農機零部件加工中五軸數控加工中心刀具算法應用

徐文靜，鄭 旭

(洛陽職業技術學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著現代化農機水平的不斷提高，農機的自動化控制所需要與之匹配的高精度零部件也越來越復雜，特別是其加工技術是影響現代化農機設計的主要難題[1-4]。利用離線編程技術和集成化CAD/CAM系統以及NC代碼，采用五軸數控加工技術，可以實現復雜曲面形狀的加工，對于提高農機復雜零部件的加工效率具有重要的意義[5-8]。但在當前，國內雖然很多企業裝備了五軸機床，但大部分企業沒有五軸數控加工的相關理論和使用經驗[9-12]，對切削參數和切削量的優化更是缺乏實際數據參考，而切削參數和切削量的優化對于復雜零部件的加工非常重要，是影響復雜零部件加工質量和加工精度的重要方面[13-16]。因此，如果將五軸數控加工技術引入到農機復雜零部件的加工過程中，必須首先對刀具的加工參數和加工路徑進行研究，從而提高復雜農機部件機械加工的可靠性。

1 基于CAD/CAM的集成化農機部件數控加工系統

隨著CAD/CAM集成系統和刀具軌跡優化算法的發展，五軸加工中心成為復雜件的主要加工工具，如果將其使用在農機部件的加工過程中，可以有效提高加工的效率和加工質量[17-20]。五軸數控機床在三軸機床的基礎上增加了兩個可以自由選擇的軸，根據旋轉方式的不同，常用的五軸機床分為雙擺頭式和轉臺-擺頭式，如圖1所示。

圖1 五軸數控機床的形式Fig.1 The form of five axis NC machine tools

在三軸的基礎上，五軸數控機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間，提高加工效率，延長刀具的壽命。因此，在復雜農機部件的加工過程中使用，將會極大地提高零件的加工效率。采用五軸數控加工中心加工農機配件時，可以使用CAD/CAM集成化系統對刀具軌跡進行優化，其流程如圖2所示。首先，通過農機件的結構分析，確定其加工的基本參數，然后利用CAD/CAM系統對加工參數進行集成化，在系統中采用相關算法對刀具進行優化[21-25]。本文使用的主要是自適應差分算法，并通過刀具軌跡仿真，對刀具加工軌跡進行優化，最終確定五軸銑床的刀具主要加工路徑。

圖2 基于五軸數控集成化的農機部件數控加工流程Fig.2 The NC machining process of agricultural machinery parts based on five axis NC integration

2 基于自適應差分算法的五軸農機件數控加工刀具軌跡優化

五軸數控加工的走刀軌跡比較復雜，由于多軸同時控制存在協同性問題，要想使各軸發揮最佳功能，必須對刀具軌跡進行優化處理[26-29]。本文采用自適應差分算法對農機件的數控加工進行刀具軌跡優化，其流程如圖3所示。

圖3表示基于自適應差分進化的刀具軌跡優化過程，其算法流程包括數據的初始化、適應度函數和進化操作，最終確定刀具軌跡優化的邊界條件。其中，初試位置和終止位置的確定可以根據加工部件來確定，其加工路徑和加工時間為自變量，加工路徑可以表示為加工時間的三次多項式，通過對多項式系數的優化，得到最優的加工路徑。三次擬合多項式為

θ(t)=a1t3+a2t2+a3t+a4

(1)

其中，θ表示加工路徑；t是加工的時間；a表示待優化的參數。根據農機零部件的結構，可以確定初始和最終的加工參數為

(2)

其中，T為一個加工周期五軸數控機床使用的時間，據此可以推算三次多項式的優化系數為

(3)

五軸數控加工中心刀具路徑規劃最短的樣條曲線優化目標函數可以寫成

(4)

圖3 基于自適應差分進化的多軸走刀軌跡優化Fig.3 The multi axis tool path optimization Based on Adaptive Differential Evolution

適應度函數可以寫成

(5)

假設刀具在第i步的運行角速度為

(6)

則有

(7)

其中，q′和t′的數值是由五軸數控加工中心刀具位置的橫縱坐標決定的，對x′值的優化會對t′值的大小產生一定的影響，最佳的刀具軌跡位置在ti或者(ti,ti+1)區間，則

(8)

3 五軸數控加工中心刀具算法在農機零部件加工中的應用測試

為了驗證自適應差分算法對五軸機床刀具軌跡優化算法的實際作用，以一款修剪機械的凸型和凹形復雜零件的加工為研究對象，對刀具軌跡進行規劃，并以實際加工效果驗證算法的可靠性。果樹修剪機的機型如圖4所示。

圖4 實驗加工零部件使用的機型Fig.4 The used models for experimental processing parts

圖4是一款新型的果樹自動化修剪機器人性質的農機，由于其在傳動過程中要完成復雜的動作，因此在其關節部位經常采用復雜凸型和凹形的連接部件，給農機部件的加工帶來了加大的麻煩；而采用五軸數控加工中心可以合理地對刀具的運行軌跡進行規劃，使刀具完成曲線運動，從而實現復雜零部件的加工。

為了驗證刀具軌跡優化算法的可靠性，需要可以采用刀具軌跡仿真的方法對其進行理論性研究。圖5表示采用算法編程技術得到的刀具運行曲線；其直接加工的運行過程如圖6所示。

圖5 刀具軌跡優化Fig.5 Tool path optimization

圖6 刀具軌跡優化前Fig.6 Before tool path optimization

由圖6可以看出：在較為復雜的曲線彎轉部位存在加工走刀稀疏的情況，會給農機部件的加工質量造成加大的影響，通過優化后，得到了如圖7所示的優化效果。

圖7 刀具軌跡優化后Fig.7 After tool path optimization

由圖7可以看出：相比較優化之前，刀具的運行軌跡在較為復雜的部位增加了走刀的密集程度，從而保證復雜部位的加工精度，通過加工實驗得到了如圖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，可以滿足農機配件復雜零部件的精密加工需求。

4 結論

為了實現農機復雜零部件的加工，采用五軸數控加工中心，利用離線編程技術、CAD/CAM系統及刀具自適應差分軌跡優化算法，設計了零部件的加工刀具軌跡仿真系統和實驗平臺。為了驗證系統的可靠性，對刀具的走刀軌跡進行了仿真和實驗測試。實驗結果表明：采用刀具軌跡優化算法后，其較為復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：采用五軸數控加工中心和刀具優化算法加工出來的零件光滑程度較好，機械加工精度較高，可以滿足復雜農機零部件高精度加工的需求。

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