Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie Odbor technologie obrábění Téma: 1. cvičení - Základní veličiny obrábění Inovace studijních programů bakalářských, magisterských a doktorandských v oborech Strojírenská technologie, Strojírenská technologie a průmyslový management, Výrobní technologie a průmyslový management. 4. výukový modul: CAD/CAM Zprracoval: Ing. Alleš Polzerr l: I. l Tento projekt je spolufinancován Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky. Následující 1
Možnosti tvorby v programu TurboCAD/CAM Professional v. 8.2 1. Úvod Následující příklad si klade za cíl seznámit čtenáře s možnostmi jednoho z cenově poměrně nenáročných CAD/CAD programů -TurboCAD/CAM Professional 8.2 (jeho pořizovací cena je cca desítky tisíc Kč). Základní výuku jeho pracovních postupů a rozdílů v četných strategiích lze realizovat a měla by se zaměřit i na součásti tvarově komplikovanější než např. jen obdélníková či kruhová kapsa. Zvyklosti užívané v systémech tzv. vyšší třídy (cenová relace cca stovky tisíc až milionu Kč) lze do jisté míry aplikovat i zde. Pozornost bude věnována nejen tvorbě technické dokumentace a aplikaci dostupných nástrojů na jednotlivé prvky (např. zahloubení), ale i na vytvoření tzv. hranic, které vymezují oblast pohybu řezného nástroje. Tvary těchto hranic nemusí být vždy totožné s tvary např. kapes obráběné součásti. Jsou tvořeny s ohledem na výrobu součásti obráběním. Aplikací tohoto náročnějšího způsobu programování lze obrábění zefektivnit. Obecně je možno konstatovat, že CAD/CAM technologie jsou poměrně mocným nástrojem usnadňujícím, zkvalitňujícím a urychlujícím výrobu nejen obráběním. Na následujících stránkách lze nahlédnout na některé možnosti jednoho z programů (obr.1), který je pro řešení CAD/CAM technologie na trhu dostupný. Pro snadnější a rychlejší orientaci však dokument není psán běžnou formou manuálu. Obr. 1 Pracovní prostředí software TurboCAD/CAM Professional verze 8.2 Předchozí Následující 2
2. Zahájení a způsob práce Základní CAD/CAM systémy umožňují generovat data pro obrábění (NC kód) zpracováváním grafických informací ve formě 2D křivek. Jejich schopnost tvorby výkresové dokumentace i tvorby 3D modelů a jejich vizualizace není z pohledu CAD/CAM programování vždy nezbytná. Startem programu TurboCAD/CAM ikonou na pracovní ploše nebo jiným běžně užívaným způsobem je zpřístupněno pracovní prostředí (obr.2) ovladatelné dle běžných zvyklostí v operačním systému Windows. Pro zahájení práce je k dispozici tzv. modelový a výkresový prostor. Vhodné je zpravidla tvořit 2D křivky v modelovém prostoru, které lze vysunutím či rotací transformovat na 3D objekt. Postupným sčítáním nebo odčítáním (dostupná je i operace průnik) jednotlivých průběžně připravovaných objektů je tvořeno komplikované 3D těleso, přičemž lze využívat i tzv. základní primitiva (obr.3). Obr. 2 Modelový prostor Obr. 3 Ikonové menu pro tvorbu 3D objektů Na vzniklé 3D těleso (model obrobku) lze nastavit světla a spustit vizualizační nástroje. Specializované skupiny ikon, jako jsou např. i světla, je zpravidla nutno aktivovat z roletového menu View - Toolbars. Podnabídka dialogového menu Toolbars obsahuje takovýchto pracovních objektů (skupin ikon) více než 50 (obr.4), čímž je zpřístupněna kompletní nabídka kreslicích, editačních i vizualizačních nástrojů CAD prostředí i ikonová menu pro tvorbu v CAM (obr.5). Vzhledem k tomuto celkovému rozsahu je zpravidla množství ikon na pracovní ploše modifikováno, dle aktuálně řešené problematiky. Obr. 4 Obr. 5 Nastavení parametrů pro CAM Předchozí Následující 3
2.1 Rozbor možností a tvorba 2D grafických objektů pro CAM Tvorba grafických objektů se v jednotlivých CAD systémech výrazně liší. U některých je přímo konstruován technický výkres, jiné prostřednictvím skicáře tvoří objemové těleso, ze kterého jsou základní pohledy technického výkresu generovány automaticky. Program TurboCAD/CAM skicář neobsahuje, přesto lze jednotlivé pohledy na 3D těleso vytvářet a vkládat do výkresového prostoru. Projekt je tedy vhodné začínat v modelovém prostoru (obr.6) a ve výkresovém prostoru "pouze okótovat" technický výkres. Výkresový prostor neumožňuje startovat ani využívat nástroje pro programování obrábění. Veškerá příprava 2D grafických objektů pro obráběcí strategie je tedy omezena na modelový prostor. Zde konstruovaná tělesa však rovněž nelze pro generování drah řezného nástroje použít. Musí být opět transformovány do podoby 2D křivek nebo Obr. 6 2D křivky ponechány. Pozn.: Pro úspěšnou aplikaci některých obráběcích strategií nejsou nutné žádné grafické elementy. Tělesa nelze využívat vůbec. Rovinnými elementy typu úsečka, kruhový oblouk nebo spline lze řídit automaticky vytvářené dráhy řezného nástroje. Jsou jimi definovány např. oblasti - kapsy, ze kterých je nutno obráběním odebrat přebytečný materiál. Úspěšná aplikace obráběcí strategie - Pocket Milling - kapsového frézování, však vyžaduje sjednocení těchto navazujících elementů do jedné uzavřené křivky. To lze učinit kliknutím na ikonu Join Polyline, výběrem příslušných elementů a potvrzením výběru ikonou Finish Join Polyline. Vzniklá plocha umožňuje provádět 2D operace sčítání, odčítání nebo průnik. Shodně se chovají i kružnice a obdélníky. Tento výše popsaný postup sjednocování konturových prvků je nezbytný při obrábění uzavřených (Pocket Milling) i otevřených kapes (Side Milling), frézování po dráze (Path Milling) nebo podél křivky (Chain-Offset Milling). Výrazně jednodušší je výroba otvorů, která pro polohování může využívat nakreslených kružnic či naznačených středů kruhových elementů, ty však nejsou nezbytné. Využít lze principy kreslení s metodami zadávání hodnot z klávesnice či volbou uchopovacích bodů definovat polohy otvorů. Pole pro zadávání absolutních souřadnic polohy: Předchozí Následující 4
2.2 Rozbor možností a tvorba 3D grafických objektů Po úspěšném založení nového souboru projektu je vhodné ještě zkontrolovat pracovní jednotky (mm nebo palce). Následující prováděné úkony již nelze předepsat, poněvadž se budou výrazně lišit dle zpracovávaného úkolu. Postupů pro úspěšné vytvoření 3D tělesa je zde možno uvést několik. 1. Např. vytvoření obdélníku lze realizovat postupným kreslením čtyř samostatných úseček. Koncový bod první je zároveň počátečním bodem druhé atd. Toto množství hodnot zadávaných z klávesnice případně s využitím uchopovacích bodů lze urychlit volbou obdélník. Vytvořené rozměrově shodné objekty mají z pohledu přípravy podkladů pro obráběcí strategie rovněž výrazný rozdíl. Obdélník je jedním uzavřeným objektem, který může být přímo kapsou nebo ostrůvkem, zatímco čtyři navazující úsečky je nutno před obráběním příkazem Join Polyline seskupit. Bez tohoto seskupení by rovněž po vytažení do prostoru nevzniklo těleso, ale pouze 4 plochy. 2. Uzavřenou 2D křivku lze vytažením do prostoru transformovat na těleso. Např. výběrem křivky, kliknutím pravým tlačítkem myši a následnou volbou Properties - vlastnosti - je zpřístupněno dialogové okno se záložkou nazvanou 3D. Aktuálně jediný volitelný parametr "tloušťka" (lze zapisovat i záporné hodnoty) transformuje rovinný objekt na prostorový (objemový nebo plošný). 3. Seskupené elementy lze rovněž rotovat kolem zvolené osy - Revolve - nebo vytáhnout do prostoru např. volbou ikony Normal Extrude či Rigid Extrude (obr.7). Podstatným rozdílem mezi body 2 a 3 je, že při aplikaci postupu dle bodu 3 vzniká na základě tvaru křivky nové těleso a křivka zůstává. Postup dle bodu 2 způsobí transformaci křivky na těleso (křivka tedy zaniká). 4. Možnost je i tvorba modelu obrobku prostřednictvím operací (sčítání, odečítání nebo průnik) se základními tělesy (obr.7). Vzniklým tělesem je však závěrem nutno udělat vhodné rovinné řezy, tyto rozložit na jednotlivé elementy (úsečky, kružnice...) a vzájemně související prvky opět seskupit. Teprve nyní jsou připraveny křivky pro strategie obrábění. Obr. 7 Základní tělesa a nástroje pro tvorbu 3D těles Předchozí Následující 5
2.3 Vizualizace pro CAD i CAM Vizualizační nástroje umožňují nahlédnout na konstruované objekty (obr.8) v pohledu 3D zobrazení (obr.9), přičemž těleso lze reálné podobě přiblížit vlastnoručním umístěním světel a přiřazením materiálových vlastností. Světla umožňují např. zvýraznit geometrii modelovaného tělesa, zatímco materiálové vlastnosti jako např. plast (obr.9a) nebo dřevo (obr.9b) ovlivňují nejen změny v náhledu na grafický model 3D tělesa, ale i automaticky systémem počítané hodnoty řezných podmínek pro obrábění. Obr. 8 Model formy ve 2D a ) plast b ) dřevo Obr. 9 Náhled na 3D model formy vytvořené CAD nástroji Vzhledem k tomu, že předem (výše) vytvořený grafický 3D model v tomto systému nelze využít pro generování drah řezného nástroje, není nutné ho vždy CAD nástroji vytvářet. Jednotlivé otvory, kapsy nebo ostrůvky jsou z 2D křivek (obr.8) automaticky trojrozměrně modelovány úspěšnou aplikací příslušné obráběcí strategie (obr.10). Předchozí Obr. 10 Zobrazení polotovaru, odebíraného materiálu a výsledného obrobku Následující 6
2.4 Nastavení CAM prostředí Pro import a zpřístupnění pracovních ikon CAM prostředí lze použít již výše popsaného menu View - Toolbars nebo aktivovat pracovní paletu zaškrtnutím položky roletového menu View - CAM Palette (obr.11). Zahájení přípravy pracovního prostředí pro obrábění lze provést nejen ikonou Start CAM Job, která se nachází na aktivované paletě CAM Palette nebo pod položkou roletového menu CAM, ale i ikonami Setup Wizard a CAM Setup Wizard. Následujícími kroky uživatel volí parametry dialogových oken, které specifikují pracovní jednotky a další nastavení konstrukční oblasti systému, ale hlavně typ řídicího systému obráběcího stroje a výstupní formát jeho NC kódu, charakterizuje rozměry polotovaru i jeho vizualizační charakter (obr.12). V této Obr. 11 fázi je rovněž vhodné specifikovat řezné nástroje, které budou dále využívány. Jakékoli dodatečné změny ve zmiňovaných počátečních nastaveních lze v průběhu tvorby NC programu libovolně provádět a tyto globální změny se projeví i ve všech již vytvořených operacích. Předchozí Obr. 12 Dialogová okna pro základní nastavení pracovního prostředí CAM Následující 7
3. NC programování Vlastní princip CAD/CAM technologie programování v softwaru TurboCAD/CAM je založen na poměrně snadno pochopitelném a zapamatovatelném postupu. Po nakreslení např. skupiny volně navazujících úseček a jejich zaoblení lze tyto prvky spojit do jedné uzavřené 2D křivky, čímž je např. definována tvarová kapsa (obr.13). Kliknutím na ikonu kapsového frézování (obr.13), zvolením řezného nástroje (obr.14), výběrem příslušné křivky a předepsáním hloubky, do které má být obrábění realizováno (obr.13), jsou automaticky vygenerovány NC bloky (obr.15). Path Milling - frézování drážky Pocket Milling - frézování uzavřených kapes Side Milling - frézování otevřených kapes Thread Milling - frézování závitu Chain-Offset Milling - frézování podle kontury Text Milling - frézování textu Obr. 13 Obr. 13 Nakreslená kontura, volba strategie a parametrů frézování N5 ( MYAPP01 ) N10 % N15 O1 N20 G21 N25 G00 G17 G40 G49 G80 G91 N30 ( Tool comment is not found ) N35 T1 M06 N40 G00 G90 G54 X61.056 Y47.695 S1213 M03 N45 G43 H1 Z20. M08 Obr. 14 Databáze řezných nástrojů Předchozí Obr. 15 NC program Následující 8
4. Závěr Závěrem je možno konstatovat, že výše naznačený způsob NC programování ani zdaleka neupozorňuje na všechny "nezbytné" informace značně rozsáhlé problematiky, jakou CAD/CAM technologie bezpochyby je. Tento seriál volně navazujících příkladů však postupně řeší a poukazuje na další a další možnosti. Celkový soubor výukových příkladů čítá několik desítek kapitol (příkladů) a každá z nich je zpracována na cca 10 stran. S ohledem na neustále se rozvíjející možnosti CAD/CAM programů budou jednotlivé i zdánlivě uzavřené příklady dále rozšiřovány. Není snadné uvádět naprosto ideální řešení výroby některé ze součástí, protože vždy je co zdokonalovat a vyvíjet. Hlavní míra pozornosti je proto věnována na současné možnosti. I přesto, že výše naznačený způsob generování NC dat vypadá na první pohled velmi jednoduše, skrývá značné množství drobných otázek, na které uživatel narazí až poté, co začne samostatně nebo i s nápovědou pracovat. Lze jen předpokládat, že tento dokument, a řada dalších volně navazujících, zabrání zdlouhavému hledání odpovědí na častou otázku: "Proč to zase nefunguje?" Zpracoval: Ing. Aleš Polzer Tel.: +420 5 4114 2559 E-mail: polzer@fme.vutbr.cz pro Vysoké učení technické v Brně FSI, ÚST, Odbor obrábění v rámci řešení projektu ESF s registračním číslem CZ.04.1.03/3.2.15.1./0075. Předchozí Více na: http://esf.fme.vutbr.cz 9