基于虚拟加工的数控程序优化方法

第39卷 第1期2007年1月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报
J OURNAL OF HARBI N I NSTI TUTE OF TECHNOLOGY
Vo l 139N o 11J an.2007
基于虚拟加工的数控程序优化方法
李建广,赵 航,姚英学,刘长清
(哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001,E -m a i:l m eig l@i hit .edu .cn)
摘 要:提出了基于虚拟加工的刀具路径优化、切削参数优化和误差补偿的数控程序优化方法,开发了用于数控程序优化的应用系统.应用实例表明:加工效率和加工精度得到了提高,加工过程也得到改善.关键词:虚拟加工;数控程序;优化中图分类号:TP391;TG 547
文献标识码:A
文章编号:0367-6234(2007)01-0051-04
V irtualm achini ng based opti m ization syste m for NC progra m s
LI Jian -guang ,ZHAO H ang ,YAO Y ing -xue ,LI U Chang -qi n g
(Schoo l ofM echa tron i cs Eng i neer i ng ,H a rbin Institute o f T echno l ogy ,H arbi n 150001,China ,E -m a i :l m eigl@i h it .edu .cn)
Abst ract :The arch itecture o f opti m ization syste m is bu ilt for the pur pose of the i n tegration ofNC progra m ver -ifi c ation ,cutting para m eters opti m ization and error co mpensati o n .Several syste m s based on v irtualm ach i n i n g have been deve l o ped to opti m ize NC progra m s for different purposes .The results of p il o t experi m ents sho w tha t
producti v ity ,m ach i n i n g accuracy and m achining process are i m proved obv iously .K ey w ords :v irtualm ach i n i n g ;NC progra m;opti m izati o n 收稿日期:2005-09-06.
基金项目:哈尔滨市攻关项目(2005AA1CG061-8).作者简介:李建广(1970)),男,博士,副教授;
姚英学(1962)),男,博士,教授,博士生导师.
随着计算机技术及CAD /CAM 技术的发展,基于加工过程仿真的数控程序验证和优化方法得到了关注和应用
[1-7]
,在数控程序可靠性验证、切
削参数优化、误差补偿等方面取得了一些进展,但
是这些技术是基于不同支撑技术相对独立的单项技术,制约了这些技术的集成,影响了数控程序的优化.
本文利用虚拟加工在数控加工仿真中应用的优势,探讨基于虚拟加工集成数控程序可靠性验证、切削参数优化和误差补偿功能的数控程序优化方法,以提高数控程序优化的效率和效果.
1 系统的体系结构
基于虚拟加工的数控程序优化系统的体系结构如图1所示,主要由7个模块组成:
1)虚拟加工子系统:虚拟加工子系统是现实加工系统在计算机中的表示,是数控程序优化系统的核心,可对现实加工过程进行具有真实性的模
拟.在数控程序的驱动下模拟真实环境下的加工系统的切削运动、材料去除过程、碰撞干涉检查、计算切削参数,并输出有效切削的刀具路径、每次走刀的切削用量、代表加工质量仿真结果的虚拟工件等仿真信息,为数控程序验证、刀具路径优化、切削参数优化和误差补偿等提供必要的信息
.
图1 基于虚拟加工的数控程序优化的体系结构
2)加工质量预测模块.该模块根据虚拟加工所生成的表示已加工工件模型的虚拟工件,与理想工件模型进行比较,获得误差分布,预测形状
精度和表面粗糙度.
3)评价模块.该模块根据预测的加工质量、有效刀具路径、切削参数等信息,通过可视化显示、对比分析、数值计算等手段多角度地对数控程序的质量进行评价.
4)刀具路径优化模块.根据评价结果,如有必要,则根据虚拟加工子系统输出的有效刀具路径信息生成刀具路径优化报告.该报告包括对发生碰撞干涉的程序段处理的建议、无效切削路径剔除等信息.
5)切削参数优化模块.根据虚拟加工提供的切削用量信息,针对优化目标如最高加工效率、最低加工成本等,采用优化算法计算切削参数,获得满足加工系统约束的优化的切削参数,给出切削参数优化报告.
6)误差补偿.根据加工质量预测模块得到误差分布,计算误差补偿量并生成误差补偿报告. 7)数控程序修改模块.根据刀具路径优化报告、切削参数优化报告、误差补偿报告,交互或自动地对原始数控程序进行修改,生成优化的数控程序.
2 虚拟加工
虚拟加工子系统由虚拟机床、虚拟夹具、虚拟工件、虚拟刀具组成[3]
,是现实加工子系统在计
算机中的表示.虚拟加工子系统在数控程序的驱动下真实地模拟实际的加工过程,并将数控程序优化所需的信息输出到相应的仿真报告中.该系统结构如图2所示.211 虚拟加工子系统模型
虚拟加工子系统结构见图2.
图2 虚拟加工子系统
1)虚拟机床:虚拟机床(VMT )由3个子模
型组成:几何子模型、运动子模型和误差子模型.几何子模型表示VMT 的几何形状和外观属性,由机床各组件的几何模型按照机床的结构/装配0而成.运动子模型描述了机床的结构和工作范围,决定了组成机床几何子模型的各组件模型在数控程序驱动下的相对位置的变化关系,其模型可用树型结构来表示
[8]
.误差子模型表征了机床的运
动/动态特性和误差,运动误差可以采用多体系统理论来建模
[9]
.
2)虚拟夹具:虚拟夹具是夹具的几何模型,
在虚拟加工中主要用于碰撞检查.
3)虚拟刀具:用于碰撞检测、加工精度预测和切削参数优化.
4)虚拟工件:虚拟工件是一个与工件有关的抽象模型,代表虚拟加工不同阶段的与工件有关的模型,如虚拟加工前的毛坯模型、虚拟加工过程中的在加工工件模型和虚拟加工结束之后的已加工工件模型.在仿真材料去除的过程中,虚拟工件所表示的几何信息、精度信息等不断地被修改.虚拟加工结束后,虚拟工件就包含了反映实际已加工工件精度的信息.212 数控程序解释
数控程序的解释依赖于机床特定数控系统的编程规范及其机床结构、性能指标(如主轴转速范围、进给速度范围、各轴的行程)等,主要完成如下两项工作:
1)根据编程规范对数控程序进行语法检查并输出语法检查报告;
2)对数控程序进行预处理并将其转换为在加工仿真中便于快速获得数据的统一格式.213 系统模型几何变换
在实际加工过程中,加工系统中的相关零部件在数控指令的驱动下相对位置发生改变,实现位置调整和加工运动.在虚拟加工中,虚拟加工子系统中的相关零部件模型根据误差模型计算得到的坐标值进行几何变换以改变其空间相对位置和姿态来模拟加工系统的运动.214 材料去除过程仿真
根据数控指令确定的刀具与工件间的相对位置不断地修改工件模型,即不断地从工件模型上/减去0与刀具重叠部分的材料以模拟的去除过程,以实现加工过程的优化.该过程主要实现以下3方面的功能:
1)计算每一走刀的切入、切出位置,存入有
效刀具路径报告,用于刀具轨迹的优化;
2)计算每一走刀的切削用量并获取切削参
数,存入切削参数报告,用于切削参数优化;
3)生成反映加工质量的虚拟工件,用于加工质量的预测和误差补偿.215 运动仿真和碰撞检测
在执行数控程序、仿真数控加工的过程中,首先根据误差模型计算诸多误差因素影响下的实际加工运动轨迹,并根据轨迹坐标值对子系统的各
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几何模型进行几何变换模拟加工运动过程.对多坐标加工而言,加工运动轨迹比较复杂,需要对可能出现的碰撞干涉进行检查.在虚拟加工中,碰撞、干涉检测可在经几何变换的模型间进行.为提高虚拟加工的速度,检测可指定在可能发生碰撞的零部件间进行.
3 刀具路径优化
刀具路径影响着加工效率和加工过程的安全性.加工过程的安全性主要是指加工过程是否存
在潜在的碰撞,只能确定碰撞发生的程序段、碰撞对象和干涉值的大小,通过人工消除来保证.而加工效率的高低是指在满足加工质量的条件下可靠地完成加工任务的时间的长短,通过确定并自动消除无效切削路径来提高.
通过刀具路径优化,消除切削进给过程中无材料去除的路径,提示修正潜在的碰撞程序行,从而提高加工效率和加工过程的可靠性.
4 切削参数优化
切削参数的最优值应该是能达到零件的质量要求(形状精度和表面精糙度),并在加工系统强度和刚度允许条件下充分利用机床功率和发挥刀具切削性能时的最大切削参数.为提高数控加工效率,充分发挥机床的性能,在满足给定的约束条件下选择合理的主轴转速和进给速度.这些约束包括主轴转速和进给速度范围、加工系统在满足稳定加工条件下所能承受的最大切削力、主轴功率及刀具寿命等.切削力预测是切削参数优化的关键.411 切削力的预测
对于给定的刀具和工件,切削力的大小随切削用量的变化而变化,因此切削力可表示为切削用量的函数.
车削:F =f (v ,v f ,a p ),
(1)
铣削:F =f (a p ,a w ,a z ).(2)式中:v 为切削速度;v f 为进给速度;a p 为背吃刀量;a w 为切削宽度;a z 为每齿进给量.
计算切削力的关键是获得切削用量.主轴转速S 、进给速度v f 可从数控程序直接获得,切削速度v 可由主轴转速、切削点工件直径或刀具直径计算得到,每齿进给量a z 可由主轴转速S 、进给速度v f 计算得到,而背吃刀量a p 、切削宽度a w 则须通过虚拟加工获得.这样,就可根据(1)、(2)分别计算车削力和铣削力[10]
.
412 切削参数优化
确定主轴转速、进给速度为被优化的切削参
数,最优值通过优化算法来确定.切削参数的优化是个多目标、多约束条件、多变量的优化问题,遗传算法(GA)为解决此类复杂的优化问题提供了
一个全新算法[11]
.在应用GA 优化计算时,需解决变量的切削参数物种基因链编码、优化目标适合度的计算及物种基因链重组等问题.图3所示为基于遗传算法的切削参数优化流程.
图3 基于遗传算法(GA )切削参数优化流程图
通常,以加工工时和/或加工成本最低为目标,以切削参数取值范围、最大有效切削功率、最
大切削力、刀具寿命等为约束,利用遗传算法搜索切削参数的最佳值.
5误差补偿
虚拟加工技术进行误差补偿有2种方法:1)直接利用加工机床误差模型计算的误差:首先应用加工机床的误差模型计算采样点(补偿点)的误差,然后基于此值对数控程序相应的程序段进行修正.该方法简单,可不进行虚拟加工,速度快,但没有考虑刀具几何形状的影响.2)利用预测的加工误差:通过对虚拟工件的处理建立表面形貌模型,与理想加工表面比较后获得加工表面的误差分布及其对应的程序段,然后对相应的程序段进行修正.该方法误差补偿精度高,但计算时间较长,而且确定某一程序段的修正值比较困难,常用于车削加工误差补偿.
6 优化系统的应用
611 数控程序可靠性的验证
Decke lD MU50/70e Vo l u ation 是一类结构比较特殊的5坐标高速加工中心,5坐标加工时,刀具相对于工件的实际空间运动轨迹复杂,在实际加工之前必须进行试切或计算机仿真.采用D MU50e V 虚拟加工系统,用来对数控程序进行验
#
53#第1期李建广,等:基于虚拟加工的数控程序优化方法
证.实例对加工型腔的数控程序进行检查,375行程序段共发生470次碰撞,全部发生于工件和刀夹之间,其原因是选择的刀具长度太短.612 刀具路径的优化
消除无效的切削路径是提高加工效率的有效手段之一.可根据编程毛坯和实际毛坯几何形状的不同,自动对数控程序进行修改,使其安全高效地切削.在图5所示的实例中,切削时间从优化前的57m in 52s 减少到优化后的27m i n 1s ,效率提高超过50%.
613 切削参数的优化
以CAD 开发支持系统AC I S 为核心开发了切削参数优化系统,根据虚拟加工中计算得到切削用量,铣削力的预测按文献[10]建立的切削力模型计算.根据仿真过程中预测的各点瞬时切削力,可用于切削参数的优化.
根据预测的切削力,以恒功率为约束、加工工时最短为目标对进给速度进行优化.优化前后的实测对比实验结果(图4)可以看出,优化后所需的切削功率比较恒定
.
(a)优化前
(b)优化后图4 优化前后主轴功率实测值对比
614 误差补偿
光学表面有很高的形状精度和表面粗糙度要求,针对超精密金刚石车削机床N anofor m 200的几何/运动误差,开发了一套虚拟加工检测系统进行误差的预测和补偿.实验试件是直径为50mm 、端面为半径254mm 球面的检验机床加工精度的标
准工件,加工球面.预测的形状误差为0.1964L m .实际对比切削实验表明,形状精度得到大幅度的提高,而且提高值与预测值接近形状误差从补偿前的0.415L m 减小为0.2267L m .
7 结 语
本文以提高数控编程质量为目标,提出了基于虚拟加工、集成数控程序可靠性验证、刀具路径优化、切削参数优化和误差补偿的数控程序优化方法,建立了虚拟加工的数控程序优化的结构体系,并对相关的关键技术进行力研究.以此为基础,开发了相应的数控程序优化系统.实验结果表明,加工过程、加工质量和加工效率明显改善.
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(编辑 杨 波)
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