【摘要】隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為一種自動(dòng)化高效設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，加工范圍從簡(jiǎn)單的二維輪廓擴(kuò)展到復(fù)雜零件的型腔、型面，數(shù)控編程逐漸從手工編程、APT自動(dòng)編程發(fā)展到交互式圖形編程，使加工復(fù)雜零件成為可能的同時(shí)也增加了編程的復(fù)雜性。

【關(guān)鍵詞】五軸銑削幾何分析力學(xué)模型參數(shù)優(yōu)化

【中圖分類(lèi)號(hào)】G712 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674－4810（2014）08－0168－01

數(shù)控加工仿真分為幾何仿真和物理仿真兩個(gè)方面。幾何仿真不考慮切削參數(shù)、切削力及其他物理因素的影響，只仿真刀具和工件幾何形體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證NC程序的正確性，同時(shí)為物理仿真模塊提供必要的切削幾何信息。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)五軸銑削仿真的研究主要集中在幾何驗(yàn)證方面，物理仿真大多僅局限在三軸上，還不能對(duì)五軸加工做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。使仿真系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地模擬和分析實(shí)際加工過(guò)程，設(shè)計(jì)一個(gè)以仿真數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)幾何仿真和物理仿真的緊密集成。

物理仿真則是通過(guò)使用相關(guān)的力學(xué)模型預(yù)測(cè)切削力、刀具變形以及加工表面精度來(lái)仿真切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，為調(diào)整和優(yōu)化切削參數(shù)提供依據(jù)，達(dá)到優(yōu)化切削過(guò)程的目的。

一 數(shù)控仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)

建立以仿真數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的系統(tǒng)模型，將仿真數(shù)據(jù)庫(kù)放在系統(tǒng)的核心層次共享，各功能部件采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述，各子系統(tǒng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)，為后續(xù)各子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)幾何仿真與物理仿真的高效緊密集成。

二 五軸銑削過(guò)程的幾何仿真技術(shù)

將球頭刀分解為相應(yīng)的球頭部分和圓柱體部分，分別給出球體和圓柱體空間掃描體構(gòu)造公式并構(gòu)造出其表面模型，將其離散為深度元素模型后，通過(guò)與工件模型之間的布爾操作，實(shí)現(xiàn)材料去除的過(guò)程。

為克服傳統(tǒng)圖像空間仿真算法在動(dòng)態(tài)可視化方面必須重構(gòu)模型的局限性，尋求一種將仿真過(guò)程中的深度元素模型轉(zhuǎn)化為STL面模型的方法，從而可完整實(shí)現(xiàn)變視向的可視化算法，在加工仿真過(guò)程中可對(duì)工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與縮放操作，從而提高了驗(yàn)證效率與檢驗(yàn)效果。

三 基于圖像分析的干涉檢測(cè)技術(shù)

結(jié)合圖形硬件的繪制加速性能和層次二叉樹(shù)的簡(jiǎn)化優(yōu)勢(shì)來(lái)提高物體間碰撞檢測(cè)的速度，將三維幾何物體通過(guò)圖形硬件投影繪制到圖像平面上，降維得到二維的圖像空間，利用圖形硬件對(duì)物體的二維圖像采樣和相應(yīng)的深度信息來(lái)判斷兩物體之間的相交情況，然后通過(guò)對(duì)保存在各類(lèi)緩存中的信息進(jìn)行查詢(xún)和分析，檢測(cè)物體之間是否發(fā)生干涉。

在進(jìn)行干涉檢測(cè)之前，首先將加工環(huán)境大部分不相關(guān)的幾何體進(jìn)行裁減，接著采用基于干涉分析圖的初步檢測(cè)與基于最短距離計(jì)算的詳細(xì)檢測(cè)策略，有效地提高了碰撞干涉效率與檢測(cè)精度，可以獲得近乎實(shí)時(shí)的性能。

四 球頭銑刀五軸銑削力建模與仿真

建立了球頭銑刀五軸運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，將刀具沿軸向離散為一系列微元，每一微元具有不同的五軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)給矢量。每一單元上總的進(jìn)給速度矢量分解為水平進(jìn)給予垂直進(jìn)給分量，并以此計(jì)算沿切削刃的切屑厚度分布。當(dāng)?shù)都膺M(jìn)給速度增大或減小時(shí)，刀具的旋轉(zhuǎn)角速度必須同時(shí)相應(yīng)地進(jìn)行縮放，目的是保持刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡不變。

在分析球頭銑刀的幾何模型基礎(chǔ)上，提出了一種面向球頭銑刀的五軸銑削力模型。針對(duì)五軸數(shù)控加工的特點(diǎn)，將刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的lead角與tilt角考慮進(jìn)切削力模型，利用轉(zhuǎn)換矩陣將刀具坐標(biāo)系中切削力轉(zhuǎn)換到加工坐標(biāo)系中分析處理。

基于深度元素模型，提出了一種切削幾何信息提取方法，采用逆向投影，充分利用幾何仿真求交計(jì)算中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)用于確定刀具工件接觸區(qū)域，得到銑削力模型所需的幾何信息，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)模型中幾何仿真和物理仿真的信息接口。

在銑削力系數(shù)模型中，考慮了不同工況條件下對(duì)銑削力模型的影響，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與多元統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，采用偏最小二乘法對(duì)銑削力系數(shù)模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該仿真系統(tǒng)的銑削力預(yù)測(cè)能力進(jìn)行了檢驗(yàn)。

五 五軸銑削過(guò)程加工參數(shù)優(yōu)化策略

依據(jù)加工時(shí)間和表面加工質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，以切削扭矩、切屑厚度、刀具變形以及刀具合力為約束條件，以進(jìn)給速度為設(shè)計(jì)變量，采用序列二次規(guī)劃方法對(duì)五軸銑削加工進(jìn)行多約束非線(xiàn)性?xún)?yōu)化，并通過(guò)仿真算例給出了具體的優(yōu)化結(jié)果。

采用多約束自適應(yīng)控制策略對(duì)五軸加工中的進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化。在虛擬環(huán)境中仿真五軸銑削的加工過(guò)程，將其結(jié)果存儲(chǔ)在刀路中的每個(gè)位置點(diǎn)上，通過(guò)PI控制器調(diào)整進(jìn)給速度，使機(jī)床工作在多個(gè)約束條件的最大范圍值內(nèi)，采用時(shí)變?cè)鲆婧鸵粋€(gè)時(shí)間常量將優(yōu)化過(guò)程遞歸擬合為一階過(guò)程。

對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行濾波二次優(yōu)化，將高頻連續(xù)變化的進(jìn)給速度優(yōu)化為低頻分段變化的進(jìn)給速度，滿(mǎn)足進(jìn)給速度平滑過(guò)渡的要求。通過(guò)修改NC程序反映優(yōu)化結(jié)果，并通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化效果。

六 數(shù)控加工仿真優(yōu)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

論文中所提出的優(yōu)化策略和實(shí)現(xiàn)算法被集成在自主開(kāi)發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中。以WindowsXP為系統(tǒng)環(huán)境，Visual C++為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于OpenGL圖形開(kāi)發(fā)庫(kù)開(kāi)發(fā)了五軸數(shù)控仿真系統(tǒng)。

針對(duì)復(fù)雜曲面零件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主要對(duì)動(dòng)態(tài)仿真模塊、干涉檢測(cè)模塊、切削力預(yù)測(cè)模塊以及參數(shù)優(yōu)化模塊進(jìn)行評(píng)估。在仿真實(shí)驗(yàn)取得較好的結(jié)果后，進(jìn)行機(jī)床加工實(shí)驗(yàn)。使加工整體葉輪、螺旋槳等典型零件對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

五軸銑削過(guò)程中幾何分析和物理仿真方面所進(jìn)行的創(chuàng)新與改進(jìn)工作，將對(duì)我國(guó)數(shù)字化制造進(jìn)程起到積極的推動(dòng)作用，對(duì)研究開(kāi)發(fā)新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

〔責(zé)任編輯：高照〕