五軸虛擬加工系統(tǒng)的研究

【摘要】隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床作為一種自動化高效設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，加工范圍從簡單的二維輪廓擴展到復(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

【中圖分類號】G712 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】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運動，驗證NC程序的正確性，同時為物理仿真模塊提供必要的切削幾何信息。目前，國內(nèi)外對五軸銑削仿真的研究主要集中在幾何驗證方面，物理仿真大多僅局限在三軸上，還不能對五軸加工做出準(zhǔn)確預(yù)測。使仿真系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地模擬和分析實際加工過程，設(shè)計一個以仿真數(shù)據(jù)庫為中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)幾何仿真和物理仿真的緊密集成。

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

一 數(shù)控仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)

建立以仿真數(shù)據(jù)庫為中心的系統(tǒng)模型，將仿真數(shù)據(jù)庫放在系統(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)獨立開發(fā)，為后續(xù)各子系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)，實現(xiàn)幾何仿真與物理仿真的高效緊密集成。

二 五軸銑削過程的幾何仿真技術(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，通過與工件模型之間的布爾操作，實現(xiàn)材料去除的過程。

為克服傳統(tǒng)圖像空間仿真算法在動態(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，從而可完整實現(xiàn)變視向的可視化算法，在加工仿真過程中可對工件進行旋轉(zhuǎn)與縮放操作，從而提高了驗證效率與檢驗效果。

三 基于圖像分析的干涉檢測技術(shù)

結(jié)合圖形硬件的繪制加速性能和層次二叉樹的簡化優(yōu)勢來提高物體間碰撞檢測的速度，將三維幾何物體通過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，利用圖形硬件對物體的二維圖像采樣和相應(yīng)的深度信息來判斷兩物體之間的相交情況，然后通過對保存在各類緩存中的信息進行查詢和分析，檢測物體之間是否發(fā)生干涉。

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

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動學(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動進給矢量。每一單元上總的進給速度矢量分解為水平進給予垂直進給分量，并以此計算沿切削刃的切屑厚度分布。當(dāng)?shù)都膺M給速度增大或減小時，刀具的旋轉(zhuǎn)角速度必須同時相應(yīng)地進行縮放，目的是保持刀具的運動軌跡不變。

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。針對五軸數(shù)控加工的特點，將刀軸旋轉(zhuǎn)運動的lead角與tilt角考慮進切削力模型，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銑削力模型的影響，結(jié)合正交試驗設(shè)計與多元統(tǒng)計回歸分析方法，采用偏最小二乘法對銑削力系數(shù)模型進行參數(shù)識別。最后通過實驗對該仿真系統(tǒng)的銑削力預(yù)測能力進行了檢驗。

五 五軸銑削過程加工參數(shù)優(yōu)化策略

依據(jù)加工時間和表面加工質(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，以進給速度為設(shè)計變量，采用序列二次規(guī)劃方法對五軸銑削加工進行多約束非線性優(yōu)化，并通過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)控制策略對五軸加工中的進給速度進行優(yōu)化。在虛擬環(huán)境中仿真五軸銑削的加工過程，將其結(jié)果存儲在刀路中的每個位置點上，通過PI控制器調(diào)整進給速度，使機床工作在多個約束條件的最大范圍值內(nèi)，采用時變增益和一個時間常量將優(yōu)化過程遞歸擬合為一階過程。

對進給速度進行濾波二次優(yōu)化，將高頻連續(xù)變化的進給速度優(yōu)化為低頻分段變化的進給速度，滿足進給速度平滑過渡的要求。通過修改NC程序反映優(yōu)化結(jié)果，并通過加工實驗驗證了優(yōu)化效果。

六 數(shù)控加工仿真優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)

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

針對復(fù)雜曲面零件進行仿真驗證，主要對動態(tài)仿真模塊、干涉檢測模塊、切削力預(yù)測模塊以及參數(shù)優(yōu)化模塊進行評估。在仿真實驗取得較好的結(jié)果后，進行機床加工實驗。使加工整體葉輪、螺旋槳等典型零件對仿真系統(tǒng)進行驗證。

五軸銑削過程中幾何分析和物理仿真方面所進行的創(chuàng)新與改進工作，將對我國數(shù)字化制造進程起到積極的推動作用，對研究開發(fā)新一代具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)具有重要的理論和應(yīng)用價值。

〔責(zé)任編輯：高照〕