【正文】 模 ................................... 21 球頭銑刀銑削參數(shù) ........................................... 21 球頭銑刀銑削 行距與殘留高度的相互關(guān)系 ....................... 21 球頭銑刀切削加工的微元法分析 ..................................... 23 球頭銑刀切削微元的切削層參數(shù) ..................................... 25 切削層厚度 ................................................. 25 切削層寬度 Db ............................................... 26 切削面積 .................................................... 26 銑削力的一般計(jì)算方法 ....................................... 27 4 數(shù)控切削加工工藝 參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)的研究 .................................... 29 單目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 29 單件平均生產(chǎn)時(shí)間的計(jì)算 wt ................................... 29 單件平均加工成本 ((C)的計(jì) 算 ................................. 30 優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系及其合理選擇 ............................. 31 多目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 32 主要目標(biāo)法多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立 .......................... 32 基于線性加權(quán)法的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 ......................... 33 數(shù)控銑削、車(chē)削目標(biāo)函數(shù)的建立 ..................................... 33 5 數(shù)控切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化約束的研究 .................................... 36 約束的來(lái)源 ....................................................... 36 制約條件函數(shù) ..................................................... 36 6 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例 .......................................... 39 切削參數(shù)單目標(biāo)優(yōu)化 ............................................... 39 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立 ..................................... 39 基于 MATLAB 優(yōu)化工具箱實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型求解 ...................... 41 7 結(jié)論 .................................................................. 48 致 謝 ................................................................... 49 參考文獻(xiàn) ................................................................ 50 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 1 1 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變 化，各種先進(jìn)制造技術(shù)正逐漸地應(yīng)用于制造系統(tǒng)中。制造系統(tǒng)正向著數(shù)字化、集成化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化及柔性化的方向發(fā)展。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控加工設(shè)備是制造系統(tǒng)的核心設(shè)備，是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)化、柔性化及數(shù)字化生產(chǎn)加工技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，它的發(fā)展和運(yùn)用，開(kāi)創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，使普通機(jī)械被數(shù)控機(jī)械所代替，全球制造業(yè)發(fā)生了根本性變化。因此，數(shù)控技術(shù)的水準(zhǔn)、擁有和普及程度，己經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。 隨著社會(huì)的多樣化需求和其相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控加工將向更廣 領(lǐng)域和更深層次發(fā)展。數(shù)控加工的不斷變革和創(chuàng)新，將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的效益。 數(shù)控加工切削參數(shù)是數(shù)控切削加工過(guò)程中的基本控制量。數(shù)控加工切削參數(shù)規(guī)優(yōu)化是數(shù)控切削加工工藝過(guò)程優(yōu)化的基礎(chǔ)，它不僅決定著數(shù)控加工技術(shù)水平和效率，也決定著產(chǎn)品的制造質(zhì)量和使用效果。以提高數(shù)控切削加工效率，降低加工成本，獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品為目的，進(jìn)行數(shù)控切削參數(shù)優(yōu)化的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。 本文選題目的及意義 傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)往往需要工藝編程人員手工選擇切削速度、進(jìn)給速度等加工切削參數(shù)，才 能自動(dòng)生成數(shù)控加工程序，加工程序的質(zhì)量較大地依賴(lài)于工藝編程人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的口趨激烈，具有復(fù)雜曲面的產(chǎn)品越來(lái)越多，零件復(fù)雜度也不斷的增加，例如復(fù)雜曲面在加工過(guò)程中工件的幾何形狀不斷改變，僅憑人的經(jīng)驗(yàn)和查閱資料很難合理給出進(jìn)給速度，為安全起見(jiàn)，工藝人員往往根據(jù)最壞的切削條件選擇切削參數(shù)，并在整個(gè)工序中基本維持不變，較大的冗余造成數(shù)控機(jī)床利用率不高，限制了機(jī)床效能的充分發(fā)揮。所以切削參數(shù)的合理選擇與優(yōu)化，直接關(guān)系到能否合理地使用刀具與機(jī)床，對(duì)提高生產(chǎn)率，提高加工精度及表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本 都有重要作用，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)切削過(guò)程優(yōu)化的關(guān)鍵。 在數(shù)控加工中，正確合理地選擇切削參數(shù)對(duì)確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本起著十分重要的作用。目前，大多數(shù)工廠在生產(chǎn)中憑經(jīng)驗(yàn)或參考切削參數(shù)手冊(cè)來(lái)選擇切削參數(shù)，這往往達(dá)不到切削參數(shù)的最優(yōu)選。 切削參數(shù)的選擇是制定機(jī)械零件加工工藝的一個(gè)重要方面，選擇的恰當(dāng)與否，將直接影響到成品的質(zhì)量、生產(chǎn)率、加工成本等，然而由于影響切削參數(shù)的因素繁多，影響因素之間又相互交叉、相互制約，因而確定最佳的切削參數(shù)較為困難。隨著各種新型加工材料的不斷涌現(xiàn)，以及數(shù)控加工機(jī)床、加工中心和柔性 制造系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用，僅依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定切削參數(shù) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 2 己遠(yuǎn)不能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。而運(yùn)用現(xiàn)代切削理論、數(shù)學(xué)建模和模型分析方法尋求切削參數(shù)的最優(yōu)組合，則是切削參數(shù)優(yōu)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。 金屬切削加工切削參數(shù)中包括三要素 :切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量，該三要素是切削加工中最活躍的因素，它們是數(shù)控切削加工的基本控制量。如果選擇不當(dāng)，不僅難以保證工件加工精度及控制加工成本，而且可能因切削力過(guò)大等原因造成機(jī)床被迫停機(jī)，影響數(shù)控機(jī)床效能的正常發(fā)揮。 切削加工中，優(yōu)化選擇切削參數(shù)的問(wèn)題己成為現(xiàn)代化機(jī)械制造業(yè)中極為重要的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題 之一。因此，以提高數(shù)控切削加工效率、降低加工成本、獲得高質(zhì)量產(chǎn)品為目的而進(jìn)行的數(shù)控切削加工優(yōu)化的研究，對(duì)提高數(shù)控加工經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義 本課題旨在通過(guò)對(duì)數(shù)控切削加工參數(shù)優(yōu)化的研究而自動(dòng)獲得最佳切削參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到提高數(shù)控切削加工效率，降低加工成本，并獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的目的。本課題在數(shù)控切削加工參數(shù)優(yōu)化方面主要進(jìn)行了基于數(shù)控切削加工參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程及方法的研究。 數(shù)控加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的研究 多坐標(biāo)數(shù)控加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成是數(shù)控編程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作 ，針對(duì)不同的加工對(duì)象提出了許多實(shí)用的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法，并得到了廣泛的應(yīng)用。由于目前生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的方法是沿刀具運(yùn)動(dòng)軌跡采用不變速率，它不能滿足沿雕塑曲面所要求的速度， Chincling Lo提出了一種生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的新方法。張力等提出環(huán)切區(qū)域加工分步式刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法。 Yong Seok Suhand Kunwoo Lee 提出以雕塑曲面為約束面的任意型腔數(shù)控銑削加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法。湯進(jìn)等提出了覆蓋點(diǎn)集及其相關(guān)的概念，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于等參線離散裁剪的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法，可在滿足 指定精度的情況的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化，顯著提高效率。王知行等詳細(xì)分析了一種新的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法一自適應(yīng)等參數(shù)曲線。該算法具有等參數(shù)法生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了用等參數(shù)法生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡可能產(chǎn)生的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡冗余的缺點(diǎn)。 logo YJ. Lin, T. S. Lee 提出了一種用于自由曲面零件精加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法。它的目的是使一般的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法適合加工含有分解的曲線、曲面或雕塑曲面的零件。 D. C. H. Yang, Z. Han 結(jié)合干涉檢查和刀具優(yōu)選提出了適合于自由曲面三軸數(shù) 控加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法 。 Alan C. Lin, and HaiTerng Liu 提出通過(guò)由接觸或非接觸測(cè)量裝置得到的大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)直接生成 3 軸數(shù)控加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法和算法。楊光友等針對(duì)數(shù)控車(chē)削加工的特點(diǎn)，結(jié)合被加工零件的特征，提出了數(shù)控車(chē)削加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)生成的算法。馬宏余等進(jìn)行了基于銑削特征的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法的研究。 工藝參數(shù)優(yōu)化的研究 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 3 為了解決加工系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，提高機(jī)床的利用效率，各種加工參數(shù)優(yōu)化的方法相繼提出，主要包括在線和離線參數(shù)優(yōu)化方法兩大類(lèi)。 數(shù)控加工在線參數(shù)優(yōu)化的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 在線加工參數(shù)優(yōu)化技術(shù)是自適應(yīng)控制理論在數(shù)控加工領(lǐng)域的應(yīng)用，也稱(chēng)為自適應(yīng)控制 ((Adaptive Control)。通過(guò)在加工過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)切削力、刀具溫度或機(jī)床主軸扭矩等變量，根據(jù)反饋的信息來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)切削參數(shù)，以獲得最優(yōu)的切削效率，提高加工質(zhì)量。從美國(guó)本迪克斯公司 1964 年研制開(kāi)發(fā)了第一個(gè)優(yōu)化自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)以來(lái)，數(shù)十年間，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成更容易、簡(jiǎn)潔和廉價(jià)，從而極大地促進(jìn)了數(shù)控加工在線參數(shù)優(yōu)化的研究。第一個(gè)優(yōu)化自適應(yīng)系統(tǒng) ((ACD)是美國(guó)本迪克斯公司于 1964 年在美國(guó)空軍技術(shù)監(jiān)督下研制開(kāi)發(fā)成功的。該系統(tǒng)由一臺(tái)型靠模銑床、控制器、傳感器及自適應(yīng)控制器組成，傳感器測(cè)量切削力矩、刀具溫度及機(jī)械振動(dòng)，自適應(yīng)控制器利用這些數(shù)據(jù)可獲得最優(yōu)進(jìn)給速度，并使規(guī)定的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。但該系統(tǒng)并未得到推廣應(yīng)用，其主要原因是系統(tǒng)要求對(duì)刀具磨損進(jìn)行在線測(cè)量，而迄今為止還沒(méi)有工業(yè)界廣泛接受的直接測(cè)量刀具磨損的方法。 1970 年德國(guó)西門(mén)子公司研制成一臺(tái)可控制 X, Y 軸方向進(jìn)給速度的約束自適應(yīng)控制車(chē)床，該車(chē)床可在加工過(guò)程中利用傳感器直接測(cè)量力矩信號(hào)?？诒竟?司、意大利公司的研究所也都相繼研制出公約數(shù)自適應(yīng)控制機(jī)床，以實(shí)現(xiàn)恒力矩加工，但由于在力矩信號(hào)的處理和轉(zhuǎn)換方面都做了不同程度的條件假設(shè)，因此限制了機(jī)床的實(shí)用性。 我國(guó)對(duì)自適應(yīng)數(shù)控加工技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)起步較晚。 1979 年清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先對(duì)銑削過(guò)程的功率約束自適應(yīng)控制進(jìn)行了試驗(yàn)性研究。 1980 年上海交通大學(xué)對(duì)以扭矩為約束目標(biāo)的數(shù)控車(chē)削自適應(yīng)控制進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 1983 年北京航空航天大學(xué)研制出銑床的微機(jī)自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)測(cè)的主軸電機(jī)電樞電流來(lái)確定主軸力矩。 西安交通大學(xué)于 1989 年研制了用 TP801 單 板機(jī)作為自適應(yīng)控制器的恒功率、恒扭矩的最優(yōu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 1993 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)鉆床和銑床的恒功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析，并研制出一套實(shí)用的功率檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)從刀具到電機(jī)的傳動(dòng)鏈作了較大的結(jié)構(gòu)模型上的工程近似，并在此基礎(chǔ)上用傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制理論進(jìn)行在線自學(xué)習(xí)控制。但對(duì)于非線性的數(shù)控加工過(guò)程，其工程近似度畢竟有限，這一點(diǎn)是該系統(tǒng)目前還不能推廣應(yīng)用的主要原因。 1998 年華中理工大學(xué)研制成功恒功率切削的自適應(yīng)數(shù)控銑削加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用智能控制理論建模，克服了傳統(tǒng)自適應(yīng)控制理論對(duì)時(shí)變非線性系 統(tǒng)建模的局限性，為智能自適應(yīng)數(shù)控加工的實(shí)用化提供了理論途徑。但該研究成果目前還存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即測(cè)力傳感器對(duì)加工工件尺寸及切削力的要求十分嚴(yán)格，而且所用的測(cè)力傳感器造價(jià)昂貴，使得該系統(tǒng)目前還難以達(dá)到完全實(shí)用化。 二十世紀(jì)九十年代末，以色列分別研制出了適用于數(shù)控車(chē)床和數(shù)控銑床 (OMAT 優(yōu)銑陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 4 裝置 )的金屬切削自適應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低生產(chǎn)成本最高可達(dá) 40%，還具有自學(xué)習(xí)功能，可以說(shuō)是數(shù)控加工中的一項(xiàng)革命性突破。該系統(tǒng)己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)化。目前，我們國(guó)家某些工廠的數(shù)控設(shè)備上就使用了該產(chǎn)品并且效果很好。 OMAT 技術(shù)在 全國(guó)己得到了一定程度的推廣，受到了客戶的好評(píng)。 數(shù)控加工離線參數(shù)優(yōu)化的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 在現(xiàn)代加工生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)效率，獲得較高的加工精度，關(guān)鍵是在加工之前能夠給出加工參數(shù) (如合理選擇刀具、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率等 )的合理評(píng)判及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的合理預(yù)測(cè)。如果我們能夠建立起一個(gè)基于產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)與分析的數(shù)控仿真系統(tǒng)，一方面它既可以對(duì)工件及刀具做出精確的幾何描述，對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行驗(yàn)證 。另一方面又可以對(duì)加工過(guò)程中任意時(shí)刻的幾何信息進(jìn)行提取 (如切屑厚度，切屑幾何形狀，刀刃與工件嚙合部分 )。根據(jù)數(shù)控加工過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型 ，對(duì)影響加工質(zhì)量的刀具、夾具及工件的彎曲、疲勞