基于遺傳算法的航空制造自由曲面刀具路徑規(guī)劃研究

趙金富

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽110034）

基于遺傳算法的航空制造自由曲面刀具路徑規(guī)劃研究

趙金富

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽110034）

自由曲面的加工在航空制造中非常普遍，但是自由曲面的機(jī)械加工難度比較高。提出了基于改進(jìn)遺傳算法的刀具路徑規(guī)劃，經(jīng)過改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化后的大刀具尺寸和小刀具尺寸的刀具組合進(jìn)行自由曲面數(shù)控加工，具有較高的加工效率和加工質(zhì)量。

航空；自由曲面；刀具

引言

在航空制造中，由于自由曲面具有較好的空氣動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等特點(diǎn)，所以在飛機(jī)零部件中應(yīng)用非常廣泛。近年來隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)控加工在自由曲面零部件的加工中具有非常重要的作用。因?yàn)樽杂汕娴募庸し浅＠щy，具有較高的技術(shù)難度和復(fù)雜度，所以高性能數(shù)控加工的精度、速度、加工平穩(wěn)性等是直接決定自由曲面加工的關(guān)鍵技術(shù)。自由曲面的輪廓和曲面的機(jī)械加工一般是由粗加工和精加工等工序組成的［1］。精加工將直接決定了自由曲面的最終加工精度。自由曲面的機(jī)械加工中刀具路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)將直接決定自由曲面的表面加工質(zhì)量和加工精度。

自由曲面的高速切削對數(shù)控機(jī)床、加工刀具、夾具以及被加工工件等要求非常高，需要刀具軌跡路徑具有較好的工藝性，刀具路徑規(guī)劃一般要避免機(jī)械加工過程中的走刀方向的突變，來避免因局部過切導(dǎo)致的加工工件或者刀具的損壞，同時(shí)要避免刀具的突然加速或減速，盡可能保持刀具給進(jìn)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，刀具軌跡間的過度最好采用圓弧過度，一般要求具有給進(jìn)速度優(yōu)化的能力。所以自由曲面的高速加工對切削速度和高精度兩個(gè)指標(biāo)的要求非常高［2］，強(qiáng)調(diào)機(jī)械數(shù)控加工的平穩(wěn)性和加工表面的光滑性，盡可能地降低自由曲面的粗糙度。

本文提出了基于改進(jìn)遺傳算法的刀具路徑規(guī)劃，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的非線性自適應(yīng)度函數(shù)來適應(yīng)自由曲面的主曲率特點(diǎn)，經(jīng)過改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化后的大刀具尺寸和小刀具尺寸的刀具組合進(jìn)行自由曲面數(shù)控加工具有較高的加工效率和加工質(zhì)量。

1　遺傳算法介紹

遺傳算法是模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的一種尋優(yōu)算法。它具有沒有函數(shù)連續(xù)性的限制和較好的全局尋優(yōu)能力的優(yōu)點(diǎn)，能夠自動(dòng)在搜索空間上自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化，完全不用人為干預(yù)搜索。它不是從單個(gè)的個(gè)體進(jìn)行搜索，具有并行搜索的能力，能夠大大降低陷入局部極小的可能性，它采用隨機(jī)操作，具有更好的全局搜索能力，適用于搜索復(fù)雜問題和非線性問題的尋優(yōu)。

遺傳算法步驟一般為編碼、初始群體產(chǎn)生、適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)、選擇、交叉、變異操作。遺傳算法是一種群體優(yōu)化算法，由若干初始群體作為初始輸入，用隨機(jī)方法來產(chǎn)生初始群體，對于群體優(yōu)化算法，初始的群體規(guī)模越大，則算法的優(yōu)化效果越好。遺傳算法是通過對個(gè)體的評價(jià)和染色體的作用，有效利用已有的種群信息來改善優(yōu)化質(zhì)量的算法。初始群體的規(guī)模越大該算法就有更好的最優(yōu)解，但是規(guī)模太大會(huì)增加計(jì)算工作量，如果群體的規(guī)模太小，使得搜索的空間范圍太小導(dǎo)致不容易收斂。所以初始群體的規(guī)模大小設(shè)置，需要綜合分析設(shè)置。

2　刀具路徑規(guī)劃

刀具路徑是刀具加工自由曲面的刀觸點(diǎn)的軌跡。刀具路徑規(guī)劃一般包括刀具路徑軌跡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和刀具路徑軌跡的參數(shù)設(shè)置。刀具路徑軌跡的參數(shù)一般包括加工步長和加工步距。

自由曲面的數(shù)控加工刀具路徑生成是比較復(fù)雜的技術(shù)，一般有平行平面道路法、等高線加工法、等殘留高度加工法等，這些方法各有優(yōu)點(diǎn)和適應(yīng)場景。

自由曲面的加工刀具路徑規(guī)劃要提高加工精度，需要在以下方面進(jìn)行優(yōu)化：走刀步長分布要合理，給進(jìn)速度要保持均勻；刀具路徑步距分布要保持均勻，加工殘留誤差要比較小。自由曲面的加工刀具路徑規(guī)劃要提高加工效率，需要在以下方面進(jìn)行優(yōu)化：刀具路徑總長度和加工時(shí)間要非常短；單個(gè)刀具路徑長度盡可能長。只有在加工精度和加工效率兩方面進(jìn)行提升和優(yōu)化，才能使得自由曲面的數(shù)控加工具有高精度和高效率。

本文刀具路徑規(guī)劃核心思想是：首先采用大尺寸的刀具來加工自由曲面的絕大部分的區(qū)域，然后采用小尺寸的刀具在滿足無曲率干涉加工自由曲面上的剩余的干涉區(qū)域，用改進(jìn)的遺傳算法來計(jì)算自由曲面的最大主曲率，針對自由曲面的特性來設(shè)計(jì)非線性的適應(yīng)度函數(shù)，利用計(jì)算的最大主曲率和標(biāo)準(zhǔn)刀具尺寸共同求出小尺寸刀具的直尺寸。根據(jù)自由曲面的區(qū)域劃分分別進(jìn)行刀具路徑的規(guī)劃設(shè)計(jì)，大刀具的尺寸同樣也需要利用遺傳算法來計(jì)算得出，綜合大刀具尺寸和小刀具尺寸共同確定出整套自由曲面數(shù)控加工的刀具組合。利用本套優(yōu)化后的刀具組合進(jìn)行自由曲面的機(jī)械數(shù)控加工，具有較高的加工精度和較高的加工效率。

3　結(jié)語

本文主要針對航空制造中自由曲面的數(shù)控機(jī)械加工難題，提出了利用改進(jìn)的遺傳算法對刀具進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后的刀具組合進(jìn)行機(jī)械加工自由曲面，具有較高的加工精度和加工效率，該方法在航空制造中具有較高的推廣價(jià)值。

［1］趙世田.自由曲面加工刀具路徑生成高精度變步長算法研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010（1）:12-13.

［2］楊長祺.復(fù)雜曲面多軸加工的高精度、高效率數(shù)控編程系統(tǒng)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2004:21-22.

（編輯：王紅霖）

The Research on Tool Path Planning for Aircraft Manufacturing Free Surface Based on Genetic Algorithm

Zhao Jinfu
（ACIC Shenyang Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110034）

Machining of free surface is very common in aircraft manufacturing，but the machining of free surface is more difficult.In this paper based on Improved Genetic Algorithm，the tool path planning through improved genetic algorithm to optimize the cutting tool size and small tool size combined for NC machining of free form surface，and it has high machining efficiency and quality.

aviation；free curved；surface tool

TG659

A

2095-0748（2016）13-0045-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.15

2016-05-20

趙金富（1981—），男，遼寧朝陽人，工學(xué)學(xué)士，研究方向：機(jī)械加工。