Tartalomjegyzék 1. Alkatrészek dokumentálása számítástechnikai eszközökkel... 3 1.1. Az alkatrészt leíró geometriai modellek... 3 1.2. Síkbeli geometriai alakzatok leírása... 5 1.3. Felületek leírása... 8 1.4. Felületek származtatása... 10 1.5. Gépészeti objektumok modellezése... 19 1.5.1. Az alaksajátosságok geometriai szemlélető értelmezése... 19 1.5.2. Az alaksajátosságok szemantikai szemlélető értelmezése... 19 1.6 A gyártási folyamat tervezési szintjei... 22 Jegyzet tervezet Összeállította: Dr. Boza Pál fıiskolai tanár 2009
Bevezetés A mőszaki tervezésben, a gyártás elıkészítésben és lebonyolításában már évtizedek óta jelentıs szerepe van az informatikának. Ennek megfelelıen a mőszaki tervezés (CAD- Computer Aided Design) mellett a számítógéppel segített folyamattervezés (CAPP- Computer Aided Process Planning) és a számítógéppel segített gyártás (CAM- Computer Aided Manufacturing) egyaránt fontossá vált. A szakirodalom gyakran a számítógéppel segített mérnöki tevékenység, azaz a CAE (Computer Aided Engineering) kifejezést használja a fentiek összefoglalására. A számítógéppel segített tervezés és gyártás együttesét gyakran nevezik a számítógéppel integrált gyártásnak (CIM- Computer Integrated Manufacturing). A CAD/CAM volt a kiindulása az összes többi CAxx technikának, ami többek között számítógéppel segített minıségbiztosítást, tesztelést, karbantartást, dokumentálást, szervízelést stb. jelent. Ez a folyamat vezetett a ma már világszerte elfogadott életciklusra tervezéshez (Life-Cycle Engineering), a konkurens terméktervezéshez (Concurrent Engineering) elterjedéshez. Az elmúlt években egyre fontosabbá vált az újratervezés (Re-Engineering), vagy visszamenıleges tervezés a Reverse Engineering, amikor egy kész alkatrészbıl (termékbıl) mérésekkel indulva készül el annak számítógépes modellje és az összes CAxx megoldása a késıbbi reprodukálhatóság és dokumentáltság érdekében. A legutóbbi évek CAD/CAM erıfeszítéseit a modellezés és a szabványosítás jellemezte, jellemzi. Ennek megfelelıen kialakultak az egyes rendszerek közötti adatcsere nemzetközi szabványai (pl. DXF, IGES), illetve a már ezeknél komplettebb termékleíró szabványok (pl. STEP). A termékmodell mellett egyre nagyobb szerepe van a szabványos termelésmodellnek, gyár és vállalatmodellnek. Egy erre a célra létrehozott IFAC/IFIP Task Force évek óta sikeresen foglalkozik vállalatmodellek egységesítésével és egy európai uniós konzorcium CIM-OSA modell van kialakulóban. A mesterséges intelligencia (Artificial Intelligence) különbözı módszerei, eszközei sem kerülték el a CAD/CAM területét, elsısorban a szakértı és tudásbázisú rendszereknek a felhasználása segítet a tervezés és gyártás különbözı szegmensein. Ma már CAD/CAM programból óriási választék van. Becslések szerint több százra tehetı számuk, létezik és nehéz is eligazodni közöttük. A CAD/CAM rendszerek címő tárgy alapvetı célja, hogy a hallgatók megismerjék az alakmodellezésen és az alaksajátosságokon alapuló gyártástervezés folyamatát.
1. Alkatrészek dokumentálása számítástechnikai eszközökkel A gyártmány dokumentálásának hagyományos, sok évszázados eszközei a mőszaki rajz és a mőszaki elıírások. A mőhelyrajzokkal a gyártásra elıkészített alkatrészeket, az összeállítási rajzokkal, a részegységeket és az összeszerelt végtermékeket dokumentálták. A hagyományos mőszaki rajz legnagyobb hátránya, hogy kétdimenziós, míg a termék háromdimenziós. A sok nézet, metszet, kinagyított részlet bonyolult alkatrész esetében nehezen értelmezhetı, ezért egy háromdimenziós test nehezen rekonstruálható. A másik problémát az analitikusan nem leírható felületek okozzák: ezek meghatározása a rajzon hiányos, pontatlan, s így az alkatrész végsı alakja sem lesz tökéletes. A CNC vezérlés szükségszerővé tette a felületek egzakt leírását, hiszen a szerszámpályák tervezése e nélkül lehetetlen, az informatika viszont lehetıvé tette a felületek szabatos leírását. Kialakult a számítógépes geometriai modellezés, amely grafikával párosítva látványos eredményeket ért el: az alkatrészek tervezésében, legalábbis geometriai értelemben. Az alkatrészek technológiai attribútumainak dokumentálása ma még nem tökéletes, de a termékmodellezésnek nevezett új tudományterület egyre jobb eredményeket produkál a teljes termék leírásában is. Mindenesetre leszögezhetjük, hogy a gépipari termékek mőszaki dokumentálásának nélkülözhetetlen eszköze a számítógép, amellyel egy termékmodell, vagy egy hagyományos mőszaki rajz is leképezhetı. A termékmodelltıl természetszerőleg elvárjuk, hogy a gyártmányt minden részletében és egészében is leírja. Pontokból, egyenesekbıl, görbékbıl felületet, felületekbıl alkatrészeket, alkatrészekbıl részegységeket, azokból pedig magasabb rendő részegységeket generáljon. 1.1. Az alkatrészt leíró geometriai modellek A gépészet területén a mérnöki munka középpontjában az alaktervezés van. Az objektumok alakját különféle szempontok alapján határozhatjuk meg. Legfontosabbak a funkcionális, a szilárdsági, esztétikai és gyártási szempontok. Az alábbiakban a geometriai modellezésnek a technológiai tervezést legjobban érintı alapjaival fogunk megismerkedni. A geometriai modell építés során egy fizikai objektum alakjának komplett, vagy legalábbis a felhasználás igényeit kielégítı matematikai leírását hozzuk létre. A geometriai modellt a modelltérben két vagy három dimenzióban ábrázolhatjuk. A modell geometriai és topológiai entitásokat is tartalmazhat. A geometriai entitások az alakot írják le a geometria eszközeivel. A geometriai entitások csoportjait a pontok, a vonalak, a felületek és a testek képezik. A geometria alapvetıen analitikus és szabadformátumú görbékre és testekre alapoz. Az analitikus görbék és felületek egyszerő matematikai függvényekkel leírhatók. A szabadformátumú görbék és felületek viszont csak interpolációs vagy közelítı függvényekkel kezelhetık. Ezek a függvények a gépészeti tervezırendszerek jelenlegi gyakorlatában polinomok, miután a matematikai függvényeknek ez az osztálya a legalkalmasabb erre a célra. A fejlett polinomokkal nem csak szabadformátumú, de analitikus geometriai elemek is leírhatók, így a geometriai teljesen egységes matematikai háttérrel kezelhetı. Az alkatrészek geometria modellezéséhez használandó CAD rendszerekkel kapcsolatos elvárások: A rendszer többféle modellezési módszer alkalmazására legyen képes. Feature orientáltság, parametrikusság. Széleskörő asszociativitás. Interface eszközök sokszínősége. Rendelkezzen moduláris struktúrával, testreszabhatósággal (API eszközök). Könnyő kezelhetıség, tanulhatóság.
A geometriai modelleket az alábbiak szerint csoportosíthatjuk (1. ábra). Geometriai modellek 2D-s ábrázolások Egyenes Analitikus görbék Szabadformátumú görbék 3D-s ábrázolások Görbe Drótváz Felület Test Analitikus Szabadformátumú Sík, tabulált felület Vonalfelület Forgásfelület Szabadformátumú felület Héj Volumetrikus 1. ábra. Geometriai modellek csoportosítása Az alkatrészmodell elemeit három részre bonthatjuk: Technológiai modellre: Méret, tőrés (szerszámgép hibák stb.) Felületi érdesség (élgeometria, rezgések ) Hullámosság (deformáció, lengések ) Alakeltérések (egyenesség, síklapúság ) Irányhiba (párhuzamosság, merılegesség, szöghiba ) Pozíció (koncentrikusság, egytengelyőség ) Ütés (radiális, axiális ) Anyagmodellre: Keménység, szilárdság, ütımunka, rugalmassági modulus, Poison tényezı, stb. Geometriai modellre: Drótváz (huzalváz), test, felület, features (alaksajátosság). A mai tervezı szoftverekkel az alábbi három jellegzetes modellezési eljárást könnyen meg tudjuk valósítani: a drótvázas modellezést, a test- és a felület-modellezést, illetve alkalmazzák ezek kombinációit is. Drótvázas modell A drótváz (Wireframe) lineáris transzformációval származtatott, térhatású, térbeli ábra.
A módszer lényege, hogy megtervezik az alkatrész-élek drótvázát és a vázra síkokat feszítenek. Az eljárás elınye: az eltolással kapott alkotók valós rajzelemek, gyors megvalósítás, kis helyigény, a módszer és a modell egyszerő. Hátránya hogy görbült felületeket nem tud kezelni, ezért a görbült felületeket is síkokkal közelíti (pl. henger helyett sokszögő hasábokat épít). Az eljárás másik hátránya, hogy összetett alkatrészek nehezen építhetık. További hátrány a linearitás (szögletesség), nem igazi 3D modell, értelmezése nem egyértelmő, csak közbensı állapotot jelent a modellezés folyamán. Testmodell Az alkatrészt valós testként kezeli, egyszerő testekbıl építkezik halmazmőveletek segítségével. A testmodellezı (solid modelling) rendszerek belsı ábrázolására leggyakrabban a testet határoló elemeket (felületek, élek, csúcsok) használják. Halmazmőveletek során új elemek képzıdnek, régiek eltőnnek, vagy módosulnak. A méretvezérelt (dimension driven) testmodellezı rendszerek kényelmesek, mert könnyen módosíthatja a definiált alakzat méreteit. A henger, pl. ebben az ábrázolási módban úgy képzıdik, hogy a fél metszetet elforgatjuk a középvonal körül. Felületmodell Jelenleg a legáltalánosabban elterjedt modellezési technika. Sík - és térbeli megjelenítési formája létezik. Térbeli alkatrészek esetében - ahol lehet - a három dimenziót kettıre redukálják az egyszerősítés kedvéért. Kézenfekvı, hogy forgástestek esetében a forgásszimmetria adta lehetıségeket ki tudjuk használni. Felületmodell: az alkatrészt a tökéletesen alakhő burkoló felületével modellezi, a felületek közötti anyagrészek viszont üres térként vannak értelmezve. Felületmodell készíthetı, pl. drótváz-takarással, vagy generatív úton. 1.2. Síkbeli geometriai alakzatok leírása A 3D-e ábrázolás mellett a 2D-s entitásokra is szükség van, például metszetek bemutatására, vagy szerszámutak tervezéséhez. A síkbeli geometriai alakzatok egyeneseket, analitikus és szabadformátumú görbéket tartalmaz. Az analitikus görbék a kör, az ellipszis, a hiperbola és a parabola. A szabadformátumú görbék meghatározott pontok interpolációjával vagy közelítésével jönnek létre. Az interpolációval elıállított görbék átmennek a pontokon, amíg a közelítı görbék elıállításánál nem a pontokon való áthaladás, hanem a harmonikus görbe létrehozása a cél. A nem szabványos rajzelemek sík- (stringek), illetve térgörbék (splinok) lehetnek. String: egyenes szakaszokból álló, a pontokat adott sorrendben összekötı szakaszos térgörbe (2. ábra). Megjegyzés: Smooth utasítással spline-nal közelíthetı. 2. ábra String A térben megadott pontok sorozatára illeszkedı görbe a spline. A pontokat amelyeken a spline áthalad a spline kontrollpontjainak nevezzük (3. ábra).
3. ábra. Spline kiválasztott kontrolpontokkal A görbéket leíró függvényeket polinomoknak nevezzük. A polinom minden tartóponton átmenı, folytonos, töréspont nélküli görbe, kezdı- és végpontjában nincsenek definiált csatlakozási feltételek (természetes csatlakozás 4. ábra). 4. ábra. Polinom A spline létrehozása és értelmezése SURFCAM-ben az alábbiak szerint történik. Minden egyes kontrollponthoz hozzárendel egy érintıvektort és a vektor a kontrollpontbeli érintését jelöli, illetve szabályozza. Az érintıvektor hosszával manipulálható a kontrollpont közelében lévı görbület (5. ábra). 5. ábra. Érintési vektorok az érintési pontokban Az építkezés alapkövei tehát a pont, az egyenes, a szabályos pontmintázat, az analitikus görbék (kör, parabola, stb.) és a nem analitikus görbék. A továbbiakban a nem analitikus görbék leírásával foglalkozunk. A nem analitikus görbéket a síkban pontok (P k (x k ; y k )) sorozatával írjuk le. A geometriából ismert (Newton, Lagrange) görbeillesztı eljárások mellett a mérnöki gyakorlatban a másodvagy harmadfokú görbékkel operáló közelítı eljárások terjedtek el (Bézier-spline, vagy B- spline). Bézier-görbe: kontrolpontok által meghatározott, minimum harmadfokú, parametrikus, folyamatos görbe, kezdı- és végpontja érintılegesen fut a kontrolpontok által meghatározott poligonhoz (6. ábra):
Q( u) B B B B 0,3 1,3 2,3 3,3 3 = i= 0 ( u) = (1 u) ( u) = 3u(1 u) ( u) = 3u ( u) = u P B ( u) (1 u) Ahol 0 u 1 3 i 2 i 3 2 6. ábra. Harmadfokú Bézier görbe, négy kontrolponttal A Bézier-spline fokszáma eggyel kisebb, mint a kontrolpontok száma, ezért minimum négy kontrolpont szükséges egy harmadfokú Bézier- spline ábrázolásához. A Bézier- görbék hátránya, hogy fokszáma függ a kontrolpontok számától, elınye hogy érintıleges csatlakozást biztosít. Megjegyzés: M. Pierre BEZIER a Renault gyárában volt tervezı. Elképzelését a karosszéria elemek szerszámának tervezése során próbálta ki. Ezzel a technikával a világon elsıként generált CNC programot számítástechnika eszközök felhasználásával az 1960-as évek elején. Módszerét, a napjainkban használt CAM programok is alkalmazzák. Az utóbbi idıben terjedt el a nem egyenletes spline görbék (Non Uniform Rational B-Spline, NURBS) alkalmazása, amelyek sajátossága, hogy az u paraméter lépcsızésének finomsága függ a két középsı pont egymástól mért távolságától. A paraméter az ívhossz mentén tetszılegesen változtatható, ezért a NURB- Spline rugalmasabb, jobban közelíti a kontrolpontok által alkotott poligont (7. ábra). 7. ábra Non Uniform Rational B-Spline A Bézier-görbék esetében a kontrolpontok mozgatása a görbére nézve globálisan hat, míg a B-spline esetében a változás hatása lokális, mert a B-spline több Bézier-görbét tartalmaz és a változás csak egy Bézier-görbét érint. Ennek eredményeként a NURBS felületek, alkotója lokálisan, de ugyanakkor az egész felületre vonatkozóan folytonosan változtatható. A Béziergörbék hátrányát küszöböli ki és az elınyét használja fel az úgynevezett B-spline görbe. B- spline: harmadfokú Bézier-görbékbıl összefőzött folyamatos görbe. Az összefőzött Bézier-görbék érintılegesen folytonosak. Többek között ezzel magyarázható, hogy a splineokból álló szabad felületek tökéletesen simulnak egymáshoz (pl gépkocsi karosszériaelemek).
1.3. Felületek leírása A felületmodellezés elınyei: az alkatrész alakjának, teljes "kubatúrájának" tökéletes modellezése. Felhasználási terület: CNC mozgáspálya generálás, modellkészítés a numerikus analízis számára, árnyékolt 3D megjelenítés, látványterv készítés, minıségellenırzés. A gépipari alkatrészeket határoló analitikus felületek pontos leírása nem okoz problémát (gömb, henger, kúp, gúla stb.). Nem szokványos viszont a bonyolult, nem analitikus, szabad formátumú felületek leírása. Három csoportot különböztethetünk meg, illetve ezek kombinációiról beszélhetünk: transzlációs felületek, vonalfelületek, és szoborfelületek. A transzlációs felületek leggyakrabban az állandó öntési és kovácsolási szöggel jellemzett szerszámokon és alkatrészeken, vagy tömbszerő formából kimunkálandó zsebeken fordulnak elı. Úgy alakulnak ki, hogy a (rendszerint síkbeli) nyitott vagy zárt D direktrix egyenes (görbe) mentén a G generátor görbe (egyenes) úgy mozdul el, hogy általános kúpvagy hengeralkotóként viselkedik, vagy hajlásszögét meghatározott módon változtatja (8. ábra). A görbék és csatlakozási pontjuk, valamint a képzıdı felület pontjai pontosan meghatározhatók. Direktrix Generátor Generátor Direktrix 8. ábra. Transzlációs felület létrehozása 9. ábra. A kocka elıállítása lélélétkontrolpontokkalkontrolpontokka kontrolpontokkalkontrolpon A gyakorlat bebizonyította, hogy célszerő az analitikus felületeket is (kocka, gömb stb.) transzlációs felületként generálni (9. ábra). Ezt az eljárást tabulálásnak is nevezik. Iránygörbe Direktrix Generátor 10. ábra. Vonalfelület generálása
A vonalfelületek az áramlástani gépek (turbinák, kompresszorok) aktív elemei lehetnek. Úgy jönnek létre, hogy a generátort nemcsak a direktrix mentén mozgatom, hanem az iránygörbe a keresztmetszet elfordulását, billenését is biztosítja (10. ábra). Lehetıség van felületet különbözı keresztmetszetek segítségével generálni. A direktrix általában több szakaszból áll, de az elemi szakaszok mindig közelíthetık körívvel vagy egyenessel. Így elegendı ezeknek az alapelemeknek a kombinációira kidolgozni a megoldást. A 11. ábrán erre láthatunk példát. Iránygörbe Vezérgörbe 11. ábra. Keresztmetszetek keverésével létrehozott felület Forgásfelületek leképezése egy generáló-görbe adott tengelykörüli forgatásával állítható elı (12. ábra). A generáló-görbe és vezérgörbe alakjától, bonyolultságától valamint mozgatásától összetett felületek állíthatók elı (13. ábra). Az eljárás jelentısége, hogy a generáló-görbe közvetlenül szolgáltatja a lehetséges szerszámpályákat. Ugyanakkor a generálási mód egyértelmő utalást adhat a felület gépi megmunkálással történı elıállításakor alkalmazható gyártástechnológiai eljárásokra, módokra. A korszerő CAM szoftverek a generálás befejezése után tanácsot adnak a szerszám mozgatásának irányára. 12. ábra. Forgásfelületek leképezése transzlációval
13. ábra. Legáltalánosabb felület leképezése transzlációval Szoborfelületek (sculptured surfaces), vagy más néven szabad formájú (free form surfaces) felületekrıl akkor beszélhetünk, amikor a felület sem analitikusan, sem görbék egymáson való mozgásával nem írható le. A gépgyártásban szoborszerő felületek akkor fordulhatnak elı, ha a formatervezı például a légellenállás csökkentés miatt, valamilyen alkatrészen (gépkocsi karosszéria, repülıgép sárkány és szárny stb.) különleges formákat alkot. A szoborszerő felületek leírására alapvetıen két irányzat alakult ki. Az egyik a Bézier és a B-spline görbékbıl kifejlesztett Bézier és a B-spline felületek, amelyek a görbe kontroll poligonjainak analógiájaként kontrollháló segítségével definiálhatók. Ezek a felületek nem mennek át a kontrollpontokon legalábbis nem mindegyiken -, ezért approximációs felületnek is szokták nevezni ıket. A másik megközelítés, hogy a modellezendı felületen egy görbehálózatot veszünk fel, és ezt töltjük ki. Az így kapott felület illeszkedik az adott görbékre, ezért ezeket interpoláló felületeknek, foltoknak is szokták nevezni. Mindkét módszert az autótervezésben fejlesztették ki: P. Bézier (Renault), P. de Casteljau (Citroën), S. A: Coons (Ford) és W. Gordon (General Motors). 1.4. Felületek származtatása 1.4.1 Síkbeli geometriai alakzatok leírása A pont és az egyenes, a szabályos pontmintázat, az analitikus görbék (kör, parabola stb.) és a nem analitikus körbék építkezhetünk. Problémát csak a nem analitikus görbék jelentenek. A nem analitikus görbéket a síkban pontok (P k (x k ; y k )) sorozatával írjuk le (14. ábra). P i-1 P i u P i+1 P i+2 14. ábra. Síkbeli görbék leírása
A geometriából ismert hagyományos (Newton Lagrange) görbeillesztı eljárások mellett a mérnöki munkában a másod vagy harmadfokú görbékkel operáló közelítı eljárások (B spline, Bezier spline) terjedtek el. Ezek közös sajátossága, hogy négy pont koordinátáit különbözı súlyokkal figyelembe véve a két középsı pont közé illesztenek approximációs vagy interpolációs görbét. A spline technika: a Pi és Pi+1 pontok közé úgy illesztünk görbét, hogy a Pi-1, Pi, Pi+1 és Pi+2 pontok koordinátáit különbözı súlyokkal vesszük figyelembe: i 2 + S k k = i 1 A súlyfüggvény összege: Ha bevezetjük az u paramétert, amelynek értéke tetszıleges lépcsızéssel 0 -tól 1 -ig növekszik a Pi, Pi+1 pontig haladva a súlyfüggvények a figyelembe vett pontokra: 1 S i u 6 ( ) 3 A körbe pontjainak koordinátái az alábbi összefüggéssel határozhatjuk meg: Az utóbbi években terjedt el a nem egyenletes spline görbék (Non Uniform Rational B Spline, NURBS) alkalmazása, amelyek sajátossága, hogy az u paraméter lépcsızésének finomsága függ a két középsı pont egymástól mért távolságától. 1.4.2 Térbeli geometriai alakzatok leírása Egy 3D-s alak ábrázolásának legegyszerőbb módja, ha az éleket megfelelı vonalak és görbék sorozata alkotja. Ez a huzalváz geometria, (drótváz) amely nem ad információt sem a felületrıl, sem a b 1 (v) testszerőségrıl, így nem is egyértelmő a 2 (u) az ábrázolás ezzel a technikával. A huzalváz modell egyszerőbb alakzatok megmunkálásának tervezéséhez alkalmas, amikor a szerszámot csak az élek mentén, vagy az élek által közrefogott síkon kell vezetni. Coons-folt: A Coons- foltok definiálásánál két, egymást páronként a 1 (u) b 2 (v) metszı görbepárból, vagyis egy 15. ábra. Vonalfelület értelmezése = 1 3 2 1 = 1 S = ( 3u 6u + 4) 3 i 6 3 [ 3( 1 u) + 6( 1 ) 4] 1 2 3 S i + 1 = u + Si + 2 = G 1 6 2 ( ) + u = k = i i 1 S k P 1 u 6
görbeoldalú térbeli négyszögbıl indulunk ki (15. ábra). Erre a négyszögre illesztünk egy felületet. Ha adottak egymást páronként metszı görbepárok a térben: az a 1 (u), a 2 (u) és b 1 (v), b 2 (v) térgörbék, ahol u, v Є [0,1] és keresünk egy olyan s(u,v) felületet, ahol u, v Є [0,1], amelyre teljesül az hogy, s(u, 0) = a 1 (u) s(u, 1) = a 2 (u) s(0, v) = b 1 (v) s(1, v) = b 2 (v) Egy Coons-folt felület egymáshoz csatlakozó egyedi Coons-foltokból épül fel (16. ábra). Egy Coons-folt létrehozható a keresztmetszetek sorozatából vagy hálójából. A matematikai egyszerőségük következtében a Coons-foltok a leggyakrabban használtak a CAD/CAM rendszerekben. A javasolt megmunkálási irányt a vezérlés automatikusan felkínálja 16. ábra. Súlyozott Coons-folt A gyakorlatban egy bonyolultabb felületet nem lehet egyetlen folttal leírni, hanem ilyenkor egymáshoz kapcsolódó foltok hálójával lehetséges létrehozni a felületet. A SURFCAM-ben Edge Tangency opcióval kiválasztott felületeket a szélek mentén összekapcsolhatunk különbözı módon (17. ábra). 17. ábra. Két felület összekapcsolása Tangency opcióval Bézier-foltok a kontrollpontok hálójával határozhatók meg. A 18 ábrán egy kontrollpontok sorozata által meghatározott felület létrehozását mutatjuk be. Ebben az esetben a kiválasztott pontok a felület kontrollpontjai lesznek. Ez elıny, mivel a felület esztétikai szempontból történı változtatása rendkívül egyszerő a kontrollpontok mozgatásával.
18. ábra. Kontrollpontok sorozatával létrehozott felület 19. ábrán egy kontrollpontok interpolációjával létrehozott felületet mutatunk be. Ebben az esetben egy a kiválasztott pontokat interpoláló harmadrendő felületet kapunk. 19. ábra. Kontrollpontok interpolációjával létrehozott felület 20. ábrán egy szakasz-háló által meghatározott felületet mutatunk be. A szakasz-hálót a SURFCAM-be háromféle képen is betölthetjük: digitalizált adatokat tartalmazó fájból, DXF formátumban, egy másik CAD/CAM rendszerrel létrehozott IGES opcióval. 20. ábra. Szakasz-háló által meghatározott felület létrehozása A Bézier felület tulajdonképpen egy sima keverése a kontrollpontok hálója által létrehozott összes csatlakozó szakasznak vagy lapnak. A folt csak a folt sarkaiban elhelyezkedı kontrollpontokon halad át, a felület többi részének alakját a többi kontrollpont befolyásolja.
Valamely kontrollpont elmozdítása a teljes felület abban az irányban való elmozdulását eredményezi (lásd 21. ábra). 21. ábra. Az egyik kontrollpont elmozdításával megváltozik a felület A Coons-folt felületekhez hasonlóan a Bézier felületek egymáshoz simán csatlakozó egyedi Bézier-foltokból állnak. B-spline felületek biztosítják azt a sokoldalúságot, amely nem található meg az elızı felület típusoknál. A B-spline görbe esetében négy szomszédos pont koordinátáit figyelembe véve a két középsı pont közé illesztettük a görbét. Felületet értelemszerően a "lepedı" 4x4, azaz 16 szomszédos pontjának adatait felhasználva a középsı 4 pont által határolt foltra simítjuk (lásd 22. ábra). A síkgörbéknél már megismert módszerrel definiálhatjuk a w r r r G1 ( u), G2 ( u), G3 ( u), ésg4 ( u) görbéket. A másik irányba bevezetjük a v paramétert és az s k (v) súlyfüggvényeket. A F(u,v) felület P k pontjának x k, y k, z k koordinátáit az az, az: n m F ( u, v) = s ( u) s ( v) P i = 0 j = 0 F ( u, v) = G1 ( u) s1( v) + G2 ( u) s2 ( v) + G3( u) s3( v) + G4 ( u) s4( v) összefüggés alapján számíthatjuk. A szerszámtengely helyzetének meghatározásához a felület normálisát az: n F = u F X v összefüggés alapján számíthatjuk, ahol a szerszámtengely helyzete lehet merıleges az érintısíkra, párhuzamos az érintısíkkal, illetve v adott szöget zárhat be azzal. A felületelemekhez tartozó normális kiszámítása, értelmezése több tengelyő megmunkálás során fontos, 22. ábra. Felületdarabok leírása mivel a szerszám tengelyvonala és a normális között értelmezett α szög állandó értéken történı tartása biztosítja a kedvezı felületi minıséget. u n i j ij F (u;v)
NURBS felületek a kontrollpontok súlyozásával továbbihatást gyakorol a felület alakjára. Ezt úgy képzelhetjük el, mintha a kontrollpont és a felület között egy rugó lenne, és lehetıségünk volna a rugó erejének meghatározására. Ez az amiért a NURBS matematika pontosan definiálni tudja a geometriai primitíveket. A NURBS felületek alkalmazásának gyakorlati haszna, hogy megszőnik a CAD/CAM rendszerek közötti különbözı geometria típusok átvitelének problematikája. 1.4.3. Többtengelyes megmunkálások értelmezése (3D,-4D,-5D) A függvénykapcsolattal egyidejőleg vezérelhetı tengelyek száma szerint megkülönböztetünk 2D-, 3D-, 4D- stb. vezérlést ( D Direction = irány). Azokat a pályavezérléseket nevezzük 2,5 D (ún. két és fél dimenziós ) vezérlésnek, amelyekben az interpoláció egymás után átkapcsolható a mindenkori két-két fıtengelybıl képzett síkba, vagyis egyidejőleg két tengely mentén folyik a megmunkálás, a harmadik tengely mentén csak fogásvétel van. Ahány tengelyt kívánunk egyidejőleg mozgatni, annyi dimenziós pályavezérlésrıl beszélünk (D= Direction). Ilyenkor a dimenziószám az eredı sebességvektor komponenseinek a számával azonos. Háromtengelyes maráskor a gömbvégő hengeres marónak az S pontja cikcakkban vagy meander alakban is mozoghat a kedvezı felületi minıség elérése érdekében. A megmunkálás során a szerszám és a munkadarab érintkezési pontja vándorol a szerszám felületén, ezért amikor az érintkezési pont a szerszám tengelyén vagy annak közelében van, a forgácsolási sebesség nullára is lecsökkenhet, aminek következtében a gyártott felület minısége romlik. A probléma öttengelyes megmunkálás alkalmazásával oldható fel. A 23. ábrán az S pont a gömbvégő maró sugarának középpontja. Ez írja le P (t) görbét, ami párhuzamos a munkadarab felszínével P(t). A P (t) ekvidisztáns görbe a következıképpen számítható:, ( t) = P( t) R P + n α Szerszám dp/dt A munkadarab felszíne P (t) R P a S P(t) 23. ábra. A felületi normális n r és az α szög értelmezése
Legyen a munkadarab felszíne P(t) görbe, amely helyettesíthetı egy Bézier-görbével vagy B- spline görbével, és jelöljük a szerszám tengelye és a P pontba húzott felületi normális által bezárt szöget α -val. Háromtengelyes megmunkáláskor a P pont helyzete változik, ha közeledik a szerszám tengelyéhez, akkor az a távolság és az α szög egyre kisebb lesz, illetve fordítva. Természetesen az α szög csak 90 -nál kisebb lehet. A probléma kiküszöbölésére fejlesztették ki a négy-, öttengelyes vezérléseket, ahol a szerszámtengely helyzete tetszés szerint változtatható a felületi normálisához képest, illetve ha α = állandó a forgácsolási sebesség a megmunkálás során szintén álladó marad. Az öttengelyes marógép úgy jön létre, hogy az X, Y, és Z lineáris tengelyekkel egyidejőleg két rotációs tengely is mozog megmunkálás közben. A rotációs mozgásokat CNC körasztal, vagy billenı fıorsó valósítja meg. A rotációs mozgás célja, hogy a munkadarab felületi normálisához viszonyított szerszámtengelyhelyzet állandó legyen: párhuzamos, merıleges vagy állandó szöget zárjon be. Az öttengelyes kontúr megmunkálásának modellezésére láthatunk példát az 23. ábrán. 24. ábra. Öttengelyes CNC huzalszikraforgácsológép elvi elrendezése 25. ábra. Hattengelyes CNC szerszámélezıgép kialakítása Az öt- és hattengelyes vezérlések esetében a megszokottól eltérıen programozzuk az elıtolást. A programban az F címen adjuk meg az elemi elmozdulás idejét. A vezérlés valós idıben számítja a tengelyek menti sebességeket az aktuális lineáris és rotációs növekmények alapján. Az 24. ábrán és a 25. ábrán egy öt- és hattengelyes CNC szerszámgép elvi és szerkezeti kialakítása látható.
1.4.4 Mőveletek felületekkel Felületek származtatása forgatással (26. ábra): 26. ábra. Felületek származtatása forgatással Felületek származtatása 2D profil vektoros eltolásával (27. ábra): Szerszám 28. ábra. Felületek származtatása extrudálással 1.4.5 Kompozit felületek A kompozit opció nem hoz létre semmilyen új geometriát. A SURFCAM- ben ezzel az opcióval vághatjuk vagy főzhetjük össze a felületeket, hogy azok egy egyetlen kompozit felületet alkossanak. A kompozit felület létrehozásához felhasznált felületek vágottak. A vágó alapelemek lehetnek lekerekítést megvalósító spline-ok, felületek metszésébıl létrejött splineok és vetített spline-ok. A 29. ábrán egy kompozit felület létrehozását mutatjuk be, három felület (kúp, nyeregfelület és a két felületet összefogó öv) egymáshoz illesztésével (vágásával). A 29. ábrán a SURFCAM kompozit opciójának végeredményét láthatjuk. A kompozit felület a létrehozása után egyetlen alapelem, ezért bármely alapelem törlése esetén az egész kompozit törlıdik. Ez a kompozit felület integritásának a megırzését szolgálja.
29. ábra. A kompozit felület származtatása SURFCAM-ben Keresztmetszeti görbék sorozatára illeszkedı felület generálása Egy felület létrehozásához legalább két keresztmetszet szükséges. A 30. ábrán keresztmetszeti görbékre illeszkedı felület látható. A keresztmetszeti görbék csak akkor szinkronizálhatok, ha mindegyikének ugyanannyi csomópontja van. Ebben az esetben minden egyes keresztmetszet elemei illeszkedni fognak a többi keresztmetszet alapelemeivel. 30. ábra. Keresztmetszeti görbékre illeszkedı felület létrehozása Felület létrehozása mind két irányban meglévı keresztmetszeti görbével (31. ábra) 31. ábra. 3D felület létrehozása mind két irányban meglévı keresztmetszeti görbével
1.5. Gépészeti objektumok modellezése Az elızıekben említett geometriai modellezéseknek (drótváz, test, felület) a legnagyobb hiányossága, hogy nem tükrözik sem az egyes felületcsoportok funkcióit, sem a gyártásuk közbeni kölcsönhatásaikat, kapcsolataikat. A tisztán geometriai szemlélető modellezés tehát nem felel meg a mérnöki elvárásoknak, de geometriai modell nélkül CNC megmunkálás tervezése elemzése nem képzelhetı el. Ez a hiányosság érzékenyen érinti és megnehezíti a CAPP rendszerek mőködését, hiszen a gyártási folyamat tervezéséhez elıször az összefüggı felületelem csoportokat kell felépíteni. A jelenleg használt CAD szoftverek a geometriát tökéletesen szemléltetik, de nem adnak információt a például a mikrogeometriai és olyan fizikai jelenségekre, amelyek a modell alkalmazása szempontjából meghatározó lehet. Azon kívül nem támogatják a mérnöki koncepciókban való gondolkodást. A jelenlegi CAD rendszerek csak részlegesen tudják támogatni a termékmegvalósítását. Az említett hiányosságok kiküszöbölésére új technika alakult ki, amit "a sajátosságokra alapozott modellezésnek hívnak". A sajátosság alapú modellezés elvi alapjait M. Bunge tette le. Az alaksajátosság fıleg a gépészeti termékekre jellemzı és ebben az esetben a geometria egy jellegzetes alaksajátosság. Tehát ha a sajátosságokat geometriából származtatjuk, akkor azt alaksajátosságnak nevezzük. A termék mőködését leíró jelenségeket (fizikai, kémiai, biológiai stb.), jelenségsajátosságnak nevezzük. A gépészeti objektumok mőködésére vonatkozó jelenségeket mőködéssajátosságokként csoportosíthatjuk. 1.5.1. Az alaksajátosságok geometriai szemlélető értelmezése Már a második generációs CAD rendszerek erıfeszítéseket tettek az alaksajátossággal kapcsolatos elvárások alkalmazására. A harmadik generációs fejlett termékmodellezı rendszerekben az alaksajátosságokkal kapcsolatos technika fokozottan elıtérbe kerül. A negyedik generációs úgynevezett intelligens tervezırendszerekben nagy hangsúlyt kap az alaksajátos technológiai tervezés, de nem lehet egyértelmően állást foglalni, hogy ez hogyan fejlıdik tovább. Ezek az új tervezı rendszerek a geometriai alaksajátosságokat olyan információnak tekinti, amely az alkatrész felületén logikai összetartozóként kezelt geometriai alapegységeket értelmez. Az alaksajátosság olyan geometriai alapegység vagy csoport, amely a modellezett objektum alakjának adott tartományát képezi. A geometriai alaksajátosságok felhasználásában a legfontosabb területet a ráhagyás egyes rétegének a leválasztása és a forgácsolószerszámok mozgáspályájának a megtervezése áll. Az alaksajátosságok geometriai értelmezése nem egyértelmő, a 32. ábra alapján a konstrukciós tervezı számára a méretezett borda a fontos, míg a gyártástechnológus viszont az eltávolítandó két négyzetes áttörést látja, mint fı problémát. Vagyis a tervezı számára az alaptest módosítás, a gyártástechnológus számára a leválasztandó anyag a fontos. Optimális esetben a konstruktır és a technológus az alaksajátosságon alapuló tervezés során az egyes felületelem csoportokat azonosan értelmezi. Az angol szakmai nyelv ezeket a felületelem csoportokat feature nek nevezi. Ha a modellezés során a gerincet és az áttörést alaksajátosságként egyaránt beépítjük a modellbe, túlhatározottá válik. Tehát az objektumok geometriájának alaksajátosságokra bontása nem egyértelmő. 1.5.2. Az alaksajátosságok szemantikai szemlélető értelmezése Az alaksajátosságok kifejezésére a geometriai információk önmagukban nem elégségesek és az értelmezésükben egyértelmőségi problémák vannak. A szemantika (jelentéstan), mint a neopozitívizmus egyik irányzata, azt mondja, hogy a nyelv szavai nem tudják tökéletesen és egyértelmően jelölni a dolgokat. Az alaksajátosságoknak az alkalmazások szempontjából
fontos modellezési egységeket kell tükrözniük, amit szintén csak a szemantikai eszközök, módszerek felhasználásával lehet leírni. A geometriai alaksajátosságok modellezésének fejlettebb formái már lehetıséget adnak az alak mellett az attributív információk kezelésére is. Áttörés Borda Áttörés Hordozóalak 32. ábra. Az alaksajátosságok geometriai értelmezése Megjegyzés: attribútum valamely tárgy vagy jelenség elválaszthatatlan tulajdonsága, amely nélkül a tárgy nem létezhet (vallásban ilyen a jelvény). Az attribútum kezeléssel kapcsolatosan megkülönböztetünk: alaklétrehozó, alakmódosító, alak független és alak semleges típusú alaksajátosságokat. Az alaklétrehozó alaksajátosság egy mőködés megvalósításához eleve szükséges zárt geometriai alakzat (hordozóalakzatot) jelent. Az alakmódosító alaksajátosság a hordozóalakzatnak a kívánt mőködés teljesítése érdekében szükséges és lehetséges alakmódosulatait fedi le. Geometriájuk alapján utalnak a megmunkálás lehetséges módjaira is. Az alak független alaksajátosság kapcsolódik a névleges alakhoz, de a geometriát szorosan nem követik, fıleg a mőszaki attribútumokat írják le (Pl.: mérettőrés, felületkezelés). Az alak semleges alaksajátosság csak közvetlen kapcsolata van a geometriával (Pl.: anyagminıség, hıkezelés). A tervezéshez és a gyártáshoz szükséges alaksajátosságok teljes készletének a létrehozása ma még elvi és gyakorlati okok miatt megoldhatatlan. Ennek kapcsán, jelenleg csak véges számú, a termékek legfontosabb életszakaszaihoz kapcsolódó alkalmazásokat különböztetünk meg. A szakirodalomban a koncepcionális, a funkcionális tervezési, alaktervezési, elemzési, gyártástechnológiai és szerelési alaksajátosságokat találjuk meg. A szerszám (pl. forgácsoló) által kialakított alakzatokat gyártástechnológiai alaksajátosságnak (33.ábra) nevezzük. A gyártástechnológiai alaksajátosságok utalnak a megmunkáláshoz szükséges gyártóberendezésekre és szerszámokra is. Az alkalmazás szemlélető alaksajátosságok egy lehetséges kapcsolatát 34. ábrán láthatjuk. Ez egyrészt abból adódik, hogy az alkatrész teljes alakja (forgásszimmetrikus, prizmatikus vagy szekrényes) és fizikai méretei behatárolják a szerszámgépet és részben a szerszámot is. A gyártástechnológiai alaksajátosságok esetében a szemantikus információkat a méret, a tőrés, a felületi érdesség és a szerszámválasztás szabályai és megszorításai jelentik. A konstrukciós és a gyártástechnológiai alaksajátosságok
végsı megjelenésükben különböznek egymástól, a konstrukciós alaksajátosságok általában a gyártástechnológiai alaksajátosságok alkalmazásának eredményeként létrehozhatók. Gyártástechnológiai alaksajátosságok Hornyok Bemunkálások Furatok Síklaphornyok Palásthornyok Síklap-hasítékok Palásthosszhasítékok Paláskereszthasítékok Forgástesten Zsebek Szigetek Beszúrások Átmenı-furatok Zsákfuratok Áttörések Furatsüllyesztékek Lépcsık Fogazatok Síklépcsık prizmatikus testen Síklépcsı forgástesten Vállak forgástesten Lelapolások Hengeres Kúpos Élletörés Menetfelület 33. ábra. Gyártástechnológiai alaksajátosságok csoportosítása Az alkatrészeknek és a részegységeknek az összeállításbeli viszonyát és a kapcsolódásuk minıségét szerelési alaksajátosságokkal lehet jellemezni. Típusai: közvetlen kapcsolatban állást, közvetve befolyásolást és kezelhetıséget leíró szerelési alaksajátosságokról beszélünk. A közvetlen kapcsolatban állást meghatározó szerelési alaksajátosságok a modellezett alkatrész felületeinek, éleinek, vagy csomópontjainak kapcsolódását írja le. A meglévı rendszerek például képesek a felületek és görbék térbeli elhelyezkedésérıl, vagy a megengedett kinematikai szabadságfokokról is információt adni.
Egymást közvetve befolyásoló alkatrészek térbeli elhelyezésük alapján hatnak. Az ilyen kapcsolatokat kifejezı szerelési alaksajátosságok az elrendezési viszonyból következıen térbeli struktúrát írnak le. A kezelhetıséget leíró szerelési alaksajátosságok típusai például a megfogó, a szerelı vagy a mőködtetı elemek kapcsolódását fejezik ki. Az információk kifejezése Koncepcionális alapján az alaksajátosságok explicit vagy implicit típusúak lehetnek. Alaktervezés Explicit esetben az alaksajátosság geometriai részletei teljesen meghatározottak. Implicit Gyártástechnológiai meghatározásról akkor beszélünk, amikor az alaksajátosság Elemzési értelmezéséhez a geometriai részletekre vagy következtetünk, vagy csak áttételesen kezelhetjük Szerelési azokat. Egyéb 34. ábra. Alaksajátosságok tartalmi összefüggései A gyártástechnológiai alaksajátosságokat általában két nagy csoportba sorolják: benyomódások és kiemelkedések. A benyomódások hozzáadódó alapegységek, amikor is minden egyes lap szomszédos legalább egy másik lappal úgy, hogy közöttük konkáv él van. A kiemelkedések kivonódó alapegységek, amikor is minden bennfoglalt lap szomszédos legalább egy másik lappal úgy, hogy közöttük konvex él van. Geometriai modellezéskor a tervezı funkcionális alapegységekben gondolkodik (furatok, bordák, hornyok). Ezeket azonban alacsonyabb szintő alapegységekkel (pontokkal, egyenesekkel, körívekkel stb.) tudja megvalósítani. Az alaksajátosság lényegét a fentiek jól mutatják, ugyanis egy alacsonyabb modellelemekbıl kell következtetni valamilyen magasabb szintő szemantikai tartalmat is megtestesítı alapegységre. Az alaksajátosságokkal való tervezés lényegében ezt a problémát oldja meg. Az objektum modelljének megszerkesztésekor nem csak a hagyományos geometriai alapegységeket és testeket biztosítja, hanem elıredefiniált alaksajátosság készletét is. A módszer neve: Design with features. Több a kereskedelemben kapható CAD/CAE rendszer az alaksajátosságokkal való tervezésnek ezt a formáját támogatja (pl. Catia, Pro/Engineer, Unigraphics). A felsorolt rendszerek által kezelt alaksajátosságok geometriai orientáltak, de a gyártással kapcsolatos adatok, információk is rendelhetık a szoftverhez. A felhasználó által definiált alaksajátosságokhoz az alapkészlet kiegészíthetı, így a tervezéshez egyre nagyobb számú modellezési alapegység áll könyvtárózott formában rendelkezésre. Az alaksajátosságokat beépítı módszer hátránya, hogy a szoftverkörnyezet egyre zsúfoltabbá válik. A megoldás, hogy szét kell választani a modellezıszoftvert és az alaksajátossági könyvtárat. 1.6 A gyártási folyamat tervezési szintjei A gyártási folyamatok tervezése sokszintő, soklépcsıs folyamat kézi és számítógépes tervezés esetén egyaránt. A tervezés mélysége, azaz a gyártási dokumentációk részletessége, megjelenítési formája és a programhordozó típusa függ a gyártás tömegszerőségétıl. Az alkatrészgyártás technológiájának tervezését négylépcsıs folyamatként ábrázolhatjuk (35. ábra).
SORRENDTERV (geometria, technológia kiválasztása, gépkiválasztás, készülékezés) I N P U T D E K Ó D E R Processzor MÜVELETTERVEZÉS (geometria, ráhagyások, sorrendiség, szerszám, szerszámelrendezés) MÜVELETELEMTERV (forg. feltételek, mozgásterv, szerszámpályák, optimálás, normák) CL - DATA Vezérlés semleges pályafile A D A T B A N K Posztprocesszor ILLESZTÉS (illesztı programok, adatkonverzió) 35. ábra. Technológiai folyamattervezés blokkdiagramja A legelsı tervezési szintnek a gyártási sorrend meghatározását tekintjük, másodiknak a mővelettervezést, harmadiknak a mőveletelemek részletes kifejtését (mozgásfeltételek és mozgáspályák). A negyedik szint, a számítógépes rendszerekhez történı illesztés. A posztprocesszor illeszti egyezményes alakban az elkészült terveket, a vezérlés utasításrendszeréhez. Elıállítja a vezérlésnek, illetve a gépkezelı számára szükséges listákat, programhordozókat. A processzor és a posztprocesszor közötti CL-DATA -nak nevezett közbensı nyelvnek kiemelkedı szerepe van, ugyanis segítségével, az CNC program elkészítéséhez szükséges vezérlés semleges pályafájlokat tudjuk generálni. A technológiai tervezés kapcsolatot teremt a konstrukciós (CAD) és a gyártás (CAM), a termelésirányítás (PPS) és a gyártás, valamint a gyártási erıforrás tervezése (MRP) és a gyártása között. A technológiai folyamat felülrıl lefelé vagy alulról felfelé építhetı. A felülrıl való építés a folyamat koncepciójából kiindulva történik. Elıbb a mőveleteket, majd a mőveletelemeket,
végül a szerszámciklusokat dolgozzák ki. Az alulról felfelé építés esetén elıbb a folyamat elemeit definiáljuk, majd ezekbıl építjük fel az egész rendszert. Ez utóbbi építési mód akkor elınyös, amikor a folyamat kevés elembıl áll. Gyakori, hogy a tervezés megmarad a szerszámciklusok szintjén, ha csak a CNC program elıállítása a cél. A gépészeti tervezı rendszerekben általában a felülrıl lefelé történı folyamatépítést alkalmazzák. A technológiai folyamat tervezése szoros kapcsolatban van a vállalatnál folyó különféle mérnöki tevékenységekkel. A számítógéppel segített technológiák kapcsolódását mutatja a 25. ábra, amelyet technológiai vonatnak is neveznek. A CACE (Computer-Aided Concurrent Engineering) stratégiája két alapelvre épül: Az egyik, hogy már a konstrukciós tervezés során figyelembe kell venni a gyártási, szerelési, karbantartási és a termék használatból való kivonhatósági vizsgálatának-mőszaki, gazdasági-feltételeit. A másik, hogy a kivitelezési részfolyamatok számára közvetlenül hozzáférhetı és feldolgozható formába kell biztosítani minden információt. A 36. ábrán látható rövidítések jelentése: CACD = Számítógéppel segített koncepcionális tervezés, CAD = Számítógéppel segített tervezés, CAE = Számítógéppel segített termékfejlesztés, CAPP = Számítógéppel segített mővelettervezés, CAM = Számítógéppel segített gyártás, CAQ = Számítógéppel segített minıségbiztosítás, CAPE = Számítógéppel segített tervezés-szervezés, CAST = Számítógéppel segített raktározás, szállítás. CAPP CAPE CACD CAD CAM CAST CAE CAQ 36. ábra. A számítógéppel segített technikák kapcsolódása A számítógéppel segített tervezés és a számítógéppel segített gyártás egy részletesebb kapcsolatát mutatja ipari környezetben a 37. ábra. A CAD/CAM alkalmazása javítja a megrendelések bonyolítását, megbízhatóbbá teszi a határidık betartását. Alkalmazása lehetıvé teszi a termelékenység növelését, versenyképesség megırzését, az új termékek gyorsabb és gazdaságosabb gyártását.
Nem Geometriai tervezés koncepciójának kialakítása CNC program Rajz tesztelése, módosítása Végleges rajz generálás (pl.: IGES) Igen Dokumentálás Gyártás Ellenırzés Szerelés, teszt Marketing CAPP Anyag kiválasztás Mővelet, mőveletelem tervezés Szerszám kiválasztás Szerszámpálya generálás Szerszámpálya editálás, stb. Posztprocesszálás 37. ábra. CAD/CAM folyamatábra ipari környezetben 1.7. Szerszámpályák tervezése, generálása CNC megmunkáláshoz A CNC programok számítógépen történı tervezését ma már számos szoftver (CAM) támogatja. Számos CAM szoftver akárcsak a geometriai modellezık (CAD) esetében- az eljárások sokféleségét és a megoldás minıségének széles skálán való változását biztosítja. A kereskedelemben beszerezhetı fontosabb CAD/CAM szoftverek listája:. A szerszámpályákat tervezı programok a geometria modell felhasználásával végzik számításaikat, vagyis a geometriai modellt leíró függvények segítségével történik. A CNC megmunkálás tervezésének ez az utolsó kapcsolata a geometriai modellel. Régebben, ha itt tévedtünk, lehet hogy a rendellenesség csak a kész munkadarab ellenırzésénél derült ki. Napjainkban mind a pályatervezı, mind geometriai modellezı szoftverekkel a geometriai és technológiai tervezés valamennyi fázisa megvalósítható beleértve a szerszámmozgások, a forgácsleválasztás és az ütközések szimulációját is. Minden, ami a szerszámgépen fizikailag megvalósítható, az a számítógépen is elkészíthetı, megtekinthetı, szimulálható és vizsgálható. Számos olyan CAM szoftvert ismerünk, amely a modellben tárolt Parasolid adatok alapján felismeri a megmunkálási alaksajátosságokat, és ezek alapján a megmunkálási stratégiát is segít létrehozni. A Technology Assistant és a posztprocesszor testre szabásának segítségével az így beolvasott modellbıl percek alatt CNC program generálható. Természetesen a létrehozott testmodell parametrikus, így a geometria változása esetén a modell gyorsan módosítható. Számos olyan CAM szoftvert fejlesztettek ki, amely a nagysebességő marás feltételrendszerét is támogatja. Ebben az esetben az úgy nevezett, a High Feed modul, a fogásmélységtıl függı elıtolás-szabályozással állandó forgácstérfogatot, és így jobb felületminıséget biztosít. A stratégia hagyományos technológiai paraméterek esetén is a megmunkálás termelékenységének növekedését eredményezi. Szintén a nagysebességő marás technológiai igényeinek kielégítését célozzák meg azok a speciális, lágy átmeneteket tartalmazó
szerszámpályák, amelyek a legtöbb nagyoló és simítópálya esetén alkalmazhatóak, és amelyekkel hatékonyan csökkenthetı a megmunkálás dinamikussága. Gyorsmarással történı megmunkálás esetén a kisebb forgácskereszmetszet miatt az alkatrész gyártásához szükséges CNC program nagyobb terjedelmő, mint hagyományos marási technológia esetén. Ebbıl következik, hogy az itt alkalmazott CAM rendszerek pályaszámítási sebességének nagyobbnak kell lennie. A CAM rendszernek ugyanakkor képesnek kell lennie arra is, hogy gyorsan tudjon alternatív pályákat kiszámítani, módosítani és összehasonlítani annak érdekében, hogy biztosítható legyen az adott feladat számára szükséges legoptimálisabb megoldás. A technológiai tervezırendszerek sok-sok részfeladatot oldanak meg, amelyek közül itt a forgácsoló szerszámok mozgásának tervezésére térünk ki. A forgácsoló mővelet-, mint minden más mővelet, a munkadarab befogásától a kifogásáig tart (38. ábra). Általános esetben a munkadarab cseréje is automatizált (robot, palettacserélı), ezért azt is a mozgástervezés részeként kezeljük. BEFOG KEZDİPONT SZERSZÁMCSERE FOGÁSVÉTEL MEGKÖZELÍT FORGÁCSOLÁS PARAMÉTEREK (v, f) VISSZA MUNKACIKLUSOK ELTÁVOLODIK VÉGE BIZTONSÁGOS TÁVOLSÁG A MUNKATÉRTİL 39. ábra. Forgácsolási munkaciklus KIFOG 38. ábra. Egy forgácsoló mővelet lépései A szerszámváltások, a munkapontok gyors megközelítése, a munkaciklusok és a szerszám biztonságos helyzetbe küldése ismétlıdik a mozgástervezés folyamán, egészen addig, amíg az összes mőveletelemhez rendelt ráhagyásokat el nem távolítjuk. A munkaciklusok részint üresjárati, részint munkamenetekbıl épülnek fel (39. ábra).
1.7.1. A két dimenzióban megoldható megmunkálások Jellegzetes fogásvételi mozgások összefoglalása: Fogásvételi mozgás A (R), vagy (F) (F) Munkadarab kontúr (F) (F) (F) 40. ábra. Homloknagyoló ciklus (G72) d (R) 45 A e w B (R) w u/2 u/2 A jegyzetünkben az esztergaközpontra és a megmunkáló központokra jellemzı néhány mozgás ciklust mutatunk be. Egyszerőnek tekintjük azokat a munkaciklusokat, amelyek a fısíkokkal párhuzamos síkokban valósulnak meg. Nem tekinthetı egyszerőnek az oldalazó nagyoló munkaciklus (G72), amelyet a FANUC O esztergavezérlés valósít meg és amely 40. ábrán látható. Az oldalazó nagyoló ciklus alkalmazásakor a munkamenetek általában egyenes vonalúak, s csak a simító jellegő mőveletekben követi a szerszám a munkadarab kontúrját. Az oldalazó nagyoló ciklusnál a szerszám fogásvételi mozgása Z tengely irányába esik, tehát ügyelni kell arra, hogy a szerszám programozott pontja a legnagyobb munkadarab átmérınél nagyobb átmérın legyen a ciklus indításakor. Számos esetben a fogásvételi mozgás gyorsmenetben történik, ezért a szerszámmal úgy kell pozícionálni, hogy a fogásvétel irányába anyag ne legyen. A ciklusutasítások nagy többségénél a ciklus ott fejezıdik be, ahol a ciklus elkezdıdik, kivéve a homloknagyoló ciklust. Fogásvételi mozgás ferde pályán 41. ábra. Köríves rá- és elvezetı mozgás 42. ábra. Egyenesekkel megvalósítható fogásvételi mozgás Minden esetben ügyelni kell arra is, hogy a szerszám ne hagyjon nyomot a megmunkált munkadarab felszínén (fıleg befejezı megmunkálás során), ezért a fogásvételi és a munkadarabtól történı eltávolodó mozgásnak is, a munkadarab felszínéhez képest érintı
irányúnak kell lenni. Erre láthatunk példát a 41. ábrán, ilyen szolgáltatással természetesen a SURFCAM szoftver is rendelkezik. A szerszám fogásvételi pályája 2. A konkurens termékfejlesztés alapelvei és megvalósítása A termékfejlesztés elindulhat piaci igény alapján vagy annak felkeltését célzó mőszaki fejlesztési koncepció által. A gépészeti tervezés részfolyamatainak kapcsolatát láthatjuk a fenti ábrán. 43. ábra. Spirális fogásvételi pálya Termékkoncepció kialakítása Koncepcionális tervezés Konstrukció szintézis Konstrukció elemzés Konstrukció részlettervezés Termékértékelés Termékdokumentálás
Termékkoncepció kialakítása: Ebben a fázisban sem a termék, sem annak megvalósítása nem jelenik meg konkrét formában. A koncepció kidolgozását az elektronikus kommunikáció különbözı formái segítik. Az információfeldolgozás folyamatában táblázatkezelı, grafikus szemléltetı és kiadványszerkesztı szoftvereszközök is eredményesen alkalmazhatók. A célterv koncepciója a piaci igények feltárására, a korábbi termékek áttervezési lehetıségeinek megállapítására, a megtervezendı termék és a környezet kapcsolatára, gazdasági, minıségi és értékesítési terv kidolgozására irányul. Koncepcionális tervezés: Ebben a fázisban a termék még absztrakt formában jelenik meg, késıbb már modell formájában is létezhet. A koncepcionális tervezés kiterjed a tervezendı objektum funkcióira, mőködésére, a szerkezet strukturális és morfológiai kialakítására, a forma és a színtervekre. Már ebben a fázisban szükséges a különbözı normatív elıírásokat, szabványokat, gyártási költségeket is áttanulmányozni. A koncepcionális tervezés befejezése után lehetséges az ajánlati tervek kidolgozása. Az ajánlati dokumentációk elkészítésében jelentıs támogatást adnak a huzalvázas modellezı- és rajzoló szoftverek. Konstrukciószintézis: A konstrukciószintézis folyamatában a rendszerszemlélető modellezést, a részegységekre és alkatrészekre bontást, az alkatrészek alakjának a megválasztását, az igényelt anyagok behatárolását, az alkatrészek közötti kapcsolatok és a gyártási eljárások kiválasztását szükséges elvégezni. A gépészeti alkatrészek 3D alakjának a megjelenítésére célszerő test- és palástmodellezést alkalmazni. Az optimális feladatmegoldás azt igényli, hogy a tervezık virtuális munkacsoportokban, számítógépes hálózatokon mőködjenek együtt. Konstrukcióelemzés: Szervesen összekapcsolódik a szintézissel. Az alkatrészek, a szerelvények terhelésének és igénybevételének, illetve a konstrukció optimális mőködési viszonyainak megállapításaira irányul. Idetartozik az egyes egységek, folyamatok szimulálása és optimalizálása is. A korszerő geometriai modellezı szoftverek a szükséges mőszaki számításokat (tehetetlenségi nyomaték, keresztmetszetek méretezése, térfogat- felszínszámítás stb.) végrehajtja. A termékhez kapcsolódó elemzı szoftvert a legtöbb vállalat kifejleszti, vagy kifejleszteti. Az általános célú elemzıszoftverek legtöbbje a végeselemes-módszert alkalmazza. Konstrukció-részlettervezés: A konstrukció-részlettervezés kapcsán az alkatrészek geometriai alakjának végleges meghatározása történik. Abban az esetben, ha a tervezés test-, palást- vagy felületmodellezı rendszerrel készült, a geometriai adatok közvetlenül felhasználhatók CNC -megmunkálási programok kidolgozására. Ebben a fázisban történik meg a konstrukciószintézis szakaszában létrehozott elrendezési, összeállítási rajzok és az elızetes modellek véglegesítése, illetve az anyag, a hıkezeltségi állapot, a tőrések, valamint a gyártás elıkészítésének meghatározása.