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塑料模具型腔數(shù)控加工過程優(yōu)化設(shè)計

2018-11-29 來源：淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院作者：蘇兆興

摘要: 數(shù)控加工技術(shù)能夠通過建立參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，有效提高塑料模具生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。對塑料模具型腔數(shù)控加工曲面軌跡及知識表達(dá)方式進(jìn)行分析，并建立了塑料模具型腔數(shù)控加工曲面切削參數(shù)目標(biāo)函數(shù)及約束條件優(yōu)化模型。最后根據(jù)知識表達(dá)數(shù)據(jù)庫設(shè)計，結(jié)合模塊系統(tǒng)設(shè)計思想，對塑料模具型腔切削工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)過程進(jìn)行了詳細(xì)說明。

關(guān)鍵詞: 數(shù)控加工技術(shù); 目標(biāo)函數(shù); 約束條件; 知識表達(dá); 數(shù)據(jù)庫

模具是指利用外力控制使材料物理狀態(tài)轉(zhuǎn)變成特定尺寸和形狀，實現(xiàn)產(chǎn)品加工成型需求的模子及工具，一般根據(jù)產(chǎn)品需求由不同零件構(gòu)成。模具能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)材料的一體化、工序化生產(chǎn)，其成型產(chǎn)品具有效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點，因此模具工業(yè)成為支持我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。近年來我國塑料產(chǎn)品的需求量呈急劇增長狀態(tài)，而塑料模具的生產(chǎn)能力會直接影響塑料產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及成本，因此塑料工業(yè)的發(fā)展便在很大程度上依賴于模具工業(yè)。傳統(tǒng)塑料模具設(shè)計主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗及技術(shù)，結(jié)合反復(fù)修模確定，具有較大的主觀性和不確定性，嚴(yán)重制約了塑料產(chǎn)業(yè)，尤其是精密塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、信息電子工程技術(shù)等的發(fā)展，計算機(jī)輔助技術(shù)被引入塑料模具行業(yè)，主要包括計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造、計算機(jī)輔助工程等。通過不斷的開發(fā)及研究，目前 CAD/CAE 系統(tǒng)正向著集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，其應(yīng)用軟件平臺逐步由計算機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)向工作站，軟件類型也在不斷更新?lián)Q代，已發(fā)展成塑料模具制造工業(yè)的重要控制技術(shù)，能夠有效縮短塑料模具設(shè)計及制造周期。數(shù)控技術(shù) (NC) 是指通過電腦設(shè)置程序控制機(jī)器運(yùn)行的生產(chǎn)加工技術(shù)，是計算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)、柔性制造系統(tǒng) ( FMS) 等主要控制系統(tǒng)的核心技術(shù)

新型數(shù)控加工技術(shù)與 CAD/CAE 系統(tǒng)相結(jié)合，能夠使塑料模具制造生產(chǎn)線的運(yùn)行更高速、功能更多樣、控制更智能、適應(yīng) 性更強(qiáng)。因此，本文在塑料模具CAD / CAE 集成開發(fā)的環(huán)境中，結(jié)合塑料制品結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計要求，對塑料模具型腔削切數(shù)控編程過程及參數(shù)設(shè)定進(jìn)行研究。

1 、塑料模具型腔數(shù)控加工曲面切削加工過程及知識表達(dá)分析

1. 1 塑料模具型腔數(shù)控加工曲面軌跡分析

曲面的三軸加工是塑料模具型腔復(fù)雜型面數(shù)控加工中的重要形式，可以幫助 CAD/CAE 系統(tǒng)實現(xiàn)精確數(shù)控編程。其中刀具進(jìn)退方式對工件壽命、加工質(zhì)量和加工安全性均具有較大影響，刀具切入角度與其最大等效應(yīng)力和應(yīng)變呈反比，因此螺旋進(jìn)刀是較理想的進(jìn)退刀方式，尤其是對于薄壁型塑料零件而言，可以最大程度上減少刀具進(jìn)刀時的載荷變化量。在進(jìn)行走刀方式的選擇時需考慮加工時間和加工余量兩個相關(guān)因素，其中環(huán)切走刀方式即為通過加工區(qū)域邊界參數(shù)提取輪廓軌跡，其加工余量更均勻; 而行切走刀方式即為通過加工區(qū)域平行截切平面得出直線軌跡，其加工長度較長，加工時間短，加工余量不均勻，因此可采用行切走刀與環(huán)切走刀相結(jié)合的方式，在加工區(qū)域邊界部分采用環(huán)切刀軌，其余部分采用行切刀軌。

刀具軌跡常用生成算法包括: (1) 等參數(shù)線法，即刀具沿曲面的三軸參數(shù)線運(yùn)動，能夠得到較為平整的曲線軌跡。等參數(shù)線法計算方法簡單、速度快，可應(yīng)用于曲面參數(shù)分布均勻的塑料模具加工。但其軌跡排列需以最小切削寬度為標(biāo)準(zhǔn)，其他寬度的切削位點難以滿足，切削效率低。 (2) 截面法，利用截面截取塑料模具型腔加工曲面，其得出的一組交線為刀具切削軌跡。截面法可實現(xiàn)走刀過程的光滑性，但由于計算量較大、精度低，在實際應(yīng)用中加工間距不易控制，容易導(dǎo)致切面形狀與要求不符的情況。 (3) 投影法，根據(jù)參數(shù)三軸曲面離散模型預(yù)先設(shè)計好刀具運(yùn)動曲線，利用其豎自線與曲面投影的求交運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為加工曲面上的實際削切軌跡。投影算法穩(wěn)定性較強(qiáng)，且加工方式靈活、應(yīng)用范圍廣，尤其適用于多曲面的加工方式。但由于實際加工過程難以實時跟蹤曲面變化情況，精度難以控制，投影過程又會進(jìn)一步擴(kuò)大誤差，容易產(chǎn)生刀具軌跡分布不均勻及塑料零件表面厚度不一致的缺陷。 (4) 等殘余高度法，使每一組相鄰軌跡間的殘余高度均達(dá)到最大殘余高度，由此得出一組最小軌跡數(shù)，通過步距增加的方式使加工軌跡長度減短。等殘余高度法可確定最大行距、節(jié)約加工時間，并改善塑料零件表面粗糙度。

1. 2 塑料模具型腔數(shù)控加工過程知識庫和數(shù)據(jù)庫分析

知識庫 (KB) 是指某一領(lǐng)域問題相關(guān)求解的知識集群，包括事實、約束和規(guī)則三種形式。對于塑料模具型腔數(shù)控加工過程，用規(guī)則形式表達(dá)知識工程的因果關(guān)系，其中規(guī)則前提是刀具知識庫涵蓋的所有模型，規(guī)則結(jié)論是根據(jù)知識庫數(shù)據(jù)得出的具體操作。一般塑料模具型腔知識庫數(shù)據(jù)次序結(jié)構(gòu)可根據(jù)待解決的問題特性尋找合適的表達(dá)方法，本系統(tǒng)選用對象 ( Object) －屬性 ( Attribute) －值 ( Value) 的形式表達(dá)塑料模具知識庫。數(shù)據(jù)庫 (DB) 與知識庫具有一定相似點，但又存在區(qū)別，包括數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)量較大、知識庫存儲數(shù)據(jù)量較小; 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)類型單一、知識庫數(shù)據(jù)類型多樣; 數(shù)據(jù)庫規(guī)范性更強(qiáng)、知識庫規(guī)范性較弱; 數(shù)據(jù)庫修改模式少、權(quán)限低，知識庫修改模式多、權(quán)限更高等。知識庫和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合可起到相互補(bǔ)充的目的，其結(jié)合策略包括知識庫與數(shù)據(jù)庫相互參入對方條件達(dá)到擴(kuò)充和基于兩者建立接口模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)藕合兩種。

2、建立塑料模具型腔數(shù)控加工曲面切削參數(shù)優(yōu)化模型

在塑料模具型腔數(shù)控加工環(huán)境和相關(guān)設(shè)備不變的情況下，可通過參數(shù)設(shè)定提高模具的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。本文綜合考慮塑料模具削切加工過程效率及成本因素，提出多目標(biāo)優(yōu)化方案，設(shè)計相關(guān)決策變量，建立參數(shù)模型，確定其約束條件和目標(biāo)函數(shù)算法。

2. 1 建立塑料模具型腔數(shù)控加工曲面切削目標(biāo)函數(shù)

首先將加工過程效率最優(yōu)作為目標(biāo)，以切削速度、進(jìn)給率作為相關(guān)變量，建立利用單一刀具削切單一塑料零件所用時間 (Tu) 方程：

綜合分目標(biāo)優(yōu)化方案，利用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)加權(quán)組合法，權(quán)衡目標(biāo)函數(shù)的量綱差異，提出總目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解計算方程:

上式采用直接加權(quán)算法，wi代表第 i 次削切加權(quán)因子對整體目標(biāo)的重要程度，根據(jù)其值可調(diào)整不同目標(biāo)量級排序。

2. 2 建立塑料模具型腔數(shù)控加工曲面切削約束條件

加工過程各約束條件應(yīng)滿足:

(1) 削切速度:

3 、塑料模具型腔削切工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計

3. 1 塑料模具型腔削切工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)的設(shè)計

本文選用實體－聯(lián)系模型 (E-Ｒ) 表示塑料模具型腔實體和屬性的關(guān)聯(lián)設(shè)計模型，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計。塑料模具型腔 E-Ｒ模型得出的實體和屬性對應(yīng)關(guān)系如表 1 所示。

表 1 塑料模具型腔 E-Ｒ模型

3. 2 塑料模具型腔削切工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)模塊設(shè)計

塑料模具型腔削切工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)可分為零件材料模塊、刀具模塊、機(jī)床模塊、削切用量模塊、工件模塊等，其中材料模塊數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)塑料零件材料信息的查詢; 刀具模塊數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)刀具信息的查詢，有利于模具型腔加工制造過程中軟件的開發(fā)及選擇; 機(jī)床模塊數(shù)據(jù)庫可提供不同削切機(jī)床的技術(shù)參數(shù)及使用信息; 削切用量模塊數(shù)據(jù)庫可提供模具削切速度、深度和進(jìn)給量等加工條件信息的查詢; 工件模塊數(shù)據(jù)庫包括塑料模具工件加工實例及相關(guān)分析，為用戶在設(shè)計過程提供參考依據(jù)。塑料模具型腔削切工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 1 所示。

圖 1塑料模具型腔參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3. 3 塑料模具型腔削切工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)過程

選用 Microsoft Visual C++作為系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和編程工具，開放式數(shù)據(jù)庫連接 (ODBC) 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口 (API) 進(jìn)行程序驅(qū)動。使用 ODBC 中的 CＲecordset 類進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接，程序從數(shù)據(jù)源中選取一組數(shù)據(jù)繪制表格，通過該方式對數(shù)據(jù)集進(jìn)行修改、刪除等操作。

進(jìn)行 MFCODBC 數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程時，可在項目工程中引入定義文件 afxdb. h，具體方法:

建立數(shù)據(jù)庫連接代碼:

4 、結(jié)語

塑料模具型腔數(shù)控加工削切參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)能夠?qū)鹘y(tǒng) CAD/CAE 控制系統(tǒng)與智能控制集成技術(shù)相結(jié)合，通過知識庫推理，使相關(guān)技術(shù)人員獲取準(zhǔn)確削切參數(shù)信息，快速有效提高塑料模具生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文研究塑料模具型腔數(shù)控加工刀具進(jìn)退方式和軌跡生成算法，通過知識庫和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，提出塑料模具型腔削切工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計方案，為未來塑料模具型腔數(shù)控加工技術(shù)的研究及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

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