Jedním z častých představitelů typů dílců vyráběných na multifunkčních strojích jsou tvarově složité obrobky. Odladění strategie drah nástroje nebo řezných podmínek lze účinně provádět pomocí modelů virtuálního obrábění. Cílem návrhů strategií obrábění je dosáhnout optimálního výsledku na stroji v co nejkratším čase při současném splnění požadavků kvality, resp. jakosti povrchu a přesnosti vyráběného dílce. Přijatelný obrobek je na stroji výsledkem kompromisu mezi uvedenými kritérii, jejichž váhu nastavuje v každém konkrétním případě uživatel. I přes komplexnost všech vazeb, které v procesu přípravy technologie obrábění a nastavení stroje vystupují, je otázka vhodného odladění technologie obrábění v praxi řešena pouze prostřednictvím zkušebních testů. Běžné přístupy se zaměřují na možnosti nastavení pohonů stroje, případně nastavení CNC systému, jehož potenciál využití není ovšem často v praxi dostatečně znám. Nevhodně zvolené přístupy ke zkracování časů obrábění, nevyužití možností pokročilých vlastností nastavení CNC řídicího systému, nebo nevhodně zvolené řezné podmínky tak mohou často vést k nepřijatelnému zhoršení povrchu a přesnosti dílce (obr. 1). Významu nabývá tato problematika zvláště při použití drahých složitých strojů, jakými jsou typicky multifunkční obráběcí centra, a tvarově komplexních obrobků. Chyby v procesu přípravy a realizace obrábění na multifunkčních strojích Proces přípravy a realizace obrábění na základě výchozího CAD modelu dílce zahrnuje několik fází od transformace CAD modelu do posloupnosti drah nástroje až po odbavení připravených drah s konkrétními nástroji na stroji (obr. 2). Každý z článků tohoto řetězce přináší různé zdroje chyb, které v praxi prováděné zkušební testy nemohou uspokojivě odhalit ani odstranit. První chyby vznikají na úrovni CAD-CAM zpracování výchozího CAD modelu. Tvarově komplexní plochy CAD dílců jsou reprezentovány NURBS popisem. Plochy jsou ovšem rozděleny do řady segmentů, které mají vlastní popis, díky čemuž není možno vytvořit v CAM dráhy nástroje nad celým obrobkem přímo jako spline křivky. Plochy CAD modelu dílce musí být proto pro zpracování v CAM systému transformovány do sítě trojúhelníků, na nichž jsou následně generovány dráhy nástroje jako řady po částech lineárních úseků (obr. 3). Vrcholové uzly dráhy nástroje (Cutter Location data, CL data) tak leží vůči výchozím plochám v definovaném pásmu tolerance. Způsob generování vrcholových uzlů po částech lineárních drah nástroje je přitom v každém CAM systému jiný. Na stejném CAD modelu mohou vzniknout při použití různých CAM systémů odlišné výsledky obrábění, jejichž zdrojem jsou chyby generované nekvalitou CL dat. Postprocesor vytvoří na základě CL dat z CAM softwaru NC program pro daný stroj a jeho řídicí systém. Zpracování NC kódu již probíhá v obráběcím stroji, resp. v jeho CNC řídicím systému. Zde se uskutečňuje proces přechodu do časové oblasti a další úprava původních dat. Kromě nastavení limitů zrychlení, osových a dráhových jerků (derivace zrychlení) se jedná o řadu dalších funkcí, jako např. Look ahead pro zvýšení rychlosti obrábění, nebo dalších vyšších algoritmů, upravujících původní dráhy ve vazbě na kvalitu, přesnost a rychlost obrobení. Využití vyšších funkcí interpolátoru je nezbytné, neboť by bez nich pohony stroje vykonávaly přerušované pohyby, zastavované ve vrcholových uzlech lineárních úseků drah. Projevem vlastností interpolátoru CNC systému jsou rovněž změny skutečné posuvové rychlosti oproti programované. Významné jsou tyto změny zejména při 5osém obrábění, u nějž je nutná součinnost translačních a rotačních os stroje. Dynamika rotačních os bývá často limitující pro dosažení požadovaných posuvů, jejichž skutečné hodnoty výrazně klesají. Interpolované dráhy vstupují do řízení pohonů, které v čase vykonávají žádané pohyby. Schopnost řízení pohonů reagovat na buzení vnitřními setrvačnými silami strojních os, nebo buzení vnějšími silami pocházejícími z řezného procesu, je dána naladěním regulátorů. Jejich dynamika je přímo limitována vibracemi mechanické stavby stroje, a to jak vlastními frekvencemi, tak vlastními tvary kmitání a jejich směrovou orientací. Specifickou charakteristikou vlastností struktur velkých multifunkčních strojů je přelaďování dynamiky změnou kinematické konfigurace strojních os. Například výsuvem smykadla, nebo vřeteníku (obr. 4) může docházet ke změnám vlastní frekvence na kritické dynamické poddanosti i o desítky Hz a k několikanásobné změně kritické dynamické poddajnosti, která má přímý dopad na využitelnost instalovaného výkonu stroje za podmínky stabilního řezu. Virtuální model stroje pro predikace chyb obrábění Komplexní projevy nekvality obrábění umožňuje účinně odhalovat koncept virtuálního modelu stroje, který zahrnuje všechny články řetězce přípravy NC dat, interakce CNC řízení, řízení pohonů a mechanické stavby včetně řezného procesu. Díky tomu je možno analyzovat zdroje chyb obrábění, vznikající v různých fázích procesu přípravy a realizace obrábění. Simulace virtuálního obrábění poskytují 100% shodu časů obrábění se skutečným procesem a věrohodné vizualizace obrobeného povrchu. Účinně slouží k optimálnímu naladění procesu obrábění, zahrnující rozbory chyb NC dat, naladění CNC interpolátoru, řízení pohonů a identifikaci slabých míst konstrukce, nebo nevhodné orientace obrobku na stroji. Přínosy simulací virtuálního obrábění názorně ukazuje obr. 5. Zatímco CAM simulace zobrazuje úběr materiálu pouze jako výsledek geometrické posloupnosti bodů poloh nástroje v prostoru obrobku, CNC simulace ukazuje již projev interpolátoru CNC systému s překmity způsobenými dynamikou interpolátoru a použitými vyššími funkcemi. Až integrace plného virtuálního modelu včetně pohonů a nosné struktury stroje zachytí věrohodné stopy kmitání nástroje, jak je vidět na skutečném obrobku. Plné využití potenciálu technologických operací na multifunkčních strojích vyžaduje vhodně optimalizovat a odladit proces obrábění ještě před jeho spuštěním na stroji. Virtuální modely stroje a obrábění poskytují účinný nástroj, jehož pomocí je možno identifikovat zdroje chyb a dosáhnout optimálního nastavení řízení CNC, řízení pohonů a technologických podmínek bez nutnosti provádění náročných zkušebních testů na strojích. Ing. Matěj Sulitka, Ph.D., RCMT Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii a ve spolupráci se Společností pro obráběcí stroje
