Нови функции на съвременните системи за ЦПУ при обработването на сложни контури и обемно-профилни повърхнини

28.02.2012   |   Начало»Статии

Редактор
Пепа Петрунова

Редактор
Пепа Петрунова

Необходимостта от обработване на сложни контури и обемно-профилни повърхнини, в това число и свободни повърхнини, наречени скулптурни, нараства. Типични представители на детайлите, съдържащи такива контури и повърхнини, са инструментите за обемно формообразуване като матрици и поансони, щприц-формите, лопатките за турбини и вентилатори, гребните винтове за плавателни съдове. В много от случаите се използват материали с висока твърдост, които се подлагат на високоскоростна обработка (HSM - High Speed Machining) с цел да се повиши производителността, точността и качеството на обработените повърхнини. Допълнителен ефект се постига чрез съчетаването на HSM със суха и квазисуха обработка - елиминиране на разходите за охлаждаща течност, повишаване на ресурса на режещия инструмент, подобряване на екологичните и санитарните показатели на производството.

Сложните контури и обемно-профилни повърхнини се обработват върху металорежещи машини с ЦПУ и за получаването на качествен детайл с необходимата точност на формата и размерите и с необходимата гладкост, е необходимо производственото оборудване да отговаря на високи изисквания. До преди няколко години системите за ЦПУ не успяваха да осигурят достатъчно точна и гладка траектория на движението на инструмента при обработването на сложни контури и повърхнини. Решението за заместване на сложната траектория с последователност от къси праволинейни сегменти също не даваше много добри резултати, преди всичко поради рязко нарастващия обем на управляващата програма и ниската скорост на обработване, което се отразяваше негативно върху производителността.

За решаване на проблема съвременните системи за ЦПУ са оборудвани с нови функции, които се поддържат от повишената им изчислителна мощност, новите видове интерполация, широкото използване на все по-съвършени САМ-системи, развитието на точни и бързодействащи сервозадвижвания и вретенни възли, появата на нови компановки и материали за носещите системи на машините, интегрирането в производството на високоскоростни режещи инструменти.
 
Линейна апроксимация
Много често сложната обработка налага траекторията на движение на инструмента, която не може да се опише с обикновените интерполации като линейната и кръговата, да се апроксимира, т. е. да се замести от близка до нея начупена линия, съставена от множество елементарни линейни сегменти (фиг.1а). Голямо предимство на линейната апроксимация е възможността да се обработват практически произволни по сложност контури с помощта на линейна интерполация, която се поддържа от всяка система за ЦПУ. Грешката при апроксимирането (разликата между зададената и апроксимиращата линия) може да бъде редуцирана с намаляване на дължината на линейните сегменти. Като недостатъци на апроксимирането могат да се посочат:
Намаляване на скоростта на отработване на управляващата програма. Тъй като всеки елементарен линеен сегмент се описва с отделно изречение, дължината на управляващата програма може да нарасне значително. Това претоварва работата на системата за ЦПУ по обработката на данните, намалява производителността й и води до увеличаване на сумарното време за обработване.

Намаляване на скоростта на движение по траекторията. Преминаването от един линеен сегмент към друг е свързано със смяна на траекторията на движение. Тъй като при това могат да възникнат грешки в отработването на контура, алгоритъмът на работа на системата за ЦПУ предвижда забавяне на движението в края на участъка и ускоряването му в началото на следващия. Това редуване на ускоряване и забавяне се повтаря на всеки участък и в крайна сметка води до намаляване на средната скорост на движение по цялата апроксимираща линия.

Приложение само при 2D-контури. Рационалната област на приложение на линейната апроксимация са равнинните (2D) контури. Апроксимирането за сложни обемно-профилни повърхнини е нецелесъобразно, тъй като изисква генериране на голям брой апроксимиращи криви, което многократно увеличава обема на управляващата програма.

Сплайнова интерполация
Недостатъците на линейното апроксимиране се проявяват още по-осезателно при HSM, тъй като големият обем на управляващата програма не позволява да се постигнат високи скорости на подаването. Решение на проблема са плавни криви линии, наречени сплайни, които се използват вместо начупената апроксимираща линия (фиг.1б). Движението на инструмента по плавна траектория се извършва с по-висока скорост поради по-малкото динамично натоварване. Програмирането на движението е значително по-икономично, отколкото програмирането на линейни сегменти - един сплайн (spline) е елементарен участък, който замества няколко елементарни участъка, съставени от линейни сегменти. Това позволява управляващата програма да бъде по-къса и времето за обработването й в системата за ЦПУ да бъде съкратено значително.
Един сложен контур може да бъде представен чрез няколко сплайна. Свързването между два съседни сплайна е такова, че осигурява плавност на контура по цялата му дължина. Сплайнът е сложен математически полином и генерирането на управляващи програми със сплайнова интерполация е възможно само при използване на CAD/CAM системи.

NURBS-интерполация
В различните системи за ЦПУ се използват А-сплайни (A-spline- от Akima-spline), В-сплайни (B-spline), С-сплайни (C-spline- от Кубичен сплайн) и техни разновидности. Създаваната от системата за ЦПУ сплайнова траектория на движение е позната като сплайнова интерполация. Най-често използваната сплайнова интерполация е базирана върху NURBS-криви, наречена накратко NURBS-интерполация.

NURBS-кривите са специални В-сплайни, които се създават в CAD при конструирането на детайла. Представят се от апроксимиращи полиноми до трета степен, които служат за описване на сложни контури и обемно-профилни повърхнини и чрез които може да се моделира произволна гладка крива. Гладкост означава, че кривата не образува резки начупвания, примки и прекъсвания, но възможността за създаване при желание на остри ъгли се запазва. Формата и гладкостта на NURBS-кривите (фиг.2) се определят от множество управляващи точки CP (Control Points), всяка от които се представя от четирите си координати x, y, z и w. Координата w (weight) означава тегло на управляващата точка. Чрез коригиране на положението на управляващите точки формата на NURBS-кривата може да се променя произволно. Удобна възможност е локалното коригиране на кривата. За целта тя се разделя на интервали, границите на които се бележат от възловите точки k (knots).

По този начин в рамките на даден интервал върху формата на кривата оказват влияние точно определени управляващи точки. Това позволява изменението на формата чрез преместване на управляващите точки да се локализира в границите на интервала без да се променя формата на цялата крива. Съществено предимство на NURBS-кривите е възможността за коректното им мащабиране (увеличаване или намаляване). NURBS-кривите се характеризират с ранг и степен. Рангът n на NURBS е равен на броя на непрекъснатите производни на кривата. Степента k на NURBS е максималната степен на използваните полиноми.

В CAM-системата се генерира управляваща програма, като NURBS-интерполацията се представя чрез G-командата G6.2. Например в изречението N1234 G6.2 P04 K.1234 X153.624. Y987.654, командите, отнасящи се до NURBS, са: Р04  - показва ранга на сплайна; К.1234 - обозначава положението на възлова точка; X153.624. Y987.654 са координатите на управляваща точка.

Ако тежестта на управляващата точка не е посочена, се подразбира w = 1.
Като основни предимства на NURBS-интерполацията могат да се посочат: висока точност на обработване на зададения контур и обемно-профилна повърхнина; съществено подобрена гладкост на обработваните повърхнини; осезателно намаляване на дължината на управляващата програма, от 3 до 5 пъти (в някои случаи от 10 до 100 пъти) в сравнение с линейната апроксимация; съкращаване на времето за обработване; повишаване на трайността на инструмента и намаляване на скоростта на износване на механичните елементи на машината.

Трансформиране на координатните системи
Трансформирането на координатните системи представлява набор от функции, които повишават удобството при програмиране, като същевременно позволяват да се съкрати обемът на управляващата програма.

- Огледално изобразяване, транслиране, мащабиране, завъртане.
Когато един сложен контур е описан със сплайни и вече е създадена управляваща програма за обработката му, тя може да бъде използвана многократно и многоцелево без да е необходимо повторното й генериране. Създаденият в някаква координатна система сложен контур може да използва с цел транслирането му до друга координатна система, за намаляване или увеличаване на размерите му, за завъртането му и т. н. Ефектът, изразяващ се в намаляване на големината на управляващата програма, се дължи на използването на вече съществуващата готова програма за обработване на контура. По този начин се намалява времето за генериране на управляващата програма, редуцират се изискванията към ресурса на системата за ЦПУ.
Използваните функции за трансформиране на координатните системи са MIRROR (огледално изобразяване), TRANS (транслиране на работната координатна система), SCALE (мащабиране), ROT (въртене) (фиг.3).
Функцията за трансформиране позволява извършване на същите действия и с прости контури.

- Функция за завъртане на равнината на обработване на контура
Създаденият в равнината a сложен контур и генерираната на тази база управляваща програма могат да бъдат използвани за обработване на същия контур в друга равнина b (фиг. 4а), произволно завъртяна спрямо a. Функцията се използва широко при многоосна обработка върху обработващи центри.

- Функция за налагане на равнинен контур върху цилиндрична повърхнина
Създаденият в равнината a контур може да бъде наложен чрез специална функция върху цилиндрична повърхнина (фиг. 4б). Така програмирането се облекчава значително, тъй като управляващата програма се създава за равнинен контур. Системата за ЦПУ автоматично изпълнява обработката така, че контурът се получава наложен върху цилиндричната повърхнина на заготовката. Функцията се прилага при обработващи центри, стругови центри и многофункционални машини за обработване, например, на профилни канали, лежащи върху цилиндрична повърхнина.

Изглаждане на контури
В архивите на предприятията се намират множество проверени и работоспособни управляващи програми, предназначени за използване при възникване на поръчка. Те са генерирани в САМ-системи в по-ранен период и сложните контури в тях са апроксимирани чрез линейни сегменти. Някои от използваните днес САМ-системи все още генерират управляващи програми с линейна апроксимация. В резултат на това гладкостта на обработката се влошава, фактическата скорост на движение на инструмента намалява, възникват механични трептения. Стремежът към намаляване на дължината на отсечките, с което да се повиши гладкостта, резултира в нарастване на обема на управляващата програма и в увеличаване на общото време за обработване.

Един от възможните начини за изглаждане е управляващата програма да се преработи наново, като се използва съвременна САМ-система, поддържаща NURBS. Но в редица случаи това е икономически неизгодно, тъй като изисква продължителен процес на верификация, а също така е свързано с допълнителен капиталов разход, отнасящ се до опцията, която поддържа NURBS-интерполация.

Ако предприятието разполага с голям брой проверени и сертифицирани управляващи програми, в които е използвана линейна апроксимация на сложните контури, се предлага сравнително прост и нескъп начин за изглаждане, предлаган от съвременните системи за ЦПУ.

Изглаждането на сложни контури е илюстрирано на фиг.5. Оригиналният контур в CAD-системата е NURBS-крива (фиг. 5а). В САМ-системата тази крива се подлага на линейна апроксимация. За да се намали броят на елементарните линейни участъци, САМ-системата генерира възлови точки, които разполага върху границите на допусковото поле. Линиите, съединяващи възловите точки, определят конфигурацията на апроксимиращата линия (фиг. 5б). Както се вижда от фиг. 5в, получената апроксимираща линия е силно начупена, отличава се съществено от оригиналната NURBS-крива, генерирана в CAD-системата и се нуждае от изглаждане. Алгоритъмът на изглаждането й се състои в автоматично генериране на допълнителни точки, намиращи се максимално близо до изходния контур (фиг. 5г), след което през тях преминава изглаждаща NURBS-крива (фиг. 5д). Получената NURBS-крива е по-близка до оригиналния контур и е значително по-гладка от контура на линейната апроксимация.

Изглаждането на сложните контури изисква точно позициониране на инструмента при NURBS-интерполацията. В помощ на това е намаляването с няколко порядъка на големината на инкремента до 1 nm (нанометър; 1 nm = 10-9 mm), който е с 103 пъти по-малък от обичайната стойност на инкремента от 1 mm (1 mm = 10-6 mm). В практически аспект следва да се отчита обстоятелството, че подаването от системата за ЦПУ на инкремент, равен на 1 nm, само по себе си не е достатъчно за реализиране на висока точност. За целта машината трябва да има способността да го отработи, което зависи от голям брой фактори, свързани с вида и характеристиките на направляващите, елементите на подавателния превод, двигателите, системата за обратна връзка, условията на околната среда и т. н.

Look ahead за бързо движение по контур
Почти всички съвременни системи за ЦПУ поддържат функцията Look ahead (англ. – гледам напред), която се състои в предварително прочитане на голям брой изречения от управляващата програма, разположени след текущото и предварително изработване на стратегия за подготвяне на машината за извършване на рязко променяне на траекторията. Това е функция, типична за HSM. Целта е да се предвидят конфликтни моменти при високоскоростното движение по контура и машината да се подготви за успешното им преодоляване.

Различават се два алгоритъма на функцията Look ahead - динамичен и геометричен.
При динамичния алгоритъм на Look ahead се постига изглаждане на скоростта на работното подаване при високоскоростно движение по контура. Ако скоростта на работното подаване е постоянна, в точките на рязко изменение на посоката на движение възникват инерционни сили, натоварващи технологичната система и влияещи отрицателно върху точността на обработката и водещи до преждевременното износване на механичните елементи.

При геометричния алгоритъм на Look ahead предварително се разпознават моменти на колизия. Следва да се отбележи, че алгоритъмът (или алгоритмите) на функцията Look ahead е обект на фирмена тайна.

Действието на динамичния алгоритъм на функцията Look ahead се състои в следното. В специален буфер се въвеждат голям брой изречения, описващи подавателното движение по фрагмент от предстоящата за обработване част от контура. Look ahead контролира точността на позициониране и допустимите стойности на скоростта и ускорението на участващите в движението работни органи. Алгоритъмът позволява спирането да започне в средата на изречението, на границата на две изречения или едновременно в няколко изречения. В някои системи за ЦПУ се контролира и втората производна на скоростта - „дърпането” (jerk), с цел да се намали динамичното натоварване на елементите на носещата система на машината и подавателните преводи, което намалява скоростта на износването им и повишава точността на обработката.

Ако контурът е плавен, без резки изменения, функцията Look ahead може да бъде изключена. Но ако е известно, че контурът съдържа резки промени, функцията Look ahead трябва да се активира. Както е показано на фиг.6, в изречение N257 има рязка промяна на контура, изискваща почти спиране на движението по ос Х. Ако Look ahead е изключена, скоростта на движение по ос Х ще трябва рязко да се намали, което поражда значителни динамични натоварвания на машината, възникват и механични трептения. Алтернативата за движение по контура, състояща се в движение с ниска скорост с цел да се осигури предварителна готовност за резки промени, очевидно е неприемлива от гледна точка на производителността.

В по-старите системи за ЦПУ и тези, които не поддържат функцията Look ahead, буферът съдържа 3-4 изречения и системата за ЦПУ „вижда” само началото и края на текущия елемент или на следващите 2-3. Поради това, за „презастраховане” от динамични удари системата за ЦПУ автоматично намалява скоростта до минималната, при това намаляването не зависи от факта дали траекторията е гладка или с резки изменения. Движението се извършва с дърпания при много ниска средна скорост. Предимството на тези системи е простотата им и, съответно, ниската им цена.

При системите за ЦПУ, поддържащи функцията Look ahead, размерът на буфера е значително по-голям. Не съществуват правила, регламентиращи размера му, поради което той се самонастройва динамично според геометрията на контура, зададената точност, скоростта на обработката и др. Процесът на самонастройване е автоматичен и остава невидим за оператора на машината. Обикновено буферът поема 200-300 изречения, но капацитетът му позволява да се прочетат предварително 500 и повече изречения. Така системата за ЦПУ поддържа възможно най-високата подавателна скорост при движение по гладките участъци и при очакван конфликтен момент намалява скоростта на движение достатъчно рано. След това скоростта се увеличава до програмираната стойност.

Трохоидална обработка
При фрезоването в условията на HSM едно от основните изисквания е избягването на рязката смяна на посоката на движение и работата с пълен диаметър на фрезата, а също така постигането на постоянство на натоварването й, благодарение на което трайността се повишава. Това се реализира чрез трохоидална обработка. При нея центърът на фрезата има за траектория линия, наречена трохоида. Трохоидата е крива, съставена от плавни кръгови траектории, описвани от центъра на фрезата при движението й по обработвания контур. На фиг. 7 е показана трохоидалната траектория на центъра на инструмента, а контактът на режещите ръбове на фрезата с материала на заготовката става по обработвания контур. По този начин инструментът никога не извършва рязка смяна на посоката на движение, в т. ч. и при обработката на остри ъгли. Успоредно с това се намалява времето, през което даден зъб на фрезата се намира в процес на рязане, което допълнително способства за повишаване ресурса на инструмента.

Освен чрез генерираната в САМ-системата управляваща програма, съвременните системи за ЦПУ дават възможност за изпълнение на трохоидална обработка и при цеховото програмиране непосредствено върху пулта на системата. Тя е заложена в новите цикли за фрезоване на джобове и канали и за обработване на твърди материали.
Съвременните системи за ЦПУ разполагат с набор от функции, специално ориентирани към обработката на сложни контури и обемно-профилни повърхнини. Използването им дава предимства като: повишаване на точността и гладкостта на обработените повърхнини; подобряване на производителността на обработката; повишаване на удобство при програмиране; редуциране на обема на управляващата програма; предотвратяване на преждевременното износване на механичните елементи на машината; повишаване на трайността на инструмента.

Ключови думи: ЦПУ   машини   обработване   сложни контури   обемно-профилни повърхнини  

Област: Статии