Pokro�il� simul�cie CNC virtu�lneho obr�bania na zvy�ovanie produktivity

CNC obráb�ní

Produktivitu obráb�ní lze ovlivnit na mnoha úrovních procesu p�ípravy a realizace obráb�ní. Ka�dý typ obrobku klade specifické po�adavky, pro n� je pot�eba zvolit vhodné podmínky obráb�ní. V první �ad� se jedná o volbu zp�sobu upnutí dílce a výb�r tvar� nástroj�, s nimi� bude mo�no vyrobit produktivn� po�adované tvary.

Navazujícím krokem je volba strategie dráhy nástroje, která souvisí úzce s výb�rem �ezných nástroj� a �ezných podmínek. V této fázi p�ípravy obráb�ní je mo�no významn� ovlivnit budoucí produktivitu procesu nap�. pou�itím strategií drah s kratšími �asy obráb�ní, vedoucími ale obvykle k vyššímu zatí�ení nástroje a jeho zkrácené �ivotnosti, nebo drah s ni�ším silovým zatí�ením a vyšší �ivostností nástroje.

Pom�r mezi cenou strojního �asu a cenou nástrojového vybavení rozhoduje o vhodnosti p�íslušné volby. V tomto p�ísp�vku p�iblí�íme potenciál zvyšování produktivity obráb�ní zejména na stran� stroje a jeho �ízení s vyu�itím vyšší úrovn� znalosti chování celého systému stroje. Moderní CNC stroj p�edstavuje typický mechatronický systém s vazbami mezi CNC �ízením, �ízením pohon�, mechanickou stavbou pohon�, nosnou strukturou a vlastním �ezným procesem (Obr. 1). Proces p�ípravy a realizace obráb�ní prochází kroky tvorby CAD modelu obrobku, jeho interpretace CAM systémem do NC dat, interpolace CNC �ídicím systémem stroje, �ízením pohon� a jejich interakce s mechanickou stavbu stroje a �ezným procesem.

Kvalita uvedených vazeb rozhoduje o celkovém výsledku obráb�ní, p�i�em� jakýkoliv nesoulad v nastavení se m��e projevit zhoršenou kvalitou a p�esností ploch dílce, nebo delšími �asy obráb�ní. Produktivita, jakost a p�esnost obráb�ní jsou pro daný stroj ovlivnitelné kvalitou NC dat, nastavením interpolátoru CNC, �ízením pohon� a volbou technologických parametr� obráb�ní (Obr. 2).

Význam této problematiky stoupá zejména s velikostí a cenou obrobk�. Snaha o �ešení obvyklým postupem cestou pokus – omyl je zdlouhavá a nákladná a nevede k optimálnímu výsledku, který nezaru�í ani vyu�ití dosavadních zkušeností. V p�ípadech, kdy má vzniknout pouze jeden exemplá� velkého obrobku není ani mo�no postup experimentálního lad�ní �ízení stroje a nastavení �ezného procesu realizovat. Ve zvyšování produktivity obráb�ní tak z�stává nevyu�itý potenciál, který m��e dosahovat a� n�kolika desítek procent. P�i nákladech na provoz moderních stroj� v �ádech tisíc� korun a cenách obrobk� v �ádech stovek tisíc korun i více se jedná o mo�nosti nezanedbatelných úspor.

Obr. 1: CNC obráb�ní je výsledkem �et�zce vazeb CAD/CAM p�ípravy NC dat, �ízení stroje s jeho mechanickou stavbou a �ezného procesu

Obr. 2: Parametry ovliv�ující na daném stroji výsledky obráb�ní

Zdroje chyb CNC obráb�ní

V b�né praxi jsou NC data dráhového �ízení na základ� CAD modelu obrobku p�ipravována pomocí CAM systém�. Dostupná je dnes široká škála komer�n� dostupných softwarových nástroj� CAD/CAM, postprocesor� a p�ípadn� dalších nástroj� pro postprocesní kontrolu NC dat.

Strategii obráb�ní volí technolog podle charakteru a slo�itosti obrobku, návrh �ezných podmínek vychází z pou�itého typu nástroje a doporu�ení �ezných rychlostí.

I p�es nasazení výkonných nástroj� CAD/CAM softwarové podpory se ovšem výsledky skute�ného obráb�ní �asto výrazn� liší od CAM simulací.

Obvykle dochází p�i skute�ném obráb�ní k nár�stu celkového �asu obráb�ní nad úrove� CAM predikce. Rozdíly skute�ných �as� obráb�ní od predikovaných v CAM mohou dosahovat a� desítek procent. P�í�ina t�chto rozdíl� spo�ívá v nezahrnutí skute�ného chování CNC �ídicího systému stroje do CAM simulací.

Další omezení p�i pou�ití standardních CAM nástroj� ve vazb� na zvyšování produktivity obráb�ní vyplývají z chyb�jící znalosti skute�né dynamiky soustavy stroj – nástroj – obrobek:

• Nejsou známy dynamické vlastnosti stroje a nástroje
• Nejsou známy dynamické vlastnosti obrobku
• Nejsou známy projevy silové interakce poddajného nástroje s poddajným obrobkem.

Díky tomu není mo�no vhodn� p�izp�sobit �ezné podmínky chování soustavy stroj – nástroj – obrobek a vzniká riziko zvýšených vibrací, nebo naopak nevyu�ité tuhosti soustavy.

Další významný p�ísp�vek ke kvalit� výsledk� obráb�ní p�edstavuje nastavení parametr� CNC �ízení stroje. Vhodnou volbou parametr� zrychlení, osových a dráhových jerk�, nebo dalších vyšších funkcí lze významn� ovlivnit produktivitu, p�esnost a jakost obrobeného povrchu.

Posledním �lánkem v �et�zci vazeb na stran� stroje je �ízení pohon�, jejich� nastavení m��e mít významný dopad na kmitání soustavy stroj – nástroj – obrobek.

Kvalitní regulace pohon� stroje ovliv�uje nejen jakost a p�esnost povrchu dílce, ale sekundárn� i celkový �as obráb�ní.

Virtuální model stroje a simulace obráb�ní

Komplexita výše uvedených vazeb a optimalizace obráb�ní je motivací vývoje pokro�ilých virtuálních model� stroj� a virtuálního obráb�ní.

Cílem je vytvo�ení simula�ních model�, které umo�ní relevantn� predikovat skute�né výsledky obráb�ní a díky zahrnutí všech �ástí �et�zce vazeb �ízení – mechanická stavba stroje v�etn� jeho kmitání (Obr. 3) umo�ní identifikovat zdroje chyb obráb�ní, simulovat interakci nástroje s obrobkem a pomáhat ú�inn� optimalizovat nastavení �ídicího systému stroje, �ízení pohon�, nebo technologických parametr�.

V �eské republice je takto koncipovaný softwarový systém virtuálního modelování stroj� unikátní a je vyvíjen na základ� vlastního výzkumu na p�d� �VUT v Praze, RCMT.

Obr. 3: Schéma virtuálního modelu stroje pro simulace virtuálního obráb�ní

Aplikace virtuálního obráb�ní

P�ínos virtuálního modelu stroje vystihuje ukázka vizualizace �ásti povrchu zkušebního dílce (Obr. 4). Zatímco CAM simulace CL dat ukazuje tém�� nulové odchylky od referen�ního CAD modelu (Obr. 4 vlevo), na simulaci s vyu�itím skute�ného CNC �ídicího jsou dob�e patrné v p�echodových �ástech povrchu chyby nedo�ezáním materiálu vlivem dynamiky interpolátoru (Obr. 4 uprost�ed). Zahrnutí modelu stroje a pohon� ukazuje realistické p�ekmity, vzniklé dynamikou systému stroje (Obr. 4 vpravo).

Obr. 4: R�zné úrovn� simulace dat dráhového �ízení: zcela vlevo CAM simulace CL dat, uprost�ed CNC simulace s vyu�itím virtuálního jádra skute�ného CNC systému a vpravo simulace pomocí virtuálního modelu stroje. Vizualizaci reálných stop nástroje umo��uje pouze virtuální model. Znázorn�ny jsou odchylky od výchozího CAD modelu

Pomocí virtuálních model� jsou �ešeny optimaliza�ní úlohy pro zkracování �as� p�i sou�asném zachování po�adované kvality a p�esnosti, nebo úlohy zvýšení kvality a p�esnosti obráb�ní. Ukázku optimalizace jakosti obráb�ného povrchu ukazuje Obr. 6. Vhodným nastavením vyšších funkcí v CNC �ídicím systému stroje Siemens 840 D se poda�ilo docílit podstatného zvýšení jakosti povrchu a sou�asn� zkrácení �asu obráb�ní.

Na p�íkladu velkosériové výroby letecké sou�ástky z Al slitin, vyráb�né ve fi rm� AXA CNC STROJE, se poda�ilo zm�nami v nastavení interpolátoru CNC systémy a regulace pohon� dosáhnout zkrácení výrobního �asu o 20 % na výsledných 28 minut. Získaná úspora �asu umo�nila firm� ušet�it kapacitn� jednu sm�nu p�i paralelní výrob� na dvou strojích. Jiným p�íkladem je vyu�ití virtuálního modelu pro optimalizaci CNC interpolátoru a NC kódu na p�tiosé frézování kompresorového kola z Al slitiny. P�i po�adavku zachování maximálních chyb p�esnosti povrchu do 0,04 mm byl �as obráb�ní jedné mezilopatkové mezery zkrácen o 58 % ze 6 min. na 2,5 min.

Obr. 6: Optimalizací nastavení parametr� CNC �ízení je mo�no dosáhnout významného zvýšení kvality a p�esnosti obráb�ní. Vlevo ukázka p�vodního nastavení a vpravo optimalizovaného

Shrnutí

CNC obráb�ní tvarových ploch p�edstavuje rozsáhlé úlohy optimalizace strategie obráb�ní, nastavení interpolátoru CNC systému stroje, �ízení pohon� a �ezných podmínek, jejich� cílem je dosa�ení vysoké produktivity, kvality a p�esnosti obráb�ní. RCMT nabízí v této oblasti komplexní podporu ve všech fázích návrhu a realizace obráb�ní s podporou pokro�ilých simulací virtuálního obráb�ní.

Tuto problematiku rozebíral Ing. Matej Sulitka na seminá�i Formy a Plasty Brno 2017, po�ádaném firmou SVOBODA: