數(shù)控銑削仿真數(shù)據(jù)庫開發(fā)

張軼嶸 戚厚軍

1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

通過應(yīng)用MATLAB 軟件的GUI 模塊進(jìn)行界面編程，完成了銑削力實(shí)測數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，加工條件與切削參數(shù)的手動設(shè)置、銑削力系數(shù)識別以及仿真數(shù)據(jù)的生成、銑削力仿真圖像的生成等主要功能，通過本系統(tǒng)預(yù)報(bào)與采集的銑削力對比，一方面檢驗(yàn)了銑削力理論模型的有效性，另一方面對該仿真系統(tǒng)的可行性進(jìn)行校驗(yàn)。

引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的日新月異，造就了數(shù)控切削仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，其中利用計(jì)算機(jī)搭建切削數(shù)據(jù)庫成為一個重要研究方向，把數(shù)控加工過程中用到的條件和數(shù)據(jù)按一定規(guī)則存儲在計(jì)算機(jī)里面，能夠在有需求時對其進(jìn)行查詢和調(diào)用，同時，也可對已存在的數(shù)據(jù)完成修改和刪除操作。對數(shù)控加工過程起著決定性作用的是選取最優(yōu)的切削條件與參數(shù)，切削參數(shù)的選取是否合理，會直接影響加工質(zhì)量、效率以及成本等，最終作用于企業(yè)競爭力和發(fā)展前景。

切削數(shù)據(jù)庫可根據(jù)主要研究的物理狀態(tài)進(jìn)行專門開發(fā)，本文針對數(shù)控銑削加工形式，重點(diǎn)研究數(shù)控銑削力的仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)。一個專門的數(shù)控銑削仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需包括切削參數(shù)推薦值，加工條件選擇，刀具選擇等大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源于銑削試驗(yàn)且大量數(shù)據(jù)間相互關(guān)聯(lián)，但是如何將這些大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)安排是建立數(shù)控銑削仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容。

GUI 開發(fā)環(huán)境及開發(fā)軟件

運(yùn)用MATLAB 中的GUI 設(shè)計(jì)工具以及編寫程序，可以創(chuàng)建面向用戶的人機(jī)交互界面。GUI（Graphics User Interface）是指圖形用戶界面，用戶可在該界面中利用鼠標(biāo)和鍵盤操作指揮后臺程序?qū)崿F(xiàn)某種功能，如計(jì)算功能、繪圖功能等，是人機(jī)交流信息的工具和方法，具體是通過編寫添加的交互組件的回調(diào)函數(shù)來完成交互事件來實(shí)現(xiàn)的。

GUI 設(shè)計(jì)既可以利用GUIDE 創(chuàng)建GUI，也可以編程創(chuàng)建GUI。本文采用比較容易上手的第一種GUI 設(shè)計(jì)方式，即利用GUIDE 創(chuàng)建GUI。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行界面設(shè)計(jì)時只需要將不同功能的控件拖拽后添加對應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)即可，該方法操作簡單，一般情況下是GUI 程序界面設(shè)計(jì)的首選方法。

切削力數(shù)據(jù)庫以Matlab GUI 為開發(fā)環(huán)境，通過Access 軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問功能。切削力數(shù)據(jù)庫以Matlab GUI 為開發(fā)環(huán)境，通過Access 軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問功能。

仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思

數(shù)據(jù)庫開發(fā)采用Windows 操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的“窗口+對話框”界面，系統(tǒng)框架采用MATLAB 中的GUI 結(jié)構(gòu)，面向?qū)ο缶幊?，主要功能為模擬銑削過程，對多種刀具和工件材料的銑削過程進(jìn)行物理仿真。通過選取各種加工參數(shù)和加工條件，得到所需有關(guān)切削過程的各種數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)的二維圖像。經(jīng)過模擬銑削過程，可預(yù)測實(shí)際加工過程產(chǎn)生的切削力大小及變化規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)加工提供指導(dǎo)作用，并對優(yōu)化切削參數(shù)和設(shè)計(jì)最優(yōu)切削方案奠定基礎(chǔ)。

該設(shè)計(jì)過程思路明確、結(jié)構(gòu)合理，整個編譯過程可達(dá)到軟件工程的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，視圖采用多文檔形式，在系統(tǒng)運(yùn)行期間可以同時在不同窗口生成不同的二維圖像，為用戶查看和分析提供方便。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本功能

系統(tǒng)以大量試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過加工條件和相應(yīng)參數(shù)的選擇與設(shè)置，可生成相應(yīng)的切削力數(shù)據(jù)，完成銑削力系數(shù)識別，并生成相應(yīng)的二維圖像，完成數(shù)控銑削過程的銑削力仿真。數(shù)控銑削仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能：

（1）系統(tǒng)中包含大量的銑削力、銑削力系數(shù)以及一些切削參數(shù)的計(jì)算公式和工件、刀具材料及其幾何信息等各種數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的查閱、刪減。

（2）系統(tǒng)能夠推薦一些合理的切削參數(shù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的一些數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮強(qiáng)大的計(jì)算能力自動計(jì)算銑削力等。

（3）仿真數(shù)據(jù)及仿真圖像生成。系統(tǒng)具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，仿真數(shù)據(jù)的生成依賴于MATLAB 仿真程序的編譯，生成銑削力數(shù)據(jù)以及二維圖像。

圖1 切削力數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)工作流程

根據(jù)以上功能，數(shù)控銑削仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作流程如圖1 所示，圖2 為仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。

系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

本仿真系統(tǒng)的界面采用了Windows 的標(biāo)準(zhǔn)“窗口+對話框”格式，界面人機(jī)交互友好，設(shè)計(jì)美觀，命令欄的各種功能鍵具有相應(yīng)的快捷組合鍵，不僅使用戶對系統(tǒng)的各種功能一目了然，而且操作簡單方便。

圖3 系統(tǒng)整體視圖

圖4 新建任務(wù)和參數(shù)設(shè)置界面圖

圖5 實(shí)測銑削力圖像

圖6 仿真銑削力圖像

圖7 實(shí)測-仿真銑削力對比圖像

銑削力實(shí)測和仿真曲線

仿真銑削力數(shù)據(jù)生成后，用戶可根據(jù)這些仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真銑削力圖形，同樣也可以根據(jù)前面采集的實(shí)測銑削力繪制銑削力變化曲線。

圖5、圖6 和圖7 是在切削速度vc=40 m/min，每齒進(jìn)給量fz=0.05m m/z，軸向切深ap=0.5mm以及徑向切深ae=0.4mm的參數(shù)下的實(shí)測銑削力圖像和仿真銑削力圖像以及二者對比圖像。由該仿真系統(tǒng)進(jìn)行銑削力仿真得到的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)的實(shí)測結(jié)果基本吻合，檢驗(yàn)了理論模型的正確性。

結(jié)束語

本文以仿真系統(tǒng)的實(shí)用性為出發(fā)點(diǎn)，在Windows 操作系統(tǒng)下運(yùn)用MATLAB 開發(fā)語言，完成了任務(wù)生成模塊、銑削力采集模塊、加工參數(shù)設(shè)置模塊以及仿真數(shù)據(jù)生成模塊的窗口設(shè)計(jì)，各模塊界面友好實(shí)用，符合人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則。數(shù)控銑削加工仿真系統(tǒng)為用戶提供便捷的操作和管理界面，對實(shí)際生產(chǎn)加工過程具有重要指導(dǎo)作用。