基于切削力模型的進(jìn)給速度調(diào)節(jié)方法

1、基于切削力模型的進(jìn)給速度調(diào)節(jié)方法摘要:高速銑削加工過程中通常采用很高的主軸轉(zhuǎn)速和很大的進(jìn)給率速度,致使加工件的質(zhì)量對(duì)切削力的波動(dòng)非常敏感,因此,討論對(duì)高速銑削加工中切削力進(jìn)展有效控制的技術(shù),不僅有助于合理制定高速銑削加工工藝,而且可以盡量發(fā)揮機(jī)床的加工性能從而進(jìn)步加工質(zhì)量和消費(fèi)效率。關(guān)鍵詞:加工工藝;進(jìn)給率;切削力一、引言傳統(tǒng)的銑削加工模具型面時(shí),通常采用等切削深度恒機(jī)床進(jìn)給速度的加工方法,但是由于模具型面的復(fù)雜性和多樣性,采取這種方法會(huì)導(dǎo)致刀具的切削環(huán)境的不斷變化從而引起切削載荷的起伏不定,影響了工件加工質(zhì)量,且傳統(tǒng)的進(jìn)給速度選擇通常是根據(jù)消費(fèi)加工經(jīng)歷和切削手冊(cè)選取各加工極限條件下最小的平安

2、進(jìn)給速度,這使得刀具在整個(gè)的數(shù)控高速銑削加工中的絕大局部時(shí)間處于輕度載荷狀態(tài),不能充分發(fā)揮機(jī)床的性能,極大地降低了加工效率。進(jìn)給速度控制可以分為在線方式和離線方式。在線的進(jìn)給速度調(diào)節(jié)方法就是在加工過程中,實(shí)時(shí)采集各傳感器信號(hào),根據(jù)反響結(jié)果對(duì)加工情況作出調(diào)整。該方法由于本錢高昂和可靠性太低而根本無法實(shí)用。比較普遍采用的進(jìn)給速度調(diào)節(jié)手段是根據(jù)某切削模型采用離線方式修正加工文件,對(duì)機(jī)床進(jìn)給速度進(jìn)展控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給速度的合理控制,不僅可以保證理想的切削載荷,而且可以充分發(fā)揮機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的潛能,進(jìn)步加工效率。二、進(jìn)給速度調(diào)節(jié)的控制模型要對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)展優(yōu)化調(diào)整,就要建立優(yōu)化的參照模型。目前在進(jìn)展進(jìn)給速度優(yōu)

3、化處理時(shí),都是通過建立相應(yīng)的控制模型,以此模型為約束條件對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)展優(yōu)化調(diào)節(jié),其中最具代表性的控制模型是基于等切削體積的控制模型和基于切削力的控制模型。(一)基于等切削體積模型的進(jìn)給速度控制該方法假設(shè)加工過程中切削載荷和加工時(shí)候的材料去除率成正比,假設(shè)保持加工中工件的材料去除率恒定那么切削載荷將維持穩(wěn)定。這方面的研究工作比較典型的有通過調(diào)節(jié)局部刀具位置的進(jìn)給速度值,以維持加工過程中工件材料的去除率處于一個(gè)理想的穩(wěn)定狀態(tài)。該方法由于計(jì)算簡單,容易用軟件方法實(shí)現(xiàn),已經(jīng)被一些A軟件采用。然而由于該方法的假設(shè)只能在簡單的二維直線走刀加工和圓弧走刀加工中成立,對(duì)于曲線加工或者更復(fù)雜一些三維曲面加工來說

4、,切削載荷和切削體積成正比的假設(shè)不能成立。因此該方法具有一定的局限性。(二)基于切削力模型的進(jìn)給速度控制該方法首先建立一個(gè)切削力模型,模型中描繪了進(jìn)給速度與切削力之間的關(guān)系,其原理是當(dāng)加工過程中其他切削參數(shù)發(fā)生變化的時(shí)候,通過調(diào)節(jié)進(jìn)給速度作為補(bǔ)償以保持切削載荷穩(wěn)定,即以恒定的切削力作為約束條件對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)展優(yōu)化調(diào)整。切削力模型是實(shí)現(xiàn)該控制策略的根底,模型建立的好壞直接影響到進(jìn)給速度計(jì)算的準(zhǔn)確性。目前為止,國內(nèi)外學(xué)者建立了大量的切削力模型,可以歸納為理論切削力模型和經(jīng)歷切削力模型兩大類。理論模型抽象了切削過程中,刀具和工件之間的各種復(fù)雜幾何和運(yùn)動(dòng)關(guān)系,建立切削的切削力模型由于太過復(fù)雜,而實(shí)際消費(fèi)

5、中無法應(yīng)用。比較實(shí)用的是根據(jù)切削實(shí)驗(yàn)建立的經(jīng)歷模型,提煉出描繪加工過程的幾個(gè)切削用量,然后通過實(shí)驗(yàn)方法回歸得到經(jīng)歷系數(shù),建立切削力模型。三、進(jìn)給速度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)手段進(jìn)給速度調(diào)節(jié)最終必需要反映到機(jī)床運(yùn)動(dòng)中,使得機(jī)床的運(yùn)動(dòng)情況按照料想的情況變化才是進(jìn)給速度調(diào)節(jié)方法的目的。要使得機(jī)床運(yùn)動(dòng)遵照料想的進(jìn)給速度曲線,通常有如下兩種策略。(一)N程序修正根據(jù)切削模型計(jì)算得到的進(jìn)給速度值,只有融入到N加工程序中才能應(yīng)用于實(shí)際消費(fèi)。通常由加工中心的A系統(tǒng)得到的N程序是在不考慮機(jī)床電機(jī)的物理性能(加減速性能)的理想情況下得到的,這就導(dǎo)致了實(shí)際加工效果與預(yù)期的出入很大,所以N程序的修正過程需要考慮機(jī)床的動(dòng)力性能,特別

6、是加減速性能。機(jī)床伺服系統(tǒng)才能有限,不可能對(duì)進(jìn)給速度變化做出理性情況的即時(shí)響應(yīng),因此在N程序修正階段必需要考慮加減速過渡階段進(jìn)給量。另外在N程序中進(jìn)給速度是階梯狀的,而理論計(jì)算得到的進(jìn)給速度是連續(xù)的,因此如何在保證加工過程中刀具運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的前提下將進(jìn)給速度值階梯化也是N程序修正中必需要考慮的問題。本文在對(duì)N程序進(jìn)展修改時(shí),將對(duì)機(jī)床的動(dòng)力性能進(jìn)展分析,建立輸入指令與實(shí)際輸出的關(guān)系,進(jìn)而以理想指令作為實(shí)際輸出來反求優(yōu)化的輸入指令。(二)N插補(bǔ)控制在N插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)階段假設(shè)能實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)步長的自適應(yīng)設(shè)置,宏觀上反映出來的就是實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié),不失為一種從根本上革新進(jìn)給速度控制的方法。然而該方法在實(shí)現(xiàn)

7、階段難度很大,需要實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)步長的形狀自適應(yīng)設(shè)置。然而如今的N程序中己經(jīng)沒有了工件形狀信息,只是一些簡單的直線圓弧段拼接,無法設(shè)置形狀自適應(yīng)步長。曲線直接插補(bǔ)特別是NURBS曲線直接插補(bǔ),包含較多的工件形狀信息。目前曲線自適應(yīng)插補(bǔ)算法和高性能N系統(tǒng)正受到國內(nèi)外眾多研究者的追捧。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.四、進(jìn)給速度階梯化分析經(jīng)過初步優(yōu)化的N程序的每個(gè)刀位點(diǎn)都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)給速度,這雖與變進(jìn)給速度數(shù)控加工的期望相符合,但是眾所周知,頻繁的變化數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度也存在如下的問題:首先,進(jìn)給速度的劇烈變化將嚴(yán)重影響刀具壽命,頻繁換刀會(huì)嚴(yán)重影響加工精度;其次,進(jìn)給速度的劇烈變化必將導(dǎo)致機(jī)床各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)速度的不

8、斷變化,假設(shè)由此引起的坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)速度過高或速度變化過大時(shí),將產(chǎn)生較大的幾何軌跡誤差,進(jìn)而增加機(jī)床工作負(fù)荷,減少機(jī)床使用壽命;最后,由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件存在慣性,進(jìn)給速度的劇烈變化將導(dǎo)致機(jī)床響應(yīng)滯后,嚴(yán)重影響了加工精度。因此在機(jī)床的啟動(dòng)、停頓和速度變化時(shí)都必須以平滑的速度過渡,防止產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)沖擊而影響加工精度、機(jī)床和刀具的壽命。針對(duì)以上所述,需要對(duì)初步優(yōu)化后的N程序的進(jìn)給速度進(jìn)展進(jìn)一步階梯化,即給相鄰的進(jìn)給速度變化很小的一段刀位點(diǎn)設(shè)定一個(gè)進(jìn)給速度,這樣就可以將高頻連續(xù)變化的進(jìn)給速度優(yōu)化為低頻分段變化的進(jìn)給速度,只要選擇得當(dāng),銑削力的大小不會(huì)有太大抖動(dòng),而且滿足了進(jìn)給速度平滑過渡的要求。進(jìn)給速度的分段優(yōu)

9、化主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn):進(jìn)給速度相近原那么:即同一段內(nèi)的進(jìn)給速度值大小必須相近。這就產(chǎn)生兩個(gè)約束條件:首先該段內(nèi)的進(jìn)給速度數(shù)列的均方差必須小于給定值ax(這里我們?nèi)【讲钌舷逓閍x=0.01)。其次由于實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度分段時(shí)進(jìn)給速度數(shù)列內(nèi)的進(jìn)給速度個(gè)數(shù)是逐步增加的,這就要求每個(gè)進(jìn)給速度值參加進(jìn)給速度數(shù)列時(shí)不能使該數(shù)列的均方差變化過大,這里我們規(guī)定均方差的變化不能超過10%。進(jìn)給速度平滑過渡原那么:即進(jìn)給速度變化時(shí)所需的加速間隔 或減速間隔 sa必須小于刀具挪動(dòng)間隔 S以保證進(jìn)給速度的平滑過渡,否那么分段優(yōu)化失去意義。五、切削負(fù)載自適應(yīng)方法展望恒切削負(fù)載加工不僅可使切削平穩(wěn)可靠,而且可以保證高的加工效率和

10、加工質(zhì)量,因此一直是各國學(xué)者和工業(yè)界潛心研究的課題。在長期的研究和理論中,逐漸形成了兩類方法。一類是加工過程的自適應(yīng)控制的方法,包括固定增益控制法、參數(shù)自適應(yīng)控制法和智能控制法等,然而,由于種種原因比方反響的及時(shí)性等,切削負(fù)載實(shí)時(shí)測(cè)量反響加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)遠(yuǎn)沒有到達(dá)實(shí)用程度,尤其不適用于復(fù)雜多變的自由曲面多軸銑削加工過程無論是切削負(fù)載實(shí)時(shí)測(cè)量反響的加工過程自適應(yīng)控制方法,還是以加工過程仿真技術(shù)為根底的程序優(yōu)化方法,根本上都是通過單純地調(diào)節(jié)機(jī)床進(jìn)給速度的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程切削負(fù)載的控制,實(shí)現(xiàn)的難度大且效果并不理想。而且,僅僅通過頻繁地改變機(jī)床的進(jìn)給速度,雖然進(jìn)步了消費(fèi)效率,一定程度上保護(hù)了機(jī)床,但是,高速加工中頻繁的進(jìn)給速度變動(dòng)卻會(huì)損壞工件的外表質(zhì)量并加快刀具的磨損。進(jìn)給率的變化過高,即變