基于虛擬加工的數控車削過程優化

張友林

（江蘇省儀征技師學院，江蘇 儀征 211400）

0 引言

國民經濟發展中，制造業占據著舉足輕重的地位。在我國經濟騰飛的今天，企業裝備的數控化率正逐步提高，數控技術也得到較快發展。然而，隨著數控技術的發展，數控機床的結構和控制系統變得越來越復雜。數控編程已逐漸從手工編程和自動語言編程發展到自動圖形編程。然而，無論采用何種編程方法，切削速度、進給速度、備用方案和其他加工參數通常占重要比例。就我國數控技術的發展而言，切削參數的選擇是困擾數控加工的一個重要問題[1]。

1 基于虛擬加工車削參數優化方法的總體結構

利用虛擬加工過程仿真實現切削參數的優化是制造業的研究重點之一，本小節建立用于車削加工的切削參數優化系統的體系結構。

1.1 基于虛擬加工車削參數優化方法的原理

與以往為單個NC指令行優化參數的做法不同，優化本表中的NC程序參數不僅會更改每條指令行的參數，而且還根據切削模擬比率提供的工件瞬時反饋半徑和工藝的變化，優化刀具路徑中每個中間點的參數，以減少加工時間和節省加工成本。

在本文的切削參數優化系統中，加工過程的模擬與優化是相對獨立的。虛擬加工仿真過程完成指定NC程序的加工仿真，并生成相應的加工性能比。仿真過程完成后，NC程序優化模塊利用仿真輸出結果調整加工程序，然后對加工過程進行優化。由于優化過程的計算周期較長，有一種相對獨立的處理方法，可以避免加工模擬中的短暫中斷現象，加工模擬效果明顯。

1.2 基于虛擬加工仿真的切削參數優化系統的體系結構

1.2.1 優化系統功能描述

虛擬加工參數優化系統的基本功能是在虛擬加工參數優化環境下，借助加工仿真過程中獲得的幾何切削參數，實現工件的加工仿真過程。

為了滿足這些要求，實現虛擬加工的目標，切削參數優化系統具有不同的功能：

（1）處理系統的人機交互功能。操作員可以設置和修改加工系統的機床、刀具、零件等信息，也可以在不同工況下更改預測模型的參數。同時，操作員可以通過仿真界面控制虛擬加工過程并生成仿真結果。

（2）工藝參數的計算和優化功能。該系統可以根據切削參數文檔、用戶約束以及不同加工條件下的許多計算參數來優化工藝參數。按切削參數文檔中數控程序行號索引得到優化后各行的切削參數，并存入優化結果文檔。

這些基本功能的實現需要子功能的許多相關要求。根據調制軟件設計思想，對其功能進行了分解。

1.2.2 組織體系結構

基于虛擬加工技術的切削參數優化系統采用層次化設計方法，將切削參數優化系統的各個環節有機地連接起來。

（1） 數據層系統的數據層應包括儀表信息數據庫、儀表信息數據庫和截止參數數據庫。機床信息數據庫主要包括與機床性能相關的約束信息，如機床功率、速度范圍、允許切削力等。儀器信息數據庫主要包括儀器材料、主偏轉角、儀器尖半徑、儀器持續時間等儀器信息；切削性能數據庫主要包括不同加工條件下不同預測公式所需的參數信息[2]。

（2）數據處理層。數據處理層主要在優化切削參數之前準備數據的計算和處理，根據數據層數據庫信息和目標函數預測模型的值計算約束，為參數優化層的優化算法提供了依據。

（3）參數優化層。參數優化層主要完成切削和修改參數優化算法的優化過程，并根據優化結果和待優化的數控程序生成數控程序。

（4）界面交互層。界面交互層主要提供用戶信息和切削參數優化系統。

1.3 切削參數優化方法

在車削加工中，單程切削和多程切削是經常采用的兩種加工形式。本文針對這兩種加工形式，分別研究了切削參數的優化方法。

單程切削加工的特點是刀具沿工件輪廓表面一次切削走刀完成加工任務。當工件表面形狀復雜時，背吃刀量和切削工件半徑隨儀器位置的變化而變化。在優化系統中，通過數控優化模塊實現工藝參數的優化。對于單向切削，NC優化模塊的主要功能是優化下頜骨的速度并輸入NC程序。

優化模型中的優化算法采用遺傳優化算法。在優化過程中，mandrin n速度和feed f速度不斷變化，使得相應的適應值和目標函數的約束值發生變化。預測模塊根據切削參數文件提供的后草圖AP、零件R的半徑和儀器信息，提供優化模型所需的變量（切削力、功率、刀具壽命、粗糙度等），然后計算約束條件和目標函數的形式。通過比較獲得與最佳目標對應的進給和放牧速度，并將其與從切割文件獲得的位置信息（即非優化程序中當前位置的行號）一起保存在優化比率中。多程切削的粗加工過程主要包括兩個階段：多次直線切削循環階段和輪廓車削循環階段。優化過程分兩個階段進行[3]：

在第一階段，基于單向切削參數優化技術，建立了單向切削參數優化結果數據庫。在多步加工中，首先，根據模擬車削工件形成的幾何文件和毛坯尺寸，確定切割工件的總加工范圍和加工半徑。后部設計的約束范圍和切割件半徑的加工范圍根據固定間距離散。將工件半徑的可選值按不同的組合插入到單程切削優化模型中，以獲得在返回和切削半徑的所有不同組合條件下的目標函數的最優值，并將優化結果存儲在優化參數數據庫中。這樣，所有可選草圖和工件加工都保存在優化參數數據庫中。

第二階段，在建立優化參數數據庫的基礎上，利用反饋優化模型確定加工周期數和每個周期的備用功率值。首先，根據總加工余量和返回余量的約束范圍，計算多道次切削循環次數。對于每個循環，應使用整數非線性優化算法計算最佳加工性能指標，條件是總加工余量等于每個切割循環的背景設計之和。與最佳加工性能指標相對應的循環數和每個循環的后部設計是多步驟加工的最佳循環數和每個循環的后部設計[4]。

多道次切削的原始加工過程主要包括兩個階段：線性切削循環和輪廓旋轉循環的更多階段。總加工余量應通過兩步切割循環進行補充。多步處理和單步處理的主要區別在于確定處理周期的數量和每個周期的反饋值。優化過程分為兩個階段：

第一階段，基于單向切削參數優化技術，建立單向切削參數優化結果數據庫。在多步加工中，首先，根據模擬車削工件形成的幾何文件和毛坯尺寸，確定切割工件的總加工范圍和加工半徑。后部設計的約束范圍和切割件半徑的加工范圍根據固定間距離散。在單向切削優化模型中，根據不同的組合，插入工件半徑的可選值，以獲得所有返回和切削半徑組合條件下目標函數的最優值。

在第二階段中，根據總加工余量和返回余量的約束范圍計算多道次切削循環次數。對于每個循環，應通過整個循環的完全非線性優化計算最佳加工性能指數，前提是加工余量總量等于每個切割循環的基本設計總和。與最佳加工性能指標相對應的循環數和每個循環的后部設計是多步驟加工的最佳循環數和每個循環的后部設計。借助自動編輯器，在數控機床的可用NC代碼中生成計算出的優化結果，并將其輸入NC仿真單元，以檢測優化的加工條件，并判斷加工性能是否滿足加工要求。最后，將優化后的CN代碼插入到實際機床中進行零件的生產和加工。

如果將三個切削因子用作控制因子。在基于虛擬加工車削參數優化系統中，主要考慮切削力、切削功率、主軸扭矩、表面粗糙度、刀具壽命和切削用量范圍幾方面。

2 基于虛擬加工的數控加工過程優化

在旋轉過程中，一方面，工件圍繞其旋轉軸高速旋轉，另一方面，儀器在工件的軸向平面內沿x軸和Z軸移動，并逐漸從工件上切割材料，從而加工出所需的工件形狀。邊界多邊形和儀器掃描多邊形中間的工件軸的截止算法原理如下：儀器掃描多邊形的每條邊隨著截面邊界多邊形中間的截面軸每條邊旋轉。

應用本表介紹的工件模型、儀器掃描體積模型和過程模擬算法建立虛擬旋轉系統時，需要解決以下關鍵問題：在每個多邊形具有固定連接方向的情況下，開發半輪廓多邊形和儀器掃描多邊形之間的切割算法。在模擬過程中，工件多邊形的方向保持不變，而儀器掃描多邊形的方向隨儀器移動的方向而變化。當儀器掃描體積的多邊形方向改變時，多邊形之間的切割操作將產生意外結果。當表面旋轉類型改變時，儀器相對于工件的移動方向也會改變，因此生成的儀器掃描范圍的方向也會改變。因此，在生成儀器掃描范圍時，應根據儀器相對于工件多邊形方向的移動方向變化調整儀器掃描體積范圍的方向[5]。

3 切削參數優化算法

3.1 確定優化變量

車削中的切削參數主要包括切削速度、進給速度和回位。在過程模擬中，切削速度可根據NC程序提供的儀器直徑和心軸速度獲得，進給可直接從NC程序獲得，但反向進給很難直接從NC程序獲得。只有通過獲得回風，才能預測加工過程中的物理性能指標，進而評估加工過程中使用的參數是否合理，最終工件的性能和質量是否符合標準。在優化加工過程中，如果在加工路徑上的所有位置都知道反饋，則可以根據相應的模型計算加工路徑上的所有物理信息（如切削力、切削功率和所消耗刀具的壽命），此過程優化了切割參數。可以看出，如何獲取背面圖形是模擬和優化加工過程的關鍵[6]。

3.2 優化目標

切削參數采集流程圖主要包括以下階段：

（1）自由裁量工藝路徑，以獲得與旋轉進給對應的材料去除，當前工藝路徑必須是離散的。在此過程中，最佳離散距離為旋轉進給量。在實際仿真計算中，為了減少計算量，通常采用較大的離散空間來代替。

（2）每個離散路徑對應的儀器掃描體積是針對帶有軌跡的布爾運算生成的。

（3）找到材料的去除體積。材料去除體積是工件和儀器掃描體積的布爾交叉點。該過程在更新工件的同時執行。材料的去除體積用于計算切削參數。

（4）工件更新工件，儀器的掃描體積（或材料的去除體積）采用布爾減法完成工件的更新。工件的不斷更新過程伴隨著儀器和機床運動部件的運動，實現工作模擬。

（5）重復上一過程，直到完成模擬。

3.3 優化算法

基于虛擬加工的車削參數優化方法的前提是建立精確加工過程的仿真。在本章中，使用實體仿真技術實現了儀器掃描體積和工件模型之間的布爾減法仿真過程。

4 數控車削過程優化實驗

目前，切削參數優化的目標主要包括效率、成本以及考慮成本和效率的多目標模型。對于單向切削，該板材假設恒定的強度和效率作為研究切削參數的優化目標。因此，有必要建立一個具有恒定強度和效率的目標函數。

實現切削力的目標函數中的恒定強度特性是加工過程中性能的重要指標。由于它易于測量，通常被用作比較和優化性能的一個重要指標，在尋求切削過程優化的過程中受到研究人員的關注。由于儀器在車削過程中收到的切削力是波動的，因此力的恒定切削通常意味著儀器收到的主切削力的峰值或平均值在尋求加工過程的優化過程中是恒定的。該卡的目的是在接近預期值的小范圍內振蕩實際切削力的平均值或峰值，以實現恒定切削力的目標[7]。

在旋壓過程中，當加工余量較大且受到機床和工具性能的限制時，不可能在刀具的基礎上通過一個周期完成加工操作，有必要將總加工余量分解，并將工件轉換為多個周期。我們定義了通過多個循環儀器完成工件加工的過程，這些儀器作為多個車削過程行走。目前，該系統已應用于機床操作人員的培訓，培訓效果明顯。

5 結論

本文在綜合分析切削參數優化相關技術研究和應用現狀的基礎上，研究了單道次和多道次切削參數優化方法，結合實驗對優化方法進行了分析和驗證。本文的主要研究和創新工作如下：

（1）確定優化虛擬加工參數方法的體系結構和工作流程。簡化了二維多邊形布爾運算過程中去除三維實體的過程，改進了虛擬加工中去除材料的數學模型，提高了計算效率，實現了基于虛擬加工的切削參數獲取。

（2）建立了以恒定切入力為目標的扭矩參數優化數學模型，實現了進給速度和芯棒速度的優化。以鋁合金零件的毛坯加工為例，進行了試驗。結果表明，該方法能顯著縮短切削時間，提高加工效率。