數控銑削仿真數據庫開發

張軼嶸 戚厚軍

1.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津市高速切削與精密加工重點實驗室；2.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津市高速切削與精密加工重點實驗室

通過應用MATLAB 軟件的GUI 模塊進行界面編程，完成了銑削力實測數據的導入，加工條件與切削參數的手動設置、銑削力系數識別以及仿真數據的生成、銑削力仿真圖像的生成等主要功能，通過本系統預報與采集的銑削力對比，一方面檢驗了銑削力理論模型的有效性，另一方面對該仿真系統的可行性進行校驗。

引言

計算機技術與數控技術的日新月異，造就了數控切削仿真技術的飛速發展，其中利用計算機搭建切削數據庫成為一個重要研究方向，把數控加工過程中用到的條件和數據按一定規則存儲在計算機里面，能夠在有需求時對其進行查詢和調用，同時，也可對已存在的數據完成修改和刪除操作。對數控加工過程起著決定性作用的是選取最優的切削條件與參數，切削參數的選取是否合理，會直接影響加工質量、效率以及成本等，最終作用于企業競爭力和發展前景。

切削數據庫可根據主要研究的物理狀態進行專門開發，本文針對數控銑削加工形式，重點研究數控銑削力的仿真數據庫系統的開發。一個專門的數控銑削仿真數據庫系統需包括切削參數推薦值，加工條件選擇，刀具選擇等大量數據，這些數據來源于銑削試驗且大量數據間相互關聯，但是如何將這些大量的數據進行設計安排是建立數控銑削仿真數據庫系統的主要研究內容。

GUI 開發環境及開發軟件

運用MATLAB 中的GUI 設計工具以及編寫程序，可以創建面向用戶的人機交互界面。GUI（Graphics User Interface）是指圖形用戶界面，用戶可在該界面中利用鼠標和鍵盤操作指揮后臺程序實現某種功能，如計算功能、繪圖功能等，是人機交流信息的工具和方法，具體是通過編寫添加的交互組件的回調函數來完成交互事件來實現的。

GUI 設計既可以利用GUIDE 創建GUI，也可以編程創建GUI。本文采用比較容易上手的第一種GUI 設計方式，即利用GUIDE 創建GUI。設計人員在進行界面設計時只需要將不同功能的控件拖拽后添加對應的響應函數即可，該方法操作簡單，一般情況下是GUI 程序界面設計的首選方法。

切削力數據庫以Matlab GUI 為開發環境，通過Access 軟件實現對數據的訪問功能。切削力數據庫以Matlab GUI 為開發環境，通過Access 軟件實現對數據的訪問功能。

仿真數據庫系統的設計構思

數據庫開發采用Windows 操作系統標準的“窗口+對話框”界面，系統框架采用MATLAB 中的GUI 結構，面向對象編程，主要功能為模擬銑削過程，對多種刀具和工件材料的銑削過程進行物理仿真。通過選取各種加工參數和加工條件，得到所需有關切削過程的各種數據，并生成相應的二維圖像。經過模擬銑削過程，可預測實際加工過程產生的切削力大小及變化規律，為實際生產加工提供指導作用，并對優化切削參數和設計最優切削方案奠定基礎。

該設計過程思路明確、結構合理，整個編譯過程可達到軟件工程的標準。系統運行較為穩定，具有較強的數據處理功能，視圖采用多文檔形式，在系統運行期間可以同時在不同窗口生成不同的二維圖像，為用戶查看和分析提供方便。

數據庫系統的基本功能

系統以大量試驗得到的數據為基礎，通過加工條件和相應參數的選擇與設置，可生成相應的切削力數據，完成銑削力系數識別，并生成相應的二維圖像，完成數控銑削過程的銑削力仿真。數控銑削仿真數據庫系統實現的主要功能：

（1）系統中包含大量的銑削力、銑削力系數以及一些切削參數的計算公式和工件、刀具材料及其幾何信息等各種數據，并且能夠實現對數據的查閱、刪減。

（2）系統能夠推薦一些合理的切削參數，并結合數據庫中的一些數據，充分發揮強大的計算能力自動計算銑削力等。

（3）仿真數據及仿真圖像生成。系統具有強大的計算功能，仿真數據的生成依賴于MATLAB 仿真程序的編譯，生成銑削力數據以及二維圖像。

圖1 切削力數據庫系統工作流程

根據以上功能，數控銑削仿真數據庫系統的工作流程如圖1 所示，圖2 為仿真系統設計流程。

系統的界面設計

本仿真系統的界面采用了Windows 的標準“窗口+對話框”格式，界面人機交互友好，設計美觀，命令欄的各種功能鍵具有相應的快捷組合鍵，不僅使用戶對系統的各種功能一目了然，而且操作簡單方便。

圖3 系統整體視圖

圖4 新建任務和參數設置界面圖

圖5 實測銑削力圖像

圖6 仿真銑削力圖像

圖7 實測-仿真銑削力對比圖像

銑削力實測和仿真曲線

仿真銑削力數據生成后，用戶可根據這些仿真數據進行仿真銑削力圖形，同樣也可以根據前面采集的實測銑削力繪制銑削力變化曲線。

圖5、圖6 和圖7 是在切削速度vc=40 m/min，每齒進給量fz=0.05m m/z，軸向切深ap=0.5mm以及徑向切深ae=0.4mm的參數下的實測銑削力圖像和仿真銑削力圖像以及二者對比圖像。由該仿真系統進行銑削力仿真得到的數據與試驗的實測結果基本吻合，檢驗了理論模型的正確性。

結束語

本文以仿真系統的實用性為出發點，在Windows 操作系統下運用MATLAB 開發語言，完成了任務生成模塊、銑削力采集模塊、加工參數設置模塊以及仿真數據生成模塊的窗口設計，各模塊界面友好實用，符合人機交互設計原則。數控銑削加工仿真系統為用戶提供便捷的操作和管理界面，對實際生產加工過程具有重要指導作用。