с целью создания трехмерной математической модели или построения управляющей программы для копирования;

— наличие гибкой архитектуры системы, реализуемой в зависимости от поставленной задачи;

— надежная поддержка фирмой-разработчиком и обновление версий базового программного обеспечения.

Технология работы на оборудовании с четырьмя и более управляемыми осями на данный момент не достаточно хорошо отработана. Это связано с особенностями систем ЧПУ у каждого производителя, собственным набором и направлением дополнительных осей координат, типом станка и его назначением.

Системы ЧПУ у такого оборудования чаще всего обладают развитой системой программирования, которая может быть реализована на базе языка программирования высокого уровня. Примером может служить система ЧПУ фирмы Siemens со встроенным языком программирования Sinumerik.

Применение станков с ЧПУ в сравнении с обычным оборудованием создает ряд технико-экономических преимуществ.

Производительность этих станков выше производительности станков того же типа, но без программного управления, в три раза, потребность же в производственных площадях в три раза меньше. Значительно вырастает производительность труда у рабочих.

Большой эффект дают станки с ЧПУ при выполнении особо сложных операций, поэтому с их использованием высвобождаются высококвалифицированные рабочие, а также резко сокращаются затраты на технологическую подготовку производства, эксплуатацию инструмента, содержание контролеров отдела технического контроля.

Главный эффект программного оборудования заключается в увеличении до 80−90% работы оборудования (15−20% у обычных станков). Обусловлено это тем, что резко сокращается вспомогательное время, время на смену инструмента и переналадку оборудования.

Переналадка станков в этом случае заключается в замене программы, записанной на магнитной ленте или другом программном носителе, а в ряде случаев в замене инструментов. Широкий диапазон работ, выполняемых станками с ЧПУ, делает их особенно ценными в единичном и мелкосерийном производстве, а также на предприятиях, выпускающих сложную продукцию. Имеется опыт включения станков с программным управлением в поточные линии на предприятиях серийного и массового производства.

В современных условиях широко распространяется такой вид программного оборудования, как обрабатывающие центры. Они представляют собой многооперационные станки с автоматической сменой инструмента. По мнению специалистов, обрабатывающие центры по своей производительности эквивалентны 3−4 станкам с ЧПУ и 8−12 обычным станкам. При условии правильного выбора и рациональной эксплуатации затраты на приобретение обрабатывающих центров окупаются за 3−4 года.

Для эффективного использования станков с ЧПУ необходимо создать систему организованного обеспечения. Она должна представлять собой комплекс взаимодействующих мероприятий, подчиненных основной задаче — изготовлению деталей высокого качества в намеченные сроки при минимальных затратах труда и себестоимости. Система организации работ должна включать технико-экономическое обоснование применения станков с ЧПУ, номенклатуру деталей для обработки на станках, специальную структуру системы, надлежащее обслуживание станков, автоматизированную разработку управляющих программ. Одним из условий достижения высоких экономических показателей эксплуатации станков с ЧПУ является формирование целесообразной номенклатуры обрабатываемых деталей. Практика эксплуатации станков с ЧПУ показала, что эффективная их работа возможна при построении специальной организационной структуры, сориентированной на изменения, которые вносит появление в парке оборудования станков с ЧПУ. Такая структура должна включать производственные цехи и участки, подразделения экономического обслуживания, специализированную технологическую службу. Опыт отечественных и зарубежных предприятий свидетельствует о целесообразности установки станков с ЧПУ в одном производственном помещении, создание специализированных цехов и участков. Расположение станков в одном помещении создает условия для более качественного их обслуживания, многостаночного обслуживания, улучшения планирования и контроля за работой оборудования и т. п.

1.3 Назначение постпроцессоров Постпроцессор — это модуль, преобразующий файл траектории движения инструмента и технологических команд, рассчитанный процессором CAM или CAD/CAM-системы, в файл управляющей программы в строгом соответствии с требованиями методики ручного программирования конкретного комплекса «станок — система с ЧПУ». Постпроцессор выполняет немалое количество функций, например:

— кодирует линейные перемещения сообразно цене импульса;

— выполняет линейную или круговую интерполяцию перемещений по дуге окружности, а также кодирует их в импульсах;

— рассчитывает динамику перемещений, отслеживая и, если нужно, уменьшая слишком большую подачу на малом перемещении (станок не успеет разогнаться);

— автоматически выдает в кадр вектора или функции коррекции на радиус инструмента;

— строит текущий кадр по шаблону, автоматически нумеруя кадры под адресом «N» ;

— превращает подачи, назначенные технологом, в конкретный набор символов с адресом «F» и выдает в нужное место кадра;

— оформляет как начало, так и конец управляющей программы, а также структуру кадра.

На самом деле число функций, выполняемых среднестатистическим постпроцессором значительно больше. Например постпроцессор должен выдавать в кадр перемещения только по тем координатам, движения по которым имело место, а также правильно определять выпуклость или вогнутость контура детали для правильного расчета вектора коррекции и многое другое.

Разработка полноценного постпроцессора с нуля (т.е. без средств автоматизации постпроцессирования) может занять у программиста средней квалификации более 6 месяцев.

Первые постпроцессоры специально обученный программист разрабатывал для каждого комплекса «станок — система с ЧПУ» индивидуально. Далее происходил длительный процесс доводки постпроцессора, путем активных консультаций с технологом-расчетчиком управляющих программ, а также опытными прогонами управляющих программ (рассчитанных при помощи постпроцессора) на станке с ЧПУ. Постпроцессор сдавался в опытную эксплуатацию заказчику только после успешного прохождения испытаний, затем наступал процесс исправления ошибок и неучтенных при разработке особенностей программирования стойки и даже технологии изготовления деталей, принятых на данном предприятии. Такой постпроцессор был индивидуальный для данного станка, стойки ЧПУ и, нередко, технологии обработки. Стоимость разработки индивидуального постпроцессора была очень высока, и могла достигать нескольких тысяч долларов. Исправить ошибки и сделать нововведения в постпроцессоре мог только программист, разработавший данный постпроцессор.

Созданием индивидуальных постпроцессоров занимались все фирмы, как отечественные, так и зарубежные, примерно в 1960;1970 годах прошлого столетия.

Постпроцессирование прошло несколько ступеней развития. С одной стороны в 80-х годах прошлого века наблюдался всемирный бум автоматизации машиностроения, с другой — очень быстро увеличивалось количество новых станков с непременно новой системой ЧПУ, с третьей стороны возник небывалый спрос на средства автоматизированного проектирования для таких станков со стороны заводов и компаний. В этих условиях метод индивидуального постпроцессирования оказался не эффективным, в виду очень больших временных затрат на создание и отладку каждого постпроцессора. Эти объективные причины подтолкнули разработчиков постпроцессоров к идее автоматизации собственного труда — то есть средств автоматизации разработки постпроцессоров.

Одним из первых методов автоматизации разработки постпроцессоров стало обобщение информации об использовании одной и той же системы с ЧПУ вместе со станками различных производителей, по принципу обработки (например, токарная, фрезерная и т. д.). Это оказалось возможным, в связи с тем, что управляющие программы для таких станков, «вооруженных» однотипной системой с ЧПУ, различались в лучшем случае незначительными вариациями в оформлении структуры кадра, значностью перемещений, оформлением начала и конца программы. Поэтому вскоре начали обобщать алгоритмы разработки постпроцессоров на однотипное оборудование разных фирм, но имеющее одну и ту же систему с ЧПУ.

Идея использования обобщенных постпроцессоров дала существенные преимущества, ведь разработка постпроцессора для новой модификации станка с системой ЧПУ, для которой уже имелся обобщенный постпроцессор, требовала от программиста всего лишь небольшой модификации узкого набора программ для учета особенностей нового оборудования.

В результате, в разы сократились сроки, стоимость и трудоемкость разработки нового постпроцессора, существенно снизились издержки фирм-разработчиков постпроцессоров и их заказчиков. Этот метод оказал сильное воздействие на конкурентную борьбу между производителями CAM-систем в мире. Кроме того, некоторые фирмы продавали именно «обобщенные постпроцессоры» на 5−10 станков с одной системой с ЧПУ по цене одного индивидуального, что было выгодно их клиентам и чрезвычайно невыгодно фирмам-конкурентам, еще не освоившим эту технологию.

Небольшое число современных CAM-систем до сих пор используют в своем составе обобщенные постпроцессоры.

Следующим шагом развития систем разработки постпроцессоров стало применение автоматических корректоров кадров управляющих программ. Суть этого нововведения — дать возможность разработчику или пользователю описать на специальном макроязыке изменения, которые затем автоматически и последовательно выполняются постпроцессором над каждым кадром во время формирования управляющей программы. Этот метод был впервые примененный в системе PEPS. Макроязык коррекции кадров управляющей программы применяется теперь весьма широко и не только в обобщенных постпроцессорах.

Почти одновременно с появлением методологии обобщенного постпроцессирования, начал разрабатываться метод создания универсальных постпроцессоров. Такие постпроцессоры последовательно читают записи из файла траектории движения инструмента и техкоманд (CLDATA-файл) и выполняют преобразование этих записей в один или несколько кадров управляющей программы по некоторым правилам, отличным для разных станков и систем ЧПУ.

Постпроцессор соотносит каждой записи CLDATA-файла алгоритм ее превращения в кадр управляющей программы, и сохранить эти правила отдельно для каждого станка-системы ЧПУ в виде файла. Именно это дало возможность создать один универсальный постпроцессор как машину, транслирующую каждую запись CLDATA-файла в кадры управляющей программы по правилам, которые можно подгружать из внешних файлов.

Такой метод получил название «универсальный постпроцессор». Программист описывал алгоритмы обработки каждой записи CLDATA-файла применительно к методике ручного программирования конкретного комплекса «станок — система с ЧПУ» и сохранял эти правила (алгоритмы) в виде текстовых файлов-постпроцессоров. Технолог, в свою очередь, лишь выбирал — при помощи какого файла-описателя алгоритмов, преобразовать свой CLDATA-файл в файл управляющей программы.

Эта идея, заимствованная из методов построения трансляторов с настраиваемой лексикой и семантикой, получила шилокое развитие на рубеже 90-х годов прошлого века. Подавляющее большинство CAD/CAM-систем используют сегодня именно такой метод для решения проблем постпроцессирования.

Особняком от всех этих способов обработки стоит разработка программного обеспечения для оборудования, с узкой сферой применения. К таким относятся всевозможные шлифовальные станки для изготовления осевого режущего инструмента. Основной проблемой разработки подобного программного обеспечения является практически полное отсутствие универсальных средств их разработки и привязанность к технологии изготовления. Также большую проблему создает существенная зависимость полученной геометрии на изделии от геометрических параметром инструмента.

Также, подобное оборудование накладывает огромное количество ограничений на обработку, которые необходимо постоянно учитывать.

В связи с этим, наиболее целесообразно создавать специальные программные модули, которые могут взять на себя всю математическую нагрузку по расчету траекторий движений, учета ограничений и создания управляющей программы.

Современные постпроцессоры для подобного оборудования требуют только введения данных из чертежа или иной документации на изделие, а затем путем внутренних расчетов выдают готовую программу обработки, с учетом всех технологических особенностей. Подобные программные модули являются узкоспециализированными и разрабатываются по специальному заказу предприятия. Последней тенденцией стало встраивание таких модулей в систему ЧПУ, что позволило квалифицированному рабочему самостоятельно программировать сложные виды обработки.

2. Разработка системы подготовки обработки детали станка с ЧПУ

2.1 Функциональная модель системы подготовки обработки детали станка с ЧПУ

Для создания функциональной модели удобно пользоваться CALS системами. CALS — класс информационных технологий, направлен на обеспечение безбумажной поддержки жизненного цикла продукта. Предметом CALS является безбумажная технология взаимодействия между организациями заказывающими, производящими и эксплуатирующими тот или иной продукт, а также формат представления соответствующих данных. Доказав свою эффективность, CALS технологии начали активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы жизненного цикла продукта — от маркетинга до утилизации. В данном случае необходима только та часть функций системы BpWin, работающей по CALS технологии, которая отвечает за построение функциональной модели.

Функциональная модель представляет собой структурированное изображение функций производственной системы или среды, информации и объектов, связывающих эти функции. Модель строится методом декомпозиции: от крупных составных структур к более мелким и простым.

На нулевом уровне (рисунок 2) вся система представляется в виде черного ящика, целью которого является создание управляющей программы для системы ЧПУ. Для этого на вход системы должен поступить ряд данных. Данные из чертежа изделия включают весь комплекс информации о геометрических свойствах изделия, его размерах, наборе поверхностей, подлежащих обработке, их точности и шероховатости.

Технологический процесс содержит рекомендации по режимам резания, технологической оснастке, применяемой при данной обработке. Также в технологическом процессе могут содержаться технологические нюансы обработки, которые обязательно надо учесть при создании управляющей программы системы ЧПУ.

Также на вход должна поступить информация об инструменте и заготовке, которые будут использоваться в процессе обработки данного изделия.

Рисунок 2 — Нулевой уровень функциональной модели Работать с данной системой будут технологи, отвечающие за технологический процесс, программисты, отвечающие за корректную работу всех программных модулей системы и процесс постпроцессирования в код управляющей программы системы ЧПУ. Совместно с наладчиком станков с ЧПУ будет осуществляться ввод данных об инструменте и заготовке, в частности об их взаимном расположении друг относительно друга. Оператор будет вводить данные коррекции после правки кругов. Иногда функции оператора и наладчика станков с ЧПУ могут объединяться в одном специалисте.

Работа системы должна осуществляться на основании следующих документов:

— технического паспорта станка, в котором содержится информация об особенностях его эксплуатации, ограничениях перемещений по осям, режимах работы и габаритных ограничениях заготовки и инструмента;

— инструкции по программированию ЧПУ, в которой содержится справочная информация о языке программирования, вспомогательных и служебных функциях, ограничениях системы ЧПУ;

— Санитарные нормы и правила (СНИП) по работе на шлифовальных станках содержит методологию по способам безопасного ведения обработки;

— Стандарт предприятия (СТП) предприятия на изготовление осевого режущего инструмента содержит всю технологическую базу по обработке данного инструмента, накопленную за все время его работы, а также возможные варианты решения спорных вопросов по конструкции изделия и технологии его обработки.

Результатом работы будет выдача управляющей программы для системы ЧПУ, карты наладки для данного оборудования или кода ошибки, если введенных данных не достаточно, либо они ошибочны и выполнить расчеты и преобразования по ним не возможно.

На первом уровне система разбивается два модуля (рисунок 3).

Первый модуль занимается расчетом перемещений инструмента, учитывая технологические и технические ограничения. Все входные данные поступают именно на этот модуль и соответственно все их преобразования также происходят в этом модуле. В связи с этим, этот модуль должен работать со всеми выше перечисленными документами. Работать с этим модулем должны также все выше перечисленные люди.

Модуль будет выдавать два вида файлов. Одна группа файлов будет являться управляющей программой системы ЧПУ, две другие группы файлов системные, обеспечивающие связь первого модуля со вторым. Первая группа системных файлов должна передавать исходные данные, содержащие информацию об оснащении станка (тип оснастки, инструмент, заготовка, их взаимное расположение). Вторая группа файлов должна содержать рассчитанные данные (траектории всех перемещений инструмента).

Рисунок 3 — Первый уровень функциональной модели Второй модуль обеспечивает визуализацию обработки в анимированном, фотореалистичном виде. Данный модуль обеспечивает возможность наглядно проследить весь процесс обработки и введя необходимые поправки избежать получения бракованной продукции. Также этот модуль позволит провести процесс отладки и оптимизации программы на этапе ее создания.

Работать с этим модулем должны технолог и наладчик станков с ЧПУ. Работа модуля основывается на техническом паспорте станка и СТП предприятия на изготовление осевого режущего инструмента. Результатом работы данного модуля является создание карты наладки и проверка результата обработки на аномалии (отклонение размеров от заданных, геометрия поверхностей, наличие зарезов, как на изделии, так и на оснастке).

На втором уровне, модуль расчета перемещений инструмента можно разделить на четыре этапа (рисунок 4).

Первый этап — это моделирование заготовки [4, 5]. На нем задаются параметры заготовки (размеры, геометрические особенности, вылет из патрона). Все это производится на основании технического паспорта станка и СТП предприятия на изготовление осевого режущего инструмента.

Рисунок 4 — Второй уровень функциональной модели Заданием параметров занимается технолог, но в процессе работы параметры могут менять в определенных пределах наладчик станков с ЧПУ и оператор. После окончания ввода данных параметры заготовки в оцифрованном виде передаются на следующий этап. Следующий этап — моделирование наладки инструмента. В этом этапе задаются типы используемых кругов, их размеры и координатные привязки к системе координат станка. Профиль каждого круга должен быть поставлен в соответствие поверхности (или группе поверхностей) которую он обрабатывает, поэтому при подборе кругов и создании их наладки необходимо использовать данные чертежа изделия. При этом необходимо руководствоваться техническим паспортом станка, СТП предприятия на изготовление осевого режущего инструмента и СНИП по работе на шлифовальных станках. Вводом данных должны заниматься те же люди, что и на первом этапе. По результату этого этапа создается первая группа системных файлов, содержащих информацию об оснащении. Те же данные, что и в файле передаются на следующий этап. Третий этап — моделирование обработки. Самый важный этап, на котором создается траектория обработки. Траектория должна учитывать особенности технологического процесса, и применяемого инструмента. Ввод данных на этом этапе осуществляет только технолог. На этот этап оказывают влияние те же документы, что и на втором этапе. На этом этапе формируется группа системных файлов, содержащих информацию обо всех перемещениях инструмента и заготовки, та же информация передается на следующий этап. На трех выше перечисленных этапах при определенных условиях необходимо вводить поправки по результатам визуализации. Это сделано для того, чтобы система могла работать в условиях реального производства, где невозможно учесть всех случайностей, как то: отсутствие заказанного инструмента, отклонений заготовок, наличия оснастки и т. д. Последний этап — постпроцессирование. На этом этапе вся набранная системой информация преобразуется в управляющую программу системы ЧПУ. Преобразование осуществляется программистом на основании инструкции по программированию ЧПУ станка. Этап моделирования обработки в свою очередь можно разделить еще на два этапа (рисунок 5). Первый этап — анализ геометрии изделия. На этом этапе технолог производит настройку приложения для максимально объективного преобразования данных в графическую информацию. Сюда необходимо подать информацию об оснащении и об инструменте. Здесь технолог вводит все уточнения по конструкции изделия, которых не было в чертеже. Все уточнения вводятся на основании СТП предприятия на изготовление осевого режущего инструмента.