铣削工况时变因素的侦测识别与学习优化方法

发布时间：2019-02-20 09:42

【摘要】：工艺参数是铣削加工工况中的基本时变因素,选择合适的工艺参数对控制加工过程、提高加工效率与加工质量具有重要意义。目前的工艺参数是工艺人员根据自身的经验来确定的,并且在整个加工过程中采用同一组固定的切削参数。这些参数只能适用于特定的应用场合,一旦加工工况发生改变随即失效。采用科学的方法,面向真实的加工工况进行工艺参数的优化与调控,是航空航天复杂零件高效高质加工中亟待解决的问题。本文针对数控铣削加工过程,深入研究磨损刀具的铣削力建模方法、真实加工过程中的工况建模理论、时变工况的在线识别方法、以及面向实际工况的工艺参数优化与调控方法。主要研究内容和创新性成果如下:1.在磨损刀具的铣削力建模方面,针对平底立铣刀,沿刀具轴向进行了微元划分,刀齿微元上的切削力分为前刀面上的剪切作用力和后刀面上的摩擦效应力。将剪切作用力表示为切削载荷与剪切力系数的乘积。将摩擦效应力表示为后刀面磨损带上的正应力与切应力积分的形式。后刀面磨损带被分为塑性流动区和弹性接触区,通过研究各个区域上的应力分布规律可以得到摩擦效应力。根据模型的需求,在刀具没有磨损的情况下,通过其铣削力来校准剪切作用力系数。在刀具存在磨损的情况下,通过其铣削力来校准单位长度上的摩擦力和挤压力,进而得到后刀面上的应力分布。最后通过实验验证了该铣削力模型。为铣削工况建模及工艺参数优化提供基础模型。2.在工况建模方面,针对复杂曲面零件的铣削加工过程,全面分析了影响加工过程的因素,根据加工所需求的条件、被加工零件自身的特性以及铣削过程信息,依时变性由弱到强的顺序,将铣削加工过程的影响因素划分为加工系统、工件信息、刀具状态及动态参数四个子工况。根据各个子工况的实际需求,分别建立了工况子向量。然后,在铣削力模型的基础上,建立了时变工况因素对铣削力的影响关系。在刀具寿命曲线参数化的基础上,建立了时变工况因素对刀具磨损速率的影响关系。最后,在工况模型的基础上,给出了工艺知识库模型。将工况因素对加工过程的影响作为知识存储于工艺知识库中,并提出了基于工况匹配的工艺知识获取方法,为工况识别和参数优化提供可靠的工艺知识。3.在时变工况的在线识别方面,针对真实的零件加工过程,提出了侦测加工理论及方法。在现有数控系统的基础上,设计了主轴转速和进给速度在线获取方案,并通过自主研发实现了方案中各个子模块的功能。在时变工况因素对铣削力及刀具磨损速率影响关系的基础上,提出了基于侦测加工的实际铣削载荷在线识别方法和刀具磨损状态在线识别方法。最后,通过实验分别验证了铣削加工过程中铣削载荷及刀具磨损的识别方法。加工过程中的瞬时工况识别为面向实际工况的工艺参数优化与调控提供基础支撑。4.在工艺参数优化与调控方面,针对数控铣削工艺参数优化问题具有工况时变、多目标、多约束的特点,研究了基于学习循环的多准则铣削加工工艺参数优化方法。首先,结合在线优化与离线优化的特点,提出了基于在线求解与离线学习相结合的铣削工艺参数迭代优化策略。详细分析了铣削加工工艺参数优化问题的优化目标及约束准则,建立了多准则的铣削工艺参数优化数学模型。然后,针对在线求解过程,研究了基于侦测加工的优化模型在线求解方法,并提出了加工过程中铣削进给速度的反馈调控方案。最后,针对离线学习过程,研究了基于在线求解结果的工艺参数离线修正方法。在批量生产中,以在线求解过程和离线学习过程共同组成的学习循环为基础,通过不断地迭代学习循环过程,实现工艺参数的积累和优化,为后续零件的加工提供更完善的数控程序。5.在验证实验平台搭建方面,在以上研究的基础上,设计了验证实验平台的总体方案,并对方案中的各个软硬件模块进行了分析,提出了各个模块的实现方法及所选用的硬件设备。在此基础上,开发了铣削加工工艺知识库系统以及验证实验平台中的软件系统,并对系统进行了集成调试。最后,在开发完成的验证实验平台上进行铣削实验,对本文中所提出的理论、方法进行系统性的验证。最终,验证了铣削加工过程监测识别、工艺参数优化、进给速度反馈调控等功能的可行性和有效性。
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【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG54

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