数控加工切学参数优化分析外国文献-中文翻译.pdf

先进的数控系统在加工过程中的进给率优化 FirmanFirmanFirmanFirmanRidwan,Ridwan,Ridwan,Ridwan,XunXunXunXunXuXuXuXu 摘要：严格的质量要求和严格的客户需求是更普遍的，是适应性强的和可互操作的新一代机床控制器 的发展背后的主要推力。一些国际标准，如 STEP 和 STEP-NC 的发展，为智能数控加工提出了一个原 景。本文提出了 STEP-NC 的功能的机器状态监控（MCM）的实施。该系统允许在加工过程中的优化， 以缩短加工时间，提高产品质量。在系统中，optiSTEPNC，AECopt 的控制器和基于知识的评估模块 （KBE） 已经制定出来的 optiSTEP-NC 系统的目的是执行最初的进给速率优化基于 STEP-NC 的数据， 以协助工艺人员在分配适当的加工参数。 AECopt 作为打算提供自适应和自动优化工序加工过程中的 策划者和加工环境之间的连接。KBE MTConnect 负责获得加工在。优化之前进行加工操作过程中或之 后，收集数据和监测如机械振动，加速度和加加速度，切割功率和进给速率。 关键词：数控（CNC） ，STEP-NC 的进给率优化，监测 1 介绍 多年来，计算机数控机床（CNC）已经开发到加工高精密产品的能力。支持数控发展的技术之一 是机器状态监控（MCM） 。在这样做时，机床通过传感元件，信号调节器件，信号处理算法和信号解 释的监督。数控机床的实时监控，各种智能功能，如自适应控制，重新生成优化的数据集和先进的优 化模型已经开发和实施。以这种方式，不同的加工过程中的异常可以在早期阶段检测到，保证了更安 全的加工环境。 动用 MCM 机床在加工过程中减少了需要人为干预和允许的机床的自动监督。 然而， 挑战依然存在， 在应对频繁的设计修改，市场需求的产品如质量和更短的时间更严格。此外，加工一直以客户为中心， 而不是制造商驱动。要在加工过程中的对质量控制，最好的加工参数监视和控制，使机床的行为分析 在适当时间采取适当行动。正在进行的进程的监测和控制主要关注的是记录相关的数据，因此，机床 的特点是反馈的实时反应。例如，在加工领域，保持最佳的加工参数，以避免过度主轴加载过度，这 需要适当的组合和持续机床的性能。了解这些特点，要求精确的实证模型和系统控制机床之间的一个 权衡。 为了应对这个问题，MCM 可以自动监测技术集成与决策程序。其目的是产生自我调节的智能系 统，能够适应千变万化的加工环境。此外，随着技术的发展，目前也有授权 CNC 用更先进的功能， 如适应性，敏捷性，可重构性和互操作性的要求和新的前景。为实现这一目标，有多个障碍。首先， 尽管技术成就伟大，但当代数控程序仍在执行基于一组连续的 NC 编程语言，又称 G 代码。这些代码 很少，如果有的话，至少超过 50 年前。代码的最初设计是进行低级别的数据集，大多是一步一步的指 示，以推动机床最早的模型。 G 代码虽然过时，但仍然被广泛使用，只能容纳一个子集的信息，这已 经成为一个障碍，不能实现一个完整的，智能化和优化的加工环境。举例来说，虽然各项工作一直致 力于提高优化模型，一系列的功能不能被利用并纳入代码。 其次，只有有限的控制程序的允许在加工过程中执行，使得它难以改变车间的方案。最后一分钟 的变化是不允许的。加工操作主要由预定的 NC 代码，并在大多数情况下，机床不能够改变任何切 1 削条件和加工操作时的加工顺序。此外，因为它只支持单向信息流从设计到制造，到生产过程中的任 何急剧的改变不能很容易地保存和直接反馈给设计师。 最后，G 代码中的信息流是单向的设计，即从 CAD 到车间，并且不会启用反馈， 。其结果是，这 种传统方式 NC 编程被认为是实现一个智能的加工环境的瓶颈。 2 2 2 2STEP-NCSTEP-NCSTEP-NCSTEP-NC的启用的启用的启用的启用 MCMMCMMCMMCM框架框架框架框架 G 代码剥夺急需的信息，如工件的特点，工具属性和优化切削参数，往往是由经验丰富的运营商 提供的加工工艺。开发的 STEP-NC 的启用 MCM 系统包括（一）离线优化模块， （二）数据模型支持 流程的优化， （三）过程监测和控制的功能要求。下面对这些功能的要求进行了说明： （a）离线优化的最佳加工参数的初步测定。 （b）开始，分配适当的任何机加工操作的加工参数是必要的。可用于模拟最佳的加工参数的工具， 以确定最佳的加工参数。 （c）数据模型，支持流程的优化。 （d）智能加工需要一个全面的数据支持自适应控制和监测过程中的加工以及优化加工操作的监督 自治模式。在这方面，STEP-NC 的数据模型扩展，以满足用于数据建模的优化。 (e)连续加工过程的监控和优化。 加工过程涉及刀具工件议案，加工参数和机床功能之间复杂的相互作用。连续监测这些活动的一 种重要方法是跟踪加工中出现的任何异常。处理后的数据可以被馈送到用于自适应控制算法。 3 开发的系统 已开发的系统架构，是支持一个智能的，可互操作的，知识性和创新的制造平台。在加工领域， 它被广泛地视为过载的主轴，切削力过大，刀具磨损等方面的限制可能导致的重大问题，如刀具破损， 产品质量恶化，甚至更糟糕的机器故障。因此，连续监测机器的行为，实时优化和系统保留的加工知 识进行了整合，从而引发全面的架构称为 STEP-NC 的启用 MCM 框架（如图 3-1） 。 如图 3-1 STEP-NC 使 MCM 系统架构 该系统支持三个层次的信息流：高层次的数据，工艺规划，用于控制机器的动作和知识数据评估， 2 为后续加工操作的机器控制数据。 这些信息流发生在三个独立的子系统： optiSTEP-NC 子系统， AECopt 控制器和以知识为基础的评估子系统。这些子系统是在下面的章节中讨论。 3.1 optiSTEP-NCoptiSTEP-NCoptiSTEP-NCoptiSTEP-NC optiSTEP-NC 以执行初始的进给率优化为目的，协助工艺人员，生产 NC 零件程序，分配适当的 加工参数。 它是于两个标准， 最小加工时间和最佳的表面质量。 有四个参与开发 optiSTEP-NC 的任务。 3.1.1 流程规划 工艺规划的目的是丰富加工功能，AP-224 与必要的语言信息，形成由 ISO14649 中定义的实体代 表。这种实体是那些含有额外的加工参数的通用信息，切削刀具和工作计划。此外，可以使用附加信 息，如材料性质和表面状况的要求，以支持所需的最终部分。可用的信息在此格式下将保持其通用性， 直到此刻 CAM 系统时，填充的过程中计划与本地制造业信息化，以产生一个特定的或本地进程计划。 3.1.2 的离线优化器发展 优化模块是负责优化加工参数，模拟特定的加工功能，这是有关的信息的基础上在此模块中的机 床能力等，获得切削力切削功率计算尤其是进给速率是获得适当的切削进给速率，主轴转速和切削深 度等参数。此模块也可以使用从 KBE 切削力信息来计算加工参数。 时效性的（TC）和品质的关键（QC）的优化算法已被开发，对应于最小加工时间和最佳的表面 质量的标准，分别。 TC 加工业务往往是粗加工的目的，从而增加材料去除率是主要制约因素切削功 率的主要目标之一。另一方面，QC 加工操作通常用于精加工表面质量的目的是主要关注的问题。 在开发的优化算法，利用模糊逻辑处理不精确的数据。输出实现是关键时间或质量的关键目标是 优化加工参数。优化结果的列在一个图形用户界面。该模拟器开发使用 LabWindows / CVI 的虚拟仪器 （C）软件根据国家仪器（图 3-2） 。为了验证系统的性能和算法，在测试情况下进行显示加工参数的 行为。为了模拟在实际的情况下，切削力波动，目标范围内的随机噪声添加到理论的切削力也已开发 的表面粗糙度的预测模型。很显然，从实际加工的切断力获得的值也可以被使用作为输入到仿真器。 这可以通过在加工过程中切削力的实际值，以验证。参数方程纳入发展 optiSTEP-NC。 图 3-2 optiSTEP-NC 模拟器 该接口具有四个窗格和绘图区。输入的数据窗格中包含的信息，如不同类型的铣削操作，工件和 刀具材料的属性，机械效率和芯片负载。用户有选项来设置这些数据所需的值。为了计算信息，如允 许在切割深度的基础上对加工能力和主机的电源功率和切割力预先设定。机床数据窗格中显示有关机 3 床的功能，比如机床的电机功率和最大切削深度的信息。该窗格还提供了两个开关，开/关和 TC/ QC。 例如 TC 属性“窗格中显示预测功耗，切削力预测，目前的每齿进给，进给速率和材料去除率。它还包 括功率限制的警告，指示安全限制和超出限度的功耗。 图 3-2 所示的进给速率，切削力和材料去除率，这是通过计算输入的机械效率，不同类型的铣削 过程中，刀具材料，工件材料，刀具几何形状，每齿的最大进给深度切割机动力都不同。根据切削力 变化，从计算的结果给出了一个优化的进给速率。例如，如果计算出的切削功率大于机器的电源，进 料将计算出的切削功率降低，直到达到允许值，即，小于机器的电源。这样做，可避免过大的切削力。 3.1.3 发展翻译 该解释器 （在图 3-3 中所示） 将 STEP-NC 的数据转换成加工命令。STEP-NC 数据定义的部件 10， 11 和 111 的 ISO14649，以及新开发的优化数据模型。这种新开发的数据结构为 STEP-NC 的数据和实 际加工的优化过程之间的接口。以前的解释是能够翻译基本铣削功能。因此，额外的功能是需要处理 的机器执行的优化数据。 图 3-3 ISO14649 解释 该解释主要有三个数据功能：输入文件，工具的文件名和错误文件。一旦开始处理一个 STEP 文 件，面向对象的数据被转换成一组加工特性和工步在典型加工指令（CMC）的形式执行。此 CMC 输 出得到了进一步的增强，允许在加工过程中进行流程优化。 3.1.4 刀具路径执行加工的解释 CMC 码的一组执行由 CNC 控制器名为 AECopt 的。以这种方式，集成过程中的筹办，优化策略 和机床能力之间的链路。 3.2 AECoptAECoptAECoptAECopt 机床控制器已重新设计，可支持流程优化，持续监测和控制。这项研究演示了如何利用 CMC 启 用自适应执行 STEP-NC 的数据，这被称为 AECopt。 AECopt 本质上是一个开放和自适应数控系统， 提供了三个功能： （一）通过 MCM 了解机床的行为和能力， （二）优化机器参数的自适应控制（三） CMC 一部分的程序执行，即模糊推理系统（FIS）的开发和集成 CMC 零件程序。图 3-4 示出的进给 速率的优化过程中的数据流。一个最佳的进给速率被定义为一个进给速率的加工时间很短的一段不超 过铣床的额定最大功率，并不会导致多余的振动。通常情况下，每台机器工具都有其自己的最大额定 功率。这可以被用来作为基准设定的机床能力的限制。考虑机床的额定功率，工作切削功率保持在低 于主电机功率，以保持加工操作过程中的安全区。以这种方式，如主轴过载，过多的切削力，颤振， 刀具磨损，产品质量的恶化，并连机刀具破损的问题是可以避免的。 4 图 3-4 基于模糊逻辑的进给速率优化算法 为获得最佳的进给速率， 参考切削功率 （NREF） 被设置为一个值的正下方的最大功率 （Nmax 时）， 考虑参考切削功率的电源，可能过冲。优化过程的简要说明如下，使用图中的相应编号 4。在粗加工 过程开始于一个最大切削深度。 开始进给率是从先前计算的数据得到。 该值被分配至SET_FEED_RATE 的命令。其目的是实现缩短加工时间。在加工过程中，刀具可能需要直线或圆弧插补。这是使用 STRAIGHT_FEED，ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的命令来实现。切削力传感器检测的基础上计算 切削功率的切削力。使用电机功率为参照，切削功率误差（ENC）和切削功率变化（CNC） 。在数学 上，这两个错误表示为： ( )( )iNNiEN cncrefc =（3-1） ( )( )()1=iNiNiCN cncn （3-2） 这两个错误作为模糊控制的输入。模糊推理系统由一个基本的输入模糊化，模糊推理引擎，模糊 规则库，隶属函数和模糊化。控制信号是进给速率。模糊规则是用于优化分配给轴致动器的进给速 率。对于粗加工操作，进给率优化表达式（3-3）和（3-4） 。 ( )txarRfMaxff az opt smax 2/1 1 ,)8(=（3-3） () si opt sim opt si dafMt,int max =（3-4） 5 在精加工操作的情况下，进给速率优化式表示（3-5） 。在这种情况下，系统切换到正常的 CMC。 ()() min 2/1 2 ,8naRrffMif atz opt s =（3-5） 实现此算法是为每一个工具沿 X， Y 和 Z 轴的移动。 本程序适用于机器的所有功能包含进给命令， 如 ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的。这样的结果与优化的进给速率变化的平稳过渡，这是不可能的 基于 G 代码执行刀具运动。结束操作中，进给速率进行了优化，以达到所要求的表面质量。 该程序利用数据采集卡的电压的输入和输出的控制信号转换成的值是由计算机可解释的，反之亦 然。美国国家仪器公司计算机（PXI-1031）作为它的机载数据采集（DAQ）卡，可用的软件开发的 LabWindows / CVI9.0 编程环境，如。 LabWindows / CVI 的数据采集库，其中包含阅读和发送信号的 功能。机床采用的是 2010 年 Sherline 数控铣床。示于图 3-5 的 AECopt 控制器系统的接口。 图 3-5AECopt 控制器 GUI 该接口提供了两种类型的控件：手动（自动）控制。手动功能提供 X，Y，Z 轴进给倍率，速度 倍率为顺时针（CW）和逆时针（CCW）旋转。控制功能提供负载，运行和线路的运行选项。 LOAD 选项加载一个 CMC 的程序已经从 STEP-NC 的文件解释。 “运行”选项，执行系统的文件，命令行显 示。最后，线路运行提供了一个选项，用于显示由用户选择的特定命令的 CMC 的输出。利用视觉显 示一组由两个控制功能。START/STOP 按钮是用来执行 optiCMCs 和系统分别为。START（开始） “选 项也可以用来开始获取由切削力的数据，这是用来作为 optiCMC 输入。在同一时间，一个加速度传感 6 器的信号被收购为脱机数据分析。 3.3 以知识为基础的评价 提供基于机器状况的优化和更新的参数，效率和生产力的加工性能是关键。实现这一目标的方法 之一是赋予整个产品开发过程控制器与智能知识。这是通过知识评价系统，车间更新的数据信息记录 和评估。可以做到通过直接记录或网络使用的协议，如 MTConnect 记录。在加工过程中直接录制的方 法是一个简单的数据节电方法。网络记录需要一个开放的架构，网络协议。在记录过程中，可包括如 实际的进给速率，加速度，加加速度，加工时间，实际的切割力和振动，然后再评估，以确保不超过 允许的切削功率的机床的加工参数。此信息被用于更新 STEP-NC 的数据模型中的数据。在系统中的 最后一个动作就是以知识为基础的评估记录实际的进给速率。 然后，所记录的信息，以对更新的机器状态与最新特性 STEP 文件进行评估。因此，加工参数的 调整，可以在稍后的时间进行。 ..1 MTConnectMTConnectMTConnectMTConnect MTConnect STEP-NC 的集成使一个可互操作的方法在不同的地点访问和处理加工数据。 MTConnect 是一个开放的协议和基于 XML 的标准更高水平的标准进行数据整合，它可以作为一个推 动者。它的体系结构可以很容易地部署和加装到现有的机器，因此各种类型的加工环境中提供灵活性 和便携性的功能。 MTConnect 有四个组成部分：设备，适配器，代理和客户端。他们共同作为骨干通信标准。该装 置被称为是负责提供监测数据的组件，如控制器，传感器和机床。这些数据是由数据采集系统收集的 适配器。适配器是负责通信和流媒体的代理。设备的应用程序编程接口（API）与该适配器将沟通作 为数据采集过程。代理，然后接受数据请求从客户端应用程序，然后返回 XML 格式的数据。然后， 客户端可以从文档中提取数据，并显示给用户。这些数据可用于更有意义的输出，通过机床的当前状 态的评估。 3.3.2 数据采集和分析 由于 STEP-NC 提供了丰富的数据建模方法用于描述加工数据， 相比与传统的 NC 代码结构， 因此 可以被保存加工知道如何根据 STEP-NC 数控系统的整个产品开发周期。STEP-NC 是一个高层次的数 据模型和它的执行也需要更具体的加工数据。 KBE 系统负责三项任务：数据记录，可视化和评估。首先，数据流式传输，通过 MTConnect 被 记录在一个数据库中，可以在不同的地点访问。动态记录的加工参数，包括实际进给速度，加速度， 挺举，切削功率和最大振幅。其次，该系统提供了一个用户界面，用于可视化的目的。该接口由一个 树形视图，表和图形表示所收购的动态加工参数。在图 3-6 所示的用户界面的快照。第三，加工参数 进行评估，其目的获得另一组随后的机械加工操作的最佳参数。这些措施包括： （a）实际切削功率值来计算最佳的进给速率， （b）加速度和加加速度值进行评估，以获得平滑的运动， （c）分析得出通过观察振动信号短时傅立叶变换（STFT） ，在切割过程中，以避免过多的数落。 7 图 3-6 KBE 系统的接口 所有这些评价参数，帮助提供适当的安全加工操作的进给速率。这些进给速率，然后分配更新 STEP-NC 的数据存储在 STEP-NC 文件。以这种方式，可以利用的知识，在执行卓越的加工操作。 3.3.3 数据评估 数据流通过连续记录到一个数据库 MTConnect。所记录的数据的一部分示于表 1。在表中可以看 出，对于每一个时间增加，可以观察到的机器行为的变化。清晰可见的是逐步改变进给速率为每一个 时间增量。这些进给速率的动态行为，可取得进一步分化加速性能。在加工过程中，机械元件的振动 的激发可能导致过度增加加速度， 这可能会导致加速刀具的磨损， 提高加工噪声和大的轮廓加工误差。 因此，急动度可以作为一个指标为光滑的加工操作标准。 表 1 中 记录数据通过 MTConnect 8 T 时间（s） 。CP-切割功率（千瓦） 、FR-进给率（毫米/分钟） 、A-的加速度（mm/sec2） 、J-急动度 （mm/sec3）MVA 最大振动幅度（1000-1） 。 从时域的数据需要被记录，另外，由于大量的时域数据（在 10,000 Hz 的采样速率） ，时域振动信 号处理使用 STFT 技术的。图 3-7 是从所记录的数据的一部分的时间间隔 8 秒的短时傅立叶变换得到 的视图的一个例子。短时傅立叶变换，可以执行频率的变化随时间的持续时间。从这种变化中，可以 发现，任何重大的喋喋不休，这将决定在那个时候进给速率值。例如，大量发生的在喋喋不休频率为 185.5 赫兹振幅在 3.8 s。所记录的数据表明，该控制器产生的进料速率为 127 毫米/分钟，约 3.8 s 的加 工。其结果是，进给速率为 127mm/分钟，可确认为过速的机床工作台的移动。应避免在后续加工操 作更新的 STEP 文件。这种实时的进给速率值可以控制，使其不超过允许的颤振频率的振幅的值，通 过设置在调谐系统中的进给速率的上限。因此，改进的进给速率可以被分配到控制器。 图 3-7 STFT 代表性的振动分析 4 结论 使用 STEP-NC 的数据模型，根据相同的数据结构合并为各种应用提供了一个有前途的平台。它 带来了设计数据，如几何尺寸，公差和材料到加工操作过程的控制和监测，成为一个强大的控制机制。 出于这样做的好处，新开发的架构优化的目的是扩充现有的 STEP-NC 的数据模型。为一体的综合环 境中，高层次的机器状态监测行使优化加工流程是必要的。开发的Express 数据模型提供了必要的数 据进行加工优化。 STEP-NC 的机器状态监测系统由三个子系统组成。第一个子系统，optiSTEP-NC，是负责早期阶 段优化。目的是为了协助过程规划者产生最佳的加工参数为 STEP-NC 的文件。这是两种不同的情况： （一）最大限度地提高进给率和切削深度的关键加工（例如，粗加工工序）及（二）最大化的加工质 量，质量的关键加工操作（例如，精加工业务） 。模拟器已经开发的最优化算法，实时的过程控制和监 测算法来验证。 9 第二子系统：一种自适应的进给速率优化（AECopt）控制器 CMC 程序执行第 2 副系统的框架。 控制器允许一个模糊的进给率优化模块规范的机器要执行的命令。抗议的 NC 程序执行的主要特点是 机床工具的能力范围内保持恒定的负载能力进行自适应进给率优化。此外，还可以帮助优化算法减少 喋喋不休幅度。因此，过多的颤振的发生是可以避免的。这保证了一个更健康的加工操作环境。实验 结果通过建议的进给速率优化模块的有效性。 第三子系统（被称为以知识为基础的评价体系）的开发。内容准确详实，更新加工诀窍是用于实 现自动化和智能化加工操作。通过有效地监测和记录加工过程中的标准化环境的 STEP-NC 和 MT Connect 诀窍可以应用在任何时间点，一个完整的加工利用。 KBE 系统展示了宝贵的加工诀窍有助于 确定最佳的进给速率，以便可避免颤振的发作。该系统还可以记录的加工参数，如切割功率，加速度， 加加速度和最大振动振幅的努力，以获得最佳的机械加工性能，进一步评估这些数据。总体而言，需 要机械师 NC 代码来操作和调整的最小化。工程师制定有效的流程计划所花费的时间减少，最终的决 策由高层经理甚至可以远程决策。 参考文献 1 Elbestawi MA, Dumitrescu M, E-G NG.Toolcondition monitoring in machining, in: Springer Series in Advanced ManufacturingWang,Lihui; Gao, Robert x (eds.)1st edition., Hardcover isbn: 978-1-84628-268-3 (2006) 5582. 2 ZhaoF,Habeeb S, Xu X. 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