СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ ДЛЯ МНОГОПРОХОДНОГО НАРЕЗАНИЯ ВИТКОВ ЧЕРВЯКОВ

УДК 621.883.382:681.3.068
Е.Ю. Кузнецов, асп., (4872) 47-54-73,
ke2007@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.С. Ямников, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 33-23-10, tms@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ ДЛЯ МНОГОПРОХОДНОГО НАРЕЗАНИЯ ВИТКОВ ЧЕРВЯКОВ
Рассмотрена система автоматизированного программирования токарных станков ЧПУ для многопроходного нарезания витков червяков. Показаны принципы работы с программным продуктом и реализуемые им функции.
Ключевые слова: червяк, нарезание витков червяков резцом, АСТПП, САМ, управляющая программа.
При сегодняшних темпах развития и совершенствования техники все большую роль играет сокращение сроков воплощения в металле конкретного конструкторского решения. Известно множество примеров, когда то или иное изделие устаревает еще до поступления в производство. На данный момент накоплены обширные знания в области теории и практики формообразования винтовых поверхностей резцом. Однако в силу некоторой громоздкости необходимых многопараметрических вычислений данные знания на практике могут быть использованы только применительно к крупносерийному или массовому производству.
В последнее время четко прослеживается тенденция ухода от массового производства ряда продукции и все большей индивидуализации подхода, работе по заказам. Большое влияние в этой сфере оказало распространение и повсеместное внедрение ставших относительно доступными систем ЧПУ. Так как именно решения на базе станков с ЧПУ в сравнении с универсальными станками или станками-автоматами [1] обеспечивают высокие показатели как по гибкости производства, так и по производительности. Еще одним козырем оборудования с ЧПУ является минимальный объем специальной технологической оснастки, необходимой для внедрения нового изделия. Именно эти свойства станков с ЧПУ в совокупности с широким спектром решаемых ими задач позволяют говорить о гибком и быстро перенастраиваемом производстве.
С другой стороны, для программного обеспечения подобной гибкости необходимо иметь соответствующие инструменты. Избавившись от рутинных операций на уровне механического управления оборудованием, получили не меньший объем рутины на уровне программной автоматизации этого управления.
В зависимости от технологических особенностей применения оборудования с ЧПУ трудоемкость разработки программного обеспечения
97
проявляется как на уровне подготовки производства, так и на цеховом уровне оперативного управления. На первом уровне проблему решают путем создания (использования) систем автоматизированного программирования ЧПУ. Одна из таких систем рассмотрена ниже.
На втором уровне одним из способов повышения эффективности оперативного управления оборудованием с ЧПУ является широкое использование стандартных циклов. Однако стандартный, многократно повторяемый цикл нарезания резьбы G76 системы ЧПУ FANUC SERIES OI-TC, используемый в таких случаях, имеет ряд ограничений применительно к обработке витков червяков. При этом также необходимо отметить некоторые сложности, связанные с анализом результатов и, как следствие, затруднениями в выборе методов улучшения протекания процесса резания в силу отсутствия четкой информации о законе изменения подачи в сопроводительной документации к системе ЧПУ. При этом решение на втором -цеховом - уровне в большинстве случаев является вынужденной мерой, следствием плохо проведенной работы на первом уровне подготовки нового производства.
Возвращаясь к решению проблемы трудоемкости разработки управляющей программы на уровне подготовки производства, рассмотрим одну из АСТПП (автоматизированная система технологической подготовки производства)/САМ (англ. computer-aided manufacturing) систем автоматизированного программирования ЧПУ, с недавнего времени используемую на предприятии «Тулаэлектропривод».
Предприятие имеет широкую номенклатуру червяков, нарезаемых токарным способом [2]. При этом в связи с проводимой глубокой модернизацией производства, а также внедрением широкого ряда новых изделий остро стоит вопрос оперативной разработки управляющих программ нарезания резцом витков червяков на токарных станках с ЧПУ.
Для решения такой задачи специалистами кафедры технологии машиностроения Тульского государственного университета разработан программный пакет, непосредственной задачей которого является генерация управляющей программы для обработки червяков на станках с ЧПУ по минимальному объему исходных данных.
Программа, кроме расчета подачи и непосредственной генерации управляющей программы посредством встроенного постпроцессора, предлагает рациональное число формообразующих проходов [3], а также дает рекомендации по выбору участков разгона Si и торможения S2, влияние которых на точность хода червяка рассмотрено в работе [4].
Остановимся подробнее на описываемом программном продукте, заложенных в нем принципах и выполняемым им комплексом работ.
Работа с программой осуществляется в несколько этапов. Каждому этапу ввода/расчета исходных данных соответствует своя форма, переход
между которыми осуществляется клавишами «Next» (Далее), «Back» (Назад).
На первом этапе (форма 1) осуществляется ввод обязательных параметров червяка, необходимых для дальнейших расчетов (рис. 1).
I % Worm parameters *J
Pitch diameter, mm |d1| A radial backlash factor |c1' -
Module, mm jtn Face width, mm |bl —
Number of starts 1* Brine! hardness number (BHN / HB) |h0
i
b.
Help diameter d worm, mm Next> Cancel
Рис. 1. Форма программы «Worm parameters» (параметры червяка)
К таким параметрам относятся: module (модуль m); number of starts (число заходов z); pitch diameter (делительный диаметр червяка dj); a radial backlash factor (коэффициент радиального зазора у поверхности впадин червяка с I*); face width (длина нарезанной части червяка bj ),а также brinell hardness number - твердость материала червяка (по Бринеллю).
Необходимо обратить внимание на тот факт, что ряду величин, в рассматриваемом блоке одной из таких является с1 *, по умолчанию задано наиболее часто используемое значение. Однако это не означает, что его нельзя корректировать.
Для удобства пользователя в программе предусмотрена система подсказок, включающая в себя как графическое толкование вводимых параметров, так и текстовое описание, отображаемое в нижней части формы при наведении курсора на тот или иной элемент интерфейса программы. Так, например, из рис. 1 видно, что при вводе диаметра dj на иллюстрации в графическом окне формы соответствующая величина выделена зеленым цветом, а в нижней части отображается надпись «diameter of worm, mm».
Переход ко второму этапу (форма 2) ввода исходных данных (рис. 2, а, б) осуществляется посредством клавиши «Next». Здесь задается информация, касающаяся участков автоматического ускорения 81
(acceleration distance) и торможения S2 (deceleration distance). Как показано в работе [4], эти величины имеют вполне определенные минимальные значения, исключающие ошибку хода червяка. Это, в первую очередь, связано с тем, что в станках с ЧПУ в отличие от универсальных станков или станков-автоматов отсутствует жесткая кинематическая связь между вращением шпинделя и продольным перемещением резца.
JSJXJ
Spindle speed, min-1
Aflowable lead error mm |Oel(aPz
Time constant ol servo system, sec 10.033
Acceptation distance, mm |$i Deceleration distance, mm |&>
t Quantity of cycles
Number of cycles П
Minimum cutting depth, mm |0.05 f up to minimum cutting depth broken feed
JSJxJ
N umbei ol finishing cycles |i tin»sh
Finishing depth ol cut, mm |o
Tool nose
; Done j| Cancel |
а б
Рис. 2. Формы программы: а - acceleration/deceleration parameters (параметры участков автоматического ускорения и торможения); б - quantity of cycles (количество циклов)
Расчет Si и S2 ведется исходя из скорости резания, для определения которой задаются обороты шпинделя S (spindle speed), допустимая погрешности хода витка (allowable lead error), а также постоянная времени сервосистемы (time constant of servo system).
После ввода указанных исходных данных и нажатия кнопки «calculate» (расчет) в соответствующих графах выдаются минимальные значения величин участков ускорения и торможения. При необходимости, эти значения можно корректировать вручную как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. При этом следует принимать во внимание неизбежные ошибки хода винтовой линии на конце и (или) в начале нарезанной части червяка [4]. Появление таких ошибок неизбежно в том случае, если принятая для дальнейших расчетов величина ускорения и (или) торможения меньше предложенной программой. В противоположенном слу-
чае, т.е. при значительном превышении рекомендуемых величин 81 и 82, неизбежно искусственное увеличение машинного времени.
Возможен также вариант, при котором величины 81 и 82 изначально задаются пользователем вручную, при этом остальные значения этой формы опускаются.
Третья форма программы, показанная на рис. 2б, определяет закон изменения подачи а, от прохода к проходу, а также позволяет рассчитать рациональное число I формообразующих проходов. Перед дальнейшим рассмотрением работы программы необходимо подробнее остановиться на принципах распределения и удаления припуска, которые реализует программа.
Программа предусматривает снятие припуска в два этапа.
Черновая обработка осуществляется по схеме переменного резания с равномерным убыванием подачи, описываемым зависимостью
где hi - теоретическая высота профиля, мм; n - общее число проходов;
i - номер прохода.
Такая схема позволяет выравнивать по силам процесс формообразования, а поочередное удаление припуска то правой, то левой режущими кромками резца облегчает условия образования стружки и, как следствие, уменьшает силы резания. В конечном итоге, выравнивание нагрузки на резец по отдельным проходам будет способствовать более рациональному использованию прочностных свойств резца, что может обеспечить сокращение числа проходов и повышение производительности обработки.
Расчет необходимого числа формообразующих проходов n ведется по одному из двух вариантов, реализуется, как и в предыдущей форме, после нажатия клавиши «calculate»:
а) по зависимости (1) (флажок «up to minimum cutting depth») с тем условием, что величина последнего прохода не превышает величины указанной в графе «minimum cutting depth, mm» (минимальная толщина срезаемого слоя). Необходимо уточнить, что величина минимальной толщины срезаемого слоя (подача ai) введена не случайно, так как в случае ее чрезмерно малой величины резец будет работать в неблагоприятных условиях и интенсивно изнашиваться, а обработанная поверхность получится невысокого класса чистоты (более подробно вопрос минимально допустимой толщины срезаемого слоя рассмотрен в работе [5]). Таким образом, в случае, если расчетная величина подачи, полученная по формуле (1), будет меньше значения, указанного пользователем, то значение подачи на текущем проходе будет округлено в большую сторону до соответствующей величины;
(1)
б) по зависимости, предложенной в работе [3] (флажок «broken feed»), в которой в основе определения допустимой толщины среза лежит метод «ломающих подач».
Также остается возможность «ручного» ввода i, при этом, как и во всех остальных вышеописанных случаях, подача не будет меньше заданной в соответствующей графе третьей формы.
Чистовая обработка ведется по профильной схеме (схема с радиальным направлением врезания) с постоянной величиной подачи на каждом проходе. При этом как величина подачи aifin (finishing depth of cut), так и количество формообразующих проходов ifin (number of finishing cycles) задаются пользователем вручную в соответствующих графах формы 3. В случае, если в зачистных проходах нет необходимости, пользователю достаточно присвоить величине ifin нулевое значение (ifm=0).
Упрощенная схема работы программы показана на рис. 3.
Рис. 3. Упрощенная схема алгоритма программы
102
Перед генерированием управляющей программы пользователь имеет возможность визуально оценить реализуемую схему резания - кнопка «distribution» (распределение). Для этого предусмотрен соответствующий модуль, который позволяет просмотреть процесс удаления припуска как пошагово (каждый новый проход появляется при очередном нажатии соответствующей кнопки), так и в динамике (рис. 4,а).
При этом также формируется отчет в формате MS Excel, который, кроме расширенного списка исходных данных, используемых в программе при расчетах, содержит таблицу с данными, характеризующими условия удаления припуска для каждого прохода.
Управляющая программа выводится после нажатия кнопки «Done» (Готово) в текстовом поле отдельной формы-cncProgram (управляющая программа), изображенной на рис. 4,б.
Play
Pause Slop JIF.fwd;
Z= 10.289
X= 25.011
G31 2-52.592 F 9.425 Q 0
G0X31
Ipasstt 5/7)
Z= 10.396 X= 24.422
631 Z-52,592 F 9.425 Q 0 G0X31
(passtt 6 i 7)
Z= 10,299 X= 23.89
G31 Z-52,592 F 9,425 Q 0
G0X31
(passtt 7 1 7)
Z= 10,388 X= 23.4
G31 Z 52,592 F 9.425 Q0 G0X31
(rtaittt 2 •’ 2 |
(passtt 1 /7)
Z= 10,454 27,505
G31 Z-52.592 F 9.425 Q 180000 G0X31
(passtt 217)
Z-10,266 X- 26,472
G31 Z-52,592 F 9.425 Q 180000
G0X31
(passtt 3 / 7 ]
Z= 10,41 X= 25,679
G31 Z-52,592 F 9,425 Q 180000
G0X31
(passtt 4 J 7)
Z= 10,289 X= 25,011
G31 Z-52,592 F 9,425 Q 180000
JnJxJ
—3
а б
Рис. 4. Формы программы: а - view (просмотр); б - cnc Program (управляющая программа)
Сформированная управляющая программа нарезания витков червяка содержит все необходимые начальные и завершающие блоки, что позволяет без корректировки и доработки простым копированием поместить его в тело основной управляющей программы обработки червяка, в которой сформированная управляющая программа должна следовать за адресом выбора режущего инструмента.
Рассмотренный программный пакет существенно сокращает время разработки управляющей программы обработки витков червяков, что по-
зволит говорить о действительно высоком уровне гибкости производства и максимально коротких сроках подготовки производства. При этом благодаря возможности формирования отчета при генерировании управляющей программы рассматриваемый продукт позволяет производить анализ полученных практических результатов и отслеживать возможные пути оптимизации процесса резания и оперативного внесения изменений в управляющую программу.
Очевидным недостатком рассмотренного программного продукта является громоздкость получаемой управляющей программы, что влечет за собой значительные трудности при ее корректировке на рабочем месте, а также некоторые неудобства при работе с программой в целом в цеховых условиях.
Список литературы
1 Ямников А.С., Красильников В. М., Гамов С. Г. Гибкий автоматизированный модуль по обработке резьбы // Резание и инструмент. 1991. Вып. №46. С. 56-59.
2 А.с. 931296 СССР, М. Кл.3 В 23 В 1/00. Способ нарезания резьб резцами. №2714217/25-08; заявл. 17.01.79; опубл. 30.05.82. Бюл. № 20. 4 с.
3 Антонов Н.П. Скоростное нарезание резьбы резцами методом последовательных проходов // Технология машиностроения. Исследования в области технологии машиностроения и режущего инструмента. 1971. Вып. 23. С. 17-28.
4 Кузнецов Е.Ю. Особенности автоматизации нарезания витков многозаходных червяков за счет использования токарных станков с ЧПУ // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения. 2009: в 2 ч. Ч. 2. С. 63-66.
5 Львов Н.П. Определение минимально возможной толщины срезаемого слоя // Станки и инструмент. 1969. № 4. С. 21-33.
E. Kuznetsov, A. Yamnikov
Computer-aided programming system for multipass cutting worm thread on turning machines
The article is devoted to computer-aided programming system which intended for making program for CNC machine. Techniques for working with the program and used mathematical formulas are shown.
Keywords: cutting coils worms cutter, automated system of technological preparation ofproduction, CAM, the control program.
Получено 12.01.10