Schlüssellabor für modernes Design und integrierte Fertigungstechnologie, Ministerium für Bildung, Nordwestliche Polytechnische Universität Tian Rongxin, Ren Junxue, Shi Yaoyao, Meng Xiaoxian Zusammenfassung: Basierend auf den Festzykluseigenschaften des SINUMERIK 840D-Systems und dem Parameteränderungsgesetz im Fünf-Achs-Modus wurde mit der Software UGII und CATIA ein Programm für die Festzyklus- und Nachbearbeitung der Fünf-Achs-Lochbearbeitung entwickelt. 1 Einleitung Mit der weitverbreiteten Anwendung von CNC-Bearbeitungsmaschinen wurden kontinuierlich verschiedene fortschrittliche CNC-Bearbeitungssteuerungssysteme entwickelt. Das SINUMERIK 840D-System (im Folgenden 840D genannt) ist eines der am weitesten verbreiteten Mehrachsen-Steuerungssysteme. Das 840D-System verfügt über vollständige Festzyklusanweisungen, mit denen eine Reihe von Operationen wie Bohren, Ausdrehen und Gewindeschneiden auf CNC-Bearbeitungszentren durchgeführt werden können. Bei der Anwendung auf den Werkzeugmaschinen SAJO 12000P und UniSpeed3 ist der Drei-Achs-Festzyklusbetrieb einfach, die Parameter sind vollständig und die Bearbeitungsgenauigkeit ist hoch; Bei der Bearbeitung räumlicher Bohrungssysteme führt die Änderung der Werkzeugachsenrichtung zu Komplikationen bei den Parametern der festen Zyklusbearbeitung und damit zu einem erhöhten Aufwand bei der Nachbearbeitung. Die Nachbearbeitung fester Zyklen für die Drei-Achs-Bohrbearbeitung im 840D-System wurde bereits in mehreren Artikeln behandelt, jedoch lassen sich damit keine Koordinatentransformationen bei der Fünf-Achs-Bohrbearbeitung durchführen. Daher untersucht diese Arbeit die Parameteränderung fester Zyklen für geneigte Bohrungen und entwickelt entsprechende Nachbearbeitungsprogramme auf Basis von UG- und CATIA-Werkzeugwegdateien. 2 Feste Zyklen des 840D-Systems: Das 840D-System bietet 24 feste Zyklen, von denen CYCLE81 ​​bis 90 für die Bearbeitung einzelner Bohrungen vorgesehen sind. Die Parameter des Bohrzyklus enthalten alle Informationen über die zu bearbeitende Bohrung. Daher muss die Nachbearbeitung die Positionierungs- und Zyklusanweisungen in der Werkzeugwegdatei kombinieren. Am Beispiel von CYCLE83 werden zunächst dessen Parameter erläutert. Abbildung 1: Bearbeitungsverfahren CYCLE83 – Tieflochbohren. Das Bearbeitungsverfahren ist in Abbildung 1 dargestellt und hat das Anweisungsformat CYCLE83(RTP, RFP, SDIS, DP, DPR, FDEP, FDPR, DAM, DTB, DTS, FRF, VAR1). Die Parameter sind wie folgt: RTP – Absolute Koordinaten der Rückzugsfläche; RFP – Absolute Koordinaten der Bohrungsfläche; SDIS – Sicherheitsabstand (vorzeichenlos); DP – Absoluter Wert der Bohrungstiefe; DPR – Bohrungstiefe relativ zum RFP-Wert (kann nicht zusammen mit DP angegeben werden); FDEP – Erste Bohrtiefe; FDPR – Relativer Wert der ersten Bohrtiefe (kann nicht zusammen mit FDEP angegeben werden); DAM – Reduzierung der Bohrtiefe pro Durchgang; DTB – Verweilzeit am Bohrungsgrund; DTS – Verweilzeit am Spanabfuhrpunkt; FRF – Bohrgeschwindigkeitsverhältnis (0,001–1); VARI – Spanabfuhrverfahren: Bei VARI = 0 fährt das Werkzeug um den Abstand SDIS zurück. Bei einem Wert von 1 fährt das Werkzeug um die Distanz RFP+SDIS zurück. Die Bearbeitungsparameter für den Festzyklus der 840D sind umfassend, an verschiedene Bearbeitungsverfahren anpassbar und bieten dem Anwender große Wahlfreiheit. Wichtig ist, dass FRF ein relativer Wert ist und sich auf das Produkt aus aktueller Vorschubgeschwindigkeit und diesem Verhältnis als Bohrgeschwindigkeit bezieht; daher sollte FRF kleiner als 1 sein. 3. Nachbearbeitung im Festzyklus: UG und CATIA sind derzeit die am weitesten verbreiteten CAD/CAM-Softwarelösungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Ihre Systeme zur Generierung von Werkzeugwegdateien für die Lochbearbeitung sind sehr umfangreich. Im Folgenden wird die Entsprechung in der Nachbearbeitung anhand der Parametereinstellungen für den Bohrzyklus der beiden Softwareprogramme am Beispiel von DEEPHOLE erläutert. 3.1 Werkzeugwegdateiformat, generiert durch den DRILLDEEP-Prozess von UGⅡ: CYCLE/DRILL, DEEP, STEP[,data[,data……]], DWELL[,data], RAPTO[,data], FEDTO[,data], CAM[,data], RTRCTO[,data], MMPM[,data], OPTION. Die wichtigsten Parameter sind: DEEP – Bohrlochtiefe; STEP[,data[,data……]] – jeweils erreichte Bohrlochtiefe; DWELL[,data] – Verweilzeit am Bohrlochgrund; RAPTO[,data] – Sicherheitsabstand; FEDTO[,data] – Bohrtiefe; RTRCTO[,data] – Rückzugsweg; MMPM[,data] – Bohrgeschwindigkeit. 3.2 Werkzeugwegdateiformat, generiert durch die DEEPHL-Prozedur von CATIA. Zyklusanweisungsformat: CYCLE/DEEPHL, %MFG_TOTAL_DEPTH, %MFG_CLEAR_TIP, %MFG_PLUNGE_VAL, %MFG_DWELL_TIME, %MFG_OFFSET_RET, %MFG_FEED_MACH, %MFG_SPNDL_MACH, %MFG_PLUNGE_VAL, %MFG_DEPTH_DEC. Die wichtigsten Parameter sind: MFG_TOTAL_DEPTH – Gesamttiefe; MFG_CLEAR_TIP – Sicherheitsabstand; MFG_PLUNGE_VAL – Anfangsbohrtiefe; MFG_DWELL_TIME – Verweilzeit nach Erreichen des Bohrlochgrundes; MFG_OFFSET_RET – Rückzugsweg des Bohrers; MFG_FEED_MACH – Bohrgeschwindigkeit; MFG_SPNDL_MACH – Drehzahl der Bohrspindel; MFG_PLUNGE_VAL – Anfangsbohrtiefe; MFG_DEPTH_DEC – Reduzierung der Bohrtiefe. Die Zuordnung der einzelnen Parameter zu CYCLE83 erfolgt anhand ihrer jeweiligen Bedeutung. Bei der Drei-Achs-Bearbeitung entsprechen die Parameter der Werkzeugwegdatei direkt den Parametern des CNC-Programms. Die Transformationsbeziehung ist in Tabelle 1 dargestellt. Die vom UG-System generierten Werkzeugwegdateien werden gemäß dieser Transformationsmethode nachbearbeitet. Die Ergebnisse sind wie folgt (die Nachbearbeitungsergebnisse von CATIA-Werkzeugwegdateien sind ähnlich): UG CLS-Datei: CYCLE/DRILL, DEEP, STEP, 50.0000, 20.0000, 10.0000, DWELL, 2.00, RAPTO, 6.0000, FEDTO, -80.0000, CAM, 2, RTRCTO, 5.0000, MMPM, 250.0000. OPTION LACKIERUNG/FARBE, 3 GOTO/80.0000, 20.0000, 100.0000, 0.0000000, 0.0000000, 1.0000000 Ergebnis der Nachbearbeitung: N50 C1 X80.000 Y20.000 Z105.000 N51 CYCLE83(105.000, 100.000, 20.000, 50.000, 10.000, 2.000, 0.014, 1) Bei der Bearbeitung eines Lochsystems mit beliebigen Löchern im Raum wird ein Fünf-Achs-Verfahren angewendet. Im Zyklusbefehl für die Lochbearbeitung des Systems 840D werden die Lochtiefe und die Lochposition in Werkzeugachsenrichtung durch die ersten fünf Parameter vorgegeben. Das einfachste Beispiel ist CYCLE81(RTP, RFP, SDIS, DP, DPR). Diese fünf Werte beziehen sich ausschließlich auf die axialen Parameter der Bohrung. Bei der Fünf-Achs-Bearbeitung von Bohrungen mit dem 840D-System erfolgt die Positionierung der X-, Y- und Z-Achse über den Befehl TRAORI zur automatischen Nachführung. Die zyklische axiale Positionierung der Bohrung kann nicht direkt über die räumlichen Koordinaten des Bohrungsmittelpunkts gesteuert werden. Daher muss das Bearbeitungskoordinatensystem in der Nachbearbeitung in ein Koordinatensystem transformiert werden, in dem die Werkzeugachsenrichtung und die Achse des Bohrungsmittelpunkts übereinstimmen. Diese Koordinatentransformation muss während der Bearbeitung angegeben werden. Der Befehl zur Angabe des Spindelrichtungskoordinatensystems im 840D-System lautet TOFRAME. Am Beispiel der Werkzeugmaschine UniSpeed3 sind die Drehachsen der Maschine die B- und C-Achse. Die Formel zur Berechnung ihres Drehwinkels lautet wie folgt: Unter Berücksichtigung des positiven β-Winkelbereichs gemäß der Maschinenstruktur: Nach der Ausführung von TOFRAME ignoriert das Steuerungssystem die Drehung der C-Achse. Die Spindelrichtung nach der Drehung der B-Achse dient als Z-Koordinate, die Y-Koordinate bleibt unverändert, und die X-Koordinate ergibt sich aus der YZ-Koordinate in einem rechtshändigen Koordinatensystem. Wie in Abbildung 2 dargestellt, entsprechen die Werte der Werkzeugachsenrichtung in Tabelle 1 dem Z′-Wert in der Abbildung. Die entsprechende Koordinatentransformationsbeziehung ist wie folgt: Abbildung 2. Am Beispiel eines CATIA-Werkzeugwegs sieht das Ergebnis der Nachbearbeitung basierend auf den transformierten Koordinatenwerten wie folgt aus: CATIA-Werkzeugwegdatei: CYCLE/DEEPHL, 15.00000, 20.00000, .00000, .08333, 1.30000, 500.00000, 5.00000, 1.00000 GOTO/15.00000, 55.98076, 15.00000, 258819, .965926PT CYCLE/OFF Ergebnis der Nachbearbeitung: X15.000Y55.644216.256B-15.000C90.000 TOFRAME (Spindelrichtungskoordinatensystem aktiviert) CYCLE83(11.907, 10.607, 20.000, , 15.000, , 5.000, 1.000, 0.083, , 1, 1) TRAFOOF (Alle Koordinatentransformationen deaktivieren). Nach Anwendung dieser Bearbeitungsmethode kann die Mehrkoordinaten-Bohrlochbearbeitung mit der Punkt-zu-Punkt-Programmiermethode von UG oder CASA durchgeführt werden. Das Bohrlochbearbeitungsprogramm kann direkt nachbearbeitet werden, um das Bearbeitungsprogramm für die Steuerung zu generieren. Da die Bohrtiefenparameter im Bohrzyklusbefehl des 840D-Systems in CYCLE angegeben werden, müssen bei einer Änderung der Mittelachsenrichtung des Bohrsystems die Bohrlochposition und -richtung sequenziell für die Bearbeitung angegeben werden. Das Lochsystem wird wie folgt bearbeitet: ... N50 TRAORI(2) N51 G54G17 N52 G1X15.000Y55.644216.256B15.000C90.000 N53 TOFRAME N54 CYCLE83 (11.907, 10.607, 15.000, 0.000, 0.000, 0.083, 1, 1) N55 TRAFOOF N56TRAORI(2) N57 C1X25.000Y55.981225.000B30.000N58 CYCLE83 (-5.000, -25.000, 1.300, -40.000, 0.000, 0.000, 0.083, 0,006, 1) N59 TRAFOOF 4 Fazit Das mit der oben genannten Nachbearbeitungsmethode erstellte Fünf-Achs-Lochbearbeitungsprogramm kann direkt auf Werkzeugmaschinen des Systems 840D eingesetzt werden. Das Programm wurde erfolgreich auf den Werkzeugmaschinen UniSpeed3 und SAJ012000P (AB-Achsen-Oszillation) getestet. Die Nachbearbeitungsmethode hat sich bei der Anwendung der Fünf-Achs-Lochbearbeitung bewährt und die Programmiereffizienz verbessert. Durch die Kombination von UG- und CATIA-Programmierung sowie Werkzeugwegprüfung lassen sich Kollisionen während der Bearbeitung vermeiden. Die Nachbearbeitungsmethode wurde in die für die Xi'an Aircraft Industry Corporation entwickelte Nachbearbeitungssoftware für das Fünf-Achs-CNC-Bearbeitungszentrum UNISPEED3 integriert, und die Software arbeitet derzeit einwandfrei.