362 |
Глава 11. Чисnовое программное управление |
|
|
|
Обточка
Канавка
Нарезка резьбы
Подрезка торца
------- -----------г |
-------- |
|
-------· |
|
|
|
|
Рис. 11.27. Геометрия в токарных операциях
б
в
Рис. 11.28. Геометрия в фрезеровании
11.8. Программирование обработки по базе CAD |
363 |
Двухосевые операции фрезерования 11 сверления, подобно токарным, требу
ют подачи на вход двумерной геометрии детали. Операции контурной обра
ботки и фрезерования rлубшшх выемок (рис. 11.28) могут основываться на
сведениях из двумерной нлн трехмерной базы данных, как и операции токар
ной обработки. На рис. 11.28, а, б показавы глубокие выемки двух типов, а на
рис. 11.28, в - профиль.
Помимо упомянутых операций существуют также операции резки газовой
сваркой и плазменным резаком, прессования на револьверном прессе с ЧПУ
Эти операции тоже работают с двумерной геометрией, сведения о которой, следовательно, должны каким-то образом извлекаться нз базы данных дета
лей. Обычно пользователю приходится вручную выбирать на рисунке эле
менты, образующие необходимую геометрию.
Если поверхности детали должны обрабатываться на трехили пятиос.евоы фрезеровальном станке в режиме контурного регулирования, для составле ния программы потребуются геометрические сведения о поверхностях. Эти сведения могут быть перенесены в нрограмму, если деталь была снроектн рована в системе поверхностного или объемного моделирования, входящей в состав интегрированной системы CAD/CAM. В этом случае пользователю придется в интерактивном режиме указать поверхности для обрабопш ( опре
делив для них роль поверхностей детали), а также задать соседние с Iшми по
верхности (которые будут нграть роль поверхности движения 11 контрольных поверхностей). Несмотря на необходиl\юсть выполнения некоторых действнii
в интерактивном режиме, преимущества от использования интегрированных
систем очень существенны, поскольку описать сложные кривошшеlшые по верхности на языке, подобном АРТ, очень сложно, а часто оказывается прак
тически невозможно.
2.На следующем этапе определяется геометрия режущего инструмента. Про
граммнос обеспечение обычно включает библиотеки инструментов, 11з кото рых пользователь может выбирать нужные ему экземпляры.
3.Пользователь определяет желаемую последовательность операций обработк11
и планирует требуемые траектор1111 движения режущего инструмента с соот
ветствующими параметрами обработю1. Траекторнеli режущего ннструыента
называется траектория, которую описывает инструмент по мере того, как он
приближается из своего исходного положения I< заготовке, выполняет ее
обработку и снова возвращается в исходное положение. Траектория обычно
повторяется несколько раз, пока режущий инстру;.,tент снимает слой все боль
шей и· большей толщины. Для простых операций траектория режущего Iшст
румента может строиться снетемами автоматически.
4.После планирования траекторшt движения координаты х, у 11 z точек на этоii
траектории вычисляются программой ЧПУ с учетом выбранного резца 11 гео
метрии детали. Использование множества точек на каждой траектории (то есть
аппроксимация большим количеством прямых сегментов) даст более точное соответствие поверхности ожндаеыой форме. Однако программа обработки может оказаться длиннее, что сниз1п скорость ее передачи на DNC.
5.Построенная траектория движения внетрумента может быть проверена на
графическом мониторе. Обычно при этом на экран вьшод1пся анимираванная
364 |
Глава 11. Числовое программное управление |
картинка, изображающая движение резца в процессе обработки детали. Если в программе обнаруживаются ошибки, пользователь всегда может изменить ее и проверить снова. Некоторые циклы обработки могут реализовываться в
виде макросов.
6.По скорректированным траекториям формируется СL-файл (с координатами
точек на этих траекториях), который затем обрабатывается постпроцессором,
в результате чего получается файл в машинном коде (МСD-файл). Этот файл
и передается контроллеру станка.
В последующих разделах мы кратко расскажем о том, каким образом рассчиты ваются и проверяются траектории движения режущего инструмента при обра
ботке поверхностей фрезерованием. Если речь идет об обработке двумерных
профилей, как, например, при сверлении или двухосевом фрезеровании, траек тории рассчитываются при помощи элементарной аналитической геометрии,
рассматривать которую здесь нет необходимости.
11.8.1. Построение траекторий
Обработка поверхности на фрезеровальном станке с тремя или пятью степенями
свободы и контурным регулированием может потребовать построения несколь ких траекторий. Если требуется снять толстый слой материала, обычно рассчи
тьшаются траектории двух типов: вначале делается черновой проход и снимается
основная часть материала, а затем осуществляется завершающая тонкая обработка
(доводка), дающая деталь желаемой формы. В некоторых случаях приходится делать еще и третий, промежуточный, проход.
Траектории при черновом проходе
Черновой проход может осуществляться по-разному. Первый подход использу
ется в том случае, если форма заготовки изначально близка к форме готовой де
тали (рис. 11.29). Это бывает, если заготовка получается в результате отливки.
Обрабатываемая поверхность получается отступом от конечной поверхности на
некоторое расстояние, а расчет для этой поверхности производится точно так же,
как и для конечной. Расчет траекторий обработки при чистовом проходе будет
описан ниже.
•
Рис. 11.29. Грубый проход
Второй подход применяется, если заготовка имеет форму бруска, и часто ис
пользуется для получения таких деталей, как формы и штампы. В этом случае при черновом проходе осуществляется послойное снятие материала в несколько
заходов (рис. 11.30). Для каждого слоя рассчитывается своя траектория движе ния, как и для глубоких выемок (см. рис. 11.28). Граничная кривая для каждого слоя получается пересечением обрабатываемой поверхности с горизонтальной
11.8. Программирование обработки по базе CAD |
365 |
плоскостью, соответствующей слою. После определения граничной кривой тра
ектория обработки выемки получается отступом от внешней границы внутрь
(рис. 11.28, а). Альтернативный вариант состоит в использовании параллельных прямолинейных траекторий, каждая из которых лежит внутри границ выемки
(рис. 11.28, 6). Подробное описание процедуры расчетов дается в работе [65].
Требующаяся
поверхность
Допуск
Рис. 11.30. Альтернативный грубый проход
Траектории при чистовом проходе
Чистовой проход требует аппроксимации кривых, образующих поверхность де
тали, отрезками прямых, вдоль которых будет nеремещаться режущий инстру мент. Точность обработки определяется точностью линейной аппроксимации. Она контролируется заданием допуска - максимального отклонения отрезков
от соответствующих сегментов кривых. Этот допуск эквивалентен аргументам операторов OUПOL и INTOL в языке АРТ.
Существует множество способов выбирать криволинейные образующие. Резец
может двигаться вдоль поверхности в разных направлениях. Возможные траек тории демонстрирует рис. 11.31. Кривые могут быть получены из уравнения по
верхности путем присваивания одному из параметров постоянных значений из
некоторого набора. Если обработка идет как в прямом направлении, так и в об
ратном, это называется шнуровкой (/асе cuttiпg). Если же рабочий проход делает ся только в одном направлении, это называется обычиы.м фрезероваиием. (поп/асе cuttiпg). Режущий инструмент может также двигаться вдоль контуров поверх ности или траекторий, полученных пересечением поверхности параллельными
плоскостями.
Пользователь чаще всего имеет возможность выбрать один из трех режимов об
работки в процессе планирования траекторий. Интервалы между кривыми рас считываются программой исходя из требуемой точности. Интервал между траек
ториями определяет высоту зубца, остающегося после обработки (рис. 11.32).
Высокие зубцы сильно снижают общую производительность, поскольку их при ходится удалять шлифованием, а на это может уйти значительная доля общих
временных затрат на изготовление детали.
366 |
Глава 11. Числовое программн~е управление |
Шнуровка
Рис. 11.31. Траектории движения резца при обработке поверхности
Интервал между-траекториями
Высота зубца
Рис. 11.32. Интервал между траекториями и высота зубцов
После выбора аппроксимируемых кривых производится вычисление координат
точек на этих кривых. Максимальное расстояние между любым отрезком, соеди
няющим две соседние точки, н соответствующим сегментом кривой должно быть меньше заданного допуска. Эти точки называются коuтактиъши (cutter-contact points - СС points), ПОСКОЛЬКУ ИМеННО В НИХ режущиЙ ИНСТрумент ВХОДИТ В КОН такт с поверхностью. Отклонение отрезка от истишюй кривой nозрастает при
увеличении расстояния между се-точками, которое называется длииой шага (step length) (рис. 11.33). Хотя уменьшение длины шага повышает точность, этот пара
метр обычно делают таким, чтобы аппроксимация удовлетворяла установленному
допуску, но не меньшим, иначе размеры СL-файла сильно возрастают. Процеду
ра расчета длнны шага в нронзволыюl1 СС-точке кривой дается n работе [32].
Длина шага
Рис. 11.33. Отклонение и длина шага
11.8. Программирование обработки по базе CAD |
367 |
Альтернативный метод состоит 13 использовании методики вычисления кр1шых
Безье, предложенной в приложении И. Кривая обрабатываемой поверхности
представляется в виде кр1шоii Безье, которая делится на сегменты до тех пор,
пока все выпуклые оболочки (показаны на рис. 11.34 заливкой) не будут иметь
толщину меньше установленного допуска. Точки крив01u1 (D4 и 07 на рис. 11.34)
сохраняются как контактные.
D9
D10
Рис. 11.34. Построение СС-точек делением
После определения СС-точек программа переходит к расчету соответствующих
им кqординат режущего инструмента (СL-точек). СL-точки нужны для работы
контроллера ЧПУ. СL-точку для концевоi'r сферической фрезы вычисл1пь до вольно просто (рис. 11.35). Для этого используется формула:
r,1 = rп, + R[n(u,v)-a], |
(11.1) |
где rc1 и rcc - радиус-векторы CL- 11 СС-точки соответственно; R - |
радиус конце |
вой сферической фрезы; n(u,v) - еднничный Dектор Dнешнеilнормалн к поверх
ности детали В СС-точке, COOTBeTCTI3YIOЩeii ЗHaЧeHIIЯI\I параметро13 U И V, а - еди
НИЧНЫЙ вектор, напра13ленный 13доль оси инструмента. У трехосеDого станка этот вектор обычно имеет координаты (0, О, 1), тогда как у пяпюсеDого он может
быть направлен произвольно. ТрехосеDые станки не поз13оляют шшорачивать ре
жущий инструмент относительно детали. В них он всегда закреплен под фикси
рованным углом, чаще всего - направлен 13доль оси z.
Для резцов других типов могут быть получены аналогичные соотношенш1 между
СС-и СL-точками. В станках с пятью степенями свободы напраn.'!еJшс режуще
го инструмента может изменяться. В нринципе, его можно было бы совмещать с нормалью к поверхности детали для минимизации высоты зубца, но на практи
ке резец чаще всего наклоняют, чтобы достичь максимального раднус<1 обработ
ки или максимальной скорости фрезеро13ания. Поэтому расчет траектории для станка с пятью степенями с13ободы включает сложные вычисления, связанные
368 |
Глава 11. Числовое программнее управление |
с ориентацией оси режущего инструмента. В этой книге мы не будем вдаваться
в подробности.
f
Рис. 11.35. Связь СС- и СL-точек
Выше мы говорили о том, как рассчитать СL-точки по СС-точкам. Возможно, однако, непосредственное вычисление координат СL-точек путем сдвига поверх ности детали. Особенно это эффективно для концевой сферической фрезы.
Итак, поверхность детали сдвигается на величину радиуса фрезы, а кривые на
этой поверхности рассчитываются тем же методом, что и на рис. 11.31. Точки кривых будут соответствовать координатам центра резца, а СL-точки можно бу дет вычислить прибавлением вектора -Ra к радиус-векторам этих точек. Под пе
ременными R и а мы понимаем то же, что и в уравнении ( 11.1 ).
Резец, движущийся вдоль расчетной траектории, может сделать излишне глубо кую выемку в каком-либо месте. Такой дефект называется заглублеиие.м
(gouging). Заглубление происходит в тех местах, где радиус кривизны поверхно
сти оказывается меньше радиуса режущего инструмента (рис. 11.36). Если же диаметр резца слишком мал, фрезерование оказывается медленным и малоэф
фективным. В такой ситуации необходимо разбивать поверхность на участки та ким образом, чтобы большая часть поверхности обрабатывалась резцом больше
го диаметра, а отдельные участки - резцом меньшего диаметра.
Положение заглубления
Рис. 11.36. Заглубление в одной поверхности
Заглубление может также происходить в тех местах, где одна поверхность дета
ли соединяется с другими (рис. 11.37), если точку на границе двух поверхностей
взять в качестве контактной (точка А на рис. 11.37). Эту проблему можно обой
ти. передвинув границу для контактных точек в точку В (рис. 11.38). Граничное
положение центра режущего инструмента можно получить nересечением двух
11.8. Программирование обработки по баэе CAD |
369 |
|
|
|
сдвинутых поверхностей (сдвиг производится на величину радиуса инструмен
та). Для несферических резцов расчет может быть более сложным.
Соседняя поверхность
Рис. 11.37. Заглубление соседней поверхности
Рис. 11.38. Правильная установка ограничения
В станках с пятью степенями свободы обнаружить заглубление сложнее, потому
что для этого нужно учитывать геометрию резца в целом в каждом его положе
нии с учетом ориентации. Резец может столкнуться с зажимами, креплениями,
шпинделями или с самой деталью.
11.8.2. Модеnированне и проверка траекторий
Траектории, по которым должен будет двигаться резец в процессе обработки де
тали, обычно состоят из множества точек, которые невозможно проверить вруч
ную. В прошлом операторы станков с ЧПУ проверяли и корректировали свои
проrраммы, обрабатывая деревянные или пластиковые заготовки. В наше время
существует программмое обеспечение, позволяющее отказаться от этого дли
тельного процесса, заменив его отображением траекторий на экране монитора.
Благодаря этому станкам остается только реальная работа с реальными деталя
ми. Программист получает возможность визуально проверить, что:
1:1 режущий инструмент не снимает с заготовки больше материала, чем нужно;
1:1 режущий инструмент не сталкивается с зажимами и креплениями;
1:1 режущий инструмент проходит в глубокие пазы и не задевает никаких ребер; 1:1 выбранные траектории оказываются эффективны.
Простейший способ визуализации или имитации процесса обработки состоит в
отображении траектории режущего инструмента вместе с геометрической моде
лью детали (рис. 11.39). Отрезки прямых добавляются к изображению по мере
считывания данных из СL-файла. Такое моделирование позволяет программн
ету получить общее представление о том, каким образом движется резец, однако не дает ему возможности обнаружить заглубления, потому что на экране отобра
жаются только положения режущего инструмента, а не изменения детали в про
11.8. Программирование обработки по базе CAD |
371 |
Другой подход заключается в использовании векторов нормали. Он был пред
ложен Чаппелем [34] и усовершенствован Джерардом и другими [80]. Согласно этому подходу, обрабатываемая поверхность аппроксимируется набором точек,
вкаждой из которых вычисляются nекторы внутренней и внешней нормалей.
Впроцессе моделирования обработки рассчитываются точки пересечения этих векторов и огибающей траектории резца. Длина вектора, пересекающегося с оги бающей, уменьшается. Когда расчет достигает последней точки СL-файла, длина вектора соответствует количеству избытка материала (над поверхностью) или величине заглубления (под поверхностью) в данной точке. Обратите внимание,
что этот подход может использоваться независимо от количества степеней сво
боды станка. Для станков с пятью степенями свободы огибающая траектории ре жущего инструмента будет иметь более сложную форму, чем для станков с тре мя степенями свободы. Джсрард с I<аллегами еще больше упростили расчет для трех степеней свободы, используя векторы, направленные вдоль оси резца, кото рая обычно совпадает с осью z. Векторы направлений и огибающая траектории показаны па рис. 11.40. Описанный метод позволяет отображать форму детали
в процессе ее обработки: она аппроксимируется многогранником, проходящим
через концы векторов.
|
Огибающая |
Точки |
Огибающая |
|
|
траекторий резца |
траекторий резца |
Точки |
|
|
|
|
|
|
U=O |
|
U=O |
V=O |
Z |
|
у~х |
V=O |
|
|
а |
|
б |
Рис. 11.40. Векторная аппроксимация: а - |
с векторами нормали; б - с векторами, |
|
параллельными оси z |
11.8.3. Пример программы для станка с ЧnУ
В этом разделе мы продемонстрируем составление программы для станка с ЧПУ при помощи пакетов Pro/MFG и Pro/NC-CHECK- составляющих САМ-моду
ля системы Pro/ENGINEER. Обрабатываемая деталь будет представпять собой
форму для корпуса сотового телефона из главы 1. В этом разделе мы будем на
зьшать ее просто деталью. Предполагается, что модели детали и заготовки уже
построены в Pro/ENGINEER (рис. 11.41 и 11.42).
В первой конфигурации мы обработаем внутреннюю поверхность детали, а за
тем перевернем ее и обработаем внешнюю поверхность (это будет вторая конфи гурация). Для каждой из них в конечном итоге должен быть получен файл ма
