一种面向数控工艺参数优化的铣削过程动力学仿真系统研究

1、中国机械工程第16卷第13期2005年7月上半月一种面向数控工艺参数优化的铣削过程动力学仿真系统研究刘 强 尹 力北京航空航天大学,北京,100083摘要:针对当前国内数控加工过程中工艺参数选择和优化存在的问题,在对国内外铣削过程动力学建模、仿真和优化进行深入研究的基础上,开发了一套面向数控铣削加工过程的动力学仿真优化系统。该系统以Matlab-GUIDE为软件开发平台,可以快速、有效地预测铣削加工过程中刀具的瞬时铣削力、主轴功率、主轴转矩等物理量,预测加工表面的形貌与刀具的振动情况。同时,借助于实验模态分析结果,可以准确地计算出整个系统的稳定切削区域,为数控机床工艺参数的合理、有效选择提供了

2、有益的指导和理论依据。整个仿真系统的主要功能在多台数控加工中心上得到了成功的验证。关键词:数控加工;工艺参数;动力学仿真;颤振稳定域中图分类号:TH113.1;TH161.6 文章编号:1004 132(2005)13 1146 05StudyonMillingProcessDynamicsSimulationSystemabouttheProcessParameterOptimizationofNCMachineToolsLiuQiang YinLiBeihangUniversity,Beijing,100083Abstract:Consideringthedeficiencyinproce

3、ssparameteroptimizationofmillingprocess,basedontheresearchofthedynamicsmodelofmillingprocess,akindofdynamicssimulationsoftwarewasdevelopedsuccessfullyinMatlab-GUIDEenvironment.Thesimulationsystemcanprovidesomerel ativedynamicssimulationsuchasthecuttingforce,spindlepower,toolsvibration,torque,chipand

4、thesurfaceofworkpiece.Meanwhile,basedonthemodalanalysisexperiments,theeffectivechatterstabilitylobswerecalculated.Theprocessparameteroptimizationfunctioncanbeaccomplishedeffec tivelyonthebasisofrelativesimulations.TheallabovecanprovidesomeinstructivedirectionsandprocessparameterstoNCoperators.Themai

5、nfunctionsofthewholesystemhavebeentestedonthecuttingcenterFANUC-11Msuccessfully.Keywords:NCmachining;processparameter;dynamicssimulation;stabilitydomainofchatter0 引言切削参数的合理选择对加工效率的提高和加工成本的降低具有实际意义。工艺参数及其相应获取手段的缺乏直接制约了我国数控机床的应用与推广。一方面,切削工艺参数数据的严重缺乏会在一定程度上制约数控机床性能的充分发挥;另一方面,由于工艺参数选用不当等原因经常导致机床精度降低和机床结

6、构的严重损坏。数控加工过程仿真和优化技术是获取最新切削参数数据的最佳途径之一。利用一般的切削试验方法获取合理或优化的切削参数数据不仅时间长、而且成本高,而利用现代切削过程仿真和优化技术可以在少量试验的基础上借助于合理的数学模型、工程分析和仿真等先进手段快速获取理想的切削参收稿日期:2004 04 12基金项目:国防基础科研项目数数据。笔者所在研究小组对数控铣削过程所涉及的主要物理量进行了较为深入的研究,结合国内外先进的理论与成果,研究开发出了一套面向数控铣削过程的动力学仿真优化系统,同时对该系统的主要功能进行了相关验证。1 铣削过程动力学仿真应用软件设计数控加工过程中,切削力、振动情况、工件变

7、形和表面粗糙度等都是衡量切削过程优劣与否的重要标志。由于实际铣削过程的加工品质与 机床 刀具 工件 构成的工艺系统的动力学特性密切相关,因此对铣削过程动力学方面的分析一直是众多的理论研究者和工艺人员不遗余力的一个研究方向。目前,国内外在切削过程仿真技术研究与应一种面向数控工艺参数优化的铣削过程动力学仿真系统研究 刘 强 尹 力用方面已经取得了较为丰硕的成果,一些面向工程化的仿真工具软件已经在工业部门获得了广泛应用(如UG、Pro/E、Vericut等),但此类软件通常局限在对工件几何建模和刀具运动轨迹的仿真上,对加工过程所涉及的物理量的仿真功能明显不足。同时,国内目前在铣削过程动力学仿真技术方

8、面开展的研究较为有限,缺少一套系统全面的以动力学仿真为基础的仿真工具软件。为此,笔者所在实验室系统地研究了相关动力学模型与仿真技术,在国内外相关研究成果的基础上13,开发出了一套功能较为全面的数控加工过程动力学仿真应用软件。基于切削过程的动力学仿真系统的主要研究内容包括以下方面:三向(X、Y、Z)瞬时铣削力仿真;切削过程中工件表面形貌仿真;工艺系统切削过程颤振稳定域仿真;铣削力系数模型的建立与仿真分析;刀具与工件振动情况的仿真分析;刀具磨损情况(刀具寿命)建模分析;基于动力学仿真的工艺参数优化分析。整个仿真优化系统的总体结构主要由四部分组成(图1):软件面的设计、理论模型的建立、仿真优化算法的

9、实现和仿真优化结果的输出。其中,软件界面的设计是整个系统的输入,仿真优化结果是整个系统的输出。模型的建立和算法的实现是连接两者的桥梁。整个系统的各个部分之间既相互独立,又密切相关,四个部分构成了系统研发的一条清楚的主线。软件界基于Matlab-GUIDE(graphicaluserinterfacedevelopmenten vironment)集成环境,针对切削过程不同仿真优化目标,进行模块化开发。各个模块之间较为独立,从而可以方便地对整个系统进行选择、修改、替换和增添4。系统主要模块功能如下:化提供重要约束条件。在对整个工艺系统模态分析和铣削过程动力学模型分析的基础上,采用切削加工中的再生

10、颤振的理论,对加工过程的颤振稳定域进行仿真,给出与铣削加工过程工艺参数相关的颤振稳定域结果。(3)工艺参数的优化 在已有动力学仿真计算的基础上,以主要的加工工艺参数(主轴转速、进给量、轴向切削深度、径向切削深度)为设计变量,以最小加工时间为优化目标进行优化计算,得到满足一定优化目标和优化条件下的工艺参数。铣削过程时域仿真模块界面见图2。包括刀具和工件的几何属性、物理属性和加工条件的选择。在几何属性中,除了选择必要的铣刀齿数和直径等参数外,还可以对不同类型的铣刀几何模型进行定义。在物理属性中,可以调用铣削力系数数据库中已有的材料数据,或是选择铣削力系数模型进行计算。此外对刀具的对称性、刀具和工件

11、的动态特性都可以选择计算。图2 铣削过程时域仿真模块界面颤振稳定域仿真模块界面见图3。该模块可以调用铣削力系数数据库中已有的材料数据,或是选择铣削力系数模型进行计算。通过选择刀具或工件的动力学特性,进行颤振稳定域的计算。在加工条件栏中,通过选择仿真步长和扫频宽度图1 软件系统结构图(1)铣削过程时域仿真 它是整个动力学仿真优化系统的基础模块。在少量的切削力系数辨识实验基础上,得到满足实际系统要求的数学模型。在此基础上,提供相应的时域内动力学仿真。主要包括:X、Y、Z三个方向上的瞬时铣削力、瞬时切屑厚度、瞬时主轴转矩、功率的计算等主要功能;工件和刀具的振动仿真;周铣条件下工件表面形貌的仿真。(2

12、)颤振稳定域计算 该模块为工艺参数优可以调整仿真时间和仿真精度。工艺参数优化模块界面见图4。该模块可以选择优化变量(主轴转速、进给量、轴向切削深度、径向切削深度),通过设定变量的上下限和初始值,选定相应的优化约束条件,计算出优化后的工艺参数。主要时域内仿真结果如图5所示。2 铣削过程铣削力仿真实验验证铣削过程动力学仿真系统的正确与否需要通中国机械工程第16卷第13期2005年7月上半月真算法的正确性和实用性;另一方面,通过设计相关的实验,获得实验建模的必要数据,为相关模型的建立和模型参数的辨识提供必要的前提。(1)实验设备 铣削力测试系统包括:动态铣削测力仪;四通道YD-15动态电阻应变仪;智

13、能信号采集处理分析仪(INV303A,16通道,实现16路并行无时差采样,A/D转换精度12位,最高采样频率200kHz);计算机。铣削力实验验证在四坐标数控加工中心FANUC-11M上进行。(2)刀具 材料为高速钢;直径为10mm;齿数为2;螺旋角为30 ;刀具偏置的影响:e=0,图3 颤振稳定域仿真模块界面-0 010mm;干铣。(3)工件 材料为45钢。(4)实验加工条件 切削宽度为10mm,主轴转速为400r/min,切削深度为2mm,每齿进给量为0 15mm。图4工艺参数优化模块界面1.Fx仿真 2.Fy仿真 3.Fz仿真4.Fx实测 5.Fy实测 6.Fz实测图6 铣削力仿真实验验

14、证该系统对不同的工件材料进行了瞬时铣削力实验验证,实测结果与仿真结果基本一致(图6),从而验证了仿真软件的准确性。3 颤振稳定域的分析与验证1.Fy 2.Fz 3.Fx(a)X、Y、Z方向瞬时铣削力为了准确地仿真出在铣削加工过程中的刀具或工件的振动情况和颤振稳定域,需要获得准确的刀具和工件的频率响应函数 (i ), 为角频率。在颤振稳定域分析的过程中,刀具/工件接触区的传递函数是非常重要的。考虑到机床与刀具系统的复杂性,不适于通过仿真分析的方法来获得模态参数,故通过对安装在机床上的铣刀进行力锤冲击试验5,6获得系统的实际频率响数据,之后采用模态参数辨识方法计算出实际系统低阶1.瞬时功率 2.累

15、积平均功率部分的固有频率、阻尼比、刚度系数等模态参数,为稳定域的计算提供必要的条件。试验主要仪器如下:MSC-1冲击力锤,相应的4900N力传感器;YD67小型加速度传感器,灵敏度为0 3pC/ms-2,频带范围为118000Hz;(b)瞬时主轴功率图5 主要时域内仿真结果过设计必要的实验进行验证。实验设计的目的一方面是仿真结果的实验验证,验证不同对象的仿一种面向数控工艺参数优化的铣削过程动力学仿真系统研究 刘 强 尹 力重量小于3g;DLF-3型四合一两通道电荷放大器,具有电荷/电压放大、抗混滤波和积分功能等;智能信号采集处理分析仪(INV303A,16通道,实现16路并行无时差采样,A/D

16、转换精度12位,最高采样频率200kHz)。刀具-机床系统冲击试验见图7。铣削力功率频谱分析显示谐振能量峰值大的频率点(362Hz、428Hz、661Hz)恰恰对应着工件和刀具实验模态分析的谐振频率。在颤振稳定域内的点,力谱分析显示强迫振动的主频为125Hz,而这与刀齿的切削激振频率完全一致,而其他谐振频率点对应的能量幅值较小,表明谐振频率对力的影响较小。实验结果显示,当加工过程发生颤振时,工件的表面质量也较差。(a)稳定域外图7 刀具 机床系统冲击试验通过模态分析实验得到整个系统的动力学特性,结合铣削力动力学模型得到 机床 刀具 工件 颤振稳定域仿真结果(图8)。(b)稳定域内图9 瞬时铣削

17、合力频域能量分析比较4 结语在动力学仿真技术研究的基础上,较为系统地介绍了一种基于铣削过程动力学仿真系统的主要功能与应用。该系统弥补了当前大多数CAD/CAM仿真软件在动力学仿真和工艺参数优化等功能上的不足,显示出了特有的应用优势。同时图8 Fx与Fy瞬时铣削合力分析比较作为铣削过程动力学仿真技术研究和应用的一个平台,该系统对于进一步提高我国数控加工工艺水平和相关技术的研究也具有十分重要的理论意义和实际应用价值。参考文献:1AltintasY.ManufacturingAutomation-MetalCuttingMechanics,MachineToolVibrationsandCNCDes

18、ign.Cambridge:CambridgeUniversityPress,20022 ArmaregoEJA,WhitfieldRC.ComputerBasedModelingofPopularMachiningOperationsforForceandPowerPredictions.CIRP,1985,34(3):65693 WeinertK,EnselmannA,FriedhoffJ.MillingSimulationforManufacturing.CIRP,1997,46(1):3253284 施晓红,周佳.精通GUI图形界面编程.北京:北京大学出版社,2003Annalsoft

19、heAnnalsofthe加工条件如下:刀具齿数为3;径向切削宽度为3mm;每齿进给量为0 1mm;刀具直径为12mm;刀具材料为高速钢;工件材料为AL7075。实验验证分析在颤振稳定域内外取两点(不同的切削条件)进行。稳定域外:主轴转速为2200r/min;轴向切削深度为1mm;用 表示。稳定域内:主轴转速为2500r/min;轴向切削深度为1mm;用 表示。由图8中可以看出,在相同的轴向切削深度条件下,整个瞬时铣削合力在不同主轴转速条件下表现不同。与稳定域外的点相比,颤振稳定域内点的铣削力谱的振幅波动要小得多,切削过程较为平稳。由图9中可以看出,对于颤振稳定域外的点,中国机械工程第16卷第

20、13期2005年7月上半月双机器人松协调规划中的碰撞问题分析李 平 孟庆鑫 王立权哈尔滨工程大学,哈尔滨,150001摘要:在已知两机器人运动路径的前提下,在笛卡尔空间对两机器人进行简单的几何建模,利用Lagrange乘子和Kuhn-Tucker条件求解各种模型间的最短距离来实现对碰撞的检测。通过对已知路径离散化,将空间机器人系统转化为二维平面上的点,最终求得双机器人间的碰撞区域,为进一步开展双机器人系统时间优化-无碰撞轨迹规划问题的研究打下基础。关键词:双机器人系统;松协调;碰撞区域;Lagrange乘子;Kuhn-Tucker中图分类号:TP242 文章编号:1004-132(2005)1

21、3-1150-04AnalysisofCollisionforLooselyCoordinatedTwo-RobotSystemLiPing1 MengQingxin2 WangLiquan2HarbinEngineeringUniversity,Harbin,150001Abstract:Onthebasisofspecifiedpaths,asimplegeometricalmodelwasbuiltinDescartescoordi nate.Thecollisiondetectionwascompletedbyachievingtheshortestdistancebetweenmod

22、elsusingtheLagrangianmultiplierandKuhn-Tucker.Thetwo-robotsystemwastranslatedintosomepointsin2Dandthepotentialcollisionregionsbetweenthetworobotswereobtainedbydispersingthepaths,whichishelpfulforfutureresearchontime-optimalandcollision-freetrajectoryplanning.Keywords:two-robotsystem;loosecoordination;potentialcollisionregion;Lagrangemultipli er;Kuhn-Tucker0 序言双机器人协调作业方式可以提高机器人自身的利用率,能够最大限度发挥机器人系统的工作潜能,增强机器人实现复杂任务的通用性。通常,当两机器人在同一工作空间内完成各自任务时,我们称其处于松协调状态。目前双机器人在松协调状态下的规划问题集中在机器人与静态障碍间的避碰,主要采用基于C空间的自由空间法和基于直角坐标空间的人工势场法。前者是从全局概念将障碍用C空间来描述,此