CN106020132B - 基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，主要包括以下步骤：1.将被加工毛坯零件固定机床工作台上；2.使用恒定的切削参数加工整个零件，采用测力仪测量并记录加工过程的切削力；3.将对应点的切削参数以及切削力值带入切削力模型，求解加工轨迹对应点的切削深度；4.由NC代码求解对应点的坐标值，在此基础上加上切削深度，获得切削轨迹处毛坯表面形貌曲线，通过对所有轨迹进行多项式插值计算即可得到毛坯的原始模型，实现原始模型的反求；5.利用毛坯原始模型和切削参数离线优化方法，实现毛坯不确定产品首道工序加工参数优化；本发明能够降低刀具损耗，提高加工效率，降低加工成本。

Description

基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化 方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体为一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，通过现场实测切削力数据反求毛坯几何模型，进而实现粗加工过程进给速度优化。
背景技术
随着数字化加工技术的发展，传统的加工设备逐渐被数字化加工设备所代替，较大程度的提高了加工精度和加工效率，降低了加工成本。然而小批量、多品种、多批次的生产模式使得数控加工中零件程序编制的工作量巨大，目前绝大多数的数字化加工设备都采用离线编程，加工参数的选取仍然依靠编程人员的经验或者机床使用手册。因此加工参数的选取往往过于保守且不够合理，导致机床利用率较低，刀具磨损较快。随着智能加工技术的发展，各种加工参数离线优化的方法在实际生产中得以应用，在一定基础上提高了机床的利用率，进一步降低了加工成本。然而，几乎所有的优化算法都是基于初始几何模型确定的生产条件进行优化，对于铸造零件、锻造零件以及复杂曲面零件等毛坯的初始几何模型不确定的毛坯零件无法优化。另外，锻造毛坯与铸造毛坯表面形貌较为复杂且表层物理性能与深层差异较大，通过测量获得准确几何模型难度较大，同时测量建模只能获得几何模型，无法获得零件切削性能与刀具之间的性能匹配参数，对于该类零件目前都是采用试切的方式加工。但是由于被加工零件的初始几何模型不确定，且不同批次的毛坯零件的尺寸差异较大，所以每次以较小的轴向切深试切，导致加工效率较低，同时突变的切削深度很容易引起刀具破损、断刀等事故，导致产品加工效率较低，加工成本较高。
发明专利(CN201110067451.3)一种切削加工中进给速度的优化方法提出了一种典型难加工材料加工参数优化方法，该方法利用仿真获取刀具温度和切削厚度、切削速度之间的经验公式，然后通过经验公式和材料去除率优化加工参数，通过使用不同的进给速度保证切削过程中切削厚度一致，使得刀具不会在切削宽度突变时磨损加剧，从而提高了生产率。但该方法都是针对已有模型进行切削参数优化，对初始几何模型不确定的加工任务无法优化。
发明内容
针对背景技术提出的现有不确定模型粗加工过程加工效率较低、刀具损耗较大所导致的加工成本较高的问题，本发明提出一种专门针对毛坯模型不确定产品粗加工过程进给速度优化方法。该方法通过对首件毛坯进行试切，并记录试切过程的切削力，然后根据切削力和NC代码拟合初始毛坯几何模型，并根据几何模型进行首道工序进给速度优化，该方法能够有效的避免粗加工过程因刀具破损、断刀等情况导致加工中断，从而提高不确定模型粗加工效率，降低加工成本。
本发明的技术方案为：
所述一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：从同批次的被加工毛坯零件中选择一个被加工毛坯零件，并固定在机床工作台上；
步骤2：使用预先设定的切削参数加工被加工毛坯零件，并采用测力仪测量并记录加工过程的切削力；
步骤3：从机床的NC代码中提取加工轨迹，将加工轨迹分为n段，得到a0,a1,…,an共n+1个点；使用切削力模型、对应点的切削参数以及切削力求解加工轨迹上n+1个点的切削深度d0,d1,…,dn；
步骤4：从机床的NC代码中计算ai点对应坐标值(xi,yi,zi)，得到ai点对应原始被加工毛坯零件上的坐标值为(xi,yi,zi+di)，其中i＝0,1,…,n；利用坐标值(xi,yi,zi+di)进行多项式插值得到加工轨迹处毛坯表面形貌曲线；通过对所有加工轨迹处毛坯表面形貌曲线进行拟合得到被加工毛坯零件的原始几何模型；
步骤5：结合被加工毛坯零件的原始几何模型和切削参数离线优化方法，对被加工毛坯零件粗加工过程首道工序进给速度进行优化，生成经过优化的NC代码，实现被加工毛坯零件首道工序进给速度优化。
进一步的优选方案，所述一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，其特征在于：步骤2中使用的预先设定的切削参数采用保守的切削参数。
进一步的优选方案，所述一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，其特征在于：步骤2中使用预先设定的切削参数加工被加工毛坯零件时，采用未磨损刀具进行加工。
进一步的优选方案，所述一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，其特征在于：在步骤2中使用预先设定的切削参数加工被加工毛坯零件前，根据被加工毛坯零件的加工材料和所使用刀具，对步骤3中使用的切削力模型中的切削力系数进行标定。
有益效果
本发明所提出的基于现场实测切削力数据与离线优化相结合的粗加工进给速度优化方法具有以下优点：
1、本方法只需对同批次被加工毛坯零件中一件产品进行试切，即可通过模型反求获得被加工毛坯零件的初始几何模型。
2、本方法能够对初始几何模型不确定零件的首道工序进行优化，能够减少刀具的损耗，提高加工效率。
3、本方法在求解切削深度时所采用的切削力模型为已有成熟的切削力模型，计算精度较高；采用测力仪测量加工过程的切削力，测量精度较高且稳定性较好。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明专利基于现场实测切削力数据与离线优化相结合的粗加工进给速度优化方法优化流程图。
具体实施方式
下面以航空发动机叶片锻造毛坯粗加工过程为例，对本发明的具体实施方式进行描述。所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，包括以下步骤：
步骤1：从同批次的被加工毛坯零件中选择一个被加工毛坯零件，并固定在机床工作台上。
步骤2：使用预先设定的切削参数加工被加工毛坯零件，并采用测力仪测量并记录加工过程的切削力。该步骤的作用是：使用恒定的切削参数可以减少变量，降低计算难度，测力仪能够同时测量X Y Z三个方向的切削力，具有测力信号稳定，抗干扰能力强，安装方便优点。
步骤3：从机床的NC代码中提取加工轨迹，根据精度要求，将加工轨迹分为n段，得到a0,a1,…,an共n+1个点；使用切削力模型、对应点的切削参数以及切削力求解加工轨迹上n+1个点的切削深度d0,d1,…,dn。该步骤的作用是：分段数n决定计算精度和计算速度，根据加工精度和计算速度要求选择合适的n值，提高算法的使用范围。
步骤4：从机床的NC代码中计算ai点对应坐标值(xi,yi,zi)，得到ai点对应原始被加工毛坯零件上的坐标值为(xi,yi,zi+di)，其中i＝0,1,…,n；利用坐标值(xi,yi,zi+di)进行多项式插值得到加工轨迹处毛坯表面形貌曲线；通过对所有加工轨迹处毛坯表面形貌曲线进行拟合得到被加工毛坯零件的原始几何模型，实现原始几何模型的反求。该步骤由NC代码获得加工轨迹上个点坐标的理论值，获取方便且精度较高；多项式插值拟合曲线误差较小，且算法简单、容易实现。
步骤5：结合被加工毛坯零件的原始几何模型和切削参数离线优化方法，对被加工毛坯零件粗加工过程首道工序进给速度进行优化，生成经过优化的NC代码，实现被加工毛坯零件首道工序进给速度优化。该步骤使用反求模型进行切削参数优化，选择合理的切削参数，提高加工效率，降低加工成本。
本发明在步骤2使用预先设定的切削参数对被加工毛坯零件进行试切加工时，选用比较保守的切削参数，同时选用未磨损刀具(即新刀)，其作用是：由于毛坯的初始几何模型不确定，保守的切削参数能够避免刀具因突变的过大的切削力而损坏；由于切削力随刀具磨损量的增大而增大，使用新到进行试切可以避免刀具磨损的影响，提高计算精度。
并且在步骤2试切前，根据被加工毛坯零件的加工材料和所使用刀具，对步骤3中使用的切削力模型中的切削力系数进行标定，其作用是：经过标定的切削力系数代表材料与刀具的耦合关系，使得切削力模型更加精确。
本发明所提出的基于现场实测切削力数据与离线优化相结合的粗加工进给速度优化方法适用于铸造毛坯、锻造毛坯、复杂曲面等既不确定初始几何模型，而且初始几何模型也难以测量的毛坯的首道工序加工过程切削参数优化，通过对毛坯粗加工过程进行切削参数优化，减少粗加工过程刀具损耗，提高毛坯粗加工的加工效率，降低加工成本。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：从同批次的被加工毛坯零件中选择一个被加工毛坯零件，并固定在机床工作台上；
步骤2：使用预先设定的切削参数加工被加工毛坯零件，并采用测力仪测量并记录加工过程的切削力；
步骤3：从机床的NC代码中提取加工轨迹，将加工轨迹分为n段，得到a0,a1,…,an共n+1个点；使用切削力模型、对应点的切削参数以及切削力求解加工轨迹上n+1个点的切削深度d0,d1,…,dn；
步骤4：从机床的NC代码中计算ai点对应坐标值(xi,yi,zi)，得到ai点对应原始被加工毛坯零件上的坐标值为(xi,yi,zi+di)，其中i＝0,1,…,n；利用坐标值(xi,yi,zi+di)进行多项式插值得到加工轨迹处毛坯表面形貌曲线；通过对所有加工轨迹处毛坯表面形貌曲线进行拟合得到被加工毛坯零件的原始几何模型；
步骤5：结合被加工毛坯零件的原始几何模型和切削参数离线优化方法，对被加工毛坯零件粗加工过程首道工序进给速度进行优化，生成经过优化的NC代码，实现被加工毛坯零件首道工序进给速度优化。
2.根据权利要求1所述一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，其特征在于：步骤2中使用的预先设定的切削参数采用保守的切削参数。
3.根据权利要求1所述一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，其特征在于：步骤2中使用预先设定的切削参数加工被加工毛坯零件时，采用未磨损刀具进行加工。
4.根据权利要求1所述一种基于现场实测切削力数据与离线优化的粗加工进给速度优化方法，其特征在于：在步骤2中使用预先设定的切削参数加工被加工毛坯零件前，根据被加工毛坯零件的加工材料和所使用刀具，对步骤3中使用的切削力模型中的切削力系数进行标定。
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