CN110750074B - 基于物理仿真的数控加工优化系统及方法 - Google Patents

基于物理仿真的数控加工优化系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于物理仿真的数控加工优化系统及方法，包括依次连接的输入模块、代码解析与几何仿真模块、物理仿真模块、优化模块和输出模块，以及与物理仿真模块相连的切削力模型数据库模块，其中：输入模块将读取的数控路径文件以及物理信息传输至代码解析与几何仿真模块，代码解析与几何仿真模块将解析和仿真确定的全工艺周期的具体参数信息传递至物理仿真模块，物理仿真模块根据该参数信息结合切削力系数模型数据库模块中的切削力系数计算得到切削力并传输至优化模块，优化模块经优化过程生成新加工代码并传输至输出模块，输出模块将新加工代码转化为机床能直接读取的数控代码进行输出。本发明提高了加工效率，降低了刀具磨损。

Description

基于物理仿真的数控加工优化系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种基于物理仿真的数控加工优化系统及方法。
背景技术
提高生产效率和加工质量是中国制造业实现转型升级的重要目标，在航空等先进制造领域的复杂曲面类零件的批量高效加工也存在提升空间。切削力作为加工过程中重要的状态指标，将其控制在一定范围内有利于提高效率和加工质量，同时还能降低刀具磨损。现有技术采用固定的转速和进给，依靠有经验的技术人员对数控代码的进给进行手工调整以提高生产效率和加工质量。上述方式由于无法判别每个时刻的切削状态，进而无法实现精确调整进给，不利于推广。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于物理仿真的数控加工优化系统及方法，优化数控代码的进给值，消除空切路径以提高加工效率，并降低刀具磨损。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于物理仿真的数控加工优化系统，包括依次连接的输入模块、代码解析与几何仿真模块、物理仿真模块、优化模块和输出模块，以及与物理仿真模块相连的切削力模型数据库模块，其中：输入模块将读取的数控路径文件以及物理信息传输至代码解析与几何仿真模块，代码解析与几何仿真模块将解析和仿真确定的全工艺周期的参数信息传输至物理仿真模块，物理仿真模块根据该参数信息结合切削力系数模型数据库模块中的切削力系数计算得到全工艺周期的切削力并传输至优化模块，优化模块将接收的切削力经优化过程生成新加工代码并传输至输出模块，输出模块将新加工代码转化为机床能直接读取的数控代码进行输出。
所述的物理信息包括：工件信息、刀具信息和材料信息。
所述的参数信息包括：切削深度、切削宽度、主轴转速、材料信息、路径信息和时间信息。
所述的全工艺周期的切削力的是运用经验证试验从微元模型和经验模型中确定的更拟合实际切削力的模型计算得到。
所述的验证试验是指：在机床上采用优化前后的程序分别加工出相同的零件，比较时间、加工质量和刀具磨损等情况。
所述的优化过程具体是根据实际加工需要设定切削力优化目标阈值，通过优化算法实现优化进给、消除空切和减轻颤振。
所述的优化算法具体是：在切削力铣削力经验模型和切削力微元模型中平均拟合方差小的模型用以调整切削力。
所述的切削力经验模型的公式为F＝c×ap×Fy，其中：c、y分别是与被加工材料和加工工艺系统有关的常数，ap是数控代码控制下刀具的切削深度，F是数控代码设定的进给速度。
所述的切削力微元模型的公式为
Figure BDA0002278677310000021
其中：dFt是在切向上的微元切削力，dFr是在径向上的微元切削力，dFa是在轴向上的微元切削力，db和dl是微元模型中切削宽度和切削长度，Ktc,、Krc,和Kac分别是切向、径向和轴向剪切力的切削系数，Kte,、Kre,和Kae分别是切向、径向和轴向耕犁力的切削系数。
所述的消除空切路径具体是通过物理仿真获得数控路径中没有切削力存在的区域，在进入该区域后设置安全距离，当刀具通过安全距离后再提速以在确保安全的情况下缩短加工时间。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过优化数控代码的进给值，消除空切路径，从而提高了加工效率，并降低了刀具磨损，提升了加工表面质量。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为数控加工代码优化前后的对比图；
图中：a为优化前；b为优化后；
图3为物理仿真得到的实时切削力的工作图；
图4为设定切削力优化过程的各参数；
图5为切削力优化前后的对比图；
图中：a为优化前；b为优化后。
具体实施方式
本实施例以一种叶轮加工工程为例，如图1所示，本实施例包括依次连接的输入模块、代码解析与几何仿真模块、物理仿真模块、优化模块和输出模块，以及与物理仿真模块相连的切削力模型数据库模块，其中：输入模块将读取的数控路径文件以及物理信息传输至代码解析与几何仿真模块，代码解析与几何仿真模块将解析和仿真确定的全工艺周期的具体参数信息传递至物理仿真模块，物理仿真模块根据该参数信息结合切削力系数模型数据库模块中的切削力系数数据计算得到全工艺周期的切削力并传输至优化模块，优化模块将传来的切削力经优化过程生成新加工代码并传输至输出模块，输出模块将新加工代码转化为机床能直接读取的优化数控代码并与优化信息一起输出。
所述的物理信息包括：工件信息、刀具信息和材料信息。
本实施例涉及一种基于上述系统的数控加工程序优化的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、切削力模型数据库模块通过切削试验确定微元切削模型中的材料的系数并进行数据管理与调用，其中：切削力系数数据具体是通过被加工材料实际切削试验和切削仿真经过最小二乘法拟合获得；
步骤2、如图2a所示，输入模块读取叶轮数控加工程序路径文件，并设置刀具几何参数、材料参数和毛坯几何参数，并将刀具路径按照长度小于0.5倍的刀具直径分段；
步骤3、代码解析与几何仿真模块对步骤2的数控加工程序路径文件进行解析和仿真并确定全工艺周期内的具体参数信息；
步骤4、物理仿真模块调用步骤3中的全工艺周期内的参数信息并结合步骤1中的数据，采用切削力微元模型计算每一时刻的切削力，并实时展示结果，如图3所示；
步骤5、优化模块根据步骤4得到的切削力判别实时的加工状态，再根据实际加工需要设定切削力优化目标阈值和进给的变化范围，通过优化算法在现有刀具路径的基础上进行优化，实现优化进给、消除空切和减轻颤振；
步骤6、输出模块将步骤5的新代码转化为机床能够直接读取的数控加工程序格式与优化信息一同输出。
所述的具体参数信息包括：切削深度、切削宽度、主轴转速、材料信息、路径信息和时间信息。
如图4所示，所述的实际加工需要具体为加工要求和材料的种类，本实施例采用优化的切削力方向X，最大值为150，最大切削进给速度为200mm/min；最大空切进给速度为300mm/min；最大空切距离判定为20mm。
所述的优化算法具体是：根据实际选择切削力经验模型和切削力微元模型中平均拟合方差小的模型用以调整切削力。
所述的切削力经验模型的公式为F＝c×ap×Fy，其中：c、y分别是与被加工材料和加工工艺系统有关的常数，ap是数控代码控制下刀具的切削深度，F是数控代码设定的进给速度。
所述的切削力微元模型在求解切削力问题时，需将切削力分解为多个遵循相同切削力规律的微小的元过程，再对元过程积分，得到整体的变化规律为
Figure BDA0002278677310000031
其中：dFt是在切向上的微元切削力，dFr是在径向上的微元切削力，dFa是在轴向上的微元切削力，db和dl是微元模型中切削宽度和切削长度，Ktc,、Krc,和Kac分别是切向、径向和轴向剪切力的切削系数，Kte,、Kre,和Kae分别是切向、径向和轴向耕犁力的切削系数。
本实施例根据切削实验得到得数据，得到切削力微元模型模型的平均拟合方差小，所以采用切削力微元模型。
所述的消除空切路径具体是通过物理仿真获得数控路径中没有切削力存在的区域，在进入该区域后设置安全距离，当刀具通过安全距离后再提速以在确保安全的情况下缩短加工时间。
所述的减轻颤振具体是刀具受力得到优化，从而实现的功能。
如图2所示，优化前、后的走刀路径、进给和切削力对比，得出走刀路径得到优化，切削力的分布更加合理。
如图5所示，优化前、后的切削力对比，得出实际案例中可以实现理论的优化效果。
经过具体实际实验，在DMU 70V的机床上分别运行优化前和优化后的数控代码，以100％进给和100％转速启动数控加工，试验结果表明实际加工试验能够验证优化计算的结果，准确率在95％以上，本案例中叶轮粗加工优化后时间粗加工时间为优化前的38％，效率得到极大的提高，同时刀具磨损明显降低。
与现有技术相比，本方法基于物理仿真的方法高效率、大幅度的优化数控代码，特别是针对叶轮等去除量较大的零件表现出尤为突出的效果。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种基于物理仿真的数控加工优化系统，其特征在于，包括依次连接的输入模块、代码解析与几何仿真模块、物理仿真模块、优化模块和输出模块，以及与物理仿真模块相连的切削力模型数据库模块，其中：输入模块将读取的数控路径文件以及物理信息传输至代码解析与几何仿真模块，代码解析与几何仿真模块将解析和仿真确定的全工艺周期的参数信息传输至物理仿真模块，物理仿真模块根据该参数信息结合切削力系数模型数据库模块中的切削力系数计算得到全工艺周期的切削力并传输至优化模块，优化模块将接收的切削力经优化过程生成新加工代码并传输至输出模块，输出模块将新加工代码转化为机床能直接读取的数控代码进行输出；
所述的优化过程具体是根据实际加工需要设定切削力优化目标阈值，通过优化算法实现优化进给、消除空切和减轻颤振；所述的优化算法具体是：根据实际选择切削力经验模型和切削力微元模型中平均拟合方差小的模型用以调整切削力；
所述的切削力经验模型的公式为F＝c×apxFy，其中：c、y分别是与被加工材料和加工工艺系统有关的常数，ap是数控代码控制下刀具的切削深度，F是数控代码设定的进给速度；
所述的切削力微元模型的公式为
Figure FDA0003538022310000011
其中：dFt是在切向上的微元切削力，dFr是在径向上的微元切削力，dFa是在轴向上的微元切削力，db和dl是微元模型中切削宽度和切削长度，Ktc、Krc和Kac分别是切向、径向和轴向剪切力的切削系数，Kte、Kre和Kae分别是切向、径向和轴向耕犁力的切削系数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的全工艺周期的切削力的是运用经验证试验从微元模型和经验模型中确定的更拟合实际切削力的模型计算得到。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的消除空切路径具体是通过物理仿真获得数控路径中没有切削力存在的区域，在进入该区域后设置安全距离，当刀具通过安全距离后再提速以在确保安全的情况下缩短加工时间。
4.根据权利要求1～3中任一所述的系统，其特征是，所述的物理信息包括：工件信息、刀具信息和材料信息。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述的参数信息包括：切削深度、切削宽度、主轴转速、材料信息、路径信息和时间信息。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的输出模块还输出优化信息；所述的优化信息具体包括：优化前、后的加工时间和优化比例。
7.一种基于权利要求1～6中任一所述系统的基于物理仿真的数控加工优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)切削力模型数据库模块通过切削试验确定微元切削模型中的材料的系数；
2)输入模块读取数控代码文件并输入物理信息；
3)代码解析与几何仿真模块对步骤2)的数控代码进行解析和仿真并确定全工艺周期内的参数信息；
4)物理仿真模块调用步骤3)中的参数信息并结合步骤1)中的数据，采用微元切削模型法计算全工艺周期每一时刻的切削力；
5)优化模块根据步骤4)得到的切削力判别加工状态，再根据实际加工需要设定切削力优化目标阈值和进给的变化范围，通过反向求得加工代码中的进给并生成新代码；
6)输出模块将步骤5)的新代码转化为机床能够直接读取的数控加工程序格式输出。
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