Transformace 3D modelů na vstupní data pro CNC stroje

Provozně ekonomická fakulta Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně

Transformace 3D modelů na vstupní data pro CNC stroje Bakalářská práce

Vedoucí práce: Ing. Jan Turčínek

Chaloupka Rudolf

2008/2009

Rád bych na tomto místě poděkoval vedoucímu mé práce panu Ing. Janu Turčínkovi za vedení práce a poskytnutí cenných připomínek a rad.

3

Prohlašuji, že jsem tuto práci vyřešil samostatně s použitím literatury, kterou uvádím v seznamu.

V Brně dne 5. ledna 2009

4

Abstrakt Práce popisuje současné trendy v CNC strojích. Zabývá se problematikou jejich programování. Zaměřuje se na soustruh a 3D tiskárnu. Formáty dat potřebné pro tyto stroje jsou popsány pomocí 3D objektů. Popis metod transformace těchto objektů do daných strojů nás seznamuje s různými technologiemi. V poslední části práce jsou demonstrovány technologie transformace dat pro CNC soustruh, jejichž výsledkem vznikne G-kód. Dále popis transformace pro 3D tiskárnu, kde vzniklé STL soubory lze snadno tisknout. Klíčová slova CAD/CAM systém, G-kód, DWG, CNC stroje, 3D tisk, Dílenské programování, STL, DWX.

Abstract The thesis describes nowadays trends in CNC machines. It deals with the problematic of programming of these machines, focuses on the lathe and 3D-printer. Data formats that are needed for these machines are described using the 3D objects. The description of the methods of transforming these objects into chosen machines introduces us variety of technologies. In the last part of the thesis are demonstrated technologies of data transformation for CNC lathe (the result of this is G-code) and then description of data transformation for 3D-printer (the results of the transformation are STL files that are easy to print). Key words: CAD/CAM system, G-code, DWG, CNC machines, 3D printer, Workshop oriented programming, STL, DWX.

5

Obsah 1

ÚVOD A CÍL ................................................................................................................................................... 7 1.1 1.2

2

TEORETICKÁ VÝCHODISKA ............................................................................................................................ 8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10

3

CAD SYSTÉM SOLID WORKS ................................................................................................................................ 32 3D TISK A VSTUPNÍ DATA .................................................................................................................................... 33 TRANSFORMACE PRO OBRÁBĚCÍ STROJ. .................................................................................................................. 33 MODELOVÁNÍ OBJEKTŮ ...................................................................................................................................... 35 POPIS DAT PRO CNC OBRÁBĚCÍ STROJ.................................................................................................................... 36 DATA PRO 3D TISKÁRNY ..................................................................................................................................... 39

HODNOCENÍ A ZÁVĚR ................................................................................................................................. 44 4.1 4.2

5

HISTORIE ........................................................................................................................................................... 8 SOUČASNÝ STAV .................................................................................................................................................. 8 CNC STROJE ....................................................................................................................................................... 9 OBRÁBĚCÍ STROJE ................................................................................................................................................ 9 TVÁŘECÍ STROJE ................................................................................................................................................ 11 TECHNOLOGIE 3D TISKÁREN ................................................................................................................................ 12 CAD/CAM SYSTÉMY ......................................................................................................................................... 14 PROGRAMOVÁNÍ A ŘÍZENÍ STROJE ......................................................................................................................... 17 VSTUPNÍ FORMÁTY DAT ...................................................................................................................................... 24 ZÁVĚR ............................................................................................................................................................. 31

METODIKA A VLASTNÍ PRÁCE ..................................................................................................................... 32 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

4

ÚVOD ............................................................................................................................................................... 7 CÍL PRÁCE .......................................................................................................................................................... 7

VÝSLEDKY ........................................................................................................................................................ 44 ZÁVĚR ............................................................................................................................................................. 45

POUŽITÉ ZDROJE......................................................................................................................................... 46

6

1 Úvod a cíl Výpočetní technologie jsou důležitým pomocníkem ve strojírenství. Při používání automatizovaných strojů se snižují náklady na výrobu a současně zvyšuje produktivita práce. Díky vhodnému softwaru propojenému s počítačem řízenými stroji (CNC) lze spolehlivě a přesně provádět činnost, čímž dochází k částečné kompenzaci i lidské práce.

1.1 Úvod Pro potřebu určité výroby je třeba orientovat se v technickém kreslení a technické dokumentaci. Díky vyspělým informačním technologiím je možné promítnout prostorový objekt na monitor počítače. Dále jde virtuálně simulovat vlastnosti objektů v různých prostředích a v závislosti na

potřebě

změnit

jejich

charakteristiky.

Z následujících informací můžeme získat data, která jsou potřebná pro výrobu. Získaná data je třeba upravit pro stroje, které mohou být řízeny automaticky, manuálně či kompletně počítačovým softwarem. Každý stroj však vyžaduje jiný pracovní postup.

1.2 Cíl práce Cílem práce bylo aplikovat obecný postup transformace 3D modelu na vstupní data pro CNC stroje. Tato probíhá v několika krocích: návrh metod, které vhodně připraví a upraví virtuální model; převzetí dat popisující jeho atributy; přetransformování dat na vhodný vstupní formát; kalibrace daného stroje na správný příjem dat. Výsledkem je vytvoření vlastního výrobku.

7

2 Teoretická východiska 2.1 Historie Historie CNC strojů se datuje do minulého století. První NC stroj byl vyvinut v Massachusetts Institute of Technology. V Bostonu, kde byly zahájeny práce na vývoji frézovacího stroje. Jednalo se o upravenou kopírovací frézku Cincinnati-Hydrotel, která byla řízena v té době běžnou dálnopisnou děrnou páskou a vykonávala současné přímkové pohyby ve třech na sebe kolmých směrech. Stroj byl sestaven v roce 1951 a jednalo se o první číslicově řízený obráběcí stroj. Byl charakteristický tím, že byl vybaven polohovými servosystémy, číslicovým odměřováním a programován pomocí samočinného počítače. Díky vývoji počítače musel být změněn i CNC stroj. Tranzistorizace přinesla souvislé řízení fázovým záznamem na magnetofonové pásce. První modely této nové technologie byly vystavené v Montrealu roku 1967. Obdobím normalizace by se dalo nazvat období od roku 1969 do konce 90 let minulého století. Jsou zde vytvářeny různé normy. Na konci tohoto období je snaha o sjednocení strojírenských norem a norem pro CNC stroje. (Průmyslové spektrum [online]. 2008)

2.2 Současný stav Dnes se můžeme setkat jak s ručně řízeným strojem (např.:frézka a soustruh), který vlastní firmy pro kusovou individuální výrobu, tak i s NC a CNC obráběcími stroji. Ty bývají zpravidla ve středních a velkých firmách a je nutné, aby splňovaly různá kritéria pro potřeby dané firmy. Vedle těchto obráběcích strojů je možné CNC stroje využít jako tvářecí stroje. Pro tvorbu výrobku je potřeba technická dokumentace. Ta se skládá z technického nákresu popisujícího tvar a z technické dokumentace, která popisuje vlastnosti, materiál

8

a princip výroby. i pro tvorbu dokumentace byly vyvinuty systémy obecně nazývané Computer aided design (CAD) systémy. Spojením CNC obráběcích strojů s CAD systémem vzniká CAM/CAD systém, který se hojně používá ve většině strojírenských oborů. Důvodem je lehčí, rychlejší a efektivnější způsob programování CNC stroje pomocí PC. Software transformuje model. Na základě požadavku obsluhy se změní na kód, který stanovuje technologii a strategii obrábění výrobku.

2.3 CNC stroje CNC stroje nazýváme stroje, které z části nebo plně řídí nějaký počítačový program a které vytvoří hmatatelný objekt. Podle technologie tvorby objektu lze rozdělit stroje do různých skupin.

2.4 Obráběcí stroje Obráběcí stroj je nástroj pro obrábění materiálu. Jejich charakteristickou vlastností je tvorba třísek. Můžeme jej rozdělit na: •

Soustruh – princip soustruhu spočívá v tom, že výrobek je fixovaný ve stroji. Při spuštění soustruhu začne rotovat kolem své osy. Nůž, který se pohybuje směrem do středu osy nebo rovnoběžně s ní upravuje výrobek do předem dané podoby.

•

Frézka - princip spočívá v tom, že fréza (obráběcí nástroj) určitým způsobem rotuje kolem zafixovaného výrobku a upravuje jej.

NC stroje Stroje označované jako NC (Numerical Control) jsou takové stroje, které jsou řízeny programem, uloženém v externí paměti. The Electronic Industries Association (EIA) definuje NC jako "systém, ve kterém je činnost řízena přímým vložením numerických dat v určitém pořadí". Na základě numerických kódových instrukcí vzatých z paměťového

9

média se aktivují motory a další zařízení. Zařízení, které zajišťuje správný chod stroje, se nazývá machine control unit (MCU) a je nedílnou součástí NC stroje. Řízení NC stroje se člení na hlavní funkci, která řídí pohyb vřetene ve vazbě k pracovnímu stolu a pomocné funkce jako je výběr nástroje na obráběcí hlavě nebo řízení rychlosti a směru rotace vřetena. Úspěch NC spočíval v jejich flexibilitě, tzn., že pro výrobu různých části výrobku byla možnost zavádět další nové počítačové programy.

CNC stroje CNC (Computer Numerical Control - počítačem řízený) stroj je charakteristický tím, že ovládání stroje je prováděné pomocí vytvořeného programu uloženého přímo ve stroji. CNC stroje lze rychle přizpůsobit změnám ve výrobě, pracují v automatizovaných cyklech. Stroj je nutné naprogramovat. Program je psán alfanumerickými znaky, které jsou sjednoceny do bloků. Jednotlivé bloky zajišťují specifickou funkci stroje. Informace, které program obsahuje, lze rozdělit do několika skupin: 1. Geometrické - určují velikost obráběné součástky, způsob jejího obrábění. Popis je tvořen pomocí kartézských souřadnic, které jsou převzaty z výrobního výkresu. 2. Technologické – určují technologii obrábění, jako jsou určení otáček, nastavení řezné rychlosti, hloubka třísky. 3. Pomocné – Určují podpůrné funkce, jako jsou zapnutí chladícího čerpadla nebo směr otáček vřetene.

DNC Označení DNC užívá se pro propojení počítačů s CNC strojem. Má dva významy a to: Direct numerical control - přímé počítačové řízení, kde hlavní proces řídí jeden nebo více strojů, které jsou koordinované pro centrální řízení výrobního systému.

10

Příkazy jsou zadávány z centrálního počítače, který rozesílá individuální příkazy každému CNC stroji zvlášť. Distributive numerical control - operační počítačové řízení, kde DNC se skládá ze samostatného počítače, který dodává informace přímo do řídící jednotky stroje. Tato jednotka se pak stará o daný chod celého CNC stroje. V současnosti se více využívá tento způsob řízení (Havlík 2005).

2.5 Tvářecí stroje Lis Mechanicky tvářecí nástroj, který používá ke zpracování různých produktů tlak. Princip spočívá v natlačení tvárné hmoty do požadovaného rozměru. Připojením lisu k PC nám mohou vzniknout poloautomatické nebo plně automatické ohýbačky, žehličky, buchary, nůžky a jiné lisy.

3D tiskárny Dalším typem CNC stroje jsou 3D tiskárny, které jsou v současnosti nejvíce používané. Výrobek z nich získáváme buď postupným nanášením materiálu, nebo naopak tavením materiálu do patřičné podoby. Ze začátku byly užívány na simulaci a tvorbu prototypů. Dnes se zapojují plně do výroby.

Obrázek 1: Vysekávací lis (Cross-CNC Technologie [online]. 2008)

11

2.6 Technologie 3D tiskáren 3D tiskárny jsou stroje, které z digitálního 3D modelu vytvořeného v různých programech (např.: 3D studio, Rhinoceros, AUTOCAD a další) vytvoří reálný model. Princip spočívá v rozložení reálného modelu do vrstev a následně v jejich spojení. V současné době jsou 3D tiskárny zařízení, které mají nejrychlejší a současně nejnižší provozní a pořizovací náklady.

Selective Laser Sintering (SLS) Technologie, při které je laserovým paprskem spékán do určitého tvaru plastový nebo kovový prášek. Přídavný materiál je nanášený na nosnou desku v inertní atmosféře po vrstvách. Podle vypočtených souřadnic bodů rovin řezů je řízena XY skenovací hlava, která vede laserový paprsek nad povrchem prášku, který je nasypaný ve vaně. V místě působení laseru se přídavný materiál buď zapeče, nebo roztaví. Okolní neosvětlený materiál slouží jako nosná konstrukce. Výroba součástky probíhá po vrstvách, po vytvoření jedné vrstvy se nosná deska sníží o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy (0,1mm). (EOS Electro Optical Systems [online]. 2008)

ZCORP Technologie tvořící reálné 3D modely. K tvoření těchto modelů používá CAD systémy a to tak, že tisková hlava rozpráší tenkou vrstvu prášku (0,1 – 0,2 mm), který pak spojí speciálním pojivem. Pomocí různých barev prášku lze tvořit různobarevný model. Rovněž umožňuje tvorbu povrchové textury a vkládání konstrukčních poznámek, značek, log apod. na povrch modelu. Celkový model není hladký, je křehký, a proto potřebuje další úpravy. Tyto úpravy zahrnují jak opracovávání výrobků (frézování, soustružení…), tak i povrchové úpravy (tmelování, barvení). Tuto technologii je vhodné použít tam, kde není kladen důraz na kvalitu povrchů. Je to jediná technologie, která dokáže vyrobit barevné modely. (Z Corp [online]. 2009)

12

PolyJet Tisková hlava vytlačuje na pracovní plochu ultra tenké vrstvy fotopolymeru (0,016mm). Vrstvy jsou citlivé na světlo, jsou ihned spečené k sobě a vytvrzeny UV lampou. Podpůrný materiál je odstraňován tlakem vody. Výsledkem je model, jehož životnost je omezena na 1 rok. Výhodou tohoto modelu je jeho přesnost a detailnost. (3D Printing by Objet Geometries Ltd [online]. 2009)

Multi Jet Modeling (MJM) Technologie, která nanáší vrstvy vosku postupně na sebe pomocí speciální tiskové hlavy. Tiskovou hlavu tvoří soustava 246 trysek uspořádaných rovnoběžně vedle sebe. Průtok nanášeného materiálu je pro každou trysku samostatně řízen programem. Pracovní deska, na kterou je vosk nanášen, se pohybuje ve směru osy X nanášeného materiálu, pracovní hlava se pohybuje ve směru Y nanášeného materiálu. (Stratasys Inc. [online]. 2009)

Fused Deposition Modeling (FDM) Metoda FDM k výrobě modelu využívá nanášení vlákna z termoplastu a byla vynalezena v roce 1988 společností Stratasys, Inc. Tato technologie na rozdíl od ostatních nevyužívá laseru. Součástka se vytváří postupným nanášením jednotlivých vrstev z různých netoxických termoplastů nebo vosků. Materiál ve tvaru tenkého vlákna vychází z vyhřívané trysky, která se pohybuje v rovině nad pracovním prostorem. V trysce je ohříván na teplotu o 1 °C vyšší než je jeho teplota tavení. Při styku s povrchem vytvářené součástky se vlákna vzájemně spojují a vytvářejí tak požadovanou ultratenkou vrstvu, která ihned tuhne. Součástka se opět vytváří na nosné desce, která se vždy po nanesení jedné vrstvy sníží o tloušťku další vrstvy. Na podepření přečnívajících částí je nutné vytvořit podpůrnou konstrukci z lepenky nebo polystyrénu. Touto technologií je možné vytvářet součásti například z polyamidu,

13

polyetylénu nebo vosku. Vytvořená součást již nevyžaduje žádné obrábění. Na principu technologie FDM pracuje většina tzv. 3D tiskáren. (3D Printers [online]. 2009)

Laminated Object Manufacturing (LOM) Technologie, která využívá vrstvy plastu, kdy každá vrstva je vyříznutá z tenkého plastu (tloušťka 0,165mm) a je nalepena na předchozí vrstvu. Model je umístěn v kvádru materiálu o maximálních rozměrech 3D modelu. Nevýhodou je velké množství nevyužitelného odpadu. Má velmi kvalitní vodorovný povrch. (Welcome to Solido [online]. 2007)

2.7 CAD/CAM systémy Programováním CNC strojů lze docílit pomocí CAD/CAM systémů. Model dělaný v CAD systému se přenese do CNC stroje dvěma způsoby: přímo vygenerováním kódu pro daný stroj, nebo přenesením v určitém formátu a teprve na stroji je převeden do kódu. Pak je dále možné daný model změnit přímo na stroji. K tomu slouží speciální funkce, které slučují různé složité skupenství kódů na jednoduché příkazy, které pak obsluha stroje používá.

CAD systém CAD (Computer Aided Design - počítačová podpora) zahrnuje aplikace, které slouží ke geometrickému popisu výrobků. CAD systémy poskytují moderní metody pro modelování a tvorbu výkresové dokumentace. Využívají interakční počítačové grafiky. Pro transformaci dat na symboly. Též se využívají ve výrobě. Obsluha stroje komunikuje přes obrazovku s ovládacím panelem. Na ní je situován model. Komunikace probíhá v reálném čase a díky tomu mohou být příkazy na panelu rychle změněny.

14

• Vlastnosti systému Vykonává široké spektrum rolí jako např.: výpočtář, kreslič, editor a. j. Využívá softwaru spolu s výpočetní technikou k simulaci modelu výrobku. Model integruje do celé výroby. Je na něm simulována daná část výroby. Interaktivní přístup umožňuje konstruktérům vytvářet nové varianty a zlepšovat řešení výroby. Přebírá rutinní práce konstruktéra. Vytváří podklady pro výrobu. CAD systémy se mohou lišit různou složitostí. Jsou rozdělené do 3 tříd – nízká, střední, vysoká. 1. Nízká třída zahrnuje pouze systémy, které umí tvořit 2D objekty a výkresové dokumentace. Některé tyto systémy umožňují vytvářet modely pomocí drátového modelování. 2. Střední třída obsahuje systémy, které umožňují modelování včetně vizualizace. Tyto systémy se vyznačují svou otevřeností a intuitivním ovládáním. 3. Vyšší systémy jsou plně trojrozměrné, jsou otevřené pro různé nástavby. Tvoří model a z něj jsou schopny vytvořit i technickou dokumentaci. (Killer [online]. 2005)

CAM systém CAM (Computer Aided Manufacturing) značí systémy, kde výroba je podpořena počítači. Ty generují program pro NC stroje. Informace se načítají z konstrukčních databází, kde data jsou převzata z přenosových formátů nebo přímo vytvořena v CAD/CAM systému.

15

• Vlastnosti CAM 1. Umožňují rychlou přípravu NC programů 2. Simulují obrábění, odhalují a odstraňují případné chyby. 3. Řídící jednotka má schopnost určit limity stroje. Na jejich základě je spuštěn bez dalšího odlaďování. 4. Kontrolují správnost nastavení nástroje s danou technologií obrábění.

CAD/CAM systém Automatizace konstruktérské práce u současných moderních systémů CAD spočívá v pokrytí všech rutinních, informačních, výpočtových a ostatních prací vhodnými programovými moduly, které jsou konstruktérovi lehce dostupné, mohou být okamžitě aktivovány a jejich výsledky slouží jako informace k další činnosti konstruktéra (ŘASA [online]. 2008).

• Vlastnosti CAD/CAM systému 1. komplexní řešení pro strojírenský sektor. Díky mnoha pokročilým a výkonným nástrojům však tyto systémy pronikají i do jiných oblastí, jako jsou design, architektura či projekce. 2. intuitivní, snadné a vizuálně přehledné ovládání, většinou postavené na Windows. 3. možnosti integrovaných rozšiřujících aplikací 4. vyspělé možnosti simulace obráběcích procesů včetně simulace kinematiky stroje atd.

16

2.8 Programování a řízení stroje Pro zjednodušenou manipulaci byly stroje obohaceny řídícími jednotkami. Obsluha pak může jen naprogramovat danou jednotku a nechat stroj, aby pracoval sám. Pro programování byl vytvořen G-kód, který v podstatě popisuje mechanickou činnost přístroje.

G-kód Pro řízení NC a CNC strojů se používá programovací jazyk, kde jsou příkazy psané v G-kódu (ISO-kód). Příkazy takto psané mají charakteristické bloky začínající obvyklými písmeny (G, K,…). Daný blok pak určuje funkci stroje. Například: sepnutí pracovního posuvu, záběr třísky. Díky špatnému vývoji vzniká mnoho variant a to tak, že výrobci nezávisle na sobě přidávají různé obměny a rozšíření. Výsledkem je, že obsluha CNC stroje musí znát všechny obměny. Často se setkáme s různými obráběcími stroji, které mají přiřazený stejný kód, ale vykonávají jiné funkce a to dokonce i ty, na kterých je stejný řídicí systém. (ŠTULPA 2008) Program lze napsat v jakémkoliv textovém editoru, který se pak přenese do daného stroje. Začátek programu začíná znakem „%“, kde se za znak uvádí číslo programu. Všechny znaky před tímto znakem daný stroj nezpracovává a je zde vyhrazeno místo na psaní poznámek. Poznámky lze také psát i přímo v programu, je ovšem nutné dát poznámku do závorek.

• Složení programu Celý program se skládá z několika funkcí, které mají charakteristický zápis ve tvaru NGMXYZFSTD. Některá z uvedených písmen jsou pro výrobce systému závazná, jiná zase doporučena. Nezařazená písmena abecedy jsou volná pro výrobce, který jim může přidružit další význam. Příklad G funkce: N 40 G 00 X 100 z 50

17

Tento příkaz se rozloží na několik částí, kde písmeno je funkční znak (Tabulka 1: Funkční adresy) a tvoří adresu. Hodnota za ním udává rozměr působnosti nebo funkci. Celý program je složen ze sledu funkcí. Je vhodné, aby každý úkol programu (věta) začínal písmenem N a následující číslo značilo pořadí funkčního příkazu. Je doporučeno číslování po desítkách, aby byla možná pozdější úprava programu. Řídicí systém obvykle seřazuje věty podle čísel vzestupně, stroj je pak čte v daném pořadí a vykonává příslušné úkoly. Pokud věta obsahuje některé stejné instrukce jako věta předešlá, tak tyto instrukce se nemusejí psát, tyto instrukce jsou platné do doby, než jsou přepsány. Hlavní funkce programu (přípravné) zpracovávající geometrická data se značí písmenem G. Funkce, které vykonávají činnost stroje, se značí M a říká se jim pomocné funkce. Tabulka 1: Funkční adresy

Písmeno

Význam Základní osy souřadného systému – značí pohyb v osách

XYZ ABC

Rotace kolem základních os. Parametry interpolace nebo stoupání závitu ve směru os.

IJK PQR

Pohyb paralelně podél os.

R

Parametr v podprogramech

UvW

Pohyb paralelně mezi základními osami

T

Nástroj

D

Paměť korekce nástroje

G

Přípravná geometrická funkce

M

Přípravná strojní funkce

N

Číslo bloku (věty)

F

Posuv

S

Volání vřetene konstantní řezná rychlost

L

Volání podprogramů

18

Pro naprogramování CNC stroje je třeba znát nejzákladnější příkazy. Ty jsou tvořeny G a M funkcí, které se skládají do vět. V současné době je věta příkazu omezena na 255 znaků. Každé slovo je rozděleno na znak adresy a číslo. Číslo nabývá reálných hodnot (př. 264, -0,24). To je hodnota parametru, která tvoří výraz nebo unární operace. Tabulka 2: Nejpoužívanější funkce

Označení funkce

Název funkce

G00

Lineární G01 interpolace Kruhová interpolace (zhotovení G03 rádius) G02

Použití

Rychloposuv Pracovní posuv

Programuje se Ve směru hodinových v souřadnicích os, uvádí se cílový bod v souřadnicích, ručiček případně další adresy. Proti směru hodinových ručiček

G17

X-Y

Pracovní G18 rovina G19

Určení roviny, ve které se provádějí pracovní posuvy a rychloposuvy

Z-X Y-Z

G33

Řezání závitů

Určuje se proměnná hloubka třísky a počet hlazení.

G40

Zrušení korekcí

Vypnutí matematického aparátu

G41 G43

Zapnutí korekcí rádius

Výpočet dráhy nástroje

Ekvidistanta, vlevo od kontury

nástroj

Ekvidistanta, vpravo od kontury

nástroj

• Tvorba programu Pro zjednodušení práce většina výrobců strojů dotváří různé cykly, kde stačí zadat příslušnou funkci G s číslem požadovaného cyklu a dalších adres potřebných pro danou funkci. Většinou cykly řeší problematiku, jako je řezání závitů, vrtání děr, tvarové zápichy. To však nepokryje potřebu programátora, a proto je možnost utvořit

19

podprogram, který může upravovat podle svých potřeb. Podprogram se volá funkcí „L“ (s číslem podprogramu), podprogram je pak ukončen funkcí „M17“. Pro náročnější programy je vhodné, aby programátor vytvářel daný program mimo stroj. Vhodným PC, který obsahuje software, se dá nasimulovat daný program. Pro rychlé vytvoření CNC programu jsou vhodné CAD/CAM systémy, které přeloží program. Ten se pak převede do řídicího systému vybraného stroje. (ŠTULPA 2008)

• Příklad části G-kódu Program napsaný v jednoduchém editoru má za úkol vyřezat obdélník. Lze nasimulovat na počítači nebo přímo vyrobit na ovládacích panelech CNC stroje. % N1 G90 G40 G17 pracovní plochy) N2 G00 X20 Y40 N3 S300 F0.5 M3 N4 G01 Z-2.0 N5 G01 X20.0 Y5.0 N6 G01 X5.0 Y5.0 N7 G01 X5.0 Y40.0 N8 G01 X20.0 Y40.0 N9 G01 Z10.0 N10 M3 N11 M02

(začátek programu) (Absolutní pozice, zrušení korekce, určení (Rychloposuv na pozici 20 40) (Nastavení (rychlost, síla, moment) (pohyb vrtáku zajede do vrtaného výrobku) (řezání na souřadnice 20 5) (řezání na souřadnice 5 5) (řezání na souřadnice 5 40) (řezání na souřadnice 20 40) (vrtákem ven z výrobku) (vypnout vrták) (konec programu) Přiklad 1: G-kódu

Výrobek se vyřezával z plechu o tloušťce 1mm. Po ukončení tohoto výrobního procesu je vhodné objekt povrchově upravit.

Konturové programování V technických výkresech se stává, že konstruktér nezakódoval důležité body pro programování stroje. Jsou to nejčastěji průsečíky a tečné body přímek. Konturový editor umožňuje zadávat různé varianty spojení základních objektů bez nutnosti externích výpočtů. On pak přenese požadované informace do NC programu. (POLZER [online]. 2005)

20

Dílenské programování S vývojem řídících CNC systémů je snaha zjednodušit vlastní etapu přípravy NC programů přímo u stroje. Řešením je grafická podpora obsluhy stroje, kdy není psán NC program, ale pracovní technologické postupy jednotlivých operací jako: vyvrtávání, obrábění tvaru… Postup vyplňování tabulky je tvořen pevným cyklem pracovní operace. Mezi největší výhody dílenského programování patří schopnost zhotovit plán bez potřeby zkušeného pracovníka, postup jakým způsobem se bude používat nářadí, zobrazení daných částí pracovního postupu aj. (Průmyslové

spektrum [online]. 2004)

• GE Fanuc Systém umožňuje jednoduché programování obrábění výrobku. Obsahuje prostředí, které umožňuje uživatele provést od vývoje výkresu až po výrobu dané součástky. 3D simulace pomáhá zkrátit čas nad kontrolou částí programu a tak odstraňuje chyby. Simulátor funguje na standardním PC s platformou Windows®. Části pak takto vytvořených programů se nahrávají do CNC strojů pomocí síťového spojení nebo Flash pamětí. (VALOUCH [online]. 2004)

Obrázek 2: Ovládací panely CNC stroje (Gefanuc [online]. 2008)

21

• Shopmill (Siemens) Systém skládající se z editoru umožňující výpočet různých kontur, 3D sondy měřící hrany díry nebo čepy zobrazují informace a usnadňují lepší kontrolu. Programování je tvořeno specifickými tlačítky znázorňujícími danou činnost. Není nutná znalost různých norem, avšak lze do programu zadávat či mazat speciální příkazy (M-funkce, G kódy). Naprogramovaný stroj udržuje přesnou hierarchii příkazu dle pořadí v programu. Systém přehledně zobrazuje zvolené hodnoty, aktuální simulaci 3D v reálném čase s barevným vyznačením hloubky a další funkce. (Siemens [online]. 2004)

• Shopturn Software ShopTurn je komfortní prostředí pro ovládání a dílenské programování. Uživateli umožní zvýšit efektivitu práce a zkrátit dobu nezbytnou pro přípravu zavedení výroby. ShopTurn je vhodný zejména pro soustruhy s jedním vřetenem, ale podporuje i osu C a protivřeteno. Programuje se prostřednictvím grafického rozhraní metodou krok za krokem, s jednoduchou možností editace. Programovat lze bez znalosti G-kódu, vkládání programovacích bloků DIN/ISO je nicméně možné. Velkou výhodou je možnost využití již hotových programů pro nově vyráběné díly. Problémem nejsou ani chybějící rozměry, protože vestavěná funkce pro výpočet kontury může dopočítat až 50 neurčitých tvarů nebo přechodů. Při programování nebo simulaci jsou údaje na monitoru přehledně uspořádány a jsou neustále aktuální. (Siemens [online]. 2004) Můžeme však konstatovat, že vždy je možno uskutečnit optimalizaci vytvářeného NC programu nebo upozornit na novou funkci řídicího systému. V jednotlivých položkách dialogových oken mohou existovat rozdíly či posloupnosti při NC programování

soustružnických

center.

Problémem

zůstává

programování

soustružnických operací hrubování, dohrubování a dokončování. Základní a patrně nejužívanější cyklus zvaný odběr třísky umožňuje generovat několik rozdílných typů dráhy řezného nástroje vedoucí ke „stejnému“ cíli (obrobku). Ve spojitosti

22

s konturovým editorem lze prostřednictvím tvorby grafických prvků charakterizovat tvar finální součásti, přičemž pro každý z těchto konturových elementů lze dále předepsat např. rozdílnou hodnotu posuvu. Cílená volba zmiňovaných variant umožňuje měnit směr působení silového zatížení řezného nástroje a přizpůsobit výrobu finálního obrobku tvaru i druhu polotovaru (hutní polotovar nebo výkovek či odlitek) a zvýšit tak efektivitu i přesnost výroby. Tuhost řezného nástroje je jedním z limitujících faktorů, který má vliv na kvalitu obrobeného povrchu. Systém ShopTurn proto obsahuje funkce, které k jedné konturové křivce definující finální tvar obrobku, umožňuje provádět hrubování soustružnickým nožem např. s úhlem sklonu vedlejšího ostří -r = 5°. Pro dohrubování prvků zanoření lze definovat odlišný typ nástroje, např. s:r = 32° a dohrubovat pouze části, které řídicí systém stroje v předchozí operaci automaticky rozpoznal, vyhodnotil a neobráběl. Dialogová okna softwaru dále umožňují uživateli měnit hodnoty použitelného maximálního radiálního kroku (šířka záběru) i způsob jak tyto parametry budou systémem aplikovány na tvarové součásti. Tímto způsobem je nepřímo ovlivňován i celkový výrobní čas. Jistá míra pozornosti je věnována i základním cyklům pro výrobu otvorů realizovatelným na CNC soustružnických centrech. Další informace na internetových stránkách. (POLZER [online]. 2009)

• CAPS Systém firmy Mori Seiki, který slouží k efektivnímu ovládání různých typů obráběcích strojů, obsahuje integrovaný ovládací panel MAPPS.

23

Grafickým ovládáním zjednoduší práci obsluhy. Speciální hardware umožňuje

Obrázek 3: MAPPS (Newtech - Divize obráběcích strojů [online]. 2004)

snadnou komunikaci zasíťovaných strojů. s kvalitním displejem a jednoduchou klávesnicí lze snadno nasimulovat 3D model, lze na něm vidět, která část se právě dělá. Model se snadno upravuje a z těchto úprav jsou automaticky generovány G kódy, které lze také měnit. Pokud program poslaný do NC stroje je příliš objemný, rozdělí se na několik částí, které se postupně vykonávají. Software kontroluje všechny činnosti, v případě chyby informují obsluhu. Vše se označí na panelu. (Nenabízíme jen stroje, ale celá řešení 2009)

2.9 Vstupní formáty dat Při tvoření předmětu je vhodné použít systém, který dokáže pracovat s vektorovým popisem objektů. Některé stroje jsou pak schopny tento popis převzít a vytvořit z něho reálný model. Tuto vlastnost mají zejména 3D tiskárny. Ty převedou vektorový 3D formát na několik 2D formátů, které se postupně vyřezávají. Každý z nich má určitou tloušťku a jejich spojením vzniká reálný předmět.

24

Stereolithography (STL) Jedná se o formát souboru používaných v CAD systémech a popisujících 3D objekty. Je vhodné zejména pro rychlé protypování nebo pro výrobní zařízení napojených přímo na počítač. Popisuje pouze geometrický povrch objektu, jako jsou: bod, čára, křivka a automaticky vynechává jakékoliv textury, zastoupeni barev nebo jiných vlastností objektů. Myšlenka systému souboru byla taková, že se definuje model, který je složený z trojúhelníkových ploch, které tvoří mnohostěny. Ten lze pak rozkrojit v horizontálním nebo vertikálním směru. Tím nám vzniká seznam „Faseta (facet)“ údajů, který obsahuje 12 položek, kde daný mnohostran je určen třemi body a vektorem. Existují dva typy formátu: 1. ASCII, který může uživatel měnit v libovolném textovém editoru, avšak kvůli velikosti souborů je takřka nemožné ručně popisovat objekt 2. Binární, který má menší velikost a navíc může obsahovat barvy jednotlivých stěn.

• Pravidla 1. Trojúhelníková plocha rozdělená na vnitřní a vnější. Vnější plocha musí být umístěna čelem k nám. 2. Každý trojúhelník sdílí dva vrcholy přilehlého trojúhelníku, tzn. že hrana jednoho trojúhelníku se musí shodovat s hranou jiného trojúhelníku. 3. Všechny trojúhelníky musí být umístěné v kladných souřadnicových osách

• Binární Tento formát je na rozdíl od formátu ASCII menší velikosti. Záhlaví souboru obsahuje 80 znaků. Pak je vyhrazeno místo na 4 bitové integerové číslo, které udává počet trojúhelníkových stěn. Následující údaje popisují trojúhelník. Ten je tvořen dvanácti 32

25

bitovými čísly podobně jako ASCII formát a dále má rezervováno 16 bitů. Některé editory přidávají barvu právě do těchto bitů. VisCAM / SolidView 1. Systémy VisCAM a SolidView používají posledních dvou rezervovaných bajtů pro barvu, tak že rozřadí barvy do RGB kanálů: 2. bit 0 až 4, jsou úrovně intenzity pro modrou 3. bit 5 až 9 jsou úrovně intenzity zelené barvy 4. bit 10 až 14 jsou úrovně intenzity pro červenou 5. bit 15 značí platnost barvy. 1, = pokud je, barva je platná 0,= pokud je, barva není platná Magics Systém Magics využívá záhlaví souborů, kde definuje celkovou barvu daného objektu a to tak, že za výskytem řetězce „COLOR=“ a za ním čtyři bajty pro barvy (RGB) a průhlednost. Dále pak může obsahovat „MATERIAL=“ který je určen (3x4 bajty). První čtveřice určuje difúzní odraz, další spektrální zvýraznění a poslední okolní světlo. Magics používá rezervované bajty podobně jako Systém VisCAM a SolidView, jen s výjimkou 15 bitu, které značí „0“ = zda má svou jedinečnou barvu a materiál, nebo „1“ zda se použije jiná barva. (GABRIEL [online]. 2008)

• ASCII Tento typ formátu se používá pro režim ladění nebo pro přenos 7bitových kanálů. Lze jej jednoduše upravovat v kterémkoliv textovém editoru.

26

solid name facet normal n1 n2 n3 outer loop vertex v11 v12 v13 vertex v21 v22 v23 vertex v31 v32 v33 endloop endfacet endsolid name

Příklad 2: Část souboru STL

Zařízení čte celý soubor a vykresluje každý trojúhelník zvlášť do té doby, dokud nenarazí na konec souboru.

• Uplatnění STL Stereolithography jsou v podstatě 3D tiskárny, a proto se zde nejlépe uplatňuje tento formát. Má výhodu, že rozřezáním do vrstev nám vznikne hranice, kde se má vyskytnout materiál. Výhoda STL je, že lze k němu naprogramovat jednoduchý software a není potřeba složité hardwerové vybavení. Nevýhodou je, že se soubor může považovat za tabulku, ve které se často objevují nadbytečné informace a několikanásobně tak zvyšují velikost souboru oproti jiným formátům. (CUKURAS [online]. 2008)

Drawing Interchange File Format (DXF) Je podobně jako formát STL rozčleněn na binární DXB a ASCII, který má z pravidla koncovku DXF. Byl vyvíjen firmou AutoDesk. Účelem bylo, aby pomocí tohoto formátu mohly komunikovat různé aplikace mezi sebou.

27

• Složení souboru Soubor je rozdělen do několika oblastí, každá oblast začíná identifikátorem a končí značkou konec oblasti. Mají pevné pořadí. Tabulka 3: Oblasti souboru

Jméno oblasti

HEADER

CLASSES

TABLES

BLOCKS

ENTITIES

OBJECTS

THUMBNAILIMAGE

Význam hlavička

s uloženými

proměnnými,

které

popisují

důležité

informace o výkresu i konfiguraci programu, který soubor vytvářel informace o třídách vytvořených v CAD programu; tato sekce se objevila až v novějších verzích DXF. různé tabulky: styly čar, styly výplní, textové styly, definice pohledů, nastavení kótování atd. v této sekci jsou uloženy takzvané bloky, tj. entity sloučené pod jeden identifikátor většinou jde o objemově nejobsáhlejší sekci, která obsahuje zápis jednotlivých grafických entit, včetně vkládání bloků do výkresu informace o negrafických entitách, které se používají například při skriptování (AutoLISP atd.) v této části (pokud je přítomna) je umístěn náhled na výkres; ten se například používá v dialogu pro načtení výkresu

EOF (END OF FILE) konec souboru, zde již nejsou umístěna žádná data (Tišnovský [online]. 2007) Mnoho typů grafických entit, které se mohou v souborech typu DXF vyskytovat, je určeno především pro tvorbu klasických 2D výkresů. Souvisí to jak se zavedenou praxí (3D výkresy se používají méně často, než by mohlo být na první pohled patrné -

28

například na "efektní" obrázky v reklamách na CADy), tak i s historií tohoto formátu, který byl od své první varianty určen především pro potřeby komunikace s AutoCADem, jenž v prvních verzích s trojrozměrnými modely pracovat nedokázal. Další verze AutoCADu nejprve přinesly možnost tvorby 2,5D výkresů, kde se mohla vybraným entitám přiřadit výška a vzdálenost od plochy z (+ změnit souřadný systém, takzvaný UCS), přes tvorbu parametrických 3D ploch až po plnohodnotné objemové modelování. S rostoucími možnostmi AutoCADu ohledně prostorového modelování se postupně rozrůstaly i grafické entity, které se v těchto výkresech používají. Základní "3D entitou" je obyčejná úsečka (LINE), kterou je možné použít pro tvorbu drátových modelů (wireframe), tj. modelů neobsahujících plochy, ale pouze hrany a vrcholy. Tím ale možnosti úsečky nekončí – v některých případech se 3D úsečka používá jako pomocný konstrukční prvek (posléze neviditelný), na jehož koncové body se navazují například koncové body ploch, jejich řídicí body apod. Neviditelnost je v CAD systémech možné zabezpečit velmi jednoduše: příslušná hladina s pomocnými entitami se prostě vypne, takže se v modelu žádná z těchto entit neobjeví. Plnohodnotné trojrozměrné povrchy je možné skládat z entity typu 3DFACE, což není nic jiného než trojúhelníková či čtyřúhelníková ploška. Pomocí této entity lze v DXF souborech mezi různými programy přenášet prakticky libovolný tvar rozložený většinou na trojúhelníky (čtyřúhelníkové plošky jsou v praxi méně časté). Vážnou nevýhodou rozložení původního povrchu na trojúhelníky zůstávají značně objemné DXF soubory. Podobný význam jako 3DFACE má entita SOLID, tj. deska určená buď třemi body (trojúhelník) nebo body čtyřmi. Další podporovanou 3D entitou je varianta entity POLYLINE, pomocí které se vytváří plochy, například B-spline plochy či Bézierovy plochy. Rozhodnutí, zda je touto entitou popsána polyčára či 3D plocha je provedeno na základě příznaků (flags) uložených ve skupině 70 (implicitní hodnota je 0, tj. pol 3yčára).

29

Tabulka 4: Typy objektů

Jméno entity

Význam

3DFACE

ploška určená třemi body (trojúhelník) nebo body čtyřmi

SOLID

podobné entitě 3DFACE, většina programů tuto entitu negeneruje

POLYLINE

entita použitá při popisu 3D ploch, například Bézierových ploch či B-spline ploch

INSERT

blok složený z jedné i více entit se často používá i v 3D výkresech, může sloužit k hierarchickému popisu scény

(Tišnovský [online]. 2007)

• DWG Nástupcem DXF by se dal nazvat DWG, který byl vyvinut pro systémy AutoCAD. Díky své velké podobě s formátem DXF se považuje za standard. To je příčina, že je používán takřka ve všech vektorových editorech. Jelikož firma AutoDesk, která tento formát vyvíjí, jej neuveřejnila, není kompatibilita formátů zaručena. Díky Open Design Alliance vzniká projekt OpenDWG, který metodou zpětného inženýrství tvoří soubory DWG. Vznikají tak dva formáty, které se mohou lišit. Formát firmy AutoDesk má označení TrustedDWG. Nezisková organizace Open Design Alliance má popsaný a definovaný formát s označením OpenDWG. Tento formát je všem dostupný (The OpenDWG Alliance [online]. 2000)

30

2.10 Závěr V oblasti systémů CAD/CAM dochází k neustálému vývoji a inovacím, které jsou podněcovány nejen rozvojem informačních technologií a technologickým pokrokem, ale také stále rostoucími požadavky na zkvalitnění a zpřesnění konstrukčních a výrobních procesů, stejně tak jako vysokými požadavky na kvalitu a efektivitu práce. V budoucnosti lze očekávat rozvoj a stále rostoucí počet uživatelů CAD/CAM systémů. Vyvíjí se vhodné formáty pro popis objektů. Díky technickému pokroku lze předpokládat brzkou dostupnost těchto systémů všem uživatelům.

31

3 Metodika a vlastní práce K vlastní práci budou použity níže popsané programy společně s porovnáním dat a způsobů zadávání do stroje a s popisem jejich vlastností a vhodnosti použití. 1. Solid Works - je součásti CAD/CAM systému. Celá problematika (metoda předávání dat do stroje) bude demonstrována na stroji HEIDENHAIN iTNC 530. 2. Programy AutoCad a Rhinoceros – budou použity pro popis metody a způsobu postupů k docílení výroby 3D modelu.

3.1 CAD systém Solid Works Pro práci v CAD/CAM systému je důležitý vhodný návrh postupu práce. Tento návrh nám vytváří systém Solid Works, který je uživatelsky přívětivý. V něm je integrována podpora pro NC stroj. Výstupními daty tohoto systému pro CNC stroje je přímo G-kód obohacený

sekundárními příkazy.

Ty zaimplementoval výrobce

a slouží pro

zjednodušení výroby.

Postup práce v Solid Works Při tvorbě musí uživatel/konstruktér zvolit přesný postup - jak a co má daný stroj vykonat. Při tom všem kontroluje i ekonomickou stránku – např.:počet upínání dané součástky do stroje. Další -funkční část - obsahuje metody obrábění. Uživatel/konstruktér musí dobře znát vlastnosti stroje, aby se předešlo situaci, kdy bude navržen konstrukčně nemožný postup práce. Proto je dobré před výrobou použít nástroj simulace, která nám ukáže postup výroby a díky ní se zjistí případné chyby nebo neefektivnost práce. Pro tvorbu výstupních dat se používá program Solid CAM, který je integrovanou součásti Solid

Works.

Tento

systém

obsahuje

překladače.

Ty

nám

přeloží

namodelovaný postup do vhodného kódu CNC stroje. Překladač se řídí podle námi vybraného procesoru. Ten vybíráme podle typu CNC stroje a jeho systému. V našem

32

případě byl vybrán PGM procesor. Kód je generován do obyčejného textového souboru. Ten se pak jednoduše přenese pomocí síťového kabelu a vhodného softwaru do CNC stroje.

3.2 3D tisk a vstupní data Příprava dat u 3D tiskáren je jednodušší než u CNC obráběcích strojů. Jejich princip spočívá (viz kapitola 2.6) v nanášení určité hmoty. Nanášení se provádí ve vrstvách. Potřebná data obsahují jen dvourozměrný obraz. Ten určuje, kde se má vyříznout daná hmota. Z toho důvodu nám postačí programy, které mají charakteristiku 2D nebo 2,5D. Pro vlastní práci byly zvoleny programy Rhinoceros, AutoCAD mechanical a Corel Draw, který zastoupí systém 2D. Pro přípravu tisku 3D modelu je třeba namodelovat daný objekt. Z daného modelu přetransformovat data do vhodného formátu. Vstupními daty 3D tiskárny bude vrstvený soubor STD tvořený z údajů o modelu převzatých z Rhinocera a AutoCADu. Ve vlastní práci je popisován vhodný způsob transformace dat do CNC stroje a do 3D tiskárny, dále rozdíly mezi potřebnými daty pro oba stroje, charakteristika obou typů potřebných dat a výhody použití konkrétního stroje.

3.3 Transformace pro obráběcí stroj. Pro tvorbu vstupních dat byl zvolen CAD/CAM systém Solid Works 2007 s obráběcím CNC strojem HEIDENHAIN iTNC 530. Práce v tomto systému se dá rozložit do několika částí. •

Návrh designu objektu ve formě jednoduchého náčrtu na listu papíru byl vymodelován pomoci modelovacího editoru Rhinoceros a z něho byl daný model importován do Solid Works.

33

•

Technický výkres byl vytvořen z importovaného modelu. Na něm pak byly určeny nástroje pro vhodné obrábění. Pomocí metodiky výroby součástky (tj. zvoleného objektu), která vznikne výše uvedeným postupem, Solid Works vygeneruje kód pro daný stroj.

•

Tento kód byl zadán do daného stroje, který následně začal výrobu. Graf 1: Postup práce

34

3.4 Modelování objektů Z jednoduchého náčrtu na listu papíru byl objekt vymodelován v počítači. V editoru Rhinoceros bylo zvoleno modelování malých objektů. Formát měřítka byl nastaven na milimetry. Objekt - křeslo – byl tvořen pomocí několika základních menších jednoduchých objektů. Při modelování pro CNC stroje se musíme vyhnout určitým typům funkci - jako je například rozdělení ploch nebo stříháni. To proto, abychom předešli nesrovnalostem v cílovém souboru. Všechny části modelu byly sjednoceny do jednoho celku. Ten byl importován pomocí zásuvného modelu, který je k dispozici na stránkách Rhinoceros, do Solid Works. Při exportování souborů do tohoto systému byly určeny: souřadnicový systém, body počátku a verze systému.

Obrázek 4:Navržený model v Rhinoceros

Výkres dílu Na importovaném modelu z Rhinoceros byl charakterizován princip výroby. Jako první byl zvolen materiál výrobku. To proto, že se od tohoto materiálu odvíjí i nástroje, které je možné použít. Jako nejvhodnější byla zvolena ve Feauture manageru - ocel prostá uhlíková. Byl vytvořen nový objekt, který měl přibližně stejné rozměry. Ten byl vsunut do modelu křesla. Na tento model byly použity různé typy obrábění pomocí funkcí

35

v Rhinoceros. Na objektu byl určen nulový bod obrobku, tj. bod odkud se obrobek začne obrábět. Dále byly zvoleny upínací plochy – plochy, které nemohou být obrobené. Obrobek se musí vícekrát upínat a tak se obrábět na několikrát. Pomocí nástroje frézky byl obrobek vyvrtán na požadovaný model. Takto vyvrtaný model je již možné s pomocí nástrojů nasimulovat a případné chyby doopravit. Pomocí nabídky byl navolen postprocesor PGM, který vytvoří kód pro daný typ stroje - HEIDENHAIN iTNC 530,

3.5 Popis dat pro CNC obráběcí stroj Integrovaný systém Solid CAM přeloží postup zvolené práce na modelu a výsledkem je vznik ISO souboru pro daný stroj. Tento soubor je možné editovat a prohlížet v libovolném textovém editoru. Soubor má označení h jako (diry.h). Pro příklad popisu dat bude použito jiné obrábění, které je složeno z vyvrtání několika děr.

Obrázek 5: Výroba

36

0 BEGIN PGM DIRY MM 1 ;TOOL D-10 R-90.000 2 TOOL CALL 1 Z S1000 3 ; -- NAVRTAVAK -4 CALL PGM 99U 5 L X+43 Y+11.485 FMAX 6 L Z+20 R0 FMAX M03 7 L Z+2 R FMAX M08 8 CYCL DEF 203 UNIVERSAL DRILLING ~ Q200=2.000 ~ Q201=-4.000 ~ Q206=+33 ~ Q202=1.000 ~ Q210=0 ~ Q203=+0 ~ Q204=+20 ~ Q212=0.000 ~ Q213=5.000 ~ Q205=0.000 ~ Q211=+0 ~ Q208=2000 ~ Q256=0.2 9 CYCL CALL M 10 L Z+20 R F MAX 11 L X+0.625 R F MAX 12 L Z+2 R F MAX M99 13 L Z+20 R F MAX 14 L X-41.75 R F MAX 15 L Z+2 R F MAX M99 16 L Z+20 R F MAX 17 L Z+200 R FMAX 18 L X+0 Y+0 R FMAX 19 M2 20 END PGM DIRY MM Obrázek 6: Přiklad souboru díry.h

Stroj byl s počítačem propojen pomocí síťového rozhraní. Pomocí jednoduchého manageru se pak počítač na daný stroj napojil a umožnil tak jednoduše nakopírovat soubor do stroje. Potom stačilo přijít ke stroji, kde se pomocí jednoduchých povelů zobrazil daný soubor. Ten je možno i na stroji otevřít a následně upravovat. Zobrazovací display ukazuje, který příkaz se aktuálně provádí. Dále i frontu následujících příkazů.

37

Obrázek 7: Display a ovládací panel CNC

Pro daný stroj začínají aktuální příkazy příkazem BEGIN. Za ním následuje typ systému a po něm daný soubor. Všechny řádky jsou očíslované a díky tomu je celý systém přehlednější. Použitím středníku lze vkládat poznámky. V našem případě jsme poznačili, že se bude jednat o navrtávání děr. Pro zjednodušení se hned volá systém s jeho výrobními funkcemi. Příkaz CALL PGM 99U značí přesný typ překladače. Za ním následují už příkazy pro konkrétní model. Zde lze dopisovat i příkazy v G kódu. Při takovém psaní by byla nevýhoda ta, že by daný kód několikanásobně vzrostl. Proto systém používá jen funkce L, které volají určité podprogramy. V příkazech se mohou vyskytnout cykly, které zjednodušují práce a usnadňují orientaci. Automaticky se vygenerují vhodné cykly. Jak je vidět na obrázku 2 u cyklů už nejsou číslované řádky, daný cyklus se provádí jako jeden příkaz. Na konec se použije standardní ukončení programu příkazem M2. Za ním následuje ukončení činnosti příkazem END.

38

3.6 Data pro 3D tiskárny Informace potřebné pro 3D tiskárnu se skládají z popisu objektu. Ten je rozdělen vertikálně do několika vrstev. Tloušťka vrstvy určuje přesnost modelu. Tj. čím slabší je vrstva, tím jemnější je výstupní model. Tiskárna může být připojena přímo k počítači pomocí síťového kabelu nebo USB rozhraní. Přijímá soubory systémů 2D; 2,5D. Vyšší systémy mají možnost integrované podpory tisku.

Příprava virtuálního modelu Model byl převzat z předchozího případu a musel být vhodně upraven. Pro potřebu 3D tisků se používají různé zásuvné modely od výrobců, které podle modelu vytisknou danou součást. Rhinoceros se tak jeví jako vhodný pro použití při tvorbě 3D modelu, protože tiskárny pracují s parametrickou geometrií založenou na polygonu geometrii. Proto je důležité mít výstupní soubor správně upravený pro danou tiskárnu. Ten může být buď obecný .stl nebo pro danou tiskárnu firmy z Corporation je to „.ZPR.“ Pro přípravu tisku je potřeba s modelem provést různé operace a diagnostiky. Jelikož pro výstupní soubor stl musí být model uzavřen (vodotěsný), musí se kontrolovat jeho těsnost. V Rhinoceru byl zvolen tento postup kontroly: z příkazového řádku byl zadán příkaz UnifyMeshNormals, který entity modelu navzájem sjednotí, potom byl použit SelNakedMeshEdgePt - ten nachází na takto upraveném modelu nespojené hrany. Při tvorbě vodotěsného objektu bylo postupováno takto: 1. Výběr objektů, které je potřeba spojit a v nabídce úpravy je vybrán příkaz spojit. 2. Tímto spojením je dosaženo označení objektů pro spojení, výsledkem jsou entity navazující na sebe. 3. Je vybrán tento nový objekt a v nabídce nástrojů zvoleno 3D digitizér, a pak vybrán spoj.

39

4. Následně je zvolena úhlová tolerance v nabídce na 180. 5. Znovu jsou zvoleny z nabídky nástroje 3D digitizér a vybírány Rovinné řezy. Tím je dosaženo toho, že objekty mají stejně orientované vektory. 6. Na konec je zkontrolováno příkazem SelNakedMeshEdgePt, zda hrany jsou spojené. Pří exportováni daného modelu do stl formátu převádí Rhinoceros NURBS objekty (Non-uniform rational B-spline) na polygony - nejčastěji trojúhelníky. Pokud se vyskytne některý objekt, který není uzavřený a vodotěsný, nelze vytvořit plnohodnotný stl soubor. Program se přesto zeptá, zda má daný model exportovat. Toleranci pro převod můžeme nastavit v soubor/vlastnosti/vlastnosti dokumentu/jednotky stránky, kde se ale neovlivní export do formátu. Ten lze změnit v dialogovém okně, které lze vyvolat ve vlastnosti při exportu do daného formátu. •

Nastavování vlastnosti při exportu:

•

Vybrat skupinu objektu, které chci exportovat do daného formátu

•

Zadat maximální úhel mezi dvěma objekty, kde má přijít k jejich spojení.

•

Při exportu se ovlivňuje textura objektů, která se do daného formátu nepromítá Pro

3D

tisky

lze

také

doinstalovat

zásuvný

modul

a to

z nabídky

soubor/vlasnosti/vlasnosti dokumentu. Byl použit z Corp Zprint, který nainstalujeme tak, že ze stránek výrobce stáhneme danou utilitu, kterou v dialogovém okně vybereme a nainstalujeme. Díky tomu máme možnost tisknout 3D model přímo z Rhinoceros (Obrázek 8: Zásuvné moduly). Model přesto musí byt upravený a „vodotěsný“. Výroba modelu závisí na typu tiskárny, kde může přijít model i na 20Kč za 1cm. Nejlevnější tiskárny lze pořídit už od 150 000 Kč. Do budoucna lze předpokládat, že tyto tiskárny začnou být součástí i nových domácností.

40

Obrázek 8: Zásuvné moduly

• Popis dat Pro popis objektů lze použít velké množství formátů. Tyto formáty lze rozdělit podle popisů, které v sobě uchovávají informace o objektu. To určuje i různé způsoby vykreslení a také i použití daného formátu.

DXF Pro základní informaci o objektu je vhodné použití formátů DXF, který zůstává přehledný i přes svou rozsáhlost. Formát lze adaptovat i do různých konstruktérských a modelovacích programů. Lze z něj také snadno převzít data a použít je ve vlastním programu. Je vysoce flexibilní a díky tomu se dá snadno konvertovat do formátu pro 3D tiskárny.

41

0 SECTION 2 HEADER 9 … SECTION 2 ENTITIES 0 LWPOLYLINE 5 25 100 AcDbEntity 8 Vrstva 1 370 5 100 AcDbPolyline … ENDSEC 0 EOF Obrázek 9: Části souboru DXF

Princip zobrazováni údajů v souboru je popsán pomoci entit, za nimiž jsou jejich rozměry. Typy entit, které se mohou vyskytnout v daném souboru záleží na tom, zda se jedná o 2D či 3D typ. Obecně soubor může obsahovat body, přímky, křivky, oblouky, kružnice, plochy. Obyčejný soubor obsahující informace o krychli se pomocí tohoto formátu může rozrůst do neuvěřitelných rozměrů. Proto je soubor rozdělen do SECTION, kde každá sekce obsahuje různé podsekce s různými údaji o daném modelu. Pro 3D modely je jedna z důležitých sekcí ENTITES, která definuje objekty výkresů nebo modelů. V případě vlastního výrobku byl použit LWPOLYLINE, který definuje mnohostěn a následující údaje představují jeho maximální rozměry. AcDbEntity 8 určuje počet bodů, kterými je tvořen daný objekt. AcDbPolyline dává údaje už o konkrétních

42

plochách, včetně jejich rozměrů. Údaje v souboru jsou ukončené ENDSEC a pak zpravidla následuje ukončení souboru EOF.

Výroba modelu Graf 2: Postup 3D tisku

Výroba na 3D tiskárně se skládá z několika částí. 1. Návrh objektu - daný objekt je navržen na papír a je určeno, z čeho bude výrobek zhotoven. Rozměry objektu jsou charakterizovány jako základní informace. 2. Modelování - Náčrt byl namodelován v Rhinoceru. 3. Sváření – úprava modelu pro převod probíhá jeho „svářením“. Tím byl vytvořen vodotěsný model. 4. Převedení - Upravený model byl převeden do vhodného formátu a exportován do dané tiskárny. 5. Příjem vstupních dat – tiskárna ZPrinter vzala do fronty daná data. Její postprocesor data charakterizoval. 6. Diagnóza – Charakterizovaná data pak převedl na vrstvy 2D návrhů, kde se vytyčila místa pro tisk dané hlavy. 7. Tisk – Podle návrhu probíhal tisk vrstev, které se mezi sebou slepovaly.

43

4 Hodnocení a závěr Potřebné informace pro CNC stroje se liší podle typu stroje. Obráběcí stroje potřebují informace o popisu výrobku, o způsobu obrábění, typu nástroje a jeho vhodnosti. Konstruktér tvořící tato data musí byt zkušený, aby se nestalo, že navržený výrobek nelze reálně obrobit. Dále je zde důležité brát na vědomí i dobu výroby, jelikož provoz stroje je nákladný. Doba provozu bývá jednou z nejdražších položek výroby.

4.1 Výsledky Data, která se do obráběcího stroje dostávají, jsou zpravidla vygenerována ISO příkazy daného stroje definující obrábění. U 3D tiskáren se data liší, jelikož tiskárny pracují na principu vrstvení – tzn., že vytisknou daný objekt ve 2 rozměrech a teprve potom daný objekt spojí s dalším. Přesnost takto vytvořených modelů a výrobků závisí na schopnosti dané tiskárny v tvoření vrstev. Potřebná data pro tuto tiskárnu jsou v podstatě 2D výkresy vrstev, které určují místa zaplňovaná materiálem a místa volná bez materiálu. Ty získáváme z vodotěsných modelů, které se převedou do vhodného formátu popisující oblasti objemu. Mezi tyto formáty patří STL, konkrétní výrobci pak mají i své formáty jako ZPR od firmy Zcorp. Pro vzájemnou komunikaci mezi vektorovými editory se používají DXF a DWG formáty, ve kterých jsou grafická data popsána vektorově. Tyto formáty jsou považované za standard v předávání CAD informaci. Popis souborů dat lze tak využít i v jiných odvětví softwarového průmyslu.

44

4.2 Závěr Práce podává přehled problematiky získávání a zpracování dat pro počítačem řízené (CNC) stroje. Hlavní cíl práce – aplikace obecného postupu transformace dat pro tyto stroje - byl splněn. Z prostudovaných zdrojů byla vytvořena metodika, která byla použita pro zhotovení vlastního výrobku na vybraném typu CNC stroje. Navíc byl vytvořen vlastní obecný model postupu transformace, který se dá použít a vložit do jiných programů a usnadní práci jiných počítačových odborníků. Z výsledků práce vyplývá, že transformace dat do CNC strojů pomocí CAD/CAM systémů lze rozdělit do dvou kategorií, počítačem řízené obráběcí stroje a počítačem řízené tvářecí stroje. Z principu činnosti těchto různých typů strojů vyplývá i potřeba různých typů dat. Data pro obráběcí stroj jsou reprezentována ve formě G-kódů; data pro jeden z typů tvářecího stroje – 3D tiskárnu-formou STL. Stroje první kategorie jsou již několik desetiletí používány ve velkých podnicích, nicméně v současnosti se dostává jejich využití i do podniků menších rozměrů. Tvářecí stroje o něco rychleji postupují k menším uživatelům, jejich využití se přesouvá na úroveň menších firem a do budoucnosti se plánuje přechod i na použití v domácnosti. Na podkladě CAD/CAM systémů navržených v bakalářské práci může dojít k usnadnění tohoto přechodu využití strojů i pro jednotlivce. Problematika popisovaná v této práci bude tedy nacházet uplatnění i do budoucna.

45

5 použité zdroje 1

TIŠNOVSKÝ, Pavel . Informace uložené v souborech typu DXF. Root.cz [online]. 2007 [cit. 2009-03-10]. Dostupný z WWW: .

2

EOS Electro Optical Systems [online]. 2006 [cit. 2009-03-15]. Dostupný z WWW: <www.eos.info>.

3

Z Corp [online]. 2009 [cit. 2009-03-05]. Dostupný z WWW: <www.zcorp.com>.

4

3D Printing by Objet Geometries Ltd [online]. 2009 [cit. 2009-03-07]. Dostupný z WWW: <www.2objet.com>.

5

VLÁČILOVÁ, Hana. Základy práce v CAD systému SolidWorks. Brno : Computer Press, 2008. 310 s. ISBN 80-251-1314-0.

6

Stratasys Inc. | Fortus 3D Production Systems - Dimension 3D Printers - RedEye On Demand Services [online]. 2009 [cit. 2009-05-02]. Dostupný z WWW: .

7

3D Printers [online]. 2009 [cit. 2009-03-07]. Dostupný z WWW: .

8

ŘASA, Jaroslav. Nekonvencni metody obrabeni 10 dil [online]. 2008 [cit. 2009-04-02]. Dostupný z WWW: .

9

Welcome to Solido [online]. 2007 [cit. 2009-02-16]. Dostupný z WWW: <www.solidimension.com>.

10 ŠTULPA, M. CNC obráběcí stroje a jejich programování. Brno: Ben, 2008. 120 s. ISBN 80-7300-207-8.2.

46

11 ŽÁRA, J. Moderní počítačová grafika. Brno: Computer press, 2004. 609 s. ISBN 80251-0454-0.3. 12 BRANDEJS, J. -- SVOBODA, P. -- PROKEŠ, F. Základy konstruování. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2008. 325 s. ISBN 978-80-7204-584-6. 13 Historie dlouhá 45 let. Průmyslové spektrum [online]. 2005 [cit. 2009-05-03]. Dostupný z WWW: . 14 HAVLÍK, Radek. Programování a řízení CNC strojů. [s.l.] : [s.n.], 2005. 96 s. Dostupný z WWW: . 15 KILLER, Petr. Programování a řízení CNC strojů [online]. 2005 [cit. 2009-03-03]. Dostupný z WWW: . 16 POLZER, Aleš. Jak lze vytvořit... [online]. 2005 [cit. 2009-02-02]. Dostupný z WWW: . 17 Dílenské programování. Průmyslové spektrum [online]. 2004 [cit. 2009-04-08]. Dostupný z WWW: . 18 VALOUCH , Jaromír . Vylepšené dílenské programování [online]. 2004 [cit. 2009-04-19]. Dostupný z WWW: . 19 CNC řídicí systémy od Fanuc GE. [s.l.] : [s.n.], 2007. 8 s. Dostupný z WWW: . 20 Frézování a vrtání s programem ShopMill [online]. 2004 [cit. 2009-01-01]. Dostupný z WWW: .

47

21 POLZER, Aleš . CNC programování prakticky ShopTurn Open verze 06.04. Technický týdeník [online]. 2009 [cit. 2009-03-20]. Dostupný z WWW: . 22 Siemens se představí na Mezinárodním veletrhu obráběcích a tvářecích strojů [online]. 2004 [cit. 2009-01-15]. Dostupný z WWW: . 23 Newtech - Divize obráběcích strojů [online]. 2009 [cit. 2009-04-04]. Dostupný z WWW: . 24 Nenabízíme jen stroje, ale celá řešení. Průmyslové spektrum [online]. 2004 [cit. 200901-08]. Dostupný z WWW: . ISSN 020916. 25 CUKURAS, Romualdas . STL Format [online]. 2008 [cit. 2009-03-12]. Dostupný z WWW: . 26 GABRIEL, Jiří. Analýza vstřikování Cadmould. Technický týdeník [online]. 2008 [cit. 2008-03-03]. Dostupný z WWW: . 27 The OpenDWG Alliance. AutoCAD R13/R14/R2000 DWG File Specification. [s.l.] : [s.n.], 2000. 140 s. Dostupný z WWW: . 28 Cross-CNC Technologie [online]. 2008 [cit. 2009-05-25]. Dostupný z WWW: .

48