Prezentacja programu PowerPoint

Zebranie ZAOiOS 07-11-2013
Optymalizacja w programowaniu obróbki
Schemat procesu skrawania
Opracowanie technologii wiąże się z dokonywaniem wyborów w zakresie danych
wejściowych. O złożoności zagadnienia świadczy duża liczba i różnorodność
danych. W praktyce dąży się do osiągnięcia zadanych parametrów
dokładnościowych przy akceptowalnych wartościach wskaźników
wydajnościowych i ekonomicznych. Stosunkowo rzadko uruchamia się formalne
procedury optymalizacyjne.
2
dr inż. Tadeusz Rudaś
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Instytut Technik Wytwarzania PW
W systemach wspomagających programowanie obrabiarek (systemy CAM,
programy symulacyjne) w wielu miejscach pojawia się słowo optymalizacja.
Chodzi wówczas o funkcje oprogramowania, które w określonych zastosowaniach
i warunkach pozwalają na uzyskanie lepszych wskaźników wynikowych procesu.
Funkcje te można podzielić na dwie kategorie:
• W pierwszej, nazwanej poniżej optymalizacją programu NC, mamy do
czynienia z modyfikacjami programu bez zasadniczych zmian toru ruchu
narzędzia. Punkt wyjścia stanowi program obróbkowy w postaci kodu NC lub
pliku pośredniego systemu CAM. Może być przeprowadzona zarówno w
systemach CAM, jak również w programach symulacyjnych.
W programowaniu (zabiegu lub operacji) oddziałuje się na wyniki procesu
skrawania głównie przez dobór jego parametrów oraz toru ruchu narzędzia. Inne
wielkości wejściowe (półfabrykat, obrabiarka, uwarunkowania technicznoekonomiczne) można traktować jako stałe. Program powinien zapewnić uzyskanie
właściwych kształtów i dokładności przedmiotu obrabianego przy zachowaniu
bezpieczeństwa obróbki (brak kolizji), a w następnej kolejności uwzględniać
kryteria wydajnościowe i ekonomiczne.
• Druga kategorię stanowi optymalizacja toru ruchu narzędzia. W tym przypadku
zmiany związane są z przyjętą strategią obróbki i mogą być realizowane w
środowisku, w którym generowane są drogi narzędzia.
3
4
Optymalizacja posuwu – obróbka zgrubna
Materiał usuwany przez frez w czasie 1s (tor ruchu narzędzia składa się z dwóch
prostopadłych odcinków, nominalna szerokość frezowania równa promieniowi frezu).
Optymalizacja posuwu – obróbka zgrubna
5
•
Programując obróbkę zgrubną zakładamy określone wartości głębokości i
szerokości skrawania (ap, ae). Nawet przy regularnych kształtach półfabrykatu
nie gwarantuje to stałego obciążenia narzędzia.
•
Parametry odnoszące się do ruchów narzędzia (prędkość skrawania i posuw)
powinny dotyczyć najbardziej niekorzystnego przypadku obciążenia. Stwarza to
znaczne rezerwy wydajności obróbki związane z możliwością zwiększenia
parametrów tam, gdzie obciążenie było niższe.
•
Powstały rozwiązania umożliwiające dostosowanie parametrów skrawania
(głównie posuwu) do bieżących warunków obróbki. Rozwiązania takie występują
zarówno w niektórych programach CAM (Mastercam), jak i w programach
symulacyjnych.
•
W większości przypadków modyfikacja posuwu opiera się na utrzymaniu stałej
objętościowej wydajności skrawania (dla frezowania równej iloczynowi posuwu
minutowego, głębokości i szerokości skrawania). Daje to zbliżone warunki
obróbki, aczkolwiek nie gwarantuje w pełni stałych parametrów odnoszących się
do zjawisk występujących w procesie skrawania (siły, ciepło).
•
W mniej rozpowszechnionych programach, w których występuje symulacja
procesu obróbki z wykorzystaniem MES, istnieje możliwość modyfikacji
parametrów skrawania w oparciu o zjawiska towarzyszące procesowi.
6
1
Filtrowanie i wygładzanie toru ruchu narzędzia
Optymalizacja posuwu – obróbka
wykończeniowa
•
Przy zbliżaniu się narzędzia do narożnika lub łuku o małym promieniu pożądane jest
zmniejszenia posuwu, co pozwala na zmniejszenie błędów związanych z działaniem
serwonapędów na poszczególnych osiach obrabiarki.
•
Redukcja posuwu w narożach powoduje też zmniejszenie obciążenia narzędzia, jak
również wpływa pozytywnie na jego trwałość.
•
Dostosowywanie posuwu do kształtu toru ruchu narzędzia wymaga wprowadzenia do
systemu dokonującego optymalizacji danych o właściwościach dynamicznych obrabiarki
oraz sposobie reagowania na zmianę kierunku ruchu (kiedy i w jaki sposób zmieniać
prędkość posuwu).
•
•
Odnosi się ono do tych dróg narzędzia, które powstały w oparciu o strategie obróbek
powierzchni. Tor ruchu narzędzia reprezentowany jest tam przez sekwencje punktów
mieszczących się w obszarze zadanej tolerancji. Gęste usytuowanie tych punktów zakłóca
płynność pracy obrabiarki.
•
W wielu przypadkach można dokonać filtrowania drogi narzędzia zastępując wiele małych
odcinków, z których się składa, pojedynczymi odcinkami lub łukami mieszczącymi się w
zadanej tolerancji filtrowania. Uzyskuje się dzięki temu nieraz znaczne skrócenie
programu NC oraz poprawienie płynności pracy obrabiarki, co skutkuje zwiększeniem
dokładności obróbki (gładkości powierzchni) oraz pozytywnie wpływa na stan narzędzia.
•
Brak jest jednoznacznych wytycznych dotyczących parametrów filtrowania, do których
należą oprócz tolerancji, zakres dopuszczalnych promieni łuków oraz liczba punktów
branych pod uwagę przy próbie uproszczenia drogi. Dobór tych parametrów odbywa się
zwykle w oparciu o doświadczenie programistów lub próby.
•
Przy obróbce 3D filtrowanie najlepiej sprawdza się przy takich powierzchniach, przy
których oczekujemy toru narzędzia będącego lub zbliżonego do odcinka lub łuku powierzchni płaskich, walcowych, stożkowych, kulistych,
•
Nie zaleca się tego sposobu poprawiania drogi narzędzia przy obróbce powierzchni typu
„free form” –powierzchnia może być wówczas mniej regularna, mogą pojawiać się
spłaszczenia.
W nowoczesnych obrabiarkach zadania te w znacznym zakresie mogą być realizowane
przez oprogramowanie wewnętrzne sterownika, który wczytuje i analizuje bloki programu
7
poprzedzające obróbkę.
8
Filtrowanie i wygładzanie toru ruchu narzędzia
•
W przypadku obróbki powierzchni typu „free form” najlepsze rezultaty przynosi
wygładzenie drogi narzędzia przez zastąpienie sekwencji punktów wyznaczających drogę
narzędzia krzywą (splajn) przebiegającą w obszarze zadanej tolerancji. Realizacja takiej
obróbki wymaga jednak maszyny ze sterownikiem obsługującym ten rodzaj interpolacji.
•
W przypadku sterowników obsługujących interpolację liniową i kołową wyraźną poprawę
gładkości powierzchni obrobionej może przynieść zamiana punktów wyznaczających
drogę narzędzia. Algorytm obejmuje w pierwszym etapie zastąpienie ich krzywą
(splajnem) mieszczącą się w zadanym polu tolerancji. W drugim etapie na krzywej tej z
udziałem czynnika losowego tworzone są nowe punkty wg których realizowana będzie
obróbka. Czynnik losowy zapobiega powtarzalności położenia punktów interpolacji na
sąsiadujących drogach narzędzia, co w rezultacie powoduje podniesienie jakości
powierzchni obrobionej (mniej rys, skaz itp.).
Optymalizacja toru ruchu narzędzia – zaokrąglanie dróg narzędzia w
narożach
•
Innym podejściem do zagadnienia optymalizacji programowania obróbki jest
przeprowadzenie jej w oparciu o zmianę drogi narzędzia. Nie występuje tutaj naprawianie
istniejącej drogi, lecz istotna zmiana lub modyfikacja toru ruchu narzędzia. Tego typu
działania optymalizacyjne są możliwe do realizacji w środowiskach, w których
generowane są drogi narzędzia, zwykle w systemach CAM.
•
Stosunkowo prostym przykładem takiego podejścia może być modyfikacja toru ruchu
narzędzia przez zastosowanie zaokrągleń w miejscach, w których łączą się prostoliniowe
fragmenty toru. Jest to sposób na ograniczenie zakresu niekorzystnych zjawisk
występujących przy drogach narzędzia zmieniających kierunek (obróbka naroży).
Droga narzędzia przy obróbce kieszeni przed i po zaokrągleniu.
Efekt optymalizacji programu NC przy frezowaniu wykończeniowym powierzchni.
Źródło: blog.mastercam.com.
9
10
Optymalizacja toru ruchu narzędzia – modyfikacja toru ruchu narzędzia
Optymalizacja toru ruchu narzędzia – modyfikacja toru ruchu narzędzia
•
W ostatnich latach pojawiły się nowatorskie rozwiązania odnoszące się do obróbek
frezarskich realizowanych z wykorzystaniem 2,5 osi NC. Inspiracją dla nich stały się
wymagania stawiane drogom narzędzia przez obróbki HSM.
•
Alternatywą dla optymalizacji posuwu jest modyfikacja toru ruchu narzędzia. Na rys.
przedstawiono drogi narzędzia przy obróbce kieszeni wygenerowane na dwa sposoby.
Przy sposobie tradycyjnym drogi narzędzia powstały przez odsunięcie zarysu kieszeni
najpierw o promień freza, później o odległość równą szerokości frezowania. W efekcie
pojawiło się wiele miejsc, w których następuje gwałtowna zmiana kierunku ruchu frezu.
•
W rozwiązaniu alternatywnym brak jest takich miejsc. Obróbka naroży odbywa się
stopniowo z nawracaniem narzędzia (charakterystyczne pętle). Wskutek nawracania
droga narzędzia może być dłuższa od uzyskanej w sposób tradycyjny, jednak nie
przekłada się to na wzrost czasu obróbki, ponieważ nawroty podczas których narzędzie
nie obrabia wykonywane są z innymi (większymi) prędkościami posuwu.
Obróbka kieszeni: a). droga narzędzia równoległa do zarysu kieszeni (tradycyjna), b).
droga narzędzia uzyskana w module iMachining (SolidCAM)
11
•
Rozwiązania generujące tego typu drogę narzędzia na szeroką skalę chyba najwcześniej
w pakietach komercyjnych CAM zastosowano w programie SurfCAM (technologia
TRUEMill), później w wielu innych czołowych pakietach CAM.
•
Zastosowane algorytmy opierają się na analizie kąta opasania (styku) freza, stąd jednym
z kluczowych parametrów jest w nich maksymalny kąt opasania lub dopuszczalny zakres
tego kąta.
•
Ograniczenie zakresu kąta opasania, przy założeniu stałej głębokości skrawania,
zmniejsza zakres zmienności obciążenia frezu. Maksymalna wartość kąta ogranicza
obciążenie frezu, minimalna zapobiega występowaniu takich fragmentów drogi, gdzie
dominuje strefa poślizgu frezu po materiale.
Kąt opasania (styku) występujący jako parametr optymalizacji drogi
narzędzia.
12
2
Optymalizacja toru ruchu narzędzia – modyfikacja toru ruchu narzędzia
Optymalizacja toru ruchu narzędzia –
modyfikacja toru ruchu narzędzia
•
Jako kształt toru ruchu narzędzia przyjmowana jest spirala płaska, co przy stałym skoku
spirali daje w przybliżeniu stałość obciążenia narzędzia.
•
W niektórych systemach stosowane są spirale morficzne. Kształt spirali morficznej
dostosowuje się do kształtu obrabianego obszaru, dając przy tym płynne przejścia
między elementami drogi odpowiedzialnymi za kształtowanie poszczególnych
fragmentów obrabianego zarysu. Tego typu spirala z zasady powoduje pewną zmienność
szerokości skrawania. Aby poprawić efektywność takiej drogi narzędzia algorytm może
dostosowywać parametry skrawania, zwłaszcza posuw, do bieżących warunków.
•
Zastosowanie dróg spiralnych jest najbardziej efektywne w przypadku obróbki obszarów
ograniczonych zarysami zbliżonymi kształtem do okręgu (o małym zróżnicowaniu
wymiarów na poszczególnych kierunkach). W niektórych programach CAM pojawiły się
możliwości automatycznej analizy przez system obrabianego obszaru, a następnie
dzielenia go na podobszary dostosowane do obróbki wg spirali.
Podział obrabianego obszaru przy obróbce złożonej kieszeni
Źródło: www.solidcam.com.
13
•
•
•
•
Drogi spiralne stosowane są zarówno do obszarów wewnętrznych (kieszeni), jak i
zewnętrznych. W przypadku tych ostatnich może to w sposób radykalny zmniejszyć
liczbę wejść i wyjść niepożądanych z punktu widzenia płynności obróbki.
Przy tradycyjnych algorytmach obszary zewnętrzne obrabiane są przy zastosowaniu
dróg konturowych równoległych do obrabianego zarysu obcinanych przy pomocy zarysu
półfabrykatu i powiększanych o fragmenty odpowiedzialne za wejście i wyjście narzędzia.
Po obróbce na każdej z dróg narzędzie wycofywane jest na poziom bezpieczny dla
przemieszczenia go ruchem szybkim do początku następnej drogi. W rezultacie,
zwłaszcza przy zróżnicowanej szerokości obrabianego obszaru daje to wiele ruchów
ustawczych i związanych z tym wejść i wyjść.
Przy obróbce z wykorzystaniem dróg spiralnych (rys.) praktycznie całość obróbki
realizowana jest na poziomie powierzchni obrabianej. W przypadku zróżnicowania
szerokości obrabianego obszaru generowane są lokalnie fragmenty drogi w kształcie
pętli.
Obróbka zewnętrznego zarysu: a). drogi narzędzia równoległe do zarysu , b). droga
narzędzia uzyskana jako „dynamiczne frezowanie rdzenia” (Mastercam).
15
14
Optymalizacja przejść przy obróbce zgrubnej
•
Możliwość ograniczenia zakresu kąta opasania do stosunkowo małych wartości ułatwia
programowanie obróbki z dużymi osiowymi głębokościami skrawania. Pozwala to m.in.
na efektywne wykorzystanie w obróbce całej lub znaczącej części długości ostrzy freza.
•
Ponieważ przy obróbce zgrubnej powierzchni powodowałoby to pozostawianie dużych
ilości materiału, pojawiły się rozwiązania łączące ze sobą obróbkę z dużymi
głębokościami z cofaniem freza na pośrednie poziomy i zwiększaniem dokładności
odwzorowania docelowej powierzchni (ze zmodyfikowanymi parametrami skrawania).
Rozwiązania takie zmniejszają liczbę ruchów związanych z zagłębianiem i wycofywaniem
frezu.
Obróbka zgrubna z dużą głębokością skrawania i dodatkowymi przejściami
(OptiRough – Mastercam).
16
Podsumowanie:
• Optymalizacja procesu skrawania może być realizowana na różnych etapach
projektowania technologicznego, w tym przy programowaniu obróbki.
• W systemach CAD/CAM i programach symulacyjnych pod hasłem optymalizacja
kryje się zbiór zaawansowanych funkcji pozwalających na polepszenie
wskaźników procesu (wydajnościowych, ekonomicznych, dokładnościowych).
• Część z tych funkcji działa na zasadzie poprawiania programu NC, bez
zasadniczych zmian toru ruchu narzędzia, w innych stosowane są specjalne
strategie obróbki przynoszące lepsze rezultaty w stosunku do rozwiązań
tradycyjnych.
• Każda z funkcji odnoszących się do optymalizacji posiada swój obszar
zastosowania. Efektywne ich wykorzystanie wymaga dużych umiejętności i
doświadczenia programisty.
• Generowanie dróg narzędzia w oparciu o przedstawione metody wymaga
znacznie bardziej złożonych algorytmów obliczeniowych niż przy metodach
tradycyjnych. Zastosowane rozwiązania są na tyle innowacyjne, że stały się
przedmiotem zgłoszeń patentowych ze strony producentów oprogramowania.
17
3