五軸數(shù)控加工中心刀具算法及農(nóng)機(jī)零部件加工

蘇永華 李健龍

【摘 要】本文闡述在加工生產(chǎn)復(fù)雜的農(nóng)機(jī)零部件中添加五軸數(shù)控加工技術(shù)，并運(yùn)用自適應(yīng)差分的計算方法來對加工的刀具軌跡進(jìn)行合理優(yōu)化的具體做法，以較好地提升農(nóng)機(jī)零件加工的效率和精度。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)機(jī)零部件? 五軸數(shù)控加工? 刀具算法

【中圖分類號】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）11B-0035-03

伴隨農(nóng)機(jī)科技水平的提升，其系統(tǒng)中與自動化控制系統(tǒng)相對應(yīng)的高精度零件也變得非常復(fù)雜，尤其是加工技術(shù)，這一因素是阻礙現(xiàn)時期農(nóng)機(jī)設(shè)計發(fā)展的重點(diǎn)問題。為了能夠?qū)ο鄬?fù)雜的農(nóng)機(jī)零件高精度加工的問題處理好，在加工生產(chǎn)的工序當(dāng)中添加五軸數(shù)控這種加工技術(shù)，并同時運(yùn)用自適應(yīng)差分的計算方法來對加工的刀具軌跡進(jìn)行合理優(yōu)化，可以較好地提升農(nóng)機(jī)零件加工的效率和精度。具體來說，就是通過離線編程這一技術(shù)與 CAD/CAM 的集成系統(tǒng)及 NC 的代碼，合理運(yùn)用五軸數(shù)控技術(shù)，能夠加工生產(chǎn)出曲面形狀復(fù)雜的農(nóng)機(jī)零部件。這種方法對于提升農(nóng)機(jī)零件加工成效來說有非常重要的意義和作用。當(dāng)前，我國大多數(shù)企業(yè)雖然已安裝了五軸的機(jī)床，但很大一部分都不清楚和了解五軸數(shù)控加工技術(shù)的理論，也沒有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，沒有切削參數(shù)與切削量的具體優(yōu)化參考數(shù)據(jù)。特別是切削參數(shù)與切削量的相應(yīng)優(yōu)化對于農(nóng)機(jī)零件的加工來說比較重要，因?yàn)槠鋾苯咏o農(nóng)機(jī)零部件的加工質(zhì)量、加工精度帶來影響。因此，如想把五軸數(shù)控加工的技術(shù)合理地添加到農(nóng)機(jī)的復(fù)雜的零件加工當(dāng)中，一定要深入研究和分析刀具加工技術(shù)中的參數(shù)與路徑，從而才能更好地提升農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的加工安全性與穩(wěn)定性。

一、集成化農(nóng)機(jī)數(shù)控部件加工系統(tǒng)

伴隨集成系統(tǒng)與刀具軌跡計算方法的發(fā)展，五軸數(shù)控加工成為零部件加工的重要工具，如果把其應(yīng)用于農(nóng)機(jī)復(fù)雜零件的加工當(dāng)中，那么就能夠良好地提升復(fù)雜零件的質(zhì)量和加工的效率。五軸數(shù)控加工的機(jī)床是在三軸加工機(jī)床的基礎(chǔ)上添設(shè)了兩個可以靈活選擇的軸。依據(jù)所采用的旋轉(zhuǎn)方式的不同，通常會把經(jīng)常使用的五軸加工機(jī)床劃分成雙擺頭類、轉(zhuǎn)臺擺頭類。

在三軸基礎(chǔ)之上的五軸加工數(shù)控機(jī)床，如果從理論層面來對其進(jìn)行剖析，其系統(tǒng)中的刀具位置是可以靈活地隨意地變動的，這種人性化的設(shè)置可充分地減少刀具裝夾操作所耗費(fèi)的時間，不同程度地提升五軸數(shù)加工數(shù)控機(jī)床的加工效率，而且還可較大地延長刀具的使用壽命。因此在農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的加工過程中，合理性地運(yùn)用五軸加工數(shù)控機(jī)床將能較大地提升零部件加工的效率。在運(yùn)用五軸數(shù)控機(jī)床加工中心來對農(nóng)機(jī)復(fù)雜零配件加工的時候，可使用相應(yīng)的集成系統(tǒng)來對刀具軌跡實(shí)行有效優(yōu)化。

這是基于五軸數(shù)控集成化的農(nóng)機(jī)部件數(shù)控加工流程圖。首先，明確農(nóng)機(jī)的復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)，掌握其加工時所運(yùn)用的具體參數(shù)。其次，使用相應(yīng)的集成系統(tǒng)來對農(nóng)機(jī)零部件加工過程中所用的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行集成化操作，在系統(tǒng)中使用合理的計算方法對五軸數(shù)控加工中心的刀具進(jìn)行優(yōu)化。本文所采用的是自適應(yīng)差分形式的計算法，并同時對刀具軌跡實(shí)施仿真模擬，以此來對五軸數(shù)據(jù)控加工中心的刀具加工的軌跡進(jìn)行優(yōu)化。最后，確定五軸機(jī)床中刀具加工的主要路徑。

二、運(yùn)用自適應(yīng)差分算法優(yōu)化五軸數(shù)控加工刀具軌跡

在五軸數(shù)控機(jī)床的加工過程中，其走刀的軌跡非常復(fù)雜。因?yàn)橥瑫r對多個軸進(jìn)行控制時存在協(xié)同性的難度，所以如果想讓數(shù)控機(jī)床中的每個軸都發(fā)揮出最大的功效，那么一定要對數(shù)控加工中心的刀具的軌跡做優(yōu)化處理。我們在此運(yùn)用自適應(yīng)差分的算法來對五軸數(shù)控加工中心的刀具的軌跡實(shí)施具體優(yōu)化。此為基于自適應(yīng)差分算法進(jìn)行的多軸走刀軌跡優(yōu)化圖。

基于自適應(yīng)差分算法優(yōu)化的多軸走刀軌跡優(yōu)化圖表示的是以自適應(yīng)差分的算法為依托來對五軸數(shù)控加工中心的刀具軌跡實(shí)施優(yōu)化，這一操作流程包含數(shù)據(jù)的初始化，適應(yīng)函數(shù)與進(jìn)化操作，以獲得刀具優(yōu)化軌跡的條件。在此操作過程中，初始和終止的位置可參照加工的零部件來給予具體明確。五軸數(shù)控加工路徑與時間都是屬于自變量，五軸數(shù)據(jù)控加工的路徑能夠用三次加工的多項(xiàng)式來表示，通過優(yōu)化多項(xiàng)式中的系數(shù)，得出合理、科學(xué)的五軸數(shù)控加工路徑。三次加工的多項(xiàng)式：

在這一多項(xiàng)式當(dāng)中 θ 代表五軸數(shù)控的加工路徑，t 代表五軸數(shù)控的加工時間，a 代表五軸數(shù)控的加工中待優(yōu)化的參數(shù)。參照五軸數(shù)控加工的零部件結(jié)構(gòu)，此加工的公式可獲得加工初始時期和最終時期的參數(shù)，即

公式中的 T 代表五軸數(shù)控的加工周期，確切地說，就是五軸數(shù)控加工所耗費(fèi)的時間。由此公式推算，得出優(yōu)化系數(shù)是：

五軸數(shù)控機(jī)床刀具路徑最短曲線優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是：

三、在農(nóng)機(jī)零部件加工中五軸數(shù)控加工中心刀具算法的應(yīng)用

為了有效地證明自適應(yīng)差分法對五軸數(shù)控加工中心的刀具軌跡優(yōu)化情況，我們可以選擇凹凸類零件加工作為研究對象，對刀具進(jìn)行具體的規(guī)劃，并以現(xiàn)實(shí)的加工效果來檢測五軸數(shù)控加工中心刀具算法是不是安全可靠。例如一種用于修剪果樹的新型自動修剪機(jī)，它屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械。因?yàn)樵摍C(jī)器在傳動過程中需要完成的動作非常復(fù)雜，所以機(jī)械的各位置會運(yùn)用一些復(fù)雜的連接零部件，這給零件的加工增大難度。然而用五軸數(shù)控機(jī)床來加工復(fù)雜的農(nóng)機(jī)零部件時，能夠適當(dāng)?shù)貙Φ毒叩能壽E進(jìn)行合理規(guī)劃，讓刀具保持曲線運(yùn)行，從而加工出復(fù)雜零部件。為了確定刀具軌跡的優(yōu)化算法具備可靠性，需對五軸數(shù)據(jù)控加工中心刀具的軌跡實(shí)施仿真的操作，以此來對其軌跡進(jìn)行分析和研究。

通過算法編程技術(shù)獲得刀具的實(shí)際運(yùn)行線。五軸數(shù)控機(jī)床加工中心直接加工運(yùn)行的過程，由此圖可以發(fā)現(xiàn)，在曲線彎轉(zhuǎn)的情況下，加工中會存在走刀的現(xiàn)象。這種情況會對加工的農(nóng)機(jī)零部件質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。在對其進(jìn)行優(yōu)化以后，會獲得明顯的優(yōu)化效果。

通過這一刀具軌跡優(yōu)化后的圖片可以看出，與未進(jìn)行優(yōu)化操作以前的圖片相比較，從刀具運(yùn)行的軌跡看，在復(fù)雜部位增加了走刀過程的密集度，這樣可以確保農(nóng)機(jī)零部件復(fù)雜部位加工的精度。從零部件加工后的效果能夠明顯地看出農(nóng)機(jī)零件加工的精度變得非常高，復(fù)雜部件的表面比沒有進(jìn)行刀具軌跡優(yōu)化操作以前光滑得多，零部件加工后的毛刺也非常少，達(dá)到高精密加工水平，取得復(fù)雜性農(nóng)機(jī)零配件加工的精密度。

但是需要注意的是，運(yùn)用五軸數(shù)控進(jìn)行加工的時候，由于刀具的矢量在不斷地變化，并且計算也非常復(fù)雜，因此，為了充分有效地確保計算方法的安全可靠性，對刀具的運(yùn)行軌跡進(jìn)行優(yōu)化后，要進(jìn)行仿真模擬測試，即要對刀具的運(yùn)行軌跡進(jìn)行仿真模擬操作和相應(yīng)的測試實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過測試合格后，才能進(jìn)行實(shí)物加工。

總的來說，加工復(fù)雜性農(nóng)機(jī)零件的時候，選擇五軸數(shù)控加工機(jī)床，通過運(yùn)用離線編程法、集成化系統(tǒng)與自適應(yīng)差分的刀具軌跡優(yōu)化法，可明顯提升加工的精度，使加工出的零部件的表面獲得理想的光滑度，有效地滿足農(nóng)機(jī)復(fù)雜零部件的高精度加工需要。這種加工方法為現(xiàn)時期的農(nóng)機(jī)復(fù)雜性零部件加工指明新的方向，較好地促進(jìn)我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)的快速可持續(xù)發(fā)展，為我國創(chuàng)造出更大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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（責(zé)編 盧建龍）