Simulace CNC obrábění

V praxi je obvykle nutné provádět množství testovacích obrábění, jejichž prostřednictvím je hledáno vhodné nastavení NC generátoru (CAM), řídicího systému stroje, popř. stroje samotného. Všechny tyto složky mají svůj podíl vlivu na finální výrobek.

Je zřejmé a praxí ověřené, že tato cesta je značně zdlouhavá, zvláště v případech zavádění nového typu obrobku. Stejně tak jako neexistuje univerzální typ stroje pro libovolnou skupinu obrobků, neexistuje ani univerzální nastavení řídicího systému a strategie tvorby NC programu. Vyhovující kombinace nastavení je volena vždy vzhledem k požadovaným parametrům daného obrobku a technologickým možnostem výrobce. Popsaný problém vystupuje do popředí nejvýrazněji při frézování tvarově složitých dílců, např. forem.

Kvalita obrábění tvarově složitých ploch

Při obrábění tvarových dílců se zvyšují nároky především na volbu vhodného postupu tvorby žádaných drah, jejich interpolace pro soustavu nástroj-obrobek a odpovídající dynamické vlastnosti pohonů obráběcího stroje, pokud má být zaručeno dosažení požadované kvality povrchu obrobku a celkové doby obrábění.

V posledních přibližně patnácti letech se v oblasti matematického modelování vlastností strojů pozornost zaměřuje mj. na vývoj virtuálních modelů, které by umožnily relevantní simulaci chování stroje se zahrnutím významných jevů a vlastností. Téma virtuálního modelování obráběcích strojů je rozvíjeno i ve VCSVTT. V současnosti je navržen modelový přístup, který dovoluje simulovat dráhové řízení nástroje a predikovat kvalitu a čas obrobení.

Představen je virtuální model stroje, který může být výhodně využíván k simulacím obrábění a tím může pomoci výrazně snížit časovou a ekonomickou náročnost zavádění tvarově složitého obrobku do výroby. Verifikace modelu je ukázána na příkladech skutečného obrábění.

Moderní stroj jako komplexní mechatronický systém

V konstrukci CNC obráběcího stroje se vzájemně propojuje mechanický systém s numerickým řízením pohonů a zpracováním vstupních dat žádaného dráhového řízení v řídicím systému stroje. Výsledné chování stroje je tak projevem interakce řady faktorů. Řetězec prvků, které souvisejí přímo s přípravou dat pro obrábění a konstrukcí stroje, bez uvažování dalších procesních vlivů, jako je např. řezný proces nebo zdroje tepla, je uveden na obr. 2.

Na prvním místě stojí příprava CAD modelu a jeho interpretace CAM systémem. Do výsledné kvality povrchu obrobku se při zpracování CAD modelu promítají chyby vlivem nastavení limitu přesnosti vytvářených dráhových dat složených z lineárních úseků nahrazujících původně hladký povrch CAD modelu dílce.

Interpolace NC kódu řídicím systémem stroje

Data dráhového řízení (CL data) vytvořená CAM systémem jsou postprocesorem stroje následně zpracována do podoby NC dat. Tato data vstupují do CNC řídicího systému, jehož interpolátorem jsou interpretována do časově parametrizovaných dat. Jedním z problémů, s nimiž se musí interpolátor řídicího systému vyrovnat, je velké množství NC dat vznikajících lineárním proložením žádaného tvaru. Pokud by totiž měl být zavedený NC kód bezezbytku interpretován a skutečná dráha nástroje by měla probíhat všemi zlomovými body žádané lineární trajektorie, musela by osová rychlost pohonů klesat v každém z těchto bodů na nulu. Vzhledem k omezenému zrychlení a jerku by to ovšem znamenalo, zvláště v případě velmi krátkých lineárních úseků, dosažení minimálních posuvových rychlostí. Narostl by neúměrně čas obrábění, a navíc by nebyla s ohledem na neustálé dynamické kolísání rychlosti ani kvalita povrchu dostačující.

Na základní úrovni řeší tento problém u většiny řídicích systémů funkce Lookahead. Při její aktivaci dochází k dopřednému načítání NC bloků před jejich vlastním odbavením. Ve zlomových bodech je definováno toleranční pásmo, které dovolí průjezd navazujících bloků nenulovou rychlostí.

Pro větší redukci a vyhlazení žádaných drah generovaných pomocí CAM bývají řídicí systémy vybavovány dalšími pokročilými funkcemi. Řídicí systémy Siemens zavádí např. funkci kompresorů - několik lineárních bloků je nahrazeno polynomiální funkcí, čímž je vytvořen jeden náhradní blok, definovaný povoleným tolerančním pásmem kolem zlomových bodů výchozích lineárních úseků. Řídicí systémy Heidenhain využívají filtrace žádaných drah pomocí tzv. HSC filtrů. Definuje se opět toleranční pásmo, podle něhož jsou parametrizovány příslušné filtry. Zjednodušeně lze říci, že čím větší toleranční pásmo, tím je daná kontura realizována v čase rychleji, ovšem s menší přesností.

Řízení pohonů stroje

Vytvořené časové profily žádané polohy, které jsou výstupem z interpolátoru CNC řízení, jsou zavedeny na vstup polohového regulátoru řízení pohonů. Odbavení žádaného průběhu polohy nástroje je ovšem limitováno dynamickými vlastnostmi řízení pohonů, které přímo souvisí s vlastnostmi mechanické stavby stroje. Poddajná struktura rámu stroje je charakterizována nejen setrvačnými účinky, ale také vlastními frekvencemi a tvary kmitání, které se promítají do řízení pohonů jednotlivých pohybových os.

Z teorie regulace je známo, že limitní pro nastavení parametrů regulátorů je především vlastní frekvence kmitání pohonu, při které se motor stává rotačně nehybným. Tato frekvence je označována jako antirezonanční, v zahraniční literatuře jako locked motor frequency. Kromě první antirezonanční frekvence jsou ovšem pro nastavení parametrů regulátorů důležité i vyšší vlastní frekvence. Vlivem mechanických vlastních frekvencí a dynamické poddajnosti řízení dochází ke kmitání soustavy pohonu, projevující se opět nepříznivě na výsledné kvalitě obrobku.

Virtuální model stroje pro simulace obrábění

Pojmem virtuální model stroje jsou označovány modely, které obecně umožňují simulovat vlastnosti propojeného systému řízení stroje, jeho pohonů a nosné struktury. Složitost a komplexnost těchto modelů vychází především z požadavků, jaké projevy chování stroje a vlastnosti mají být sledovány.

Propojené modely řízení pohonů

Při vývoji strojů jsou již často ve spolupráci s domácími výrobci obráběcích strojů využívány propojené modely řízení pohonů s mechanickou strukturou pohonu a rámu stroje. Tyto typy modelů jsou účinným prostředkem k analýzám a optimalizaci dynamických vlastností řízení pohonů s komplexním popisem mechanické struktury stroje. Pomocí propojených modelů pohonů lze efektivně hledat slabé prvky řetězce pohonu a rámu stroje, navrhovat vhodné konstrukční úpravy vedoucí ke zvyšování dynamické tuhosti pohonu a predikovat dosažitelné parametry regulátorů pohonu. Díky zahrnutí popisu vlastností rámu stroje metodou konečných prvků (MKP) do těchto modelů je možné příspěvky jednotlivých komponent k celkovým vlastnostem pohonu relevantně posuzovat.

Virtuální modely strojů

Propojené modely pohonů, jak bylo uvedeno, jsou nástrojem umožňujícím provádět pokročilé analýzy dynamických vlastností řízení pohonů a jejich optimalizace ve vazbě na mechanickou stavbu pohonu a rámu stroje. Na výslednou přesnost a kvalitu obrobku nelze ovšem přímo usuzovat pouze na základě znalosti hodnot parametrů řízení nebo dynamických vlastností zjišťovaných ve frekvenční či časové oblasti, např. formou odezvy na vnější silové buzení.

K simulaci skutečného dráhového řízení je nutné propojený model řízení pohonů rozšířit o vliv interpolátoru CNC řídicího systému stroje. S ohledem na řadu pokročilých funkcí, které CNC systémy obsahují, je ve virtuálním modelu stroje zapotřebí využít skutečných CNC systémů. Někteří výrobci nabízejí virtuální jádra systémů (Siemens VNCK, Heidenhain Virtuali TNC), na jejichž základě je možno vytvářet tzv. systémy Hardware in the Loop, propojující v reálném čase polohovou smyčku uzavřenou v CNC systému s externě připojeným modelem rychlostní a proudové smyčky řízení pohonů s vnořeným modelem mechanické stavby stroje.

Jinou možností je prostřednictvím virtuálních jader CNC systémů odbavit NC kód tzv. v režimu off-line a získat časové vektory drah jednotlivých interpolujících os pro zavedení na vstup polohového regulátoru pohonů. Obecné schéma virtuálního modelu stroje s uvažováním popisovaných prvků ukazuje obr. 3. Virtuální model stroje lze dále rozšiřovat podle typu požadovaných simulačních úloh o popis dalších procesních jevů, jako je např. model řezných sil nebo teplotních deformací.

Experimentální a simulační testy

Využitelnost a věrohodnost virtuálních simulací CNC obrábění je testována na příkladu obrábění kontury představené na obr. 4.

Profil je vytvořen v rovině YZ a vytažen podél osy X, nástroj je při obrábění orientován ve směru osy Z. Lze tedy využít způsob obrábění ,,cik-cak‘‘ v rovině YZ s konstantním přesunem podél osy X. Pro testování projevů kvality přípravy NC dat a nastavení parametrů řízení je testovací kontura záměrně složena z lineárních a kruhových úseků.

Skutečné testy proběhly na zkušebním tříosém frézovacím stroji LM2 (obr. 5). Testovací profil (obr. 6) byl obráběn s různým nastavením řídicího systému Siemens 840D pl a sledována byla kvalita a čas dokončovacího obrábění, prováděného kulovou frézou o průměru 8 mm.

Pro stroj LM2 byl sestaven virtuální model, představený v předchozí kapitole. Pro požadovaný účel simulace dokončovacího obrábění není v modelu zahrnut popis nelineárních jevů, jako např. pasivních odporů nebo řezných sil. Při dokončovacím obrábění vznikají totiž dominantní silové účinky především urychlováním a zpomalováním setrvačných hmot a na výsledné kvalitě povrchu obrobku se ukazuje především vliv těchto účinků.

Žádaná dráhová data byla po odbavení NC dat získána pomocí modulu Servo-Trace, implementovaném přímo v řídicím systému 840D pl. Byly získány matice žádaných drah, které byly zavedeny do virtuálního modelu. Výstupem modelu jsou již průběhy skutečných drah v místě nástroje a obrobku.

Příprava NC kódu

NC kód je vytvořen jak pomocí CAM, tak ,,manuálně‘‘ pomocí funkcí G01 (lineární interpolace), G02 a G03 (kruhová interpolace). Při manuálním programování byl vytvořen podprogram jedné kontury, který byl cyklicky volán s příslušným odstupem v ose X. Dosáhlo se výsledného počtu 20 dráhových bloků. Použitý komerční CAM neumožnil nasazení kruhových interpolací v rovině YZ s nástrojem orientovaným ve směru osy Z. Celý program byl proto sestaven pouze z krátkých lineárních úseček, interpolujících požadovaný profil (10 000 dráhových bloků). Jak bylo uváděno, tento způsob prokládání je nejčastěji uplatňován na tvarově složitých obrobcích.

Porovnání simulačních a reálných testů

První porovnávací test se týkal porovnání obrobené trajektorie při použití NC kódu vytvořeného pomocí CAM programu a individuálně naprogramovaného. Řídicí systém byl pro oba testy nastaven se shodnými strojními daty. Srovnávací test ukázal shodnou kvalitu obrobených povrchů, ovšem s velkým rozdílem v čase obrobení. NC kód sestavený pomocí CAM pouze z lineárních drah byl proveden za 250 s, zatímco obrobení podle kódu naprogramovaného proběhlo za 90 s.

Rozdíl v časech obrobení je způsoben především snahou řídicího systému dosáhnout minimální chyby v napojování lineárních bloků. Dochází ke značnému zpomalení při průjezdu jemně proložených oblouků lineárními úseky, zároveň je systém více výpočetně zatížen a musí být nastaven nižší takt interpolátoru. Tento problém je pro tvarově složité obrobky typický, a proto se jím budeme v následujícím více zabývat.

Další porovnávací test byl zaměřen na redukci času obrábění v případě použití NC kódu s lineární interpolací (vytvořeného CAM systémem). První možností je zvýšení jerků a zrychlení, druhou možností je vyžití pokročilé kompresní funkce interpolátoru Siemens.

Stejná změna parametrů byla provedena jak při skutečném obrábění, tak simulačně. Zvýšení jerků a zrychlení vedlo ke snížení z původních 250 s celkového obráběcího času na 50 s, při aktivaci kompresorů na 90 s. Oba časy byly verifikovány i simulačním modelem. Výsledek porovnání ukázal, že z časového hlediska se výhodněji jeví snižování jerků.

Je ovšem nutné zohlednit i další kritéria, a sice kvalitu a přesnost povrchu obrobku. Následující obrázky poslouží k jejich dobrému hodnocení. Jsou porovnány detaily skutečně obrobeného povrchu, resp. simulovaných drah nástroje a simulovaného povrchu. Je zřejmé, že zvýšení jerků a zrychlení se projeví na kvalitě povrchu velmi nepříznivě. Struktura stroje i řízení pohonů je totiž při nastavení vyšších limitů jerku a zrychlení výrazně dynamicky zatíženo, což vede ke zvýšení amplitudy zákmitů v přechodových úsecích obráběné kontury. Oproti tomu s aktivací kompresorů se dosáhne mnohem lepší kvality povrchu i přesnosti. Simulační model tyto projevy v kvalitě povrchu rovněž velmi dobře ukazuje (obr. 7).

Další úpravy nastavení řízení se zaměřily na zvýšení kvality povrchu. Využit byl filtr žádané polohy, který z frekvenčního spektra signálu polohy filtruje vyšší složky. Zvedne se tím hladkost křivek, ovšem na úkor přesnosti, což potvrzují obrázky z obrábění a simulace popsaného testu (obr. 8).

Poslední test byl proveden již čistě simulačně, neboť studoval vliv dynamické tuhosti mechanické stavby stroje na výslednou kvalitu zkoumaného obrobku. Model stroje byl proto sestaven jako ideálně tuhý z celků propojených pouze kinematickými vazbami zajišťujícími mobilitu jednotlivých pohybových skupin stroje. Jediným limitujícím faktorem pro regulaci pohonů se tak stalo propustné pásmo proudové regulace, omezené vzorkovací periodou pulzní šířkové modulace (PWM). Zesílením rychlostní regulace mohlo být zvýšeno i zesílení polohové regulace K_v až na hodnotu 6 m/min/mm. Ostatní parametry byly ponechány na stejné úrovni jako při druhém testu, tedy se zvýšenými limity jerků a zrychlení.

Je patrné, že amplituda zákmitů souvisejících s dynamickými vlastnostmi pohonu stroje se velmi výrazně redukovala (obr. 9), čemuž pomohlo širší propustné frekvenční pásmo polohové, resp. rychlostní regulace.Provázanému systému řízení a mechaniky narostla díky zcela tuhé mechanické struktuře celková dynamická tuhost.

Návrh strategie obrábění na základě simulačních modelů

Z předchozích testů je možno učinit obecnější závěry pro návrh strategie obrábění tvarově složitých ploch a zároveň ukázat na významnost simulačních modelů obrábění. Schéma postupu hodnocení kvality obrobku a volbu různých kroků pro zkrácení doby obrábění nebo zvýšení kvality povrchu ukazuje obr. 10. Prvním důležitým rozhodovacím momentem při přípravě výroby dílce je možnost využití vyšších interpolačních křivek (kružnice, spline) v CAM systému pro diskretizovanou interpretaci navržené CAD geometrie obrobku. Nasazením interpolačních křivek dojde k výrazné redukci počtu řádků NC kódu, což sníží výpočtovou náročnost v rámci interpolátoru řídicího systému. Výsledným efektem je zkrácení doby obrábění. Toho lze docílit ovšem jen v omezených případech nepříliš tvarově členitých obrobků, v ostatních je standardně využívána lineární interpolace žádaných drah. Problém s nárůstem času obrábění při tomto způsobu prokládání by měl být v prvním kroku řešen pomocí vyšších funkcí řídicích systémů (komprese dat - Siemens; HSC filtry -  Heidenhain).

V souvislosti s přípravou výroby obrobku přichází na řadu testovací obrábění, při kterém je hodnocena kvalita, doba obrábění a požadovaná přesnost. Při nesplnění jakéhokoliv parametru by měl být nejprve detailněji analyzován vytvořený NC kód.Velmi často se totiž stává, že CAM systém generuje kód s nerovnoměrným rozmístěním interpolačních bodů, v nejhorším případě i s jejich překryvy. Jakékoli další seřizování interpolace, regulace i vlastního stroje by v tomto případě mělo pouze nevýznamný přínos.

Pokud je NC kód v pořádku, přichází na řadu seřízení interpolátoru. Nejprve je potřeba nalézt optimum v nastavení jerků a zrychlení pohybových os, tj. zjistit jejich limity při zachování únosné úrovně zákmitů dráhových profilů. K vyhlazení dráhy při použití zvýšených limitů jerků a zrychlení může pomoci využití filtrů žádaných drah. Sledována musí být ovšem i přesnost povrchu, neboť ji úzké propustné pásmo filtrů snižuje.

Nepomůže-li žádný z výše popsaných nastavení ke zkrácení požadovaného času obrábění a zlepšení kvality povrchu, je nutno zvolit jiný typ stroje s vyšší dynamickou tuhostí mechanické stavby dovolující nastavení vyšších regulačních parametrů. Tím se zlepší dynamika průjezdu přechodových částí složitého obrobku, což se projeví snížením amplitud zákmitů nástroje a celkovým zvýšením kvality i přesnosti povrchu.

Efektivní využití virtuálních modelů obrábění

Z uvedeného popisu je patrné, že nalezení konečné strategie obrábění je otázkou mnoha kompromisů a v běžné praxi vede na časově náročné testovací cykly, které jsou rovněž nákladné. Postupem pokusů není ani možné dosáhnout optimálních nastavení. Výhodnou alternativu tak představuje využití virtuálních modelů strojů, jejichž prostřednictvím je možné odhalit kvalitu, přesnost i čas obrábění bez potřeby uvolnění stroje z výroby, materiálové spotřeby a nástrojového opotřebení.

Představený virtuální model stroje využívající vlastnosti skutečného interpolátoru CNC řídicího systému stroje (konkrétní ukázka na příkladu systému Siemens 840D) umožňuje odbavit NC kód na bázi simulace stejně jako u skutečného obráběcího stroje a získat konečné dráhy nástroje vůči obrobku. Výsledné trajektorie v sobě tedy obsahují chyby způsobené CAM zpracováním dat, interpolací dat v řídicím systému i chyby vlivem dynamických vlastností řízení pohonů a mechaniky stroje. Navržený model je verifikován prostřednictvím skutečného obrábění a tím je ukázána jeho účelnost především při zavádění tvarově složitých obrobků do výrobního procesu.

Výsledky výzkumu byly získány za finančního přispění Ministerstva školství mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M0507.

Ing. Jan Veselý, Ph.D.

Ing. Matěj Sulitka, Ph.D.

Ing. Jan Smolík, Ph.D.

M.Sulitka@rcmt.cvut.cz

VCSVTT, FS ČVUT v Praze 

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO.