Optymalizacja sposobu i parametrów obróbki na obrabiarkach sterowanych numerycznie dr inŝ. Adam Zalewski ITW 22.01.2009
Plan wystąpienia Przegląd problematyki Istniejący stan wiedzy Integrator CNC/CAM Wniosek o grant badawczy Dalsze plany
Przegląd problematyki Inteligentne OSN Funkcje wspomagające elastyczność wytwarzania Zastosowanie czujników i dodatkowych sygnałów sprzęŝenia zwrotnego Zastosowanie sond pomiaru N i PO Połączenie z LAN, wymiana danych, raportowanie, funkcje serwisowe, automatyczny nadzór Konfiguracja układu kinematycznego OSN ze względu na przeznaczenie technologiczne analizę dynamiczną pracy OSN wynikową dokładność geometryczną PO Program CAM a OSN Postprocesory do wymiany danych między CAM i OSN Inteligentny program CAM Optymalizacja parametrów obróbki Parametryzacja technik CAM i programowania CAM a OSN
Przegląd problematyki Inteligentny program CAM (cd) Baza wiedzy technologicznej wiedza ogólna, poziom zakładu, poziom indywidualnego technologa Cykle, funkcje pomocnicze, podprogramy, programowanie za pomocą makr, programowanie parametryczne Korekcja 2/3d -> 5 osi moŝliwość wymiany N bez modyfikacji programu NC Nowe strategie obróbki (HSM, obróbki wydajnościowe, materiałów twardych, cienkościennych, ) Wykorzystanie narzędzi specjalnych na tle integracji CAx Symulacja i weryfikacja procesów off-line Wykrywanie kolizji i innych nieprawidłowości Optymalizacja parametrów obróbki Optymalizacja pracy OSN i R (ESW) Analiza dynamiczna Kierunki rozwoju, perspektywy, prognozy
Istniejący stan wiedzy Ograniczenia techniczne (1) Integracja CAM i OSN Ograniczenia metodologiczne (2) Rys. 1 Trudności w integracji CAM/OSN
Istniejący stan wiedzy ograniczenia techniczne (1): brak dostosowania OSN do moŝliwości CAM brak dostosowania CAM do moŝliwości OSN
Ograniczenia techniczne Brak dostosowania OSN do moŝliwości CAM Wolne i długie dojazdy i odjazdy N. Występują istotne róŝnice między modelem półfabrykatu i rzeczywistym półfabrykatem. Optymalizacja parametrów w CAM nie jest 100% efektywna. symulacje VR nie uwzględniają dynamiki maszyny, napędów, dokładności geometrycznej i ruchowej OSN.
Ograniczenia techniczne Brak dostosowania CAM do moŝliwości OSN Brak poprawnej symulacji cykli maszynowych Brak aktualnej informacji o dostępności, numeracji i parametrach narzędzi w magazynie OSN Brak informacji o parametrach konfiguracyjnych OSN (ma to szczególnie znaczenie dla układów wieloosiowych) Długi okres wdraŝania i aktualizacji programów CAM oraz postprocesorów dostosowanych do konkretnych OSN
Ograniczenia techniczne CAD CAM Uniwersalny zapis (APT,NCI,CLDATA, ) Postprocesor Program (NC) OSN Rys. 2 Przepływ informacji CAD/CAM/OSN
Przepływ informacji CAD/CAM/OSN CAD Dane OSN Dane US CAM Uniwersalny zapis (APT,NCI,CLDATA, ) Postprocesor Program (NC) OSN Rys. 3 Zastosowanie dodatkowych definicji US i OSN
Przepływ informacji CAD/CAM/OSN CAD CAM Uniwersalny zapis (APT,NCI,CLDATA, ) Postprocesor Program (NC) Symulacja (VR OSN) OSN Rys. 4 Symulacja obróbki na podstawie uniwersalnego zapisu technologii
Przepływ informacji CAD/CAM/OSN CAD Symulacja (VR OSN) Postprocesor odwrotny CAM Uniwersalny zapis (APT,NCI,CLDATA, ) Postprocesor Program (NC) OSN Rys. 5 Symulacja obróbki wykorzystująca tzw. postprocesor odwrotny
Przepływ informacji CAD/CAM/OSN CAD CAM Uniwersalny zapis (APT,NCI,CLDATA, ) Postprocesor Program (NC) OSN Symulacja (Panel OSN) Rys. 6 Symulacja obróbki w panelu sterowania OSN
Przepływ informacji CAD/CAM/OSN CAD (model testowy) Symulacja (VR OSN) Wstępna Konfiguracja postprocesora Dokumentacja techniczna i programowania OSN CAM Uniwersalny zapis (APT,NCI,CLDATA, ) Postprocesor Program (NC) Modyfikacja postprocesora Korekcja Programu NC Testy Rys. 7 Schemat typowego algorytmu dostosowania postprocesora do współpracy CAM - OSN OSN Symulacja (Panel OSN)
Koncepcja Integratora CNC/CAM CAD Symulacja (VR OSN) CAM Uniwersalny zapis (APT,NCI,CLDATA, ) Postprocesor Program (NC) Integrator (CNC/CAM) OSN Rys. 8 Koncepcja Integratora CNC/CAM
Ograniczenia metodologiczne (2) Dobór parametrów skrawania w oparciu o materiał i geometrią N, materiał PO oraz warunki skrawania Zastosowanie obróbek specjalnych CAM na OSN Porównanie wydajności obróbki na przy zastosowaniu róŝnych strategii ruchu (kształtu toru) N Dynamiczna optymalizacja parametrów skrawania w odniesieniu do aktualnych warunków obróbki
Strategia ruchu narzędzia Porównanie czasów obróbki Czas w minutach 70 60 50 40 30 20 10 0 24,4 20,15 42,8 21,75 20,1 21,45 42,8 46,55 57,8 26,56 57,3 Strategia Rys. 12 Porównanie czasów obróbki róŝnymi strategiami ruchu narzędzia tego samego przedmiotu obrabianego z tymi samymi parametrami obróbkowymi
Strategia ruchu narzędzia Porównanie drogi narzędzia Droga w mm 200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 Ruch roboczy Ruch szybki Strategie Rys. 13 Porównanie wielkości drogi N podczas obróbki róŝnymi strategiami ruchu N tego samego PO z tymi samymi parametrami obróbkowymi [4]
Strategia ruchu narzędzia Rys. 14 Porównanie czasów obróbki róŝnymi strategiami HSM ruchu narzędzia kolejnego przedmiotu obrabianego z tymi samymi parametrami obróbkowymi
Strategia ruchu narzędzia Rys 15
Optymalizacja posuwu Rys. 16 Modyfikacja posuwu podczas zmiany kierunku ruchu narzędzia Rys. 17 Zmiana posuwu w zaleŝności od przekroju warstwy skrawanej.
Optymalizacja posuwu 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% -10,00% -20,00% Parallel spiral 1 45,80% 52% 50% HSM standard ard True spiral constant overlap spiral Redukcja czasu obróbki 33,60% 5,30% Zigzag Parallel spiral 2 31% Strategia True spiral 17,80% Morph spiral 32% 27% Surface rough parallel Surface rough radial -16% Rys. 18 Przykładowe symulacje badania oszczędności czasu [%] podczas obróbki zgrubnej tej samej części, róŝnymi strategiami, po zastosowaniu automatycznej optymalizacji posuwu.
Optymalizacja posuwu Rys. 19 Parametr Maksymalna zmiana posuwu na blok definiuje graniczną zmianę wartości posuwu, między kolejnymi blokami danych. Mniejsza wartość parametru moŝe spowodować większą liczbę segmentów danych i w efekcie wydłuŝy program NC. Większa wartość tego parametru z kolei zmniejszy liczbę segmentów, ale moŝe mieć jednocześnie wpływ na gwałtowny charakter zmian posuwu przy obróbce naroŝy.
Optymalizacja posuwu Rys. 20 Zwiększając parametr uwzględniający właściwości dynamiczne obrabiarki, uzyskamy w symulacji coraz krótszy czas obróbki. Przytoczona analiza [5] przemawia oczywiście na korzyść nowoczesnych, dynamicznych frezarek, trzeba jednak pamiętać o ograniczeniach wynikających z moŝliwości zastosowanych narzędzi.
Optymalizacja posuwu Rys. 21 W tej symulacji zwraca uwagę fakt, Ŝe podczas obróbki wytypowanej części, nie jest opłacalne zwiększanie posuwu roboczego powyŝej pewnej wartości (tutaj 12 m/min). Realizując ten zabieg obróbkowy na obrabiarce o wyŝszych parametrach dynamicznych, nie będziemy mogli w pełni jej wykorzystać.
Grant badawczy Przebieg badań zaplanowano w postaci trzech zadań: Pierwsze zadanie dotyczy badań w zakresie stosowania róŝnych strategii obróbki frezowaniem przedmiotów obrabianych opisanych za pomocą cech geometrycznych ( features ) oraz cech technologicznych. Drugie zadanie polega na sformułowaniu ogólnych zasad dotyczących doboru nastaw komercyjnego modułu optymalizacji posuwu (efektywnego algorytmu postępowania z poziomu uŝytkownika). Celem trzeciego zadania będzie szczegółowe opracowanie modelu tzw. Integratora CNC/CAM, który ma spełniać funkcję brakującego sprzęŝenia zwrotnego między OSN a CAM.
Grant badawczy Udział czterech pracowników naukowych Czas realizacji 2 lata Badania symulacyjne Programy komercyjne Programy własne Badania doświadczalne We współpracy z przemysłem
Badania symulacyjne - program własny (T. Rudaś) 60 50 40 V[mm3] 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 L[mm] V wydajność objętościowa skrawania (na obrót) L długość drogi narzędzia dr inŝ. Tadeusz Rudaś Projektowanie procesów obróbki w systemach CAD/CAM Rys. 21 Przykład analizy obróbki kieszeni (frez walcowo-czołowy Ø20, ap=8, ae=10, f=0,3 mm/obr.)
Badania symulacyjne - program własny (T. Rudaś) 60 50 40 V[mm m3] 30 20 10 0 1150 1170 1190 1210 L[mm] dr inŝ. Tadeusz Rudaś Projektowanie procesów obróbki w systemach CAD/CAM Rys. 22 Przykład analizy obróbki naroŝa (wpływ kąta opasania N na wydajność objętościową skrawania przy stałym posuwie)
Efekty Opracowanie algorytmów stosowania róŝnych strategii obróbki w zaleŝności od kształtu, wymiarów i rodzaju materiału PO i N. Opracowanie przykładowych schematów obróbki pozwalających znacząco skrócić czas przygotowania efektywnego programu NC. Wykorzystanie tych danych będzie miało szczególne znaczenie przy zastosowaniu parametrycznych baz predefiniowanych procesów technologicznych jak i przy wykorzystaniu baz wiedzy procesów technologicznych. Analiza przydatności komercyjnych modułów optymalizacji posuwu. Opracowanie algorytmów wzorcowania komercyjnych modułów optymalizacji posuwu do pracy na konkretnej OSN z zadanym PO i N oraz strategią obróbki. Opracowanie algorytmów regulacji parametrów komercyjnych modułów optymalizacji posuwu do pracy na konkretnej OSN z zadanym PO i N oraz strategią obróbki.
Efekty Opracowanie publikacji przez zespół realizujący projekt, udział w konferencji. Prezentacja wyników powinna wpłynąć na zwiększenie efektywności obróbki na frezarkach CNC. Opracowanie szczegółowego modelu teoretycznego Integratora CNC/CAM, który powinien przynieść korzyści takie jak: Radykalne skrócenie okresu wdroŝenia układu CNC/CAM do produkcji; Poprawę jakościową opracowania programu NC w trybie off-line poprzez wiarygodną symulację VR (Virtual Reality) przebiegu obróbki; Uwzględnianie w trakcie projektowania technologii off-line zakłóceń o charakterze systematycznym w pracy maszyny; Przygotowanie materiałów do realizacji rozprawy habilitacyjnej przez kierownika projektu.
Dalsze plany Budowa modelu teoretycznego procesu obróbki wydajnościowej frezowaniem w oparciu o zmienne parametry obróbki (a p, a e, posuw), zmienny kształt toru obróbki, zmienny kształt przedmiotu obrabianego oraz zadany kształt narzędzia. Wyznaczenie kryteriów i parametrów zagadnienia polioptymalizacji ukierunkowanego na opracowany model. Wybór metody i rozwiązanie zadania polioptymalizacji. Weryfikacja symulacyjna i doświadczalna modelu. Opracowanie narzędzia do wspomagania projektowania i oceny istniejących, wydajnych procesów obróbkowych.
Koniec Dziękuję za uwagę Proszę o pytania i uwagi dr inŝ. Adam Zalewski