ГеММа-3D:  система геометрического моделирования и программирования для станков с ЧПУ

Октябрь, 2000

Программирование обработки изделий  со сложной геометрией на станках с ЧПУ обеспечивает входящая в состав комплекса проектно-технологических программных средств КОМПАС подсистема ГеММа-3D.

Разработка системы была начата около 10 лет назад специалистами Центрального Аэрогидродинамического института. Основной ее целью тогда являлась замена зарубежных САПР на ЭВМ типа VAX продуктами для персональных ЭВМ, пригодным для построения математических моделей и программ для станков с ЧПУ на опытном заводе ЦАГИ.

За прошедшее время выпущено 7 базовых версий системы. ГеММа-3D является на сегодняшний день наиболее распространенной технологической системой на машиностроительных предприятиях СНГ и Балтии. Число предприятий использующих ее уже далеко перевалило за 150.

 
Рис. 1 

На данной части детали поверхности телефонной трубки иллюстрируется основное назначение системы — программирование обработки на станках с ЧПУ. На этом примере видны все основные составляющие, характерные для математической модели сложных объектов. Ряд регулярных поверхностей, их скругления, гладкие сопряжения. Такие модели могут быть построены непосредственно в системе ГеММа-3D или переданы в нее из известных САПР в виде отдельных поверхностей, оболочек или твердых тел. Данный пример был предложен специалистами станкостроительной ф. DECKEL-MAHO при сертификации системы ГеММа-3D для своего оборудования. К настоящему времени фирма сделала пять поставок системы ГеММа-3D, как приложения к своим станкам с ЧПУ.

Исходными данными для системы ГеММа-3D, таким образом, являются математические модели подготовленные в проектно-конструкторском среде КОМПАС. Наряду с ГеММа-3D может использоваться и автономно — исходные данные могут быть переданы из известных САПР высокого уровня или конструкторских систем в форматах DXF, IGES и STEP. Также математическая модель может быть построена непосредственно в системе ГеММа-3D проектировщиком, по чертежу или на основе замера изделия-прототипа. По подготовленным математическим моделям в системе готовятся управляющие программы для обработки изделия. При необходимости могут быть подготовлены программы измерения изделия и по результатам сопоставления замера с исходной математической моделью оценена точность изготовления.

В состав ГеММы входит многофункциональный геометрический редактор. Он позволяет использовать в построениях все основные типы кривых — отрезки, дуги, кривые 2-го порядка, сплайны, табличные описания в декартовых и полярных координатах, задавать собственные формулы, описывающие специальные кривые. В числе строящихся кривых включены спирали со специальным сервисом построения кулачков, эволюты и эвольвенты. Широко развит аппарат эквидистант. В числе поверхностей — плоскости, линейчатые, вращения, целый ряд кинематических поверхностей, поверхности на одно и двунаправленном каркасе (Безье и NURBS). Примером использования геометрических возможностей системы является модель поверхности самолета Ан-140, подготовленная специалистами АНТК им. Ильюшина.

Информационное обеспечение ГеММы-3D создает необходимые условия для работы со сложными моделями. Именно к таким моделям относится поверхность Ан-140, образуемая 130-ю компонентами. Возможно распределение поверхностей  и образующего каркаса на различных уровнях, агрегатирование, независимая работа  со сборками и отдельными поверхностями.

Рис. 2 

ГеММа-3D обеспечивает программирование токарной, электроэрозионной и фрезерной обработки, а также гравирование. Рассмотрим некоторые возможности фрезерной обработки. Необходимо изготовить элемент штампа — деталь 2,5D. В условиях опытного производства она крепится на столе станка простыми прижимами, попадающими в область обработки.

 
Рис. 3

Траектория обработки кармана с прижимами может быть построена чрезвычайно просто, нужно указать все границы обрабатываемой зоны, включая прижимы, размер инструмента и стратегию обработки.

 
Рис. 4

Можно выбрать инструмент для первичной обработки карманов сложной конфигурации. В системе тут же строится зона, обрабатываемая инструментом заданного размера. Специалист может попробовать несколько фрез и выбрать рациональную. После этого для построенной основной выборки материала строится подборка и чистовой обход контуров инструментом меньшего размера.

 
Рис. 4а

Проходы могут быть объединены в общую траекторию обработки. Ее контроль возможен по графическим изображениям, совмещенным с текстовым редактором формируемой программы в инвариантном формате.

 
Рис. 5

Достаточно указать слой материала, фрезеруемого в одном переходе, и система автоматически сформирует управляющую программу для послойного фрезерования.

Рассмотрим пример обработки 3D изделия. Конкретно, модели раковины умывальника.

Рис. 6

В типовой таблице фиксируются основные параметры обработки. Среди них  — размеры и геометрия инструмента, который может быть цилиндрическим или коническим со сферической или торовой рабочей частью. Параметры, характеризующие точность обработки, подход и отход от детали, ориентацию фрезы, стратегию обработки, а также назначение программы — для трех, четырех или пяти осевой обработки.

 
Рис. 7 

В результате формируется управляющая программа. В качестве примера показана сформированная траектория чистовой обработки сегмента поверхности в стратегии "петля". Фреза на рабочих перемещениях движется снизу вверх.

Рис. 8

Важным элементом технологической системы является послойная черновая обработка, обеспечивающая первоначальную глубокую выборку из массива заготовки. Построим такую траекторию для матрицы гибочного штампа.

Рис. 9 

Для построения траектории задаются размеры заготовки, стратегия обработки и толщина слоя, снимаемого в одном переходе.

 
Рис. 10

Таким же образом, фрезерованием в параллельных плоскостях, может быть организована зачистка после черновой обработки и получистовая обработка. Для данной детали в тех же параллельных плоскостях фреза обрабатывает внутреннюю поверхность канала с шагом 0,1 мм ступеньками. Для другой геометрии детали может быть рациональным перемещать фрезу в других базовых плоскостях.

 
Рис. 10а

В составе геометрического редактора системы имеется широкий набор технологических сопряжений поверхностей. Примером одного из них является сопряжение ступицы с пером лопатки вентилятора. Такие же сопряжения характерны для кромок смыкания форм, когда линии границ кромок смыкания припасовываются для инструмента заданной геометрии к основной обрабатываемой поверхности.

 
Рис. 11

Один из примеров токарной программной обработки. В современной версии системы поддерживаются все основные виды течения для используемых типов резцов.

Рис. 12 

Система ГеММа-3D надежно воспринимает информацию, подготовленную во всех известных САПР. В производстве ЦАГИ, наряду с обеспечением КОМПАС, ГеММа-3D эксплуатируется совместно с системами  CATIA и DUCT-5. В НПО "Салют", "Мотор СИЧ" — с системами UNIGRAPHICS и SIMATRON, в "Брестгазоаппарат" — с системой EUCLID, в АНТК "Антонов" — CADDS-5, на целом ряде предприятий — с Solid Edge, Solid Work, PROENGINEER.

Приходящие из твердотельных систем модели в ГеММа-3D воспринимаются как совокупности поверхностей, обрезанных и увязанных между собой по границам. Такое представление повышает гибкость использования моделей для технолога. Обработку можно проводить как оболочки в целом, так и по составляющим поверхностям, варьируя инструмент и режимы обработки.

В современной версии системы достаточно полно освоен аппарат бисплайнов и NURBS–ов. Традиционным тестом является стилизованное описание модели таксы по каркасу одним сегментом NURBS-поверхности. ГеММа-3D с данным примером хорошо справляется.

Рис. 13 

Необходимым элементом системы программирования для ЧПУ становится обеспечение гравирования. В ГеММа-3D для этого имеются все необходимые возможности: широкая библиотека шрифтов — художественных и технических; средства для нанесения плоских рисунков на поверхности; использование сканированных изображений, включая материалы сканирования рисунков и фотографий, а также построенных в художественных системах.

Пример простой гравировки на модели бутылки типа "фляш". Достаточно указать рисунок и система автоматически построит всю нужную траекторию. Гравировка может быть также выпуклая и комбинированная.

Рис. 14

Модуль гравировки широко используется как машиностроительными предприятиями, так и выпускающими декоративные изделия, в частности, объединением по выпуску мебели на "Аллегро", заводами выпускающими стеклотару, рекламную продукцию и т.д.

Расширяющимся приложением модуля гравировки стало изготовление передовых образцов печатных плат на малогабаритных гравировальных станках ф. Маймаки и типографских клише.

В состав обеспечения системы ГеММа-3D входит макроязык пользователя, предоставляющий доступ к функциям геометрического ядра, технологическим процедурам, архиву данных, графическому интерфейсу. С использованием языка могут быть разработаны макропроцедуры параметрического описания геометрии типовых деталей и подготовки программ на их обработку. Такой деталью в частности, является колесо центробежного компрессора. Изменение параметров позволяет сразу получить измененную геометрию колеса и программу обработки для 4-х координатного станка с управляемыми перемещениями по 3-м осям и вращением изделия. 

В известных САПР траектория обработки поверхности представляет собой кусочно-ломаную линию. Обеспечение точности обработки приводит к необходимости уменьшения элементов ломаной и, соответственно, к существенному росту управляющих программ. В ГеММе-3D решена задача гладкой аппроксимации таких траекторий. Для этого используется реализованные в стойках управления станков с ЧПУ сегменты — дуги окружностей и отрезки винтовых линий, а также для современных стоек параметрические сплайны. Последний вид аппроксимации реализован в известной системе "Power Mill". В результате достигается существенное, в 10 и более раз сокращение управляющей программы. Одновременно возрастает качество обработки, устраняется "огранка", характерная для траектории в виде ломаной, требующая дополнительной ручной обработки. При использовании ГеММы на Савеловском станкостроительном заводе кулачки обрабатываются в "ноль". При программировании в других системах сохраняется необходимость ручной опиловки.

Рис. 15

Важнейшим дополнением к системе ГеММа-3D являются программно-технические средства распределенного группового управления станками (DNC) от ЭВМ. Существенными особенностями разработки являются ее "всеядность", т.е. возможность включать в одну сеть все известные системы станков с ЧПУ — отечественные и зарубежные; и чрезвычайно высокая надежность.

К управляющему компьютеру присоединяется программируемый мультиплексор, обеспечивающий подключение до 30-ти станков. К устройствам управления станков присоединяются контроллеры с клавиатурой и индикатором. В данной схеме обеспечивается типизация подключения. Собственная память контроллеров, с одной стороны обеспечивает буферизацию программ, а с другой — автономность работы станков при загрузке достаточно больших объемов управляющих программ. Сетевая структура подключения станков существенно превосходит по показателям технологичности и надежности магнитные носители или носимые ЭВМ. Наличие цехового компьютера и сети позволяет организовать архивирование управляющих программ, необходимую технологическую дисциплину их подготовки и модификации, современный технологический сервис.

Поставляемое в составе сети цеховое программное обеспечение включает графический редактор управляющих программ в инвариантном коде и в коде систем управления станков. На этой же машине могут быть установлены библиотека постпроцессоров и генератор постпроцессоров. Их наличие позволяет передавать управляющие программы в цех в инвариантном коде. Постпроцессирование может быть выполнено непосредственно в цеху применительно к конкретному оборудованию. Также в состав обеспечения включаются ре-постпроцессоры, преобразующие код конкретной системы управления станка в инвариантный код. При поломке станка с одной системой управления управляющая программа может быть репроцессирована, а затем постпроцессирована для однотипного станка с другой системой управления. Разработанные программно-технические средства DNC могут использоваться не только для программ из системы ГеММа-3D, но и подготовленных в других САПР.

 
Рис. 16

Схема, представленная на Рис. 16, иллюстрирует возможную рациональную организацию процесса, проектирования и производства. Представленная на ней проектно-технологическая среда КОМПАС позволяет создать сочетание рабочих мест конструктора и технолога. В общую структуру могут быть включены рабочие места САПР высокого уровня.

Программно-технические средства ГеММы обеспечивают оснащение рабочих мест технологов-программистов для станков с ЧПУ, и их информационное объединение с цеховыми компьютерами группового управления станками. Имеются необходимые средства для включения в общую сеть программируемой измерительной машины. В рамках предлагаемой структуры может быть достигнута высокая эффективность автоматизации при минимизации затрат на ее проведение.