Разделы: Информационные технологии
Размещена 15.05.2025. Последняя правка: 10.05.2025.
Просмотров - 280

Влияние симуляторов управляющих программ на производительность и качество продукции на станках с числовым программным управлением

Савельев Данил Наилевич

-

Институт нефтепереработки и нефтехимии ФГБОУ ВО УГНТУ в г. Салавате

Студент

Гаврилов Станислав Витальевич, старший преподаватель, кафедра «Информационные технологии», Институт нефтепереработки и нефтехимии ФГБОУ ВО УГНТУ в г. Салавате

УДК 519.876.5

Введение

Современные станки с числовым программным управлением широко применяются в промышленности для высокоточной и продуктивной обработки деталей. Эффективность ЧПУ-обработки во многом определяется качеством управляющей программы (УП), задающей траекторию и режимы резания. Ошибки или неоптимальные решения в УП могут привести к дефектам деталей, поломкам инструмента и вынужденным остановкам оборудования во время производства. Так, при отладке нового технологического процесса на крупногабаритной детали первое изделие без предварительной проверки программы зачастую обрабатывается вдвое дольше из-за коррекции ошибок по месту. В случае серьезной ошибки возможна потеря заготовки или столкновение узлов станка, что чревато дорогостоящим простоем. Таким образом, возникает потребность в инструментах, позволяющих проверить и оптимизировать УП до запуска на реальном оборудовании.

Решением этой задачи стало применение симуляторов управляющих программ – программных средств, создающих виртуальную среду станка для исполнения и анализа УП. Симуляторы отображают траекторию движения инструментов, имитируют съем материала и работу систем ЧПУ, выявляя потенциальные проблемы (превышение хода, столкновение инструмента с заготовкой или оснасткой, выход режущих параметров за допустимые пределы). Внестаночная верификация УП на ПК дает возможность обнаружить ошибки разработки и постпроцессирования программы без проведения пробного прогона на станке, тем самым предотвращая брак и аварийные ситуации еще на этапе подготовки производства.

Актуальность

Проблема повышения эффективности наладки станков с ЧПУ и обеспечения бездефектного запуска новых УП является актуальной для машиностроительных предприятий. В условиях усложнения конструкции деталей и ужесточения требований к качеству возрастает цена каждой ошибки в управляющей программе. Даже при наличии опытных наладчиков проверка «вручную» на станке занимает время и связана с риском брака первой детали. По данным производства ракетно-космической техники, машинное время обработки крупногабаритного изделия с новой УП может увеличиваться почти вдвое при изготовлении первого экземпляра из-за необходимости повторного запуска после исправления ошибок. Такой перерасход времени и материалов существенно снижает общую производительность [3].

Использование симуляторов УП напрямую нацелено на решение этих проблем. Виртуальная наладка позволяет заблаговременно обнаружить и устранить ошибки программирования. Это особенно ценно при единичном и мелкосерийном производстве, где доля наладочных потерь велика, а также при изготовлении дорогостоящих или трудно-воспроизводимых заготовок, брак которых недопустим. Кроме того, в текущей ситуации ограниченной доступности зарубежного ПО (популярных ранее систем VERICUT, CIMCO Edit и др.) внедрение отечественных симуляторов приобретает стратегическое значение.

Цели, задачи, материалы и методы

Цель исследования – количественно оценить влияние применения симуляторов управляющих программ на производительность работы станков с ЧПУ и качество выпускаемой продукции, с опорой на отечественный опыт и программные средства. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- провести обзор распространенных в России симуляторов УП и их возможностей;

- определить ключевые показатели эффективности, на которые влияет виртуальная отладка (время наладки оборудования, вероятность ошибок и отказов, уровень брака, ресурс инструмента, время простоя станка и др.);

- разработать методику сравнительного анализа обработки деталей с использованием симуляции УП и без нее;

- выполнить модельные расчеты и проанализировать результаты с точки зрения экономии времени и снижения потерь [6].

В качестве основы анализа использованы сведения из научно-технической литературы и отраслевые данные, опубликованные в открытых источниках РФ: результаты производственных экспериментов, нормативно-методические рекомендации по технологической подготовке, а также технические описания отечественных систем симуляции. В частности, учтены данные о временных затратах на наладку станков и доле брака при первом запуске программ, сведения о применении симуляторов на предприятиях для проверки сложных траекторий, а также экспертные оценки экономического эффекта от внедрения средств верификации G-кода.

Применен метод сравнительного анализа «с использованием симулятора и без симулятора» на типовых сценариях ЧПУ-обработки. Для выбранного набора показателей разработаны расчетные модели, позволяющие количественно оценить разницу в затратах времени, количестве дефектов и износе инструмента. Расчеты выполнены по формулам технической кибернетики и теории надёжности применительно к процессам резания, удельная доля брака вычислялась как процент дефектных деталей [3]:

где N_брака – количество бракованных заготовок, N_общ – общее число изготовленных деталей.

Снижение этого показателя при внедрении симулятора оценивалось относительным уменьшением ΔB:

где B_{без сим} – доля бракованных изделий до внедрения симулятора, B_{с сим} – доля брака после внедрения симулятора.

Аналогично, для вероятности ошибки в управляющей программе P_err рассчитывали снижение риска отказа оборудования. Временные показатели анализировались через сравнение суммарной длительности наладки и производства партии деталей. Для каждой ситуации проведены два расчета:

- традиционный подход с проверкой УП на станке;

- предварительная верификация УП на ПК.

Приводятся четыре таблицы с конкретными примерами вычислений и сравнительным анализом по каждому набору показателей [2].

Научная новизна

Новизна работы состоит в комплексной оценке влияния симуляторов УП сразу на несколько аспектов производственного процесса (оперативное время, качество продукции, износ оборудования) в контексте применения отечественных программных средств. В отличие от отдельных известных исследований, посвященных либо обучающим возможностям симуляторов, либо узким техническим характеристикам конкретных систем, данный труд объединяет разрозненные данные и результаты экспериментов в единую аналитическую модель. Впервые в открытой печати приведены расчёты, основанные на данных российских предприятий, показывающие количественный эффект от отказа от «пробных прогонов» УП на станке. Полученные цифры демонстрируют измеримое улучшение показателей при использовании виртуальной отладки. Кроме того, в работе акцентировано внимание на отечественном ПО, что заполняет пробел в литературе, где ранее доминировали ссылки на зарубежные инструменты. Таким образом, исследование вносит вклад в развитие методологии цифровой подготовки производства, подтверждая эффективность и конкурентоспособность российских решений для симуляции ЧПУ.

Результаты

В результате проведенного исследования получены конкретные количественные оценки влияния использования симуляторов управляющих программ на производительность процессов и качество продукции. Ниже представлены основные результаты в структурированном виде.

1. Сокращение времени наладки и повышение выработки. Виртуальная проверка УП позволяет значительно уменьшить время, затрачиваемое на наладку станка перед запуском серийной обработки. Таблица 1 иллюстрирует сравнение временных затрат для примера запуска новой программы на партии из 10 деталей при наличии симулятора и без него. В традиционном подходе оператор пошагово вводит программу, выполняет пробные резы и вносит коррективы, что приводит к удлинению наладочного этапа до нескольких часов. Кроме того, первая деталь нередко изготавливается с отклонениями и требует переделки. Согласно расчетам, общее время на выпуск партии без симулятора достигает 13 часов, тогда как при предварительной отладке УП на компьютере – около 11 часов. Экономия ~2 часов (более 15%) достигается за счет отмены повторной обработки первой детали и более быстрой настройки режима резания. Эти данные согласуются с практическими наблюдениями: внестаночная верификация УП экономит машинное время и избавляет от лишних прогонов [6].

Данные таблицы получены в результате анализа временных затрат на подготовку и обработку типовой партии деталей на станке с ЧПУ при двух подходах: с использованием предварительной виртуальной проверки программы и без неё. Сравнение проводилось путём расчёта общего времени на выполнение операций и количества запусков управляющих программ.

Из Табл. 1 видно, что наличие симулятора обеспечивает снижение длительности наладочных работ и устранение лишнего пуска программы. Таким образом, выработка (количество годных деталей в единицу времени) повышается пропорционально сокращению непроизводительного времени. Для приведенного примера рост производительности составляет приблизительно . В случаях единичного производства или изготовления сложной детали выигрыш во времени может быть еще более существенным. Отметим, что по оценкам предприятий, применение симуляторов УП позволяет свести к минимуму время простоя оборудования в ожидании наладки, высвобождая станки для основной работы.

2. Снижение вероятности ошибки и доли брака. Имитация обработки в цифровом виде дает возможность выявить логические ошибки и неверные траектории до того, как они приведут к порче детали. Это непосредственно отражается на качестве продукции – доля брака по причине ошибок в УП резко уменьшается. В таблице 2 представлены сравнительные показатели вероятности программной ошибки и ожидаемой доли дефектных деталей в партии при разных стратегиях подготовки.

Показатели в таблице определены путём сравнительного анализа типовых вероятностей возникновения ошибок в управляющих программах и соответствующего процента дефектных изделий при обработке на оборудовании с предварительной виртуальной отладкой и без неё.

Как показывают данные, применение симулятора позволяет снизить вероятность критической ошибки с условных 5% до 1%, что эквивалентно уменьшению риска на 80%. Расчет выполнен по формуле относительного снижения риска:

где 0.05 – исходная вероятность ошибки, 0.01 – вероятность после симуляции.

Таким образом, риск сбоя уменьшился на 80%, что означает почти пятикратное снижение вероятности критических нарушений при выполнении УП.

При таком снижении частоты ошибок ожидаемая доля бракованных деталей в серии также падает с нескольких процентов до долей процента. Практически это означает, что из 100 деталей, изготовленных без предварительной верификации, несколько могут оказаться дефектными из-за промахов в программе, тогда как при виртуальной отладке вероятность получить даже одну бракованную деталь крайне мала. К аналогичным выводам приходят и западные источники: отмечено, что системная симуляция исключает брак и доработки, выявляя ошибки программы до запуска на станке. В результате производство выходит на режим «с первого раза – правильно» (Right First Time), что существенно улучшает показатели качества и снижает затраты на переделки [7].

Дополнительно отметим влияние симуляторов на точность соответствия готовой детали модели. Современные верификаторы, такие как применяемые в АО «Красмаш», позволяют сравнить форму, полученную в виртуальном резании, с исходной 3D-моделью изделия. Таким образом достигается уверенность в корректности программы и соблюдении качества без пробных деталей.

3. Уменьшение износа инструмента и предотвращение аварий. Еще один аспект – влияние на срок службы оснастки и оборудования. Ошибки в УП могут проявляться не только как геометрический брак, но и как нерасчетные нагрузки на инструмент (неправильная подача или скорость приводят к перегрузке фрезы) или даже столкновения узлов станка. Симуляторы ЧПУ обычно включают моделирование кинематики станка и контроля на отсутствие коллизий, что защищает оборудование и инструмент от нештатных ситуаций. В таблице 3 сведены данные о влиянии виртуальной отладки на износ инструмента и простои оборудования [8].

Значения, приведённые в таблице, получены на основе оценки частоты столкновений, аварийных ситуаций и износа инструмента при работе станка в условиях предварительной проверки управляющей программы в виртуальной среде, в сравнении с обычной наладкой непосредственно на оборудовании.

Видно, что использование симулятора практически устраняет риск аварийных ситуаций на оборудовании. Проверка траектории в виртуальной среде обеспечивает защиту от столкновений: станок и оснастка «видят» друг друга в модели, и при некорректной траектории ошибка будет обнаружена программой, а не через физическое столкновение. По отзывам производственников, такие системы действительно предотвращают аварии на станке и снижают брак, повышая уверенность операторов при запуске новых программ. Кроме того, оптимизация траектории и режимов резания, возможная на этапе симуляции, дает эффект в виде более равномерной нагрузки на инструмент, регулируя подачу на сложных участках траектории, можно избежать резких перегрузок, что ведет к меньшему износу режущих кромок. В итоге ресурс инструмента используется ближе к номинальному: снижается частота досрочной замены фрез и сверл, сокращаются расходы на оснастку. В таблице 3 для условного примера показано, что потери стойкости инструмента могут уменьшиться с 10–15% до 2%, а внеплановые простои на замену – с десятков минут до нуля [4].

4. Сравнение отечественных симуляторов и их внедрение. В завершающей части анализа приведем краткое сравнение функциональных возможностей некоторых доступных в РФ средств симуляции УП и суммарный эффект от их применения (Таблица 4). Учтены следующие решения: NCManager (самостоятельная система проверки и редактирования G-кода), ГеММа-3D.Верификатор (модуль CAD/CAM системы «ГеММа-3D»), ADEM CAD/CAM (имеет встроенную подсистему симуляции обработки), а также интегрированный «Верификатор УП» для КОМПАС-3D от АСКОН. Для каждого указано наличие ключевых функций: проверка на столкновения (Collision Check), визуализация снятия материала (Material Removal Sim), поддержка многокоординатных (5-осевых) обработок, интеграция с ПО ЧПУ (эмуляция стойки Sinumerik/Fanuc) и ориентировочный эффект на сокращение времени наладки и брака по оценкам внедрения [3,6,7].

Информация таблицы сформирована путём обобщения и сравнения функциональных возможностей нескольких распространённых отечественных программных решений для симуляции управляющих программ, с указанием ориентировочных значений их влияния на сокращение времени наладки и снижение процента брака [4,5,8].

Как следует из Табл. 4, все рассматриваемые отечественные продукты обладают базовым функционалом визуализации обработки и контроля траектории. NCManager и ГеММа-3D позволяют работать со сложными многокоординатными центрами, что актуально для авиа- и автомобилестроения. Интеграция с моделями стоек ЧПУ (использование библиотек циклов Fanuc или Sinumerik) обеспечивает более точное воспроизведение поведения конкретного оборудования, вплоть до имитации управляющих циклов и макросов. Ожидаемый экономический эффект от внедрения этих систем – существенное (на 15% и более) сокращение времени наладочных операций и практически кратное (в разы) снижение брака по вине программных ошибок. Эти цифры согласуются с приведенными выше расчетами (см. Табл. 1–3), а также с практическим опытом предприятий, ранее опиравшихся на иностранные системы: так, отмечалось, что до ухода с рынка ПО типа VERICUT помогало кардинально уменьшить вероятность ошибки и избежать аварий на оборудовании. Теперь аналогичные возможности доступны за счет российских разработок, что подтверждается успешными внедрениями (модуль верификации в КОМПАС-3D уже применяется на ряде заводов для проверки УП, полностью снимая необходимость в реальных пробных резах).

Выводы

Проведенное исследование демонстрирует, что применение симуляторов управляющих программ оказывает комплексное положительное влияние на производство на станках с ЧПУ. К основным выводам относятся:

- существенное ускорение подготовки производства. За счет виртуальной наладки и отладки программ суммарное время запуска новой детали сокращается на 10–20%, что повышает загрузку оборудования продуктивной работой. Операторы могут отрабатывать технологии без занятия реального станка, тем самым исключая простои;

- повышение качества и снижение брака. Верификация УП до изготовления детали позволяет добиться практически бездефектного процесса: процент брака по вине программы стремится к нулю (снижение на 70–90%). Программа, проверенная на компьютере, уже при первом выполнении на станке дает требуемый результат, что исключает переделки и экономит материал [2];

- предотвращение поломок и продление ресурса. Симуляторы служат своего рода «страховкой» от аварий – инструмент и станок защищены от нештатных ситуаций, так как траектория априори проверена на отсутствие конфликтов;

- экономический эффект и целесообразность внедрения. Внедрение отечественных симуляторов УП окупается за счет снижения потерь времени и брака. Сокращение простоев станков непосредственно увеличивает выпуск годной продукции в расчете на единицу оборудования. Устранение брака экономит стоимость материалов и устранения дефектов. Совокупно эти факторы обеспечивают рост эффективности, оцениваемый в 10–20% при относительно небольших затратах на программное обеспечение. Не случайно еще до широкого появления российских решений многие предприятия использовали подобные системы (VERICUT, NCSimul и др.), и теперь переход на отечественные аналоги позволяет сохранить эти преимущества [1].

Подводя итог, можно констатировать, что симуляторы управляющих программ становятся неотъемлемым элементом современной технологической подготовки производства. Их применение на станках с ЧПУ – будь то токарная обработка простых деталей или многоосевое фрезерование сложных поверхностей – повышает степень контроля над процессом и снижает зависимость результата от человеческого фактора. На основании проведенного анализа рекомендуется шире внедрять отечественные программные комплексы для имитации ЧПУ на предприятиях России, интегрируя их в существующие CAD/CAM/CAE цепочки [5]. Это позволит обеспечить конкурентоспособность производства за счет повышения производительности, качества и безопасности.

1. Аносов М. С., Кабалдин Ю. Г., Шатагин Д. А., Кретинин О. В., Мансуров Р. Ш., Сорокин С. Б. Основы разработки управляющих программ для станков с ЧПУ. – Н. Новгород: Изд-во НГТУ, 2021. – 139 с.
2. Аносов М. С. [и др.]. Основы разработки управляющих программ для станков с ЧПУ в системе Siemens NX: учеб. пособие. – Н. Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева, 2019. – 110 с.
3. Исламов М. Р., Белкина Д. И. Анализ и оценка качества управляющих программ для станков с ЧПУ // World Science: Problems and Innovations: материалы XXVIII междунар. науч.-практ. конф. (Пенза, 30 мая 2017 г.). – Пенза: Наука и просвещение, 2017. – С. 65–69.
4. Кочергин В. С., Привалов Э. Н. Современные методики преподавания САПР в высших учебных заведениях машиностроительного профиля // Образование. Наука. Карьера: сб. ст. междунар. конф. – 2018. – С. 228–232.
5. Кравченко И. И., Бухаров С. В. Анализ средств автоматизации программирования оборудования, оптимизация последовательности обработки поверхностей сложных корпусных деталей // Машиностроение и компьютерные технологии. – 2018. – № 7. – С. 31–47.
6. Лисун А. Е. Применение виртуальных систем ЧПУ для написания и тестирования управляющих программ для станков с ЧПУ // Современная наука: актуальные вопросы, достижения и инновации: материалы междунар. науч.-практ. конф. (Минск, 21 сентября 2017 г.). – Минск: Мир науки, 2017. – С. 54–59.
7. Муленко В. В. Компьютерные технологии и автоматизированные системы в машиностроении. – М.: Изд-во Губкинского ун-та, 2015. – 73 с.
8. Северцов А. А. Моделирование и оптимизация управляющих программ для токарных станков с ЧПУ в современных САМ-системах // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. – 2017. – № 3 (42). – С. 69–74.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий