ЭКСКЛЮЗИВ БУДУЩЕЕ CAM-СИСТЕМplanetacam.ru/articles/future_of_CAM.pdf · компьютером и станком с ЧПУ. В отличие от известной

28 ДЕКАБРЬ-ЯНВАРЬ2016 ПЛАНЕТАСАМ

ЭКСКЛЮЗИВ

ВведениеВ начале 2000-х, когда оте-чественные промышленные предприятия начали активно заменять изношенное и мо-рально устаревшее металло-режущее оборудование на современные, в основном им-портные станки с числовым программным управлением (ЧПУ), мне приходилось до-вольно много времени прово-дить в командировках, обучая будущих технологов-програм-мистов и участвуя в проектах внедрения CAD/CAM-си-стем. Часто возникали ку-рьезные ситуации, связанные с непониманием заводчанами современных ЧПУ-техно-логий и принципов работы в CAM. Вспоминается случай, когда начальник производ-ства одного из предприятий сразу же после завершения пуско-наладки оборудования высказал идею о том, что те-перь достаточно “скормить” чертеж станку, который без посторонней помощи “вы-даст” готовую деталь.Сегодня приходит осозна-ние, что та мысль была не такой уж наивной или фанта-стической. Вычислительные возможности современных стоек не уступают мощным

персональным компьютерам, постоянное подключение к глобальной сети обеспечива-ет удаленную диагностику, а программное обеспечение предлагает небывалый уро-вень автоматизации и скоро-сти разработки управляющих программ (УП). Давайте порассуждаем о направлении развития технологий, рынка и возможностей программ-ного обеспечения (ПО) для станков с ЧПУ и постараем-ся предугадать, куда эволю-ционируют CAM-системы к 2020 году.При подготовке к написанию статьи мне пришлось пораз-мышлять над форматом по-дачи материала, и для себя я решил, что, во-первых, необходимо постараться из-бежать рекламы конкретных программных продуктов и, во-вторых, максимально при-держиваться художествен-ного повествования. Разуме-ется, совсем без упоминания брендов не обойтись, точно также, как нельзя не опери-ровать определенными тер-минами и специфическими понятиями, относящимися к производству и САПР, но обещаю ими не злоупот-реблять.

Для тех, кому не хватит тер-пения прочитать статью цели-ком (надеюсь, что таких ока-жется немного), предлагаю сразу же перейти к заклю-чительному разделу, содер-жащему выводы и прогнозы. Данная публикация предпо-лагает, что читатель выразит свою точку зрения в коммен-тариях к статье, согласится или не согласится с мнением автора – для этого на портале planetacam.ru уже действует специальный опрос.

Смена парадигмЗадача по предсказанию бу-дущего CAM не кажется чрезмерно сложной, если при-менить к ней системный под-ход. Давайте вспомним, для чего нужна CAM-система, с какими объектами и каким образом связана, на что влия-ет она и что влияет на нее, ка-кой путь был пройдет данным классом ПО за последние 40 лет и над чем работают прямо сейчас R&D департаменты лидеров индустрии.Согласно классичес-кому определению, CAM (англ. Computer-Aided Manufacturing) — это ав-томатизированная система,

АНДРЕЙ ЛОВЫГИН

БУДУЩЕЕ CAM-СИСТЕМ

http://planetacam.ru/vote/vote_new.php?VOTE_ID=9

ПЛАНЕТАСАМ ДЕКАБРЬ-ЯНВАРЬ2016 29

либо модуль автоматизиро-ванной системы, предназна-ченный для подготовки УП для станков с ЧПУ. Под тер-мином понимаются как сам процесс компьютеризирован-ной подготовки производства, так и программно-вычисли-тельные комплексы, исполь-зуемые инженерами-тех-нологами. Таким образом, любая CAM-система непо-средственно связана с двумя объектами – персональным компьютером и станком с ЧПУ.В отличие от известной ди-леммы курицы и яйца можно однозначно утверждать, что ЭВМ и станок появились раньше, чем инженерное ПО, и, как минимум на начальном этапе они в одностороннем порядке влияли на становле-ние и развитие CAM-систем. Проследив путь эволюции вычислительной техники и производственных техноло-гий и совместив его с данными развития программного обе-спечения, можно нарисовать некий вектор в завтрашний день и для CAM. Кроме того, если мы знаем, над какими за-дачами прямо сейчас трудятся разработчики CAM, то легко спрогнозировать что именно

получат пользователи через 1-2-3 года (то есть к 2018 году), которые обычно тре-буются для вывода на рынок обновленного продукта или реализации абсолютно ново-го проекта. Вместе с тем, я не берусь заглянуть за горизонт “2020” и дать реалистичные прогнозы по поводу CAM и софтверных технологий в це-лом в столь отдаленной пер-спективе.Прежде чем приступить к де-тальному анализу по каждо-му из основных элементов, “кирпичиков”, из которых построена любая CAM-си-стема, давайте обратим вни-мание на глобальные тренды, оказывающие влияние на все рассматриваемые предметные области разом.Сегодняшний день обещает нам в самое ближайшее бу-дущее воплощение концепции Industry 4.0 («Промышлен-ность 4.0»). Для справки: первой версией «Промышлен-ности» считается изобрете-ние механических устройств, второй — налаживание мас-сового производства, третья версия принесла электронику и автоматическое управление, ну а «Промышленность 4.0» основывается на межмашин-

ных (M2M) коммуникациях — между продуктами, систе-мами и машинами. Разрабатываемая инфра-структура подразумевает не только автоматизацию про-цессов на локальном произ-водстве, но и более глобаль-ное понятие — «интернет вещей», когда не только ком-пьютер или смартфон, но во-обще каждый прибор, начи-ная от кофе-машины в офисе и заканчивая холодильником дома, подключен к интернету. Машины и устройства смо-гут обмениваться данными, приобретут способность по-нимать свое окружение и об-щаться по интернет-протоко-лу. То есть каждый рабочий объект станет сам определять, какую работу необходимо вы-полнить для производства. Данный подход ведет к изме-нению парадигмы в отрасли – к продуктам, которые сами контролируют производ-ственные процессы и исполь-зуют встроенные датчики для мониторинга, что позволяет немедленно предпринимать необходимые действия в слу-чае каких-либо отклонений от нормы. Ключевая часть кон-цепции – информация, встра-иваемая в продукт по мере его продвижения по стадиям про-изводства, и позволяющая ре-ализовывать полностью гиб-кое «производство на заказ».Переходя к описанию следу-ющего тренда, оказывающе-го влияние на производство, хочу отвлечься и привести пример из жизни. Уверен, что большинство из вас пом-нит – еще 7-10 лет назад при выборе мобильного телефона первым делом мы обраща-ли внимание на его марку,

Этапы и драйверы

промышленной

революции.


ЭКСКЛЮЗИВ

бренд, а не на операционную систему. Сегодня, приходя в магазин за смартфоном, нас больше интересует на чем он работает – Android или iOS? На презентации авто-мобиля вы скорее услышите о мультимедиа-возможностях и электронных помощниках во-дителя, чем получите инфор-мацию о его конструкции или времени “набора до сотни”.Эволюция сложности устройств приводит к тому, что достигая определенного уровня, роль “софта” ста-новится важнее и заметнее роли “железа”. Более того, с момента пересечения “циф-рового рубежа” программное обеспечение начинает непо-средственно влиять на раз-витие электронных устройств

и машин. Станки становятся все более технологичными и производительными и, я уверен, что не за горами тот день, когда при выборе станка большую роль начнут играть не его геометрические, дина-мические и конструкционные характеристики, а программ-ное обеспечение, инсталлиро-ванное в его же систему ЧПУ.Что касается разрабатывае-мого функционала программ-ных продуктов и маркетинга CAM-систем, то хочется от-разить следующие особенно-сти:

Если в конце 20 века функционал и окружение программного продукта играли важную роль, то в начале 21 века стремле-ние потребителя получить

большую степень автома-тизации и опыта сместили акценты при разработке функционала;В 2000-х годах маркетин-говая стратегия вендоров CAM подразумевает тес-ное партнерство с произво-дителями и поставщиками станков с ЧПУ. Постав-ляются “наборы”: станок + CAD/CAM-система + режущий инструмент и приспособления, либо “решение для обработки одной детали”: станок + управляющая программа + набор инструментов для обработки конкретной де-тали;Новый тренд: полное решение, система “под ключ”: заказчики хотят получить знания и опыт для производства множе-ства различных деталей в пределах одной специали-зации (отрасли);Даже несмотря на появле-ние облачной CAM систе-мы на базе Fusion 360 от Autodesk и работающей в браузере CAD-системы Onshape нельзя сказать,

Кол-во подклю-

ченных к сети

устройств давно

превысило числен-

ность населения

планеты.

Пересечение “циф-

рового рубежа”

сдвигает приори-

тет ценностей

в сторону ПО


что разработчики САПР ринулись переносить свои инженерные разработки в облака. Наиболее пер-спективная для них тема в ближайшем будущем – это размещение в облаках баз данных, например, ре-жущего инструмента, тех-нологий, виртуальных мо-делей станков и оснастки;Базовые уровни CAM-си-стем становятся бес-платными или услов-но-бесплатными. Так, Autodesk предлагает HSMXPRESS и Inventor HSMExpress для 2.5-осе-вой обработки совершенно бесплатно (требуется со-ответствующая CAD-си-стема). Основная прибыль вендоров будет достигать-ся за счет годовой под-

держки (SMC) или под-писки, а также продаж CAM и специализирован-ных решений в высокотех-нологичных областях, к которым относятся, в том числе, токарно-фрезерная, многозадачная и многоосе-вая обработка.

Резюмируя вышесказанное: системы становятся сложнее внутри, но одновременно бо-лее доступными и простыми в использовании, автомати-зированными и даже самооб-учающимися. Программное обеспечение, знания и опыт являются драйверами новой промышленной революции и уже непосредственно влия-ют на эволюцию технологий механической обработки и ЧПУ. Интернет и облачные решения, как проводники

знаний и опыта, также начи-нают играть активную роль в развитии CAM-систем.

ЖелезоГлядя на последние модели стоек ЧПУ, трудно отде-латься от мысли, что это не планшетные компьютеры. Тонкий корпус, тач-интер-фейс, модная графика, симу-ляция обработки, возмож-ность интеграции с MES/ERP, сервисная диагностика через интернет и встроенные CAM-системы – все это не только демонстрируется на международных выставках, но при желании может рабо-тать на вашем производстве уже сегодня. Разработчики систем ЧПУ активно перени-мают опыт компаний Google и Apple и создают собственные экосистемы, аккумулирую-щие различные приложения, например, для управления ин-струментом или мониторинга энергоэффективности. Складывается ощущение, что лет через 10 станки действи-тельно будут способны са-мостоятельно разрабатывать УП по загруженным в них 3D моделям деталей. Ведь для этого достаточно встро-енной в систему ЧПУ станка CAM-системы, хорошо раз-витого функционала FBM (Feature Based Machining) или KBM (Knowledge Based Machining), знаний в виде обширных баз инструментов и режимов резания, инструк-ций (опыта) по применению лучших технологий и методов обработки. И поверьте, что над каждым из перечислен-ных элементов уже ведется работа.

С определенного

момента аппарат-

ная часть, “железо”

становится пред-

метом потребле-

ния, выбор продук-

та определяется

комбинацией про-

граммного обе-

спечения, знаний и

опыта.

Пользователи

CAM-систем хотят

получить больше

автоматизации,

знаний и опыта.


ЭКСКЛЮЗИВ

Понятие “обрабатывающий центр”, характеризующее металлорежущий станок для комплексной обработки раз-личными способами (точе-нием, фрезерованием и др.) начинает оправдывать себя. Доля токарно-фрезерных/фрезерно-токарных станков неуклонно растет, что не мо-жет не сказаться на рынке CAM. Проблема заключа-ется в том, что архитектура большинства CAM-систем к началу 2000-х оказалась устаревшей и не готовой к ра-боте с подобным оборудова-нием. Одни компании приня-лись переписывать код своих продуктов, другие – поку-пать готовые решения. В ре-зультате сложилась ситуация, при которой найти продукт, сочетающий в одном интер-фейсе функционал фрезер-ной, токарной, токарно-фре-зерной, электроэрозионной и обработки на автоматах продольного точения оказа-лось затруднительно. Если к этому добавить необходи-мость поддержки различных технологических операций в одном файле обработки, то соответствующие продукты можно пересчитать по паль-цам одной руки. В общем, разработчики CAM-систем

по сей день “латают дыры” и работают над совершенство-ванием архитектуры, которая в будущем позволит спокойно работать с многозадачными станками самой сложной кон-фигурации.Все больше востребованы стан-ки с оборотистыми шпинделя-ми и быстрыми подачами, что подразумевает использование высокоскоростной обработки и подталкивает разработчиков CAM-систем к дальнейшему развитию стратегий ВСО.Появление на рынке гибрид-ных станков, включающих ад-дитивные технологии, на мой взгляд, приведет к разработке специализированных страте-гий и новых модулей в составе CAM-систем - аналогичный подход уже вполне успешно применяется для оффлайн-про-граммирования промышленных роботов.

ПроцессВ общем случае процесс работы в CAM-системе выглядит ли-нейно. Программист начинает с подготовки геометрии; затем выбирает элементы, подлежа-щие обработке; после назначает стратегию; определяет параме-тры операции, режимы реза-ния и инструмент; производит

графическую проверку рассчи-танных системой траекторий; запускает постпроцессирование и получает код УП. За годы эволюции CAM этот процесс принципиально не изменился, лишь отдельные его фрагменты подверглись автоматизации или стали более функциональными и интерактивными.На любом из этапов процесса можно внести корректировки в операцию, например, изменить диаметр инструмента, глубину обработки, количество прохо-дов и запустить пересчет опе-рации с новыми параметрами. Такие итерации могут продол-жаться многократно, пока про-граммист и оператор на станке не будут удовлетворены резуль-татом. Проблемы обычно обна-руживаются программистом ви-зуально на этапе верификации, либо непосредственно на станке в процессе наладки или обра-ботки. Ошибки, выявленные на станке, как правило, приводят к более длительным исправлени-ям, а вызваны они тем, что про-граммист в процессе создания операций обработки не всегда способен учесть нюансы ре-ального производства, напри-мер: габариты рабочей зоны, кинематику и динамику станка, расположение заготовки и при-способлений. Кроме того, про-граммист и оператор зачастую взаимодействуют друг с другом лишь на заключительном этапе процесса, когда УП уже пере-дана на станок.Все возрастающая сложность оборудования и необходимость сокращения времени подготов-ки УП сподвигла разработчи-ков CAM-систем на модерни-зацию устоявшегося процесса. Новый подход заключается в интерактивном использовании

Стойка ЧПУ или

планшетный ком-

пьютер?


станочных данных уже на на-чальном этапе проектирова-ния операций обработки. Если сейчас программист взаимо-действует с трехмерной моде-лью станка исключительно во время симуляции обработки, то в будущем он сможет произ-водить виртуальную наладку, например, размещать приспо-собление на столе станка или позиционировать заготовку. Виртуальная наладка непо-средственно влияет на принятие решений в процессе создания операций обработки и позволя-ет, к примеру, понять, хватит ли угла поворота рабочего стола с заготовкой или каким окажется качество поверхности обрабо-танной детали с учетом данных об ускорении и замедлении рабочих органов станка. Еще раз подчеркну, что речь идет не о режиме симуляции обра-ботки, а о процессе, влияющим на создаваемые в CAM-си-стеме траектории. При выборе стратегии обработки система будет способна предупредить, например, о невозможности использования данной страте-

гии, предложить максимально допустимые режимы резания или оценить выбранные, опти-мизировать расчеты траекто-рии с учетом кинематики стан-ка (что особенно актуально для 5-ти осевого фрезерования) и, разумеется, помочь избежать коллизий. Более того, опера-ции трансформации (копиро-вание, поворот, смещение) над виртуальной деталью приведут к немедленному пересчету опе-раций обработки.Происходит движение от исто-рически сложившейся кон-цепции, при которой програм-мирование в CAM основано лишь на геометрии детали, к концепции, активно использу-ющей кинематическую модель станка при расчете операций обработки. Данные о кинема-тике и динамике станка будут на начальном этапе вносить-ся в CAM-систему вручную. Можно предположить, что в дальнейшем, с развитием тех-нологий “интернета вещей”, необходимая информация будет поступать в CAM напрямую из оборудования по локальной

сети или черпаться из некой об-лачной базы данных.

ИнтерфейсЛет 15-20 назад удобство пользовательского интерфей-са не было решающим факто-ром при выборе программного продукта. Ценилась больше функциональность. Это было связано с тем, что программы были не столь функциональны, а инструментарий програм-миста был не такой мощный. В результате программирование одной функции было огромной работой. Если ваш продукт имел на 2-3 функции больше, чем у конкурента, то у вас были большие шансы на успех. Сегодня практически любой функционал легко и быстро по-вторяется конкурентами. По-лучить длительное по времени конкурентное преимущество можно, внедрив более интел-лектуальный функционал, и, как ни удивительно, разработав хороший интерфейс пользова-теля. Создать удачный интер-фейс — это большая работа. Фактически, действительно

Пример реализа-

ции виртуальной

наладки.


ЭКСКЛЮЗИВ

мощный инструментарий для создания пользовательских ин-терфейсов начал появляться со-всем недавно.Интерфейсы инженерных про-граммных продуктов следуют в фарватере эволюции стан-дартного стиля интерфейса Windows-приложений, которо-го традиционно придерживают-ся все разработчики приклад-ного клиентского ПО. Добрая половина всех существующих на рынке CAM-систем пред-лагают сегодня Ribbon-интер-фейс, аналогичный Microsoft Office. Не могу сказать, что появле-ние планшетных и компью-теров-трансформеров с сен-сорными дисплеями обрело большую популярность и вос-требованность на современном производстве. Тем не менее, предпринимаются попытки адаптировать процесс рабо-ты в CAD и CAM-системах к мобильным электронным устройствам. Примеры работы с Onshape и Edgecam нагляд-но демонстрируют прогресс в развитии тач-интерфейсов. Оказывается, что создавать 3D модели или разрабатывать УП

можно с достаточным удоб-ством не только на ПК.Инженеры не останавливаются и продолжают изобретать но-вые устройства ввода инфор-мации. Управление голосом и жестами постепенно внедряет-ся в бытовую технику — даже мой телевизор переключает ка-налы, распознавая взмах руки. Не исключено, что через 5 лет работа технолога будет напоми-нать действия Тома Круза (Tom Cruse) в фильме “Особое мне-ние” (Minority Report), ну или хотя бы походить на экспери-мент с ESPRIT с контроллером Kinect.

CADПрежде чем задаться во-просом о дальнейшей судьбе CAD в CAM, необходимо по-нять, для чего технологу-про-граммисту вообще нужны инструменты создания и ре-дактирования геометрии. Не проще ли строить 2D чертежи и 3D модели в программном продукте, который изначаль-но предназначен для этого? Основное назначение инстру-ментов CAD в CAM-системе

заключается в подготовке им-портированной из CAD-си-стемы или созданной здесь же геометрии к обработке. Эта подготовка включает в себя как дополнительные построения, например, для определения ориентации оси инструмента при 5-ти осе-вой обработке или создания контуров, ограничивающих зону обработки, так и моди-фикацию геометрии, напри-мер,“закрытие” отверстий, в которые не должен “падать” инструмент, продление по-верхностей или проецирова-ние текста на поверхность. Каких-то специализирован-ных CAD-функций, прису-щих именно CAM-системам, не так много, но они все же существуют – здесь можно вспомнить возможность авто-матического создания модели заготовки на основе габаритов 3D модели детали и функцию построения профиля тела вра-щения для токарной обра-ботки. Кроме того, многим пользователям CAM извест-на задача “создания цепочек” для решения которой успеш-но используется функционал построения 2D элементов, продления и обрезки кривых.Как ни странно, но имен-но на подготовку геометрии у пользователя CAM-си-стемы уходит значительная часть (до 30%) времени от полного цикла программиро-вания обработки определен-ной детали. Несомненно, что разработчики CAM-систем стараются облегчить жизнь программиста и предлагают для этого все новые решения. За последние несколько лет качество трансляторов CAD значительно улучшилось, а

Работа

с CAM-системой на

планшетном

компьютере.


количество поддерживаемых форматов многократно уве-личилось. Если ранее при передаче из CAD в CAM использовались в основном нейтральные форматы, то сегодня CAM-системы спо-койно читают родные фай-лы SolidWorks, Solid Edge, Autodesk Inventor и других систем моделирования. Раз-вивается интеграция между CAD и CAM, обеспечивая импорт не только геометрии, но и дерева построения; укре-пляется ассоциативность - изменения в файле CAD оперативно отражаются на связанной с ним геометрии и траектории в CAM-системе; упрощается процесс пози-ционирования 3D модели и ее привязки к нулевым точ-кам (координатных систем); появляется множество, на первый взгляд, незначитель-ных, но крайне удобных при ежедневной работе функций, например, автоматическое со-здание точки в центре окруж-ности и построение осевой ли-нии отверстия.Все CAM-системы подраз-деляются на те, что имеют собственные средства про-ектирования/моделирования и продукты, встраиваемые и работающие исключитель-но в интерфейсе популяр-ных CAD-систем. Важность и необходимость наличия минимально необходимого функционала для создания ге-ометрии в CAM подтвержда-ется, в том числе, и фактом самого существования этих “встраиваемых” CAM-си-стем, которые, судя по всему, разрабатывались с мыслями о невозможности конкурен-ции с полноценным CAD-ом.

Оценивая рынок CAM-си-стем, можно сделать грубое, но любопытное заключение о том, что те компании, кото-рые создавали “независимые” CAM-системы, добились в CAM больших успехов, чем те, что строили и развивали оба (CAD и CAM) направ-ления в равной степени. В любом случае, наиболее пер-спективными и реалистичны-ми направлениями развития CAD в CAM являются:

Передача конструкцион-ных и технологических па-раметров из CAD в CAM, например, типа отверстия или материала детали, что в будущем позволит значительно автоматизи-ровать процесс расчета траекторий и подбора ре-жимов обработки;Облегчение процесса соз-дания цепочек и выбора геометрии для обработки, которое осуществляется в первую очередь за счет “умной” привязки курсора и непосредственной рабо-ты с элементами твердо-тельной модели;Распознавание конструк-тивных элементов 3D

модели - там, где вчера программист вручную вы-бирал линии и дуги, опи-сывающие элемент типа “карман”или окружности для сверления отверстий, сегодня CAM-система способна самостоятельно “разложить”деталь на со-ставляющие ее элементы;Дальнейшее распростра-нение прямого модели-рования в CAM, кото-рое является вовсе не обязательным пунктом развития, используется крайне ограниченно и яв-ляется, скорее, данью моде и стремлением не отста-вать от эволюции CAD.

ТраекторииВ мировом станкостроении сегодня наблюдается устой-чивая тенденция создания станков, предназначенных для многоосевой и высокоско-ростной обработки.Высокоскоростная обработ-ка — это одна из современ-ных технологий, которая, по сравнению с обычным реза-нием, позволяет увеличить эффективность и качество

Существует не-

которая область

сверхвысоких ско-

ростей обработки,

в которой процесс

резания происхо-

дит спокойно и ре-

жущий инструмент

не подвергается

катастрофическим

нагрузкам.


ЭКСКЛЮЗИВ

механической обработки. Те-оретическим обоснованием высокоскоростной обработ-ки являются так называемые кривые Соломона (Карл Со-ломон, патент № 523594, 1931 г., Германия), которые показывают снижение сил резания в некотором диапа-зоне скоростей. Для каждого обрабатываемого материала и инструмента этот диапа-зон определяется опытным путем, но наиболее важным фактором здесь является пе-

рераспределение тепла в зоне резания. При небольших се-чениях среза в данном диа-пазоне скоростей основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая перехо-дить в заготовку. Именно это позволяет производить обра-ботку закаленных сталей, не опасаясь отпуска поверхност-ного слоя. Отсюда следует основной принцип ВСО: ма-лое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания, и, соответственно, высокие

обороты шпинделя и высокая минутная подача.Основными факторами, вли-яющими на ВСО и ограни-чивающими ее, являются: станок и система ЧПУ, ре-жущий инструмент и условия обработки, в т. ч. траектория. Возможности используемого программного обеспечения являются ключевыми в обе-спечении эффективной ВСО. Технология ВСО начинается с применения соответствую-щих параметров в операциях обработки, которые в насто-ящее время присутствуют в большинстве современных CAM-систем, но далеко не во всех. Давайте посмотрим, какие требования предъявля-ются к траекториям для ВСО и, соответственно, к ”мате-матике” CAM-систем. Итак, принципы, которые должны быть выполнены при созда-нии управляющих программ для ВСО таковы:

плавные траектории дви-жения инструмента;

Трохоидальная

траектория состо-

ит из множества

«петелек».

Принцип ВСО -

малое сечение

среза, снимаемое

с высокой ско-

ростью резания,

высокие оборо-

ты шпинделя и

высокая минутная

подача.


попутное направление фрезерования;минимизация количества врезаний инструмента;отвод и подвод инструмен-та по дуге;небольшая и постоянная глубина резания в осевом и радиальном направлении.

Ведущие мировые произво-дители оборудования и ре-жущего инструмента первы-ми предложили решения для использования новой техно-логии. Разработчикам САМ понадобилось достаточно продолжительное время, что-бы адаптироваться к новым потребностям рынка и при-ступить к разработке функ-ционала, обеспечивающего ВСО. Основные игроки на рынке CAM предлагают “бренди-рованные” и запатентован-ные стратегии для ВСО об-работки — на слуху Vortex от DELCAM, ProfitMilling в ESPRIT, iMachining в SolidCAM, Dynamic Motion в Mastercam, Adaptive Clearing от Autodesk (HSM series). Новые стратегии сочетают традиционную трохоидаль-ную с эквидистантной траек-

ториями и обладают довольно сложными алгоритмами, обе-спечивающими постоянство съема материала и нагрузки на инструмент. Постепенно элементы технологии ВСО начинают распространяться и на область многоосевой обра-ботки.В целом, тренд развития тра-екторий обработки в CAM очевиден и направлен на уменьшение износа режуще-го инструмента и сокращение машинного времени обработ-ки. И если с “математикой” большинство разработчиков CAM уже разобрались, то вот предложить пользовате-лю системы оптимальные для ВСО обработки скорости и подачи могут в настоящий мо-мент далеко не все. Также очевидна тенденция разработки специализиро-ванных траекторий для об-работки элементов (каналы двигателя) и деталей опре-деленного типа (импеллеры, турбины). Обычно такую обработку можно произвести и стандартными стратегиями большинства CAM-систем, но разработчики стараются учесть нюансы технологий

(например, поведение режу-щего инструмента на кром-ках) и облегчить жизнь про-граммисту, избавляя его от дополнительных геометри-ческих построений и ввода множества параметров. Что же касается offline-програм-мирования роботов, то, не-смотря на появление подоб-ных модулей в нескольких CAM-системах, большинство вендоров не видят коммерче-ской перспективы и явно не торопятся инвестировать в подобные решения.

Интеллект и автоматизацияСтепень автоматизации яв-ляется одной из самых инте-ресных и многообещающих характеристик CAM-систем. Речь прежде всего идет о FBM и KBM. FBM или Feature Based Machining — технология, подразумеваю-щая распознавание конструк-тивных элементов 3D модели детали и автоматическое при-менение к ним стратегий обра-ботки. KBM или Knowledge Based Machining отличается лишь тем, что к распознанным конструктивным элементам применяются стратегии, учи-тывающие пользовательский опыт. Можно сказать, что KBM является дальнейшим развитием FBM. На практи-ке это означает, что пользо-ватель способен “тонко” на-строить процесс обработки, а также ему доступны варианты обработки, предложенные ра-нее другими пользователями системы.Пользователи одной из популярных CAM-систем среднего класса, имеющей в своем составе модуль KBM, выполняют следующие дей-

Вариант

современной

траектории ВСО.


ЭКСКЛЮЗИВ

ствия для автоматического получения операций обработ-ки:

Загружают 3D модель детали и устанавливают базовые параметры, такие как материал детали, тип детали (фрезерная, токар-ная, токарно-фрезерная, электроэрозионная), вы-бирают библиотеку тех-нологий (их может быть несколько);Распознают в ручном или автоматическом режиме конструктивные элемен-ты детали, система строит дерево элементов или так называемых “фичерсов” (features);Назначают элементы, подлежащие обработке и система предлагает один или несколько вариантов, отличающихся, например, количеством или последо-вательностью операций;Выбирают один из вари-антов, и система создает операции обработки, со-держащие траектории,

инструмент и режимы ре-зания. Созданные таким способом операции обра-ботки обычно доступны для дальнейшего редакти-рования.

Самое интересное происходит на этапе, когда система пред-лагает один или несколько вариантов (маршрутов) об-работки. Конечно же, здесь нет никакого чуда или работы искусственного интеллекта – секрет во взаимодействии не-скольких баз данных. Одна база содержит описание конструктивных элементов, например, элементу “карман” с размерами 10*10*5 присво-ен тип “малый”, с размерами 30*30*10 – “средний” и т. д. Другая база содержит стан-дартные операции обработки в параметрическом виде, ша-блоны, которые, например, определяют расчет диаметра инструмента. Между ними есть логическая связь: если карман “малый”, то подхо-дит такой-то набор операций, если “средний”, то такой-то.

Разумеется, как элементов, так и условий может быть бесконечно много. Когда конструктивные эле-менты, подлежащие обра-ботке, определены, система сравнивает их с эталонными элементами в базе. Найдя со-впадения, модуль KBM “тя-нет” из базы рассчитанные операции и “накладывает” их на выбранные конструктив-ные элементы. Учитывая, что в нашем случае все элемен-ты могут редактироваться, а сами базы (SQL) доступны сразу множеству пользова-телей, то получается, что при желании и должном терпении коллектив технологов-про-граммистов может заполнить систему таким количеством данных, что та “научится” автоматически генерировать УП приемлемого качества на определенный класс деталей, пусть и не самых сложных.А теперь представьте, что вот такую CAM-систему с моду-лем KBM и соответствующей базой данных мы поместим в

Распознавание

и обработка

отверстий

в CAM-системе.


систему ЧПУ станка. Полу-чается, что идея, озвученная в начале статьи (достаточно “скормить” чертеж станку, который без посторонней помощи “выдаст” готовую деталь) лет через 5 может найти воплощение в станках, ну скажем, одной известной японской компании.Разработчики CAM суще-ственно продвинулись в со-вершенствовании технологий автоматической обработки, хотя нерешенных проблем и ограничений остается предо-статочно. Так для применения FBM и KBM вам потребует-ся твердотельная модель — поверхностная не подойдет. Скорее всего, вы не заста-вите систему автоматически рассчитать 5-ти осевую фре-зерную или сложную токар-но-фрезерную обработку, а несовершенный алгоритм не позволит создать траекторию с учетом заготовки нерегу-лярной формы или оставше-гося от предыдущих операций припуска.Перенос KBM баз данных в облака позволит аккумулиро-вать огромный коллективный опыт и принести высочайший уровень автоматизации в ра-боту технолога-программиста.

Возможность практическо-го использования нейронных сетей в CAM, на мой взгляд, сомнительна, по крайней мере в ближайшей перспективе.Интеллектуальность CAM- системы выражается не столько в способности ав-томатически генерировать траектории, сколько в инте-рактивной помощи при тра-диционном способе создания операций обработки. Одной из самых первых “умных” функций CAM-системы можно считать дообработку: когда система распознает не-обработанные участки (в уг-лах контура), оставшиеся от проходов фрезеры большего диаметра и генерирует траек-торию для инструмента мень-шего диаметра, удаляющую оставшийся материал, но без повторных или холостых про-ходов. Функция дообработки постепенно прошла путь от отдельной команды до не-отъемлемой части платформы CAM-системы, позволяющей “видеть” состояние заготов-ки после каждой (любой) операции обработки. Здесь же можно вспомнить про функцию автонаклона, обе-спечивающую модификацию траектории с целью создания

безопасного перемещения, например, при недостаточ-ном вылете инструмента, или функцию автоматической ге-нерации безопасных отводов инструмента между опера-циями в случае многоосевой обработки, учитывающую ки-нематику станка и положение крепежных приспособлений.

ИнструментДостаточно взглянуть на про-ект Machining Cloud (Обла-ко обработки), чтобы факт предстоящей миграции ин-струментальных баз данных в облака стал очевидным. Платформа Machining Cloud обеспечивает кроссплатфор-менный доступ к обширным производственным данным в облаке, в первую очередь — к данным о режущем инстру-менте и оснастке. При этом ключевая ценность для поль-зователей состоит в том, что ответственность за наполне-ние актуальным и детализи-рованным контентом ложится на самого производителя, а не разработчика CAM-системы или сторонние компании, за-нимающиеся наполнением и “переводом” баз данных. Для реализации такой концепции необходимо решить две не-простые задачи: во-первых, договориться с производите-лями о регулярной работе по наполнению облака данными о своей продукции, и, во-вто-рых, создать набор приложе-ний для доступа к облаку из различных операционных си-стем, как десктопных, так и мобильных. Одним из наиболее перспек-тивных аспектов применения Machining Cloud является

Интерфейс

приложения

MachiningCloud.


ЭКСКЛЮЗИВ

автоматизация подбора ин-струмента и режимов ре-зания непосредственно из CAM-системы, которая пере-дает параметры распознанных конструктивных элементов 3D модели обрабатываемой детали в облако, а обратно по-лучает список инструментов и рекомендованные значения режимов обработки. Причем нужно отметить, что импор-тированные инструменты слу-жат не только для последу-ющего расчета траекторий и верификации, но и снабжены каталожными номерами, что значительно облегчает рабо-ту технолога, отвечающего за выбор и приобретение ин-струмента, необходимого для выполнения текущего произ-водственного задания. Примечательно, что Machining Cloud уже на-полняется данными со стороны таких извест-ных производителей как Iscar, KENNAMETAL, Mitsubishi, HORN, WIDIA. Виртуальные инструменты и оснастка, в свою очередь,

доступны пользователям про-граммных продуктов Vericut, ESPRIT, NCSIMUL, IMSverify, Mastercam, NX и TopSolid.

ВерификацияВ настоящее время любая САМ-система имеет функ-ции для проверки правиль-ности созданных траекторий. Наверное, так было не всегда и, смею предположить, что первые программы ограничи-вались лишь расчетом траек-тории, а графические резуль-таты выводились на плоттер или вовсе прочерчивались на “миллиметровке”. Развитие модулей верификации нача-лось с появления трассиров-ки или бэкплота (backplot), позволяющей программисту отслеживать перемещения центра режущего инструмен-та. Бэкплот используется и сегодня для предварительной оценки рассчитанных траек-торий и настройки техноло-гических параметров опера-ции. Окончательная проверка

обычно осуществляется с по-мощью верификации и симу-ляции.Инструменты верификации предоставляют программисту прекрасные возможности для наглядной проверки траекто-рии движения инструмента, оценки качества и общей тех-нологии изготовления детали. Основной смысл верификации заключается в демонстрации процесса удаления материала заготовки и возможности из-учить окончательный резуль-тат работы системы — вирту-альную модель изготовленной детали. Два десятка лет назад каче-ство графики оставляло же-лать лучшего, использовалась так называемая “растровая” верификация. Затем, с разви-тием видеокарт и графических компонентов, большинство CAM-систем обзавелось бо-лее продвинутой технологией на базе формата STL. Теперь полученную модель можно рассмотреть с разных сторон, оценить, все ли элементы вы-полнены правильно и нет ли

Симуляция

обработки на

планшетном ком-

пьютере.


зарезов, сохранить результат в файл, измерить габариты и даже разглядеть гребешки на материале, оставшиеся от прохождения режущего ин-струмента.Помимо трудностей даль-нейшего использования STL файлов (например, при пере-даче в CAD-систему), вери-фикация характеризуется сле-дующими недостатками:

невозможно проверить созданные траектории на столкновения рабочих ор-ганов станка (друг с дру-гом, корпусом, заготов-кой, приспособлением), так как при классической верификации в процессе участвуют лишь заготов-ка и режущий инструмент (часто даже без патрона/державки);контролируется не готовая управляющая программа, а всего лишь промежуточ-ный CL-файл траектории (до постпроцессирова-ния).

Решение проблем верифика-ции привело к появлению це-лого отдельного класса про-граммных продуктов (Vericut, NCSimul, IMSverify и др.), симулирующих обработку, то есть позволяющих “незави-симо” от CAM проверять код УП в виртуальной станочной среде. Интересно, что на се-годняшний день лишь незна-чительное число CAM-си-стем может похвастаться возможностью полноценной симуляции и еще меньше та-ких, которые поддерживают работу с G/M-кодом УП. Дальнейшее развитие моду-лей верификации и симуля-ции обработки предполагает увеличение быстродействия и

повышение качества графи-ческого процесса. Очевидно, что чем быстрее пользова-тель получит результат в виде виртуально обработанной детали, тем быстрее сможет внести коррективы и перейти к реальному производству. В идеале — видеть высококаче-ственное “превью”состояния заготовки сразу же после за-вершения расчета траектории.Что касается качества, то можно выделить три направ-ления совершенствования. Во-первых, как было уже сказано ранее, верификация и симуляция позволяют раз-глядеть гребешки и риски на материале, оставшиеся от прохождения режущего ин-струмента. Проблема заклю-чается в том, что мы имеем дело с идеальными объектами и не учитываем реальной ди-намики станка. Если бы симу-лятор CAM-системы учиты-вал ускорение и замедление рабочих органов, то получае-мая картина максимально бы соответствовала фактическо-му результату обработки на станке. Во-вторых, давайте вспомним про фотореалистич-ный рендеринг в CAD или ка-чество графики современных компьютерных игр и на се-кунду представим, что подоб-ные эффекты достижимы в процессе симуляции обработ-ки. В-третьих, пользователям требуются более детализиро-ванные виртуальные модели станков.3D печать пластиком стала достаточно массовым явле-нием, однако эксперты счи-тают, что 3D принтеры, пе-чатающие металлом — это машины, которые собираются по-настоящему бросить вызов

традиционным технологиям производства. Учитывая ак-тивное развитие аддитивного производства, в том числе по-явление перспективных “ги-бридных” станков, напраши-вается вывод о том, что через 3-4 года модули симуляции большинства CAM-систем будут способны имитировать процесс “наплавки” или до-бавления материала. Уже сей-час эта возможность доступна разработчикам CAM-систем, использующих программ-ные компоненты (ядра) для симуляции обработки от компаний MachineWorks и ModuleWorks.Еще одним перспективным направлением развития симу-ляторов обработки является использование программных библиотек систем ЧПУ, на-пример, Fanuc или Sinumerik. В этом случае достоверность верификации будет практи-чески стопроцентной, так как используется родная “мате-матика” станка, а не обратный постпроцессор.

ПостпроцессированиеПостпроцессор — програм-ма, которая преобразует файл траектории движения инструмента и технологиче-ских команд (промежуточ-ный файл), сформированный САМ-системой, в файл УП в соответствии с требованиями конкретного комплекса “ста-нок – система ЧПУ”. В ряде отечественных систем пост-процессоры какое-то время назывались паспортами.Для того чтобы абстрагиро-ваться от большого разноо-бразия станков, систем ЧПУ и языков программирования


ЭКСКЛЮЗИВ

обработки, САМ-система генерирует промежуточный файл, содержащий информа-цию о траектории, угле пово-рота инструмента (в случае многокоординатной обработ-ки) и обобщенные команды управления станком. Обычно этот промежуточный файл на-зывается CL-файлом (Cutter Location) или CLDATA-фай-лом.Далее в работу вступает по-стпроцессор. Он преобразует этот промежуточный файл в программу обработки в стро-гом соответствии с форматом программирования конкрет-ного станка с ЧПУ.Такая технология позволя-ет программисту во время проектирования обработки в САМ-системе не задумы-ваться о том, на какой кон-кретно станок попадет УП и каков будет ее формат. Ему необходимо лишь выбрать постпроцессор, соответству-ющий определенному станку с ЧПУ, и тот возьмет на себя всю работу по созданию про-граммы обработки определен-ного формата.Откуда же взялась идея по-стпроцессирования и поче-му до сих пор в этой области существуют проблемы? По идее, разработчики станков и систем ЧПУ должны соблю-дать стандарты Ассоциации электронной промышленно-сти (EIA) и Международной организации стандартизации (ISO). To есть, одинаковые G-коды на разных станках с ЧПУ должны выполнять одну и ту же функцию. В принци-пе, эти стандарты соблюда-ются, но только для основных команд станка, например, для включения СОЖ, линейной и

круговой интерполяции.Если же дело доходит до дру-гих команд, постоянных ци-клов и специальных функций, то приверженность опреде-ленному стандарту практиче-ски отсутствует. Это приводит к невозможности правиль-ного исполнения одной и той же УП на разных станках с ЧПУ. К этой проблеме при-бавляется другая — постоян-ная «гонка» производителей оборудования с ЧПУ. В ус-ловиях жесткой конкуренции станкостроительные компа-нии создают все более слож-ные станки, а разработчики систем ЧПУ придумывают новые циклы и функции. В результате серьезные отличия в формате УП могут быть за-мечены даже у станков одной фирмы, но разных моделей.Постпроцессирование, пожа-луй, одна из самых консерва-тивных областей CAM. Тем не менее и здесь можно про-следить определенную эволю-цию.Когда появились первые САМ-системы, то для рабо-ты с конкретным станком с ЧПУ разрабатывался инди-видуальный постпроцессор, который представлял собой исполняемый файл. Индиви-дуальный постпроцессор мог быть создан только опытным программистом (именно про-граммистом, а не техноло-гом-программистом) путем длительного общения со ста-ночником для выяснения всех нюансов работы с опре-деленным станком. После этого проходили испытания и доводка индивидуального постпроцессора «до ума». В результате постпроцессор вы-полнял свои функции, но про-

цесс его создания был очень долгим, мучительным и доро-гим. Изменения в таком пост-процессоре мог сделать толь-ко сам автор-разработчик.В 70–80-х годах прошлого века наблюдался значитель-ный подъем автоматизиро-ванного машиностроения. Как грибы после дождя стали появляться новые станки с различными системами ЧПУ. Возник огромный спрос на технологическое программ-ное обеспечение и CAD/САМ-системы.Программисты просто не успевали разрабатывать но-вые индивидуальные пост-процессоры, что подтолкнуло их к автоматизации соб-ственного труда. Появилась идея создания обобщенных постпроцессоров для разных станков с одинаковой систе-мой ЧПУ. В этом был смысл: при работе с системой ЧПУ одной фирмы даже на разных станках отличия в УП будут минимальными, значит, и из-менения, которые нужно вне-сти в исполняемый файл, тоже будут незначительными.Классический постпроцес-сор, находящийся на службе современной САМ-системы, состоит из нескольких фай-лов. Во-первых, это испол-няемый файл — программа. Исполняемый файл занима-ется преобразованием данных промежуточного CL-файла в кадры УП. Преобразование осуществляется по некоторым правилам, отличным для раз-ных станков и систем ЧПУ. Эти правила, или алгоритмы преобразования, находятся во втором файле – текстовом.Текстовый файл написан на специальном скриптовом язы-


ке, который может быть из-менен в случае необходимости самим технологом-програм-мистом в любом текстовом редакторе. Вносить какие-ли-бо изменения в исполняемый файл не требуется. Как прави-ло, с САМ-системой постав-ляется набор таких текстовых файлов, которые описывают правила для преобразова-ния промежуточных файлов в программу обработки для нескольких десятков различ-ных станков и систем ЧПУ. В данном случае постпроцес-сором можно смело называть именно текстовый файл. Ис-полняемый же файл являет-ся модулем САМ-системы и работает незаметно для пользователя. В некоторых САМ-системах присутствует и третий файл, необходимый для постпроцессирования. Этот файл также является текстовым. Он предназначен для ввода дополнительных условий и передачи специаль-ной информации в управляю-щую программу.К сожалению, разработ-чики САМ-систем не при-держиваются единого стан-дарта для формирования промежуточных CL-файлов. В результате текстовый файл с описанием алгоритмов пре-образования (постпроцес-сор) одной САМ-системы будет абсолютно бесполезен для использования внутри другой САМ-системы. Для разработки даже такого тек-стового постпроцессора «с нуля» необходимы глубо-кие знания самой системы и принципов преобразования исходных данных. Поэтому пользователю предоставляют набор базовых постпроцес-

соров с редактируемыми пе-ременными. Работая с этими переменными, пользователь может самостоятельно на-строить постпроцессор для имеющегося станка.Сегодня наиболее эффек-тивным и простым решением проблем постпроцессирова-ния на предприятии является использование универсаль-ного постпроцессора или так называемого генератора по-стпроцессоров.Генераторы постпроцессоров бывают двух видов: те, что работают внутри определен-ной CAM-системы и незави-симые, способные «перера-батывать» CL-файлы разных (но, к сожалению, не всех) САМ-систем. Генератор по-стпроцессора обычно пред-лагает пользователю интуи-тивно-понятный графический интерфейс, позволяющий быстро и наглядно построить кинематическую схему стан-ка и задать типовые параме-тры системы ЧПУ. Однако, и в этой бочке меда можно найти ложку дегтя: факти-чески, генераторы постпро-цессоров генерируют все тот же самый файл на скрипто-вом языке – шаблон, кото-рый скорее всего придется “править ручками”, если ваш станок не самый простой или требуется “тонкая” настрой-ка формата и циклов УП. Эта же проблема затрагивает и те генераторы, которые умеют работать с CL-файлами не-скольких CAM-систем. Вспоминая про возрастаю-щую роль кинематической модели станка, отмечу, что последние 5 лет наблюда-ется тенденция искусствен-ного объединения файла

постпроцессора и файлов, отвечающих за построение виртуальной модели станка, ограничений и зависимостей его рабочих органов. Это де-лается для упрощения работы пользователя CAM-систе-мы, который выбирает некий общий файл станка, а тот “подтягивает” сборку. Хотя, конечно, было бы здорово иметь вообще один файл, со-держащий постпроцессор и виртуальную моделью стан-ка.Проблема, которая существу-ет в области постпроцессиро-вания, также заключается в том, что языки, основанные на APT, не вполне пригодны к работе с новейшим токар-но-фрезерным оборудовани-ем, ведь разработка системы APT началась в MIT (Мас-сачусетский технологический институт) еще в далеких 50-х годах. Поэтому не удиви-тельно, что в CAM-системах то и дело появляются специ-альные плагины, помогающие адаптироваться к автоматам продольного точения, робо-там, центрам с несколькими шпинделями и головками, а некоторые из производите-лей даже придумывают осо-бые форматы и конверторы (например, MORI-APT), облегчающие программиро-вание собственных станков.Разработка постпроцессо-ров является одной из ста-тей дохода для всех, кто так или иначе связан с рынком CAM-систем, и в последние годы существенно выросла доля сертифицированных и “закрытых” (для редактиро-вания пользователями) пост-процессоров.


ЭКСКЛЮЗИВ

1. Большинство CAM-систем перейдет на новую концепцию использования кинематической мо-дели станка и станочных данных при расчете операций обработки.2. Базовые уровни (например, для 2.5-осевого фрезерования) значительной части CAM-систем станут бесплатными.3. CAM-системы будут тесно интегрированы с различными облачными сервисами для подбора режущего инструмента и оснастки, а также для получения рекомендаций по режимам резания.4. Технологии FBM и KBM начнут успешно применяться в многоосевой обработке.5. Модули KBM научатся давать оценку эффективности применения того или иного варианта обработки.6. CAM-системы с модулями ВСО научатся рекомендовать оптимальные режимы для высоко-скоростной обработки.7. CAM-системы начнут более активно портироваться в системы ЧПУ. Программное обеспе-чение систем ЧПУ начнет играть заметно большую роль в конкурентной борьбе производителей станков.8. В CAM-системах будет обеспечена широкая поддержка операций аддитивной обработки и их симуляции.9. Начнется реальное использование CAM-систем на планшетных компьютерах.10. В модулях симуляции обработки появится фотореалистичная графика.

Пожалуйста, примите участие в опросе “Будущее CAM-систем” на портале planetacam.ru, выразите свое согласие или несогласие по каждому из пунктов представленного прогноза. Ваше мнение очень важно для нас!

Литература

• Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM система. Четвертое издание. Ловыгин А. А. ISBN: 978-5-97060-123-5.

• ПрезентацияThinking About Tomorrow, EWC2015, Dan Frayssinet, DP Technology.• КОМПЬЮТЕРРА, Промышленность четвертого поколения: 3/4 глобального бизнеса

уже «подсели» на «интернет вещей», Михаил Ваннах.• ЛОГИСТ, Глобальные тренды в мировой промышленности. Инициатива Industrie 4.0.• Fundamentals of Metal Machining and Machine Tools. Winston A. Knight, Geoffrey

Boothroyd.• Материалы сайтов: rosfrezer.com, mirznanii.com, axispanel.ru, bizhit.ru, tadviser.ru,

ru.wikipedia.org.

CAM 2020: выводы и прогнозы

Documents

ЭКСКЛЮЗИВ БУДУЩЕЕ CAM-СИСТЕМplanetacam.ru/articles/future_of_CAM.pdf · компьютером и станком с ЧПУ. В отличие от известной