曲軸件數(shù)控加工刀具的無干涉刀位軌跡優(yōu)化方法

摘要：常規(guī)無干涉刀位軌跡優(yōu)化方法通過計(jì)算相鄰軌跡間殘余高度實(shí)現(xiàn)軌跡優(yōu)化，容易受到刀具接觸點(diǎn)曲率分布的影響，使得加工耗時(shí)較長。因此，文章提出曲軸件數(shù)控加工刀具的無干涉刀位軌跡優(yōu)化方法。通過分析曲軸件結(jié)構(gòu)和刀位走向，確定刀軸矢量組，結(jié)合設(shè)定的數(shù)控加工坐標(biāo)系，根據(jù)后跟傾角計(jì)算接觸點(diǎn)曲率分布，基于等效曲率．對刀軸偏置線進(jìn)行索引．進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刀位軌跡的優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該方法能夠極大地縮短加工耗時(shí)，提高加工效率。

關(guān)鍵詞：曲軸件；數(shù)控加工；刀位軌跡；無干涉；優(yōu)化方法

中圖法分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 引言

曲軸類零件的幾何架構(gòu)復(fù)雜，走刀步長、刀具后跟傾角、行距等均是影響曲軸件加工效率的因素。為提高架構(gòu)效率以及架構(gòu)質(zhì)量，需要對刀位軌跡優(yōu)化方法進(jìn)行深入研究［１］ 。目前，智能優(yōu)化算法和以網(wǎng)格均勻化技術(shù)為核心的優(yōu)化算法是應(yīng)用較為廣泛的２ 類方法?；谥悄艿膬?yōu)化算法以偏置法為基礎(chǔ)，通過樣條插值技術(shù)計(jì)算軌跡控制點(diǎn)，結(jié)合葉片模型并采用旋轉(zhuǎn)尋優(yōu)的方式實(shí)現(xiàn)刀位軌跡優(yōu)化，但此方法忽略了工件表面粗糙度以及刀具接觸點(diǎn)變化的影響，故優(yōu)化結(jié)果不佳，以至于整個(gè)曲軸件加工耗時(shí)較長；基于網(wǎng)格均勻化的刀具路徑優(yōu)化方法通過加工工件邊界和輪廓偏移線生成刀具路徑。該方法的重點(diǎn)是線切割路徑的優(yōu)化，但尚未對精加工的優(yōu)化進(jìn)行研究。因此，其生成的刀具路徑長度不是最短的，將影響加工效率［２］ 。本文針對這一系列問題及為切實(shí)提高加工效率，提出了一種曲軸件數(shù)控加工刀具的無干涉刀位軌跡優(yōu)化方法，使得加工過程中的排刀方案更加合理，從而提高加工效率。

２ 刀具刀位軌跡優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

２．１ 刀軸矢量組的確定

曲軸零部件的類型繁多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為刀具刀位的走向確定加大了難度。因此，在進(jìn)行刀位軌跡優(yōu)化之前，先分析曲軸工件的結(jié)構(gòu)組成，簡化優(yōu)化過程。

數(shù)控加工中的曲軸零部件大多屬于不可展直紋面，主要由葉根線和葉頂線所對應(yīng)的直母線組成［３］ 。由于直紋面與母線所在的等距面均為自由曲面，因此，在確定加工刀位時(shí)，要將自由曲面和工件大多軸跡面進(jìn)行分開計(jì)算。曲軸件數(shù)控加工刀具的刀位示意圖如圖１ 所示。

３ 仿真分析

３．１ 仿真準(zhǔn)備

為模擬真實(shí)曲軸件數(shù)控加工環(huán)境，采用數(shù)控仿真軟件ＶＥＲＩＣＵＴ。它是專門用于模擬數(shù)控機(jī)床加工的仿真與優(yōu)化軟件，可以對各種系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在仿真過程中對程序進(jìn)行檢驗(yàn)、分析、修正等，進(jìn)而得到最佳仿真結(jié)果。仿真操作流程如圖６ 所示。

本文搭建的實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境包括數(shù)控機(jī)床及零部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立、曲軸件模型的建立、數(shù)控加工設(shè)備的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置及刀具類型庫的創(chuàng)建等。其中，數(shù)控機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括單一機(jī)床基體和組合機(jī)床基體、Ｘ／ Ｙ／ Ｚ 軸、主軸擺動(dòng)部件Ｂ 軸、工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)部件Ｃ 軸等部分；實(shí)驗(yàn)中的機(jī)床模型直接在仿真軟件附帶的機(jī)床模型庫中選用，既簡化了實(shí)驗(yàn)流程，又保證了實(shí)際加工的經(jīng)濟(jì)性和便捷性［１４］ ；數(shù)控加工設(shè)備的相關(guān)參數(shù)設(shè)置包括零部件碰撞檢測、加工最大誤差、作業(yè)行程、軸優(yōu)先順序以及機(jī)床備忘錄等參數(shù)；刀具長度、類型、夾持點(diǎn)等共同組成刀具類型庫。

實(shí)驗(yàn)選用的ＨＳＣ７５ ｌｉｎｅａｒ 加工中心屬于刀具擺動(dòng)與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)類型。機(jī)床主要參數(shù)如表１ 所列。

通過上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選定及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，在實(shí)驗(yàn)中以超硬ＰＣＢＮ 整體燒結(jié)式刀具為數(shù)控加工仿真對象，對加工刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化仿真，ｂｏｎｇ 判斷定位軌跡是否合理。

３．２ 實(shí)驗(yàn)說明

為使本文刀位軌跡優(yōu)化方法能夠滿足實(shí)際曲軸件數(shù)控加工的應(yīng)用要求，對曲軸件進(jìn)行建模，并采用將連續(xù)短直線表達(dá)的刀位軌跡轉(zhuǎn)換為多條曲線表達(dá)的刀位軌跡的形式，對刀位軌跡進(jìn)行分段加擬合處理，最終生成曲線Ｇ 代碼，用于曲軸件數(shù)控加工［１５］ ，刀具葉片下表面模型如圖７ 所示。

如圖７ 所示，該葉片面積約為５ ｍ２，取刀具半徑Ｒ ＝１００ ｍｍ，要求殘余高度ｈ′ ＝０．５ ｍｍ，允許最大加工誤差為０．５ ｍｍ。

３．３ 優(yōu)化結(jié)果實(shí)驗(yàn)分析

由于研究的是無干涉刀位軌跡優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，因此基于上述刀具模型，根據(jù)設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，忽略刀具進(jìn)退刀矢量等輔助參數(shù)的影響，采用本文方法對刀具的軌跡進(jìn)行優(yōu)化。從曲軸件的曲面造型中提取所有零部件加工表面和相關(guān)型面的計(jì)算結(jié)果，并從刀位文件中取出刀具軌跡信息，將結(jié)果進(jìn)行組合顯示，并將計(jì)算優(yōu)化后的軌跡長度與優(yōu)化前進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表２ 所列。

通過對實(shí)際刀具葉片模型的計(jì)算，利用本文方法對刀具的刀位軌跡進(jìn)行優(yōu)化并與優(yōu)化前的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。從表２ 可以看出，應(yīng)用該方法生成的刀位軌跡參數(shù)相比于優(yōu)化前均明顯減少，優(yōu)化后的軌跡長度比優(yōu)化前縮短了１０ ７１３．２２３ ｍｍ，進(jìn)而減少了加工時(shí)間，有效提高了加工效率。

３．４ 加工效率實(shí)驗(yàn)分析

在上述優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上，為驗(yàn)證本文方法在加工效率方面的優(yōu)越，同時(shí)將基于智能算法的刀位軌跡優(yōu)化方法（方法１）、基于網(wǎng)格均勻化的刀位軌跡優(yōu)化方法（方法２）與本文方法作對比。分別采用不同優(yōu)化方法對刀位軌跡進(jìn)行優(yōu)化，并統(tǒng)計(jì)整個(gè)曲軸件數(shù)控加工工藝中各個(gè)程序的加工時(shí)間，得到的對比結(jié)果如圖８ 所示。

通過分析圖８，利用方法１ 對刀位軌跡進(jìn)行優(yōu)化后，整個(gè)曲軸件數(shù)控加工耗時(shí)為３３２ ｍｉｎ，方法２ 的整體加工耗時(shí)為４５６ ｍｉｎ，本文方法的加工總時(shí)長為１３４ ｍｉｎ。方法１ 加工耗時(shí)較長的原因是其主要依靠刀具的吃刀深度來界定優(yōu)化區(qū)域邊界，當(dāng)加工工件的位置變化在不連續(xù)的情況下，該方法計(jì)算出的吃刀深度存在誤差，因此需要在軌跡優(yōu)化過程中對誤差進(jìn)行不斷修正，從而導(dǎo)致軌跡刀位數(shù)和長度較大，延長了加工時(shí)間；方法２ 加工效率低主要是由于在判斷刀具干涉點(diǎn)時(shí)，缺少對過切和欠切情況的考慮，因此加工耗時(shí)是最長的；而本文方法根據(jù)刀位的曲面曲率，分別優(yōu)化有限個(gè)刀位點(diǎn)的坐標(biāo)值，將優(yōu)化后的坐標(biāo)值進(jìn)行擬合，從而組成了優(yōu)化后的刀具走刀軌跡。因此，利用本文方法對刀位軌跡進(jìn)行優(yōu)化，可極大地縮短加工耗時(shí)，達(dá)到提高工件加工效率的目的。

４ 結(jié)束語

本文通過分析曲軸件結(jié)構(gòu)，計(jì)算刀軸矢量組和刀具掃描面的等效曲率，完成無干涉刀位軌跡的優(yōu)化，確保能夠加工出符合性能要求的曲軸零部件。通過數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在曲軸件數(shù)控加工中，利用該方法對刀位軌跡進(jìn)行優(yōu)化，可大幅度減少刀位軌跡長度，進(jìn)而提高曲軸件加工效率。

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作者簡介：劉飛（１９８５—），本科，講師，研究方向：數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造和逆向工程。