Пути повышения эффективности использования станков с ЧПУ в обрабатывающем производстве

УДК 658.512.4                                            

Цифровизация машиностроения служит основой для ускоренного развития всего народного хозяйства. Повышение эффективности производства обеспечивается за счёт использования современных технологий, которые реализуются с помощью высокопроизводительного оборудования.

Эффективность применения обрабатывающего оборудования с ЧПУ доказана опытом промышленно-развитых стран. Преимущества такого оборудования заключаются в возможности концентрации операций за счёт широких технологических возможностей, заложенных в станки их производителями. На предприятиях различных отраслей промышленности республики в последнее время начали широко использовать обрабатывающее оборудование с ЧПУ. Однако эффективность его применения проявляется лишь при условии, когда максимум времени станок выполняет обработку, а доля непроизводительных затрат (вспомогательного времени) минимальна.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

На данный момент на большинстве машиностро- ительных предприятий республики возможности оборудования используются крайне неэффективно, что связано с простоями станков с ЧПУ во время программирования обработки заготовок, которую выполняют непосредственно на панелях устройств ЧПУ (УЧПУ) станков.

Создание управляющих программ практически на всех предприятиях производят по одному из следующих вариантов. В первом варианте оператор использует рабочий чертёж обрабатываемой детали и непосредственно с панели УЧПУ вводит в оперативную память станка с ЧПУ управляющую программу в виде кадров, в которых записаны G-коды, подготовительные и вспомогательные функции, а также размерные перемещения.

При втором варианте в соответствии с рабочим чертежом детали выполняют аналогичное программирование обработки в G-кодах, которые операторы или наладчики станка с ЧПУ записывают на компьютере в любом текстовом редакторе, например, «Блокноте» (Windows), в соответствии с последовательностью обработки геометрических элементов детали по координатам характерных точек таких элементов, называемых опорными. Затем разработанную программу переносят на внешний носитель информации и выполняют последующую перезапись в память УЧПУ станка.

В третьем варианте для создания управляющей программы используют рабочий чертёж, G-коды и различные станочные циклы, заложенные в виде программного обеспечения в память УЧПУ станка, которые облегчают программирование обработки в интерактивном режиме [1]. Такой вариант обеспечивает некоторую автоматизацию разработки управляющей программы, однако информацию об обрабатываемых геометрических элементах, геометрии инструментов, параметрах обработки и другие данные вводят в ручном режиме, что требует немалых затрат времени. Кроме этого, необходимо учитывать вероятность появления ошибок ввода, особенно если параметры обработки имеют нецелочисленные значения.

Автор работы [2] считает неоспоримым преимуществом программирования в G-коде в дополнение к специальным станочным циклам возможность детального описания каждого хода инструмента так, как это предполагает программист, что зачастую невозможно при диалоговом программировании и программировании в САМ системе.

С таким утверждением трудно согласиться, поскольку с помощью G-кодов программируются лишь простые виды обработки. А предположение о необходимости детального описания каждого хода инструмента недостаточно обоснованно, так как задача программиста заключается не просто в составлении программы, а в разработке такой последовательности, которая обеспечит либо высокую производительность обработки, либо требуемое качество и размерную точность изготовления обрабатываемых геометрических элементов. Пытаться вручную создавать оптимальные стратегии обработки весьма непростая задача, решаемая в современных условиях средствами так называемых САМ систем, в которых задачи расчёта траекторий движения инструментов решаются алгоритмами, обеспечивающими оптимизацию процесса обработки как раз с учётом выполнения требований к результатам обработки.

Кроме этого, для указанных выше, фактически ручных способов программирования недоступны современные стратегии обработки от ведущих производителей станков, режущих инструментов и разработчиков программного обеспечения САМ систем. К этим способам относят, например, точение во всех направлениях, адаптивную фрезерную обработку, фрезерование с высокими подачами и другие, в которых для осуществления перечисленных стратегий используют сложные траектории движения инструмента с расчётом положения инструмента в пространстве с точностью до тысячных долей мм.

Перечисленные стратегии в сравнении с традиционными обеспечивают рост производительности

обработки на 50–80 %. Решение аналогичных задач с помощью ручного программирования практически невозможно, поскольку вручную программировать даже трёх координатную обработку затруднительно и затратно по времени, не говоря о программировании четырёх-пяти координатной обработки либо программировании обработки элементов деталей, имеющих сложную пространственную форму.

Кроме этого, до настоящего времени перечисленные выше способы программирования выполняют либо операторы, либо наладчики станков с ЧПУ, которым осуществляют доплату к основной заработной плате, в большинстве случаев в достаточно большом размере. Это подтверждают данные объявлений о вакансиях, в которых работодатели указывают о требованиях к кандидатам на должности операторов станков с ЧПУ и их навыках – знание программирования обработки на панели УЧПУ различных производителей станочного программного обеспечения [3]. Однако при такой организации труда оборудование во время программирования простаивает, что катастрофически снижает эффективность дорогостоящих станков. Необходимо также учитывать, что программирование обработки относится к инженерному труду и в большинстве случаев квалификации операторов станков недостаточно для эффективной реализации технологических возможностей оборудования, инструментов и доступных стратегий обработки.

Перечисленные подходы в промышленно-развитых странах признаны неэффективными, поскольку, во-первых, какие бы манипуляции не выполнялись на панели УЧПУ станка при программировании, симуляции или верификации обработки, внесении изменений в управляющую программу, станок в течение этого времени простаивает, что снижает эффективность его использования.

Во-вторых, программирование обработки в современных условиях является сложной задачей, решение которой должны выполнять технологи, но никак не операторы или наладчики станков с ЧПУ, пусть и имеющие навыки программирования.

В-третьих, при программировании обработки оператором или наладчиком станка сказывается субъективный характер исполнителя, который в большинстве случаев пытается найти выгоду для себя в части увеличения доли машинного времени, затрачиваемого на обработку. По этой причине очень часто в управляющую программу закладывают не оптимальные, а некоторые щадящие режимы обработки, чтобы увеличить продолжительность изготовления конкретной детали, поскольку оплата его труда от времени изготовления в большинстве случаев и зависит. Однако эффективность использования станка в этом случае значительно падает. Особенно ярко такая закономерность проявляется во время второй смены, когда операторы получают доступ к управляющим программам и выполняют их корректировку. Такое положение недопустимо.

В-четвёртых, перечисленные варианты программирования обеспечивают разработку управляющих программ обработки простых элементов деталей, при программировании даже трёх координатной обработки затраты времени существенно возрастают, а четырёх или пяти координатную обработку любым из перечисленных способов программировать невозможно.

На предприятиях республики пока крайне редко применяют ещё один вариант программирования обработки, который реализуется с помощью специализированного программного обеспечения – САМ систем, которыми оснащают удалённые рабочие места технологов-программистов, расположенные в технологическом подразделении предприятия.

В чём же особенности использования САМ системы? Основой для программирования обработки в САМ системе служит копия электронной геометрической модели детали (ЭГМД, 3D-модель, CAD-модель), созданной конструктором, которая содержит всю информацию о будущей детали в виде геометрических элементов, чаще всего в твердотельном отображении, атрибутов и технических требований. Такое представление детали допускает действующий ГОСТ 2.052 [4].

САМ системы автоматизируют работу технологов-программистов и обеспечивают их инструментами, с помощью которых процесс разработки управляющей программы реализуется на использовании графической и текстовой информации, которая заложена конструктором в электронные геометрические модели деталей. Для программирования используется интерфейс САМ системы, который обеспечивает выделение геометрии, подлежащей обработке, в отличие от необходимости её задания с помощью координат опорных точек или размеров соответствующих геометрических элементов – при ручном программировании. Кроме этого, в САМ систему заложены различные стратегии обработки геометрических элементов детали, которые в зависимости от режимов обработки могут быть обработаны при максимальной производительности станка с минимальными затратами времени либо будет обеспечена минимальная шероховатость поверхности при высокой точности обработки.

Инструменты САМ систем обеспечивают также выбор режущих инструментов из имеющихся в библиотеке или создание новых с требуемой геометрией режущей части, обеспечивается выбор заготовок и учитывается изменение их формы после выполнения соответствующего этапа обработки, возможна визуализация обработки средствами твердотельной верификации, при которой отображается не только траектория движения инструмента, но и процесс съёма металла, возможно сравнение полученного после обработки результата с геометрией модели детали, автоматически генерируются траектории движения инструментов и вспомогательные перемещения и т. д. Кроме этого, в текстовой части САМ системы отображается разработанная технология обработки заготовок с её детализацией до операционных переходов.

Такой вариант позволяет избавиться от необходимости разработки рабочих чертежей деталей и отказаться от их использования в работе не только конструкторских, но и технологических отделов или бюро, других подразделений предприятия и использовать ЭГМД в качестве основного конструкторско-технологического документа, на основе которого создаются другие документы, в том числе, управляющие программы обработки.

В этом варианте рутинная ручная работа по программированию обработки на панели УЧПУ с помощью станочных циклов или на персональном компьютере, стоящем рядом со станком, требующая затрат ручного труда, полностью исключается. Это увеличит долю основного времени в работе станка и повысит коэффициент загрузки оборудования.

Предложенный вариант должен стать основой для нового вида взаимоотношений на машиностроительных предприятиях – электронного документооборота между конструкторами, технологами и обрабатывающими, а также заготовительными подразделениями и основой таких взаимоотношений будет один источник информации – геометрическая модель детали. Возможности новой формы взаимодействия конструкторов и технологов в рамках предприятия и варианты совершенствования конструкторских и технологических документов на основе ЭГМД достаточно подробно описаны в работе [5].

Основным преимуществом этого подхода в переходе к цифровизации машиностроительного производства на первом этапе станет ускорение конструкторско-технологической подготовки, что в дальнейшем позволит углубить автоматизацию на производстве за счёт внедрения PDM/PLM системы.

Задачи, решаемые операторами или наладчиками станков с ЧПУ, должны быть направлены на подготовку станков к выполнению обработки в автоматическом режиме. В перечень обязанностей следует включить:

– подготовку приспособлений для установки обрабатываемых заготовок на станке в соответствии с картой наладки;

– выверку положения заготовок в рабочей зоне станка с привязкой нулевых точек управляющих программ к таблице нулевых точек УЧПУ станка;

– установку оправок или блоков с режущими инструментами в револьверные головки или инструментальные магазины;

– заполнение таблицы нулевых точек в УЧПУ станка, к каждой строке которой привязаны управляющие программы обработки конкретной детали;

– запись размеров режущих инструментов в соответствии с их настройкой в таблицу инструментов УЧПУ станка;

– подготовку измерительных средств для выполнения измерений между операционными переходами в соответствии с комментариями технолога-программиста в управляющих программах или маршрутных картах обработки;

– исполнение управляющих программ в соответствии с их последовательностью, прописанной технологом-программистом, с обязательной блокировкой рабочей зоны станка, так как отсутствие блокировки дверей кабинетной защиты зоны резания является причиной падения производительности обработки, выполняемой на станке с ЧПУ, из-за автоматического ограничения УЧПУ скорости ускоренных перемещений примерно в 2–2,5 раза относительно максимальных значений.

Немаловажным фактором, обеспечивающим рост эффективности использования оборудования с ЧПУ, должно стать внедрение систем мониторинга высокоточных станков с помощью системы датчиков, которые снимают показания с основных элементов станков с ЧПУ и универсального оборудования. Это позволит получить информацию о причинах падения производительности оборудования и оперативно принять меры по устранению выявленных недостатков.

Добиться такой организации труда, когда программирование выполняется инженером-технологом, обработку в автоматическом режиме выполняет станок, который контролирует оператор, можно с помощью внедрения в работу технологов САМ систем различного уровня. Причём вопрос стоимости специализированного программного обеспечения в виде САМ системы не может рассматриваться в отрыве от преимуществ её использования в технологической подготовке производства и оценки возможного повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ за счёт нового уровня программирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В концентрированном виде пути повышения эффективности использования станков с ЧПУ можно выразить следующими направлениями, тесно взаимосвязанными друг с другом:

– перевод программирования в технологические подразделения предприятия и передача задач программирования технологам-программистам, что увеличит долю машинного времени работы станка, затрачиваемую на обработку;

– оснащение рабочих мест программистов-технологов САМ системой для автоматизации программирования, которая обеспечивает конвертацию файлов из CAD системы без потери качества отображения геометрической и текстовой информации в виде атрибутов и технических требований;

– использование копий конструкторских геометрических моделей деталей в качестве основы для выполнения работ по программированию обработки на станках с ЧПУ и организации электронного документооборота в работе конструкторско-технологических подразделений и обрабатывающих цехов с последующей цифровизацией в масштабе предприятия;

– использование эффективных стратегий обработки, которые реализуются на станках с ЧПУ с помощью современного программного обеспечения (САМ систем), высокопроизводительных режущих инструментов и оптимальных режимов резания;

– использование верификации, реализуемой инструментами САМ системы, для проверки корректности исполнения разработанных программ с целью устранения возможных коллизий до передачи программ в обрабатывающие цеха;

– мониторинг работы оборудования в производстве для своевременного реагирования на возникающие проблемы.