Гибридное моделирование

Крайняя точка зрения, исповедуемая PTC, заключается в том, что параметрическое твердотельное моделирование - это наиболее адекватный метод, однако в нынешних условиях конструкторам нередко требуются альтернативные возможности. Гибридное моделирование (CADDS 5, UG/Solid Modelling, Euclid, CATIA) позволяет сочетать каркасную, поверхностную, твердотельную геометрию и использовать комбинации жестко размерного (с явным заданием геометрии) и параметрического моделирования. Конечно, лучше бы использовать единственную стратегию моделирования для всех продуктов, но, во-первых, часто приходится применять ранее наработанные данные либо данные, импортируемые из других систем, а они могут иметь разные представления. Во-вторых, в какие-то моменты эффективнее работать с проволочными моделями или геометрией 3D, описанной поверхностью. И наконец, часто бывает проще иметь различные представления для разных компонентов. Например, листовое покрытие выгоднее моделировать поверхностью, а для трубопроводов использовать осесимметричное представление.

Параметрические модели, в отличие от жестко размерных, до сих пор не стандартизированы, и многие пользователи попадают врасплох, когда вдруг узнают, что нынешние трансляторы данных IGES и STEP не работают с описаниями ограничивающих условий и истории - эта информация теряется при переносе из одной системы в другую. Поскольку параметрические модели основаны на истории построений, последующее редактирование созданных объектов становится затруднительным. Кроме того, известные методы не гарантируют возможность расчета геометрии для любой модели. Все эти обстоятельства делают гибридное моделирование во многих ситуациях необходимым.

Очень важный вопрос - модификация готовых моделей. Например, в HP PE/SolidDesigner 4.0 предложено новое средство - динамическое моделирование (ДМ). ДМ не основано на истории или ограничениях на геометрию, тем самым конструктор избавляется от недостатка параметрических методов, которые требуют знания истории создания модели. С помощью ДМ можно убирать грани, изменять их относительное расположение, строить офсетные грани или изменять толщину существующих тонкостенных деталей. Все эти операции автоматически сохраняют корректность твердотельной модели. Например, операция Remove Face удаляет любую грань, но не производит дырки в модели, поскольку смежные грани автоматически заживляются.

DELCAM является ведущим в мире разработчиком систем поверхностного моделирования, а также систем механообработки и контроля сложных поверхностей. DUCT5 - это полностью интегрированная CAD/CAM система для конструирования и изготовления изделий и оснастки, в особенности имеющих сложную форму, что характерно для пластмассовых, резиновых, стеклянных и керамических изделий, а также металлических отливок, поковок и пресс-форм. Двухуровневый интерфейс сочетает мощный командный язык с удобными экранными меню. Модули данного продукта позволяют следующее:

• DUCTmodel - система трехмерного проектирования позволяющая строить поверхности любой степени сложности, с возможностями их разделения, соединения, сглаживания, скругления и т.д. Обеспечивает широкие возможности манипулирования формой поверхности. Включает в себя систему проектирования каркасных моделей и объемных поверхностей. Обеспечивает автоматическую генерацию линий и поверхностей разъема для проектирования оснастки.

• DUCTshade - модуль цветного тонирования спроектированных поверхностей с возможностью изменения точек подсветки и структуры материала. IGES/VDA интерфейс, обеспечивающий связь с любыми CAD/CAM системами, в том числе AutoCAD .

• DUCTnc - модуль, обеспечивающий формирование траектории движения режущего инструмента для станков с ЧПУ для 2-х, 2.5 и 3-х координатной обработке ( токарные, фрезерные, электроэрозионные и др. работы) на основании информации, полученной от DUCTmodel.

• DUCTpost - 2 стандартных постпроцессора по выбору Заказчика. DNC1 - система прямого управления станком с ЧПУ от персонального компьютера через порт RS-232.

• Цена подобного пакета составляет 12 000 $

Другим не менее мощным средством для трёхмерной обработки является PowerMILL - это отдельный пакет для трёхмерной обработки, позволяющий получать черновые и чистовые траектории инструмента быстро, точно и без зарезов.

PowerMILL нетребователен к качеству данных, и выполняет обработку без зарезов даже в случае наличия разрывов на поверхности модели. Если же величина этих разрывов больше заданного вами допуска на обработку, PowerMILL просто отводит инструмент на безопасную высоту по Z, чтобы гарантировать исключение врезания в заготовку. Если разрыв меньше величины допуска, инструмент проходит через него и продолжает обработку.

Другие возможности:

• обработка смещением контуров, то есть припуск удаляется за счёт прохода инструмента по контурам, созданным путём смещения наружу границы слоя, который должен быть получен , до тех пор, пока эти контура не достигнут пределов заготовки;

• растровая стратегия и проход по контуру, где большая часть материала удаляется с использованием растровой стратегии, а затем инструмент обходит обработанные участки по профилю, создавая гладкую поверхность с отсутствием гребешков и уменьшая объём последующей чистовой обработки. Имеется опция назначения этих проходов до, во время или после обработки по растру, что позволяет снизить ударные нагрузки на инструмент и уменьшить вероятность его поломок;

• попутное или встречное фрезерование – имеется возможность выбирать попутное или встречное фрезерование. Первое позволяет получить более оптимальные условия снятия припуска, в то время как второе обеспечивает лучшее качество обработанной поверхности;

• отвод инструмента до уровня предыдущего прохода – это одна из трёх опций, задающих характер перемещений инструмента между зонами обработки. При выборе этой опции инструмент при переходе к следующему слою отводится вверх не до уровня безопасности (находящегося за пределами заготовки),а до уровня предыдущей обработки, что уменьшает общее время обработки;

• доработка оставшегося материала – возможность выборки оставшегося материала после фрезы большого диаметра позволяет экономить время обработки и создать эффективную программу с оптимальным набором инструментов;

• оптимизация траекторий инструмента – малое время пересчёта траектории позволяет быстро опробовать ряд альтернативных стратегий и выбрать наиболее подходящую по времени обработки или длине траектории;

• обработка с постоянным уровнем Z – перемещение инструмента на постоянной высоте Z, с опцией контроля высоты гребешка. Также имеется опция плавного отвода и подвода инструмента по прямой или дуге при переходе на следующий уровень, что позволяет избежать следов от инструмента на поверхности детали;

• обработка пологих участков – траектории инструмента создаются отдельно для зон с углом наклона, не превышающим задаваемое пользователем значение. Эта стратегия в сочетании с обработкой с постоянной Z позволяет получать гладкие сопряжения участков с малым и большим углом наклона;

• спиральная обработка – инструмент движется по спирали в направлении к центру или от центра. Эта стратегия широко используется при высокоскоростной обработке и обеспечивает высокое качество обработки поверхностей круглой формы наряду с низкими нагрузками на инструмент при обработке;

• преобразование траекторий – операции преобразования траекторий позволяют создавать новые траектории путём зеркального отображения, перемещения или вращения уже существующих, что позволяет быстро получить зеркально-симметричные детали, равно как и содержащие множество повторяющихся элементов;

• имитация обработки PowerMILL содержит модуль трёхмерной графического моделирования операций черновой, чистовой обработки и сверления - ViewMILL. Он позволяет создавать анимацию обработки и проверять созданные траектории до того, как они будут переданы на станок. При этом высвечиваются быстрые перемещения инструмента и зоны, где возникают столкновения или касания державки инструмента с заготовкой. Имеются функции отображения текущих координат инструмента, возможность показа инструмента в виде контура или закрашенного оттенённого образа. В процессе симуляции обработки можно перекрашивать поверхности, обработанные на данный момент времени, в другой цвет, на фоне которого будет выделяться вся последующая обработка. /2/

Другая CAM-система, предоставляющая полный набор средств для конструирования, инженерного анализа, черчения и разработки управляющих программ для станков с ЧПУ – это Cimatron. В настоящее время в России и других странах СНГ Cimatron эффективно используется в авиационной и автомобильной промышленности, в машиностроении, в литейных и штамповочных производствах, для создания механического окружения электроники и товаров народного потребления. Удобство и быстрое освоение системы конструкторами и технологами, документация на русском языке, проста в работе, дружественный интерфейс, интеллектуальная обработка ошибок, гибкость и единая база данных вот некоторые из важнейших свойств системы.

Благодаря сочетанию методов поверхностного, каркасного и твердотельного проектирования становится доступно создание изделий любой сложности.

Поверхностное и каркасное моделирование является интуитивным, легким и производительным.

Полный набор геометрических элементов: от точек, линий и окружностей до сложных кривых и поверхностей Bezier, Gregory и NURBS.

Удобные инструменты создания, редактирования и анализа поверхностей позволяют легко строить и модифицировать сложные скульптурные поверхности. Система предоставляет пользователю мощные и гибкие функции построения галтельных сопряжений, обрезки поверхностей и многое другое.

Аппарат параметрического твердотельного моделирования системы Cimatron позволяет автоматизировать работу конструктора уже на этапе эскизного концептуального проектирования.

Эффективная и наглядная система сигнальных линий для задания условий параллельности, касательных, нормалей и т.п. делает проектирование намного более удобным.

Возможности оперировать алгоритмом построения, добавлять и перемещать документы в протоколе моделирования позволят осуществлять полный контроль над процессом проектирования, а возможности задания алгебраических взаимосвязей между размерами создавать параметрически целостные модели любой сложности.

В любой момент легко можно проставить размеры объекта и полностью изменить схему их простановки. При создании сборок проектирование может выполняться как "сверху-вниз", так и "снизу-вверх". При работе с твердотельными сборками возможно задание параметрических соотношений между объектами, входящими в сборку, редактирование деталей в режиме сборки, проверка на взаимное пересечение объектов и многое другое.

Подсистема черчения разработана так, чтобы обеспечить как можно более интуитивную работу, минимизируя количество повторений одних и тех же операций, и ускорить каждый этап чертежного процесса. Все чертежные данные хранятся в базе данных, единой для всех Cimatron, структура которой обеспечивает полную интеграцию всех подсистем и быстрый доступ к данным.

Все размеры, допуски, надписи и штриховки полностью ассоциативны с геометрией изделия.

Cimatron обеспечивает получение видов трехмерной модели под любым желаемым углом проецирования. Изменения в модели автоматически отражаются на видах. Интерфейс системы обеспечивает простое и удобное построение и перемещение.

Интеграция подсистем обработки и моделирования гарантирует изготовление детали точно в соответствии с требованиями. На основе спроектированной модели подсистема NC создаст управляющую программу для любого вида механической обработки: 2.5-5 координатного фрезерования, сверления, листоштамповки, токарной электроэрозионной обработок.

Разработка NC-программ оптимизирована как с точки зрения создания траектории движения инструмента, так и с точки зрения работы с данными проектирования. Любые изменения модели немедленно отображаются на траектории движения инструмента.

Благодаря возможности ручного редактирования траектории движения инструмента осуществляется полный контроль над созданием и отображением как простых, так и самых сложных операций обработки. При фрезеровании сложных поверхностей подсистема программирования оборудования с ЧПУ позволяет автоматически выполнять контроль на зарезание, рассчитывать зоны, не обработанные заданным инструментом, вычислять траекторию движения для другого инструмента, выполняющего подбор. Имитация обработки проверить и отладить управляющую программу до выхода на станок. Возможно написание на Си и Fortran собственных функций обработки, которые могут быть использованы как стандартные функции системы.

Генератор постпроцессоров позволит Вам быстро создать постпроцессор для фрезерного, токарного, сверлильного, электроэрозионного и штамповочного оборудования.

Следует отметить, что Сimatron быстро и точно выполняет трансляцию данных во все основные промышленные стандарты обмена графическими данными - IGES, VDA, DXF, а также в формат PTC. Дополнительные функции могут быть разработаны на языках Си и Fortran с использованием обширной библиотеки подпрограмм. Система успешно работает с современным оборудованием для быстрого получения моделей-прототипов, таким, как стереолитографические машины и LOM-оборудование.

Немецкая компания Open Mind Software Technologies GmbH, уже более 10 лет специализирующаяся на разработке САМ-систем, по праву стала одним из основных MAI-парт-неров Autodesk. Она разработала хорошо зарекомендовавший себя программный продукт, состоящий из трех модулей – hyperMILL, hyperCAM и hyperWORK, которые полностью интегрируются со средой Mechanical Desktop и эффективно решают задачи подготовки управляющих NC-программ для 2-, 3-й 4-координатных станков с ЧПУ, а также изготовления изделий, спроектированных в Mechanical Desktop. Таким образом, получилась сквозная технологическая цепочка программ, связывающая проектно-конструкторские работы и процесс изготовления.

HyperMILL широко применяется в модельном производстве и изготовлении технологической оснастки (электродов для прожига фасонных частей пресс-форм и т.п.) обеспечивая генерирование управляющих программ для различных видов обработки (токарной, фрезерной, электроэрозионной). Интеграция HyperMILL с Mechanical Desktop позволяет решать задачи проекти­рования и изготовления комплексно. Модель может быть передана из Mechanical Desktop в виде поверхности или как твердое тело. hyperMILL преобразует твердотельные модели в поверхности. На начальном этапе программы задаются исходные характеристики инструмента и режимы его работы, определяющие стратегию технологического процесса и припуски для последующей обработки. Технологический цикл делится на рабочие зоны, каждая из которых обрабатывается в соответствии с выбранной технологией. HyperMILL генерирует траекторию инструмента и сохраняет данные в РОР-файле, который можно проверить и отредактировать в Текстовом редакторе. Постпроцессор обеспечивает получение программы в кодах конкретной стойки с ЧПУ и выполняет обработку данных, полученных в результате проведенных расчетов. За это отвечает модуль HyperPOST, служащий специально для разработки пользовательских постпроцессоров. Проверочные функции Hyper-MILL эмулируют перемещение инструмента по рассчитанной траекторий и контролируют положение инструмента и заготовки. Для задания специфических технологических условий в HyperMILL есть средство создания макрокоманд на языке AutoLISP. Например, разработчик может написать макрокоманду для определения начального положения инструмента, выхода его на исходную позицию и т.д. Есть версии HyperMILL для работы с системами IBM/Catia и HP PE/SolidDesigner.

HyperWORK предназначен для 2,5-осевого фрезерования по контуру с подачей инструмента на заданный шаг по оси Z, циклического сверления и электроэрозионной обработки. Этот модуль содержит библиотеки инструментов, расширяемые пользовательским инструментом, параметры которого задаются в диалоговом окне выбора инструмента. Все ходы инструмента записываются в рабочие циклы, объединяющиеся в дальнейшем в общую программу. С помощью средств контроля проверяется траектория перемещения инструмента, а для разработки NC-программы из библиотеки выбирается постпроцессор. Система HyperWORK имеет легкий в настройке и использовании инвариантный постпроцессор. Специальная версия HyperWORK работает с AutoCAD LT для Windows.

Модуль nightSHIFT является очень важным дополнением к hyperMILL, так как позволяет не тратить время на расчет траектории движения режущего инструмента и подготовку NC-программы для станка с ЧПУ и ее верификации на вашем компьютере, а делать это на автономном компьютере, связанном со станком или станками. NightSHIFT включает все технологические циклы HyperMILL, но для его работы не требуется Mechanical Desktop, а значит, он работает очень быстро, так как не делит ресурсы ПК с CAD-частью (Mechanical Desktop). Определив задание в HyperMILL, можно передать его на компьютер с модулем NightSHIFT, где оператор в пакетном режиме выполняет расчеты и готовит NC-программы, а затем посылает их на станок с ЧПУ.

Модули HyperVIEW Standart и HyperVIEW Turbo предназначены для моделирования в реальном режиме процесса обработки и выявления ошибок на этой стадии. Моделируется процесс движения инструмента и удаления металла. Черновая и чистовая обработки легко заметны и отличаются цветом, назначенным на каждый инструмент. Тысячи строк NC-программы проверяются за считанные минуты и, если в них не обнаружено ошибок, передаются на станок.

НурегСАМ расширяет возможности HyperWORK для подготовки программ 4-осевой обработки.

Следует заметить что для работы этого пакета необходимы высокие аппаратные требования и дорогое программное обеспечение:

• PC Pentium Pro 180 и выше;

• ОЗУ 64 Мбайт (для Mechanical Desktop);

• 120 Мбайт дискового пространства;

• Autodesk Mechanical Desktop 1.1 и выше;

Языки технологического программирования станков с ЧПУ. Значение подготовительных функций, постоянных циклов, вспомогательных функций.

Теория информации рассматривает информацию с теоретико-вероятностной точки зрения, абстрагируясь от ее конкретного содержания, от ее ценности для получателя. Особым разделом теории информации является теория кодирования. Теория кодирования изучает способы отождествления сообщения с отображающими их сигналами. Кодирование применяют при передаче, хранении и преобразовании информации. Кодом называют любое упорядоченного множество кодовых комбинаций.

В станках с ЧПУ все элементы программы: направление, величина и скорости заданных рабочих и вспомогательных перемещений, порядок работы исполнительных органов и другие элементы цикла задаются в цифровой форме  в виде чисел, расположенных в определенном порядке и записанных определенным образом с помощью какого-либо кода. Код представляет собой условную запись числа или действия, позволяющую достаточно простым образом получить изображение этого действия в форме, удобной для использования в системах программного управления. В основном применяется Международный код ISO7bit. Код устанавливает множество определенных символов, которые подразделяют на цифровые, буквенные и графические.

Автоматизированная подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ.

Существует два направления применения средств вычислительной техники для подготовки управляющих программ, которые ориентированы на использование универсальных ЭВМ и специальных вычислительных устройств - программаторов.

Применение ЭВМ для подготовки УП возможно только при наличии математического обеспечения, которое называется системой автоматизированного программирования (САП). САП решает геометрические и технологические задачи, возникающие в процессе подготовки УП обработки деталей. Первоначально такое математическое обеспечение позволяло производить на ЭВМ вычисление координат опорных точек обрабатываемых контуров, параметров эквидистант и аппроксимацию. Далее было передано на ЭВМ решение технологических задач, кодирование информации, формирование и контроль УП. Отдельные блоки математического обеспечения были объединены в системы, предназначенные для различных технологических групп станков с ЧПУ. Необходимость технологического подразделения САП вызвана существенными различиями процессов токарной, фрезерной и других видов обработки.

Математическое обеспечение САП, как правило, строится по структуре препроцессор – процессор – постпроцессор. Препроцессор дешифрует исходные данные с языка САП на машинный. Процессор служит для решения общих геометрических, технологических и организационных задач, а постпроцессор - для учета особенностей и возможностей программируемого станка с ЧПУ.

Исходные данные вводят в ЭВМ на языке САП в виде последовательности операторов, определяющих геометрические параметры детали и заготовки с указанием зон обработки, характеристики материала, требуемой точности и шероховатости поверхностей. Каждый оператор языка САП является самостоятельным этапом алгоритмического процесса, описывающего получение детали из заготовки. Операторы состоят из слов, чисел, идентификаторов и ограничителей. Запись операторов обычно осуществляется в наглядной форме прямо с рабочего чертежа детали и технологической карты без каких либо перекодировок информации и пересчетов размеров.

В памяти ЭВМ хранятся в виде банка постоянной информации данные о станках и устройствах ЧПУ, унифицированных элементах приспособлений и инструментов, материалах, а также схемы размерной увязки различных групп деталей с системой координат станка и исходной точки обработки. ЭВМ осуществляет проектирование технологического процесса обработки детали и выдает оптимизированный вариант управляющей программы, ее распечатку в коде устройства ЧПУ и сопроводительную документацию с данными о способе установки детали, об очередности обработки поверхностей с расчетом межоперационных размеров, припусков и допусков на обработку, о схеме крепления детали, о шифрах используемого инструмента.

Подробная информация об относительных перемещениях режущего инструмента и детали, режимы резания, основная часть технологических указаний выдаются ведущим блоком САП - процессором. Эта информация представлена внутри ЭВМ в машинном виде. Внутренний язык, однозначно определяя смысл указаний, приспособлен для переработки информации, необходимой при подготовке УП. Он преобразуется в соответствующий код УП с помощью постпроцессора. На основе рекомендаций ISO разработан единый внутренний процессор  постпроцессор, обеспечивающий независимость подготовки постпроцессоров, т. е. данные о последовательном положении инструмента. Постпроцессор выполняет следующие типовые функции: считывание данных, подготовленных процессором; перевод их в систему координат станка; проверка команд на перемещения, выдача величин подач и частот вращения; формирование УП, распечатки УП и сопроводительной документации. Постпроцессоры - значительная часть всей САП. Их обычно пишут на алгоритмическом языке.

Второе направление автоматизации подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ связано с использованием специальных цифровых вычислительных устройств программаторов, в состав которых входят мини-ЭВМ, панель управления и ввода исходных данных на дисплей или графопостроитель. В отличии от ЭВМ программаторы можно располагать непосредственно на участке станков с ЧПУ, что существенно сокращает затраты времени на отладку и редактирование УП. Подготовка УП на таких устройствах обычно осуществляется в режиме диалога.

Принципиальной особенностью математического обеспечения программаторов является возможность его перестройки либо путем замены микропрограммных блоков памяти, либо "перешивкой" этих блоков.

Подготовка информации для управляющих программ

Детали, обрабатываемые на станках с ЧПУ, можно рассматривать как геометрические объекты. При обработке детали инструмент и заготовка перемещаются относительно друг друга по определенной траектории. Программа обработки детали задает движение определенной точки инструмента - его центра. Для резцов  центр дуги окружности при вершине. Если принять, что радиус инструмента во время обработки детали по контуру остается постоянным, то траектория центра инструмента при контурной обработке является эквидистантой контуру детали. Однако траектория движения центра инструмента может существенной отличаться от линий контура детали, так как в противном случае эквидистантное перемещение инструмента точно по контуру привело бы к погрешности обработки. Поэтому в ряде случаев под эквидистантой понимают такую траекторию движения центра инструмента, при которой обеспечивается обработка заданного контура.

Движение по эквидистанте относится только к траектории рабочих ходов. Перемещения центра инструмента могут быть также подготовительными и вспомогательными. Характер этих движений во многом зависит от задаваемого в начале программирования положения исходной точки.

Для обработки детали по программе прежде всего необходимо определить рабочие, подготовительные и вспомогательные траектории перемещения центра принятого для работы инструмента.

Относительно контура обрабатываемой заготовки траектория движения центра инструмента при обработке может располагаться по-разному: совпадать с контуром, быть эквидистантой контуру, изменять положение относительно контура по определенному закону. Для полной обработки детали траектория движения центра инструмента должна быть непрерывной. Траекторию инструмента представляют состоящей из отдельных, последовательно переходящих друг в друга участков, причем эти участки могут быть или участками контура детали, или эквидистанты.

Отдельные участки контура детали и эквидистанты называются геометрическими элементами. К ним относятся отрезки прямых, дуги окружностей, кривые второго и высшего порядков. Точки пересечения элементов или перехода одного элемента в другой находят как геометрический опорные точки. Эти точки в большинстве случаев являются определяющими при задании положения элементов контура в пространстве. Это положение, так же как и величина и направление движения инструмента задается в системе координат с определенной заданной нулевой точкой. Такая точка может быть у станка - нулевая точка станка или у детали. Она является началом системы координат данной детали. Нуль детали может быть задан относительно нуля станка соответствующими координатами. Свою систему координат имеет инструмент, приспособление. При программировании следует учитывать взаимосвязь всех систем координат.

В станках с ЧПУ наиболее употребительны прямоугольные, цилиндрические и сферические системы координат.

На траектории движения центра инструмента могут быть назначены также технологические опорные точки, т.е. точки, где изменяются какие-то технологические параметры, например подача инструмента и др. точки временного останова с указанием времени останова.

Опорные точки на траектории движения инструмента позволяют представить эту траекторию как определенную последовательность точек, проходимых центром инструмента при обработке детали. Каждое из положений в выбранной системе координат может быть определено координатами. Сочетание координат, определяющих положение последовательных положений инструмента и будет представлять часть программы работы станка, выраженную в числовом коде.

В начале программирования в системе координат детали задают положение базовых элементов заготовки. Относительно нуля детали задаются при программировании все опорные точки, определяющие траекторию движения центра инструмента при обработке.

Если при обработке детали используется приспособление, то оно должно быть закоординаровано на станке относительно нуля станка.

Начальный этап представления траектории обработки детали связан прежде всего с получением координат опорных точек траектории. Эти координаты могут быть выражены абсолютными размерами, т. е. для каждой опорной точки заданными относительно нулевой точки или задаваться в виде приращений в направлении движения инструмента от одной опорной точки к другой. При записи управляющей программы способ задания кодируется G90 (абсолютные координаты) и G91 (размеры в приращениях).

В большинстве систем ЧПУ работой станка управляют дискретно, с помощью импульсов. Цена одного импульса отражает разрешающую способность комплекса, включающего систему ЧПУ, механизм подач и датчики обратной связи.