基于虛擬加工的數(shù)控車削過(guò)程優(yōu)化

張友林

（江蘇省儀征技師學(xué)院，江蘇 儀征 211400）

0 引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，制造業(yè)占據(jù)著舉足輕重的地位。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的今天，企業(yè)裝備的數(shù)控化率正逐步提高，數(shù)控技術(shù)也得到較快發(fā)展。然而，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。數(shù)控編程已逐漸從手工編程和自動(dòng)語(yǔ)言編程發(fā)展到自動(dòng)圖形編程。然而，無(wú)論采用何種編程方法，切削速度、進(jìn)給速度、備用方案和其他加工參數(shù)通常占重要比例。就我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而言，切削參數(shù)的選擇是困擾數(shù)控加工的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。

1 基于虛擬加工車削參數(shù)優(yōu)化方法的總體結(jié)構(gòu)

利用虛擬加工過(guò)程仿真實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的優(yōu)化是制造業(yè)的研究重點(diǎn)之一，本小節(jié)建立用于車削加工的切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

1.1 基于虛擬加工車削參數(shù)優(yōu)化方法的原理

與以往為單個(gè)NC指令行優(yōu)化參數(shù)的做法不同，優(yōu)化本表中的NC程序參數(shù)不僅會(huì)更改每條指令行的參數(shù)，而且還根據(jù)切削模擬比率提供的工件瞬時(shí)反饋半徑和工藝的變化，優(yōu)化刀具路徑中每個(gè)中間點(diǎn)的參數(shù)，以減少加工時(shí)間和節(jié)省加工成本。

在本文的切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)中，加工過(guò)程的模擬與優(yōu)化是相對(duì)獨(dú)立的。虛擬加工仿真過(guò)程完成指定NC程序的加工仿真，并生成相應(yīng)的加工性能比。仿真過(guò)程完成后，NC程序優(yōu)化模塊利用仿真輸出結(jié)果調(diào)整加工程序，然后對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。由于優(yōu)化過(guò)程的計(jì)算周期較長(zhǎng)，有一種相對(duì)獨(dú)立的處理方法，可以避免加工模擬中的短暫中斷現(xiàn)象，加工模擬效果明顯。

1.2 基于虛擬加工仿真的切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1.2.1 優(yōu)化系統(tǒng)功能描述

虛擬加工參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的基本功能是在虛擬加工參數(shù)優(yōu)化環(huán)境下，借助加工仿真過(guò)程中獲得的幾何切削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工件的加工仿真過(guò)程。

為了滿足這些要求，實(shí)現(xiàn)虛擬加工的目標(biāo)，切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)具有不同的功能：

（1）處理系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。操作員可以設(shè)置和修改加工系統(tǒng)的機(jī)床、刀具、零件等信息，也可以在不同工況下更改預(yù)測(cè)模型的參數(shù)。同時(shí)，操作員可以通過(guò)仿真界面控制虛擬加工過(guò)程并生成仿真結(jié)果。

（2）工藝參數(shù)的計(jì)算和優(yōu)化功能。該系統(tǒng)可以根據(jù)切削參數(shù)文檔、用戶約束以及不同加工條件下的許多計(jì)算參數(shù)來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)。按切削參數(shù)文檔中數(shù)控程序行號(hào)索引得到優(yōu)化后各行的切削參數(shù)，并存入優(yōu)化結(jié)果文檔。

這些基本功能的實(shí)現(xiàn)需要子功能的許多相關(guān)要求。根據(jù)調(diào)制軟件設(shè)計(jì)思想，對(duì)其功能進(jìn)行了分解。

1.2.2 組織體系結(jié)構(gòu)

基于虛擬加工技術(shù)的切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)方法，將切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地連接起來(lái)。

（1） 數(shù)據(jù)層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層應(yīng)包括儀表信息數(shù)據(jù)庫(kù)、儀表信息數(shù)據(jù)庫(kù)和截止參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。機(jī)床信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括與機(jī)床性能相關(guān)的約束信息，如機(jī)床功率、速度范圍、允許切削力等。儀器信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括儀器材料、主偏轉(zhuǎn)角、儀器尖半徑、儀器持續(xù)時(shí)間等儀器信息；切削性能數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括不同加工條件下不同預(yù)測(cè)公式所需的參數(shù)信息[2]。

（2）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層主要在優(yōu)化切削參數(shù)之前準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，根據(jù)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)庫(kù)信息和目標(biāo)函數(shù)預(yù)測(cè)模型的值計(jì)算約束，為參數(shù)優(yōu)化層的優(yōu)化算法提供了依據(jù)。

（3）參數(shù)優(yōu)化層。參數(shù)優(yōu)化層主要完成切削和修改參數(shù)優(yōu)化算法的優(yōu)化過(guò)程，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果和待優(yōu)化的數(shù)控程序生成數(shù)控程序。

（4）界面交互層。界面交互層主要提供用戶信息和切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)。

1.3 切削參數(shù)優(yōu)化方法

在車削加工中，單程切削和多程切削是經(jīng)常采用的兩種加工形式。本文針對(duì)這兩種加工形式，分別研究了切削參數(shù)的優(yōu)化方法。

單程切削加工的特點(diǎn)是刀具沿工件輪廓表面一次切削走刀完成加工任務(wù)。當(dāng)工件表面形狀復(fù)雜時(shí)，背吃刀量和切削工件半徑隨儀器位置的變化而變化。在優(yōu)化系統(tǒng)中，通過(guò)數(shù)控優(yōu)化模塊實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。對(duì)于單向切削，NC優(yōu)化模塊的主要功能是優(yōu)化下頜骨的速度并輸入NC程序。

優(yōu)化模型中的優(yōu)化算法采用遺傳優(yōu)化算法。在優(yōu)化過(guò)程中，mandrin n速度和feed f速度不斷變化，使得相應(yīng)的適應(yīng)值和目標(biāo)函數(shù)的約束值發(fā)生變化。預(yù)測(cè)模塊根據(jù)切削參數(shù)文件提供的后草圖AP、零件R的半徑和儀器信息，提供優(yōu)化模型所需的變量（切削力、功率、刀具壽命、粗糙度等），然后計(jì)算約束條件和目標(biāo)函數(shù)的形式。通過(guò)比較獲得與最佳目標(biāo)對(duì)應(yīng)的進(jìn)給和放牧速度，并將其與從切割文件獲得的位置信息（即非優(yōu)化程序中當(dāng)前位置的行號(hào)）一起保存在優(yōu)化比率中。多程切削的粗加工過(guò)程主要包括兩個(gè)階段：多次直線切削循環(huán)階段和輪廓車削循環(huán)階段。優(yōu)化過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行[3]：

在第一階段，基于單向切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，建立了單向切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。在多步加工中，首先，根據(jù)模擬車削工件形成的幾何文件和毛坯尺寸，確定切割工件的總加工范圍和加工半徑。后部設(shè)計(jì)的約束范圍和切割件半徑的加工范圍根據(jù)固定間距離散。將工件半徑的可選值按不同的組合插入到單程切削優(yōu)化模型中，以獲得在返回和切削半徑的所有不同組合條件下的目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，并將優(yōu)化結(jié)果存儲(chǔ)在優(yōu)化參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣，所有可選草圖和工件加工都保存在優(yōu)化參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

第二階段，在建立優(yōu)化參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，利用反饋優(yōu)化模型確定加工周期數(shù)和每個(gè)周期的備用功率值。首先，根據(jù)總加工余量和返回余量的約束范圍，計(jì)算多道次切削循環(huán)次數(shù)。對(duì)于每個(gè)循環(huán)，應(yīng)使用整數(shù)非線性優(yōu)化算法計(jì)算最佳加工性能指標(biāo)，條件是總加工余量等于每個(gè)切割循環(huán)的背景設(shè)計(jì)之和。與最佳加工性能指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)和每個(gè)循環(huán)的后部設(shè)計(jì)是多步驟加工的最佳循環(huán)數(shù)和每個(gè)循環(huán)的后部設(shè)計(jì)[4]。

多道次切削的原始加工過(guò)程主要包括兩個(gè)階段：線性切削循環(huán)和輪廓旋轉(zhuǎn)循環(huán)的更多階段?？偧庸び嗔繎?yīng)通過(guò)兩步切割循環(huán)進(jìn)行補(bǔ)充。多步處理和單步處理的主要區(qū)別在于確定處理周期的數(shù)量和每個(gè)周期的反饋值。優(yōu)化過(guò)程分為兩個(gè)階段：

第一階段，基于單向切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，建立單向切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。在多步加工中，首先，根據(jù)模擬車削工件形成的幾何文件和毛坯尺寸，確定切割工件的總加工范圍和加工半徑。后部設(shè)計(jì)的約束范圍和切割件半徑的加工范圍根據(jù)固定間距離散。在單向切削優(yōu)化模型中，根據(jù)不同的組合，插入工件半徑的可選值，以獲得所有返回和切削半徑組合條件下目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

在第二階段中，根據(jù)總加工余量和返回余量的約束范圍計(jì)算多道次切削循環(huán)次數(shù)。對(duì)于每個(gè)循環(huán)，應(yīng)通過(guò)整個(gè)循環(huán)的完全非線性優(yōu)化計(jì)算最佳加工性能指數(shù)，前提是加工余量總量等于每個(gè)切割循環(huán)的基本設(shè)計(jì)總和。與最佳加工性能指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)和每個(gè)循環(huán)的后部設(shè)計(jì)是多步驟加工的最佳循環(huán)數(shù)和每個(gè)循環(huán)的后部設(shè)計(jì)。借助自動(dòng)編輯器，在數(shù)控機(jī)床的可用NC代碼中生成計(jì)算出的優(yōu)化結(jié)果，并將其輸入NC仿真單元，以檢測(cè)優(yōu)化的加工條件，并判斷加工性能是否滿足加工要求。最后，將優(yōu)化后的CN代碼插入到實(shí)際機(jī)床中進(jìn)行零件的生產(chǎn)和加工。

如果將三個(gè)切削因子用作控制因子。在基于虛擬加工車削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)中，主要考慮切削力、切削功率、主軸扭矩、表面粗糙度、刀具壽命和切削用量范圍幾方面。

2 基于虛擬加工的數(shù)控加工過(guò)程優(yōu)化

在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，一方面，工件圍繞其旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，另一方面，儀器在工件的軸向平面內(nèi)沿x軸和Z軸移動(dòng)，并逐漸從工件上切割材料，從而加工出所需的工件形狀。邊界多邊形和儀器掃描多邊形中間的工件軸的截止算法原理如下：儀器掃描多邊形的每條邊隨著截面邊界多邊形中間的截面軸每條邊旋轉(zhuǎn)。

應(yīng)用本表介紹的工件模型、儀器掃描體積模型和過(guò)程模擬算法建立虛擬旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)時(shí)，需要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：在每個(gè)多邊形具有固定連接方向的情況下，開(kāi)發(fā)半輪廓多邊形和儀器掃描多邊形之間的切割算法。在模擬過(guò)程中，工件多邊形的方向保持不變，而儀器掃描多邊形的方向隨儀器移動(dòng)的方向而變化。當(dāng)儀器掃描體積的多邊形方向改變時(shí)，多邊形之間的切割操作將產(chǎn)生意外結(jié)果。當(dāng)表面旋轉(zhuǎn)類型改變時(shí)，儀器相對(duì)于工件的移動(dòng)方向也會(huì)改變，因此生成的儀器掃描范圍的方向也會(huì)改變。因此，在生成儀器掃描范圍時(shí)，應(yīng)根據(jù)儀器相對(duì)于工件多邊形方向的移動(dòng)方向變化調(diào)整儀器掃描體積范圍的方向[5]。

3 切削參數(shù)優(yōu)化算法

3.1 確定優(yōu)化變量

車削中的切削參數(shù)主要包括切削速度、進(jìn)給速度和回位。在過(guò)程模擬中，切削速度可根據(jù)NC程序提供的儀器直徑和心軸速度獲得，進(jìn)給可直接從NC程序獲得，但反向進(jìn)給很難直接從NC程序獲得。只有通過(guò)獲得回風(fēng)，才能預(yù)測(cè)加工過(guò)程中的物理性能指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)估加工過(guò)程中使用的參數(shù)是否合理，最終工件的性能和質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)。在優(yōu)化加工過(guò)程中，如果在加工路徑上的所有位置都知道反饋，則可以根據(jù)相應(yīng)的模型計(jì)算加工路徑上的所有物理信息（如切削力、切削功率和所消耗刀具的壽命），此過(guò)程優(yōu)化了切割參數(shù)?？梢钥闯?，如何獲取背面圖形是模擬和優(yōu)化加工過(guò)程的關(guān)鍵[6]。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)

切削參數(shù)采集流程圖主要包括以下階段：

（1）自由裁量工藝路徑，以獲得與旋轉(zhuǎn)進(jìn)給對(duì)應(yīng)的材料去除，當(dāng)前工藝路徑必須是離散的。在此過(guò)程中，最佳離散距離為旋轉(zhuǎn)進(jìn)給量。在實(shí)際仿真計(jì)算中，為了減少計(jì)算量，通常采用較大的離散空間來(lái)代替。

（2）每個(gè)離散路徑對(duì)應(yīng)的儀器掃描體積是針對(duì)帶有軌跡的布爾運(yùn)算生成的。

（3）找到材料的去除體積。材料去除體積是工件和儀器掃描體積的布爾交叉點(diǎn)。該過(guò)程在更新工件的同時(shí)執(zhí)行。材料的去除體積用于計(jì)算切削參數(shù)。

（4）工件更新工件，儀器的掃描體積（或材料的去除體積）采用布爾減法完成工件的更新。工件的不斷更新過(guò)程伴隨著儀器和機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作模擬。

（5）重復(fù)上一過(guò)程，直到完成模擬。

3.3 優(yōu)化算法

基于虛擬加工的車削參數(shù)優(yōu)化方法的前提是建立精確加工過(guò)程的仿真。在本章中，使用實(shí)體仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了儀器掃描體積和工件模型之間的布爾減法仿真過(guò)程。

4 數(shù)控車削過(guò)程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

目前，切削參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)主要包括效率、成本以及考慮成本和效率的多目標(biāo)模型。對(duì)于單向切削，該板材假設(shè)恒定的強(qiáng)度和效率作為研究切削參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。因此，有必要建立一個(gè)具有恒定強(qiáng)度和效率的目標(biāo)函數(shù)。

實(shí)現(xiàn)切削力的目標(biāo)函數(shù)中的恒定強(qiáng)度特性是加工過(guò)程中性能的重要指標(biāo)。由于它易于測(cè)量，通常被用作比較和優(yōu)化性能的一個(gè)重要指標(biāo)，在尋求切削過(guò)程優(yōu)化的過(guò)程中受到研究人員的關(guān)注。由于儀器在車削過(guò)程中收到的切削力是波動(dòng)的，因此力的恒定切削通常意味著儀器收到的主切削力的峰值或平均值在尋求加工過(guò)程的優(yōu)化過(guò)程中是恒定的。該卡的目的是在接近預(yù)期值的小范圍內(nèi)振蕩實(shí)際切削力的平均值或峰值，以實(shí)現(xiàn)恒定切削力的目標(biāo)[7]。

在旋壓過(guò)程中，當(dāng)加工余量較大且受到機(jī)床和工具性能的限制時(shí)，不可能在刀具的基礎(chǔ)上通過(guò)一個(gè)周期完成加工操作，有必要將總加工余量分解，并將工件轉(zhuǎn)換為多個(gè)周期。我們定義了通過(guò)多個(gè)循環(huán)儀器完成工件加工的過(guò)程，這些儀器作為多個(gè)車削過(guò)程行走。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于機(jī)床操作人員的培訓(xùn)，培訓(xùn)效果明顯。

5 結(jié)論

本文在綜合分析切削參數(shù)優(yōu)化相關(guān)技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究了單道次和多道次切削參數(shù)優(yōu)化方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。本文的主要研究和創(chuàng)新工作如下：

（1）確定優(yōu)化虛擬加工參數(shù)方法的體系結(jié)構(gòu)和工作流程。簡(jiǎn)化了二維多邊形布爾運(yùn)算過(guò)程中去除三維實(shí)體的過(guò)程，改進(jìn)了虛擬加工中去除材料的數(shù)學(xué)模型，提高了計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)了基于虛擬加工的切削參數(shù)獲取。

（2）建立了以恒定切入力為目標(biāo)的扭矩參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給速度和芯棒速度的優(yōu)化。以鋁合金零件的毛坯加工為例，進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法能顯著縮短切削時(shí)間，提高加工效率。