虚拟加工数控车削过程优化浅析

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摘要：国民经济发展中，制造业占据着极其重要的位置，目前我国属于全球制造业代加工大国。虚拟加工技术是当前加工仿真技术发展的最重要的技术之一，对于制造业来说，它不仅能够提供相似的制造环境，同时还能够考虑到制造过程中机床系统的特性和变化规律。本文通过模拟加工过程，建立了恒主切削力与效率相结合的多目标优化函数，研究了单程切削加工中的约束规则，从而达到虚拟加工的数控车削过程的优化。

关键词：虚拟加工技术；数控车削；切削力

0引言

国民经济发展中，制造业占据着举足轻重的地位。在我国经济腾飞的今天，企业装备的数控化率正逐步提高，数控技术也得到较快发展。然而，随着数控技术的发展，数控机床的结构和控制系统变得越来越复杂。数控编程已逐渐从手工编程和自动语言编程发展到自动图形编程。然而，无论采用何种编程方法，切削速度、进给速度、备用方案和其他加工参数通常占重要比例。就我国数控技术的发展而言，切削参数的选择是困扰数控加工的一个重要问题[1]。

1基于虚拟加工车削参数优化方法的总体结构

利用虚拟加工过程仿真实现切削参数的优化是制造业的研究重点之一，本小节建立用于车削加工的切削参数优化系统的体系结构。

1.1基于虚拟加工车削参数优化方法的原理

与以往为单个NC指令行优化参数的做法不同，优化本表中的NC程序参数不仅会更改每条指令行的参数，而且还根据切削模拟比率提供的工件瞬时反馈半径和工艺的变化，优化刀具路径中每个中间点的参数，以减少加工时间和节省加工成本。在本文的切削参数优化系统中，加工过程的模拟与优化是相对独立的。虚拟加工仿真过程完成指定NC程序的加工仿真，并生成相应的加工性能比。仿真过程完成后，NC程序优化模块利用仿真输出结果调整加工程序，然后对加工过程进行优化。由于优化过程的计算周期较长，有一种相对独立的处理方法，可以避免加工模拟中的短暂中断现象，加工模拟效果明显。

1.2基于虚拟加工仿真的切削参数优化系统的体系结构

1.2.1优化系统功能描述。虚拟加工参数优化系统的基本功能是在虚拟加工参数优化环境下，借助加工仿真过程中获得的几何切削参数，实现工件的加工仿真过程。为了满足这些要求，实现虚拟加工的目标，切削参数优化系统具有不同的功能：（1）处理系统的人机交互功能。操作员可以设置和修改加工系统的机床、刀具、零件等信息，也可以在不同工况下更改预测模型的参数。同时，操作员可以通过仿真界面控制虚拟加工过程并生成仿真结果。（2）工艺参数的计算和优化功能。该系统可以根据切削参数文档、用户约束以及不同加工条件下的许多计算参数来优化工艺参数。按切削参数文档中数控程序行号索引得到优化后各行的切削参数，并存入优化结果文档。这些基本功能的实现需要子功能的许多相关要求。根据调制软件设计思想，对其功能进行了分解。1.2.2组织体系结构。基于虚拟加工技术的切削参数优化系统采用层次化设计方法，将切削参数优化系统的各个环节有机地连接起来。（1）数据层系统的数据层应包括仪表信息数据库、仪表信息数据库和截止参数数据库。机床信息数据库主要包括与机床性能相关的约束信息，如机床功率、速度范围、允许切削力等。仪器信息数据库主要包括仪器材料、主偏转角、仪器尖半径、仪器持续时间等仪器信息；切削性能数据库主要包括不同加工条件下不同预测公式所需的参数信息[2]。（2）数据处理层。数据处理层主要在优化切削参数之前准备数据的计算和处理，根据数据层数据库信息和目标函数预测模型的值计算约束，为参数优化层的优化算法提供了依据。（3）参数优化层。参数优化层主要完成切削和修改参数优化算法的优化过程，并根据优化结果和待优154新型工业化INXINGGONGYEHUAX化的数控程序生成数控程序。（4）界面交互层。界面交互层主要提供用户信息和切削参数优化系统。

1.3切削参数优化方法

在车削加工中，单程切削和多程切削是经常采用的两种加工形式。本文针对这两种加工形式，分别研究了切削参数的优化方法。单程切削加工的特点是刀具沿工件轮廓表面一次切削走刀完成加工任务。当工件表面形状复杂时，背吃刀量和切削工件半径随仪器位置的变化而变化。在优化系统中，通过数控优化模块实现工艺参数的优化。对于单向切削，NC优化模块的主要功能是优化下颌骨的速度并输入NC程序。优化模型中的优化算法采用遗传优化算法。在优化过程中，mandrinn速度和feedf速度不断变化，使得相应的适应值和目标函数的约束值发生变化。预测模块根据切削参数文件提供的后草图AP、零件R的半径和仪器信息，提供优化模型所需的变量（切削力、功率、刀具寿命、粗糙度等），然后计算约束条件和目标函数的形式。通过比较获得与最佳目标对应的进给和放牧速度，并将其与从切割文件获得的位置信息（即非优化程序中当前位置的行号）一起保存在优化比率中。多程切削的粗加工过程主要包括两个阶段：多次直线切削循环阶段和轮廓车削循环阶段。优化过程分两个阶段进行[3]：在第一阶段，基于单向切削参数优化技术，建立了单向切削参数优化结果数据库。在多步加工中，首先，根据模拟车削工件形成的几何文件和毛坯尺寸，确定切割工件的总加工范围和加工半径。后部设计的约束范围和切割件半径的加工范围根据固定间距离散。将工件半径的可选值按不同的组合插入到单程切削优化模型中，以获得在返回和切削半径的所有不同组合条件下的目标函数的最优值，并将优化结果存储在优化参数数据库中。这样，所有可选草图和工件加工都保存在优化参数数据库中。第二阶段，在建立优化参数数据库的基础上，利用反馈优化模型确定加工周期数和每个周期的备用功率值。首先，根据总加工余量和返回余量的约束范围，计算多道次切削循环次数。对于每个循环，应使用整数非线性优化算法计算最佳加工性能指标，条件是总加工余量等于每个切割循环的背景设计之和。与最佳加工性能指标相对应的循环数和每个循环的后部设计是多步骤加工的最佳循环数和每个循环的后部设计[4]。多道次切削的原始加工过程主要包括两个阶段：线性切削循环和轮廓旋转循环的更多阶段。总加工余量应通过两步切割循环进行补充。多步处理和单步处理的主要区别在于确定处理周期的数量和每个周期的反馈值。优化过程分为两个阶段：第一阶段，基于单向切削参数优化技术，建立单向切削参数优化结果数据库。在多步加工中，首先，根据模拟车削工件形成的几何文件和毛坯尺寸，确定切割工件的总加工范围和加工半径。后部设计的约束范围和切割件半径的加工范围根据固定间距离散。在单向切削优化模型中，根据不同的组合，插入工件半径的可选值，以获得所有返回和切削半径组合条件下目标函数的最优值。在第二阶段中，根据总加工余量和返回余量的约束范围计算多道次切削循环次数。对于每个循环，应通过整个循环的完全非线性优化计算最佳加工性能指数，前提是加工余量总量等于每个切割循环的基本设计总和。与最佳加工性能指标相对应的循环数和每个循环的后部设计是多步骤加工的最佳循环数和每个循环的后部设计。借助自动编辑器，在数控机床的可用NC代码中生成计算出的优化结果，并将其输入NC仿真单元，以检测优化的加工条件，并判断加工性能是否满足加工要求。最后，将优化后的CN代码插入到实际机床中进行零件的生产和加工。如果将三个切削因子用作控制因子。在基于虚拟加工车削参数优化系统中，主要考虑切削力、切削功率、主轴扭矩、表面粗糙度、刀具寿命和切削用量范围几方面。

2基于虚拟加工的数控加工过程优化

在旋转过程中，一方面，工件围绕其旋转轴高速旋转，另一方面，仪器在工件的轴向平面内沿x轴和Z轴移动，并逐渐从工件上切割材料，从而加工出所需的工件形状。边界多边形和仪器扫描多边形中间的工件轴的截止算法原理如下：仪器扫描多边形的每条边随着截面边界多边形中间的截面轴每条边旋转。应用本表介绍的工件模型、仪器扫描体积模型和过程模拟算法建立虚拟旋转系统时，需要解决以下关键问题：在每个多边形具有固定连接方向的情况下，开发半轮廓多边形和仪器扫描多边形之间的切割算法。在模拟过程中，工件多边形的方向保持不变，而仪器扫描多边形的方向随仪器移动的方向而变化。当仪器扫描体积的多边形方向改变时，多边形之间的切割操作将产生意外结果。当表面旋转类型改变时，仪器相对于工件的移动方向也会改变，因此生成的仪器扫描范围的方向也会改变。因此，在生成仪器扫描范围时，应根据仪器相对于工件多边形方向的移动方向变化调整仪器扫描体积范围的方向[5]。

3切削参数优化算法

3.1确定优化变量

车削中的切削参数主要包括切削速度、进给速度和回位。在过程模拟中，切削速度可根据NC程序提供的仪器直径和心轴速度获得，进给可直接从NC程序获得，但反向进给很难直接从NC程序获得。只有通过获得回风，才能预测加工过程中的物理性能指标，进而评估加工过程中使用的参数是否合理，最终工件的性能和质量是否符合标准。在优化加工过程中，如果在加工路径上的所有位置都知道反馈，则可以根据相应的模型计算加工路径上的所有物理信息（如切削力、切削功率和所消耗刀具的寿命），此过程优化了切割参数。可以看出，如何获取背面图形是模拟和优化加工过程的关键[6]。

3.2优化目标

切削参数采集流程图主要包括以下阶段：（1）自由裁量工艺路径，以获得与旋转进给对应的材料去除，当前工艺路径必须是离散的。在此过程中，最佳离散距离为旋转进给量。在实际仿真计算中，为了减少计算量，通常采用较大的离散空间来代替。（2）每个离散路径对应的仪器扫描体积是针对带有轨迹的布尔运算生成的。（3）找到材料的去除体积。材料去除体积是工件和仪器扫描体积的布尔交叉点。该过程在更新工件的同时执行。材料的去除体积用于计算切削参数。（4）工件更新工件，仪器的扫描体积（或材料的去除体积）采用布尔减法完成工件的更新。工件的不断更新过程伴随着仪器和机床运动部件的运动，实现工作模拟。（5）重复上一过程，直到完成模拟。

3.3优化算法

基于虚拟加工的车削参数优化方法的前提是建立精确加工过程的仿真。在本章中，使用实体仿真技术实现了仪器扫描体积和工件模型之间的布尔减法仿真过程。

4数控车削过程优化实验

目前，切削参数优化的目标主要包括效率、成本以及考虑成本和效率的多目标模型。对于单向切削，该板材假设恒定的强度和效率作为研究切削参数的优化目标。因此，有必要建立一个具有恒定强度和效率的目标函数。实现切削力的目标函数中的恒定强度特性是加工过程中性能的重要指标。由于它易于测量，通常被用作比较和优化性能的一个重要指标，在寻求切削过程优化的过程中受到研究人员的关注。由于仪器在车削过程中收到的切削力是波动的，因此力的恒定切削通常意味着仪器收到的主切削力的峰值或平均值在寻求加工过程的优化过程中是恒定的。该卡的目的是在接近预期值的小范围内振荡实际切削力的平均值或峰值，以实现恒定切削力的目标[7]。在旋压过程中，当加工余量较大且受到机床和工具性能的限制时，不可能在刀具的基础上通过一个周期完成加工操作，有必要将总加工余量分解，并将工件转换为多个周期。我们定义了通过多个循环仪器完成工件加工的过程，这些仪器作为多个车削过程行走。目前，该系统已应用于机床操作人员的培训，培训效果明显。

5结论

本文在综合分析切削参数优化相关技术研究和应用现状的基础上，研究了单道次和多道次切削参数优化方法，结合实验对优化方法进行了分析和验证。本文的主要研究和创新工作如下：（1）确定优化虚拟加工参数方法的体系结构和工作流程。简化了二维多边形布尔运算过程中去除三维实体的过程，改进了虚拟加工中去除材料的数学模型，提高了计算效率，实现了基于虚拟加工的切削参数获取。（2）建立了以恒定切入力为目标的扭矩参数优化数学模型，实现了进给速度和芯棒速度的优化。以铝合金零件的毛坯加工为例，进行了试验。结果表明，该方法能显著缩短切削时间，提高加工效率。

参考文献

[1]张臣,周来水,余湛悦.基于仿真数据的数控铣削加工多目标变参数优化[J].计算机辅助设计与图形学,2005,17(5):1039-1045.

[2]李建广,姚英学,刘长清,等.面向车削用量优化的遗传算法研究[J].计算机集成制造系统-CIMS,2006,12(10):1651-1656.

[3]杨勇,沈秀良,邵华.基于遗传算法的铣削参数优化[J].机械设计与研究,2001,17(2):59-61.

[4]蒋异,李爱平,林献坤.基于遗传算法的铣削加工参数模糊优化系统研究[J].机电一体化,2006(2):35,39.

[5]刘海阳.CAXA数控车软件在数控车编程与操作教学中的应用[J].电子元器件与信息技术,2019,3(10):118-119,122.

[6]周丽勤.基于虚拟加工的数控车削优化探析[J].企业科技与发展,2017(12):58-60.

[7]吴菁.基于虚拟加工车削参数优化方法的研究[D].哈尔滨工业大学,2009.

作者:张友林 单位:江苏省仪征技师学院