Ефективност и качество в производственото планиране чрез симулация и програмиране на металорежещи машини с ЦПУ в CATIA Machining Хайкад Инфотех ООД Въведение Нуждите на производствените предприятия към ускоряване на процеса на представяне на пазара на нови изделия води през последните години до пълно обновяване на методите за тяхната разработка и внедряване в производство. Технологиите на тримерното инженерно проектиране вече са утвърден инструмент на конструктора и технолога. Истинските потенциали на системите за тримерно проектиране могат обаче да бъдат изчерпани докарай само тогава, когато се затвори целия цикъл- от проектиране, през създаване на конструктивната документация, до подготовка на производствения процес чрез автоматично генериране на програми за машини с ЦПУ. Ще се спрем на възможностите, които дават съвременните CAM (Computer- Aided Manufacturing) програми, като ще дадем примери от едно от световноизвестните решения за създаване на програми за ЦПУ машини- CATIA Machining. CATIA на фирма Dassault Systemes e най-разспространеното решение за виртуално проектиране. Тя не е само една от най- използваните 3D пограми в света., но и едно от малкото по рода си решения за решаване на инженерно конструктивни задания от най-висок клас. В наши дни не е невъзможно да се претендира за технологично лидерство в света на CAD /CAM системите без мощно CAM / NC решение. Модулът на CATIA за симулация и програмиране на ЦПУ машини се нарича CATIA Machining и се предлага повече от двадесет години и също така е най-разпространеното CAM / NC решение в света по броя на внедрени инсталации (по данни на независимата консултантска компания CIMdata). Симулация и програмиране на ЦПУ машини В последните години се наблюдават тенденции за обновявяне на машинния парк в производствените предприятия с модерни, високотехнологични металорежещи машини с ЦПУ и използването на съвременни режещи инструменти. Често обаче стратегията на предприятията не отчита, че за пълно използване на възможностите на тези машини и обработващи инструменти е изключително важно паралелно с тяхното използване да се внедрят и компютърни програми за симулация на процеса на обработка и програмирането им. На повечето инженери е позната ситуацията, в която иновативни конструктивни решения или продукти не виждат бял свят, поради технологични затруднения при тяхното производство. Причините за това често се крият в технологични ограничения, но също и в несъвършенства на използваните програмни решения за създаване на технологията за обработка на изделието. Въвеждането на системи за компютърна

симулация на технологичния процес дават възможност още в ранен етап на разработката на изделието да се симулират възможни технологични стратегии и по този начин се подбере най-добрия подход за обработка, така че да се постигне най-високо качество с най-ниска себестойност.

Фиг. 1 CATIA Machining- част от системата за инженерно проектиране CATIA

CATIA Machining е част от системата за инженерно проектиране CATIA. Предимствата на пълната интеграция на CATIA Machining са в няколко насоки: 1. Конструкторът и технологът ползват единна

работна среда за тримерно проектиране, якостен и кинематичен анализ и програмиране на ЦПУ

2. Единната работна среда, както и липсата от конвертиране на тримерните геометрични модели в неутрални формати, като например STEP или IGES изключва възможността от грешки при конвертирането и свързаното с тях време за коригиране на грешки в 3D модела

3. При нужда от промяна на геометрията на детайла, тя може да бъде извършена в реално време чрез активиране на модулите на CATIA Part Design и Generative Surface Design. След извършване на промяната отново в реално време може да се проследят промените в обработката чрез актуализация на програмата

4. Пълна поддръжка на стандартни геометрични обекти „features“ (отвори, резби, джобове) зададени в тримерния модел с цел ускорено генериране на ЦПУ програмата

Фиг. 2 поддръжка на стандартни геометрични обекти „features“

Възможности на CATIA Machining- интегриран процес на CAD/CAM/NC CATIA Machinng дава възможности за пълна симулация на работата на режещия инструменти, но и на цялата машина. Тя е изградена съобразно стратегията ПРОЦЕС-ПРОДУКТ-РЕСУРСИ (PROCESS-PRODUCT-RESSOURCES- PPR).

Фиг. 3 Платформата ПРОЦЕС-ПРОДУКТ-РЕСУРСИ (PROCESS-PRODUCT-RESSOURCES- PPR).

Преведено на езика на потребителя това означава, че чрез единното представяне на цялата геометрична информация на детайла, приспособленията за неговото закрепване, технологичната карта на обработващите операции и нужните за тях обработващи инструменти са достъпни и по всяко време в унифицираната работна среда на CATIA.

Производство

Планиране на обработките

Разработкана 3D модела

Фиг. 4 Основни етапи за подготовка на производството

Съобразно дефиницията на PPR цялата технологична информация за дадено изделие се съхранява в дървото на историята. Технологът или операторът на ЦПУ машината са в състояние във всеки момент да проверят дадена технологична операция и при нужда лесно да я променят.

CAD модел

1.Подготовка на геометрията

2. Базиране

3. Избор на обработваните елементи

4. Подбор на технологичнияпроцес на обработка

5. Оптимизация на технологичнатапоследователност

7. Извеждане на крайната програмаи документация

6. Симулация-Режещ инструмент-Път на инструмента-Отнемане на материал-ЦПУ машина

Фиг. 4 Задачи на технолога и стандартизирани методи за решаването им в CATIA Пълната асоциативност между CAD и CAM модула в CATIA позволява ранно съобразяване на

технологията за производство на детайла с ЦПУ машини. Това може да стане още докато не са окончателно окончателно завършени 3D моделите и технологичните чертежи, тъй като вече създадената ЦПУ програми се нуждае единствено от актулаизиране на базата на нанесената геометрична промяна. Чрез паралелното стартиране на производственото планиране в CATIA Machining може да се спести изключително ценно време. Предимства на CATIA Machining С CATIA Machining практически могат да бъдат обхванати всички нужди за симулация на работата на металорежещи машини и тяхното програмиране. Една от технологиите отличаващи CATIA Machining е симулацията на обработката в реално време с възможности за интеракция със системата по време на провеждане и. Някои от основние технологични възможности на CATIA Machining са: широк набор от стратегии за обработки; различни варианти за подвеждане и извеждане

на обработващия инструмент от заготовката; голям избор на обработващи инструменти и

возможност за тяхната адаптация; поддръжка на скоростно фрезероване; контрол за сблъсъци; визуализация на управляващана програма; възможности за редактиране на програмите; широк набор от постпроцесори и возможност за

тяхното създаване; поддръжка на форматите APT и ISO; возможност за работа с формати STEP, IGES,

STL; CATIA Machining е решение, чиито отделни компоненти са изградени на модулен принцип. По този начин всяко предприятие може да намери нужната за себе си комбинация от програмни блокове, без да се въвеждат ненужни на даден етап програмни модули. В случай на нужда допълнителни програмни модули могат безпроблемно да бъдат надграждани. Онагледяване на отнетия материал Функциите за онагледяване на отнетия материал са в състояние да работят или предварително заложен модел на необработена отливка или с паралепипед, зададен от технолога. По този начин през целия процес на обработка може да се следи местоположението и количеството на отнетия материал. Информацията за обработения материал се актуализира автоматично. Избягване на подрязването В CATIA V5, проверката за подрязване е приложено за всички видове обработки. Така се постига отлично избягване на подрязванията. Ако е забелязано подрязване, то се маркира в цвят. Ако пътят на инструмента се пресича, за да избегне подрязване на детайла, софтуерът запаметява мястото, където това става и отбелязва във файла с пътя на инструмента, че той се е пресякъл.

Задаване на параметрите на ММ, револвери и магазия за смяна на инструменти

NC Machine Tool Building 2 (MBG)

Цялостна симулация на процеса на обработка, включващ метолорежещата машина, маршрутите на обработващите глави и отнемането на материала

NC Machine Tool Simulation 2 (MSG)

Контрол на качеството на фрезования детайл чрез симулация

CATIA/DELMIA NC Manufacturing Verification 2 (NVG)

Достъп до цялата налична технологична информация, както и извършените симулации

NC Manufacturing Review (NG1/NCG)

Грубо и финно фрезоване с висока продуктивност за детайли с множество джобове

Multi Pocket Machining (MPG)

Фрезоване на детайли с висока степенна сложност в комбинация от 2,5 и 5-осна обработка за постигане на висока ефективност

Advanced Machining (AMG)

Паралелно 5-осно фрезоване насвободни повърхности

Multi-axis Surface Machining (MMG)

3-осно фрезоване на свободниповърхности

Surface Machining (SMG)

Автоматично разпознаване настандартни геометрични елементи заускорено създаване не програмата

Prismatic Machining Preparation Assistant 2 (MPA)

Симулация и програмиране на 2,5 оснофрезоване и разпробиване

Prismatic Machining (PMG)

Автоматизирани стругово-пробивниоперации с няколко обработващи глави

Multi-Side Lathe Machining

Автоматизирани стругово-пробивниоперации

Lathe Machining (LMG1)

ХарактеристикиРешение

CATIA Machining e оптимизирана така, че при всички обработващи операции да се генерира най-краткия маршрут на инструмента, с който да се обработи детайла. Броят на основните движения на инструмента, необходими за производството на даден детайл са основен показател за ефективността на ЦПУ програмата. Намаляването на броя на ненужни премествания на инструмента означава по-високо КПД и по-кратко машинно време, което означава намаляване на производствените разходи. Повторно използване на опита от успешни обработващи стратегии с CATIA Knowledgeware CATIA Knowledgeware е една от основните технологии в CATIA. Тя служи за интелигентно управление на конструкцията чрез въвеждането на параметри, зависимости и проверки заложени от конструктора с цел повторно използване на успешни решения, какго и за стандартизация на разработката на изделия. Технологията Knowledgeware може да бъде използвана също в CATIA Machining. На технолога се предоставя възможността да използва каталог с шаблони „templates“ от вече класифицирани и проверени технологични маршрути, операции и комбинации от обработващи инструменти в нова ситуация, при детайл с подобна топология. Чрез вградените проверки и правила (Checks, Rules) е възможна проверка на генерирания код за ЦПУ машината или спазването на критерии за избора на обработващия инструмент.

Фиг. 5 Приложение на CATIA Knowledgeware- вградени проверки и правила с цел проверка на ЦПУ програмата

Технологични възможности на CATIA Machining Алгоритмите за симулация в CATIA се отличават с изключителна бързина, което се проявява в бързо получаване на резултата на симулацията или създаването на ЦПУ програмата. В технологично отношение CATIA Machining дава също така големи предимства на технолога чрез така нареченото “твърдо фрезоване”- hard milling. То цели пълно изключване на възможността за сблъсъk на обработващия инструмент с детайла или машината. Важно е да се отбележат и модерните методи за грубо фрезоване или струговане с цел отнемане на максимално количество материал. Те включват спирално фрезоване, паралелно рязане, спирално рязане от вътре навън и отвън навътре, груба обработка, обработка на остатъчен материал, обработка по Z-нива. Грубата обработка обикновено се прави по Z-нива. Рязането може да бъде ниво по ниво, в което външната и вътрешната обработка са в една операция или пък да са в отделни операции, които се извършват една след друга. Грубата обработка и обработката за остатъчен материал, който остава след грубата обработка могат да бъдат изпълнени с една единствена команда. Модерни стратегиите за груба обработка са: - концентично фрезоване- за обработка на вътрешни повърхнини като джобове - фрезоване чрез следване на контура на детайла- за външни повърхнини. Концентричната груба обработка е чрез спирално движение на инструмента, при която движението е винаги в една и съща посока. Вътрешните срезове са винаги с попътно рязане и с ограничени влизания на инструмента. Машинните операции се управляват чрез таблица на процеса. Работа с разнообразни файлови формати за геометрично представяне В CATIA Machining могат да бъдат импортирани както собствени модели с разширение CATPart и CATProduct, така и модели от програмите Unigraphics NX, Pro/ENGINEER, SolidWorks или модели в неутралните формати STEP и IGES. Най-голям достъп до информацията в геометричния модел обаче позволява работата с файлове на CATIA. Разпознаване на геометрични елементи- Feature Recognition Още едно ефикасно средство за подготовката на симулацията на обработката и за изготвянето на

програмата за ЦПУ е вложено в CATIA Machining под формата на разпознаване на различни видове геометрични елементи (Feature Recognition). Специално внимание се отделя на разпознаването и класифицирането на подробни (ясно изразени) технологични компонент, като например отвори. Програмата автоматично превръща геометричните елементи в предварително каталогизирани технологични операции, взимайки впредвид зададените толеранси. Автоматичното разпознаване спестява време за подготовка на обработката и оптимизира ходовете и смяната на обработващите инструменти.

Фиг. 6 Приложение на автоматичното разпознаване- Feature Recognition Предимствата на автоматичното разпознаване са най-ясно изразение особено тогава, когато детайла има множество повтарящи се геометрични елементи, като например отвори или призматични елементи. Разпознаването може да се използва дори тогава, когато моделът е от друга CAD програма. Оптимални резултати дава и комбинацията между автоматичното разпознаване и модула за за запазване на познание CATIA Knowledgeware. Ще илюстрираме това с един пример. Вградено правило от CATIA Knowledgeware позволява на операцията spot drilling да се извършва само тогава, когато диаметърът на отвора е по-голям от зададена стойност. Чрез използването на правила и автоматизирани проверки се намалява възможността от грешки и се използва винаги най- ефикасния набор от операции. Симулация и програмиране на високопроизводителни многовретенни стругови автомати CATIA Machining е едно от малкото CAM решения, които притежават ефективни модули за поддръжка на автоматични центрове за стругово- фрезови операции. Модулът Multi-Slide Lathe Machining (MLG) е предназначен за поддръжа на автоматизирани металорежещи автомати, които комбинират свредлови, стругови и фрезови операции в една единствена машина. Днес подобен тип обработващи центрове съставляват голяма част от внедряваните металорежещи машини, защото дават възможности за оптимизация на производствения процес чрез намаляване на броя на нужните настройки, прехвърлянето на детайла между машини и извършването на множество операции на една единствена машина.

Характерното за този модул е, че не се генерира работен ход на инструмента, а в обща стратегия се управляват всички шпиндели и обработващи глави, като работата им се синхронизира от CATIA Machining. За всеки шпиндел програмата създава диаграма на Гант с времената на обработка за всяка операция, времето за смяна на обработващия инструмент и времето за ненужен престой. Чрез диаграмата на Гант може да се извърши оптимизация на целия обработващ цикъл чрез намаляването на времето за престой и увеличаване на времето на обработка.

Фиг. 6 Multi-Slide Lathe Machining (MLG) за поддръжка на автоматични центрове за стругово- фрезови операции Фрезови операции с 3-оси- Surface Machining За стандартни обработващи операция 3-осното фрезоване дава напълно задоволителни резултати. Модулът Surface Machining (SMG) дава на оператора пълна свобода на избор на най-подходящата за случай обработваща операция като например: Равнинно фрезоване; Спирално фрезоване „отвън-навътре“ и

„отвътре-навън“; Радиално фрезоване с ъглово отстъпване около

точка; Фрезоване на последователни пластове във

вертикален и хоризонтален режим; Фрезоване по зададена свободна траектория; Контурно изрязване на текст по зададен шаблон; Фрезоване с отстъпване; Радиална обработка чрез ъглово отстъпване; Създаване на надписи чрез копиране на текст; Допълнителна обработка чрез следване на

контур; Фрезоване с 3D отстъпване;

Фрезови операции с 5-оси- Advanced Machining CATIA Machining е едно от водещите решения в света за симулация и програмиране на 5-осни металорежещи машини. Днес цената на 5-осните фрезови автомати продължава да пада, а едновременно с това този тип обработка има все повече успешни практически приложения. Предимствата на 5-осната обработка са: намаляване на броя на отделните операции и

времето за тяхната настройка при детайли със сложна форма;

възможност да се ползват режещите ръбове на инструмента с още по-висока коравина и

твърдост, при намалени общи размери на обработващия инструмент, с цел повишаване на достъпността при обработка на области с обратен наклон;

намаляването или дори напълното отпадане на нуждата на електроди за някои тип обработки;

позволява обработващия инструмент да бъде позициониран винаги перпендикулярно към обработващата повърхност. По този начин се получават повърхности с по-високо качество и нуждата от допълнителни операции отпада:

Намаляване на времето за обработка поради отпадане на нуждате за препозициониране (ново базиране) на обработвания детайл върху масата или неговото преместване на друга машина, както и често не е нужна употребата на специални приспособления за прикрепване;

При симулацията на 5-осно фрезоване CATIA Machining позволява задаването на водещ ъгъл на обработващия инструмент, както и толеранс, в който той може да променя наклона спрямо обработвания детайл. Програмата автоматично променя ъгъла на наклона на обработващия инструмент в случай на активирана функция за откриване на сблъсък обработващия инструмент и детайла и определя оптималния ъгъл. Тази защита предотвратява сблъсък на задната част на обработващия инструменти и детайла. Други важни характеристики са стратегиите flank contouring и swarf contouring, както и многоосно спирално фрезоване по контур. При обработката от тип flank contouring обработващия инструмент обработва детайла странично. Неговата употреба е главно за довършителни фрезови операции на страничните стени на детайла. По-високо качество на обработката дават операциите при фрезоване по изопараметричните линии на повърхностите. Важно е да се отбележи възможноста за изглаждане- “fanning“ на изопараметрични линии на две допиращи се повърхности, както е показано на фигура 7.

Фиг. 7 “Изглаждане-fanning“ на изопараметрични линии на две допиращи се повърхности

Други възможности на 5-осното фрезоване са: Фрезоване по няколко оси по спирала (helix

machining) Пробиване по няколко оси при поддържане на

перпендикулярност спрямо свободната повърхност

5-осно грубо фрезоване- roughing Финиширане чрез профилиране- profiling Фрезоване по зададен контур, по крива или по

изопараметричните на повърхности от детайла CATIA Machining предлага общо 9 различни възможности за управление на наклона на оста на обработващия инструмент.

Автоматизация на цялостни технологични процеси - от управление на отделна машина към управление на производствени линии

Завършващата фаза след определянето на оптималната стратегия за обработка е провеждането на цялостна симулация на обработката при напълно реалистично пресъздаване на реалните производствени параметри на наличните металорежещи машини. В CATIA веригата на цялостна интеграция на процеса на разработка на изделието, симулацията на обработката и създаването на ЦПУ програмите се затваря от модулите NC Machine Tool Builder и NC Machine Tool Simulation.

Фиг. 8 Автоматизация на цялостни технологични процеси чрез симулация на работата на ММ

Чрез различните възможности за визуализация на обработващия процес на всеки етап може да се проследи кой обработващ инструмент от магазина работи, да се определи количеството на отнетия материал, дълбочината на рязане при дадена операция, дебелината на стената на детайла след дадена операция или да се открият евентуални сблъсъци. Симулацията взима впредвид реалното пространствено разположение на детайла, приспособленията за захващане, обработващия инструмент и обработващата глава, както и габаритните размери на масата на машината. При откриване на сблъсъс между обработващия инструмент, вретеното, обработвания детайл и машината, симулацията може да бъде спряна. Технологът може да зададе нова траектория на обработка, да промени подхода на обработка от 3- на 5-осно фрезоване. Металорежещата машина се симулира не само със своята геометрична форма и кинематични възможности, но също така със допустимите граници на подаване. Например в случай на превишаване на допустимите стойности на подаването това се съобщава от програмата. За симулацията на работата на ММ се използва ЦПУ програмата генерирана в CATIA Machining, като се използват виртуални 3D модели на ММ.

Без режим fanning

Фиг. 9 Използване на виртуални модели за гарантиране на оптимална симулация

Създаване на 3D модели на металорежещи машини с Machine Tool Builder NC Machine Tool Builder е работната среда за създаване на собствени конфигурации на ММ. Тя включва създаването на геометрията на машината, както и заложените в нея кинематични възможности като движения на обработващата глава, на масата или максималните габарити в X, Y и Z, но и изходните положения на обработвашата глава, скорости и ускорения. Собствени потребителски модели на ММ могат с лекота да бъдат разработени от конктруктора или технолога и да залегнат в потребителски каталог. По същия начин могат да бъдат конструирани и установъчни приспособления. Визуализация на ISO кода- NC Machine Tool Simulation Често в процеса на работа технолога се сблъсква с задачата да онагледи не програмата във формат APT, а директно близкия до машинния език ISO код. За това е нужно да се зададе или изгради модел на металорежещата машина в програмния модул NC Machine Tool Builder.

Фиг. 10 NC Machine Tool Simulation Тъй като директната проверка на ISO код е трудоемка задача, програмния модул NC Machine Tool Simulation дава възможности на технолога да провери точноста на извършената обработка. Тази верификация се състои в сравнение на 3D модела на изходната заготовка с симулираната й обработка в CATIA Machining и установяване на евентуални отклонения. Machine Tool Simulation дава възможност за скъсяване на времето за програмиране на ММ чрез директно онагледяване на управляващата програма и при нужда редактиране за избягване на сблъсъци или надвишаване на границите на максималния ход на ММ. CATIA разполага с повече от 900 постпроцесора за различни стратегии на обработка. В кратко време могат да бъдат разработени и нови, така че да отговарят на изискванията на предприятията.

Повишаване на ефективноста на производствените процеси чрез архивиране и управление на технологичната информация Почти всяка CAM / NC програма съдържа достатъчно програмни функции за изпълнение на основни обработващи операции. На практика обаче технолозите се сблъскват с проблеми от съвсем различно естество, като например организираното съхранение на технологичната информация. Задачата за централизирано съхранение на технологичната информация се поема от програма за управление на документация- PDM (Product Data Management). Dassault Systemes предлага решението ENOVIA Smarteam, което е напълно интегрирано в работната среда на CATIA. ENOVIA Smarteam организира и управлява цялата информация свързана с подготовката на технологичните процеси като: NC CATProcess файловете с симулационните параметри и резултати, както и геометричния модел, APT, NC кода, параметрите и геометрията на ММ. По този начин се подобрява проследяемостта на проектите, гарантира се регламентиран достъп до данните за всички участници в проекта, както и ясни и точни правила за версиониране. Още по- висока степен на проследяемост и организация на процесите дава използването на на работните потоци (workflow). Работните потоци са регламентирани последователности от операции под формата на програмен алгоритъм, които трябва да бъдат изпълнени в установения ред и при наличие на нужните одобрения. Работните потоци в ENOVIA Smarteam могат да бъдат адаптирани към нуждите на предприятието. ENOVIA Smarteam позволява интеграция с ERP системи. Подобна интеграция носи допълнителна добаване стойност при планирането и реализирането на производствени поръчки.

Фиг. 11 Управление на технологичната информация в контекста на PLM

Икономически предимства при оптимално използване на CATIA Machining Предимствата на интегрираното решение за автоматизиране подготовка на производствения процес CATIA Machining могат да бъдат разгледани основно в два аспекта. 1. Като самостоятелна мощна система за симулация

на обработващи процеси разполагащ с модерни и бързи алгоритми за симулация на почти всички познати технологии на обработка, както и за улеснено програмиране на металорежещи машини с ЦПУ. Особено важен е той за

CATIA

предприятия, които използват вече CAD решения, но не CATIA.

2. Вторият и още по-значителен аспект на икономическите предимства на CATIA Machining се проявява тогава, когато целия процес на проектиране и производствено планиране е установен на базата на продуктовата фамилия CATIA. По такъв начин предимствата на стратегията ПРОЦЕС-ПРОДУКТ-РЕСУРСИ (PROCESS-PRODUCT-RESSOURCES- PPR) могат да бъдат изчерпани напълно, чрез единното представяне на цялата геометрична информация за детайла, приспособленията за неговото закрепване, технологичната карта на обработващите операции и нужните за тях обработващи инструменти. Всички данни се запазват в системата и са достъпни за технолога по всяко време в познатата работна среда на CATIA.

Най-важното накратко CATIA Machining е най-разспространеното

CAM / NC решение в света Отличава се с напълно диалогов режим на

работа и дружелюбна работна среда Напълно интегрирана в работната среда на

CATIA Може да се използва и в комбинация с други

CAD програми CATIA Machining постига изключително високо

качество на обработваните повърхности, ниско износване на обработващите инструменти и ограничава неефективните ходове на металорежещата машина чрез интелигентни оптимизационни алгоритми

Внедрена е във всички промишлени отрасли, в които се обработват сложни детайли и повърхности, като автомобилна и авиционна промишленост

Прилага се в предприятия, които целят големи икономически ефекти в процеса на технологичната подготовка

За контакти Хайкад Инфотех ЕООД, Генерален представител на фирма Dassault Systemes и продуктите CATIA, ENOVIA Smarteam Ул. „ Мария Кюри“ 1А 4000 Пловдив Ел. поща: contact@haycad-infotech.bg Тел. 032 /9409472