Составление УП для СЧПУ – это процедура планирования и документирования последовательности шагов обработки деталей, которая должна быть выполнена на станке с ЧПУ. Существуют два способа составления УП: ручной и автоматизированный.
Ручное составление УП. Ручное программирование идеально подходит для задач позиционного управления движением инструмента от точки к точке. В приложениях, требующих контурного управления движением инструмента по непрерывной траектории, при ручном программировании затраты времени могут быть чрезмерно большими.
Автоматизированное составление УП. Для задач контурного управления гораздо больше подходит автоматизированное программирование с помощью ЭВМ. В настоящее время автоматизированное составление УП происходит на основе созданной трехмерной модели детали и осуществляется в приведенной ниже последовательности.
1. Выделяются элементы геометрии детали, которые наиболее важны при машинной обработке.
2. Определяется геометрия режущего инструмента. Программное обеспечение обычно включает библиотеки инструментов, из которых пользователь может выбирать нужные экземпляры.
3. Определяется требуемая последовательность операций обработки и траектории движения режущего инструмента с соответствующими параметрами обработки.
4. Координаты х, у и z точек на этой траектории вычисляются программой ЧПУ с учетом выбранного инструмента и геометрии детали.
5. Построенная траектория движения инструмента может быть проверена в режиме анимации на экране монитора.
6. По скорректированным траекториям формируется CL-файл (cutter location - координаты инструмента). CL-файл имеет двоичный формат, но чаще всего сопровождается эквивалентной текстовой версией. В файле содержатся сведения о перемещениях режущего инструмента, представленные либо через абсолютные линейные перемещения, либо через относительные перемещения. Также в файле располагаются команды управления шпинделем, охлаждением, подачей и т. п. Формат CL-файла определен Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization – ISO).
7. CL-файл обрабатывается постпроцессором, в результате чего получаются команды, предназначенные для управления конкретным станком. Сгенерированный файл передается контроллеру станка.
Команды УП. Для написания программ обработки деталей используются различные команды. Контроллер считывает инструкции в виде последовательности блоков, содержащих команды на установку параметров, скоростей по осям, а также на выполнение иных операций. Блоком называется строка слов программы обработки. Каждая команда обозначается буквой, за которой следует определенное число. Принято использовать следующие идентификаторы команд (коды):
- последовательный номер (N). Последовательный номер используется для обозначения блоков программы и позволяет находить нужные команды;
- предварительная команда (G). Используется для подготовки управляющего устройства к вводу последующих команд. Подготовительное слово необходимо для того, чтобы управляющее устройство правильно интерпретировало данные, следующие за ним в этом же блоке. Однако один и тот же G-код на разных контроллерах может иметь разные значения;
- координаты (X, Y, Z, А, В). Задают координаты положения инструмента. Если число степеней свободы превышает три, используются дополнительные слова, например А и В;
- подача (F). Код F задает скорость подачи инструмента. В зависимости от системы эта скорость измеряется в дюймах в минуту или в миллиметрах в минуту;
- скорость (S). Задает скорость вращения шпинделя. Измеряется в оборотах в минуту;
- выбор инструмента (T). Код Т задает инструмент, который будет использован в конкретной операции. Этот код нужен только для станков с устройством автоматической смены инструментов;
- прочие команды (М). Этот код используется для определения конкретного режима работы, например включения или выключения охлаждения, вращения шпинделя и т. д.
- фиксированный последовательный формат. Все блоки должны быть одинаковой длины и содержать одинаковое количество символов;
- формат блочной адресации. Устраняет избыточность информации в последовательных блоках при помощи кодов изменений. Код изменений следует непосредственно за номером блока и указывает значения, изменившиеся по сравнению с предшествующими блоками;
- табулированный последовательный формат. Представляет собой модификацию фиксированного последовательного формата, допускающую изменение длины блоков;
- формат пословной адресации. Наиболее популярный формат, используемый в современных контроллерах CNC. Каждое слово блока начинается с буквы, обозначающей его тип, за которой следует значение, представляющее собой содержимое слова. Пример кода в формате пословной адресации имеет вид: N040 G0O Х0 Y0 Z300 Т01 М06. Пропущенные слова считаются нулевыми либо не претерпевшими изменений по сравнению с предыдущими значениями. В примере пропущены слова F и S.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные достоинства и недостатки применения СЧПУ.
2. Какие классы УЧПУ Вы знаете?
3. Перечислите основные типы СЧПУ. Охарактеризуйте их.
4. Опишите последовательность процесса составления управляющих программ в автоматизированном режиме.
5. Чем отличается процесс автоматизированного составления УП от ручного?
5. CAE-СИСТЕМЫ
CAE-системы (Computer-aided engineering – системы инженерного анализа)– программные системы, предназначенные для инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.) [6, 19, 20, 27, 36, 38].
Современные системы автоматизации инженерных расчётов применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).
CAE-системы позволяют оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Они также помогают убедиться в работоспособности изделия без привлечения больших затрат времени и средств.
Функции CAE-систем:
- моделирование полей физических величин, в том числе проведение анализа прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ;
- расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов;
- имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри.
CAE-системы позволяют автоматизировать следующие процессы: расчет и оптимизацию конструкций; анализ ресурса и долговечности; проектирование и расчет соединений; анализ динамических процессов (столкновение, падение, соударение); анализ термопрочности; анализ акустики, вибраций; анализ процессов литья, штамповки, ковки; анализ процессов гидро- и газодинамики; анализ процессов тепло- и массопереноса и др.
Наиболее распространённые CAE-системы.
ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems Mechanical, Dynamics Inc., США) – широко используемое механическое программное обеспечение для моделирования. Позволяет пользователям изготовить опытные образцы изделий, реалистично моделируя их поведение в работе. ADAMS имеет полный набор инструментов для моделирования и анализа проекта с возможностью визуализации.
AutoSEA (Vibro Acoustic Sciences, США). Расчетный пакет виброакустического анализа в области средних и высоких частот.
STAR-CD (CD-adapco group, Великобритания). Многоцелевой пакет для решения задач механики жидкостей и газов, ориентированный на промышленные задачи любой сложности.
LS-DYNA (Livermore Software Technology Corp., США) – Универсальный расчетный программный комплекс, ориентированный на численное моделирование высоконелинейных и быстротекущих процессов в термомеханических задачах механики деформируемого и жидкого тела. Области применений: краш-тесты, обработка металлов давлением, общие задачи динамической прочности, разрушения, взаимодействия деформируемых конструкций с жидкостями и газами.
DYNAMIC DESIGNER (Mechanical Dynamics, США) Интегрированный в среду Machanical Desktop расчётный модуль для проведения динамического и кинематического анализа механизмов.
ANSYS (ANSYS Inc., США). Конечноэлементный пакет. Самое широко используемое средство обеспечения инженерных расчётов в мире на основе метода конечных элементов. Универсальный расчетный комплекс, применяемый в различных видах анализа. Используется для расчета конструкций различного типа в авиастроении, судостроении, машиностроении, строительстве, энергетике, электронной промышленности. С его помощью производится статический и динамический анализ конструкций, анализ усталостных разрушений, решение линейных и нелинейных задач устойчивости и теплофизики. Решаются задачи гидро- и газодинамики, акустики, электродинамики и электростатики. ANSYS позволяет конструктору ещё в процессе проектирования предсказать поведение изделия и провести прочностной и тепловой анализы; получить сведения о напряжениях, деформациях, распределениях температур и тепловых потоков, возникающих в изделии.
Pro/ENGINEER (Parametric Technology Corporation, США). Базовые модули системы предназначены для конструкторского проектирования, твердотельного и поверхностного моделирования, синтеза конструкций из базовых элементов формы, поддержки параметризации и ассоциативности, проекционного черчения и разработки чертежей с простановкой размеров и допусков. Дополнительные модули конструкторского проектирования имеют более конкретную, но узкую специализацию. Например, функциями таких модулей являются конструирование панелей из композиционных материалов, разработка штампов и литейных пресс-форм, трубопроводных систем, сварных конструкций, разводки электрических кабелей. Модули функционального моделирования используются как препроцессоры и постпроцессоры в программах конечно-элементного анализа, анализа теплового состояния конструкций, оценки виброустойчивости.
CATIА/CADAM Solutions (Dassault Systèmes, Франция). Полностью интегрированная универсальная CAD/CAM/CAE система высокого уровня, позволяющая обеспечить параллельное проведение конструкторско-производственного цикла. Функции, поддерживаемые системой: администрирование, планирование, управление ресурсами, инспектирование и документирование проекта, моделирование; автоматический анализ геометрических и логических конфликтов; анализ свойств сложных сборок; трассировки систем коммуникаций с соблюдением заданных ограничений; функции подготовки производства.
Unigraphics (Unigraphics Solutions Inc., США). Универсальная система геометрического моделирования и конструкторско-технологического проектирования, прочностных расчетов и подготовки конструкторской документации. В ней используется концепция мастер-процессов – средств интерактивного проектирования, учитывающих особенности конкретных приложений. Для инженерного анализа в систему включены модули прочностного анализа с использованием метода конечных элементов с соответствующими пре- и постпроцессорами, кинематического и динамического анализа механизмов с определением сил, скоростей и ускорений, анализа литьевых процессов пластических масс.
MSC/NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis, MSC.Software Corporation) – система, основанная на методе конечных элементов. Геометрические модели для MSC/NASTRAN можно как формировать с помощью внутреннего препроцессора системы, так и импортировать из любой другой CAD-системы.