CN103869755B - 一种调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法，主要针对航空领域用户需求及工艺特点，以国产高档数控机床为研究对象，在给定复杂结构件加工代码的基础上,通过VERICUT软件对加工过程进行仿真模拟，并对VERICUT软件进行二次开发，对加工代码进行分段处理，根据需求的切削功率值、最大最小进给速度，反推各段加工代码的进给速度，并对各段内的进给速度速度语句进行修改，最大限度保持机床主轴功率输出曲线平滑。本发明完善了VERICUT软件不能进行切削力的仿真这一缺陷，找到了个切削参数之间的数据关系，和限制因素对功率的影响效果以及最优算法，实现了通过调整进给速度来保证机床输出功率平滑以保证，在切削过程中机床、工件、刀具的安全性。
Description
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法。
背景技术
在飞机结构件的数控加工过程中，需保持机床主轴输出功率相对平滑，才能保证切削系统的安全。但是，在给定的加工程序中，切削进给速度是相对固定的，当刀具瞬间切削的材料去除量有变化时，因进给速度恒定而有可能导致机床主轴的输出功率极其不稳定，严重冲击机床和刀具的平稳，影响使用寿命。
机床主轴功率与主轴转速、进给速度、材料切除系数、切深、切宽等参数相关，如何在这些参数中，合理调整其中的某几项参数，满足机床功率平滑输出要求，就显得十分重要。显然，在切削过程中，主轴转速、材料切除系数是不能随意改变的，只能根据当前的切深和切宽调整进给速度。
仿真加工可以在计算机上模拟实际零件的加工过程，验证数控程序的正确性，替代零件的试切工作，能够缩短零件的设计制造周期，具有十分重要的现实意义，也是现代制造技术发展的必然趋势。当今所使用的一些仿真加工类软件，大多只能反映出刀具切削零件部分的加工过程，用户不能建立适合自身条件的机床及刀具模型，只能被动选取软件提供的仿真环境，因而不能达到完全的数控加工仿真与虚拟化。
VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，由NC(NumericalControl,数字控制,简称数控)代码验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也能进行NC代码优化。通过VERICUT软件则可以建立完整的虚拟机床，不仅仿真效果更加逼真，而且能够实现全过程的虚拟加工。因此，在实际数控加工过程中，可以结合数控系统、数控程序，通过VERICUT软件模拟切削获得当前的切削参数，参考机床功率、用户选择的基准功率、材料切除系数、每齿进给量和加工过程中材料切深和切宽等参数和限定因素，优化NC代码中的进给速度，来达到平滑主轴输出功率的目的，进而提高机床、刀具、和工件的安全性。
但是在实际用途中，通过调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑时，有一些尚待解决的问题：
（1）各种切削参数之间的数据关系没有现成可用公式。
早期各国切削数据通常依据切削手册、生产实践资料和切削试验来确定。切削手册上的数据来源最广泛，条理性一般较强，但针对性和准确性较差，通过查阅切削手册来获得数据，在信息量和方法的先进性上都非常不足；生产实践资料对具体应用企业而言，针对性较强，但数据太分散，缺乏规律性；通过切削试验获得的数据，最有针对性，但受到试验条件等多方面的限制，数据量极为有限，而且试验条件与生产现场条件往往差别较大。按照这种方法选用的切削参数虽然是可行的，而且也具有一定的优化性，但往往由于不是最佳数值而导致资源浪费和生产效率不高。
（2）机床功率不能直接测量得到,在实际生产中不易调整
机床主轴功率与主轴转速、进给速度、材料切除系数、切深、切宽等参数相关，不能靠测量得到。因此，要通过研究众多参数的综合影响因素，合理调整其中的某几项参数，以满足机床主轴功率可以平滑输出。同时还有考虑到在切削过程中，主轴转速、材料切除系数是不能随意改变的，如何调整加工代码，来最终实现机床主轴输出功率的平滑尚有待解决。
（3）VERICUT软件不具备切削力的仿真功能
VERICUT软件几何仿真功能效率很高，能够在几分钟甚至数十秒内完成复杂零件加工过程的几何仿真，但它并不具备切削力仿真功能。因此有必要对其进行二次开发，将程序嵌入到VERICUT软件，在几何仿真完成后，提取整个加工过程的切深、切宽、进给速度、切削速度等参数，并能直观的给出切削功率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法，主要针对航空领域用户需求及工艺特点，以国产高档数控机床为应用和研究对象，在给定复杂结构件加工代码的基础上,通过VERICUT软件对加工过程进行仿真模拟，并对VERICUT软件进行二次开发，改变加工代码中的借给速度，从而最大限度保持机床主轴功率输出曲线平滑。
本发明调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法，通过下述步骤实现：
步骤1：运行VERICUT软件。
步骤2：在VERICUT软件中导入要进行切削加工的工件。
步骤3：在VERICUT中，加载二次开发程序，进入步骤4，对NC代码中进给速度进行调整。
步骤4：在VERICUT中加载刀具文件。
步骤5：根据NC代码中给定的进给速度语句对NC代码进行分段；
将NC代码中，每个进给速度语句对应的NC代码，划分为一段；各段均作为同进给速度段。
步骤6：通过VERCUIT软件，对切削过程进行仿真模拟，获得步骤6中每个同进给速度段对应的切削过程中的切削参数；
在每个同进给速度段对应的切削过程中，沿刀具切削路径每间隔距离x，设置一个采样点，1mm≤x≤10mm设置一个采样点；随后，获取并记录每个同进给速度段对应的切削过程中刀具移动到各个采样点处时的切削深度、切削宽度、切削速度以及进给速度。
步骤7：确定每个同进给速度段对应切削过程中各采样点处的切削功率；
根据切削过程中功率计算经验公式：以及步骤6所得到的各个采样点处的切削参数，并结合切削手册，确定每个同进给速度段对应的切削过程中各个采样点处的刀具切削功率。上述功率计算经验公式中：F为切削力；C为与刀具材料、工件材料、切削条件有关的系数；Kr为工件材料、毛坯表面状态、刀具材料等对切削速度的修正系数乘积；b1、b2、b3、b4为修正系数；ap为切削深度；ae为切削宽度；v为进给速度；f为进给率。
步骤8：根据步骤7中得到的每个同进给速度段对应的切削过程中的各采样点对应的切削功率，对每个同进给速度段对应的NC代码再次进行分段；
在每个同进给速度段对应的切削过程中，对于第1个与第2个采样点来说，以第1个采样点对应功率值为基准值，将第2个采样点对应功率值与第1个采样点对应的功率值做差后作为比对值，与基准值进行比对；对于第i个采样点来说，i=3、4、5、……；以第i-1个与第i-2个采样点对应的功率值的平均值作为基准值，第i个与第i-1个采样点对应的功率值做差后作为比对值，与基准值进行比对。
上述各个采样点与基准值进行比对后，将满足条件1，且连续的采样点间对应的NC代码划分为一段；将满足条件2，且连续的采样点间对应的NC代码划分为一段；其中，条件1为：比对值小于等于基准值的10%；条件2为：比对值大于基准值的10%。根据上述分段方法，遍历每个同进给速度段对应的切削过程中全部采样点后，将每个同进给速度段对应的NC代码再次分段，各段均作为待调整段。
步骤9：在步骤8中得到的各个待调整段插入：各个待调整段所在的同进给速度段对应进给速度，作为各个待调整段的初始进给速度。
步骤10：根据步骤7中得到的全部采样点对应的功率值，绘制功率曲线，通过功率曲线模拟切削过程中实际的功率变化，并在用户界面中显示。
步骤11：判断步骤10中得到的功率曲线是否平滑，若功率曲线不平滑，则执行步骤12；若功率曲线平滑，则直接执行步骤16。
步骤12：输入目标切削参数；
在用户界面，根据加工工件的实际加工要求，输入目标切削功率值、最大进给速度与最小进给速度。
步骤13：反推切削过程中的切削速度；
根据步骤12输入的目标切削参数，结合步骤8中对NC代码的分段，由切削功率经验公式，反推在全部采样点的进给速度。同时，将属于每个待调整段中采样点的进给速度相加后取平均，作为每个待调整段对应的NC代码的优化进给速度。
步骤14：将步骤13得到的每个待调整段对应的NC代码的优化进给速度，分别修改每个待调整段对应的NC代码中初始进给速度。
步骤15：按修改后的整体NC代码，通过VERCUIT软件，对切削过程进行仿真模拟，随后通过步骤7再次确定各采样点的切削功率，并绘制功率曲线后，返回步骤11。
步骤16：切削仿真完成，得到平滑的输出功率曲线图。
步骤17：在保存的文件位置，找到并获得进给速度修改后的NC代码。
步骤18：退出VERICUT软件。
本发明的优点在于：
1、本发明方法实现了按用户需求即时修改NC代码进给速度，确保了机床输出功率曲线的尽量平滑，提高了机床、刀具、工件的使用安全性。
2、本发明方法通过经验公式得到机床切削功率，并提出功率分段法则，直观的给用户显示出了加工过程中的功率曲线；
3、本发明方法扩展了VERICUT的功能，能通过VERICUT仿真模拟，即时给出切削参数，并完善了VERICUT软件不能计算切削力这一缺陷。
附图说明
图1为本发明的调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法流程图；
图2为VERICUT软件二次开发原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法，基于VERICUT软件的，利用VERICUT软件能够对NC代码进行切削仿真功能，以及可通过Optipath API进行二次开发实现切削力仿真的特点，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：运行VERICUT软件。
步骤2：在VERICUT软件中导入要进行切削加工的工件，建立加工环境。
步骤3：在VERICUT中，加载二次开发程序；
在VERICUT打开Optipath API开关，在VERICUT软件界面中的菜单栏中的optipath选项弹出对话框，将optipath设置为工作状态，并设定输出文档位置。随后，在VERICUT中加载二次开发程序，进入步骤4，对NC代码中进给速度进行调整；从而通过VERICUT软件对NC代码进行切削仿真后，在设定的输出文档位置，可得到按用户需求，调整后的NC代码。
VERICUT提供了两种方法对软件进行二次开发，第一个方法是路径优化应用程序接口，简称Optipath API(optimize path-application programminginterface)；第二个方法是C宏扩展应用接口，简称：
CME-API(CMacroExtension-ApplicationProgrammingInterface)使用宏的方法可以完成一些比较简单的二次开发，但是也具有一些局限性比如功能有限，运行不方便，对话框等与VERICUT界面风格结合的不好等。基于OptipathAPI的开发方式则可以解决这些问题由于开发软件的目的在于提取加工参数算得切削力，而Optipath方法中存在提取参数的函数，于是使用Optipath API进行二次开发。
步骤4：在VERICUT中加载刀具文件（格式为tls）；刀具文件为定制化的XML文件，包含加工使用刀具的几何信息。
步骤5：根据NC代码中给定的进给速度语句对NC代码进行分段；
将NC代码中，每个进给速度语句对应的NC代码，划分为一段；由此，将NC代码分为多段，各段均作为同进给速度段，对应唯一的进给速度。
步骤6：通过VERCUIT软件，对切削过程进行仿真模拟，获得步骤6中每个同进给速度段对应的切削过程中的切削参数；
切削参数是建立几何仿真和物理仿真之间的重要桥梁；因此本发明中通过了VERICUT软件仿真切削功能，在每个同进给速度段对应的切削过程中，沿刀具切削路径每间隔距离x，设置一个采样点，1mm≤x≤10mm设置一个采样点；随后，获取并记录每个同进给速度段对应的切削过程中刀具移动到各个采样点处时的切削深度、切削宽度、切削速度以及进给速度。
步骤7：确定每个同进给速度段对应切削过程中各采样点处的切削功率；
根据切削过程中功率计算经验公式：以及步骤6所得到的各个采样点处的切削参数，并结合切削手册，确定每个同进给速度段对应的切削过程中各个采样点处的刀具切削功率。上述功率计算经验公式中：F为切削力；C为与刀具材料、工件材料、切削条件有关的系数；Kr为工件材料、毛坯表面状态、刀具材料等对切削速度的修正系数乘积；b1、b2、b3、b4为修正系数；ap为切削深度；ae为切削宽度；v为进给速度；f为进给率。由此通过切削力F乘以进给速度v，即可得到各个采样点处的切削功率。
步骤8：根据步骤7中得到的每个同进给速度段对应的切削过程中的各采样点对应的切削功率，对每个同进给速度段对应的NC代码再次进行分段；
在每个同进给速度段对应的切削过程中，对于第1个与第2个采样点来说，以第1个采样点对应功率值为基准值，将第2个采样点对应功率值与第1个采样点对应的功率值做差后作为比对值，与基准值进行比对；对于第i个采样点来说，i=3、4、5、……；以第i-1个与第i-2个采样点对应的功率值的平均值作为基准值，第i个与第i-1个采样点对应的功率值做差后作为比对值，与基准值进行比对；
上述各个采样点与基准值进行比对后，将满足条件1，且连续的采样点间对应的NC代码划分为一段；将满足条件2，且连续的采样点间对应的NC代码划分为一段；其中，条件1为：比对值小于等于基准值的10%；条件2为：比对值大于基准值的10%。根据上述分段方法，遍历每个同进给速度段对应的切削过程中全部采样点后，可将每个同进给速度段对应的NC代码再次分为多段，各段均作为待调整段。
步骤9：在步骤8中再次分段后得到的各个待调整段插入：各个待调整段所在的同进给速度段对应进给速度，作为各个待调整段的初始进给速度；由此，在可通过对每个待调节段的初始进给速度进行修改，使功率调整更加精细。
步骤10：根据步骤7中得到的全部采样点对应的功率值，绘制功率曲线，通过功率曲线模拟切削过程中实际的功率变化，并在用户界面中显示。
步骤11：判断步骤10中得到的功率曲线是否平滑，若功率曲线不平滑，则执行步骤12；若功率曲线平滑，则直接执行步骤16。
步骤12：输入目标切削参数；
在用户界面，根据加工工件的实际加工要求，输入目标切削功率值、最大进给速度与最小进给速度。进给速度过大，会影响切削刀具和机床的使用寿命和安全性；进给速度过小，会影响切削过程中的切削效率。
步骤13：反推切削过程中的切削速度；
根据步骤12输入的目标切削参数，结合步骤8中NC代码的分段，由切削功率经验公式，反推在全部采样点的进给速度；同时，将属于每个待调整段中采样点的进给速度相加后取平均，作为每个待调整段对应的NC代码的优化进给速度。
步骤14：将步骤13得到的每个待调整段对应的NC代码的优化进给速度，分别修改每个待调整段对应的NC代码中初始进给速度。
步骤15：按修改后的整体NC代码，通过VERCUIT软件，对切削过程进行仿真模拟，随后通过步骤7再次确定各采样点的切削功率，并绘制功率曲线后，返回步骤11。
步骤16：切削仿真完成，得到一条基本平滑的输出功率曲线图。
步骤17：在保存的文件位置，找到并获得进给速度修改后的NC代码。
步骤18：退出VERICUT软件。
本发明步骤3中，通过Optipath API实现VERICUT软件的二次开发主要分为以下步骤，如图2所示：
a：修改计算机系统环境变量。
将变量名为“CGTECH_OPAPI”的系统环境变量定义为最终要生产的dll文件，并设置好存放该dll文件的文件位置；由此，当打开VERICUT时，VERICUT就会自动在Optipath API模式下运行VERICUT自身的优化模块及连接到用户的二次开发程序。而VERICUT自身的优化模块的功能将不再可用。
b、：新建工程，添加VERICUT提供的动态链接库中需要的编程文件。
新建一个命名为optipath工程文件，在其中编写主程序文件opati_vericut.c和相应的头文件optiapi.H、optimport.h。VERICUT的Optipath API工具提供了5个SetupFunction和25个Utility Function，在工程文件中通过调用Setup Function对仿真环境进行设置，调用Utility Function提取切削参数并输出函数提取的数据。
c、在新建工程中编写优化代码,实现切削功率的计算和程序其他功能。
d、添加MFC资源，实现用户界面。
e、实现优化代码与用户界面的数据通信。
开发用户界面之后，还有实现优化代码与用户界面的数据通信，利用MFC相关模块最终实现用图线表示二次开发程序中计算的切削功率；同时还要在MFC编译的用户界面中，实现让用户按实际需求，输入相关切削参数，并且这些参数最终能传递到二次开发程序中，最终实现按用户要求更改进给速度，调整二次开发程序。
f、编译生成dll文件；
工程文件编写完成后，编译生成可执行dll文件。
g、将二次开发程序，嵌入VERICUT中；
将二次开发程序嵌入生产的dll文件，放入步骤a中设置好的文件位置，对VERICUT的路径优化过程进行更新即将生成的optipath.dll文件覆盖到VERICUT安装目录下，代替原来的optipath.dll文件。
h、设置修改后的NC代码存放位置。
打开软件，选中VERICUT软件界面中的菜单栏的optipath选项弹出对话框，将optipath设置为工作状态并键入输出修改后的NC代码位置。在完成几何仿真以后，在输出文件位置即可获得修改后的NC代码。
Claims (2)
1.一种调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：运行VERICUT软件；
步骤2：在VERICUT软件中导入要进行切削加工的工件；
步骤3：在VERICUT中，加载二次开发程序，进入步骤4，对NC代码中进给速度进行调整；
步骤4：在VERICUT中加载刀具文件；
步骤5：根据NC代码中给定的进给速度语句对NC代码进行分段；
将NC代码中，每个进给速度语句对应的NC代码，划分为一段；各段均作为同进给速度段；
步骤6：通过VERCUIT软件，对切削过程进行仿真模拟，获得步骤6中每个同进给速度段对应的切削过程中的切削参数；
在每个同进给速度段对应的切削过程中，沿刀具切削路径每间隔距离x，设置一个采样点，1mm≤x≤10mm设置一个采样点；随后，获取并记录每个同进给速度段对应的切削过程中刀具移动到各个采样点处时的切削深度、切削宽度、切削速度以及进给速度；
步骤7：确定每个同进给速度段对应切削过程中各采样点处的切削功率；
根据切削过程中功率计算经验公式：以及步骤6所得到的各个采样点处的切削参数，并结合切削手册，确定每个同进给速度段对应的切削过程中各个采样点处的刀具切削功率；上述功率计算经验公式中：F为切削力；C为与刀具材料、工件材料、切削条件有关的系数；Kr为工件材料、毛坯表面状态、刀具材料对切削速度的修正系数乘积；b1、b2、b3、b4为修正系数；ap为切削深度；ae为切削宽度；v为进给速度；f为进给率；
步骤8：根据步骤7中得到的每个同进给速度段对应的切削过程中的各采样点对应的切削功率，对每个同进给速度段对应的NC代码再次进行分段；
在每个同进给速度段对应的切削过程中，对于第1个与第2个采样点来说，以第1个采样点对应功率值为基准值，将第2个采样点对应功率值与第1个采样点对应的功率值做差后作为比对值，与基准值进行比对；对于第i个采样点来说，i＝3、4、5、……；以第i-1个与第i-2个采样点对应的功率值的平均值作为基准值，第i个与第i-1个采样点对应的功率值做差后作为比对值，与基准值进行比对；
上述各个采样点与基准值进行比对后，将满足条件1，且连续的采样点间对应的NC代码划分为一段；将满足条件2，且连续的采样点间对应的NC代码划分为一段；其中，条件1为：比对值小于等于基准值的10％；条件2为：比对值大于基准值的10％；根据上述分段方法，遍历每个同进给速度段对应的切削过程中全部采样点后，将每个同进给速度段对应的NC代码再次分段，各段均作为待调整段；
步骤9：在步骤8中得到的各个待调整段插入：各个待调整段所在的同进给速度段对应进给速度，作为各个待调整段的初始进给速度；
步骤10：根据步骤7中得到的全部采样点对应的功率值，绘制功率曲线，通过功率曲线模拟切削过程中实际的功率变化，并在用户界面中显示；
步骤11：判断步骤10中得到的功率曲线是否平滑，若功率曲线不平滑，则执行步骤12；若功率曲线平滑，则直接执行步骤16；
步骤12：输入目标切削参数；
在用户界面，根据加工工件的实际加工要求，输入目标切削功率值、最大进给速度与最小进给速度；
步骤13：反推切削过程中的切削速度；
根据步骤12输入的目标切削参数，结合步骤8中对NC代码的分段，由切削功率经验公式，反推在全部采样点的进给速度；同时，将属于每个待调整段中采样点的进给速度相加后取平均，作为每个待调整段对应的NC代码的优化进给速度；
步骤14：将步骤13得到的每个待调整段对应的NC代码的优化进给速度，分别修改每个待调整段对应的NC代码中初始进给速度；
步骤15：按修改后的整体NC代码，通过VERCUIT软件，对切削过程进行仿真模拟，随后通过步骤7再次确定各采样点的切削功率，并绘制功率曲线后，返回步骤11；
步骤16：切削仿真完成，得到平滑的输出功率曲线图；
步骤17：在保存的文件位置，找到并获得进给速度修改后的NC代码；
步骤18：退出VERICUT软件。
2.如权利要求1所述一种调整加工代码进给速度来保证机床输出功率平滑的方法，其特征在于：步骤3中，通过Optipath API实现VERICUT软件的二次开发主要分为以下步骤：
a、修改计算机系统环境变量；
将变量名为“CGTECH_OPAPI”的系统环境变量定义为最终要生产的dll文件，并设置好存放位置；
b、：新建工程，添加VERICUT提供的动态链接库中需要的编程文件；
新建一个命名为optipath工程文件，在其中编写主程序文件opati_vericut.c和相应的头文件optiapi.H、optimport.h；在工程文件中通过调用Setup Function对仿真环境进行设置，调用Utility Function提取切削参数并输出函数提取的数据；
c、在新建工程中编写优化代码，实现切削功率的计算及NC代码的调整功能；
d、添加MFC资源，实现用户界面；
e、实现二次开发程序与和用户界面的数据通信；开发用户界面之后，还要实现与用户界面的数据通信，利用MFC相关模块最终实现用图线表示各个采样点的切削功率；同时还要在MFC编译的用户界面中，实现让用户按实际需求，输入相关切削参数，并且这些参数最终能传递到二次开发程序中，实现按用户要求更改进给速度，调整二次开发程序；
f、编译生成dll文件；
工程文件编写完成后，编译生成可执行dll文件；
g、将二次开发程序，嵌入VERICUT中；
将二次开发程序嵌入生产的dll文件，放入步骤a中设置好的文件位置，对VERICUT的路径优化过程进行更新即将生成的optipath.dll文件覆盖到VERICUT安装目录下，代替原来的optipath.dll文件；
h、设置修改后的NC代码存放位置；
打开软件，选中VERICUT软件界面中菜单栏的optipath选项弹出对话框，将optipath设置为工作状态并键入输出修改后的NC代码位置。
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