Анализ пакетов прикладных программ для формирования программы управления станком с ЧПУ

Введение
Особенности современного этапа развития машиностроения характеризуется значительным распространением и использованием многофункциональных станков с ЧПУ. Применение такого типа оборудования позволяет значительно повысить производительность обработки и улучшить качество изготавливаемых деталей. Главная особенность этого оборудования состоит в том, что движение инструмента относительно обрабатываемой заготовки заранее программируется и записывается в числовой форме[1].
Рабочий цикл станка с ЧПУ осуществляется автоматически от управляющей программы. Управляющая программа – это совокупность команд на языке программирования, соответствующих заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной заготовки. Управляющая программа содержит как геометрическую, так и технологическую информацию.
Предназначением управляющих программ станков чпу является подача команд на перемещение инструментов, заготовок, а также контроль скорости металлообработки. Данные информационные продукты создаются в проектной среде AutoCAD/CAM/CAE на основе цифровых моделей будущих изделий, то есть пишутся под конкретную продукцию.
Целью реферативной исследовательской работы служит анализ пакетов прикладных программ для формирования программы управления станком с ЧПУ.
В ходе исследования необходимо решить следующие задачи:
Изучить основные принципы управления станком с ЧПУ.
Рассмотреть создание управляющей программы для станка с ЧПУ. Профессиональные пакеты CAM, а именно Fusion 360, Vectric / Aspire, MasterCAM.
В работе будут использованы учебники, научные статьи, ресурсы сети интернет.
1 Основные принципы управления станком с ЧПУ
Числовое программное управление станком – это управление обработкой заготовки на станке по управляющей программе, в которой данные заданы в цифровой форме. По характеру движения исполнительных органов системы ЧПУ классифицируются на: позиционные, контурные, универсальные, синхронные [2].
При позиционном управлении перемещение рабочих органов станка происходит в заданные точки, причем траектория перемещения не задается. Позиционные устройства ЧПУ обеспечивают автоматическое перемещение рабочего органа станка в координату, заданную программой, без обработки в процессе [2] перемещения рабочего органа. Эти устройства применяют в сверлильно-расточных и других станках. Перемещение инструмента от одной точки (координаты) обработки к другой выполняется на ускоренных ходах. Специфичным для этого класса УЧПУ является требование обеспечения точности только при остановке в заданной координате.
Контурное управление подразделяется на контурные прямоугольные системы ЧПУ, контурные криволинейные системы ЧПУ и синхронные системы ЧПУ. Контурные прямоугольные системы ЧПУ используют в станках, у которых обработка проводится лишь при движении по одной координате и обрабатываемая поверхность параллельна направляющим данной координаты.
В большинстве станков применяют прямоугольные координаты, поэтому такие системы получили название прямоугольных. В этих системах, как и в позиционных, программируются конечные координаты перемещения. Однако в программе задается скорость движения в соответствии с требуемым режимом резания, и перемещение выполняется поочередно по каждой из координатных осей. В этих системах отставание или опережение (рассогласование) по скорости относительно запрограммированного значения непосредственно не вызывает погрешности обработки, так как инструмент продолжает движение по заданной траектории. Возникает лишь нарушение расчетного режима резания и связанное с этим незначительное изменение шероховатости обрабатываемой поверхности и упругих деформаций системы станок - деталь.
Прямоугольные системы управления используют в станках фрезерной, токарной и шлифовальной групп. Контурные криволинейные системы ЧПУ применяют в станках многих групп. Они обеспечивают формообразование при обработке в результате одновременного согласованного движения по нескольким управляемым координатам.
Контурные системы являются наиболее сложными как с точки зрения алгоритма работы УЧПУ, так и с точки зрения требований, предъявляемых к приводу подач. Разновидностью контурных систем ЧПУ являются синхронные системы, применяемые в основном в зубообрабатывающих станках. УЧПУ задает постоянное соотношение скоростей по двум или большему числу координатных осей станка, а формообразование обеспечивается благодаря конфигурации инструмента[3].
В зависимости от уровня использования средств вычислительной техники, системы ЧПУ классифицируются следующим образом.
1. Системы типа NC (Numerical Control) - числовое программное управление, осуществляющее адресование команд, расчет некоторых элементов геометрии детали, интерполяцию промежуточных точек по опорным, реализацию типовых циклов по жестко заданным алгоритмам, реализованным аппаратным способом. Информация в систему ЧПУ типа NC вводится с управляющей программы кадрами (порциями).
2. Системы типа MNC (Memory NC) или SNC (Stored NC) - агрегатно-блочные системы ЧПУ типа NC, оснащенные дополнительным блоком оперативной памяти, позволяющим хранить информацию об управляющей программе. Программа в устройство ЧПУ вводится сразу, проверяется, а затем выдается для обработки кадрами. Преимуществом системы типа MNC, по сравнению с системой типа NC, является высокая надежность в работе, т. к. необходимость в использовании сложного фотосчитывающего устройства для каждого кадра программы не требуется.
3. Системы типа HNC (Hand NC) - с ручным заданием управляющей программы на пульте управления. Преимущество таких систем по сравнению с системами типа MNC - отсутствие необходимости подготовки УП (управляющей программы) технологом-программистов.
4. Системы типа CNC (Computer NC) - системы управления со встроенными одной или несколькими микроЭВМ (микропроцессорами) и с программной реализацией алгоритмов, которые записываются в постоянное запоминающее устройство при изготовлении устройства ЧПУ. Системы типа CNC имеют [4] возможность формировать типовые циклы обработки применительно к различным технологическим задачам. Программно-математическое обеспечение для реализации этой возможности хранится в постоянно перепрограммируемом запоминающем устройстве. Системы CNC позволяют программировать логику работы электроавтоматики силового оборудования станка.
5. Система DNC (Direct Numerical Control) – система, управляющая группой станков от одной ЭВМ, имеющая общую память для хранения программ, распределяемых по запросам от станков. Такие УЧПУ являются устройствами высшего ранга и служат для организации согласованной работы технологических объектов, включенных в комплекс, например в ГПС (гибкие производственные системы).
6. Система PCNC (Personal Computer NC) – системы управления, появившиеся в последнее время и построенные на основе персонального компьютера в индустриальном исполнении, основное отличие которых заключается в ударо- и виброзащищенном исполнении, а также в наличии специальной интерфейсной платы, обеспечивающей сопряжение ПЭВМ с приводами, датчиками, электроавтоматикой станка. Такое построение позволяет удешевить систему ЧПУ, легко ее адаптировать к различным по функциональному назначению станкам путем коррекции соответствующего программного обеспечения. Все это позволяет легко модернизировать устаревшие системы ЧПУ NC, MNC, SNC, HNC, CNC, DNC до PCNC, что в ряде случаев успешно выполняется (при условии удовлетворительных точностных характеристик модернизируемого оборудования).
7. STEP-NC (пошаговая система управления), разрабатываемая в последнее время система ЧПУ. Построена на основе систем PCNC, ее основная идея – исключить участие человека в подготовке к процессу обработки. В состав программного обеспечения такой системы обязательно входят пакеты CAD, CAPP, CAM.
Функционирование осуществляется по шагам:
1. Система CAD обеспечивает автоматизацию разработки чертежа обрабатываемой детали и подготовку геометрической и технологической информаций к передаче в CAPP и системы САМ.
2. Система CAPP определяет технологию обработки заготовки детали на оборудовании (устанавливает способы обработки, назначает режимы, устанавливается режущий и вспомогательный инструменты, устанавливает последовательнось и состав переходов обработки).
3. Система CАМ осуществляет по результатам предыдущих шагов расчет траектории перемещений инструмента, определение последовательности событий управления приводами и электроавтоматикой станка[5].
Обычно результатом работы системы CAM является управляющая программа (УП), которая в дальнейшем отрабатывается оборудованием (это позволяет легко модернизировать существующие системы DNC и PCNC до STEPNC), однако в настоящее время выполняется проектирование систем САМ, непосредственно управляющих СЧПУ станком без формирования УП.
2 Создание управляющей программы для станка с ЧПУ. Профессиональные пакеты CAM
Независимо от того, используется фрезерный или токарный станок с ЧПУ, типичный процесс создания детали состоит из следующих этапов:
CAD используется для проектирования деталей;
дополнительные программы могут оптимизировать результат CAD для изготовления на станке;
CAM анализирует чертеж CAD, получает данные от оператора станка (например, о типе материала или инструменте) и выводит управляющие команды G-Code для контроллера станка;
контроллер станка, на основе полученных из G-code-команд, активирует соответствующие электрические цепи в нужной последовательности и с заданной длительностью, что заставляет станок выполнять предусмотренные программой операции[6].
G-Сode — это наиболее распространенный язык, который понимают станки с ЧПУ

. Помимо G-Code используются такие языки, как OpenSBP, HPGL (Hewlett-Packard Graphics Language), Cutter Location (CL) Data, APT.
2.1 Fusion 360
Программный комплекс создания управляющих программ для станков с ЧПУ, с поддержкой до пяти осей, или 3D-принтеров. Позволяет непосредственно в самой программе создавать чертежи изделия, а также импортировать или экспортировать файлы AutoCAD. По сути, Fusion 360 — полноценный CAD, CAM и CAE комплекс. Функция генеративного дизайна, когда ПО самостоятельно создаёт множество моделей, сравнивает их и выбирает наиболее соответствующие заданию, позволяет тестировать свои проекты на самых ранних стадиях разработки. Огромная библиотека конструкторских решений позволяет существенно ускорить процесс разработки проекта. В Приложении 1 примеры моделей, созданных в программе.
Программное обеспечение Autodesk FUSION 360 – удобный интерфейс и множество полезных функций. Оно разработано специально для области машиностроения, используется в проектировании различных объектов и моделей. Модуль сочетает в себе CAD/CAE/CAM, работает как на Windows, так и с Mac. Все проекты разрабатываются в одной среде, а облачное хранение обеспечивает свободный доступ к работе в любое место и время, а также есть возможность корректировать задания вместе с другими сотрудниками.
Особенности:
Использование в проектировании: оптимальное количество инструментов для изменения формы и особенностей модели;
Возможность инженерного анализа: создание анимационных моделей с имитацией движения и реалистичным набором характеристик;
Используется в производстве при создании объекта, готового для работы на станках и принтерах.
Итерационное определение формы изделия. Быстро и удобно рассмотреть множество различных вариаций формы будущего изделия. Использовать сплайновое и твердотельное моделирование, чтобы шаг за шагом приблизиться к итоговому виду продукта. Можно создать эргономичные формы посредством технологии T-сплайнов и поверхностного моделирования. Указать точную форму кривизны поверхностей или непосредственно редактировать грани, ребра и вершины сплайнов вручную (рис.1).
Рис.1.Сплайновое моделирование
Твердотельное моделирование. Твердотельное моделирование (рис.2) никогда не было таким простым, как во Fusion 360. Во многом это связано с появлением временной шкалы проекта, благодаря которой можно с легкостью «откатиться» до необходимой стадии и изменить ее, не беспокоясь за последующее обновление структуры. Использовать привычные инструменты нисходящего и восходящего проектирования, такие как выдавливание, вращение, сопряжение, лофт, булевы операции и многие другие для создания, как органичных форм, так и детализированных механических изделий.
Рис.2.Твердотельное моделирование.
Параметрическое моделирование. Использовать можно параметрические размеры (рис.3) при определении эскизов. Это позволит связать геометрические характеристики элементов с определенной величиной или функцией. Причем при обновлении того или иного параметра, модель автоматически обновится, соответственно, изменив при этом связанные элементы.
Рис.3.Параметрическое моделирование
Использование сеточных моделей. Импортируйте файлы STL и OBJ, отсканированные с реального объекта, и используйте их в качестве базы для будущей 3D-модели. Создать можно сплайновую поверхность, повторяющую профиль сетки, используя инструмент Object Snap или используйте команду Pull, чтобы привязать вершины сплайнов к сеточной поверхности. После этого можно приступить к дальнейшей доработке модели(рис.4).
Рис.4.Использование сеточных моделей
После установления основных определяющих характеристик проекта, можно проработать их, используя инструменты по созданию сборок, проведения инженерного анализа, анимации движения и рендера.
Понимание того, как изделие будет вести себя в реальной среде до того, как оно пойдет в производство, может сэкономить вам время и деньги. Использовать можно инструменты инженерного анализа, чтобы выявить наиболее уязвимые места будущего продукта и исправить их на стадии проектирования. Поделиться результатами расчетов можно с остальной командой при помощи А360. На данный момент доступны прочностной и модальный анализ, расчет теплообмена и термопрочностной расчет (рис.5).
Рис.5.Инженерный анализ
Импорт/экспорт файлов. Импортировать можно более 50 различных CAD-форматов, включающих в себя SLDPRT, SAT, IGES, STEP, STL и OBJ. Fusion 360 сохранит исходный файл и создаст на его основе собственный комплексный формат F3D. Экспортируйте файлы на локальный компьютер или в облако — как только модель экспортируется и будет готова к скачиванию, вы получите e-mail уведомление. Локальный экспорт включает в себя форматы IGES, SAT, SMT, STEP, F3D и DXF. Облачный экспорт включает в себя Inventor, IGES, SAT, SMT, STEP, DWG, DXF, STL, FBX, и F3D.
Работа со сборками. Выполняйте сборку деталей прямо в той же среде, в которой они моделировались (рис.6). Сделайте соединения деталей жесткими, например, так, как они построены в данный момент, или укажите более детальную специфику подвижного соединения: вращательное, поступательное, плоскостное, сферическое, винтовое и др. Укажите пределы движения, чтобы добиться именно такого типа соединения, которое должно быть в реальности и тут же предварительно просмотрите любые изменения кинематики.
Рис.6.Работа со сборками
Кинематический анализ. Узнать можно, как вела бы себя сборка в реальности, активировав все соединения в среде Motion Study. Установить возможно порядок и способ взаимодействия подвижных соединений и оценить итоговую картину кинематики (рис.7). Просмотреть анимацию динамического движения или проиграйте ее в реверсе.
Рис.7.Кинематический анализ
Использовать можно среду 3D-печати, чтобы создать быстрый прототип будущего изделия, или подготовьте управляющую программу для станка ЧПУ, который изготовит вашу деталь.
2, 2.5, 3 и 5 осевые станки ЧПУ. Fusion 360 использует то же CAM-ядро, что и в HSMWorks и Inventor HSM™. Благодаря этому можно быстро получить оптимальные траектории фрезы, снижающие износ режущего инструмента и выполняющие превосходную обработку поверхности изделия. Доступны все необходимые инструменты фрезерования: поддержка большого количества фрез, обработка плоских поверхностей, пазов, уступов, зачистка поверхности и т.д. Поддерживаются 2х, 2.5х, 3х и 5ти координатные станки.
3D-печать. Подготовить можно модель для печати на 3D-принтере, предварительно просмотрев структуру будущего изделия, внеся ряд уточнений в печать и автоматически создав сеть поддерживающих платформ для нависающих поверхностей. Печать 3D-моделей выполняется через ряд программных утилит, включающем в себя Autodesk® Print Studio на базе Spark, с помощью которой вы можете напрямую работать с 3D-принтером Autodesk Ember™. Помимо этого также доступны принтеры Type A Machines,Dremel,MakerBot, и Ultimaker и др.
Чертежи. С легкостью определите основной и дополнительные виды вашего изделия, укажите размеры, допуски и аннотации, которые связаны ассоциативной связью с исходной 3D-моделью. Благодаря этому, любые последующие изменения автоматически отразятся на имеющемся чертеже, таким образом вам не придется создавать его заново. Экспортируйте чертежи на локальный компьютер в форматах DWG или PDF и доработайте их, если необходимо, в AutoCAD.
Fusion 360 позволяет команде разработчиков вести совместную работу над проектом, благодаря уникальной коммуникационной платформе, которая позволяет: Общаться, оставлять комментарии к проекту в реальном времени; отслеживать изменения в проекте; сохранять и обмениваться данными в облаке.
Параллельное проектирование. Географическое расположение не преграда для эффективной работы нескольких человек в рамках одного проекта. Параллельное проектирование позволяет вставить один компонент Fusion 360 в другой и наладить между ними ассоциативную связь. Если один из компонентов изменится, то можно выбрать, нужно ли внести соответствующие изменения в связанный с ним объект. Fusion 360 выделит те компоненты, которые были изменены в ваше отсутствие, и вы точно также сможете определить стоит ли обновлять связанные с ними детали по отдельности или сразу все вместе.
Синхронный просмотр. Используйте инструмент синхронного просмотра, чтобы в реальном времени продемонстрировать вашу работу коллегам или клиентам