基于CAM軟件的印刷機(jī)底板孔群加工路徑優(yōu)化方法

趙世英 吳 昱

（北京印刷學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院 中國 北京 102600）

在印刷機(jī)底板和墻板類零件的數(shù)控加工中,孔群加工所占的比重較大,直接影響生產(chǎn)效率。由于孔群中的各類孔直徑不同,需要頻繁變換孔加工刀具,刀具和工件的運(yùn)動(dòng)在加工過程中平均占用總加工時(shí)間的70%。因此,如何規(guī)劃孔群的加工路徑,以達(dá)到縮短刀具移動(dòng)路徑、有效節(jié)約刀具的空刀移動(dòng)時(shí)間,是孔群加工的關(guān)鍵問題。

1 孔群數(shù)控加工路徑優(yōu)化的必要性和現(xiàn)實(shí)意義

孔群加工路徑優(yōu)化問題抽象出來就是旅行商路徑問題TSP(Travel Saleman Problem),其實(shí)質(zhì)是點(diǎn)位路徑的優(yōu)化問題。求解TSP問題的算法有十幾種之多，包括精確算法和近似優(yōu)化算法。精確算法包括：動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法、線性規(guī)劃方法、分支定界方法等。近似優(yōu)化算法如插入法、最近點(diǎn)路徑法、概率算法、正交路徑法、混合路徑法、生成樹法等[1]。近年來，借助于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多智能優(yōu)化方法不斷完善和發(fā)展，例如模擬退火算法、禁忌搜索方法、蟻群算法、遺傳算法等，也得到了很好的應(yīng)用。

上述方法都能較好地解決多點(diǎn)位優(yōu)化問題，但在實(shí)際生產(chǎn)中，具體選用哪種方法,要根據(jù)待加工孔群的特點(diǎn)和分布規(guī)律來選擇。對于分布有規(guī)律的同類孔群,一般采用正交路徑法；對于分布沒有規(guī)律、任意排列的同類孔群,采用最近點(diǎn)路徑法；對于同類孔群分布兼而有之的情況，可以采用混合路徑法[2]。在數(shù)控加工中,一般情況下,每個(gè)孔都要經(jīng)過幾道工序,使用幾把不同的刀具加工。要提高孔加工速度和精度,就要合理安排加工工序,減少換刀次數(shù)，盡可能縮短刀具非切削循環(huán)狀態(tài)下的空刀移動(dòng)距離。借助于CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）軟件，可以方便高效地實(shí)現(xiàn)對印刷機(jī)底板孔群加工路徑的優(yōu)化。從而編制出高效合理的數(shù)控加工程序，有利于提高零件加工質(zhì)量，降低加工成本，縮短實(shí)際工時(shí)，促進(jìn)生產(chǎn)率的提高，減少原材料和能源的消耗。

2 應(yīng)用CAM軟件對印刷機(jī)底板孔群數(shù)控加工路徑進(jìn)行優(yōu)化的方法

下面以某B-B型印刷機(jī)機(jī)架底板零件的孔群加工為例，來說明應(yīng)用CAM軟件進(jìn)行水平加工路徑優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法。該底板零件的孔群主要由四類孔構(gòu)成， 分別是 2×Φ40 孔、7×Φ9 孔、7×Φ15、24×Φ5孔，基于工藝需要，我們在鉆孔加工前首先要加工33個(gè)Φ3中心孔；為方便優(yōu)化結(jié)果作對比，只研究鉆孔刀具加工路徑，不考慮銑刀和鏜刀加工路徑。所以我們的研究對象為Φ3中心鉆、Φ9麻花鉆和Φ5麻花鉆。

MasterCAM是美國CNC Software公司開發(fā)的CAM軟件，簡單易學(xué)，編制數(shù)控程序極為方便，是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型CAM軟件。應(yīng)用該軟件對底板待加工孔進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和鉆孔路徑排序，可供選擇的排序方法主要有三種，分別是“2D鉆孔路徑排序法”、“旋轉(zhuǎn)鉆孔路徑排序法”和“交叉鉆孔路徑排序法”。由于底板零件中的孔群分布屬于直線和圓周混合分布類型，所以選取“2D鉆孔路徑排序法”進(jìn)行加工路徑的自動(dòng)排序。其中Φ3中心鉆在水平面內(nèi)空走刀路徑如圖1所示，行程為1582.83mm。同樣的方法可以得到Φ9麻花鉆和Φ5麻花鉆在水平面內(nèi)空走刀路徑的行程，具體數(shù)值見表1。

UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software公司出品的大型CAM主流軟件之一，其功能模塊較MasterCAM要豐富和強(qiáng)大許多。在孔位優(yōu)化模塊中有一個(gè)“Shortest Path(最短路徑)”優(yōu)化功能,這種優(yōu)化方式允許處理器根據(jù)最短加工時(shí)間來對加工點(diǎn)排序，該方法通常被用作首選方法，尤其是當(dāng)點(diǎn)的數(shù)量多于30個(gè)時(shí)[3]。當(dāng)然，與其他優(yōu)化方法相比，最短刀軌方法需要更多的算法處理時(shí)間。在最短優(yōu)化路徑對話框中，可以選擇優(yōu)化級別（Level），包括標(biāo)準(zhǔn)和高級。應(yīng)用UG軟件該優(yōu)化功能模塊對底板待加工孔進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和鉆孔路徑排序，其中Φ3中心鉆在水平面內(nèi)空走刀路徑如圖2所示，行程為1383.13mm，Φ9麻花鉆和Φ5麻花鉆空走刀路徑行程的具體數(shù)值見表1。

圖1 MasterCAM軟件對底板孔系數(shù)控加工路徑生成示意圖

圖2 UG軟件對底板孔系數(shù)控加工路徑優(yōu)化示意圖

表1 MasterCAM和UG對孔群加工路徑優(yōu)化后刀具水平總行程比較表 單位：mm

由表中數(shù)據(jù)可知，UG軟件對孔群加工路徑優(yōu)化能力明顯高于MasterCAM軟件，鉆孔水平總行程減少25%，其中對Φ5麻花鉆加工路徑的優(yōu)化差異率更是高達(dá)44%；可見選擇不同的CAM軟件，會(huì)得到不同的孔群加工路徑優(yōu)化結(jié)果，有時(shí)這種結(jié)果會(huì)有很大的差異。

3 結(jié)束語

孔群加工路徑規(guī)劃和優(yōu)化問題對于提高多孔類零件的加工效率和質(zhì)量具有重要意義，借助于CAM軟件實(shí)現(xiàn)加工路徑優(yōu)化已經(jīng)得到廣泛的普及和應(yīng)用。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中的CAM軟件種類繁多，各種CAM軟件所適用的加工對象會(huì)有所區(qū)別。這就要求我們數(shù)控工藝編程人員針對不同的加工對象，選擇適當(dāng)?shù)腃AM軟件，在保證加工精度的基礎(chǔ)上維持較低的加工成本，并取得更高的加工效率。

［1］馬兆敏.帶基準(zhǔn)孔的孔群加工路徑優(yōu)化算法[J].機(jī)床與液壓,2008,36(11)：30-32.

［2］周正武.孔群加工路徑優(yōu)化方法的研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2006,19(3)：35-37.

［3］唐人科技.精通 UG NX5中文版-數(shù)控加工篇[M].北京：中國青年出版社,2007：140-142.