Построение и оптимизация технологии изготовления архитектурного украшения на оборудовании с ЧПУ

Производственная работа осуществлялась совместно двумя технологическими сотрудниками: модельщиком-оператором САПР-АСТПП и станочником-оператором АСУТП-ЧПУ на специальном участке художественных цехов. В ходе работы было израсходовано 40 часов на отладку технологии, 15 часов на исполнение первого удачного технологического процесса, 1,5 кг серпентинита карбонатизированного «Verde Guatemala», 50 л воды, 2,5 мм³ абразивного инструмента, 40 кВт×ч электрической энергии и общим счётом приблизительно 1’000’000’000’000’000 тактовых интервалов работы центрального процессора ПЭВМ.

Изготовление проектного изделия осуществлялось с помощью ряда универсальных ПЭВМ, исполняемых ими специализированных интерактивно–графических программных систем промышленного применения, а также автоматического станка с гибким цифровым управлением. Характеристики и годы выпуска ПЭВМ сильно различались, однако работа была возможна благодаря наличию в программной базе этих компьютеров полностью совместимых операционных программных сред. Из известных САПР были задействованы бесплатные «Rhinoceros 3D 1.0», «AkelPad», «AbiWord». Для получения конечного изделия и проектной документации были применены полученные от поставщиков АСТПП «ArtCAM», АСУТП «CNC Workbench», и бесплатные «Inkscape», «IrfanView». Технологическое оборудование представлено фрезерной ЧПУ-машиной для объёмного гравирования модели «САУНО График–3КС» и является собственностью кафедры ТХОМ МГГУ. Помимо этого устройства, производственный участок содержит управляющий компьютер класса «Pentium», связанный со станком через микропроцесорный ПЛ-контроллер «isel CSD 405-IMC» стандартного интерфейса RS232, и содержит также насосно–водосборную систему проведения через станок смазочно–охлаждающе-промывочной воды, измерительный инструмент, рабочие инструменты для электрического шпинделя станка, оснастку для базировочно–монтажных работ и складскую секцию. В работе также были применены любительская цифровая фотографическая камера и печатный аппарат чернило–струйного действия.

Прототипом изделия является имеющаяся в любом художественном салоне учебная гипсовая розетта–борщевик. Морфология и размер этого объекта делают качественное цифровое изготовление его точной копии тривиальным, давно изученным, дорогим и затруднительным промышленным занятием, негодным для проведения научной работы. Поэтому по прототипу было сделано решение, промежуточное между прямым копированием и выдумыванием изделия: лишь часть оцифрованных геометрических данных розетты были сообщены проектному изделию. При этом наиболее трудноисполнимые и малосущественные особенности прототипа были заменены на оптимальные для выбранной технологии изготовления. Так, жилки заменены на плавные волны, уклон до сtg(9°).

Устройство оборудования позволяло получать рельефы с величиной наименьшей фигуры около 1 мм при предельных габаритах около 400 мм в ширину–высоту и 50 мм в глубину. Работа начата с плоской заготовки и закончена на изделии, требующим лишь скрытия микробороздок. Пропитка имела декоративное значение, и являлась неквалифицированным трудом, поэтому она не нормирована. Художественно–технологическим методом избрано уточнительно–послойное автоматическое формообразование заготовки с целью приближения формой изделия формы цифровой модели. Были проведены работы по преобразованию формо–уточнительной цифровой записи из гибкого технологически трудноисполнимого универсального формата в менее гибкий технологически легкоисполнимый частный формат.

Принципиальное устройство оборудования состояло в ограничении степени свободы инструмента тремя осями параллельного переноса. Это накладывало ограничения на форму конечного изделия: каждая точка изделия обязана просматриваться по вертикальному лучу сверху. То есть, модель изделия при этом математически выражается дискретной функцией двух дискретных аргументов. Более того, при более подробном рассмотрении ограничены также радиусы наитончайших углублений, а вертикальный луч заменяется на сферически усечённый цилиндр или конус лучей. Исходная модель формата соединённых плавных клетчатых лоскутов являлась готовым теоретическим чертежом для исполнения на высших пятикоординатных машинах, а не на трёхкоординатных, и была поэтому средствами АСТПП «ArtCAM» преобразована в формат мелкостолбчато–клетчатой объёмной диаграммы с прямолинейной интерполяцией между столбцами. То есть, первым технологическим шагом был переход от технологически независимой модели САПР в технологически ограниченную целевую модель АСТПП.

По полученной целевой модели в соответствии со встроенными в АСТПП подпрограммами траекторных стратегий ведения инструмента построены ещё более ограничивающие исполнительные вариации проекта технологические модели с управляющими размерными цепями подтраекторий, командами смены подтраектории и прочими наладками. То есть, была пройдена последняя ступень технологизации модели. Следование математическим законам назначения припусков, подач, режимов, и прочие общеизвестные в металлистике технологические расчёты были невозможны, так как для камня такие технологические законы и соответствующие справочники в 2011 году частично отсутствуют, а частично намеренно скрыты отдельными организациями или запрещены к употреблению международными патентами. То есть, указанные технологические расчёты были полностью заменены эмпирическими соображениями инженеров-технологов «График-3КС», а также личными наработками авторов изделия.

В соответствии с полностью технологически конкретной моделью изделие получено в несколько фигурных обходов, каждый – одним из двух инструментов – закруглённым цилиндром «А» и закруглённым конусом «Б». Каждый обход соответствовал независимой сложной операционной единице проекта и вычислялся отдельно, но по общей диаграмме розетты. Было задумано четыре операции обхода инструментом заготовки:

1) оконтурение «А» углубления с рельефом в исходной заготовке;

2) послойная выемка «А» наибольших по объёму пустот рельефа;

3) предварительная беловая обработка «Б» очертаний заготовки;

4) окончательная беловая обработка «Б» проектной поверхности.

Траектории для обходов 1 и 2 прочерчивались в горизонтальной плоскости эквидистантно сечению этой плоскостью модели с автоматическим учётом наложений и пересечений. Траектории для обходов 3, 4 и 5 прочерчивались в пределах профильных сечений модельной поверхности и её эквидистантных отображений цилиндрическими эквидистантными поверхностями автоматически построенного методом медианно–циркулярных каркасов фигурного сечения. Чертежи полученных траекторий приведены в приложении 4.

Таким образом одна частично технологичная поверхностная модель была преобразована в несколько полностью технологичных и связанных в единый проект линейных моделей. Линейные модели были представлены исключительно ломаными линиями, с изломами в узлах объёмной сетки машинных координат оборудования, ведущими шпиндель по заготовке с требуемыми наладочной вращательной и поступательной скоростями.

Разумеется, назначение указанных параметров осуществлялось не единожды и безответно, а интерактивным путём перебора вариантов обработки. Верность каждого назначения режима и каждого сочетания таких назначений проверялась с помощью видеосимуляционной модели исполнения технологического процесса, приближающей реальную обработку имитацией работы условным инструментом по условной заготовке. Изображения, полученные при этой симуляции, приведены в приложении 6.

В соответствии с устройством микроэлектронного процессорного контроллера производственного оборудования линейно–наладочная модель была преобразована вначале в стандартный цифровой мнемонический код, а затем – в специфический для оборудования машинный кодовый сигнал, подлежащий передаче с внутреннего ЧПУ–модуля ПЭВМ по стандартному интерфейсу RS232 на исполнительную электронику оборудования.

Физико–исполнительный технологический процесс требовал:

– ручной установки заготовки на стол оборудования, а

– электрического шпинделя – на суппорт координатной каретки,

– подготовки установки подачи оснастной дефрикционно-охлаждающей воды в рабочую зону и

– запуска контроллера.

Дальнейшая работа состояла в поочерёдных для каждой линейной технологической модели:

– установки перевода шпинделя в начальную точку заготовки,

– установки нужного инструмента в цанговый патрон шпинделя и

– подачи на оборудование подготовленного в АСТПП «СNC Workbench» кодового сигнала с ПЭВМ.

Таким образом, основные технологические операции исполняло оборудование, вспомогательные сообща полуавтоматически осуществляли оператор и оборудование, а дополнительные – то есть, смену воды – самостоятельно осуществлял оператор.

В проведённой работе наибольшую трудность для оператора представляло для каждой конкретной тройки «заготовка–инструмент–чертёж» интерактивное задание параметров преобразования цифровых моделей. Это задание осуществлялось на всём пути от эскиза и проектной среды «Rhino» до подбора с помощью «ArtCAM» вариантов линейно–наладочной модели. Преобразование модели в мнемонический управляющий код программы «ArtSPOOL» и мнемокода – в сигнал интерфейса RS232 было осуществлено полностью автоматически. Для работы оборудования по управляющему сигналу программируемого логического контроллера требовалось соединить ПЛК с интерфейсным модулем ПЭВМ, дать АСУТП команду запуска контроллера и следить за самостоятельным исполнением оборудованием производственного процесса.

Немаловажным рабочим приспособлением при этом слежении являлся множитель таймера реального времени подачи, встроенный в «CNC Workbench». Можно назвать это средство ручным адаптивным контролем автоматического процесса – то есть, научно-исследовательским техническим средством. Указанный множитель в случае наблюдения ошибочности режима обработки позволял немедленной регулировкой таймера обойти необходимость останавливать уже управляющий станком сигнал. В случае исправимости технологической ошибки можно было не только начать работу заново – а значит, испортить заготовку и перечеркнуть уже проделанную работу – но и попытаться поправить положение на месте. Одновременно это был источник улучшения качества разработанной технологии: в новой работе по тому же проекту можно было назначить уже другие параметры обработки – то есть вносить мелкие правки в технологическую модель в соответствии с полученными сведениями об отклонении режима и траектории фрезерования от оптимального состояния.

Для описанного преобразования моделей потребовалось задать ПЭВМ следующие параметры:

1) общие параметры построений:

1) масштаб лоскутной модели – 2 мм изделия к 5 мм прототипа;

2) шаг столбцевой диаграммы фрезерного профиля – 20 столбцов линейной интерполяции на мм Декартовой координатной сетки;

3) высота холостого переноса инструмента 3 мм;

4) колодец рельефной модели – на глубине 18 мм от верхней поверхности заготовки;

5) частота вращения электрошпинделя [12...24]×10³ об.:мин.;

2) параметры работы абразивных инструментов «А» и «Б»:

1) «А»: головка «сферически закруглённый цилиндр»:

– диаметр (D) 10 мм;

– подача врезания 0,06 мм/сек, номинальная подача 6 мм/сек;

– глубина обработки слоя 0,6 мм; шаг контура 2,5 мм;

2) «Б-1» медленный: головка «сферически закруглённый конус»

– угол конусности 5°, радиус скругления 2 мм;

– номинальная подача 2 мм/сек;

– шаг контура 0,6 мм;

3) «Б-2» быстрый: головка «сферически закруглённый конус»

– угол конусности 5°, радиус скругления 1,5 мм;

– номинальная подача 4 мм/сек;

– шаг контура 0,2 мм

3) стратегия построения получения «А» ровного контура углубления, содержащего рельеф; контур проложен по модели в САПР;

4) стратегия черновой выемки «А» пустот с неравновысоким припуском – «многослоевое фрезерование равновысоких оконтурений слоевых сечений модели»;

1) эквидистантный припуск поверхности нулевой;

2) точность изломовой интерпретации дуг профиля – 1,5 мм на наибольшую допустимую хорду;

5) стратегия построения чернового снятия «Б-1» оставленного уступного припуска – «однослоевое фрезерование по профилям модели в концентрических медианно-изломных многодуговых цилиндрах»;

1) эквидистантный припуск поверхности + 0,2 мм;

2) изломовая интерпретация дуг– 0,2 мм наигрубейшей хорды;

6) стратегия построения чистового снятия «Б-2» оставленного гребенчатого припуска – то же, что и в «5»;

1) эквидистантный припуск поверхности нулевой;

2) изломовая интерпретация дуг– 0,05 мм наигрубейшей хорды;