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数控车削系统物理仿真建模及其虚拟切削过程的研究

作　者: 汪文津
导　师: 王太勇
学　校: 天津大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 动态切削力 ARMA模型人工神经网络遗传算法虚拟切削
分类号: TG519.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

以敏捷制造和绿色制造理念为代表的21世纪制造业要求计算机仿真技术在整个产品研发周期内贯穿始终,这就使得对虚拟制造过程的建模与仿真研究成为目前急需加速深入研究的课题。动态切削力是切削加工过程中的基本参数,其动态变化直接影响加工过程中刀具与工件的相对位移、刀具磨损和表面加工质量等,因此动态切削力的预测仿真建模是切削过程物理仿真研究的基础,但是目前大多使用经验公式描述动态切削力,这些经验公式多少存在一些不足,难以完全真实地反映在整个切削过程中力的变化历程和变化特点。本文提出了基于时间序列方法的动态切削力变化幅值预测模型,它是在切削实验基础上通过对数据分析提取能够反映切削力动态变化的特征量-单位时间段内的最大值和最小值,然后建立动态切削力变化的时序模型(ARMA模型),模型可以对加工进程中动态切削力的变化幅度进行预测模拟,能够基本反映加工过程的真实全貌,为在物理仿真研究领域中建立与之存在紧密映射关系的其他切削过程物理量模型提供了一个基础平台。研究人工神经网络在模式识别和预测方面的应用,分别建立了基于神经网络的切削力仿真、刀具磨损预测和切屑形态预测模型,使用切削力、切削速度、进给速度、切削深度、刀具磨损量等作为网络的输入变量,经过一定数量样本的训练,使得预测模型可以对含概于训练样本范围内的未知加工条件下的切削力、刀具磨损量和切屑形态进行准确预报。研究应用遗传算法建立了以最大加工效率和最低加工成本为决策目标函数的切削参数优化模型,该模型集成于数控加工仿真系统中,对NC程序中的切削参数进行优化,提出了一种集成NC图形验证与优化结果评价的仿真优化模式。研究开发了集成切削力仿真、刀具磨损仿真和优化评估模型的虚拟切削系统。通过对车削、铣削加工特点的研究分析,针对车削仿真过程研究应用了基于特征造型与动态空间分割方法相结合的算法对车削过程实时建模;针对数控铣削加工的特点,提出了Z向动态变化的四叉树自适应空间分割算法,其核心是根据加工仿真中Z向高度的动态变化和在发生碰撞干涉的前提下按照四叉树分割算法自适应分割工件形体。仿真效果表明真实感拟实性好,并验证了算法的准确性和实用性。建立了集成切削力、刀具磨损和优化评估的虚拟切削过程模型,在实现物理仿真建模的基础上,构建了虚拟加工仿真优化集成建模体系,实现了以敏捷制造理念为核心的虚拟加工与真实加工过程的融合。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-23
  1.1 课题提出的背景  8-9
  1.2 切削过程的几何仿真和物理仿真的建模研究  9-17
    1.2.1 切削过程几何仿真的建模研究  9-11
    1.2.2 切削过程物理仿真的建模研究  11-17
  1.3 虚拟制造的研究  17-20
    1.3.1 虚拟制造的分类  18-19
    1.3.2 虚拟制造的研究应用现状  19-20
  1.4 论文拟研究的主要内容  20-23
第二章动态切削力的预测模拟  23-46
  2.1 基于时间序列的动态车削力数学模型分析  23-31
    2.1.1 ARMA（p ,q）模型的自相关函数和偏相关函数  24-27
    2.1.2 ARMA（p ,q）模型结构参数的初步估计算法  27-29
    2.1.3 ARMA（p, q）模型参数的精确求解算法  29-31
  2.2 动态车削力实验系统的构建  31-34
  2.3 动态车削力时序模型的建立及其预测分析  34-45
    2.3.1 模型结构的建立  34-40
    2.3.2 动态切削力模型的预测分析  40-45
  2.4 本章小结  45-46
第三章基于人工神经网络的刀具磨损、切削力和切屑形态的预测仿真  46-65
  3.1 人工神经网络模型的数学描述  46-49
  3.2 基于人工神经网络的刀具磨损预测仿真  49-59
    3.2.1 刀具磨损预测的人工神经网络模型  49-57
    3.2.2 网络模型的样本训练  57-59
    3.2.3 刀具磨损的预测与验证  59
  3.3 基于人工神经网络的切削力仿真  59-62
    3.3.1 人工神经网络模型的数学分析  60-61
    3.3.2 网络模型的训练与验证  61-62
  3.4 基于人工神经网络思想的切屑形态预测仿真  62-64
    3.4.1 切屑形态预测的人工神经网络模型  62-63
    3.4.2 网络模型训练与验证  63-64
  3.5 本章小结  64-65
第四章数控车削参数的优化  65-81
  4.1 遗传算法的理论  65-73
    4.1.1 遗传算法的概念和方法  66-67
    4.1.2 群体的设定和初始化  67
    4.1.3 编码问题  67-68
    4.1.4 适应度函数  68-69
    4.1.5 遗传操作  69-72
    4.1.6 终止循环准则  72-73
  4.2 基于遗传算法思想的车削参数优化模型  73-79
    4.2.1 车削参数优化的数学模型  73-75
    4.2.2 遗传算法的优化求解  75-79
  4.3 优化计算结果分析  79-80
  4.4 本章小结  80-81
第五章基于虚拟环境下的切削过程几何物理集成动态仿真  81-116
  5.1 虚拟切削加工环境的构建  82-85
    5.1.1 基于混合建模(Hybrid Model) 技术构建虚拟对象  82-83
    5.1.2 虚拟加工系统的光照模型和光线跟踪算法  83-85
  5.2 基于虚拟环境下的产品开发过程模型及其结构功能设计  85-88
  5.3 实现虚拟切削系统的关键技术研究  88-112
    5.3.1 实时NC程序优化编译器的设计  88-93
    5.3.2 刀位插补算法的实现  93-101
    5.3.3 切削仿真的动态实时建模算法研究  101-112
  5.4 数控车削过程的几何物理仿真  112-115
  5.5 本章小结  115-116
第六章结论与展望  116-118
参考文献  118-127
攻读博士期间发表论文和参加科研情况  127-129
致谢  129

数控车削系统物理仿真建模及其虚拟切削过程的研究

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