W przygotowaniu

nr 5-6(25-26) 2017
dostępny
po 29.12.2017

Wydanie aktualne

nr 3-4(23-24) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

Wydania archiwalne

nr 1-2(21-22) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

nr 1-2(19-20) 2015
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(18) 2014
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(17) 2013
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(16) 2012
dostępny
w archiwum

numer 1(15) 2011
dostępny
w archiwum

numer 4(14) 2010
HD dostępny
w archiwum

numer 3(13) 2010
HD dostępny
w archiwum

numer 2(12) 2010
dostępny
w archiwum

numer 1(11) 2010 dostępny
w archiwum

numer 9(10) 2009
już dostępny
w archiwum

numer 8(9) 2009
już dostępny
w archiwum

Obserwuj @CADblog_pl

Środa, 19.02.2014 r.

Współczesne systemy CAM

Wiele osób uważa, iż w całym cyklu życia produktu to właśnie systemy CAM odgrywają kluczowe znaczenie. Pod angielskim terminem Computer Aided Manufacturing kryją się komputerowe systemy wspomagające wytwarzanie, których głównym zadaniem jest integrowanie fazy projektowania
i wytwarzania. To dzięki ich wykorzystaniu zamysł projektanta i konstruktora przybiera
postać fizyczną, także wielkoseryjną...

Autor: Maciej Stanisławski

Artykuł ukazał się na łamach dwumiesięcznika STAL (wydania 9-10/2012, 11-12/2012 i 1-2/2013)

Rys. winietowy: DMG/MORI SEIKI

„Zastosowanie zaawansowanego systemu CAM (komputerowego wspomagania wytwarzania) do sterowania maszyn CNC owocuje skróceniem czasu programowania, wyeliminowaniem ryzyka wystąpienia kolizji, obniżeniem kosztów i ostatecznie zwiększeniem wydajności pracy zarówno ludzi, jak i urządzeń”. Mniej więcej tego typu „opis wprowadzający” znajdziemy na każdej stronie internetowej producenta bądź oferenta systemów CAM – z tym, że w miejsce wielokropka należy wpisać nazwę konkretnego systemu. Nie zmienia to faktu, iż powyższe stwierdzenie w zasadzie w każdym przypadku jest prawdziwe.

Wszystkie współczesne systemy CAM, nawet darmowy FreeMill, generują kod NC (dla obrabiarek numerycznych) na podstawie modelu gotowego detalu. Model może powstać albo wewnątrz systemu CAM, albo zostać zaimportowany z systemu CAD. Nie ma znaczenia, czy dany detal ma postać dokumentacji 2D, czy modelu 3D – w obu przypadkach na podstawie danych geometrycznych system CAM pozwala na uzyskanie kodu sterującego maszyną wytwórczą. Wydajny system CAM oferuje szeroką gamę metod obróbki dla jednego detalu lub rodzin części. Ustala wartości posuwów i obrotów na podstawie zaimplementowanych (lub definiowanych przez użytkownika) baz materiałów i narzędzi. Umożliwia także – przynajmniej w teorii – wygenerowanie kodu na w zasadzie dowolny układ sterowania obrabiarki numerycznej. W praktyce bowiem najczęściej konieczne jest napisanie dedykowanego dla danej maszyny postprocesora. To, czy odbędzie się to w środowisku systemu CAM, czy też poza nim, stanowi także o jego wartości.

Aby zrozumieć znaczenie rozwiązań stosowanych w najnowszych systemach CAM, warto przypomnieć sobie istotę i sposób ich działania.

W początkach rozwoju techniki NC, w zależności od technologiczności konstrukcji (patrz ramka) części obrabianych, obrabiarki programowano ręcznie, bądź maszynowo (ze wspomaganiem komputerowym). Ręczne pisanie programów na maszyny obróbcze miało sens w przypadku urządzeń pracujących w dwóch, maksymalnie trzech osiach. Ciągły rozwój i doskonalenie maszyn i technik obróbczych, a także szybki postęp w dziedzinie elektroniki, spowodował opracowanie sterowania CNC połączonego magistralą danych z komputerem nadrzędnym (komputer DNC, w literaturze fachowej często nazywany serwerem plikowym, który przechowuje programy NC, administruje nimi, przesyła do obrabiarki i kontroluje pracę tego podsystemu).

Technologiczność konstrukcji

Jakże często słychać głosy młodych konstruktorów mówiących o tym, iż CAM pozostawiają inżynierom produkcji
i technologom i niech oni się z tym męczą. Liczy się projekt, znakomity i zdumiewający model opracowany w CAD, wirtualny prototyp będący odzwierciedleniem (nie urzeczywistnieniem) koncepcji jego twórcy.
A jeśli... nie da się go wykonać? Na przykład z powodu braku odpowiedniej technologii...

A przecież technologiczność, jedna z istotnych szczegółowych zasad konstrukcji, powinna w świadomości konstruktora obejmować nie tylko etap wytworzenia danego detalu, ale także – jego późniejszy serwis, czy też ewentualne naprawy (chociaż współcześnie to ostatnie coraz częściej nie jest brane pod uwagę – w interesie producenta klient powinien kupować nowy produkt w miejsce zużytego, nie nadającego się już do naprawy,
lub którego naprawa nie będzie opłacalna – choćby ze względów technologicznych). Ale nawet w przypadku produktów, maszyn i urządzeń przeznaczonych do dłuższej eksploatacji bywa tak,
iż konstruktor uwzględnił jedynie technologię montażu...

Wraz z rozwojem oprogramowania CAD, równolegle postępował rozwój systemów, mających na celu integrację procesów projektowania i wytwarzania. Coraz częściej w jednym środowisku programowym możliwe było wykonanie nie tylko projektu danej części, ale także – opracowanie strategii jej obróbki i wreszcie wygenerowanie kodu sterującego obrabiarką. W wielu przypadkach doświadczony projektant, który opanował także moduły, czy też podsystemy CAM współpracujące ze środowiskiem jego oprogramowania CAD, jest w stanie wykonać przynajmniej część pracy, która wcześniej zarezerwowana była jedynie dla inżyniera produkcji bądź technologa; może ona np. polegać na przygotowaniu takiej wersji ostatecznej danego detalu, która nadawać się będzie do wykorzystania jako model odlewniczy, uwzględni zachowanie materiału podczas rozkroju detalu na arkuszu blachy itp. Nie jest to jednak regułą i spotykane jest w zasadzie najczęściej w małych przedsiębiorstwach...

Jak działa CAM
Budowa systemu CAM jest podobna do CAD, jednak zamiast rozbudowanego modułu modelowania, system ten zawiera moduł procesów. Nie znaczy to, iż na rynku nie ma obecnych systemów CAM, które pozwalają na zamodelowanie od podstaw detalu, który następnie ma zostać poddany obróbce. W przypadku systemu CAM istotą jednak stała się możliwość pracy z danymi o modelu zaimportowanymi z systemów CAD, natomiast środowisko CAM powinno zapewniać dostęp do informacji odnośnie maszyny, na której dany detal powstanie, dostępnych narzędzi i przewidywanych parametrów pracy. Ten sam detal może powstać na zaawansowanym centrum obróbczym niemalże w jednym przebiegu maszyny, jak również na kilku stanowiskach, na których obróbka – w zależności od możliwości konkretnych obrabiarek – podzielona zostanie na etapy.

Podstawę do opracowania programów sterujących obrabiarkami NC stanowią dane geometrycznego opisu modelu produktu (model CAD) i dane technologiczne – jak chociażby wartości parametrów skrawania. Ale nie tylko. Konieczne są także informacje na temat położenia obrabianego obiektu w maszynie (w jej przestrzeni roboczej), położenia narzędzia względem obiektu, wreszcie – wymiary obiektu na poszczególnych etapach obróbki (materiał wyjściowy – półprodukt – produkt gotowy). Dane związane z konstrukcją zawarte są w modelu uzyskanym z systemu CAD. Natomiast dane niezbędne do jego wytworzenia na konkretnym stanowisku roboczym – przygotowane zostaną przez system CAM. Ale żeby mogły powstać, CAM musi mieć dostęp do danych z programu sterowania obrabiarką, do plików CLData pochodzących z procesora NC urządzenia wytwórczego.

Środowisko tworzenia postprocesorów w systemie CAM. Widoczne menu wyboru sterowników maszyn NC

Źródło: CAMdivision

Aby program obróbki uruchomić na obrabiarce NC, należy najpierw z pliku CLData wygenerować postprocesor, który dostosuje program do wewnętrznego języka sterownika CNC, odpowiedniego dla danej maszyny. Postprocesor NC jest programem tłumaczącym neutralny plik tekstowy CLData na wewnętrzny język sterownika NC konkretnego producenta (tzw. G-kod), innymi słowy – jest odpowiedzialny za wygenerowanie kodu NC na odpowiednia maszynę z odpowiednim sterowaniem. System CAM generuje „uniwersalną” ścieżkę narzędzia, a dopiero postprocesor zamienia geometrie ścieżek z programu na linie kodu NC „zrozumiałe” dla danej maszyny i jej sterownika. System CAM dysponuje własnymi postprocesorami, ale nierzadko pojawia się konieczność napisania „ręcznie” odpowiedniego dla danej maszyny postprocesora.

CLData (z ang. Cutter Location Data) to dane opisujące parametry obróbki i przebieg trajektorii narzędzia w obróbce skrawaniem. To na ich podstawie system CAM generuje odpowiednie instrukcje...

W zasadzie każdy współczesny system CAM potrafi dobrać optymalne narzędzia i warunki pracy, pod kątem detalu, który ma zostać wytworzony. Większość wyposażona jest także w symulator, dzięki któremu użytkownik może prześledzić cały proces obróbki na ekranie monitora oraz sprawdzić, czy nie wystąpi przypadkiem kolizja narzędzia z obrabianym detalem czy nawet wyposażeniem maszyny. Jeśli wszystko jest w porządku, pozostaje wydać polecenie automatycznego wygenerowania kodu sterującego obrabiarką.

Czy wiedza ta ma istotne znaczenie z punktu widzenia użytkownika końcowego? Odpowiedź jest prosta i brutalna: w zasadzie – nie ma. Dużo istotniejsza w praktyce okazuje się przejrzystość interfejsu użytkownika, integracja systemu z używanym środowiskiem programowym, a także możliwość wykorzystywania wyspecjalizowanych modułów, znacznie ułatwiających wykonanie określonego detalu w dedykowanej dla niego technologii. A także – wspomniane symulacje...

Symulacje i wirtualne maszyny
Automatyczne przejęcie wszystkich danych geometrycznych potrzebnych do programowania NC jest obecnie realizowane w większości systemów dostępnych na rynku. Najbardziej zaawansowane „kombajny” CAD/CAM potrafią samodzielnie, automatycznie generować dane technologiczne. Opis metodą figur geometrycznych ułatwia sprawdzanie poprawności procesów obróbki i manipulacji przedmiotu na drodze symulacji. Symulacje te są szczególnie ważne w badaniach sytuacji kolizyjnych zachodzących pomiędzy przedmiotem obrabianym, narzędziem i urządzeniami mocującymi.

Dla ujawnienia sytuacji kolizyjnych wybierane są, w trakcie przygotowania produkcji, modele przestrzenne narzędzi i urządzeń mocujących (z biblioteki modeli figur geometrycznych). Projektowana komputerowo trajektorie ruchu narzędzia otacza się symulowaną przestrzenią roboczą. Za pomocą wspomnianego algorytmu przenikania figur geometrycznych kontrolowane jest występowanie części wspólnych obrabianych brył, trajektorii ruchu, elementów maszyny lub stanowiska roboczego, w tym przede wszystkim modelu przestrzennego obrabianego przedmiotu, osadzonego w jego zamocowaniu. Pojawienie się na którymś z etapów części wspólnej jest równoważne wystąpieniu sytuacji kolizyjnej.

Nie tylko producenci systemów CAM zadbali o to, by użytkownicy ich oprogramowania mieli możliwość „przećwiczenia” obróbki danego obiektu w wirtualnym środowisku komputerowego systemu. Także producenci centrów obróbczych wyszli naprzeciw temu zapotrzebowaniu, oferując „wirtualne maszyny” – dokładne modele cyfrowe typoszeregów produkowanych maszyn. Modele uwzględniające wszystkie parametry rzeczywistych urządzeń (geometryczne, kinematyczne i dynamiczne), a także sterowników, w jaki są one wyposażone (PLC, CNC).

Na ekranie komputera użytkownik widzi te same wymiary, charakterystykę, cykle i te same opcje, jakie występują na rzeczywistej maszynie. Posuw, obciążenie narzędzia, prędkość obrotowa wrzeciona czy podajnik narzędzia jest dokładnie taki sam, jak w oryginale. Wszystkie kroki symulacji są oparte na czasie cyklu i danych z rzeczywistej maszyny. Dla przykładu, każdy krok, który jest testowany lub zmieniany na wirtualnej maszynie, odzwierciedla rzeczywistą sekwencję. Wirtualna maszyna wykorzystuje modele 3D podajników narzędzi, wrzecion czy standardowych narzędzi. Narzędzia do toczenia, frezowania, szlifowania są szczególnie ważne dla symulacji. Tylko jeśli opis geometrii narzędzia jest kompletny (zawierający rzeczywistą geometrię ostrza skrawającego, korpusu narzędzia i płytki skrawającej) symulacja może być właściwie przeprowadzona.

Przykład symulacji procesu obróbki na podstawie wygenerowanego kodu NC. Środowisko systemu NX CAM 7.5

Źródło: CAMdivision

Symulacja obróbki promienia podstawy łopatki. System NX CAM 7.5

Źródło: CAMdivision

Wirtualne maszyny używają poleceń składowych do implementacji programów NC sterujących kolejnością ruchów rzeczywistej maszyny. Technologię tą firma Siemens opracowała w 2004 roku, w ramach projektu badawczego Integrated Virtual Product Development (iViP). I tak spotykane w wirtualnych maszynach oprogramowanie Virtual NC Kernel(VNCK) jest kopią jądra sterownika SINUMERIK 840D. Nawiasem mówiąc, zaawansowane funkcje systemu SINUMERIK 840D można zastosować w wielu różnych typach nowoczesnych wieloosiowych obrabiarek wyposażonych w to sterowanie. Jeśli system CAM może generować zoptymalizowany kod NC dla sterowania SINUMERIK, wówczas praca takiej obrabiarki jest znacznie bardziej wydajna.

Prześledzenie procesu obróbki na wirtualnym urządzeniu pozwala nie tylko na ostateczną weryfikację zarówno modelu, którego technologiczność mogłaby w skrajnym przypadku uniemożliwić jego wykonanie na prawdziwej obrabiarce danego typu, ale także na całkowite zoptymalizowanie procesu wytwórczego. Z pełną gwarancją skuteczności i powodzenia całego przedsięwzięcia. Pod tym względem może okazać się znacznie lepsze, niż symulacje, które użytkownik znajdzie w systemie CAM.

Modele opracowane w Tecnomatix RealNC służą do przedstawienia 3D procesu obróbki na ekranie komputera. To oprogramowanie uzupełnia geometrię maszyny i narzędzi o charakterystyki  ruchowe, które są dostarczane z modelu kinematycznego zawierającego ponadto symulację usuwania materiału. Połączenie RealNC i VNCK dostarcza bliską rzeczywistości symulację wszystkich kroków procesu

Źródło: Siemens PLM Software

Możliwości współczesnych systemów CAM
Wyznacznikiem współczesnego „standardu” wśród systemów CAM jest szereg funkcjonalności dostępnych już w bazowym (tzn. pozbawionym rozszerzeń i dodatkowych modułów) programie. Dla przykładu, w przypadku wycinarek istotną funkcjonalnością będzie nesting – pozwalający na automatyczne rozmieszczenie elementów na arkuszu blachy (lub innego materiału). Co więcej, owo rozmieszczenie dokonywane jest na podstawie algorytmów, które pozwalają uzyskać optymalne wyniki.

Czym są współczesne systemy CAM?

Termin CAM – czyli komputerowe wspomaganie wytwarzania (ang. Computer Aided Manufacturing) – obejmuje wszystkie etapy związane z procesem wytwarzania. Należą do nich:

• tworzenie harmonogramów prac,

• obróbka, montaż,

• kontrola jakości,

• organizacja transportu międzyoperacyjnego.

Cechą charakterystyczną systemów CAM jest transformacja (przetwarzanie) obiektów (modeli) powstałych w wyniku modelowania komputerowego 2D/3D na instrukcje maszynowe (na kod CNC, sterujący pozycją narzędzia obróbczego), które umożliwiają wytwarzanie elementów. Jak widać, ich przeznaczenie jest zupełnie inne niż systemów CAD, faktem natomiast pozostaje, iż swoje funkcje realizują często w podobnym, lub wręcz identycznym (w przypadku zintegrowanych systemów) środowisku (w obrębie jednej aplikacji, z identycznym interfejsem etc.).

W przypadku kilku-osiowych maszyn obróbczych, istotne znaczenie ma planowanie ścieżek obróbki, w tym wstępne pozycjonowanie osi obrotowej, mające na celu m.in. zapobieganie powstawaniu skaz (tzw. znaków) na uzyskanej powierzchni, wywołanych zatrzymaniem pracy maszyny, zapobieganie roboczym przejściom narzędzi.

Dzięki najnowszym algorytmom generowania ścieżek narzędzia oraz innowacyjnym strategiom obróbki, współczesne systemy CAM pozwalają na skrócenie czasu obróbki o czterdzieści i więcej procent, w stosunku do systemów poprzednich generacji. Towarzyszy temu także poprawa jakości uzyskanej powierzchni, zwiększony zostaje – nawet dziesięciokrotnie – czas życia narzędzia (tzw. „przebieg – ilość obrabianych metrów”), wydłużona zostaje także żywotność centrum obróbczego.

Obecne systemy CAM zawierają w zasadzie wszystkie konwencjonalne strategie obróbki (obróbka kieszeni, konturów, równoległa, promieniowa, spiralna), a w wielu przypadkach również one zostały udoskonalone – łagodne przejścia narzędzia (optymalizacja ścieżek i posuwów) zmniejszają obciążenia, jakim ulega obrabiarka, a to przekłada się na zdecydowanie lepszą jakość obrobionej powierzchni.

Kontrola obciążenia i posuw
Współczesne systemy CAM udostępniają użytkownikom specjalne funkcje, pozwalające na kontrolę wartości obciążenia narzędzia i wykrywają ścieżki o dużym obciążeniu frezu. Wtedy stosują dla nich mniejsze wartości posuwu. Optymalizacja szybkości posuwu automatycznie analizuje obciążenia narzędzia wzdłuż ścieżki i dostosowuje wartość posuwu dla zapewnienia równej ilości usuwanego materiału, zwiększając w ten sposób żywotność narzędzia.

Wartości obciążenia narzędzia i optymalizacja posuwu

Źródło: CAMdivision

Wirniki w pięciu osiach
Najnowsze systemy turbin oferują wysoką sprawność w wielu dziedzinach – od generowania energii po silniki samolotowe. Jest to jedna z przyczyn rosnącego zapotrzebowania na komponenty zawierające elementy typu łopatki, które są najważniejszymi elementami silników turbinowych. W ciągu ostatniej dekady nastąpiło odejście od wytwarzania tarcz wirników turbin lotniczych w postaci zestawów oddzielnych łopatek składanych z piastami na rzecz produkcji pojedynczych komponentów. Już w samej historii lotnictwa tego typu technologia wytwarzania owych narażonych na wyjątkowe obciążenia zespołów stała się przyczyną wielu wypadków i katastrof lotniczych (jak chociażby pamiętna katastrofa w Lesie Kabackim samolotu Polskich Linii Lotniczych LOT IŁ-62M, w którym na skutek oderwania się łopatek turbiny doszło do uszkodzenia przewodów sterowania hydraulicznego i pożaru). Jednorodna, pojedyncza część eliminuje w zasadzie ryzyko powstania tego typu awarii, pod jednym wszakże warunkiem – iż zostanie bezbłędnie zaprojektowana i wykonana.

Obróbka maszynowa wirników z wieloma łopatkami wiąże się jednak z dodatkowymi wymaganiami w zakresie programowania NC, które jest niezbędne w przypadku obsługi obrabiarek wieloosiowych używanych do produkcji takich elementów. Wielu dostawców systemów CAM wybiera takie skomplikowane komponenty w celu potwierdzenia możliwości oprogramowania w dziedzinie obróbki 5-osiowej, ale faktycznym testem dla nich powinna być... produktywność programowania. Niestety, w praktyce nierzadko okazuje się, że standardowe oprogramowanie 5-osiowe nie spełnia wymogów wielozadaniowości w tym zakresie. Dlatego podejmując decyzję o wyborze systemu CAM, należy upewnić się, czy oferuje ono obsługę specjalnych operacji zaprojektowanych z myślą o wydajnym programowaniu ścieżek NC dla komponentów turbin.

Jeszcze przed paroma laty specjalistyczne zadania dotyczące programowania i obróbki maszynowej bardziej złożonych komponentów łopatek turbin i wirników były realizowane przy użyciu zaawansowanych narzędzi i specjalistycznego oprogramowania NC, dostarczanego wraz z obrabiarką (sic!) lub kupowanego oddzielnie od wyspecjalizowanego dostawcy. O tym, że możliwe będzie projektowanie ścieżek dla takich komponentów bezpośrednio z poziomu CAM, użytkownik mógł w zasadzie jedynie pomarzyć, albo „eksperymentować”. Koszty takich eksperymentów mogły jednak okazać się wysokie – wielokrotnie wyższe niż zakup wspomnianego wyspecjalizowanego oprogramowania.

Rys. powyżej: Typowe operacje obróbki (na przykładzie typowej, ale sprawiającej wiele problemów części)...

Także sam zakup dodatkowych aplikacji, czy narzędzi systemowych, nie zawsze sprawdzał się w praktyce; lepiej jest przecież stosować oprogramowanie w pełni zintegrowane z pozostałymi obszarami działalności. Poza koniecznością obsługi rozwiązań wielu producentów oraz przesyłania lub translacji danych, problem dotyczy również zarządzania danymi i kontroli wersji. W przypadku większych przedsiębiorstw problem polega na tym, że odrębne aplikacje działają poza systemem zarządzania danymi produktów (PDM), co powoduje wzrost kosztów związanych ze skutecznym administrowaniem takimi informacjami. Ponadto – jak wspomniałem – unikatowe, specjalistyczne pakiety oprogramowania i ich aktualizacje najczęściej są bardzo kosztowne.

Rozwiązaniem optymalnym z punktu widzenia zarówno dostawców systemów CAM, jak i ich końcowych użytkowników, okazały się dodatkowe funkcjonalności, lub też moduły, maksymalnie ułatwiające programowanie skomplikowanych części. Po przeprowadzeniu procesu instalacji, stają się one integralną częścią używanych systemów CAM. Wiele wskazuje na to, iż jednym z kierunków rozwoju współczesnych systemów CAM będzie właśnie implementacja takich rozwiązań już do standardowych, bazowych wersji programów.

Dobrym przykładem może być moduł NX Turbomachinery, którego celem jest właśnie maksymalne ułatwienie projektowania skomplikowanych części – elementów wirników i turbin. System oferuje użytkownikom specjalizowane operacje związane z programowaniem elementów urządzeń/silników turbinowych.

Ideą jest proste wybranie geometrii i wskazanie systemowi odpowiednich typów i elementów łopatek w danej operacji. Po definicji parametrów technologicznych operacji otrzymujemy całkowicie bezkolizyjne ścieżki narzędzia dla całego komponentu, bez konieczności wprowadzania do nich dalszych modyfikacji.
W przypadku braku specjalizowanych operacji w systemie CAM, wygenerowanie ścieżki narzędzia tylko między dwiema łopatkami i rozdzielaczem jest dużo bardziej czasochłonne.

Etapy procesu wprowadzenia części do produkcji:

• przygotowanie/edycja danych CAD;
• programowanie NC, a w nim:
– wybór strategii obróbki,
– określenie parametrów,
– wybór narzędzia,
– wybór sterowania/obrabiarki,
• postprocessing,
• walidacja programu.

Niektóre systemy CAM pozwalają użytkownikom na zaprogramowanie wysokowydajnej obróbki zgrubnej, podczas której można ograniczyć ilość zdejmowanego materiału. Ma to istotne znaczenie w przypadku tak wymagającego detalu, jak łopatka wirnika. Jest ona zazwyczaj długa, a to może powodować odchylenie obrabianej części. Zjawisku temu może zapobiec pozostawienie odpowiedniej masy materiału, która usztywni obrabiany detal i w ten sposób zminimalizuje odchylenie spowodowane obróbką skrawaniem. Zaawansowany CAM umożliwia przeprowadzanie wysokowydajnej 5-osiowej obróbki zgrubnej (bez konieczności stosowania pomocniczych powierzchni kontrolnych) poprzez określenie takich parametrów, jak wzór ścieżki, punkt startu narzędzia, odległości pomiędzy poziomami obróbki, głębokość obróbki, szerokość skrawania, liczba przejść pomiędzy łopatkami, odchylenie osi narzędzia oraz opcje wygładzania i wydłużania ścieżek podczas obróbki krawędzi natarcia i spływu.

Reasumując: co powinno cechować współczesny system CAM? Wymieńmy te najistotniejsze elementy:
• obsługa głowic obrotowych dla centrów obróbczych 5-cio osiowych, współpraca z wieloosiowymi centrami obróbczymi (do 15 osi),
• interpolacja położenia biegunów i obsługa emulacji frezarko-tokarek i frezarek,
• optymalizacja pozycjonowania osi obrotowej, zapobiegająca roboczym przejściom osi liniowej,
• automatyczne przełączanie pomiędzy układami współrzędnych (xyz i zxc), stanowiące dodatkową ochronę przed roboczymi przejściami osi liniowej,
• optymalizacja ścieżek programów obróbczych w celu zwiększenia żywotności narzędzia,
• możliwości obróbki High Speed Machining,
• trzypunktowa linearyzacja liniowa,
• automatyczne przekształcenie krzywych NURBS, Beziera i krzywych Spline,
• dopasowanie krzywych,
• zaawansowany algorytm linearyzacji,
• generowanie cykli wiercenia, gwintowania, wytaczania,
• wykrywanie granic ruchu narzędzia,
• trzyosiowa kompensacja narzędzia,
• automatyczna kontrola obrotów wrzeciona i posuwu,
• dokładna kalkulacja czasu obróbki,
• pełna interpolacja liniowa, kołowa i heliakalna,
• kontrola automatycznej wymiany narzędzi,
• wspomaganie przechwytu przedmiotu przy obrabiarkach wielowrzecionowych.

Powyższe wymagania spełnia w zasadzie większość systemów dostępnych na rynku. Niektóre z nich oferują także wyspecjalizowane moduły, stanowiące wsparcie dla systemów CAD, istotne przy projektowaniu form wtryskowych, tłoczników, narzędzi niezbędnych do udoskonalania procesu produkcji. Natomiast osobnym zagadnieniem pozostaje wymiana danych.

Synchronicznie w CAM? Dlaczego nie...
Głównym problemem występującym na styku systemów CAD i CAM jest wymiana danych pomiędzy różnymi strukturami i modułami obu systemów. Czynnikiem komplikującym jest fakt, że składniki sprzętowe i programowe systemów CAD i CAM potrafią się znacznie od siebie różnić. Pierwszy protokół interfejsu CAD/CAM opisany został w amerykańskiej normie ANSI Y14.26M już w 1981 r. Określał on właściwości interfejsu IGES (ang. Initial Graphics Exchange Specification), przeznaczonego głównie do przesyłania rysunków detali związanych z budową maszyn, opisywanych prostymi modelami krawędziowymi i płaszczyznowymi. Przy przenoszeniu danych detalu konstrukcyjnego z jednego do drugiego systemu CAD/CAM, IGES zapewnia przetworzenie danych przez preprocesor do formatu IGES w systemie wysyłającym i odtworzenie z danych w formacie IGES postaci zapisu rysunku zrozumiałej dla tego systemu, za pomocą postprocesora systemu przyjmującego. Ponieważ każdy system CAD/CAM może być zarówno systemem wysyłającym, jak i przyjmującym dane w formacie IGES, niezbędne są w takim systemie preprocesor i postprocesor. Dane IGES mają budowę sekwencyjną, korzystają z zestawu znaków ASCII i używają 80 znakowego formatu rozkazów. Poważnym ograniczeniem jest fakt, iż IGES nie jest w stanie przetwarzać opisu opartego na figurach geometrycznych. Z tego powodu Verband der Deutschen Automobilhersteller (niem. Związek Niemieckich Producentów Samochodów) zaproponował nowy protokół interfejsu międzysystemowego, nazywanego interfejsem powierzchniowym VDA. Ten interfejs umożliwia przetwarzanie nieanalitycznych danych nie posiadających opisu matematycznego – są to przede wszystkim krzywe i powierzchnie o dowolnych kształtach elementów karoserii samochodowych, matryc i kształtowych elektrod erozyjnych. Innym systemem (i formatem danych) uznanym za jeden ze standardów w dziedzinie CAM stał się STEP (z ang. Standard for the Exchange of Product Modeling Data).

Szczególne zasady konstrukcji:
• funkcjonalność,
• niezawodność i trwałość,
• sprawność,
• lekkość,
• taniość i dostępność materiałów,
• właściwy układ przenoszenia obciążeń,
• technologiczność,
• łatwość eksploatacji,
• ergonomiczność,
• zgodność z obowiązującymi normami i przepisami.

A przecież potencjalne źródło problemów może tkwić już w samej importowanej do systemu CAM geometrii. I zamiana na format „uniwersalny”, jak STEP czy IGES, nie oznacza, iż podczas konwersji z natywnego formatu CAD-owskiego wszelkie błędy zostaną wyeliminowane – wręcz przeciwnie. Modele idealnie wyglądające „z zewnątrz”, mogą okazać się bardzo chaotyczne pod względem matematycznym; typowe błędy powodujące odrzucenie modelu przez system CAM (lub co gorsze – jego błędną interpretację) to niepełne powierzchnie lub mikroskopijne (matematyczne) szczeliny między powierzchniami danego detalu. To już wystarczy, by pojawiły się błędy w obróbce całości. Programiści NC mogą być w takiej sytuacji zmuszeni do skorygowania geometrii powierzchni lub poprawienia jej definicji, ingerując w wyjściowy model, oczywiście pozostawiając jego niezmieniony kształt. Chociaż w pewnym zakresie także kształt wyjściowego modelu musi – ze względów technologicznych – ulec nierzadko dodatkowym modyfikacjom. Przykładem może być np. konieczność zaślepienia otworów w modelu, w celu uzyskania jednorodnej i gładkiej powierzchni na potrzeby obróbki wykańczającej, gdyż rzeczone otwory zostaną wywiercone dopiero... po zakończeniu tego etapu obróbki całego detalu.

Typowe problemy z danymi pochodzącymi z systemów CAD, z jakimi muszą radzić sobie użytkownicy systemów CAM,
inżynierowie produkcji, technolodzy...

Regułą jest także, iż projektanci CAD dostarczają działom produkcji ostateczne wersje modeli części, które wymagają wielu zmian, zanim zostaną wykorzystane np. jako modele odlewnicze (zaprojektowanie odpowiednich naddatków, pogrubienie ożebrowań, czy wspomniane już zaślepienie otworów).

Spotykamy także wiele sytuacji, w których przydaje się możliwość tworzenia specjalnych obiektów na bazie podstawowej geometrii części. Typowe przykłady to szczęki uchwytów tokarskich, czy niestandardowe elementy mocowania. Wspomniana koncepcja modelu odlewniczego jest nieco podobna do modelu bazowego półfabrykatu. Wszystkie powyższe przykłady ilustrują sytuacje, w których inżynier produkcji lub programista NC muszą wprowadzić odpowiednie modyfikacje do źródłowego modelu części.

A wprowadzanie nagłych, konkretnych zmian w projekcie? Po rozpoczęciu programowania NC znacznie łatwiej jest wprowadzić modyfikacje do istniejącego modelu bazowego 3D z poziomu środowiska CAM, niż zacząć pracę od początku z nowym plikiem dostarczonym przez projektanta.

Gdy w 2008 r. Siemens PLM Software wprowadził technologię projektowania synchronicznego (Synchronous Technology), od razu zwrócono uwagę na możliwości, jakie stwarza w kwestii szybkiego i łatwego edytowania modeli. Technologii tej poświęcono wiele miejsca już w osobnych opracowaniach, tutaj jedynie przypomnę, iż pozwala ona na modyfikowanie modeli niezależnie od historii ich projektowania. Zastosowano w niej nieznany dotąd poziom „inteligencji”, dzięki czemu użytkownicy mogą zmieniać nawet bardzo skomplikowane geometrie trójwymiarowe. Technologia doskonale współpracuje z podstawowymi, „nie-inteligentnymi” kształtami, które często powstają w wyniku translacji danych – np. na formaty STEP lub IGES. Można ją nawet stosować do trójwymiarowych modeli o nienaruszonej, aktywnej historii projektowania (np. zaawansowanych modeli parametrycznych), nie powodując żadnego jej uszkodzenia! To doskonała opcja z punktu widzenia inżynierów produkcji, którzy nie są autorami części i nie znają wszystkich szczegółów jej konstrukcji. Mimo zachowania pierwotnej historii zmiany modelu są dokładnie rejestrowane i dostępne do wglądu, czyli technologia ta spełnia wymagania dotyczące kontroli procesów w środowisku produkcyjnym.

W wielu przypadkach wiązań geometrycznych (typu styczność, współosiowość, relacje poziom/pion) absolutnie nie wolno „zrywać”. Synchronous Technology rozpoznaje istnienie tych warunków i zachowuje je podczas edycji, nawet jeśli nigdy nie zostały jednoznacznie zdefiniowane lub utracono je w wyniku translacji. To bardzo ważna funkcjonalność, szczególnie przy wprowadzaniu zmian w systemie CAM (należy jednak pamiętać o konieczności przestrzegania reguł zdefiniowanych w systemie CAD). W efekcie jednym poleceniem można identyfikować i dopasowywać sąsiadujące elementy geometrii (a nawet połączone z sobą przekroje modelu) oraz wprowadzać do nich odpowiednie korekty. Programista NC nie musi już wybierać między mniejszym, a większym złem – próbą dostosowania parametrów pominiętych przez projektanta albo modyfikacją poszczególnych elementów geometrii za pomocą metod edytowania modelu podstawowego. Oba podejścia mają swoje (opisane powyżej) wady, a projektowanie modelu od początku może potrwać wiele godzin, a nawet dni.

Dzięki technologii synchronicznej programista NC może w trójwymiarowym modelu wprowadzać zmiany, jakich dotąd nie mógł dokonywać nawet zaawansowany użytkownik systemu CAD, bez umieszczenia w modelu analogicznych mechanizmów zmienności od samego początku.

CAM za free...
W odróżnieniu od systemów CAD, praktycznie nie spotyka się rozwiązań CAM oferowanych za darmo. Przyczyna wydaje się tylko jedna: stopień zaawansowania i skomplikowania rozwiązań klasy CAM w zasadzie wyklucza jakąkolwiek celowość udostępniania takich rozwiązań bezpłatnie przez producentów, którzy utrzymują się i inwestują w rozwój swoich systemów poprzez oferowanie ich za odpowiednim wynagrodzeniem. Z kolei różne stowarzyszenia i grupy entuzjastów, tworzących darmowe aplikacje oparte np. o kod otwarty, rzadko dysponują wystarczającą wiedzą w dziedzinie technik wytwórczych i technologii, aby zaoferować rozwiązanie klasy CAM. Trzeba także wziąć pod uwagę, że użycie darmowego systemu CAD, nawet w przypadku wystąpienia błędów w działaniu programu, które przełożą się na niedoskonałość projektu, nie spowoduje wysokich strat – najdroższy okaże się czas poświęcony na pracę nad projektem i ewentualny przestój. Natomiast niesprawdzone rozwiązanie CAM w skrajnym przypadku może doprowadzić nie tylko do zmarnowania materiału, ale także do uszkodzenia narzędzia, czy wręcz maszyny obróbczej.

Przygotowanie części do obróbki na maszynie 3-osiowej. Środowisko darmowego systemu CAM – FreeMill

Przygotowanie narzędzia skrawającego. FreeMill jest ograniczoną funkcjonalnie wersją systemu VisualCAM. Producent nie zapewnia żadnego wsparcia, ale w sieci jest sporo literatury, działa także forum użytkowników. Ale darmowe rozwiązania CAM raczej nie mają przyszłości...

(...) Jedno wydaje się natomiast pewne: czynnikiem decydującym o wyborze rozwiązania CAM na pewno nie może być cena tego ostatniego.

(ms)

Źródła:
1. Anna Korcz: Komputerowe wspomaganie procesów wytwarzania CAM. Scientific Bulletin of Chełm. Section of Mathematic and Computer Science, nr 1/2009
2. Krzysztof Augustyn: NX CAM – nowe możliwości. CADblog.pl, nr 2(12)2010
3. Krzysztof Augustyn: NX & Turbo Machinery. CADblog.pl, nr 3(13)2010
4. Aleksandra Jóźwiak: Ścieżki z Synchronous Technology. CADblog.pl nr 2(12)2010
5. http://camdivision.pl/pdf_strona/publikacje/podreczniki/VoluMill_NX_Guide.pdf
6. materiały prasowe producentów i resellerów systemów CAM

Artykuł ukazał się na łamach dwumiesięcznika STAL (wydania 9-10/2012, 11-12/2012 i 1-2/2013).

Polecane strony związane z tematyką CAM i pokrewną...

www.cnc.info.pl

www.camdivision.pl

www.nxcad.pl

www.mecsoft.com

www.alphacam.pl

www.dmgmoriseikiusa.com

www.plm.automation.siemens.com

http://hypermill.pl/

http://www.automatyka.siemens.pl/

Blog monitorowany przez: