用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法，属于钢轨轧制设备设计制造【技术领域】。提供一种操作方便、自动化程度高，既能提高仿真分析精度，又能避免出现错误的用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法。通过开发一套包含有CAD孔型设计模块、CAE孔型优化模块和CAM孔型加工代码生成模块的仿真设计软件，并分别通过所述的模块调用相应的数据库资料，先完成钢轨各轧制道次的轧制孔型设计，后完成不同规格尺寸孔型的有限元网格的划分以及相关边界条件模型的建立及修改，最后生成各轧制道次对应轧辊的轧制孔型的CAM代码。由于该钢轨轧制孔型的设计、优化以及CAM加工代码的生成均通过软件完成，简化了操作，提高了效率，降低了生产成本。
【专利说明】用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种仿真设计方法，尤其是涉及一种用于钢轨轧制孔型的仿真设计方 法，属于钢轨轧制设备设计制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 现阶钢轨轧制孔型的设计是按以下步骤进行的：
[0003] 第一步：人工经验设计孔型，即采用CAD软件由人工直接给制钢轨轧制孔型的CAD 图。孔型即是分解了的模子，将矩形坯料，通过不同的孔型轧制成钢轨。目前的设计方法是 确定孔型系统后，人工先绘制孔型草图，然后在草图上标注设计尺寸，初步确定后，再人工 绘制CAD图纸，再手动进行各个孔型的面积、延伸系数、压下率等关键设计参数的计算。劳 动强度大、耗时。
[0004] 第二步：孔型设计优化，即俗称的CAE仿真优化。现有设计方法完成的孔型设计 的精度、好坏在生产之前是无法知道的，必须投入50-100万元的试轧才能知道什么地方需 要修改，而且需要进行2-4次的试轧修改才能定型。为了降低试制成本，提高孔型的定型速 度，随着仿真技术的不断发展，引进了较为先进的仿真简称CAE的方式替代试轧大大降低 了试轧次数和成本。但是，这种仿真分析软件应用难度大，一般技术人员需3-6个月才能基 本掌握，能熟练分析则需1年以上。同时仿真分析软件应用步骤繁杂，建模、网络划分、边界 条件加载等时间长，不同孔型其仿真分析步骤雷同，使分析工作显得枯燥，劳动强度大。
[0005] 第三步：乳辊加工，简称CAM。孔型设计、定型完成后，需要配置在轧辊上进行应 用，需要设计配辊图。目前配辊图下发到车间后，由技术人员人工完成数控车床机加工代码 的编写。不但劳动强度大，最主要的问题是人工编写、输入造成的错误多，经常出现轧辊加 工错误，而重新车削甚至轧辊报废的情况，造成10-100万元左右的损失不等。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种操作方便、自动化程度高，既能提高仿真 分析精度，又能尽量避免出现错误的用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法。
[0007] 为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于钢轨轧制孔型的仿真设计方 法，包括以下步骤，
[0008] a)设计软件开发，开发包含有CAD孔型设计模块、CAE孔型优化模块和CAM孔型加 工代码生成模块的仿真设计软件；
[0009] b)轧制孔型设计，利用步骤a开发的仿真设计软件的CAD孔型设计模块，通过底层 调用现有孔型系统参数化数据库的相应参数，自动生成钢轨各轧制道次的全部轧制孔型设 计图和相应轧辊的轧制孔型图，完成钢轨各轧制道次的轧制孔型设计，并保存各轧制道次 对应轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐标；
[0010] c)轧制孔型优化，利用步骤a开发的所述仿真设计软件的CAE孔型优化模块，根据 步骤b中保存的各轧制道次对应轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐标，通过底 层调用现有ANSYS前处理，实现无需人工操作的后台分网，完成各轧制道次的轧制过程模 型网格划分，并生成相应的轧制孔型和相应轧制件的有限元仿真模型，在此基础上完成不 同规格尺寸孔型的有限元网格的划分以及相关边界条件模型的建立及修改；
[0011] d) CAM代码生成，利用步骤a开发的所述仿真设计软件的CAM孔型加工代码生成 模块，根据步骤b中保存的各轧制道次对应轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐 标，以及步骤c建立和修改完成的各不同规格尺寸孔型的边界条件模型，通过调用AutoCAD 软件的底层应用功能自动生成对应的轧辊配辊图，并结合现场数控加工机床系统需要的文 件格式，生成机械加工设备可识别的机械加工代码，完成各轧制道次对应轧辊的轧制孔型 的CAM代码设计，这样便完成了一次钢轨轧制孔型的仿真设计工作。
[0012] 进一步的是，步骤b中，通过所述的CAD孔型设计模块自动生成钢轨各轧制道次 的全部轧制孔型设计图和相应轧辊的轧制孔型图的同时，还至少自动生成对应图形的中心 线、辅助线和标注；并根据生成的各轧制孔型图，根据需要计算相应轧制孔型的面积。
[0013] 进一步的是，在进行步骤c的轧制孔型优化时，也可以在现有AutoCAD孔型文件的 基础上，通过适当修改，直接读取AutoCAD的相关文件，通过底层调用ANSYS前处理，实现无 需人工操作的后台分网，并快速完成各轧制道次的轧制过程模型网格划分。
[0014] 进一步的是，步骤a中的仿真设计软件的CAD孔型设计模块是基于AutoCAD二次 开发程序工具VBA，并结合ActiveX开发的，其运行环境为Windows平台。
[0015] 本发明的有益效果是：通过开发一套包含有CAD孔型设计模块、CAE孔型优化模块 和CAM孔型加工代码生成模块的仿真设计软件，并分别通过所述的模块调用相应的数据库 资料，先完成钢轨各轧制道次的轧制孔型设计，然后再完成不同规格尺寸孔型的有限元网 格的划分以及相关边界条件模型的建立及修改，最后生成各轧制道次对应轧辊的轧制孔型 的CAM代码设计。由于所述钢轨轧制孔型的设计、优化以及CAM加工代码的生成均通过软 件完成，这样，既降低了人工操作的操作人员的劳动强度，简化了操作过程，提高了自动化 程度，同时，整个优化过程中均由软件完成，所使用的数据均为之前总结的库存数据，以及 以所述的库存数据为基础计算和仿真修改出来的数据，从而不仅可以有效的提高仿真分析 的精度，还可以尽量避免出错误，尤其是在生成机械加工设备可识别的机械加工代码时出 现的错误。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图la?图Id为本发明用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法中涉及到的采用所述的 CAD孔型设计模块，利用现有库存的经验数据自动生成的钢轨各轧制道次的主要轧制孔型 设计图；
[0017] 图2a?图2f为本发明用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法中涉及到的采用所述的 CAE孔型优化模块，利用上一步骤中的数据完成的不同规格尺寸孔型的有限元网格的划分 以及相关边界条件模型的建立及修改的模拟图；
[0018] 图3a?图3c为发明用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法中涉及到的采用所述的 CAM孔型加工代码生成模块生成的主要轧辊截图以及生成的NC代码的截面。
【具体实施方式】
[0019] 如图la?图Id、图2a?图2f以及图3a?图3c所示是本发明提供的一种操作方 便、自动化程度高，既能提高仿真分析精度，又能尽量避免出错误的用于钢轨轧制孔型的仿 真设计方法。所述的仿真设计方法包括以下步骤，
[0020] a)设计软件开发，开发包含有CAD孔型设计模块、CAE孔型优化模块和CAM孔型加 工代码生成模块的仿真设计软件；
[0021] b)轧制孔型设计，利用步骤a开发的仿真设计软件的CAD孔型设计模块，通过底层 调用现有孔型系统参数化数据库的相应参数，自动生成钢轨各轧制道次的全部轧制孔型设 计图和相应轧辊的轧制孔型图，完成钢轨各轧制道次的轧制孔型设计，并保存各轧制道次 对应轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐标，采用所述的CAD孔型设计模块还能 对各个孔型的面积、延伸系数、压下率等关键设计参数进行分析，并形成报表；
[0022] c)轧制孔型优化，利用步骤a开发的所述仿真设计软件的CAE孔型优化模块，根 据步骤b中保存的各轧制道次对应轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐标，通过 底层调用现有ANSYS前处理，实现无需人工操作的后台分网，完成各轧制道次的轧制过程 模型网格划分，并生成相应的轧制孔型和相应轧制件的有限元仿真模型，在此基础上完成 不同规格尺寸孔型的有限元网格的划分以及相关边界条件模型的建立及修改，采用所述的 CAE孔型优化模块还能进行建模、网络划分、边界条件加载等，从而大幅度降低劳动强度，同 时消除了人为建模、网络划分、边界条件加载的错误，大大提高了仿真分析的精度；
[0023] d) CAM代码生成，利用步骤a开发的所述仿真设计软件的CAM孔型加工代码生成 模块，根据步骤b中保存的各轧制道次对应轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐 标，以及步骤c建立和修改完成的各不同规格尺寸孔型的边界条件模型，通过调用AutoCAD 软件的底层应用功能自动生成对应的轧辊配辊图，并结合现场数控加工机床系统需要的文 件格式，生成机械加工设备可识别的机械加工代码，完成各轧制道次对应轧辊的轧制孔型 的CAM代码设计，这样便完成了一次钢轨轧制孔型的仿真设计工作。采用上述通过开发一 套包含有CAD孔型设计模块、CAE孔型优化模块和CAM孔型加工代码生成模块的仿真设计 软件，并分别通过所述的模块调用相应的数据库资料，先完成钢轨各轧制道次的轧制孔型 设计，然后再完成不同规格尺寸孔型的有限元网格的划分以及相关边界条件模型的建立及 修改，最后生成各轧制道次对应轧辊的轧制孔型的CAM代码设计的方法。在所述的方法中， 由于所述钢轨轧制孔型的设计、优化以及CAM加工代码的生成均通过软件完成，这样，既降 低了人工操作的操作人员的劳动强度，简化了操作过程，提高了自动化程度，同时，整个优 化过程中均由软件完成，所使用的数据均为之前总结库存的经验数据，以及以所述的库存 数据为基础计算出来的数据，从而不仅可以有效的提高仿真分析的精度，还可以尽量避免 出错误，尤其是在生成机械加工设备可识别的机械加工代码时出现的错误。
[0024] 上述实施方式中，根据通常的设计图的习惯，通过所述的CAD孔型设计模块自动 生成钢轨各轧制道次的全部轧制孔型设计图和相应轧辊的轧制孔型图的同时，还至少自动 生成对应图形的中心线、辅助线和标注；并根据生成的各轧制孔型图，根据需要计算相应轧 制孔型的面积。同时，在进行步骤c的轧制孔型优化时，也可以在现有AutoCAD孔型文件的 基础上，通过适当修改，直接读取AutoCAD的相关文件，通过底层调用ANSYS前处理，实现无 需人工操作的后台分网，并快速完成各轧制道次的轧制过程模型网格划分。为了使本发明 的仿真设计方法的适用性能强，同时，又能简化所述仿真设计方法的开发难度，步骤a中的 仿真设计软件的CAD孔型设计模块是基于AutoCAD二次开发程序工具VBA，并结合ActiveX 开发的，其运行环境为Windows平台。
[0025] 实施例一
[0026] 在AutoCAD二次开发模块的基础上，利用底层调用ANSYS前处理，实现无需人工操 作的后台分网操作的全过程如下，
[0027] (1)首先根据AutoCAD二次开发模块计算的各关键点位置，生成ANSYS可识别的文 件，其实现代码为：
[0028] Dim uproller As Variant
[0029] Open uproller For Output Asl#
[0030] Print#l，"/PREP7"
[0031] Print#l，〃/NERR，0, 99999,，，（Γ
[0032] Print#l，"EDMP，RIGI，1，0, 0"
[0033] Print#l，"MP，DENS, 1，7"
[0034] Print#l，"K，，" ；ptl (0) " ；ptl (1) " ；ptl (2)
[0035] Print#l，"K，，" ；pt2 (0) " ；pt2 (1) " ；pt2 (2)
[0036] ......
[0037] Print#l，"LSTR，3, 4"
[0038] Print#l，"LFILLT，1，2, " ；convert (HR2)"
[0039] Print#l，"LFILLT，2, 3, " ；convert (HR1)"
[0040] Print#l，"K，，" ；ptl (0) " ；ptl (1)+d ;"，〃 ；ptl (2)
[0041] ......
[0042] Print#l，"LESIZE，3, " ；kxcc ;"，，，，，，，1"
[0043] Print#l，"MSHAPE，0, 2D"
[0044] Print#l，"MSHKEY，Γ
[0045] Print#l，"AMESH，ALL"
[0046] Print#l，"K，，"；0;"，" ；L4/2+bj/2 ;"/，；0
[0047] Print#l，"K，，" ；100 " ；L4/2+bj/2 ;"/' ；0
[0048] Print#l，"TYPE, 2"
[0049] Print#l，"ΕΧΤ0ΡΤ，ESIZE，45, 0,"
[0050] Print#l，"ΕΧΤ0ΡΤ，ACLEAR，Γ
[0051] ......
[0052] Print#l，"NUM0FF，ELEM，2000000"
[0053] Print#l，"EDWRITE，ANSYS, ' upRoller'，' k'，" ；path
[0054] Print#l，"FINISH"
[0055] Print#l, "/CLEAR, START"
[0056] Close#l
[0057] (2)底层调用ANSYS,处理ANSYS可识别的文件，对轧辊进行网格划分，生成有限元 模型，其实现代码为：
[0058] Dim uprollerlinelAs String
[0059] Dim uprollerline2As String
[0060] .......
[0061] Open uprollerbat For Output As#90
[0062] ......
[0063] Print#90,uprollerlinel
[0064] Close#90
[0065] Dim IngPId As Long
[0066] Dim IngPHandle As Long
[0067] Firstfford = Mid (path, 1, 1)
[0068] ChDrive Firstfford
[0069] ChDir path
[0070] IngPId = Shell(uprollerbat)
[0071] ......
[0072] 通过后台调用ANSYS前处理，实现了无需人工处理的3维CAD模型的构建；针对各 道次轧辊、乳件等各部件网格划分的参数化，通过底层调用ANSYS前处理，实现了无需人工 操作的后台分网，快速完成各道次轧制过程模型网格的划分；最终通过各孔型的界面， 实现了各几何参数及网格尺寸的输入、修改、ANSYS前处理的底层调用、网格划分、模型输 出，从而完成了不同规格尺寸孔型有限元网格的划分及相关边界条件的建立及修改。
[0073] 实施例二
[0074] 以某Η型钢BD1配辊为例，介绍实现CAM模块的全过程。
[0075] (1)首先根据AutoCAD二次开发模块，计算出BD1轧辊各关键点位置，并生成BD1 轧辊CAD图形。
[0076] (2)根据BD1轧辊各关键点的位置，结合现场数控加工机床系统格式，生成机加工 加工可识别的机加工代码，其实现代码为：
[0077] Open text For Output Asl#
[0078] Print#l，"1. DIAM0F"
[0079] Print#l，"2.M3S" ;zs
[0080] Print#l，"3. G54T" ;numl ;"D〃 ；num2
[0081] Print#l，"4. G0G90G95G41X560Z-50F" ;sd
[0082] Print#l，"5. G1X" ;CStr (ncL5/2-ncRl-10)
[0083] Print#l，"6· Z0"
[0084] Print#l，"7. G91X" ;CStr(ncRl+10) ;"RND = 〃 ；CStr(ncRl)
[0085] Print#l，"8. Z" ;CStr (L)
[0086] Print#l，"9· X" ;CStr ((ncLl-ncL2) /2)
[0087] Print#l，"10. Z" ;CStr (ncL9+20)
[0088] Print#l，""
[0089] Print#l，"11. G0G90G41X" ;CStr(ncL5/2+ncLl/2) ;"Z" ;CStr(2300-x4-40) ;"1 孔 床尾侧〃
[0090] Print#l，"12. G1X" ;CStr (ncL5/2+ncLl/2- (kx4Ll-kx4L4+ncL2) /2)
[0091] Print#l，"13. G91Z40〃
[0092] Print#l，"14. X" ;CStr((kx4L卜kx4L4-2*kx4L3)/2) ;"Z" ;CStr(kx4L2/2) ;"RND =";CStr(kx4r2)
[0093] Print#l，"15. X" ;CStr(kx4L3) ;"Z" ;CStr(kx4L5) ;"RND = 〃 ；CStr(kx4rl)
[0094] Print#l，"16. Z" ;CStr (ncL8+20)
[0095] Print#l，""
[0096] Print#l，"17. G0G90G41X" ;CStr(ncL5/2+ncLl/2) ;"Z" ;CStr(2300-x3-40) ;"2 孔 床尾侧〃
[0097] Print#l，"18. G1X" ;CStr (ncL5/2+ncLl/2- (kx3Ll-kx3L4+ncL2) /2)
[0098] Print#l，"19. G91Z40"
[0099] ......
[0100] Print#l，"36. X" ;CStr((ncL2-ncLl)/2)
[0101] Print#l，"37. Z" ;CStr(-L-10)
[0102] Print#l, "38. X50"
[0103] Print#l,""
[0104] Print#l, "39. G0G90G42X" ;CStr (ncL5/2+ncLl/2+50) ;"Z";CStr (2300+60); "4孔〃
[0105] Print#l, "40. G1X" ;CStr (ncL5/2-ncRl-10)
[0106] Print#l, "41. Z2300"
[0107] Print#l, "42. G91X" ;CStr(ncRl+10) ;"RND = 〃 ；CStr(ncRl)
[0108] Print#l, "43. Z" ;CStr (_ncL3)
[0109] Print#l, "44. X" ;CStr (-(ncL2_ncLl)/2)
[0110] Print#l, "45. Z" ;CStr (_ncL4) ;"RND = " ;CStr (kxlr6)
[0111] Print#l, "46. X" ;CStr (_kxlL6) ;"Z" ;CStr (-kxlLll) ;"RND = 〃 ；CStr (kxlr5)
[0112] Print#l, "47. X〃 ；CStr(-Abs(nclpt5(l)_nclpt6(l))) ;"Z"; CStr(kxlLll-kxlLlO) ;"RND = 〃 ；CStr(kxlr4)
[0113] ......
[0114] Print#l, "66. Z" ;CStr(-kx2L5) ;"RND = 〃 ；CStr(kx2r4)
[0115] PrintS^^eT.X^ ；CStr(Abs(nc2pt5(l)-nc2pt6(l))) ； CStr(kx2Lll-kx2L10) ;"RND = " ;CStr(kx2r5)
[0116] Print#l, "68. X" ;CStr(kx2L6) ;"Z" ;CStr(-kx2Lll) ;"RND = 〃 ；CStr(kx2r6)
[0117] Print#l, "69. Z" ;CStr (-ncL7-50)
[0118] Print#l, "70. X50"
[0119] Print#l, "7LM5〃
[0120] Print#l, 〃72. M2〃
[0121] Close#l
[0122] 开发的孔型设计与有限元数值模拟一体化软件系统根据所建立的孔型参数数据 库，通过孔型参数化CAD二次开发模块确定各轧辊关键点位置，生成各轧辊CAD图形，结合 分厂工艺人员配辊经验，根据数控机床所需要的文件格式以及控制方式，实现数控加工程 序NC代码的自动输出，完成轧辊的CAM。
[0123] 采用本发明开发的孔型设计与有限元数值模拟一体化软件系统即本发明所述的 仿真设计软件，根据所建立的孔型参数数据库，通过孔型参数化CAD二次开发模块确定各 轧辊关键点位置，生成各轧辊CAD图形，结合制造厂工艺人员配辊经验，根据数控机床所需 要的文件格式以及控制方式，实现数控加工程序NC代码的自动输出，完成轧辊的CAM。
[0124] 为了便于对图1、图2以及图3中各代号的含意的理解，本发明提供以下三个程序 表加以说明。
[0125] 表1某型号钢轨开述乳制程序表
[0126]
【权利要求】
1. 一种用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法，其特征在于：包括以下步骤， a) 设计软件开发，开发包含有CAD孔型设计模块、CAE孔型优化模块和CAM孔型加工代 码生成模块的仿真设计软件； b) 轧制孔型设计，利用步骤a开发的仿真设计软件的CAD孔型设计模块，通过底层调用 现有孔型系统参数化数据库的相应参数，自动生成钢轨各轧制道次的全部轧制孔型设计图 和相应轧辊的轧制孔型图，完成钢轨各轧制道次的轧制孔型设计，并保存各轧制道次对应 轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐标； c) 轧制孔型优化，利用步骤a开发的所述仿真设计软件的CAE孔型优化模块，根据步 骤b中保存的各轧制道次对应轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐标，通过底层 调用现有ANSYS前处理，实现无需人工操作的后台分网，完成各轧制道次的轧制过程模型 网格划分，并生成相应的轧制孔型和相应轧制件的有限元仿真模型，在此基础上完成不同 规格尺寸孔型的有限元网格的划分以及相关边界条件模型的建立及修改； d) CAM代码生成，利用步骤a开发的所述仿真设计软件的CAM孔型加工代码生成模块， 根据步骤b中保存的各轧制道次对应轧辊的轧制孔型和对应轧制件的各关键点的坐标，以 及步骤c建立和修改完成的各不同规格尺寸孔型的边界条件模型，通过调用AutoCAD软件 的底层应用功能自动生成对应的轧辊配辊图，并结合现场数控加工机床系统需要的文件格 式，生成机械加工设备可识别的机械加工代码，完成各轧制道次对应轧辊的轧制孔型的CAM 代码设计，这样便完成了一次钢轨轧制孔型的仿真设计工作。
2. 根据权利要求1所述的用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法，其特征在于：步骤b中， 通过所述的CAD孔型设计模块自动生成钢轨各轧制道次的全部轧制孔型设计图和相应轧 辊的轧制孔型图的同时，还至少自动生成对应图形的中心线、辅助线和标注；并根据生成的 各轧制孔型图，根据需要计算相应轧制孔型的面积。
3. 根据权利要求1所述的用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法，其特征在于：在进行步 骤c的轧制孔型优化时，也可以在现有AutoCAD孔型文件的基础上，通过适当修改，直接读 取AutoCAD的相关文件，通过底层调用ANSYS前处理，实现无需人工操作的后台分网，并快 速完成各轧制道次的轧制过程模型网格划分。
4. 根据权利要求1、2或3所述的用于钢轨轧制孔型的仿真设计方法，其特征在于：步 骤a中的仿真设计软件的CAD孔型设计模块是基于AutoCAD二次开发程序工具VBA，并结合 ActiveX开发的，其运行环境为Windows平台。
【文档编号】G06F17/50GK104217063SQ201410350447
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】陶功明, 马朝辉, 康永林, 朱国明, 朱华林, 范红平 申请人:攀钢集团攀枝花钢钒有限公司