OPTIMIZACIJA CNC TEHNOLOGIJE PRI IZDELAVI UMETNIŠKEGA

71Les/Wood, Vol. 69, No. 2, December 2020

OPTIMIZACIJA CNC TEHNOLOGIJE PRI IZDELAVI UMETNIŠKEGA IZDELKAOPTIMIZATION OF CNC TECHNOLOGY IN THE MANUFACTURING

PROCESS OF AN ARTISTIC PRODUCTKatarinaRemic1,MiranMerhar1*

UDK674.057:004.896Izvirniznanstveničlanek/Originalscientificarticle

Prispelo/Received:30.10.2020Sprejeto/Accepted:20.11.2020

Vol.69,No.2,71-81DOI:https://doi.org/10.26614/les-wood.2020.v69n02a05

Izvleček / Abstract Izvleček: V delu smo izvedli analizo optimizacije procesa obdelave umetniškega lesenega izdelka (okvir ogledala) na 3-osnem CNC stroju. Iz grafične slike smo najprej v programu ArtCAM izdelali 3D model, triangulirali njegovo površino in ustvarili STL datoteko. To smo naložili v program SolidWorks, kjer smo z njegovim dodatkom SolidCAM določili pa-rametre obdelave. Grobo obdelavo smo določili z operacijami HSR (high speed roughing), fino pa s HSM (high speed machining). Posamezne operacije smo primerjali in ugotovili, da bi najkrajši čas obdelave pri najboljši kvaliteti dobili pri izbiri HSR operacij »Contour Roughing«nato »Rest Roughing«terHSMoperacije»3DConstant Step Over«, znašal pa bi 4 ure in 1 minuto. Izdelano kodo smo preverili s simulacijo izdelave ter na koncu izdelali G kodo za naš izdelek.

Ključne besede: CNC, les, pohištvo, rezkanje, SolidCAM, SolidWorks

Abstract: The work analyses the optimisation of the manufacturing process of an artistic wooden product (mirror frame) with a 3-axis CNC machine. The 3D model was first made in ArtCAM, from where the STL file was later uploaded to SolidWorks. The parameters for the HSR (high-speed roughing), and HSM (high-speed machining) operations were determined in SolidCAM. The findings show that a combination of operations from HSR and HSM are the best choice, considering the shape of the model and the capabilities of the machine, as the best ratio between the quality of the surface and the time needed for the operation is provided by these. Operations differ with regard to the tool path and parameters that can be adjusted. The operations were compared and the best results are achieved when the HSR operations “Contour Roughing” and then “Rest Roughing” are used and when the HSM operation “3D Constant Step Over” is used, where the machining time amounted 4 hours and 1 minute. Finally the G code was made for our product.

Keywords: CNC, wood, furniture, milling, SolidCAM, SolidWorks

1 UniverzavLjubljani,Biotehniškafakulteta,Oddelekzale-sarstvo,Jamnikarjeva101,1000Ljubljana,SLO

* e-pošta:[email protected]

1 UVOD1 INTRODUCTION

Rezbarjenopohištvojebiloskozistoletjasim-bol spretnosti izdelovalca (Auslander, 1998), kva-litetapovršinepa jebilaodvisna tudioduporabl-jenedrevesnevrste(Merharetal.,2020).Takšnihmojstrov danes skoraj ni več, po drugi strani paročno rezbarjenje zahtevaogromno časa. Pojavilase je polavtomatizirana rešitev: rezkanje na CNC(Computer Numerical Controlled) stroju. Večos-ni računalniško krmiljeni (CNC) stroji omogočajoizdelavopodobnihumetniškihizdelkovinstilskegapohištva, za svojedelovanjepapotrebujejoG-ko-do. To lahkogeneriramo sCAM (ComputerAidedManufacturing)programskoopremo,pričemerdo-ločimo obdelovalne operacije, tako da je izdelava

čimboljoptimalna,kvalitetaobdelanepovršinepačimboljša(Koledaetal.,2019;Merharetal.,2019;Jovanović et al., 2020). Operacije se razlikujejogledena vrsto in zahtevnost izdelka. Z izbiro pra-vih operacij ustvarimo primerno G-kodo, stroj panam izdela lep, kakovosten izdelek (Balič&Paho-le,2008).Problemse lahkopojavi,kadarnimamonavoljoustreznegaoz.primernegaračunalniškegamodelaalipajetaneustreznekvalitete.Zatojepo-trebnoskrbnopripravitiračunalniškimodelizdelka,kigaželimoizdelati.

Stereolitografirane datoteke (STL) so bilerazviteznamenomolajšanjahitreizdelaveproto-tipovinsokmalupostaleaktualnevmodeliranju(Rypl & Bittnar, 2006). STL modeli predstavljajotrianguliranopovršinooz.mejotelesa.Algoritmi,kiustvarijotrikotnike,sozelonatančni,vendarpanastalimodelnigeometrijskoidentičenizhodišču.Površina namreč ni sestavljena iz krivin in kom-pleksnih geometrijskih oblik, ampak iz ogromno

72 Les/Wood, Vol. 69, No. 2, December 2020

Remic,K.,&Merhar,M.:OptimizationofCNCtechnologyinthemanufacturingprocessofanartisticproduct

majhnih trikotnikov.Pogostose takšnatriangula-cija uporablja primetodi končnih elementov, pritem reguliramo in spremljamo kakovost trikotni-kovtako,daupoštevamodolžinostranictrikotni-ka.Zahtevanakvaliteta jeodvisnaodprimeradoprimera(Béchetetal.,2002).Velikokratsezgodi,dajepovršinaizdelanaizprevelikihtrikotnikov,kiso najbolj problematični, saj ne zagotavljajo za-dostne kakovosti površine. V takšnih primerih jepotrebno »glajenje« oziromamanjšanje trikotni-kov. Površina se razdeli na manjše interpoliranepodenote, kar imenujemo »Butterfly scheme«.V zadnji fazi rekonstrukcije se generira mreža(»mesh«),ki josestavljajoobčutnomanjši trikot-niki(Rypl&Bittnar,2006).

Nadgradnja programa SolidWorks je mogočazdodatkomSolidCAM,ki jenamenjennačrtovan-justrojniškeobdelaveterizdelaviGkode.Gledenamodel, ki ga želimoobdelati, izberemo stroj, potiobdelave in vrsto rezkalnegaorodja. Programpo-nuja različne možnosti obdelave z različnimi ob-likami orodij (FaceMill, Bull NoseMill, EndMill,LollipopMill, Ball NoseMill, TaperMill, SlotMill…).PriobdelaviSTLmodelovseuporabljajoopera-cije »iMachining«, ki avtomatizirano ustvarja potigibanjaorodja,dadosežemočimvečjoučinkovitostobdelave. iMachining zajema operaciji HSR (HighSpeed Roughing) in HSM (High SpeedMilling) za3-osneCNCstrojeinstrategijeza5-osneCNCstro-je. Pred začetkom moramo definirati geometrijo(tridimenzionalen model, ki ga želimo obdelati),orodje(ustvarimoinshranimolahkopoljubnošte-vilo orodij, ki jim določimo parametre), omejitve(mejarezkanja),prehode(globinaodvzema),načinprehajanjaingibanjaorodjaterdodatnespecifika-cije,kisovezanenavrstoizbraneoperacije(Solid-CAM,2015).

Namen raziskave je preučiti tehnološke pos-topkeobdelavestilskegaokvirjaogledalater izde-latitridimenzionalen(3D)računalniškimodel,zanjizbratiprimerneoperacijeoz.kombinacijeoperacijtergeneriratiG-kodo,skaterobilahkoizdelalinašizdelektudinaCNCstroju.Šeposebejsmoseosre-dotočilinaizdelavoustreznegaračunalniškegamo-dela izdelka ter izbiro pravih operacij, kar nam jeslužilokotosnovazaizdelavoGkode.

2 MATERIAL IN METODE2 MATERIALS AND METHODS

Izhodiščno sliko stilskega okvirja ogledala, kije bilaHD (HighDefinition) resolucije, smoodprlivprogramuAdobePhotoshopCC,innajprejdodali»Layer«črnebarve,muizbrisali»LayerMask«ingahierarhičnoumestilipodizhodiščnosliko.Natosmozorodjem»QuickSelectionTool«natančnoozna-čiliozadje inpazili,dapri temneoznačimodelovokvirja. Izbrali smo »Select Inverse« in nato pra-vilnostoznačenegadelapreverilisukazom»QuickMask«.ProgramArtCAMglobinemodeladoločaposistemubarv.Kerčrnabarvapredstavljaglobino0mm,smomoraliozadjuspremenitibarvovenotno,črno.Kosmobili znatančnostjo izbire zadovoljni,smozukazom»SelectandMask«odstraniliozadje,pritempasmozaželenoizhodiščeizbrali»Layer«črne barve, ki smo ga predhodno ustvarili. Dobi-li smobarvnimodelnačrnemozadju,zatosmovzavihku »Image« izbrali podkategorijo »Mode« inslikoizRGB(red,green,blue)barvnepaletespre-meniliv»Grayscale«.

2.1 OBLIKOVANJE STL MODELA2.1 STL MODELING

Urejeno sliko smonaložili vprogramArtCAM(ArtCAM).Izbralismonovodatotekoinsicermož-nost»FromImageFile«.Izbralismomožnostmeto-dedoločevanja»ImageSize«indoločiliširino1500mm,višinopajeprogramgledenarazmerjestranicizračunalsam(1428,5mm).Kersmoimelinaslikiokolimodelašenekajozadja,jetopomenilo,dabomodelnekolikomanjšihdimenzijodtistih,ki smojihdoločili.Ženazačetkusmodoločilimaksimalnovišino,kijebila35mm.Programnamjepopotrditvidimenzijodprldvaokna,enegazdvodimenzional-nosliko inenegaz izhodiščemza3Dmodel (slika1).2DslikobilahkošeurejalivprogramuArtCAM,vendartonibilopotrebno,sajsmovseopraviliževPhotoshopu.Našmodeljebilževzačetkurazme-romadobrekvalitete,vendarjebilazaizdelavopri-mernih trikotnikovpovršinapregroba.Vorodjarnivrazdelku»Relieftools«smozatoizbralioperacijo»Smooth Relief«, s katero smo zgladili površino.Optimalnogladkostgeometrijesmodoseglisštiri-miprehodiglajenja.Natosmo,pravtakovrazdel-ku»ReliefTools«,izbralioperacijo»CreateTriangleMesh«.Zaparametretriangulacijesmodoločilito-leranco0,01mminizbralimožnostizdelavemodela


Remic,K.,&Merhar,M.:OptimizacijaCNCtehnologijepriizdelaviumetniškegaizdelka

zravnohrbtnopovršino(»CloseWithAFlatPlane«)terzukazom»CreateTriangles«izdelalitriangulira-nopovršino.Dobljenogeometrijo,kijebilasestavl-jenaiz221656trikotnikov,smoshranilikot»BinarySTLFile«injoizvozilikotSTLmodel(slika2).

2.2 PROGRAMIRANJE IN OPERACIJA HSR2.2 PROGRAMMING AND HSR OPERATION

V programu SolidWorks smo izdelali surovec.NašSTLmodeljeimeldimenzije1257mmx1347,5mmx33,5mm,surovecsmo izdelali znekajmili-metri nadmere. V programu SolidCAM smo upo-rabili ukaz »NewMilling STL« in naložili našo STLdatoteko.IzbralismoCNCobdelovalnistrojinsicer3-osni FANUC.Koordinatni sistem smo za začetekdoločilipravokotnonapovršinozukazom»NormaltoCurrentView«.Določili smosurovec (»Stock«),kateregadimenzijesmodoločiligledenadimenzijemodelazukazom»TakeModelDimensions«.Natosmo z ukazom »Insert Components« naložili prejustvarjensurovec,kismogazukazi»Mate«porav-nali tako, da smo popolnoma prekrili STLmodel.Ponovnosmoizbralisurovec(»Stock«),tokratsmozanačindoločevanja izbralimožnost»3DModel«in nato kot CADmodel izbrali surovec, ki smo ganaložili. Popravili smokoordinatni sistem, takodasmo za način določevanja izbralimožnost s tremitočkamiinoznačilitrikotesurovca,dajebilkoor-dinatni sistempostavljenvspodnji levikot.ZačelismozoperacijoHSR, kjer smosurovecgroboob-delali.Zukazoma»AddMillingOperation«innato»3D HSR« smo izbrali tip obdelave. HSR ima večmožnosti obdelave, zato smo izbrali vrsto tehno-loškega procesa. Kot prvo varianto smo preverili

Slika 1. 2D slika in osnutek 3D modela v programu ArtCAMFigure 1. 2D picture and 3D model draft in ArtCAM

Slika 2. Končan STL modelFigure 2. Final STL model



»HMRoughing«. Izbrali smožeprejoblikovanko-ordinatnisistem»MAC1(1-Position)«,zatarčoob-delavepasmoizbraliSTLmodel.Izbralismorezkartipa»ENDMILL«spremerom30mm,maksimalnoglobinorezkanja38mminpodajnohitrostjo2500mm/min. Omogočili smo funkcijo samodejnegaizračunadolžineorodja (»Calculateminimumtoollenght«). Ročno smo nastavili omejitve, tako dasmoizbralizgornjizunanjiinzgornjinotranjirobsu-rovca,»Boundary–ToolRelation«pasmodoločilikot»External«.Vprehodih(»Passes«)smodoločilirezkanjeznadmero2mmodsteneintalmodelastoleranco0,4mm.Korakodvzemanjamaterialapoglobinismoizbrali17mm,tipodvzemanjamateria-lapoglobinipajebil»Constant«.Prehodeorodjapoširinismodoločilikotpremikza90%premerarezkarja, način prehodov pa smo izbrali »Cavity«(slika3).

Zazgornjosmoizbrali0mm,zaspodnjomejooperacijepa-34mm.Vrazdelku»Stepdown«smoizbralimožnost»OptimizeZlevel«indoločili,dajezadnji nivo posnemanja debeline 0mm. Pri izbiripoti (»Link«) smo se odločili za »Bi-directional«,saj bo tako rezkarobdeloval vobe smeri gibanja.Minimalnipremerprofilazarezkanjejebildoločenavtomatsko(33mm).Kotnačinposnemanjamate-riala smo izbrali »Plunge ramping«, kjer se rezkarpostopomaugreza(slika4).

Zukazom»SaveandCalculate«smooperacijoshranili inhkrati preverili, pravilnost nastavitev. Vnasprotnemprimerubinamprogramjavilnapako.Programnamizrišepotekpoti(slika5).Ustreznostparametrovsmonatopreverilišessimulacijoope-racije vnačinu»SolidVerify«.Ker smoželelinajtinajboljoptimalnooperacijo,smopreverilišeostalemožnosti,kinamjihponujaprogramSolidCAM.Pa-

Slika 3. Parametri „Passes“ pri operaciji »HM Roughing«Figure 3. “HM Roughing” operation “Passes” parameters



rametriinnastavitvegeometrije,orodjainomejitevsoostalienaki.Korakeglobineodvzemainodmikeorodjapoširinipasmodoločiličimboljprimerljivo.Preverili smo še operaciji »Contour Roughing« in»HatchRoughing«.

Izhodiščezanaslednjooperacijojepredstavlja-laoperacija»ContourRoughing«.Zdesnimklikomna to operacijo v drevesu se nam odprejo mož-nosti,izbralismo»AddMillingOperation«innato»3DHSR«.Želelismogroboodstranitišepreosta-limaterial, ki ga z večjim rezkarjemnismomogli,zatosmozatipobdelave izbrali»RestRoughing«.Geometrija jebila izbrana žeodprejšnjeoperaci-je.Izbralismorezkartipa»BALLNOSEMILL«spre-merom 12mm,maksimalno globino odvzema 24mminpodajnohitrostjo3000mm/min.Omogočilismofunkcijo»Calculateminimumtoollenght«.Zaomejitve(»Constraintboundaries«)smoomogočiliavtomatsko izbiranje.Vprehodih smodoločili ko-

Slika 4. Parametri „Link“ pri operaciji »HM Roughing«Figure 4. “HM Roughing” operation “Link” parameters

Slika 5. Izrisana pot orodja pri operaciji »HM Roughing«Figure 5. “HM Roughing” operation tool path


Slika 6. Surovec po “Solid Verify” simulaciji operaci-je “Rest Roughing”Figure 6. Workpiece after “Solid Verify” simulation for “Rest Roughing” operation


rak odvzemanja materiala po globini (12 mm) inizbrali,darezkamoznadmero2mmodsteneintaltertoleranco0,4mm.Minimalnipomikorodjapoširini smodoločili kot 6,5mm,maksimalni pomikpasmoomogočili in jeznašal11,7mm.Omejitve»Z-Top«in»Z-Bottom«smodoločiligledenazgor-njiinspodnjirobsurovca.Vzavihku»Adaptivestepdown« smodoločili avtomatskododajanjepreho-dov kot »None« in omogočili optimiziranje nivojapoglobini,pritemsmozazadnjinivoodstranjevan-jamaterialaizbrali2mm.Potorodjasmoizbralikot»Bi-directional«, pri tem je bil minimalni premerprofila zaposnemanjemateriala0mm.Vzavihku»Ramping«smoizbralinačin»Plungeramping«.Zakontrolooperacijesmoposhranjevanjuzukazom»SaveandCalculate«izvedlisimulacijos»SolidVe-rify«(slika6).

2.3 OPERACIJA HSM2.3 HSM OPERATION

Boljnatančnoinfinosmonašmodelobdelaliz izbirooperacije »3DHSM«. Zdesnimklikomnaoperacijo»RestMachining«,kijeizpisanavdreve-su operacij, se nam odpremožnost »AddMillingOperation«, izbrali smo »3D HSM«. Najprej smo

preverilitipoperacije»ConstantZMachining«,kjerorodjevenakihkorakihodvzemamaterialpoglo-bini.Geometrijarezkanjajebilaizbranažeodprej,prav tako koordinatni sistem. Izbrali smo isti rez-karkotprioperaciji»RestRoughing«teromogočilimožnost »Calculateminimum tool length«.Mejeobdelavesmodoločilizavtomatskimgeneriranjem(»Createdautomatically«)gledenaciljnogeomet-rijo,»Boundary–ToolRelation«pasmodoločilikot»External«.Vprehodihsmodoločili,darezkamoznadmero0,5mmodtalinodstene,sajsmopredpo-stavili,dabopokončaniobdelavipotrebnošeroč-nobrušenjeinsmoželeliohranitidebelino.Hkratismodoseglimanj izrazit relief,kiprikrijemorebit-naodstopanja,kibi lahkonastalapri triangulaciji.Korakodvzemapoglobinijebil1,5mm,omogočilismo funkciji »Smoothing« in »Detect flat areas«.»Z-top« in»Z-bottom«stabiladoločenagledenanajvišjoinnajnižjotočkosurovca.Izbralismomož-nostavtomatskegadodajanjaprehodov(»Automa-ticallyinsertextrapasses«),znatančnostjo0,1mminpomikomorodjapoširini1,5mm.Omogočilismofunkcijo»OptimizeZlevel«indoločilidebelinozad-njegaprehoda0mm.Najmanjšiodvzemmaterialapodebelinismodoločilikot0,5mm.Smerodvze-

Slika 7. Surovec po operaciji „Constant Z Machining“Figure 7. Workpiece after “Constant Z Machining” operation



manja smodefinirali kot»Bi-directional«. Za stra-tegijosmodoločiliposnemanje»Profileramping«.Največji kot zaposnemanje smodoločili 10º,naj-manjšipremerposnemanjapa0,01mm.Operacijosmoshranilizukazom»SaveandCalculate«.Kvali-tetooperacijesmopreverilis»SolidVerify«simu-lacijo,kinamjepokazalaizgledingladkostkončnepovršine (slika 7). Pri enakih oziroma primerljivihparametrihsmopreverilišeoperacije»HybridCon-tantZ«,»HelicalMachining«,»LinearMachining«,»Radial Machining«, »Spiral Machining«, »Mor-phedMachining«, »3DConstant StepOver«, »3DCornerOffset«,»OffsetCutting«in»ParallelPencilMilling«.

2.4 VPLIV STL MODELA2.4 EFFECT OF THE STL MODEL

Predensmopričelisprimerjavooperacij,smomoraliizdelatiprimernoSTLdatoteko.Pozornismomoralibiti,dasmopovršinopredhodnodovoljzgla-dili.Takosmozagotovili,datrikotniki,kisonastalipri triangulaciji površine, niso bili preveliki. V pri-meruprevelikihtrikotnikovbibilageometrijapovr-šinenašegaokvirjaneustrezna.Gladkostsmozago-tovilisštirimiprehodiglajenjavprogramuArtCAM.Primanjprehodihbibilapovršinabodičasta,privečprehodih pa bi površina postala preveč ploščata,

relief pabi bil plitek. Čebimodel zgladili samo zenimprehodom,bibilapovršinapregroba(slika8)inteksturaprevečizrazita.Čepabimodelzgladiliz10prehodi,bibilateksturaprevečzabrisana(slika9).Čepravbiimelivečtrikotnikov(237236),namvtemprimeru tonebiomogočilobolj kvalitetnegaizdelka.

3 REZULTATI IN RAZPRAVA3 RESULTS AND DISCUSSION

Optimizacijo CNC tehnologije pri izdelaviumetniškega izdelka smo izvedli s primerjavorazličnihvrstoperacijinpoiskalitakšnokombinacijole-teh, da je bilo razmerje med kakovostjo inčasomizdelavenajboljše,sajvpraksiCNCstrojanemoremoobremeniti za več dni za izdelavo enegasamegaizdelka.

Pri grobi obdelavi smo spremljali različnekakovosti površin pri različnih variantahoperacije HSR. Upoštevati smo morali omejitveuporabljenega rezkarja Izbrali smo rezkar zrelativno velikim premerom, da nam grobaobdelava ne bi vzela preveč časa, zaradi česar vprvioperacijinismomogligloboporezkatireliefanašegamodela.Tojepomenilo,dasmopokončaniprvioperacijiHSRmoralidodatišeoperacijo»Rest

Slika 8. Tekstura STL modela pri enem prehodu glajenjaFigure 8. The texture of the STL model after one smoothing pass

Slika 9. Tekstura STL modela pri desetih prehodih glajenjaFigure 9. The texture of the STL model after ten smoothing passes


Roughing«. Hkrati rezkarja nismo želeli prevečobremeniti,zatoodvečnegamaterialavprviHSRoperacijinismoodstranilivenemprehoduampakvdveh(pomikorodjapoglobinismoizbrali17mm,po širini pa 27 mm). Med seboj smo primerjalioperacije»HMRoughing«,»ContourRoughing«in»HatchRoughing«.Izpustilismooperacijo»HybridRyb Roughing«, saj je namenjena zelo specifičnioperaciji (rezkanje tankih sten). Na tej točkiobdelavekakovostpovršinezanasnibilaključnegapomena,osredotočilismosenahitrostobdelave.Pri primerljivih parametrih smo primerjalipotrebnečasezaizvedbo.Izbranapodajnahitrostjebila2500mm/min,čebiizbralinpr.1000mm/min,bibilčasobdelavedaljši.Želenirezultatsmonajhitrejedoseglizoperacijo»ContourRoughing«(preglednica1),zatosmojoizbralikotustreznoinnapodlagiteoperacijeizvajalinadaljnje.

Preglednica 1. Časi trajanja prve operacije HSR rez-kanja pri primerljivih parametrihTable 1. Times needed for the first HSR milling ope-ration with comparable parameters


Z operacijo »Rest Roughing« smonato grobopo-rezkali še preostali odvečenmaterial, kar nam jevnadaljnjihoperacijah (HSM) skrajšalo čas. Izbra-li smomanjši rezkar spremerom12mm,dasmolahkogroboobdelalitudidetajle.Pomikorodjapoglobinismoizbrali12mm,poširinipasmodoloči-liminimalnipomik(6,5mm) inmaksimalnipomik(11,7mm).Kerjebilodvzemmaterialamanjšikotpriprejšnjioperaciji,smodoločilivečjopodajnohit-rost(3000mm/min).Operacija»RestRoughing«bibilaizvedenav28minutahin51sekundah.

Prifiniobdelavi(operacijaHSM)smouporabiliistirezkarkotprioperaciji»RestRoughing«.Zaradioblikerezkarja(»BALLNOSEMILL«)smolahkodo-seglivečjogladkostpovršine inmanj izraziteraze,pod pogojem da je bil pomik orodja po globinidovolj majhen. Pri vseh variantah HSM operacijesmouporabiliprimerljiveparametre:pomikorodjapoglobiniinširinijebil1,5mm,smerrezkanjapa»Bi-directional«.Zaradineustreznostismoževna-prejizločilinekajvrstoperacij,prikaterihpotorodjanipokrivalacelotnepovršinenašegamodela(slika10).Izločilismooperacije:»BoundaryMachining«,»HorizontalMachining«,»PencilMilling« in»RestMachining«.

Ker smo želeli najti najbolj optimalno opera-cijo, smomorali upoštevati tako čas, potreben zaizvedbokot končnokvalitetopovršine.Vpregled-nici2lahkovidimočase,potrebnezaizvedboposa-meznihoperacijHSM.Dabibiličasovnoučinkoviti,smoizločilivseoperacije,kibizaizvedbopotrebo-valevečkot3ureinpol.Takosmoizločili»Constant

Vrsta operacije Čas trajanja operacije [h:min:s]

HMRoughing 0:51:46

ContourRoughing 0:28:22

HatchRoughing 0:37:45

Slika 10. Poti orodja pri operacijah. a) „Rest Machining“, b) „Boundary Machining“, c) „Pencil Milling“ in d) „Horizontal Machining“Figure 10. Tool paths for “Rest Machining”, “Boundary Machining”, “Pencil Milling” and “Horizontal Machining” operations



ZMachining«,»HelicalMachining«,»RadialMachi-ning«,»MorphedMachining«,»3DCornerOffset«in»ParallelPencilMilling«.

Preglednica 2. Časi trajanja prve operacije HSM rez-kanja pri primerljivih parametrihTable 2. Times needed for the first HSM milling ope-ration with comparable parameters

4 ZAKLJUČKI4 CONCLUSIONS

V raziskovalnem delu smo prikazali izdelavoprogramazaobdelavoumetniškegaizdelka(okvirjaza ogledalo) na 3-osnem CNC stroju.Model smoustvarili iz dvodimenzionalne slike, ga pretvoriliv3Dobliko inpovršinotriangulirali,dasmodobi-li STL model, ki je služil kot definicija geometrijepovršine za obdelavo na CNC stroju. Dosegli smociljoptimizacije,kistanamgaomogočilizelohitriazauporabnikaenostavnioperacijiHSRinHSM.Donapaklahkopridezaradinepravilnodoločenihmejobdelovanja, v temprimerubi rezkar zašel v teloizdelkaingapoškodovalalipabidoločendelizdel-kaostalneobdelan.

Celoten proces obdelave je dokaj zamuden,sajbi zuporabonašeG-kodepotrebovali 4ure1minuto in31sekund,dabidobili želen izdelek.Vpraksijekljubnatančniizdelaviinmajhnemukora-kuodvzemapotrebnošeročnobrušenjeraz.Kako-vostkončnegaizdelkabilahkoizboljšalizuporabomanjšega koraka odvzema in rezkarjev zmanjšimpremerom,sčimerbidoseglivečjogladkostpovr-šine,vendarpabitobistvenopodaljšaločasizdela-ve.Našprogramjebilustvarjenza3-osnistroj,čebiokvirizdelovalina5-osnem,bibilizdelekkončanhitreje.

Nato smomed seboj primerjali kakovost povr-šine pri preostalih operacijah. To so bile: »LinearMachining«, »Spiral Machining«, »Hybrid ContantZ«,»OffsetCutting«in»3DConstantStepOver«.Prioperacijah»LinearMachining«,»SpiralMachining«in»OffsetCutting«soprehodiorodjaenakomerniinniopaziti,dabiorodjekjezašloglobljevsurovec.Ven-darpasozaradinačinagibanja/potiorodja,razevid-neinmoteče,sajnepotekajovzporednozgeometrijonašegamodela,zatosmoteoperacijeizločili.

Prioperaciji»HybridConstantZ«sobilinekateriprehodiorodjapokrivinahprekinjeni,zatosmoopazilidelepovršine,kinisobilidovoljenakomerni.Razete-čejovsmerigeometrijemodelainnisomoteče.Ope-racija»3DConstantStepOver«namjedalanajboljšerezultate.Površinajeenakomernoobdelana(nekolikoslabše kot pri »LinearMachining«, vendar občutnoboljkotpri»HybridConstantZ«).Razesoneizrazite,delnovzporednezgeometrijomodela (slika11).Priizbirioperacij»ContourRoughing«,»RestRoughing«in»3DConstantStepOver«bizaizdelavonašegamo-delapotrebovali4ure1minutoin31sekund.Poizbo-ruoperacijesmozdesnimklikomna»Operations«vdrevesu izbrali »GCodeAll« in nato »Generate« terizdelaliGkodozanašprogram.

Vrsta operacije Čas trajanja operacije [h:min:s]

ConstantZMachining 3:33:25HybridConstantZ 3:07:44HelicalMachining 3:40:54LinearMachining 2:43:40RadialMachining 4:43:52SpiralMachining 2:36:17MorphedMachining 4:35:513DConstantStepOver 3:04:183DCornerOffset 3:30:22OffsetCutting 2:54:45ParallelPencilMilling 3:30:22

Slika 11. Smer in izrazitost raz na surovcu po opera-ciji »3D Constant Step Over«Figure 11. Course and distinctness of scratches on workpiece after “3D Constant Step Over” operation



5 POVZETEK5 SUMMARY

The work carried out in this study deter-minedtheoptimalmillingoperationformanufac-turinganartisticproduct (mirror frame) inaCNCmachine.Thebasicpicturewasopened inAdobePhotoshopCCandmasked,soablackbackgroundwas achieved, then the “Grayscale”« filter wasapplied. The picture was than uploaded to theArtCAMwhere thedimensionsweredetermined.Themodelthatwasautomaticallycreatedneededsome smoothing.When the optimal texture wasachieved,anSTLmodelwascreatedwiththe“Cre-ateTriangleMesh”operation.ThefinalnumberoftrianglesintheSTLmodelwas221,656.

TheSTLmodelwaslateruploadedtoSolidCAM,aswastheworkpiecethatwascreatedbeforehandinSolidWorks.Boththemodelandworkpiecewerealigned and positioned in a coordinate system.With thecommands “AddMillingOperation”and“3DHSR”thetypeofprocessingwaschosen.“HMRoughing”wasthefirstoperationwhoseadequa-cywaschecked.Theparametersfortheoperationwere similar if not equal. The chosen “EndMill”hadadiameterof30mm,maximalmillingdepth38mmand feed2500mm/min.The“Boundary-ToolRelation”wassetat“External”,inthe“Passes”sec-tionmillingwassetwithanoffsetof2mmandtol-eranceof0.4mm.Themillingdepthwas17mmandmillingtypewas“Constant”.Thetoolstepwasselectedas90%thelengthofthediameter.Theup-perboundarywasat0mmandthelowerboundaryat-34mm.“Link”wassetas“Bi-directional”,allow-ingthetooltomillinbothways.Theminimalmill-ingdiameterwaschosenautomatically.Stepdownwassetas“PlungeRamping”.Theoperations“Con-tour Roughing” and “Hatch Roughing” were alsochecked,andtheformerwastheoptimalone.TheHSRgroupofoperationsalsooffersaspecial“RestRoughing”operationwhichwasusedtoroughlyre-movemoreexcessmaterial.

TheHSRoperationswere followedwithHSMoperations.Asmallertoolwasused(aballnosemillwithdiameter12mm).Thefirstoperation testedfrom thegroupwas “Constant ZMachining”. Theoffsetwaschosentobe0.5mm,becausethefinalproductisgoingtoneedmanualpolishing.Thestepdownwas1.5mm,andthefunction“Smoothing”wasenabled.Minimalstepdownwassetto0.5mm,

and the direction ofmilling was set to “Bi-direc-tional”.Stepoverwassetto1.5mm.Usingsimilarparametersotheroperationsweretested(“HybridConstantZ”, “HelicalMachining”, “LinearMachin-ing”,“RadialMachining”,“SpiralMachining”,“Mor-phed Machining”, “3D Constant Step Over”, “3DCornerOffset”,“OffsetCutting”and“ParallelPencilMilling”).Everyoperationwascheckedwitha“Sol-idVerify”simulation,wheretheestimatedqualityofthefinalproductandtimeneededfortheoper-ationwerefound.

Someoperationswereleftout,astheyareveryspecificandunsuitable forourmodel. In theHSRoperationgrouptheoptimaloneturnedouttobe“ContourRoughing”,asitwasthefastest,needingjust28minutesand22seconds.The“RestRough-ing”operationneeded28minutesand51seconds.When the HSM operations were evaluated, boththetimeneededandfinalqualityweretakenintoconsideration. The operations that needed morethan3hoursand30minutestoperformwereeval-uatedfirst,andtherestofthemwereevaluatedbythe lookofthesurface.Theoptimalonewas“3DConstant StepOver”. All three chosenoperationstogether (“Contour Roughing”, “Rest Roughing”and “3DConstant StepOver”)were finished in 4hours1minuteand31seconds.FinallytheGcodewasgeneratedforourprogram.

ZAHVALAACKNOWLEDGEMENTS

Raziskava je bila opravljena v okviru diplom-skega dela za zaključek Univerzitetnega študijaLesarstva – 1. stopnja. Delo je bilo opravljeno naKatedrizamehanskeobdelovalnetehnologijelesa,Oddelkazalesarstvo,Biotehniškefakultete,Univer-zevLjubljani.

VIRIREFERENCESArtCAM. Delcam launches new ArtCAM Pro software for artistic

CADCAM. Retrieved from http://www.delcam.com.tw/art-cam/news/press_article0bd7.html?releaseId=440

Auslander, L. (1998). TasteandPower: FurnishingModernFrance:UniversityofCaliforniaPress.

Balič,J.,&Pahole,I.(2008).Proizvodnetehnologije.Maribor:Fakul-tetazastrojništvo.



Béchet,E.,Cuilliere,J.C.,&Trochu,F.(2002).GenerationofafiniteelementMESH from stereolithography (STL) files. CADCom-puterAidedDesign,34(1),1-17.DOI:https://doi.org/10.1016/S0010-4485(00)00146-9

Jovanović,J.,Smajić,S.,&BeljoLučić,R.(2020).Influenceofdiffe-rentmachiningonthesurfaceroughnessofbeechwoodsam-ples. Paper presented at the Sustainability of Forest-BasedIndustries in theGlobal Economy - Proceedings of ScientificPapers.

Koleda,P.,Barcík,Š.,Svoreň,J.,Naščák,L.,&Dobrík,A.(2019).In-fluenceofcuttingwedgetreatmentoncuttingpower,machi-nedsurfacequality,andcuttingedgewearwhenplanemillingoakwood.BioResources,14(4),9271-9286.DOI:https://doi.org/10.15376/biores.14.4.9271-9286

Merhar,M.,Bucar,D.G.,&Merela,M.(2020).MachinabilityRese-archof theMostCommon InvasiveTreeSpecies inSlovenia.Forests,11(7).

Merhar,M.,Šega,B.,&Gornik,B.D.(2019).Theinfluenceofther-malmodificationonthemachiningpropertiesofbeechwood.Les/Wood, 68, 15-24. DOI: https://doi.org/10.26614/les-wo-od.2019.v68n01a02

Rypl,D.,&Bittnar,Z. (2006).Generationofcomputational surfacemeshesofSTLmodels.JournalofComputationalandAppliedMathematics,192(1),148-151.DOI:https://doi.org/10.1016/j.cam.2005.04.054

SolidCAM(2015).SolidCAM2015HSR/HSMModuleUserGuide:So-lidCAM.

Documents

OPTIMIZACIJA CNC TEHNOLOGIJE PRI IZDELAVI UMETNIŠKEGA