Опыт решения различных проблем обработки на станках с ЧПУ

Конечно же, многие предприятия достигли очень высокого уровня автоматизации процессов производства, внедрив у себя MDC-системы для сбора аналитики и мониторинга использования оборудования с ЧПУ, MES-системы для грамотного планирования производства и PDM-системы для организации работы с конструкторско-технологическим составом изделия. Но даже сейчас на профильных выставках по металлообработке можно услышать вопросы типа «а что такое CAM-система?» или высказывания «мы закупили новые станки фирмы …, но их программирование осуществляем на контроллере ЧПУ». Это говорит о недостаточной культуре производства и о непонимании администрацией предприятия потребностей своего производства. При грамотной финансовой политике стоимость программных систем автоматизации почти полностью растворяется на фоне цены станка, тем более, что такое внедрение не требует значительных единоразовых вложений и затраты могут быть распределены в зависимости от выполнения определенного этапа работ.

Несмотря на активизацию процессов техперевооружения, на производственных мощностях сохраняются станки советского образца, очевидно нуждающиеся в замене. Спрос на новейшие модели металлорежущих станков и обрабатывающих центров с ЧПУ еще значительно превалирует над предложением. Однако одного желания мало, и в виду сокращающихся бюджетных расходов предприятия просто не в силах обновлять стремительно устаревающий станочный парк. Эта ситуация стала острее в связи со значительным повышением курса иностранных валют и неспособностью отечественных станкостроительных предприятий за разумную стоимость удовлетворить возрастающий спрос. Этот процесс, возможно, закончится, когда наше государство от политического обсуждения темы импортозамещения перейдет к практическим шагам помощи предприятиям в финансировании или в послаблении налоговой нагрузки, в случае, если предприятие инвестирует средства в собственную модернизацию производства.

В этой статье я предлагаю уважаемому читателю коснуться проблем внедрения и адаптации САМ-системы к производственным процессам. Ведь именно САМ-система по своему служебному назначению наиболее близка к конечному результату деятельности машиностроительного предприятия — к изготовлению продукции в необходимые сроки в необходимом количестве согласно размерным характеристикам и техническим требованиям, указанным на чертеже. САМ-система является буферным звеном между виртуальной и реальной моделью детали или сборочного узла, поэтому относиться к ней следует не как к коробочному продукту, а как к полноценному решению, включающему множество факторов-проблем предприятий, которые приходится решать компании-внедренцу, и которые от предприятия к предприятию могут сильно разниться.

Первая из таких проблем — отсутствие синхронизации работы приводов станка по линейным и круговым перемещениям. Грубо говоря, по прямой инструмент перемещается быстро, а поворачивается (наклоняется) медленно. В таких случаях, если встречается участок траектории инструмента с небольшим линейным перемещением и довольно большим изменением угла наклона инструмента, происходит следующее: инструмент совершает перемещение по прямой, практически не изменяя угла наклона, а после того, как инструмент уже пришёл в конечную точку перемещения, происходит большая часть перемещения по угловым осям. Как следствие — зарезы на поверхности детали, получаемые от неравномерности перемещений инструмента. Выход из этой ситуации один — компенсировать недостатки в математических расчётах, выполняемых станком, средствами САМ-системы. CAD/CAM/CAPP/PDM-система ADEM позволяет в таких случаях разбивать большие перемещения по угловым и линейным осям на несколько небольших участков, тем самым давая возможность станку выполнить перемещение и по линейным, и по угловым осям с примерно одинаковой скоростью, что позволяет, в конечном итоге, избежать поверхностных дефектов на детали.

Еще несколько проблем, относящихся к программированию обработки на станках с ЧПУ старого образца. Например, есть станки, которые не поддерживают круговую интерполяцию в 360 градусов. За счет постпроцессора в программной среде ADEM эта проблема решается путем автоматического разбиения дуг по 90 градусов.

Также нередко встречаются станки, не поддерживающие функцию постоянной скорости резания G96. За счет постпроцессора осуществляется организация автоматической поддержки данной функции путем переключения оборотов в необходимых (рассчитываемых постпроцессором) точках.

В сегменте станков, программируемых с виртуальных стоек, возникают ситуации, когда стойка не поддерживает радиусную коррекцию фрезы (G41, G42). В таких случаях единственным способом "поймать" точный размер инструмента остаётся использование CAM-системы. Например, с помощью фрезы D8 провели операцию фрезерования и оказалось, что припуск снят не полностью. Это бывает, если в качестве инструмента используем фрезу с большим вылетом и ее отгибает в процессе обработки, или если фреза «подсела». В таком случае в CAM-системе диаметр инструмента меняется, например, на значение 7.9.

Компенсация недостатков математического аппарата станков. 

Одна из часто встречающихся проблем — недостаточный объем внутренней памяти для хранения УП. Из-за отсутствия USB-разъема, хранение на сменных электронных носителях также невозможно. Решением может послужить переход на автоматическое создание параметрических программ, что и было осуществлено нашей командой на предприятии «ЗиО-Подольск». В итоге, исходными параметрами для обработки стали шаг отверстий по оси X, шаг отверстий по оси Y и угол наклона сетки отверстий, а задачей для CAM-системы, в свою очередь, стала генерация УП, которая обеспечивает обработку отверстий в определенном порядке с помощью подпрограмм. Ниже в таблице приведен образец УП с использованием подпрограмм для обработки детали с массивом отверстий.

Фрагмент УП с использованием подпрограмм

%MPF40 (€ђ-1600) (T1 Sverlo D10) (Setka: 7462 otv) (1 rjad, 46 otv) :1G90G0G55X-616Y-913.365Z0 N2W150 N3M3S500 N4W0 N5L41P22 N6L42 N7L41P22 N8L1 N9L35 (2 rjad, 48 otv) :10G90G0G55X-627Y-894.313Z0 N11W0 N12L41P23 N13L43 N14L41P23 N15L1 N16L35 (3 rjad, 50 otv) :17G90G0G55X-638Y-875.26Z0 N18W0 N19L41P24 N20L44 N21L41P24 N22L1 N23L35 …….

Деталь с массивом отверстий, которая обрабатывается с помощью подпрограмм.

Что же касается проблем с современным оборудованием с ЧПУ, то приведу такой пример — предприятия приобретают многокоординатные станки с урезанным функционалом по управлению центром инструмента в системе ЧПУ (RTCP). Это порой объясняется тем, что продавцы станков с ЧПУ просто не афишируют определенную техническую информацию — открытие в функционале системы ЧПУ команды управления центром инструмента G43.3 может привести к существенному повышению стоимости станка. Специалисты Группы компаний ADEM способны разработать постпроцессоры, заменяющие недостающие функции набором открытых команд для управления положением инструмента. Ниже приведена сравнительная таблица УП с наличием команды управления центром инструмента G43.3 и без нее.

Фрагмент УП с командой управления центром инструмента G43.3

Фрагмент УП без команды управления центром инструмента G43.3

Z250 S500 M3 A46.602 B64.231 G49 G43.4 Z250 H1 X-58.691 Y59.368 Z49.374 A46.602 B64.231 G1 X-60 Y60 Z48 F20 X-58.332 Z46.453 A44.849 B65.255 X-56.62 Z44.946 A43.068 B66.435 X-55.747 Z44.209 A42.168 B67.088 X-54.865 Z43.482 A41.263 B67.784 X-53.972 Z42.767 A40.355 B68.527 X-53.07 Z42.063 A39.443 B69.317 X-52.158 Z41.371 A38.529 B70.157 X-51.237 Z40.69 A37.614 B71.049 X-50.307 Z40.022 A36.699 B71.996 X-49.369 Z39.366 A35.786 B73.001 X-48.422 Z38.723 A34.875 B74.066 X-47.468 Z38.092 A33.969 B75.194 X-46.505 Z37.474 A33.068 B76.389 X-45.535 Z36.869 A32.175 B77.653 X-44.558 Z36.277 A31.291 B78.991 X-43.574 Z35.699 A30.418 B80.406 X-42.277 Z34.963 A29.295 B82.381 X-41.278 Z34.416 A28.457 B83.989 X-40.272 Z33.882 A27.638 B85.691 X-39.258 Z33.361 A26.84 B87.491 X-38.236 Z32.853 A26.066 B89.393 X-37.207 Z32.358 A25.319 B91.399

Z250 S500 M3 G53 G90 Z780 A46.602 B64.231 X27.948 Y89.922 Z-23.235 G1 Z-25.235 F20 X30.074 Y88.125 Z-22.139 A44.849 B65.255 X32.36 Y86.13 Z-18.984 A43.068 B66.435 X33.563 Y85.05 Z-17.385 A42.168 B67.088 X34.802 Y83.909 Z-15.775 A41.263 B67.784 X36.078 Y82.705 Z-14.154 A40.355 B68.527 X37.389 Y81.431 Z-12.523 A39.443 B69.317 X38.733 Y80.083 Z-10.883 A38.529 B70.157 X40.109 Y78.657 Z-9.238 A37.614 B71.049 X41.514 Y77.147 Z-7.586 A36.699 B71.996 X42.945 Y75.548 Z-5.931 A35.786 B73.001 X44.401 Y73.854 Z-4.274 A34.875 B74.066 X45.878 Y72.06 Z-2.618 A33.969 B75.194 X47.371 Y70.158 Z-0.963 A33.068 B76.389 X48.876 Y68.143 Z0.688 A32.175 B77.653 X50.387 Y66.009 Z2.332 A31.291 B78.991 X51.899 Y63.749 Z3.969 A30.418 B80.406 X53.865 Y60.59 Z6.095 A29.295 B82.381 X55.348 Y58.014 Z7.703 A28.457 B83.989 X56.805 Y55.287 Z9.297 A27.638 B85.691 X58.224 Y52.401 Z10.873 A26.84 B87.491 X59.591 Y49.352 Z12.432 A26.066 B89.393 X60.891 Y46.137 Z13.969 A25.319 B91.399

ADEM формировался как система, которая берет свои корни из рядовых производственных задач, и во главу угла мы ставим решение проблем, которые наиболее часто встречаются на производстве. Именно такой проблемой стал для нас контроль толщины стружки, снимаемой при фрезеровании. Большинство известных САПР для подготовки УП оперируют заданием процента от диаметра инструмента, который соответствует глубине резания. Этим же параметром часто оперируют и поставщики режущего инструмента. Но именно толщина стружки, согласно теории резания, имеет линейную зависимость с силой резания и величиной подачи на зуб, а, следовательно, влияет на процесс резания и режимы обработки. А вот между подачей на зуб и процентом от диаметра инструмента существует тригонометрическая зависимость, а не линейная, как в случае с величиной толщины стружки. Режущая кромка инструмента работает в определенном диапазоне толщин стружки. Если толщина стружки больше — ломается режущая кромка, если меньше — происходит «засаливание» инструмента. Фреза проскальзывает по заготовке, снимает меньше указанной величины толщины стружки и стирается по задней кромке, повышаются температуры в зоне резания и велика вероятность возникновения наклепа поверхностного слоя обрабатываемой заготовки. Кроме того, на современных станках с ЧПУ теперь почти всегда имеется индикация усилия на приводы при обработке. Это, в сущности, и есть сила резания в той или иной плоскости, на которую проецируется вектор силы.

При обработке по УП, сгенерированной в системе ADEM, усилия резания не имеют резких скачков и находятся в пределах 5% от предыдущего показателя в каждый новый момент времени. А вот при соблюдении процента от диаметра инструмента, эти скачки носят внезапный характер и их размер может достигать 20%, что станками часто квалифицируется как удар. Это очень важно для чувствительных станков с датчиками отслеживания усилия на приводы. Такие станки при резком повышении усилия просто останавливаются в аварийном режиме, что может свести на нет всю осуществленную уже обработку. Подобная проблема имела место на предприятии ОАО «РсК МиГ» на 3-х координатных станках Macodel Willemin M920 при обработке пластичной и вязкой нержавеющей стали. При использовании УП некоторых САМ-систем, станок просто останавливался, а при использовании УП от ADEM станок работал в стабильном режиме инструментом Sandvik CoroMill 210 и показывал результаты при величине оборотов шпинделя в 1700 об/мин подачу на зуб в 0,7…0,75 мм/зуб!

Одной из проблем, с которой мы столкнулись в «Конструкторском бюро Химической автоматики» (КБХА, г. Воронеж), было отсутствие опции контроля положения инструмента при работе с осями вращения и вывод в УП координат, функционально зависимых от параметров вылета инструмента. Предприятие приобрело 5-ти координатный токарно-фрезерный станок с приводным инструментом и качающимся шпинделем. Станок имел существенный технических изъян – при переключении в режим фрезерования он терял ранее выбранную систему координат детали. То есть невозможно было осуществить фрезерную обработку – сбивались все заданные корректоры на инструмент, терялась траектория, следовательно, станок начинал бесконтрольные перемещения, возникал риск столкновения с неподвижными узлами в рабочей зоне. Для решения проблемы был создан специальный постпроцессор, который выдавал на стойке с ЧПУ запрос, обязывающей оператора заново осуществить обмер детали щупом, задать новую систему координат и внести соответствующие данные в пустые поля запроса.

Одна из новых задач, с которой сегодня могут столкнуться поставщики САМ-систем, состоит в реализации работы с контрольно-измерительными циклами и необходимостью вывода результатов измерения в файл отчета. Один из наших клиентов приобрел 5-ти координатный вертикально-фрезерный станок с измерительными датчиками фирмы Renishaw. Номенклатура производства состояла из мелкогабаритных деталей, которых на рабочем столе станка могло разместиться несколько десятков. И, соответственно, возникла задача осуществлять межоперационный обмер каждой детали непосредственно на столе станка. Эта задача была успешно решена — создан отдельный постпроцессор с программированием измерительных циклов датчика и генерированием файла отчета.

Процесс измерения детали системой Renishaw.

Работа с циклами соответствующей системы ЧПУ позволяет, как известно, значительно сократить УП, упростить процесс задания и контроля параметров обработки. Также короткая программа легче считывается системой ЧПУ, которая перед наступлением следующего кадра УП успевает дать соответствующую команду на приводы станка. Интересная задача – заставить CAM-систему формировать УП с учетом специальных функций интерфейсов ShopTurn и ShopMill компании Siemens. Сложность в данном случае заключается в необходимости вывода в УП множества служебных команд. Хотя и эта задача вполне успешно решается путем разработки специального постпроцессора.

Интерфейс ShopTurn системы ЧПУ Sinumerik.

Нередко предприятия, приобретая новый станок с ЧПУ, не знают, для каких целей он будет использоваться через один или два года. Вообще, любому технологу трудно предвидеть, с каким ограничениями в работе станка он столкнется на каждой новой детали. Особенно это характерно для единичного производства на станках со сложной кинематикой. На предприятии РКК «Энергия имени С. П. Королева» возникла необходимость обработки камеры стыковочного узла космической станции. Обработка этой камеры изначально планировалась на станке с поворотным столом (вращение по оси С) и поворотным шпинделем (вращение по оси В). Оказалось, что рабочее пространство станка было недостаточных размеров, чтобы вместить такую крупногабаритную деталь, а обработать ее нужно было инструментом с большим вылетом, позволяющим добраться до всех поднутрений. Эта задача была также решена с помощью постпроцессора, который обеспечил синхронное перемещение инструмента одновременно по двум осям: поступательное движение в направлении углубления отверстия и разворот инструмента так, чтобы не было столкновения с кромкой отверстия на детали.

Я постарался коротко описать те проблемы обработки на станках с ЧПУ, которые успешно решаются с помощью средств программной автоматизации и, в частности, при использовании функционала CAD/CAM-системы ADEM. Повышение производительности зависит от многих факторов, но прежде всего — от волевого решения и желания руководства предприятия идти в ногу со временем, использовать современные как аппаратные, так и программные средства автоматизации и контроля производства, а также зачастую жертвовать кратковременным покиданием привычной зоны комфорта предприятия для более качественных и количественных показателей в будущем.