CN107664982A - 一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法，通过对数控加工过程中切削深度进行分层处理，实现了使数控机床主轴输出功率平滑的目的，主要对NC代码的校对、基于NC代码的加工路径反求及加工路径的分类和标记、粗加工中刀具轨迹分层处理3个方面进行处理，本发明可用于高档数控铣床，在加工过程中对刀具的切削路径进行优化，最终获得了能够稳定加工的数控程序，进而提高机床、刀具、和工件的安全性。

Description

一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及一种通过优化刀具的切削路径来保证机床输出功率平滑的方法。主要针对航空领域用户需求及工艺特点，用于高档数控铣床，在加工过程中对刀具的切削路径进行优化，最终获得了能够稳定加工的数控程序，进而提高机床、刀具、和工件的安全性。

背景技术

为了提高数控机床的加工技术的应用水平，降低数控加工的加工成本以及确保零件与产品的加工质量，无论是国内还是国外对数控加工中的切削参数优化技术做了大量的研究工作。在数控加工过程中，当刀具的轴线切削深度骤然增加或切屑厚度急剧变化时，有可能会导致刀具瞬间铣削力急剧增大，机床和刀具的振动幅度增加，这样不仅会降低零件或产品的加工精度，还会降低机床和刀具的使用寿命。因此，机床主轴输出功率的平滑研究具有十分重要的理论意义和经济效益。

目前，国内、外对机床主轴输出功率的优化研究的目的大多是为了提高机床的加工效率，优化方法一般也是通过优化切削参数中的进给速度，来提高数控机床的加工效率。对于平滑机床主轴的输出功率，现行常用的方法是通过降低或提高切削加工过程中的切削进给速度，来使机床主轴输出功率下降或上升。但是，虽然优化进给速度的方法可以有效平滑机床主轴的输出功率，但平繁的加减加工过程中的切削进给速度，对机床的动力学行性能要求很高，并且当某段加工路径的输出功率非常大时，仅仅通过降低进给速度的方法，并不能使机床主轴的功率可以平滑输出，就算是将进给速度的值降到机床所允许的最小值时，此处的输出功率仍然非常高，这个时候就需要提出一条新的思路，对切削参数进行优化，使机床主轴功率可以平滑输出。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法，在给定复杂结构件加工代码的基础上，对数控加工切削参数进行优化研究，从而最大限度保持机床主轴功率输出曲线平滑，进而提高机床、刀具、和工件的安全性。

本发明的技术方案包括以下步骤：

第一步：数控程序进行校对：

利用NC代码的校核器，对加载的数控程序进行校对，保证其格式、语法、词法的正确性并且可以被分层系统所识别；

第二步：数控代码到加工路径映射:

将求得的刀具加工路径进行分类且标记，为后续的刀具轨迹分层优化处理做准备；

第三步：加工路径分层：

将刀具的加工路径分为5类，分别为：直线加工，加工过程中功率不变；直线加工，加工过程中功率改变；曲线加工，加工过程中功率不变；曲线加工，加工过程中功率改变，R、I、J、K 不变；曲线加工，加工过程中功率改变，R、I、J、K 改变，按照所述的5 类的特点分别进行分层处理；

第四步：基于VERICUT仿真的刀具轨迹干涉检测：

利用VERICUT 仿真软件的机床运动仿真模块（Verification）对分层后的刀具轨迹进行刀具轨迹模拟仿真，检查优化后的NC代码的可行性和刀具的干涉状态，若NC代码中出现错误或刀具轨迹发生干涉的问题需要对NC代码进行修改，再次进行仿真检查，直到没有问题出现。

所述的步骤1中，NC代码校核器针对下述问题进行编译：

针对加载的数控程序中因人为因素造成的错误进行编译；

针对数控程序的格式、词法、语法上的错误进行编译；

对不能被分层系统所识别的数控程序的格式进行重新编译。

所述的步骤1中，NC代码校核器编译算法流程：Step1：读入一条数控程序段；Step2：分析当前程序段中的功能字、字符用法是否错误。如若发现错误，对其进行出错处理；若没有错误，转到Step4；Step3：对比校核器中的预存格式，对当前程序段的格式进行分析。如若发现错误，对其进行出错处理；若没有错误，转到Step4；Step4：读入下一条程序段；Step5：若当前程序段为结束行，输出校对后的数控程序；否则，转到Step2。

所述的步骤2中，根据刀具在加工过程中轴线方向的切削深度改变与否将加工路径分成两大类：1）加工过程中切削深度改变的情况；2）加工过程中切削深度不变的情况。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明方法提供了一种通用NC 代码校核器，它可以，对数控程序进行校对，保证其格式、语法词的正确性。

(2) 本发明提供了一种从NC代码到加工路径映射并将加工路径分类与标记的方法。

(3) 本发明最终实现了按用户需求即时优化切削加工中的刀具轨迹路径，确保了机床输出功率曲线的尽量平滑，提高了机床、刀具、工件的使用安全性。

本发明最大的创新点便是对刀具轨迹进行了分层处理 ，更改了刀具加工过程中的轨迹 。

本发明以高档数控铣床为研究对象，对加工中的切削参数进行优化，即刀具轨迹的分层优化研究 ，最终获得了能够稳定加工的数控程序。刀具轨迹（Tool Path）通常为数控加工中刀具在空间中的位置点所走过的轨迹。刀具轨迹规划的合理性是对零件及产品数控加工过程中准确性的最大保证，而且刀具轨迹规划的合理性还会直接影响到机床的功能，提高加工效率及机床和刀具的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法流程图；

图2是NC代码校核器编译流程图；

图3是G-代码校核器功能字分析模块流程图；

图4是G-代码校核器格式分析模块流程图；

图5是加工路径整体分类；

图6是切深不变的情况下加工路径的分类；

图7是切深改变的情况下加工路径的分类；

图8是加工路径分类与标记算法流程图a；

图9是加工路径分类与标记算法流程图b；

图10是将加工路径的20 种加工情况归成5 大类；

图11是两段连续需分层的加工路径分层；

图12是VERICUT 软件中刀具轨迹仿真流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例

本发明的优化方法包括以下步骤：

第一步：数控程序进行校对。

保证加载的NC代码的正确性和是否能被分层系统所识别是分层处理研究可以顺利进行的前提条件，并且刀具轨迹分层优化的研究具有通用性，它面向于所有已经编制完成的数控机床加工代码。虽然数控加工代码有其国际标准格式，但不同的人、不同的生产商编制出的CNC代码也是有所不同的。本步骤主要利用数控加工编程原理以及软件工程技术的思想针对以上问题开发了“NC代码的校核器”，对加载的数控程序进行校对，保证其格式、语法、词法的正确性并且可以被分层系统所识别。本步骤是对刀具轨迹分层处理研究的前期准备工作，目的是保证分层优化的对象的正确性和分层研究的可实施性。

主要针对以下三个方面的问题进行NC代码校核器的开发：1. 针对加载的数控程序中因人为因素造成的错误进行编译；2. 针对数控程序的格式、词法、语法上的错误进行编译；3. 对不能被分层系统所识别的数控程序的格式进行重新编译。

G-代码校核器编译算法流程：Step1：读入一条数控程序段；Step2：分析当前程序段中的功能字、字符用法是否错误。如若发现错误，对其进行出错处理；若没有错误，转到Step4；Step3：对比校核器中的预存格式，对当前程序段的格式进行分析。如若发现错误，对其进行出错处理；若没有错误，转到Step4；Step4：读入下一条程序段；Step5：若当前程序段为结束行，输出校对后的数控程序；否则，转到Step2。

第二步：数控代码到加工路径映射。

在数控加工过程中的刀具轨迹进行分层处理时，我们得到的有效信息只有数控加工代码，并不能确定加工的实体模型。因此，在只有数控程序而没有切削模型的情况下，首先需要通过给定的数控加工代码反求加工过程中的刀具路径。由于分层研究的需要，本步骤将求得的刀具加工路径进行分类且标记，为后续的刀具轨迹分层优化处理做准备。

由于刀具轨迹的分层处理是优化刀具的轴向切削深度，因而根据刀具在加工过程中轴线方向的切削深度改变与否将加工路径分成2大类：1）加工过程中切削深度改变的情况；2）加工过程中切削深度不变的情况。由于加工区域的边界线是由直线和曲线组成或逼近的，然后再将加工路径分成刀具的直线插补和刀具的圆弧插补两类。接着根据机床的主轴加工情况，再一次将加工路径分为单坐标加工、双坐标联动加工和3坐标联动加工3种情况。最后，由于刀具轨迹的分层研究是在仅有数控程序没有切削模型的条件下进行的，因而还需要考虑到被加工的毛坯模型是不规则的这种情况。但由于分层处理是对刀具的轴线方向的切削深度进行分层优化，因而此时只需要考虑毛坯件在刀具轴线方向的不规则情况。

数控代码到加工路径映射主要分为两个步骤：1）加工路径的分类；2）加工路径的标记。

第三步：加工路径分层。

在上一步中，将刀具的加工路径共分成了20 种类型，本步基于这20 种类型的基础上，将这划分好的20 种类型再次归到5 种情况中进行分层研究。之所以没有在上步中将刀具的加工路径直接划分成这5 种情况，主要是因为数控加工的特点以及数控程序的限制性，若直接将加工路径分成这5 种情况，会有一些考虑不到的情况，增加错误率以及加工路径标记的准确性，因此要事先将数控加工路径分成20 种类型。这5大类分别为：直线加工，加工过程中功率不变；直线加工，加工过程中功率改变；曲线加工，加工过程中功率不变；曲线加工，加工过程中功率改变，R、I、J、K 不变；曲线加工，加工过程中功率改变，R、I、J、K 改变，按照这5 大类的特点分别进行分层处理。

第四步：基于VERICUT仿真的刀具轨迹干涉检测。

文步骤利用VERICUT 仿真软件的机床运动仿真模块（Verification）对分层后的刀具轨迹进行刀具轨迹模拟仿真，检查优化后的NC代码的可行性和刀具的干涉状态，若NC代码中出现错误或刀具轨迹发生干涉等问题需要对NC代码进行修改，再次进行仿真检查，直到没有问题出现。

首先，说明一下本发明方法是在Microsoft Visual Studio 开发平台上利用C++汇编语言，基于VERICUT 软件提供的二次开发工具Optipath API，对刀具轨迹进行分类标记及刀具轨迹的分层研究。

VERICUT软件：VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统。

Optipath API：otimize path-application programming interface，是指VERICUT软件提供的在VC下，对VERICUT进行二次开发的路径优化程序接口。

本发明提出一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法，如图1所示，包括以下几个步骤：

第一步：运行VERICUT软件。

第二步：加载需要优化的数控加工代码，导入要进行切削加工的工件，建立加工环境。

第三步：在VERICUT打开优化Optipath API开关，嵌入二次开发程序。

第四步：对二次开发程序进行初始化。

第五步：对数控程序进行校对。

第六步：由用户输入相关切削参数。

第七步：通过VERCUIT软件，对加工过程进行仿真模拟，获得切削过程中的切削数据。

第八步：对数控程序进行分层优化。

第九步：绘制优化后的功率曲线。

第十步：用户判断目标曲线是否符合要求。若否跳转到第六步，若符合要求，则直接跳转到下一步。

第十一步：切削仿真完成，得到一条基本平滑的输出功率曲线图。

第十二步：在保存的文件位置，找到并获得修改后的NC代码。

第十三步：退出VERICUT软件。

Claims (4)

1.一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：数控程序进行校对：

利用NC代码的校核器，对加载的数控程序进行校对，保证其格式、语法、词法的正确性并且可以被分层系统所识别；

第二步：数控代码到加工路径映射:

将求得的刀具加工路径进行分类且标记，为后续的刀具轨迹分层优化处理做准备；

第三步：加工路径分层：

将刀具的加工路径分为5类，分别为：直线加工，加工过程中功率不变；直线加工，加工过程中功率改变；曲线加工，加工过程中功率不变；曲线加工，加工过程中功率改变，R、I、J、K 不变；曲线加工，加工过程中功率改变，R、I、J、K 改变，按照所述的5 类的特点分别进行分层处理；

第四步：基于VERICUT仿真的刀具轨迹干涉检测：

利用VERICUT 仿真软件的机床运动仿真模块（Verification）对分层后的刀具轨迹进行刀具轨迹模拟仿真，检查优化后的NC代码的可行性和刀具的干涉状态，若NC代码中出现错误或刀具轨迹发生干涉的问题需要对NC代码进行修改，再次进行仿真检查，直到没有问题出现。

2.根据权利要求1所述的一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法，其特征在于所述的步骤1中，NC代码校核器针对下述问题进行编译：

针对加载的数控程序中因人为因素造成的错误进行编译；

针对数控程序的格式、词法、语法上的错误进行编译；

对不能被分层系统所识别的数控程序的格式进行重新编译。

3.根据权利要求1所述的一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法，其特征在于所述的步骤1中，NC代码校核器编译算法流程：Step1：读入一条数控程序段；Step2：分析当前程序段中的功能字、字符用法是否错误。如若发现错误，对其进行出错处理；若没有错误，转到Step4；Step3：对比校核器中的预存格式，对当前程序段的格式进行分析。如若发现错误，对其进行出错处理；若没有错误，转到Step4；Step4：读入下一条程序段；Step5：若当前程序段为结束行，输出校对后的数控程序；否则，转到Step2。

4.根据权利要求1所述的一种以平滑切削功率为目标对刀具轨迹进行优化的方法，其特征在于所述的步骤2中，根据刀具在加工过程中轴线方向的切削深度改变与否将加工路径分成两大类：1）加工过程中切削深度改变的情况；2）加工过程中切削深度不变的情况。