Interaktywne programowanie maszyn CNC z poziomu systemu CAD/CAM

Tworzenie programów sterujących NC w systemach CAD/CAM polega na bezpośrednim wykorzystaniu danych z aplikacji CAD do przygotowania takiego programu sterującego. Przejmowanie danych z systemu CAD może odbywać się bezpośrednio w aplikacji CAD/CAM lub poprzez pośredniczący program bądź moduł nazywany procesorem.

autor: Rafał Wypysiński

Początki systemów CAD/CAM datuje się na lata 60. XX wieku, przy czym wbrew powszechnym wyobrażeniom najpierw powstał pierwszy system CAM (system „PRONTO”, 1957r. dr P.J.Hanratty) a dopiero później system CAD (system „Sketchpad”, 1963r., I.Sutherland). Rozwój technologii informatycznych wpłynął na dynamiczny rozwój technologii komputerowego wspomagania projektowania i wytwarzania. Coraz bardziej popularne stawały się zintegrowane systemy CAD/CAM, w których stawiano na efektywność działania oraz możliwość adaptacji do wymagań konkretnych zadań produkcyjnych.

Programowanie interaktywne w zintegrowanym systemie CAD/CAM

Funkcjonalność systemu CAD w dużej mierze zależy od geometrycznego jądra programistycznego, na którym jest oparty. Ważnym elementem jest w tym przypadku zarówno otwartość na inne systemy, przejawiająca się możliwością wymiany danych, jak również interoperacyjność, oznaczająca możliwość współdziałania różnych odrębnych funkcji i technik modelowania na rzecz osiągnięcia założonych celów projektowych. Dodatkowo niewątpliwą zaletą jest możliwość rozszerzenia funkcjonalności przy pomocy CAD CPL (CAD Programming Language) lub API (Application Programming Interface).

System ZW3D CAD/CAM oparty jest na własnym jądrze programistycznym Overdrive, co umożliwia dużą elastyczność modelowania 3D CAD oraz szybkość wprowadzania zmian i reakcji na zmieniające się potrzeby rynku. Za pomocą tych samych funkcji można jednocześnie pracować na bryłach, powierzchniach i geometrii krawędziowej. Bezpośrednia edycja zapewnia komfortową pracę z modelami importowanymi z innych systemów CAD, tak jak by były zaprojektowane w rodzimym środowisku. Rozbudowane funkcje API pozwalają zarówno na pisanie dodatkowych aplikacji w języku C++ lub też darmowym QT.

Oprócz zintegrowanej biblioteki PartSolutions, użytkownik może budować własne biblioteki części (Rys. 2). Zintegrowane biblioteki (części, operacji, czy też całych projektów) przyspieszają pracę na poziomie CAD (zwiększają funkcjonalność) i pozwalają na automatyzację pewnych czynności.

Interaktywność zintegrowanego systemu CAD/CAM przejawia się również w tzw. asocjatywności, czyli bezpośrednim połączeniu i zależności między różnymi środowiskami: modelowaniem 3D, dokumentacją 2D i technologią CAM.

Z praktycznego punktu widzenia istotne jest, aby zmiany na modelu 3D znajdowały odzwierciedlenie zarówno w dokumentacji 2D, jak i technologii obróbki CAM. W ZW3D można również sterować wymiarami modelu 3D z poziomu dokumentacji płaskiej.

Ścieżka narzędzia CAM

Na bazie modelu CAD (szkicu 2D lub modelu 3D) powstaje ścieżka narzędzia CAM, uzależniona w dużym stopniu od wybranej technologii oraz możliwości techniczno-ruchowych maszyny. Sposób interpretacji danych przez system CAM jest zapisany w pliku preprocesora, definiującego charakterystyczne zachowania oraz sekwencje czynności i dostępne dla użytkownika zmienne (np. stałych cykli maszynowych). W ZW3D preprocesor ma postać pliku tekstowego z jasno opisanymi funkcjami i zmiennymi. Dla przykładu na Rys. 3 wyróżniono początki definicji interpolacji kołowej, wymiany narzędzia oraz cykli wiertarskich - to użytkownik może zdecydować, ilu i jakich zmiennych potrzebuje w systemie.

Na bazie modelu CAD oraz definicji preprocesora i funkcjonalności systemu CAM powstaje ścieżka narzędzia. Interaktywne programowanie maszyn CNC charakteryzuje się tym, że:

• Program powstaje zgodnie z pewnymi początkowymi wyznacznikami, jednak niezależnie od rodzaju maszyny CNC i układu sterowania. Dla przykładu, jeżeli kontrolowana jest styczność narzędzia, ustawienia narzędzia względem powierzchni obrabianej i jego tor ruchu będzie wyglądał tak samo dla 5-osiowego centrum frezarskiego ze stołem uchylno-obrotowym, dwoma osiami obrotowymi w głowicy, czy też 6-osiowego robota frezującego na torze jezdnym (Rys. 4);
• W programie zaszyte są informacje o prędkościach obrotowych i posuwach, przerwach czasowych oraz czynnościach pomocniczych. W zaawansowanych systemach, takich jak ZW3D CAD/CAM, możliwe jest definiowanie szablonów obróbkowych i bazy technologii oraz automatyczny dobór parametrów w zależności od założonych kryteriów (rodzaju materiału obrabianego, narzędzia, typu i rodzaju obróbki);
• Praca użytkownika jest wspomagana przez automatyczne strategie obróbkowe z domyślnymi (bezpiecznymi) parametrami, automatyczne rozpoznawanie cech obróbkowych oraz tzw. taktyki (np. automatyczne wykrywanie i obróbka otworów);
• Na bazie pliku CL są generowane raporty (dokumentacja technologiczna), opisujące sposób bazowania i obróbki, czasy i parametry obróbki oraz zawierające informacje o narzędziu;
• W charakterystycznych miejscach programu użytkownik może włączyć specjalne funkcje i polecenia, które będą właściwie interpretowane przez układ sterowania maszyny. W ZW3D CAD/CAM funkcjonalność ta jest realizowana przez komendy CL użytkownika
• Efektem końcowym definicji procesu jest plik w formacie neutralnym (zwany CL DATA – Cutter Location Data – patrz: Rys. 4), który dopiero przez postprocesor jest „dopasowywany” (tłumaczony) do konkretnego języka maszyny (G-kody ISO, standard Heidenhain lub APT - Automatically Programmed Tool)

Jeśli zamówienie jest w trakcie realizacji, przygotowany plik CL-DATA czeka na zwolnienie stanowiska (planowane lub rzeczywiste, monitorowane za pomocą systemu DNC) i jeszcze przed zakończeniem poprzedniego zadania jest przekształcany i dopasowywany do konkretnego układu sterowania, pod konkretną maszynę – inaczej wygląda program sterujący na robota FANUC, a inaczej na centrum frezarskie z tym samym rodzajem sterowania. System DNC (np. CIMCO) umożliwia również przesłanie gotowego programu do maszyny, ale również zarządzanie bazą programów i wersjonowanie plików oraz monitoring (otwarcia/zamknięcia drzwi, czasu pracy danych narzędzi i całkowitego czasu obróbki, zmiany parametrów obróbkowych itp.).

Na etapie wdrażania i uruchamiania interaktywnego systemu programowania maszyn CNC ważne jest prawidłowa konfiguracja postprocesora – proces ten znacznie upraszcza korzystanie z edytorów (najlepiej wbudowanych edytorów graficznych), które organizują strukturę takiego programu tłumaczącego, przyspieszają wprowadzanie zmian nawet przez osoby nie znające języków programowania oraz chronią przed popełnianiem błędów.

Interaktywne programowanie maszyn CNC pozwala na optymalne wykorzystanie parku maszynowego i szybką reakcję na zmieniające się potrzeby rynku. System ZW3D CAD/CAM nie tylko jest zintegrowanym środowiskiem projektowym i środowiskiem tworzenia technologii, lecz również pozwala na silną interakcję między systemem i użytkownikiem, uwzględniając wymagania technologiczne. Należy jednak pamiętać o licznych ograniczeniach praktycznych  – na przykład: przeniesienie wprost programu z centrum frezarskiego na wycinarkę laserową nie jest możliwe bez zmian w programie sterującym. Mając jednak parametryczny model i asocjatywny system CAM szybko można wnieść do programu modyfikacje i dopasować ścieżki narzędzia oraz strukturę programu NC.