机械外文文献翻译-一种支持机床和工艺计划联合设计的综合方法 【中文7810字】【PDF+中文WORD】

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Valente * 意大利米兰.意大利国家研究委员会（CNR）工业技术与自动化研究所（ITIA） 关键词：流程规划 机床运动学和动力学机械设计 STEP-NC 摘要： 机床和工艺规划问题的配置传统上是作为独立的阶段进行管理的，其中通过考虑目录中提供的大量机床解决方案来设计工艺计划。 这种策略在工艺结果和机器能力的全面开发方面存在许多缺点。 本文提出了一种联合配置机床和工艺规划的综合方法。 该方法的结构分为4个主要递归步骤，最终确保实现机床静态和动态行为之间的最佳平衡，过程质量和经济效益。 该方法的好处已经在铁路和汽车行业的测试案例中得到了评估。 1 介绍 机床的设计和配置对于欧洲制造业的竞争力是有帮助的[1]。与大规模定制原则和欧洲传统知识在机械产品生产领域的知识一致，机床应该由与产品系列分析和过程质量要求紧密相关的配置过程产生，而不是一个标准和严格的目录设备。这使机床配置和工艺规划成为同一问题的两个步骤，其中机床几何和运动特征影响工件操作的可达性以及夹紧系统配置和机床动态影响最终质量和成本的问题。 工件机床配置与过程规划之间的关系已经被科学文献广泛地研究并参考了以下主题：评估机器能力以静态实现过程计划[2]，跨多个资源执行过程计划[3 ]，能源有效的工艺规划[4-7]，最后评估机床动态行为对工艺规划定义的影响[8]。然而，这些作品的兴趣主要集中在特定的机床结构和性能对工艺规划问题的影响上。 本文提出了一种综合方法来支持机床和工艺规划的联合设计。所提出的方法在四个主要步骤中构成，如图1所示。 第一步是分析工件CAD模型。通过加工特征的识别（待加工工件区域的几何描述），加工操作（选择切削工具，加工参数和策略）和加工工作步骤（MWS），根据STEP标准[9]-加工特征与加工操作之间的关联）。在多个替代MWS的基础上，步骤1确定全球更适合生产要求和机器行为的MWS。 在与机床设计相关的步骤2中利用与产品系列相关的几何和技术信息以及关于生产需求的数据和关于可能的产品演变的预测。这一步的结果是一个通用机床的领域，从动态和静态两个角度来满足生产要求。步骤1和2传统上是作为独立阶段处理的，因为通用机床通常没有知识配置实际产品的机器和工艺规划通常是从现有机器目录开始开发的。 步骤3将步骤2中产生的机床解决方案进行动态模拟，同时执行步骤1中确定的MWS。机床的动态行为根据许多关键性能指标（KPI）进行评估，这些指标处理能耗，刀具磨损，表面粗糙度，最大所需主轴功率和扭矩。 KPI与MWS评估同时相关，因为它们可以通过调整运动特性和动态特性来推动工艺参数的调整和机床设计。 图1.综合方法。 该方法的最后一步涉及选择一个或多个夹具，工件定向的定义以及操作与给定定向（工件设置）的关联[10,11]。 这个阶段的结果是根据工件质量要求生成可行的替代工艺计划[12]。 生产时间和成本根据MWS KPI进行调查和优化。 这项工作的以下部分将为读者提供对所提议方法的每个步骤（从第2至6部分）更全面的描述。 第7部分将介绍一个考虑评估方法优势的工业测试案例。 第8节将概述结论和未来的工作。 2. 工件分析 工件分析是基于特征的工艺规划中的第一项活动[13]，旨在确定完整加工工件所需的操作。如第1节所述，工件分析基于STEP-NC标准，从而定义加工特征（待加工区域的几何描述），加工操作（加工策略）和加工工作步骤一项功能和一项操作）。由于可以根据切削工具，加工参数或刀具路径的替代策略对区域进行加工，所以可以通过替代操作来实现相同的特征，并且因此可以实现替代的MWS。工件的完整实现意味着要确定要执行的MWS之间的技术限制。所提出的方法考虑了两种不同类型的技术限制：优先级和宽容限制[14]。优先约束强制执行两个MWS之间的执行顺序，而容限约束要求在相同的设置中执行两个MWS以确保达到质量要求。基于这些技术限制，可以通过考虑优先约束和处理特定特征的替代策略来构建操作网络。该网络将在处理夹具选择和设置计划的方法的最后一步中使用。 3. 机床设计 机床的配置是一个非常明确的过程，与提议的方法一致，从收集关于待处理产品系列的数据开始。这些数据包括工件分析步骤中合成产品的几何和工艺特性以及生产量。 配置过程包括确定完成工艺约束的最小机床要求（例如最小工作立方体，轴数，主轴定向和功率）。根据这个最小集合，可以考虑其他类型的约束条件，如生产率，可靠性，可用预算，能源效率以及机器全局规模（如果它应该集成在预定义的商城 - FL OOR）。在需求预计随时间变化的情况下，可以对定制的需求进行额外的评估机器的灵活度与预测的变化相匹配。 所有这些信息都导致了以不同机构，性能和成本为特征的替代机器解决方案领域的确定。 在这个阶段，机器设计过程需要在执行过程时评估机器性能。 机器过程动态交互的分析可以评估机器的关键性和可能的改进。 下一节将概述动态切削模拟，作为评估机床设计和工件分析的手段，作为工艺计划的一部分。 在金属切削策略中，减少制造时间和成本的目标与确保所要求的质量水平的要求严格相关。质量可以直接关注工件的几何特性，也可以参考过程，例如，它在能耗方面的效率。 工件质量受所有确定工具相对于标称路径的不希望的位移的现象的影响。对工件质量的全面评估需要分析四大类现象：机器和零件的热变形;工具尖端的容积定位误差;机器，过程和工件之间的动态交互;由CNC和/或进给驱动器性能导致的轨迹误差。由于在材料去除率（MRR）方面的高要求性能，振动的建模和最小化，无论是强制还是振动不稳定性，都是提高金属去除过程中生产率和部件质量的主要限制因素。振动的发生有几个负面影响：表面质量差，超差，过度噪音，刀具磨损不均衡，主轴损坏，MRR降低以保持表面质量，浪费材料，浪费能源，从而对材料和环境造成影响能源[15]。除表面质量和公差外，其他影响与过程质量有关，并直接影响整体生产效率。评估振动起始的水平和影响的关键是所谓的动态切削过程模拟，能够将来自材料去除的力与刀尖与工件之间的相对动态和静态响应耦合[16]。虽然单个过程或机器特性的模拟是最先进的，但过程和机床建模在模拟中的集成是特别创新的。机床工件和过程之间的相互作用肯定是一个巨大的挑战，因为它们的建模必须经过评估以解决受迫振动开始和再生颤振不稳定性。由加工过程产生的不连续切削力激发刀尖，导致切屑切片力本身受切屑切片调制。为了结合所描述的效果，动态切割模拟方法的体系结构应该集成以下功能模块： •一个零件程序解释器，能够提供有关速度定律的刀具路径，以及确定操作的切削参数（例如主轴转速和进给速率）; •用于计算工件刀具啮合和芯片几何计算的“几何引擎” •将芯片几何形状与每个啮合切割器表示的切割力及其总和相关联的力模型; •刀尖和工件相对动态的表示; •整体动态模拟的时域积分器。 在大多数现有的商业应用中，机器和工艺之间的动态循环不是闭合的，因为切削力干扰不应该影响工具位置并因此影响切屑部分。 事实上，该模型的复杂性严重降低了现有的商业应用：通过MALINC MachProTM考虑到动态切割，实现适当“虚拟加工”的独特商业应用程序。 动态仿真结果有助于评估加工过程的质量。 这意味着要确定一段时间内要测量和跟踪的KPI。 4.1关键绩效指标（KPI） 在所提出的方法中考虑的KPI被解释为关于所需加工操作的机床动态的量度。 根据这些指标的价值，可以参考机器结构和控制系统来实现一些有用的选择。 在本节的以下部分中，简要介绍了最重要的考虑KPI。 4.1.1能源消耗 执行加工操作所需的机械能可以通过计算机械功率在整个加工时间内的积分来获得，即： 是主轴转速，是主轴转矩，是瞬时进给速度，是切削力，TMWS是MWS持续时间。 由于相应的驱动器（其估算超出范围）的效率通常是不同的，所以通过保持分开的轴和主轴机械功率可以更精确地计算电能消耗的计算。此外，为了比较不同MWS的主轴绕组的铜损，主轴转矩的均方根值（RMS）也可以从转矩时间历史开始计算。 在文献中，通常通过与材料类型相关的恒定体积特定能量来估算切割能量消耗：这种近似方法与实验数据冲突，而具体能量随着工具，工艺参数和机器而变化[17]。特定的主轴功耗（SSPC）与切削速度，每齿进给量，切削深度和切削宽度成反比。如果过程变得不稳定（颤振发生），情况可能会不同：由于主轴铜损与扭矩的RMS成正比，切削力中动态分量的存在可能会导致SSPC增加。 开发的SW模块自动考虑到上述所有考虑事项。 4.1.2主轴轴承负载 主轴轴承在加工过程中通常面临渐进磨损，并且大部分主轴维护时间都用于轴承替代。 轴承目录通过参考“动态等效负载”报告了一个计算轴承寿命的标准公式，它能够在复杂的负载历史记录中以单个数字合成轴承所需的工作量。 假设主轴轴承负载与主轴轴弯矩成正比，可以为每个MWS计算“动态等效负载”，并用于比较引起的轴承应力。 在公式中： 其中Ltool是刀具长度，Fxy是在铣削平面（xy）中产生的切削力。 4.1.3 粗糙度 表面粗糙度取决于与切割运动学和振动起始有关的几个因素。 在所提出的方法中，刀具的振动和偏转直接作为表面粗糙度指标来处理。 它们对于确定表面粗糙度的可接受水平以及比较不同动态响应对该参数的影响至关重要。 因此，该指标变为： 4.1.4工具刀具负载 当切削刃上的剪切压力克服材料的机械阻力时，发生刀具切削。 剪应力与切削力表示的切削力成正比单切刀Fcutter相对于切削刃接合（b）归一化。因此，相应的指标是： 其他KPI包括泰勒公式所估算的刀具磨损，切削材料所需的最大主轴功率和最大主轴扭矩，以及机床轴提供进给运动所需的最大载荷。它们可以直接从仿真中获得，并代表机床必须能够执行给定操作的约束条件。 5.机床设计和MWS评估 与提议的方法一致，KPI的解释可以推动工艺规划和机床的改进选择。 基于KPI值，可以更新多个MWS以获得更好的表现和可行的过程。 例如，如果表示表面粗糙度的KPI指示该过程不符合工件质量约束，则可以调整一些MWS，例如进给速率或主轴转速; 同样，根据最大主轴功率，可以修改进给速率，主轴转速或切削深度，以降低与制造工艺相关的成本。 图2.机床动态符合性和边界。（为了解释本图例中对颜色的引用，读者可参考本文的网页版。） 关键绩效指标对机床选择的影响更加复杂。表示所需最大主轴功率和最大主轴转矩的KPI可直接用于确定正确的电机大小，而主轴轴承负载可用于选择合适的轴承以确保所需的部件寿命。 另一方面，与能耗，刀具寿命，刀具切削负荷有关的KPI可能与单一工艺参数错误相关，而与表面粗糙度指标一起， 它们严格依赖于机床的动态性能，严重受到振动的影响。 因此，后面这些KPI的增强可以追溯到能够防止颤音发生的最佳MT动态性能的评估。 执行此任务的方法概述如下。 颤音发生与KPI之间的关系可以通过利用一组减少的变量来分析; 例如，采用[16]中描述的0阶方法。 根据以下假设： •X和Y平面的铣削操作，以直线轨迹为特征， •Z方向无再生， •没有低沉浸角度， 颤振失稳发生与机床之间的关系由动力系统'机床+铣削过程'的特征方程解析表示： 其中L是一个特征值，其实部必须是正值以确保稳定; [A0]是考虑到平均切削力相对于轴线进给的方向的矩阵; [Gtool-WP]是在刀尖与工件之间“观察到”的相对动态行为。 由于特征值L还取决于稳定的切削深度（b），径向切向压力（Kt和切向压力Kr）以及齿数（N），因此可以用它来确定稳定极限，了解过程参数。 基于公式（5）中，首先要考虑的是，临界切削深度（即，确保所有主轴转速的过程稳定性的最大切削深度）严格地与刀尖和工件之间的相对动态柔度的实部的最小值相关在一个取决于牙齿通过频率（TPF）的频率范围内，而矩阵[A0]指示哪个顺从方向更重要。因此，机床动态 评估可以简化为由频率Re（Gxx（v））和Re（Gyy（v））定义的空间中的边界计算，其中变量表示沿着定义方向的刀尖动态顺应性的实部铣削平面（进给方向x和法向方向y）。这些边界的尊重代表了给定操作的切割稳定性的充分条件。从实际的角度来看，这意味着由机床设计师估算的x方向和y方向的顺从性必须与这些规定边界相一致：因此，这些边界可用于确定设计选择的方向，以增强受颤动影响的KPI发作。 为了清楚起见，让我们考虑一个例子，实现用六面体立铣刀对非合金碳钢进行铣槽操作。相应的切削压力为Kt = 1800N / mm2和Kr = 700N / mm2;刀具制造商建议的切削速度与刀具直径一起产生2000 rpm的主轴转速。这些数据使得能够描绘图2中所示的边界：每条曲线对应于期望的切割深度的值并且追踪动态柔顺空间中的边界（切割深度的负值不具有任何物理意义，仅仅指示不稳定是不可能的）。必须考虑的动态顺应性部分在TPF（在我们的例子中为150Hz）和与过程阻尼相关的上限之间，可以保守地假定为2kHz。因此，设计人员完全了解机床共振在此频段对颤振发生的影响。例如，对于图2（a）中描绘的动态柔度，它与图2（b）中概述的有趣频率范围内的行为相关联：假设工件是刚性的，它清楚地表明最有效的策略越过对应于较高切割深度的曲线包括在Y方向上加强机器（绿色箭头）。 6 夹具选择和设置计划 结构选择和设置计划代表了所提议方法的最后一步。 这一步已经在[18]中进行了数学表述。 夹具和工件的设置与机床的运动结构一致，因此只有在基于KPI实现的机床最终特性后才能解决。 一旦定义了设置，就可以通过考虑步骤中识别的不同机床解决方案来生成大量替代工艺计划 最终的工艺计划可以通过选择最小化生产成本的解决方案来确定。 这些成本根据MWS能耗和工具磨损KPI进行评估。 图3.工件MWS和优先约束的子集。 7 应用于案例研究 所提出的方法已经在铁路和汽车领域实现的中型产品家族中进行了测试[9,12]。该方法的第一步（工件分析）确定了大多数2.5D加工特征，主要包括平面和圆孔以及53 MWS。图3显示了已识别的MWS和优先约束的一个例子。 根据工件分析和长期产品要求，确定了最低限度的机床要求：工作立方体 - 600 mm×600 mm×600 mm，所需主轴功率 - 50 kW，妈妈轴号3。 此外，由于生产力，质量和能源的限制，机床类型的领域已经减少到主要20种可能的选择。这些机床类型已经进一步与动态切削模拟方法的步骤3相一致。由于工件材料不适合高速加工，所以必须特别注意机床结构，该结构通常负责在低切削速度情况下激发的低频共振;出于这个原因，选择了具有螺柱结构和高刚度的机床，而主轴刚度和进给驱动性能尚未被考虑在内。作为一个例子，我们研究了一个4轴机床（称为''4Axis_MT_beta''）实现两个端面铣削操作Pf1Oper1（粗加工操作）和Pf2Oper8（完成操作）的过程。动态分析表明，由于颤振的发生，Pf1Oper1不可行（表面粗糙度差）。一种可能的改进是将主轴转速从300rpm提高到400rpm，以便使TPF大于极限共振，但是切削速度将超过刀具制造商提出的与刀具寿命周期有关的限制，并且因此整体机床投资成本。因此，可以根据主轴转速（“4Axis_MT_optimized”）对4Axis_MT_beta版本进行优化，因此工艺计划也需要进行调整。表1示出了针对上述操作针对由'4Axis_MT_beta'设计产生的'虚拟'MT计算的KPI指标的示例：计算基于由有限元法提供的主轴鼻部处的动态柔量设想的机器结构（图4）。 表格1两个MWS的KPI。 图4.初步设计的机床动态特性 关注Pf1Oper1，与表面质量有关的KPI（即刀尖振动）似乎特别关键：峰 - 峰振荡达到0.15 mm的值，与每齿进给量相当，在Pf1Oper1的情况等于0.125mm。显然，振荡受到主轴要求的最大扭矩和功率的影响。此外，增加的RMS值扭矩对能耗有负面影响。与Pf1Oper1不同，Pf2Oper8表现出相当规律的KPI行为。 与Pf1Oper1处理相关的巨大振动水平是由再生颤振发生引起的。由于Pf1Oper1是一种外围铣削，其特征在于入口和出口啮合 - 角度分别等于08和208，图表 表达与临界切削深度水平相关的动态柔量边界（第5节）可用于改进机床设计选择（图5）。考虑到Pf1Oper1要求主轴转速为300 rpm，带有4个刀具，20 Hz的TPF和颤振频率范围从20 Hz到400 Hz不等，但4Axis_MT_beta设计（红线）的动态顺应性跨越边界与临界切割深度66 mm相关，而Pf1Oper1所需的切割深度约为69 mm。这种情况是KPI指出的糟糕表现的基础。 图5.关于MWS Pf1Op1的机床动态优化。 （为了解释本图例中对颜色的引用，读者可参考本文的网页版。） 图6.优化的机床动态。 观察图5，设计者可以认识到，最大的惩罚稳定极限集中在图中的第四象限，其中Re（Gxx）为正，Re（Gyy）为负。基于这一事实，设计师可以重新排列MT结构的性质，以便使Re（Gxx）和Re（Gyy）的负峰值和正峰值保持更接近，将这些峰值从最关键区域移开。这种选择已经在其动态柔量在图5（仅仅是实部）和图6（实部和虚部）中示出的结构中实现，表明与66mm相关的极限不再交叉，因此，在再生颤振不稳定性方面，机器的动态性能得到了提高。相应的KPI，特别是表面粗糙度，符合性能增强（见表1的第二列）。然而，最终的动态柔度高于最初的动态柔量，这意味着甚至可以实现性能增强，从而减小结构元件的尺寸，并且进而减小质量。 然后使用最后一套机床生成夹具配置和设置计划。具体而言，工件结果需要在四个装置上完全加工，其尺寸与机器工作立方体相符。 从托盘配置的6种选择中，操作成本的最小化导致托盘配置为每个设置一个部件，因此每个托盘生产一个成品工件（图7）。 图7.墓碑固定 - 设置1,2（a）和3,4（b）。 设置1和4具有相同的工件方向但MWS不同。 由于优先级和宽容限制，这些MWS可能没有在相同的设置中执行。 8. 结论和未来的工作 目前的工作为机床和工艺规划的并行设计引入了一种创新方法。 该方法的结构是一系列步骤，导致集成的机器和工艺解决方案，在全球优化生产成本的同时考虑与机床静态和动态行为以及部件质量有关的多个KPI。 所提出的方法的好处已经参照汽车和铁路部门供应商提供的测试案例进行了评估。 结果表明，开发机床和托盘定制解决方案的可能性 - 与传统资源相比 - 导致生产成本降低8％（涉及刀具磨损成本和能源成本），同时完成产品质量约束。 未来的工作将主要涉及两个方面。 第一个涉及需要实施嵌入集成方法的所有步骤的软件基础设施，以便整个过程可以自动执行。 第二个方面是通过包括更多的操作类型，切削刀具类型和机床类型来改进方法论。 参考 [1]未来战略多年度路线图工厂，2010年http：//ec.euro- a.eu/research/industrial_technologies/pdf/ppp-factories-of-the-future-strate- gic-multiannual-roadmap-INFO-day_en.pdf。 [2] Newman，S.T.，Nassehi，A.，Imani-Asrai，R.，Dhokia，V.，2012，能量有效的数控加工工艺规划，CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，5/2：127-136。 [3] Wang，L.，Feng，H.Y.，Cai，N.，2003，分布式工艺规划的体系结构设计，制造系统杂志，22/2：99-115。 [4] Newman，S.，Nassehi，A.，2009，智能工艺规划的机床性能曲线，CIRP Annals Manufacturing Technology，58/1：421-424。 [5] Ippolito，R.，De Fillippi，A.，1979，正确机床管理节能，中小企业技术论文（系列）MM（MM79-38）。 [6]他，Y.，Liu，F.，Cao，H.，Zhang，H.，2007，绿色制造工艺规划支持系统及其应用，中国机械工程前沿，2/1：104-109 。 [7] Dahmus，J.B.，Gutowski，T.G.，2004，加工环境分析，载于：ASME国际机械工程大会和研发展览会议论文集，第13-19页。 [8] Leonesio，M.，Molinari Tosatti，L.，Pellegrinelli，S.，Valente，A.，2012，联合工艺规划和机床动态行为评估的综合方法，第1届CIRP全球网络会议：生产工程的跨学科研究。 [9] ISO 14649,2003，计算机数字控制器的数据模型 - 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