零部件加工中五軸數(shù)控加工中心刀具算法應(yīng)用研究

摘 要：為了解決零部件精密加工這一復(fù)雜問(wèn)題，在加工過(guò)程中引入五軸數(shù)控加工，通過(guò)對(duì)刀具路徑自適應(yīng)微分算法的優(yōu)化，它可以有效提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的加工效率和加工精度的復(fù)雜部分。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)控系統(tǒng)可以獲得復(fù)雜農(nóng)機(jī)部件的精密加工效果，為復(fù)雜加工提供了新的方向。

關(guān)鍵詞：零部件加工；五軸數(shù)控；加工中心；刀具算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.052

由于我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代機(jī)械化水平越來(lái)越高，導(dǎo)致現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)自動(dòng)控制的部件精度也越來(lái)越高，而影響部件精度的主要關(guān)鍵問(wèn)題是機(jī)械加工技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的曲面進(jìn)行加工對(duì)于提高加工效率是具有非常高的意義的。但是，當(dāng)前我國(guó)企業(yè)使用的五軸機(jī)床大部門都沒(méi)有使用相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)以及理論來(lái)進(jìn)行五軸數(shù)控加工。對(duì)于部件加工來(lái)說(shuō)，切削量的優(yōu)化是提高復(fù)雜零件加工精度的有效方法。所以，如果企業(yè)采用了五軸數(shù)控加工技術(shù)，需要引進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械在復(fù)雜零件的制造過(guò)程中先研究刀具加工參數(shù)以及加工的路線，這樣來(lái)提供農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的加工水平。

1 基于CAD / CAM的農(nóng)機(jī)部件綜合數(shù)控加工系統(tǒng)

隨著CAD / CAM集成系統(tǒng)和刀具路徑優(yōu)化算法的發(fā)展，五軸加工中心已成為復(fù)雜零件的主要加工工具。如果用于加工機(jī)械零件，可以有效提高加工效率和質(zhì)量?；谌S機(jī)床，五軸數(shù)控機(jī)床增加了兩個(gè)可選軸。在三軸的基礎(chǔ)上，可以任意改變五軸數(shù)控機(jī)床的位置，有效縮短夾具的使用時(shí)間。因此，在復(fù)雜的農(nóng)機(jī)零件加工中，零件的加工效率將大大提高。在用5軸數(shù)控加工中心加工農(nóng)機(jī)部件時(shí)，可以使用CAD / CAM集成系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化刀具路徑。加工參數(shù)與CAD / CAM系統(tǒng)集成，并使用相關(guān)算法對(duì)刀具進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)刀具軌跡仿真，利用自適應(yīng)差分算法對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化，最終確定了五軸銑床的主要刀具軌跡。

2 基于自適應(yīng)差分算法的五軸農(nóng)機(jī)零件數(shù)控加工刀具軌跡調(diào)整

由于五軸數(shù)控加工復(fù)雜的導(dǎo)線，為了協(xié)調(diào)多軸同步控制，必須優(yōu)化刀具路徑，實(shí)現(xiàn)各軸功能的最佳實(shí)現(xiàn)。本文采用自適應(yīng)微分算法對(duì)農(nóng)機(jī)部件的數(shù)控加工刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化?；谧赃m應(yīng)差分進(jìn)化，算法過(guò)程包括數(shù)據(jù)初始化，自適應(yīng)函數(shù)和演化計(jì)算。最后確定優(yōu)化刀具路徑的邊界條件。初始測(cè)試位置和結(jié)束位置可以根據(jù)加工零件確定。處理路徑和處理時(shí)間是獨(dú)立變量，處理路徑可以表示為三個(gè)處理時(shí)間多項(xiàng)式。通過(guò)優(yōu)化多項(xiàng)式系數(shù)來(lái)獲得最佳處理路徑。三次擬合多項(xiàng)式為：

其中，代表代表處理路徑；t是處理時(shí)間；a代表要優(yōu)化的參數(shù)。初始和最終處理參數(shù)根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)來(lái)確定：

其中，T是在加工循環(huán)中加工五軸數(shù)控機(jī)床的時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，可以將三次多項(xiàng)式的優(yōu)化系數(shù)作為五軸數(shù)控加工中心刀具路徑規(guī)劃中最短樣條曲線優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

其中，T是加工循環(huán)中5軸數(shù)控機(jī)床的時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，可以估計(jì)三次多項(xiàng)式優(yōu)化系數(shù)是五軸數(shù)控加工中心最短的樣條曲線優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

其中，表示加工5軸數(shù)控機(jī)床i所需的時(shí)間；n 表示數(shù)控加工點(diǎn)中的點(diǎn)數(shù)；ξ代表基本的加工工具粘合劑約束，其中ξ>0；、、、分別表征加工刀具的角速度，角加速度，角加速度和位移矩。給出了角速度約束，角加速度約束，角加速度約束和關(guān)節(jié)扭矩約束。Ture表示可以通過(guò)降低適應(yīng)性而將其置于約束內(nèi)的二進(jìn)制表達(dá)式。最佳的刀具軌跡位置在 t i 或者 （t i ， t i+1 ） 區(qū)間， 則：

其中，指示工具最佳位置的絕對(duì)值； 刀具處于最佳位置時(shí)的速度的絕對(duì)值； ， i=1， 2， …， n-1 表示區(qū)間（t i，t i + 1）中絕對(duì)值的最大值，優(yōu)化后的參數(shù)直接輸入到CAD / CAM集成系統(tǒng)中。可以優(yōu)化5軸數(shù)控機(jī)床的刀具路徑。

3 五軸數(shù)控加工中心刀具算法應(yīng)用于農(nóng)機(jī)配件的加工

為了驗(yàn)證自適應(yīng)差分算法在五軸機(jī)床刀具路徑優(yōu)化算法中的實(shí)際應(yīng)用，研究了凹凸切削機(jī)床復(fù)雜零件的加工過(guò)程，設(shè)計(jì)了刀具路徑。實(shí)際的處理結(jié)果驗(yàn)證了算法的可靠性。一種新型自動(dòng)修剪機(jī)器人農(nóng)業(yè)機(jī)械由于其傳動(dòng)過(guò)程中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，經(jīng)常在其關(guān)節(jié)處使用復(fù)雜的凸形和凹形配件，這給農(nóng)機(jī)零件的加工帶來(lái)了更多的麻煩；五軸數(shù)控加工中心可合理規(guī)劃刀具路徑，使刀具完成曲線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工。為了驗(yàn)證刀具路徑優(yōu)化算法的可靠性，有必要使用刀具路徑模擬方法進(jìn)行理論研究。使用算法編程技術(shù)來(lái)獲得工具曲線。在較復(fù)雜的表面部件中，加工工具很少，這對(duì)農(nóng)機(jī)部件的加工質(zhì)量影響很大。在優(yōu)化和優(yōu)化比較之前，刀具軌跡增加了復(fù)雜零件中行走工具的密度。這種加工方法精度高，保證了零件的復(fù)雜、零件的高精度、復(fù)雜的表面光滑、加工毛刺少、加工精度高，能滿足農(nóng)機(jī)零件復(fù)雜零件的精密加工。

4 結(jié)論

本文首先介紹了基于CAD / CAM的農(nóng)機(jī)部件綜合數(shù)控加工系統(tǒng)，然后闡述了基于自適應(yīng)差分算法的五軸農(nóng)機(jī)零件數(shù)控加工刀具軌跡調(diào)整，最后介紹了五軸數(shù)控加工中心刀具算法應(yīng)用于農(nóng)機(jī)配件的加工的例子。最后希望通過(guò)本文的研究，對(duì)今后的專家學(xué)者研究相關(guān)的課題有一定的幫助與借鑒作用。

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作者簡(jiǎn)介：何禛（1982-），男，浙江臺(tái)州人，研究生在讀，講師，主要研究方向：數(shù)控加工技術(shù)，職業(yè)教育。