Электростатика и электродинамика

В связи с массовым внедрением электронных устройств в состав практически любых изделий машиностроения, от сложной авиационной техники до бытовых приборов, задача моделирования электромагнитных полей, создаваемых этими устройствами, их взаимодействия между собой и влияния на окружающую среду стала как никогда актуальной. Поэтому большинство поставщиков интегриро­ванных CAE-систем предлагают специализированные модули для ЗD-моделирования работы электромагнитных и электромеханических изделий в низкочастотном приближении. Расчеты проводятся, как правило, методом конечных элемен­тов, позволяющим решать уравнения прямым методом без каких-либо упроще­ний и предположений. Модули рассчитывают электрические и магнитные поля, моменты и силы, энергетические потери на вихревые токи, значения токов, напря­жений, проводимостей, емкостей, индуктивностей в проектируемых электротех­нических изделиях, расчет импульсных электромагнитных полей, возникающих в электрических устройствах при скачках напряжений и токов.

Пример электродинамического расчета показан на рис. 8.10.

Рис. 8.10 Расчет электромагнитных полей для якоря генератора

CAM

Производство с помощью компьютера (Computer-Aided Manufacturing, САМ) – термин, используемый для обозначения программного обеспечения, основной целью которого является создание программ для управления станками с ЧПУ (англ. CNC – Computer Numerical Control).

Числовое программное управление, или ЧПУ, означает компьютеризованную систему управления, считывающую инструкции специализированного языка программирования и управляющую приводами металло-, дерево- и пластмассобрабатывающих станков и станочной оснасткой. Интерпретатор системы ЧПУ производит перевод программы из входного языка в команды управления глав­ным приводом, приводами подач, контроллерами управления узлов станка (включить/выключить охлаждение, например). Для определения необходимой траектории движения рабочего органа в целом (инструмента/заготовки) в соответ­ствии с управляющей программой (УП) используется интерполятор, рассчитываю­щий положение промежуточных точек траектории по заданным в программе ко­нечным.

Лекция 14

Аббревиатура ЧПУ соответствует двум англоязычным – NC (numeric control) и CNC (computer numeric control), отражающим эволюцию развития сис­тем управления оборудованием. Системы типа NC, появившиеся в конце 40-х го­дов XX века, предусматривали использование жестко заданных схем управления обработкой, задание программы с помощью штекеров или переключателей, хра­нение программ на внешних носителях, таких как магнитные ленты, перфориро­ванные бумажные ленты. Каких-либо устройств оперативного хранения данных, управляющих микропроцессоров не предусматривалось. Системы ЧПУ, описы­ваемые как CNC, основаны на микропроцессоре с оперативной памятью, с опера­ционной системой, приводы управляются собственными микроконтроллерами.

Первый станок с ЧПУ был создан в 1954 году в Массачусетском технологическом институте. Программа для оборудования с ЧПУ может быть загружена с внешних носителей, например дискет или флэш-накопителей. Помимо этого, современное оборудование подключается к заводским сетям связи, в этом случае используется термин распределенное числовое программное управление (DNC, Distributed Numerical Control).

Обработка с использованием ЧПУ увеличивает производительность и акку­ратность операций, гарантирует постоянный уровень качества, который в боль­шинстве случаев намного превышает качество традиционной ручной обработки. Многие заказы, от которых ранее приходилось отказываться, сейчас можно вы­полнять с легкостью и без больших усилий, что между тем считается эксклюзив­ным и составляет категорию наибольшей прибыли.

G-код

Основной язык программирования ЧПУ, G-код, описан документом ISO 6983 Международного комитета по стандартам. G-код был создан компанией Electro­nic Industries Alliance в начале 1960-х. Финальная доработка была одобрена в фев­рале 1980 года как стандарт RS274D. Комитет ИСО утвердил G-код как стандарт ISO 6983-1:1982, Госкомитет по стандартам СССР как ГОСТ 20999-83. В со­ветской технической литературе G-код обозначается как код ИСО 7-бит (ISO 7-bit).

Производители систем управления используют G-код в качестве базового под­множества языка программирования, расширяя его по своему усмотрению. В от­дельных случаях, например системы управления гравировальными станками, язык управления принципиально отличается от стандарта. Для простых задач, например раскрой плоских заготовок, система ЧПУ в качестве входной информа­ции может использовать текстовый файл в формате обмена данными, например DXF или HP-GL.

Программа, написанная с использованием G-кода, имеет жесткую структуру. Все команды управления объединяются в кадры – группы, состоящие из одной или более команд. Кадр завершается символом перевода строки (ПС/LF) и имеет номер, за исключением первого кадра про­граммы и комментариев. Порядок команд в кадре строго не ого­варивается, но традиционно предполагается, что первыми ука­зываются подготовительные команды (например, выбор рабочей плоскости), затем команды перемещения, далее выбора режимов обработки и технологические команды. Рассмотрим пример программы, написанной на G-коде и управляющей фрезерным станком, который обрабатывает букву V размером 17x24 мм и глубиной 1 мм. Красным цветом на рис. 9.1 обозна­чен результат обработки.

Кадр	Содержание	Комментарий
	%	Начало программы
N1	G90G40G17	Система координат абсолютная, компенсация на инструмент выключена, плоскость интерполяции XOY
N2	G00Х2.54Y26.15	Переход в точку начала обработки
N3	S500F0.5М3	Выбрать режимы резания и включить привод главного движения
N4	G01Z-1.0	Врезание в заготовку
N5	G01Х5.19Y2.0	Первый штрих буквы V
N6	G01Х7.76	Продолжение движения
N7	G01X16.93Y26.15	Второй штрих буквы V
N8	G00Z12	Отвод инструмента от заготовки
N9	М5	Выключить привод главного движения
N10	М02	Конец программы

САМ-системы

Написание и отладка программ непосредственно на G-коде для деталей сложной формы являются весьма трудоемким процессом, поэтому этот процесс автомати­зирован путем создания CAM-систем. Входными данными системы САМ является геометрическая модель изделия, разработанная в системе автоматизирован­ного проектирования (CAD). В процессе интерактивной работы с трехмерной мо­делью в CAM-системе инженер определяет траектории и скорость движения режущего инструмента по заготовке изделия (CL-данные, англ. cutting location), которые затем автоматически верифицируются, визуализируются (для визуаль­ной проверки корректности) и обрабатываются постпроцессором для получения программы управления конкретным станком в виде G-кода.

CAM-системы позволяют «поднять» программирование для станков с ЧПУ на более высокий уровень по сравнению с рутинным ручным программированием. Обобщая, можно сказать, что CAM-системы облегчают труд технолога-програм­миста в трех главных направлениях: они избавляют технолога-программиста от необходимости делать математические вычисления вручную; позволяют созда­вать на одном базовом языке управляющие программы для различного оборудо­вания с ЧПУ; наконец, они обеспечивают технолога типовыми функциями, авто­матизирующими ту или иную обработку.

Процессы обработки, созданные и отлаженные в CAM-системе, можно сохра­нять и применять повторно, используя базу знаний. Функции моделирования по­могают подготовить геометрию для нужд обработки посредством создания кар­касной, поверхностной и твердотельной геометрии. Встроенный механизм имитации удаления материала точно отображает весь процесс обработки, показы­вая как изменение во времени геометрии заготовки, так и все возможные колли­зии. Результат расчета можно сравнить с исходной геометрией модели, обнару­жив остатки материала или зарезы. Полная ассоциативность между геометрией, параметрами процесса и траекториями позволяет быстро изменять модель и пара­метры обработки и автоматически получать скорректированные траектории.

САМ-системы обеспечивают проверку сложных перемещений инструмента на виртуальной модели станка для уверенности, что инструмент не конфликтует с приспособлениями, деталями станка и заготовкой, до выполнения программы в цехе позволяет избежать дорогостоящих ошибок.