基于動態(tài)規(guī)劃算法的刀具軌跡優(yōu)化及實驗驗證

周 峰，張紫旭，劉昊天，田 鑫，劉雨鑫

(1 .大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028，2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

構(gòu)架作為軌道車輛中關(guān)鍵部位其加工效率嚴(yán)重影響著整車制造流程，但由于構(gòu)架體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣等因素使得加工走刀路徑變得冗雜繁瑣、編輯時容易出錯，而虛擬仿真技術(shù)則能夠很好地解決數(shù)控程序中存在的碰撞等問題。隨著加工中心切削性能的提升使得加工效率也得到提高，但如何能夠在保證工藝系統(tǒng)性能的同時進(jìn)一步縮短加工時間提升總體工作效率，國內(nèi)外研究學(xué)者利用虛擬仿真加工技術(shù)對此類問題進(jìn)行一些研究。

Vasiliev N S等在VERICUT實驗環(huán)境中驗證將刀具路徑劃分成段并通過確定每段的切削模式來實現(xiàn)優(yōu)化，該方法有效地提高對微細(xì)銑削的加工效率[1]；王曉生等利用VERICUT僅僅對易加工的零件進(jìn)行了仿真及優(yōu)化，使得效率得到提升[2]；楊坤利用VERICUT數(shù)控仿真軟件，搭建了復(fù)雜的5軸車銑數(shù)控加工系統(tǒng)，完成曲軸類復(fù)雜零件的加工[3]；樊啟永等利用Pro/E與VERICUT結(jié)合完成了零件的虛擬銑削、優(yōu)化及檢查[4]； Yuan Zhi hua等只是在VERICUT中創(chuàng)建五軸機床并進(jìn)行模擬加工，但并未過多提及效率與檢查的問題[5]；劉艷霞等從轉(zhuǎn)向架加工問題入手結(jié)合VERICUT仿真技術(shù)指出了對高速加工轉(zhuǎn)向架進(jìn)行虛擬仿真的重要性[6]。

以上學(xué)者利用仿真平臺只是單純考慮通過改變切削方式或優(yōu)化切削參數(shù)的方法來提升效率，并未涉及到空行程走刀對整體效率的實際影響。本文將貼近實際，以加工大型機車構(gòu)架為例，基于動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化算法優(yōu)化走刀軌跡,同時利用軟件VERICUT完成對走刀軌跡修改后數(shù)控程序驗證以及節(jié)約時間對比，達(dá)到同時從優(yōu)化軌跡及切削參數(shù)雙方面來提升效率的目的，為某些工件加工提供了參考。

1 構(gòu)架加工工藝

本文將根據(jù)某廠提供的工藝參數(shù)表(見表1)，以仿真加工該廠的電力機車構(gòu)架為例，優(yōu)化走刀軌跡與切削用量并應(yīng)用于實際構(gòu)架加工，減少實際加工時間。為更接近真實的加工環(huán)境，根據(jù)三菱官方提供的機床基本參數(shù)(見表2)與模型樣式建立仿真用三菱龍門銑床，最終在VERICUT中完成機床各部件組裝。

表1 工藝參數(shù)

表2 機床參數(shù)(mm)

2 軌跡優(yōu)化及仿真加工

動態(tài)規(guī)劃算法應(yīng)用于求解某種最優(yōu)性質(zhì)的問題，其基本思想是通過將待求解的問題分解成若干個相互聯(lián)系的子問題,先求解子問題然后從這些子問題的解返回得到原問題的解[7]。

研究機車構(gòu)架，了解到需要加工表面大部分呈對稱分布，于是根據(jù)一系彈簧座的分布特征，及廠家提供的機車構(gòu)架圖紙分析，可抽象出比例模型圖如圖1所示。

圖1 比例模型

依據(jù)抽象模型歸納總結(jié)出動態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型(見圖2)，運用對稱分布規(guī)律將圖中座4、5、6、7抽象為座3。

圖2 數(shù)學(xué)模型

基于動態(tài)規(guī)劃算法對空行程走刀軌跡進(jìn)行優(yōu)化，最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)：

fk(i,{s})=min{fk-1(j,{l})+dji}，j、l∈s

(1)

即從原點出發(fā)中間經(jīng)過{s}中的k個位置后到達(dá)i的最小距離，根據(jù)構(gòu)建的比例數(shù)學(xué)模型分析得：

(2)

圖3 樹狀圖

依據(jù)規(guī)劃法和樹狀圖解得以上6種情況中4種最短走刀路線情況分別為d{0,1,3,2,0}、d{0,2,1,3,0}、d{0,2,3,1,0}、d{0,3,1,2,0}?？偨Y(jié)規(guī)律并將模型細(xì)致化，分別標(biāo)繪出彈簧座、止檔座、拉桿座等用同一把刀具(玉米銑)加工的表面位置。在保證工藝系統(tǒng)承載能力的前提下，依據(jù)以上通過動態(tài)規(guī)劃算法推導(dǎo)出的規(guī)律，運用就近加工的原則推理并規(guī)劃得到數(shù)控加工中心用玉米銑刀的行程走刀軌跡(見圖4)，其余刀具加工路線依照此思想規(guī)劃。 圖中相同符號表示同一類加工位置，箭頭表示走刀方向，三角號表示起始位置。

圖4 走刀路線

為驗證優(yōu)化后軌跡的正確性與合理性同時進(jìn)行下一步實驗，搭建仿真加工平臺。在VERICUT的環(huán)境中以“mm”作為單位，選擇仿真機床控制系統(tǒng)并搭建MVR40機床傳動系統(tǒng)運動拓?fù)潢P(guān)系：①Base>X>Fixture>Stock.>Design ②Base>W>Y>Z>Spindle>Tool，如圖5所示，根據(jù)相關(guān)資料設(shè)置機床及其各部件的運動參數(shù)并配置G代碼偏置，創(chuàng)建與實際相匹配的加工刀具，添加 “.tap” 數(shù)控程序文件后即可應(yīng)用于軌跡驗證與對比仿真實驗。

圖5 模型樹

3 虛擬實驗及實際驗證

VERICUT是一款優(yōu)秀的數(shù)控加工過程仿真軟件，具有多種功能模塊，可實現(xiàn)機床加工模擬、數(shù)控程序驗證、切削參數(shù)優(yōu)化、程序比對等多種功能[8-10]。其中仿真模塊可顯示加工走刀軌跡，Opti-Path模塊不僅能夠優(yōu)化切削用量參數(shù)，還可以提供加工時間進(jìn)行對比，這些功能對虛擬實驗完成提供了很好的支持。

分別對某廠提供的數(shù)控程序與空行程走刀軌跡優(yōu)化后的程序進(jìn)行仿真加工驗證，仿真過程中無碰撞現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)束后分別調(diào)取兩者走刀軌跡路線圖進(jìn)行比對，如圖6、圖7所示，優(yōu)化前后走刀軌跡有所減少，圖6與圖7紫色線為走刀軌跡。該廠原程序軌跡設(shè)計是先加工所有某一類(如A類)面完畢后不換刀具情況下再進(jìn)行另一類所有面的加工即采用循環(huán)加工模式進(jìn)行，重復(fù)路線較多，走刀較為復(fù)雜，相較于優(yōu)化后路徑軌跡將會在走刀行程上浪費大部分時間。

圖6 優(yōu)化前的走刀軌跡

圖7 優(yōu)化后的走刀軌跡

基于VERICUT軟件中Opti-Path模塊選擇不同的常用優(yōu)化方式，依據(jù)金屬去除率公式(3)可自行對進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化計算與賦值。

V=ap·ae·vf

(3)

其中，ap為銑削深度，mm；ae為銑削寬度，mm；vf為進(jìn)給速率，mm/min；V為每分鐘去除體積，mm3/min。

將原程序文件(針對所有刀具)與路徑優(yōu)化程序文件分別導(dǎo)入虛擬仿真加工平臺，啟動Opti-Path模塊，設(shè)置相同的優(yōu)化方式、優(yōu)化變量等參數(shù)后分兩次進(jìn)行仿真加工，利用該模塊可對優(yōu)化時間進(jìn)行統(tǒng)計的功能，分別記錄兩次優(yōu)化前后時間并進(jìn)行對比，并求得節(jié)約比率(見表3)。利用程序?qū)Ρ裙δ芡瑫r對進(jìn)給量優(yōu)化后的不同路徑數(shù)控程序進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)兩者進(jìn)給量幾乎無變化。

表3 優(yōu)化時間對比

為檢驗軌跡與切削用量優(yōu)化后程序節(jié)約效果及表面加工質(zhì)量，在某廠三菱機床MVR40上完成對構(gòu)架所有一系彈簧面、止擋座等上表面的實際加工與檢測。通過測量優(yōu)化前后的質(zhì)量并無較大差別，但由于實際工藝系統(tǒng)剛度等能力限制，刀具軌跡的重新規(guī)劃與最佳進(jìn)給速率的賦值使得時間相比原程序加工時長節(jié)約近10%。經(jīng)驗豐富的加工人員對切削用量參數(shù)的選擇比較成熟或由于工藝系統(tǒng)如夾具等能力不足等原因限制，當(dāng)針對大型工件通過優(yōu)化切削參數(shù)的方式在提升效率作用中影響不大時，軌跡優(yōu)化將會得到明顯的總體效率提升。

本文基于動態(tài)規(guī)劃算法重新設(shè)計并優(yōu)化了空行程走刀軌跡，修改原數(shù)控程序刀具軌跡減少了空行程軌跡的復(fù)雜冗長；并依據(jù)優(yōu)化路線在VERICUT中完成仿真保證了程序可行性，同時利用仿真軟件中Opti-Path模塊優(yōu)化了進(jìn)給量同時對兩者進(jìn)行時間比對且通過最后的實際加工驗證與檢測，確定軌跡優(yōu)化會縮短加工時間10%左右。

4 結(jié)論

運用虛擬平臺仿真加工技術(shù)，對大型復(fù)雜多面等某些工件的數(shù)控NC程序進(jìn)行模擬、分析及優(yōu)化，使得縮短加工時長提升效率顯得可行。通過以上實驗可得出如下結(jié)論：

(1)針對如構(gòu)架等大型復(fù)雜工件加工問題，利用虛擬仿真平臺進(jìn)行數(shù)控仿真加工能夠很好地檢驗數(shù)控程序避碰撞干涉等現(xiàn)象發(fā)生，檢驗并顯示走刀軌跡，確保了程序的正確性與可行性同時可對編程人員提供一些直觀參照。參數(shù)優(yōu)化與時間比對功能能夠為實際加工編程人員提供一些經(jīng)驗與參考。

(2)針對減少加工時間提升加工效率問題可從減少切削時間和行程走刀時間雙方面入手，在某些工件加工過程中較好的走刀軌跡會明顯提升行程走刀效率，其作用可能會對總體效率的提升有一定的影響。針對如何提高工廠加工效率節(jié)省成本問題，技術(shù)人員要從多角度多方面影響因素進(jìn)行考慮并加以節(jié)約控制，如采用自動化技術(shù)、或合理規(guī)劃加工時間與輔助時間等。