SYSTEM GTJ-2000 W ZASTOSOWANIU DO PROJEKTOWANIA PROCESÓW OBRÓBKI NA OBRABIARKACH CNC

Aleksander FLORKOWSKI Andrzej CZERWIŃSKI Janusz KALISZ Janusz SEMCZUK SYSTEM GTJ-2000 W ZASTOSOWANIU DO PROJEKTOWANIA PROCESÓW OBRÓBKI NA OBRABIARKACH CNC 1. WPROWADZENIE Rozwijany i upowszechniany przez IZTW system komputerowego wspomagania projektowania procesów technologicznych obróbki GTJ-2000 jest aplikacją CAD/CAM opracowaną dla środowiska Windows integrującą opracowane wcześniej i upowszechniane przez wiele lat w przemyśle pakiety oprogramowania GTJ-T i GTJ-3. System adresowany jest głównie do małych i średnich przedsiębiorstw produkcyjnych wyposażonych w obrabiarki NC. Umożliwia on projektowanie na płaszczyźnie (lub import z systemów CAD) dowolnych kształtów, a następnie zaprojektowanie zabiegów technologicznych obróbki otworów, frezowania, toczenia oraz wycinania elektroerozyjnego. Projektowanie obróbki powiązano z wykorzystaniem baz wiedzy technologicznej, które oprócz danych o narzędziach skrawających, płytkach, uchwytach, sposobach mocowania, wspomagają dobór właściwego dla zadanego zabiegu narzędzia, parametrów obróbki, a także zawierają inne konieczne dane i rysunki. Graficzna symulacja przebiegu obróbki pozwala prześledzić ścieżkę narzędzia, wykryć ew. kolizje i błędy. System posiada stosunkowo wysoki poziom automatyzacji, z możliwością szybkiego dostosowywania do indywidualnych wymogów użytkownika (np. budowa bibliotek makro, podprogramów, dedykowanych postprocesorów). 2. PROJEKTOWANIE OBRÓBKI OTWORÓW I FREZOWANIA 2.1. ZASADY OGÓLNE W systemie GTJ-2000 przyjęto, że projektowanie zabiegów obróbki otworów oraz zabiegów frezowania odbywa się zawsze na płaszczyźnie X-Y, a oś obrotu narzędzia pokrywa się z osią Z przestrzennego układu współrzędnych X-Y-Z. W przypadku obrabiarek ze sterowaniem 3 5-osiowym projektowanie obróbki odbywać się może ponadto na dowolnie usytuowanych w przestrzeni płaszczyznach, których położenie w układzie współrzędnych obrabiarki zostało wcześniej określone, a żądane ustawienie płaszczyzny podczas procesu obróbki może być zrealizowane za pomocą ruchów w pozostałych osiach sterowania (np. obrót stołem, ustawienie kątowe wrzeciona). W systemie GTJ-2000 nie jest budowany model przestrzenny (3D) detalu, a projektowanie procesu obróbki odbywa się zawsze w powiązaniu z elementami geometrycznymi opisanymi na płaszczyźnie usytuowanej w zadany sposób w przestrzeni obrabiarki. Przebieg ścieżki narzędzia podczas obróbki może być natomiast obserwowany zarówno na płaszczyznach, jak i w przestrzeni 3D. 21

Położenie płaszczyzny projektowej w przestrzeni obrabiarki jest obrazowane w oknie podczas jej definiowania. Widok tego okna na tle otwartego menu definicji geometrycznych przedstawia rys.1. Dla ustalonej płaszczyzny projektowej za pomocą dostępnych w menu geometrycznym poleceń zadaje się punkty - dla obróbki otworów, oraz profile - dla obróbki kształtowej lub też określające obszar, wewnątrz którego usunięty ma zostać materiał (obróbka kieszeni). Rys.1. Menu definicji geometrycznych i definiowanie płaszczyzny projektowej Zadając punkty wykorzystuje się dostępne w menu geometrycznym definicje punktów i zbiorów punktów, natomiast profile budować można w oparciu o wcześniej zdefiniowane linie proste, okręgi oraz krzywe swobodne wyznaczane przez położone na nich punkty. Możliwa jest przy tym transformacja profili (przesunięcie i obrót, odbicie lustrzane), a także korzystanie z profili wcześniej skatalogowanych. Wywołanie z paska menu geometrycznego lub technologicznego określonej definicji lub polecenia powoduje otwarcie właściwego okna dialogowego. Podświetlane są w nim pola, które należy wypełnić lub też wskazać myszką właściwy element geometryczny. Kompletowaniu danych towarzyszy tworzenie w wydzielonym dolnym obszarze okna instrukcji języka GTJ, opisującej wprowadzane dane. Zapis całości tworzonego w ten sposób w tle programu obróbki w języku GTJ oglądnąć można otwierając okno programu źródłowego obróbki. Jest to okno edycyjne i używać go można także do edycji (korekty) wprowadzonych już linii programu, jak również do bezpośredniego wprowadzania z klawiatury tekstu nowych linii programu i poleceń w języku GTJ. System GTJ-2000 może w ten sposób przyjmować dane wejściowe - w zależności od potrzeby oraz wprawy i upodobań programisty - na dwa alternatywne sposoby: za pomocą menu i okien dialogowych, lub poprzez edycję kolejnych poleceń bezpośrednio w oknie programu źródłowego obróbki. Niezależnie od programu źródłowego podczas projektowania tworzony jest plan obróbki dla całego procesu technologicznego. Ma on strukturę drzewa, w którym podczas projektowania uwidaczniane są kolejne zamocowania (ustawienia płaszczyzny obróbki), narzędzia oraz 22

wykonywane nimi zabiegi. Istnieje przy tym jednoznaczne powiązanie pomiędzy zabiegami w planie obróbki oraz odpo- wiadającymi liniami programu GTJ. Na rys.2 przedstawiono otwarte okna planu obróbki oraz programu źródłowego. Rys.2. Okna zaprojektowanych zabiegów technologicznych 2.2. PROJEKTOWANIE OBRÓBKI OTWORÓW W systemie GTJ-2000 projektować można następujące podstawowe zabiegi obróbki otworów: nawiercanie, wiercenie, pogłębianie, wytaczanie, rozwiercanie, gwintowanie. Dla każdego zabiegu podaje się średnicę i głębokość oraz ew. inne wymagane parametry otworu, a następnie wskazuje się miejsca realizacji zabiegu (punkty, zbiory punktów). Przed realizacją zabiegu sprawdza się, czy aktualnie zamocowanym narzędziem możliwa jest zadana obróbka. Jeśli nie jest możliwa, to system umożliwia dobranie właściwego narzędzia, odwołując się do bazy narzędzi i danych technologicznych. Z bazy tej dobierane są ponadto zalecane parametry obróbki dla zadanego na wstępie materiału obrabianego i wybranego narzędzia. System GTJ-2000 dysponuje możliwością projektowania parametrycznego, a także możliwością tworzenia dodatkowych własnych poleceń za pomocą tzw. makroinstrukcji. Tworzone są one z sekwencji podstawowych instrukcji języka GTJ z ewentualnym wykorzystaniem zmiennych, wyrażeń arytmetycznych, pętli i skoków programowych. Wykorzystując powyższe możliwości opracowano wchodzącą standardowo w skład systemu GTJ-2000 bibliotekę makroinstrukcji dla obróbki otworów. Za pomocą zawartych w niej poleceń zaprojektować można kompletną obróbkę otworu wykonywaną zestawem niezbędnych narzędzi. Zestaw taki dobierany jest na podstawie zadanych parametrów otworu (średnica, dokładność wykonania, itp.). W bibliotece umieszczone zostały sparametryzowane programy w języku GTJ na potrzeby obróbki najczęściej wykonywanych otworów. 23

Są to otwory: - wiercony - gwintowany - gwintowany z pogłębieniem - wytaczany (z dokładnością H7) - wytaczany w pełnym materiale (z dokładnością H7, H9) - pogłębiany - pogłębiany (z dokładnością H7) - wytaczany (z dokładnością H7) wraz z pogłębianiem - rozwiercany (z dokładnością H7) - rozwiercany (z dokładnością H7) wraz z pogłębianiem. Przykładowe wykorzystanie makroinstrukcji podczas projektowania obróbki otworu wytaczanego z pogłębianiem przedstawiono na rys.3. Rys.3. Wykorzystanie makroinstrukcji obróbki otworu 2.3. PROJEKTOWANIE FREZOWANIA Projektowane zabiegi frezowania dotyczyć mogą: frezowania czołowego płaszczyzn (planowanie), frezowania kształtowego wzdłuż profilu, wybierania naddatków z wnętrza zamkniętego profilem obszaru (obróbka kieszeni). We wszystkich przypadkach po dobraniu - z wykorzystaniem bazy wiedzy technologicznej - właściwego narzędzia i parametrów obróbki wskazuje się wcześniej zdefiniowany profil, który określa miejsce obróbki. W przypadku frezowania kształtowego obróbka realizowana jest wzdłuż elementów zadanego profilu, z uwzględnieniem średnicy narzędzia i żądanego odsunięcia po lewej lub prawej stronie, idąc zgodnie z kierunkiem profilu. W przypadku planowania oraz obróbki kieszeni wskazany profil powinien być zamknięty i określać granice obszaru, wewnątrz którego wykonywana jest obróbka. Jeśli wewnątrz zadanego obszaru zdefiniowano ponadto inne profile zamknięte, to w przypadku obróbki kieszeni określać mogą one tzw. wyspy, czyli obszary niepodlegające obróbce. 24

2.4. PORZĄDKOWANIE ZABIEGÓW WRAZ Z USTALENIEM ICH KOLEJNOŚCI Przy projektowaniu obróbki w wielu ustawieniach (obroty stołem), a także gdy wykorzystywane są makroinstrukcje obróbki otworów, niebagatelnym zadaniem wykonywanym przez system GTJ-2000 jest właściwe porządkowanie kolejności zabiegów. Standardowo zabiegi wykonywane są w kolejności ich zaprogramowania, lecz dostępne w systemie funkcje automatycznego porządkowania umożliwiają uporządkowanie zabiegów tak, aby zachowana była minimalna liczba zmian narzędzi, minimalna liczba obrotów stołem, lub też kompletna obróbka poszczególnych fragmentów detalu. Porządkując kolejność zabiegów przyjęto następujące zasady: a) dla ustawionej opcji minimum obrotów stołu wykonywana jest kompletna obróbka zadeklarowanych płaszczyzn obróbki w kolejności ich numeracji (FACE1, FACE2,..., itd.). W ramach każdej płaszczyzny kolejność wykonywanych zabiegów jest zgodna z założonymi priorytetami, w ramach jednego typu zabiegów o kolejności wykonania decyduje średnica narzędzia, a przy jednakowych średnicach bliskość elementów. b) dla ustawionej opcji minimum zmian narzędzi, raz wywołane narzędzie wykonuje obróbkę na wszystkich płaszczyznach (w kolejności ich numerów), a ruchy ustawcze konieczne przy przejściu do kolejnych płaszczyzn (w tym ew. obroty stołu) są generowane automatycznie. Kolejność wykonywania zabiegów dla całego detalu jest zgodna z przedstawioną powyżej kolejnością ustaloną dla pojedynczej płaszczyzny. Zastosowanie opcji porządkowania i ustalenia kolejności zabiegów ma duże znaczenie zwłaszcza przy projektowaniu obróbki korpusów, obróbce dużej ilości złożonych otworów, a zwłaszcza wtedy, gdy podczas projektowania zastosowano kompleksowe definicje technologiczne (np. makroinstrukcje obróbki otworów, kieszeni, itp.). Opcja ta podnosi walory systemu i jest unikatowa w tego typu systemach CAD/CAM. 2.5. SPRAWDZANIE ORAZ SYMULOWANIE PRZEBIEGU OBRÓBKI Polecenie symulacji procesu obróbki może zostać wydane w każdym momencie projektowania obróbki. Podczas symulacji obróbki wizualizowany i zaznaczany jest tor ruchu narzędzia z uwidocznieniem kształtu i średnicy narzędzia. Symulację wykonuje się jednocześnie w 4 oddzielnych oknach (rys.4) : - w oknie XYZ obrazowany jest przestrzennie w globalnym układzie współrzędnych obrabiarki tor ruchu poszczególnych narzędzi dla wszystkich zadeklarowanych płaszczyzn programowania, - w oknach YZ, XY, ZX obrazowane są rzuty ruchów poszczególnych narzędzi na płaszczyzny YZ, XY, ZX, wykonywane oddzielnie dla kolejnych płaszczyzn programowania (FACE1, FACE2,...). Podczas symulacji aktywne są przyciski zwolnienia lub przyspieszenia posuwu, pracy krok po kroku, powiększania i pomniejszania obszaru, zmiany punktu obserwacji dla widoku 3D. Symulacja przebiegu obróbki może być wykonywana również po zakończeniu projektowania procesu obróbki, celem sprawdzenia i weryfikacji utworzonego przez postprocesor programu obróbki, zapisanego w języku konkretnej obrabiarki i jej układu NC. Możliwość zatrzymania symulacji, skojarzenie wykonanego przemieszczenia narzędzia z odpowiadającym blokiem programu oraz możliwość włączenia trybu edycji programu sterującego, wszystko 25

to stwarza doskonałe narzędzie do kontroli programu, wprowadzania ewentualnych zmian, dopisywania dodatkowych bloków itp. Rys.4. Przebieg symulacji obróbki 3. PROJEKTOWANIE WYCINANIA ELEKTROEROZYJNEGO 4-OSIOWEGO Wycinanie elektroerozyjne z dużymi kątami pochylania elektrody (drutu) stwarza możliwość wycinania brył o zmiennym przekroju, wtedy gdy przy sterowaniu 4-osiowym górny prowadnik elektrody wykonuje posuw wzdłuż profilu innego niż prowadnik dolny. Przez odpowiednią synchronizację profili położonych w dwu równoległych płaszczyznach, uzyskać można zupełnie różny kształt wycinanych brył (rys.5). Moduł technologiczny wycinania elektroerozyjnego systemu GTJ-2000 umożliwia zadawanie dwu profili, położonych w dwu równoległych płaszczyznach X-Y, U-V, z możliwością wprowadzenia synchronizacji elementów obu profili. System zapewnia zmianę wprowadzonej synchronizacji oraz możliwość wizualizacji zarówno cięcia, jak i samej powstałej bryły. 26

Rys.5. Obróbka kształtowa przez wycinanie 4-osiowe 4. PROJEKTOWANIE TOCZENIA W SYSTEMIE GTJ-2000 4.1. PROJEKTOWANIE KSZTAŁTU WYROBU I PÓŁFABRYKATU Automatyczne generowanie ścieżki narzędzia dla projektowanych zabiegów toczenia wymaga określenia i wskazania istniejących naddatków materiału. Stąd powstaje konieczność zdefiniowania - we wstępnej fazie projektowania - tak finalnego kształtu wyrobu, jak i kształtu półfabrykatu. Profil opisujący geometrycznie kształt wyrobu jest konieczny dla zaprojektowania przejść obróbki kształtowej, natomiast dodatkowo drugi profil - opisujący półfabrykat - jest niezbędny w przypadku projektowania cykli obróbki zgrubnej wierszowaniem. Obszar zawarty pomiędzy zdefiniowanymi profilami wyrobu i półfabrykatu (rys.6) jest zadanym do usunięcia naddatkiem materiału. Każdorazowo po zrealizowaniu polecenia obróbki zgrubnej obszar ten jest korygowany, a profil półfabrykatu pokazuje aktualny kształt detalu po zrealizowanej obróbce. 27

Rys.6. Definiowanie profili wyrobu i półfabrykatu 4.2. PROJEKTOWANIE OBRÓBKI ZGRUBNEJ Obróbka zgrubna wykonywana jest cyklem wierszowania zadanego obszaru, równolegle lub prostopadle do osi obrotu. Określenia obszaru dokonuje się przez wskazanie jednego lub najczęściej dwu krańcowych elementów, należących do profilu gotowego wyrobu, nad którymi usunięty ma zostać naddatek. Realizowany cykl wierszowania może mieć przebieg standardowy - jeśli co najmniej z dwu kierunków możliwe jest dojście narzędzia do materiału, lub zawierać może także wcinanie w materiał w przypadku występowania tzw. kieszeni, gdy dojście do materiału możliwe jest tylko z jednego kierunku. Wybór z bazy właściwego dla realizacji obróbki narzędzia, pozostawia się w zasadzie programiście, choć system sam wytypuje narzędzia najbardziej odpowiednie do obróbki zadanego obszaru. Kontrolowane będą kąty przystawienia głównej i pomocniczej krawędzi ostrza, a dopuszczalny obszar obróbki wybranym narzędziem skorygowany zostanie tak, aby nie nastąpiło uszkodzenie narzędzia, ani też uszkodzenie materiału (naruszenie profilu gotowego wyrobu). Usunięcie pozostałych niewybranych naddatków, powinno nastąpić wówczas innym narzędziem. Rys.7. Dobór narzędzia i przebieg obróbki zgrubnej zewnętrznej 28

4.3. PROJEKTOWANIE OBRÓBKI KSZTAŁTOWEJ I WYKAŃCZAJĄCEJ Obróbka kształtowa i wykańczająca dotyczyć może jednego lub kilku wskazanych elementów profilu gotowego wyrobu. Wykonywana może być na dokładny wymiar lub z pozostawieniem zadanego naddatku. Zaprogramowanych może zostać w ten sposób kilka przejść wykańczających (kształtujących). Parametry skrawania dobierane są automatycznie na podstawie danych zgromadzonych w bazie, a posuw narzędzia wyliczany jest tak, aby uzyskać zadaną chropowatość powierzchni. Dla realizowanych przejść kształtujących dla każdego elementu profilu sprawdzane są kąty ostrza skrawającego, aby podczas obróbki nie doszło do naruszenia zadanego kształtu. 4.4. PROJEKTOWANIE OBRÓBKI NARZĘDZIAMI KSZTAŁTOWYMI I OBROTOWYMI Narzędzia kształtowe przeznaczone są wyłącznie do nacinania rowków oraz gwintów. Zabiegi nacinania rowków można projektować można na powierzchniach zewnętrznych, wewnętrznych lub czołowych. Jeśli projektowana szerokość rowka jest większa od szerokości wybranego narzędzia, to wykonywany jest cykl nacinania rowka. Możliwe jest wtedy zadawanie dodatkowych ścięć lub zaokrągleń krawędzi oraz dna rowka. Rys.8. Projektowanie nacinania rowka Dostępne w systemie cykle nacinania gwintu dotyczyć mogą dowolnie położonych gwintów metrycznych, calowych, trapezowych, jak również innych - dowolnie zdefiniowanych. Zagłębianie narzędzia w kolejnych przejściach gwintujących odbywać się może promieniowo lub stycznie do powierzchni gwintu, przy zachowaniu stałej powierzchni wióra dla poszczególnych przejść narzędzia. Dane geometryczne dla zadanego gwintu pobierane są z bazy technologicznej. Zabiegi wykonywane narzędziami obrotowymi to: wiercenie, rozwiercanie i pogłębianie otworów, oraz gwintowanie narzynką lub gwintownikiem. Zabiegi wiercenia wykonywane są z rozbudowanymi cyklami odwiórowania. Zabiegi powyższe mogą być realizowane wyłącznie przy takim ustawieniu narzędzia, aby jego oś symetrii pokrywała się z osią obrotu detalu. 29

4.5. SYMULACJA PROCESU OBRÓBKI I POSTPROCESOR Zlecenie symulacji procesu obróbki może zostać wydane w każdym momencie projektowania obróbki i wykonywana jest ona w oddzielnym oknie (rys.9) z zaznaczeniem kształtu docelowego oraz uwidocznieniem aktualnego kształtu detalu. Wizualizacja przebiegu obróbki odbywa się z uwidocznieniem (na życzenie) uchwytu, głowicy narzędziowej z narzędziem i płytką. Podczas symulacji aktywne są przyciski zwolnienia lub przyspieszenia posuwu, pracy krok po kroku, powiększania i pomniejszania obszaru, widoku 3D. Projektowanie procesu obróbki kończy wywołanie właściwego dla wybranej obrabiarki i układu sterowania NC postprocesora, który utworzy program sterujący wraz z niezbędną dokumentacją (rys.10). Utworzony program po ostatecznym sprawdzeniu i końcowej symulacji przesłany może zostać na obrabiarkę. Rys.9. Przebieg symulacji dla obróbki zewnętrznej Rys.10. Wyniki przetwarzania postprocesora 5. UWAGI KOŃCOWE Analiza potrzeb wielu zakładów produkcyjnych eksploatujących OSN pozwala uznać, że system GTJ-2000 pomimo że nie zapewnia modelowania powierzchni swobodnych 3D oraz ich wieloosiowej obróbki (co jest wymagane np. przy projektowaniu form i matryc), zaspokaja w dużej mierze istniejące potrzeby w zakresie projektowania procesów obróbki otworów, frezowania, toczenia, wycinania elektroerozyjnego. Jest niedrogi w utrzymaniu, prosty w obsłudze, posiada stosunkowo wysoki poziom automatyzacji, z możliwością szybkiego dostosowywania do indywidualnych wymogów użytkownika (np. budowa bibliotek makro, podprogramów, dedykowanych postprocesorów). Jest ponadto systemem otwartym i stale rozwijanym w ramach prowadzonych przez Instytut prac badawczo-rozwojowych, a wytyczane kierunki rozwoju tworzonego oprogramowania uwzględniają wieloletnie doświadczenia współpracy z przemysłem oraz zgłaszane uwagi i potrzeby wielu jego użytkowników. 30