NX CAM TURBOMACHINERY MILLING RECENZJA PRODUKTU

Transkrypt

1 Dr. Charles Clarke RECENZJA PRODUKTU Czynniki rynkowe...3 Dotychczasowe aplikacje specjalistyczne...3 Nowa generacja oprogramowania zapewniającego elastyczność...4 Specjalistyczne operacje dotyczące wirników...5 Kontrola obróbki zgrubnej...5 Elastyczność wyboru wzoru...6 Obróbka resztek...6 Sterowanie osią narzędzia...6 Praca z geometrią 3D niskiej jakości...7 Zalety pełnego rozwiązania CAD/CAM...7 Podsumowanie...8

2 Wprowadzenie Technologia CAD/CAM rozwinęła się w takim stopniu, że funkcje traktowane do niedawna jako zaawansowane na przykład programowanie 5-osiowe obecnie są stosowane powszechnie. Mimo to nowe technologie umożliwiają dostawcom oprogramowania zdobywanie nowych, specjalistycznych nisz, co zapewnia klientom dodatkowe korzyści. Wynikiem są nowe rozszerzenia aplikacji CAD/CAM (często nazywane dodatkami), które spełniają określone wymagania branżowe przy zachowaniu wysokiego poziomu precyzji i wydajności. Aplikacje dodatkowe ograniczają konieczność stosowania specjalistycznego, autonomicznego oprogramowania działającego poza standardowymi systemami przedsiębiorstwa. Niniejsza recenzja dotyczy nowej, zaawansowanej aplikacji modułu NX Turbomachinery Milling wprowadzonego przez firmę Siemens PLM Software do pakietu rozwiązań produkcyjnych NX 7. Nowe oprogramowanie zostało opracowane we współpracy z najważniejszymi klientami na podstawowym rynku CAD/CAM zdominowanym przez firmę Siemens PLM przedsiębiorstwami takimi jak Pratt and Whitney, GE Aircraft Engines, Rolls-Royce oraz innymi znanymi dostawcami i producentami silników lotniczych oraz generatorów energii. Innymi istotnymi użytkownikami tego oprogramowania są oddziały przedsiębiorstwa, na przykład Siemens Power Generation. Dr. Charles Clarke Charles Clarke to ceniony konsultant i autor publikacji dotyczących projektowania CAD/CAM/CAE, zarządzania cyklem życia produktów (PLM) i pokrewnych tematów. Dzięki wieloletniej pracy w branży CAD/CAM i bezpośredniemu doświadczeniu w zakresie planowania i wdrażania takich systemów na zlecenie znanych przedsiębiorstw dysponuje on wiedzą niezbędną do przeprowadzania ocen oraz przygotowywania recenzji produktów. Charles Clarke regularnie publikuje w wielu brytyjskich i międzynarodowych czasopismach branżowych. 2 Copyright 2010 Dr. Charles Clarke

3 Recenzja produktu Czynniki rynkowe Najnowsze systemy turbin oferują wysoką sprawność w wielu zastosowaniach od generowania energii po silniki samolotowe. Jest to jedna z przyczyn rosnącego zapotrzebowania na komponenty zawierające wiele elementów typu łopatki, które są najważniejszymi elementami silników turbinowych. W ciągu ostatniej dekady nastąpiło odejście od wytwarzania tarcz wirników turbin lotniczych (często nazywanych wirnikami typu blisk ) w postaci zestawów oddzielnych łopatek dołączanych do względnie złożonych piast na rzecz produkcji pojedynczych komponentów. Pojedyncza część jest zazwyczaj lżejsza, co przekłada się na wyższą wydajność. Początkowo rozwiązania tego rodzaju były stosowane w wojskowości, co zapewnia dodatkowe możliwości produkcyjne w zastosowaniach komercyjnych. Obróbka maszynowa wirników z wieloma łopatkami wiąże się jednak z dodatkowymi wymaganiami w zakresie programowania NC, które jest niezbędne w przypadku obsługi wieloosiowych narzędzi Zazwyczaj 5-osiowe oprogramowanie używanych do produkcji takich elementów. Mimo że wielu CAM nie oferuje obsługi specjalnych dostawców systemów CAM wybiera takie wymagające operacji zaprojektowanych z myślą komponenty w celu potwierdzenia możliwości oprogramowania o skutecznym programowaniu komponentów turbin. w dziedzinie obróbki 5-osiowej, faktycznym testem jest produktywność programowania. Niestety, w wielu przypadkach standardowe oprogramowanie 5-osiowe nie spełnia wymogów wielozadaniowości. Zazwyczaj 5-osiowe oprogramowanie CAM nie oferuje obsługi specjalnych operacji zaprojektowanych z myślą o wydajnym programowaniu komponentów turbin. Dotychczasowe aplikacje specjalistyczne Przez pewien czas specjalistyczne zadania programowania i obróbki maszynowej bardziej złożonych komponentów łopatek turbin i wirników były realizowane przy użyciu zaawansowanych narzędzi i oprogramowania NC dostarczanego wraz z obrabiarką lub kupowanego oddzielnie od wyspecjalizowanego dostawcy. W przypadku wielu firm taki sposób działania nie jest idealny co najmniej z punktu widzenia oprogramowania, ponieważ lepiej jest stosować aplikacje zintegrowane z pozostałymi obszarami działalności. Poza koniecznością obsługi rozwiązań wielu producentów oraz przesyłania lub translacji danych problem dotyczy również zarządzania danymi i kontroli wersji. Problem większych przedsiębiorstw polega na tym, że odrębne aplikacje działają poza systemem Copyright 2010 Dr. Charles Clarke 3

4 zarządzania danymi produktów (PDM), co powoduje wzrost kosztów związanych ze skutecznym administrowaniem takimi informacjami. Ponadto unikatowe, specjalistyczne pakiety oprogramowania i ich aktualizacje są bardzo kosztowne. Nowa generacja oprogramowania zapewniającego elastyczność Wraz z najnowszą wersją pakietu NX firma Siemens PLM Software wprowadziła specjalistyczne rozszerzenie oprogramowania NX CAM, które służy do obróbki maszynowej komponentów turbin. W przypadku firmy Siemens PLM turbiny to nie tylko wirniki, ale także śmigła lub inne części obrotowe z wieloma łopatkami. Elementy te ogólnie określa się terminem turbomachinery. Przykładowy model wirnika, który można zaprogramować przy użyciu aplikacji NX CAM Turbomachinery Milling. Podstawowym celem nowego oprogramowania NX Turbomachinery jest maksymalne ułatwienie programowania skomplikowanych części. System oferuje użytkownikom opcje związane z programowaniem elementów urządzeń/silników. Ideą jest proste wybranie odpowiedniej geometrii i wskazanie systemowi odpowiednich typów i elementów łopatek w danej operacji. Po naciśnięciu przycisku uruchamiającego system dostarcza całkowicie bezkolizyjne ścieżki narzędziowe dla całego komponentu bez konieczności wprowadzania dalszych modyfikacji. W przypadku podstawowego oprogramowania wygenerowanie ścieżki narzędziowej tylko między dwiema łopatkami i rozdzielaczem zajęłoby zapewne wiele godzin. Program NX Turbomachinery Milling pozwala wykonać tę operację w ciągu około dwóch minut. Wszyscy producenci stosują odmienne podejścia, zatem podstawowym założeniem projektowym oprogramowania NX Turbomachinery Milling było zapewnienie maksymalnej elastyczności modułu obróbki maszynowej łopatek. Istnieją aplikacje CAM, które pozwalają wyłącznie na obróbkę maszynową przestrzeni między łopatami, o ile mają one prosty kształt. Jeśli łopaty zakrzywiają się między bandażem łopatki a piastą, ich obróbka będzie niemożliwa. Oprogramowanie NX CAM pozwala uniknąć takich ograniczeń. Niektóre wirniki są wyposażone w niewielkie łopatki nazywane rozdzielaczami, które są umiejscowione pomiędzy łopatkami głównymi. Określone systemy nie pozwalają na zdefiniowanie rozdzielaczy, a nawet najbardziej zaawansowane rozwiązania umożliwiają obróbkę tylko jednego rozdzielacza. W oprogramowaniu NX można określić aż sześć rozdzielaczy. 4 Copyright 2010 Dr. Charles Clarke

5 Recenzja produktu Specjalistyczne operacje dotyczące wirników W przypadku nowej aplikacji NX cały system został opracowany z myślą o łatwiejszym, intuicyjnym korzystaniu z oprogramowania przez programistę przy użyciu elementów menu dotyczących łopat, rozdzielaczy i piast. Rozwiązanie zostało opracowane z myślą o przetwarzaniu określonych typów geometrii, zatem wystarczy określić ich położenie, a pozostałe czynności będą wykonywane przez system. Jeśli między łopatkami głównymi znajduje się rozdzielacz, należy wskazać systemowi jego lokalizację. Następnie trzeba określić, że wymagane jest wykonanie operacji obróbki zgrubnej, oraz podać narzędzie, które ma zostać użyte. Należy także wskazać, czy posuw roboczy i szerokość skrawania są odpowiednie, oraz określić materiał, jaki ma pozostać na części. Proces specyfikacji trwa około 1 2 minut, a następnie można uruchomić oprogramowanie i obliczyć ścieżkę narzędzia. Po upływie następnych 1 2 minut ścieżka narzędzia jest gotowa. Kontrola obróbki zgrubnej Na przykład podczas obróbki zgrubnej można ograniczyć ilość materiału usuwanego w ramach dowolnej operacji ścieżki narzędzia, dzięki czemu można obrobić górne 50% łopatki podczas jednej operacji. Łopatki wirników napędzanych zwykle są długie, zatem w miarę zbliżania się do krawędzi pełnią one funkcję wspornika, co może powodować odchylenie obrabianej łopatki. Jeśli podczas obróbki łopatka jest optymalnie usztywniona masą materiału, odchylenie spowodowane obróbką skrawaniem jest minimalne. Przykład ścieżki narzędziowej obróbki zgrubnej. Zazwyczaj użytkownicy wykonują obróbkę zgrubną górnych 50% łopatki, a następnie wykańczają górne 40% komponentu. Potem obrabiają zgrubnie dolne 50%, a następnie wykańczają pozostałe 60% łopatki. W przypadku stopów tytanu o dużej twardości zwykle przeprowadza się obróbkę maszynową na dwóch głębokościach dwie głębokości obróbki zgrubnej i dwie głębokości obróbki wykańczającej. Copyright 2010 Dr. Charles Clarke 5

6 Elastyczność wyboru wzoru Mimo że automatyzacja jest ważna dla skrócenia i ułatwienia programowania NC, elastyczność dostępnych operacji jest niezbędna w celu zapewnienia szybkości pracy. Oprogramowanie NX oferuje wiele opcji w tym zakresie. Na przykład rozwiązanie NX umożliwia automatyczne znalezienie krawędzi natarcia i spływu łopatki, ale można je dostosować w celu uzyskania oczekiwanej ścieżki. Użytkownik może określić, od którego rogu będzie się rozpoczynać wzór ścieżki. Można również wybrać współbieżny lub zygzakowaty kierunek ścieżki, określić przejście od lewej do prawej łopatki albo ustalić liczbę przejść na 20 bądź zdefiniować ją, podając wartość chropowatości 0,2 mm lub głębokość skrawania 6 mm albo 20% średnicy narzędzia itd. Obróbka resztek Jednym z obszarów, w których aplikacja firmy Siemens zapewnia przewagę nad innymi systemami, jest obróbka resztek. Oprogramowanie NX pracuje na aktywnym lub przetwarzanym modelu części, aby system dysponował dokładnymi informacjami na temat elementów już obrobionych i resztek materiału. Jeśli na przykład większy frez pozostawił materiał między podstawą rozdzielacza i łopatką główną, dzięki aplikacji NX CAM można automatycznie obrobić pozostały materiał za pomocą jednego kliknięcia. Umożliwia to zminimalizowanie nakładów na programowanie i prowadzi do wyższej efektywności obróbki. Operacja ta może być również stosowana pomiędzy etapami toczenia i frezowania, co jest przydatne w przypadku turbin, gdzie części obrotowe są poddawane wcześniej takiej obróbce. Przykład ścieżki narzędziowej obróbki pozostałości. Sterowanie osią narzędzia Możliwa jest także kontrola osi narzędzia w zakresie kątów wyprzedzenia i opóźnienia (lead/lag). Jest to szczególnie ważne podczas korzystania z frezów kulowych i czołowych, gdzie dolny wierzchołek nie ma krawędzi skrawającej, a krawędź natarcia można utworzyć, pochylając narzędzie. Wyprzedzenie i opóźnienie dla krawędzi natarcia oraz spływu można określić niezależnie, a oś narzędzia jest interpolowana pomiędzy nimi. Parametry te można określić na bandażu łopatki i piaście oprogramowanie interpoluje wartości przyrostu wymagane do łagodnego przejścia między nimi. 6 Copyright 2010 Dr. Charles Clarke

7 Recenzja produktu Większość odchyleń osi narzędzi występuje podczas przejścia w pobliżu krawędzi natarcia i spływu, ponieważ w tym miejscu następują zmiany krzywizny. Aby zminimalizować ten efekt, można ustawić oś narzędzia na wartość zbliżoną do wartości krawędzi natarcia i spływu łopatki. Można także określić, że w odległości 20 mm od krawędzi natarcia lub spływu oś narzędzia powinna pozostawać taka sama do końca przejścia. Nieoczekiwane zmiany osi są niepożądane, ponieważ mogą one powodować uszkodzenie powierzchni lub narzędzia. Czasami niewielka zmiana osi narzędzia może oznaczać istotną modyfikację krawędzi skrawania. Rozwiązanie NX ułatwia zarządzanie współczynnikiem zmiany osi narzędzia. Firma Siemens poinformowała, że specjalna funkcja obróbki maszynowej krawędzi łopatek jest jednym z zaplanowanych dodatków oraz że operacja ta będzie tak samo łatwa i szybka, jak inne mechanizmy dostępne w nowym oprogramowaniu, dzięki funkcji przeznaczonej dla łopatek i wirników. Praca z geometrią 3D niskiej jakości Inne systemy CAM bardzo precyzyjnie definiują rodzaje geometrii 3D, które mogą być używane jako podstawa programowania NC w przypadku złożonych części. Znajdowanie i rozwiązywanie problemów z danymi matematycznymi modelu CAD może być żmudnym i czasochłonnym zadaniem. Oprogramowanie NX pozwala zaoszczędzić czas, ponieważ nie wymaga wyeliminowania tych trudności przed programowaniem. Aplikacja NX CAM działa bezpośrednio na podstawie zaimportowanej geometrii w celu generowania prawidłowych ścieżek narzędzia bez dostosowywania i ponownego modelowania, co umożliwia uniknięcie wielogodzinnych przygotowań modelu przed programowaniem NC. Zalety pełnego rozwiązania CAD/CAM Przykład symulacji sterowanej kodem G przy użyciu modelu narzędzia w rozwiązaniu NX CAM. Ważną zaletą rozwiązania NX jest to, że oprogramowanie CAM stanowi część zintegrowanego pakietu aplikacji, które mogą być używane podczas działań związanych z inżynierią produkcji, gdy wszystkie moduły są połączone z głównym modelem części. W przypadku rozwiązania NX programista NC ma dostęp do pełnego zestawu narzędzi NX CAD pozwalających na tworzenie trójwymiarowych modeli z rysunków, jeśli jest to potrzebne. Ze względu na spójne podejście do modelu aktualizacja geometrii powoduje również aktualizację zależności, takich jak ścieżka narzędzia NX CAM lub kontrola w NX CMM. Istnieje także możliwość zastosowania takich samych funkcji CAD do modelowania wszystkich elementów wymaganych do ukończenia procesu od narzędzi i mocowań do kompletnego modelu 3D narzędzia wraz z kompletnymi danymi kinematycznymi na potrzeby symulacji obróbki maszynowej. Copyright 2010 Dr. Charles Clarke 7

8 Podsumowanie Ze względu na dużą liczbę przykładów systemów CAM przedstawiających symulacje oprogramowania 5-osiowego używanego do modelowania wirników można by sądzić, że programowanie tak złożonych części można wykonywać przy użyciu dowolnego pakietu CAM. Mimo że dostępność wieloosiowego oprogramowania CAM znacznie się poprawiła w ciągu ostatnich pięciu lat, nadal występują znaczne różnice między możliwościami poszczególnych pakietów. Różnica ta jest jeszcze większa w przypadku przejścia uznanych systemów, takich jak NX CAM (wcześniejsza nazwa Unigraphics CAM), do specjalistycznych aplikacji, np. w zakresie frezowania elementów turbin. Nowa wersja oprogramowania firmy Siemens wprowadza całkiem nowe możliwości. Jak zwykle liczba potencjalnych nowych funkcji może być nieskończona, a firma Siemens poinformowała o planach wprowadzenia bardziej specjalistycznych zastosowań. Na przykład planowane jest dodanie gotowego rozwiązania do obróbki zaokrągleń łopatek, które zastąpi standardowe opcje obróbki zaokrągleń dostępne obecnie w oprogramowaniu NX CAM. W ogólnym ujęciu fakt, że rozwiązanie NX CAM już wcześniej było bardzo nowoczesnym systemem ze szczegółowymi i sprawdzonymi możliwościami, powinien przekonać klientów, którzy oczekują wydajnego programowania komponentów z wieloma łopatkami, takich jak wirniki, i oczekują szeregu dodatkowych funkcji oferowanych przez tak uznanego dostawcę oprogramowania CAD/CAM, jak firma Siemens. 8 Copyright 2010 Dr. Charles Clarke