食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控仿真

鄒偉全

廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院（珠海 619090）

受到工件表面的誤差擾動和曲率進(jìn)化參數(shù)分布的不確定性因素影響[1]，食品成型模具表面空間凹槽加工的精度不高，需要提高加工誤差控制的收斂性水平[2]。對食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工仿真的方法主要有輥?zhàn)幽＞弑砻婵臻g圓形凹槽數(shù)控加工方法[3]、模具制造中數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用[4]、軸類零件多功能全自動智能測量儀的設(shè)計(jì)[5]，但是此類傳統(tǒng)方法進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的可控性水平不高，抗干擾性不強(qiáng)，降低食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控的穩(wěn)定性和收斂性。

對此，提出基于無顫振極限切深控制的實(shí)現(xiàn)食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工優(yōu)化控制方法，通過無顫振極限切深控制的方法進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控對象模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，在極限切深下通過切削參數(shù)優(yōu)化辨識方法，實(shí)現(xiàn)食品成型模具表面空間凹槽加工的優(yōu)化控制。開展仿真測試分析，展示試驗(yàn)方法在提高食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控仿真能力方面的優(yōu)越性能。

1 食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工約束參數(shù)分析

1.1 數(shù)控加工的約束參數(shù)優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控仿真，以食品成型模具表面的刀尖頻率響應(yīng)、切削參數(shù)等為約束指標(biāo)，以CAD為預(yù)處理軟件工具，采用優(yōu)化的流程控制方法，進(jìn)行對食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工[6-7]，總體實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的總體實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)圖1所示的食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工總體結(jié)構(gòu)，選擇合理的工藝參數(shù)。

采用參數(shù)優(yōu)化控制方法，進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的信息空間分布融合[8]，得到工藝規(guī)劃過程中的食品成型模具表面空間凹槽加工參數(shù)解析特征量描述為：

式中：C1，S1，S2均為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的運(yùn)維大數(shù)據(jù)分布常量；修改光滑度因子Vt，通過機(jī)床刀具系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)分析方法，用Vt表示食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的運(yùn)維聯(lián)合分布集。

以最小切削力和最大材料去除率為綜合分析指標(biāo)，得到食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的動態(tài)切屑控制函數(shù)：

式中：為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的全局效率；α為常數(shù)；為所有刀齒上的切削力特征量。

根據(jù)進(jìn)給方向和法向激勵的演化特征分析，得到的食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的聯(lián)合特征解析表達(dá)為：

式中：Θ為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工約束指標(biāo)聯(lián)合辨識參數(shù)，由此構(gòu)建食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控約束參數(shù)模型[9]。

1.2 食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工參數(shù)辨識

引入食品成型模具表面空間凹槽的主軸功率及加工穩(wěn)定性等約束條件，通過子空間壓縮實(shí)現(xiàn)對食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工數(shù)據(jù)融合處理，提取食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征量，得到食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工優(yōu)化端面銑削工藝參數(shù)分布矩陣：

式中：fu為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工數(shù)據(jù)融合處理函數(shù)；d(e)為數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)；g為粒子群算法實(shí)現(xiàn)食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的信息特征擴(kuò)展參數(shù)。

建立車床切削參數(shù)的聯(lián)合參數(shù)辨識模型，得到主軸-切削交互過程的傳輸負(fù)載為：

式中：ω(t)為當(dāng)前食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的數(shù)據(jù)標(biāo)簽監(jiān)測集，以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)，得到精度采樣延遲：

式中：p為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工信息空間分布參數(shù)，采用線性穩(wěn)定性約束控制方法，進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽加工的參數(shù)化模型分析，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化辨識[10-12]。

2 食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控優(yōu)化

2.1 食品成型模具表面空間凹槽加工控制

通過無顫振極限切深控制的方法進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控對象模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在極限切深下，為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的過程收斂性設(shè)計(jì)提供參數(shù)基礎(chǔ)，將食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深分布設(shè)定為Qi（i=1,2,…,N），通過刀具耐用度模型分析，得到食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工模式的博弈均衡優(yōu)化函數(shù)：

式中：s(y)為食品成型模具表面空間凹槽控制特征參數(shù)；u為空間凹槽加工優(yōu)化函數(shù)，通過對食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工刀具信息的先驗(yàn)特征量進(jìn)行線性融合[13]，加入制約切削穩(wěn)定域，得到食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的模糊聚類分布函數(shù)：

式中：dv為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的臨界軸向切削深度解析模型；v(m)為工藝系統(tǒng)模態(tài)的可靠性分布向量集。

結(jié)合穩(wěn)態(tài)過程控制方法，得到食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的均衡控制函數(shù)：

式中：jp為工藝系統(tǒng)模態(tài)特征提取參數(shù)；r(a)為加工過程控制參數(shù)，通過子空間壓縮實(shí)現(xiàn)對食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工數(shù)據(jù)融合處理，提取食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工進(jìn)刀數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)加工過程優(yōu)化控制。

2.2 加工誤差收斂性分析

結(jié)合2.1的參數(shù)優(yōu)化過程，采用融合辨識方法進(jìn)行誤差收斂性分析。

設(shè)食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的穩(wěn)態(tài)特征值為：

式中：λ為引入端面銑削工藝參數(shù)；y(t)為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的運(yùn)維調(diào)度參數(shù)；lv為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的聯(lián)合特征分布函數(shù)。

進(jìn)行刀具耐用度模型尋優(yōu)，提取食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控參數(shù)特征集，得到波紋之間的相位差，得到食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工工件的動態(tài)參數(shù)辨識閾值ρ(t)，即：

式中：bj為特征方程的特征值。在穩(wěn)定性葉瓣圖變化下，引入刀具-工件接觸區(qū)的傳遞函數(shù)Δ(s)。

求解食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的穩(wěn)態(tài)方程：

在多工藝參數(shù)組優(yōu)化約束下，食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的特征量記作λ1、λ2。根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性原理，得到收斂誤差y(ai)。

獎食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的刀具耐用度描述為：

式中：xr為食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的刀具特征參數(shù)。如果此時進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的收斂誤差趨于0，那么就如其提高加工過程的穩(wěn)定性。

3 數(shù)控仿真測試分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)方法在提高食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工精度方面的性能，進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析，以上海某實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的夾心年糕成型機(jī)為例，該食品成型模具在表面設(shè)計(jì)有圓形凹槽，在四軸加工中心上采用宏程序編程的方法，利用X軸軸向進(jìn)給運(yùn)動和繞X軸的轉(zhuǎn)動，設(shè)定數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速2665 r/min、機(jī)床的偏置參數(shù)0.36、最大加速度分別200 mm/s，食品成型模具表面加工刀尖點(diǎn)的最大誤差約0.24 mm，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 食品成型模具表面空間凹槽加工參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表1參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工，仿真測試環(huán)境如圖2所示。

在圖2的仿真場景中，食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工控制的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)解析結(jié)果如圖3所示。

圖2 仿真測試環(huán)境

分析圖3可知，采用試驗(yàn)方法進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽加工的參數(shù)化模型分析，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化辨識，空間凹槽數(shù)控加工控制的目標(biāo)優(yōu)化能力較強(qiáng)，從而提高加工精度。

圖3 空間凹槽數(shù)控加工控制解析結(jié)果

測試不同方法進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的精度，得到對比結(jié)果見表2。

分析表2可知，采用試驗(yàn)方法進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的精度較高，這是因?yàn)樵囼?yàn)方法實(shí)現(xiàn)對食品成型模具表面空間凹槽加工參數(shù)優(yōu)化尋優(yōu)，提高了加工性能，降低了加工誤差。

表2 加工精度對比測試

4 結(jié)語

提出基于無顫振極限切深控制的方法實(shí)現(xiàn)食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工優(yōu)化控制方法，采用參數(shù)尋優(yōu)控制和約束參數(shù)辨識的方法，進(jìn)行食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工和自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)加工過程優(yōu)化控制，其食品成型模具表面空間凹槽數(shù)控加工的精度較高，自適應(yīng)控制性能較好。