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数控铣削过程离线优化技术研究

刘长清  
【摘要】: 数控加工技术在制造业中占有重要地位,是机械加工现代化的主要基础和关键技术,也是发展军事工业的重要战略技术。在数控加工中采用加工过程优化技术,不仅有利于提升数控加工设备的制造能力,而且能产生重大经济效益。传统的加工过程优化方法是采用自适应控制技术,尤其是约束型自适应控制技术。随着计算机技术的发展,国内外研究者开展了基于仿真技术的加工过程优化研究。相对于自适应控制的在线优化,这是一种具有离线性质的优化方法,具有成本低、符合绿色制造、无实时性要求的特点,拥有良好的发展前景。 虚拟加工技术是当前加工仿真技术发展的一个新阶段,不仅能提供逼真的加工环境仿真,而且在几何仿真和物理仿真过程中考虑了机床系统的运动特性和动态特性。本文开展了基于虚拟加工仿真的切削过程离线优化技术研究,对离线优化的原理和优化流程进行了分析,并对优化数学模型的建立、约束规则的选择进行了分析与研究。 加工过程离线优化的前提是实现准确的加工过程仿真,本文开展了利用实体仿真技术进行加工过程仿真的研究。分析了刀具扫描体生成过程中出现自相交现象的原因,并提出了解决方案。针对实体仿真中容易出现的错误,提出了基于空间扫描轮廓生成刀具扫描体的方法,保证了加工仿真结果的正确性。 在加工过程仿真与优化系统中,切削参数的获取对铣削力模型在加工过程中的应用、刀具寿命的预测以及切削参数的优化都具有重要意义。本文提出了采用“剖切法”获取切削参数,其实质是将刀具在进给方向上的半圆柱面代替刀具实体并与材料去除体进行布尔交运算,然后对布尔交结果进行处理来获取切削参数的过程。利用“剖切法”可正确地获得立铣加工中的切削深度、切削宽度以及切入角和切出角。相对于利用切屑几何体获取切削参数的方法,“剖切法”获取切削参数的过程不会增加工件复杂度,但显著降低了切削参数获取的计算量。铣削力预测值与测量值的较好吻合间接验证了切削参数获取方法的正确性。 针对加工过程优化的特点,本文选择粒子群优化算法优化切削参数。在标准粒子群优化算法基础上,引入粒子群平均距离对优化过程进行评价与控制。通过选择合适的粒子群平均距离阈值,改进型粒子群算法实现了优化成功率与优化效率的统一。 数控程序中的进给速度和主轴转速通常都未得到优化,针对切削参数优化研究较集中于优化进给速度而较少对主轴进行优化的现象,本文对同时实现进给速度和主轴转速优化进行了探索与研究。将主轴转速和进给速度与粒子群优化算法相结合,在粒子寻优过程中实现了对数控程序中的主轴转速和进给速度的同时优化。 在ACIS实体造型系统基础上,开发了具有实体仿真功能的铣削加工过程离线优化软件系统。利用该系统根据恒切削力和效率的组合目标对粗加工数控铣削程序进行了优化,并采用优化后的数控程序进行了加工实验。铣削实验验证了离线优化系统的有效性和可靠性。


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