農(nóng)機(jī)零部件加工中五軸數(shù)控加工中心刀具算法應(yīng)用

徐文靜，鄭 旭

(洛陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

隨著現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)水平的不斷提高，農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化控制所需要與之匹配的高精度零部件也越來(lái)越復(fù)雜，特別是其加工技術(shù)是影響現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要難題[1-4]。利用離線編程技術(shù)和集成化CAD/CAM系統(tǒng)以及NC代碼，采用五軸數(shù)控加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面形狀的加工，對(duì)于提高農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的加工效率具有重要的意義[5-8]。但在當(dāng)前，國(guó)內(nèi)雖然很多企業(yè)裝備了五軸機(jī)床，但大部分企業(yè)沒(méi)有五軸數(shù)控加工的相關(guān)理論和使用經(jīng)驗(yàn)[9-12]，對(duì)切削參數(shù)和切削量的優(yōu)化更是缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)參考，而切削參數(shù)和切削量的優(yōu)化對(duì)于復(fù)雜零部件的加工非常重要，是影響復(fù)雜零部件加工質(zhì)量和加工精度的重要方面[13-16]。因此，如果將五軸數(shù)控加工技術(shù)引入到農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的加工過(guò)程中，必須首先對(duì)刀具的加工參數(shù)和加工路徑進(jìn)行研究，從而提高復(fù)雜農(nóng)機(jī)部件機(jī)械加工的可靠性。

1 基于CAD/CAM的集成化農(nóng)機(jī)部件數(shù)控加工系統(tǒng)

隨著CAD/CAM集成系統(tǒng)和刀具軌跡優(yōu)化算法的發(fā)展，五軸加工中心成為復(fù)雜件的主要加工工具，如果將其使用在農(nóng)機(jī)部件的加工過(guò)程中，可以有效提高加工的效率和加工質(zhì)量[17-20]。五軸數(shù)控機(jī)床在三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)可以自由選擇的軸，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方式的不同，常用的五軸機(jī)床分為雙擺頭式和轉(zhuǎn)臺(tái)-擺頭式，如圖1所示。

圖1 五軸數(shù)控機(jī)床的形式Fig.1 The form of five axis NC machine tools

在三軸的基礎(chǔ)上，五軸數(shù)控機(jī)床從理論上其刀具位置可以任意變化，可以有效地降低刀具裝夾的時(shí)間，提高加工效率，延長(zhǎng)刀具的壽命。因此，在復(fù)雜農(nóng)機(jī)部件的加工過(guò)程中使用，將會(huì)極大地提高零件的加工效率。采用五軸數(shù)控加工中心加工農(nóng)機(jī)配件時(shí)，可以使用CAD/CAM集成化系統(tǒng)對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化，其流程如圖2所示。首先，通過(guò)農(nóng)機(jī)件的結(jié)構(gòu)分析，確定其加工的基本參數(shù)，然后利用CAD/CAM系統(tǒng)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行集成化，在系統(tǒng)中采用相關(guān)算法對(duì)刀具進(jìn)行優(yōu)化[21-25]。本文使用的主要是自適應(yīng)差分算法，并通過(guò)刀具軌跡仿真，對(duì)刀具加工軌跡進(jìn)行優(yōu)化，最終確定五軸銑床的刀具主要加工路徑。

圖2 基于五軸數(shù)控集成化的農(nóng)機(jī)部件數(shù)控加工流程Fig.2 The NC machining process of agricultural machinery parts based on five axis NC integration

2 基于自適應(yīng)差分算法的五軸農(nóng)機(jī)件數(shù)控加工刀具軌跡優(yōu)化

五軸數(shù)控加工的走刀軌跡比較復(fù)雜，由于多軸同時(shí)控制存在協(xié)同性問(wèn)題，要想使各軸發(fā)揮最佳功能，必須對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化處理[26-29]。本文采用自適應(yīng)差分算法對(duì)農(nóng)機(jī)件的數(shù)控加工進(jìn)行刀具軌跡優(yōu)化，其流程如圖3所示。

圖3表示基于自適應(yīng)差分進(jìn)化的刀具軌跡優(yōu)化過(guò)程，其算法流程包括數(shù)據(jù)的初始化、適應(yīng)度函數(shù)和進(jìn)化操作，最終確定刀具軌跡優(yōu)化的邊界條件。其中，初試位置和終止位置的確定可以根據(jù)加工部件來(lái)確定，其加工路徑和加工時(shí)間為自變量，加工路徑可以表示為加工時(shí)間的三次多項(xiàng)式，通過(guò)對(duì)多項(xiàng)式系數(shù)的優(yōu)化，得到最優(yōu)的加工路徑。三次擬合多項(xiàng)式為

θ(t)=a1t3+a2t2+a3t+a4

(1)

其中，θ表示加工路徑；t是加工的時(shí)間；a表示待優(yōu)化的參數(shù)。根據(jù)農(nóng)機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)，可以確定初始和最終的加工參數(shù)為

(2)

其中，T為一個(gè)加工周期五軸數(shù)控機(jī)床使用的時(shí)間，據(jù)此可以推算三次多項(xiàng)式的優(yōu)化系數(shù)為

(3)

五軸數(shù)控加工中心刀具路徑規(guī)劃最短的樣條曲線優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以寫(xiě)成

(4)

圖3 基于自適應(yīng)差分進(jìn)化的多軸走刀軌跡優(yōu)化Fig.3 The multi axis tool path optimization Based on Adaptive Differential Evolution

適應(yīng)度函數(shù)可以寫(xiě)成

(5)

假設(shè)刀具在第i步的運(yùn)行角速度為

(6)

則有

(7)

其中，q′和t′的數(shù)值是由五軸數(shù)控加工中心刀具位置的橫縱坐標(biāo)決定的，對(duì)x′值的優(yōu)化會(huì)對(duì)t′值的大小產(chǎn)生一定的影響，最佳的刀具軌跡位置在ti或者(ti,ti+1)區(qū)間，則

(8)

3 五軸數(shù)控加工中心刀具算法在農(nóng)機(jī)零部件加工中的應(yīng)用測(cè)試

為了驗(yàn)證自適應(yīng)差分算法對(duì)五軸機(jī)床刀具軌跡優(yōu)化算法的實(shí)際作用，以一款修剪機(jī)械的凸型和凹形復(fù)雜零件的加工為研究對(duì)象，對(duì)刀具軌跡進(jìn)行規(guī)劃，并以實(shí)際加工效果驗(yàn)證算法的可靠性。果樹(shù)修剪機(jī)的機(jī)型如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)加工零部件使用的機(jī)型Fig.4 The used models for experimental processing parts

圖4是一款新型的果樹(shù)自動(dòng)化修剪機(jī)器人性質(zhì)的農(nóng)機(jī)，由于其在傳動(dòng)過(guò)程中要完成復(fù)雜的動(dòng)作，因此在其關(guān)節(jié)部位經(jīng)常采用復(fù)雜凸型和凹形的連接部件，給農(nóng)機(jī)部件的加工帶來(lái)了加大的麻煩；而采用五軸數(shù)控加工中心可以合理地對(duì)刀具的運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃，使刀具完成曲線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的加工。

為了驗(yàn)證刀具軌跡優(yōu)化算法的可靠性，需要可以采用刀具軌跡仿真的方法對(duì)其進(jìn)行理論性研究。圖5表示采用算法編程技術(shù)得到的刀具運(yùn)行曲線；其直接加工的運(yùn)行過(guò)程如圖6所示。

圖5 刀具軌跡優(yōu)化Fig.5 Tool path optimization

圖6 刀具軌跡優(yōu)化前Fig.6 Before tool path optimization

由圖6可以看出：在較為復(fù)雜的曲線彎轉(zhuǎn)部位存在加工走刀稀疏的情況，會(huì)給農(nóng)機(jī)部件的加工質(zhì)量造成加大的影響，通過(guò)優(yōu)化后，得到了如圖7所示的優(yōu)化效果。

圖7 刀具軌跡優(yōu)化后Fig.7 After tool path optimization

由圖7可以看出：相比較優(yōu)化之前，刀具的運(yùn)行軌跡在較為復(fù)雜的部位增加了走刀的密集程度，從而保證復(fù)雜部位的加工精度，通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)得到了如圖8所示的加工效果圖。

圖8 加工效果圖Fig.8 The processing effect drawing

由加工效果圖可以看出：零部件的加工精度較高，復(fù)雜表面比較光滑，加工毛刺較少，具有較高的加工精度，可以滿足農(nóng)機(jī)配件復(fù)雜零部件的精密加工需求。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的加工，采用五軸數(shù)控加工中心，利用離線編程技術(shù)、CAD/CAM系統(tǒng)及刀具自適應(yīng)差分軌跡優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)了零部件的加工刀具軌跡仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，對(duì)刀具的走刀軌跡進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用刀具軌跡優(yōu)化算法后，其較為復(fù)雜的部位提高了走刀密集程度，提升了加工精度。由零件的加工效果可以看出：采用五軸數(shù)控加工中心和刀具優(yōu)化算法加工出來(lái)的零件光滑程度較好，機(jī)械加工精度較高，可以滿足復(fù)雜農(nóng)機(jī)零部件高精度加工的需求。

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