數(shù)控多軸聯(lián)動(dòng)加工甘蔗剝?nèi)~零件精度優(yōu)化

摘 要：本文針對(duì)甘蔗剝?nèi)~零件采用數(shù)控多軸聯(lián)動(dòng)加工中的精度控制問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。全面分析了甘蔗剝?nèi)~零件加工工藝系統(tǒng)，包括機(jī)床、刀具、工件裝夾以及數(shù)控編程等，探討了影響零件精度的關(guān)鍵因素。運(yùn)用誤差補(bǔ)償、優(yōu)化加工參數(shù)、改進(jìn)刀具路徑以及合理設(shè)計(jì)工裝夾具等方法，對(duì)甘蔗剝?nèi)~零件精度進(jìn)行有效控制與優(yōu)化。經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，本文提出的加零件精度控制與優(yōu)化策略顯著提高了零件的加工精度，為甘蔗剝?nèi)~機(jī)械的高質(zhì)量制造發(fā)展提供了有力保障，助推現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)控多軸聯(lián)動(dòng)加工；甘蔗剝?nèi)~零件；精度控制

中圖分類號(hào)：TP 391" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)科技迅猛發(fā)展，自動(dòng)化成為了不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。自動(dòng)化甘蔗收割設(shè)備離不開(kāi)高端制造零件的支持[1]。其中，甘蔗剝?nèi)~是甘蔗收獲環(huán)節(jié)中的重要工序，甘蔗剝?nèi)~零件的質(zhì)量將直接影響剝?nèi)~機(jī)械的性能與工作效率。數(shù)控多軸聯(lián)第加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)備機(jī)械制造領(lǐng)域，如何保證甘蔗剝?nèi)~零件在多軸聯(lián)第加工過(guò)程中的精度，成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[2]。實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)表明，甘蔗剝?nèi)~機(jī)的零件受多種因素的影響，導(dǎo)致其精度與理想值間存在一定差異[3]。因此，針對(duì)這些影響因素進(jìn)行有效控制和優(yōu)化，可以提高甘蔗剝?nèi)~機(jī)的零件精度[4]。高精度的甘蔗剝?nèi)~零件不僅能夠提高剝?nèi)~機(jī)的剝?nèi)~效果與剝?nèi)~質(zhì)量，而且能延長(zhǎng)其設(shè)備零件的使用壽命，降低維護(hù)設(shè)備成本，在現(xiàn)代智能化甘蔗剝?nèi)~產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化發(fā)展中具有重大意義。

1 甘蔗剝?nèi)~機(jī)工作原理分析

甘蔗是一種含糖量較高的農(nóng)作物，是制糖的重要原料。成熟甘蔗的結(jié)構(gòu)主要包括甘蔗桿和葉片。在蔗糖制作過(guò)程中，需要去除葉片才能保留近似圓柱的甘蔗桿，便于進(jìn)行糖分提取。甘蔗葉片的自動(dòng)化剝離通常采用甘蔗剝?nèi)~機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，在輸入滾筒和輸出滾筒的導(dǎo)向作用下，甘蔗從左向右移動(dòng)。在移動(dòng)過(guò)程中，甘蔗葉自然垂落并插入剝?nèi)~滾筒處。多個(gè)剝?nèi)~滾筒平行排列，每個(gè)剝?nèi)~滾筒外圓周帶有剝?nèi)~齒，從而將甘蔗葉剪斷，達(dá)到剝?nèi)~的目的。剝?nèi)~滾筒的工作原理如圖2所示。

從剝?nèi)~滾筒的軸向觀察剝?nèi)~過(guò)程，甘蔗葉進(jìn)入2個(gè)剝?nèi)~滾筒間，剝?nèi)~滾筒利用剝?nèi)~齒的嚙合作用，在滾動(dòng)過(guò)程中將甘蔗葉剪斷，從而達(dá)到剝?nèi)~的目的。

2 數(shù)控多軸加工對(duì)甘蔗剝?nèi)~機(jī)零件精度的影響因素分析

從甘蔗剝?nèi)~機(jī)尤其是剝?nèi)~滾筒、剝?nèi)~齒的工作原理可以看出，這些關(guān)鍵零件對(duì)剝?nèi)~效果具有至關(guān)重要的作用。這些零件的影響因素如下所示。

2.1 機(jī)床因素的影響

2.1.1 機(jī)床幾何精度的影響

數(shù)控多軸機(jī)床的幾何精度是保證零件加工精度的基礎(chǔ)。例如，各坐標(biāo)軸的定位精度、直線度、垂直度以及回轉(zhuǎn)精度等指標(biāo)將直接影響零件的尺寸和形狀精度。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，在磨損、熱變形等因素的影響下，機(jī)床的幾何精度會(huì)逐漸下降。以一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心為例，其X軸的定位精度偏差如果超過(guò)±0.01mm，那么在加工甘蔗剝?nèi)~零件的長(zhǎng)軸類特征過(guò)程中，就會(huì)導(dǎo)致尺寸誤差超出允許范圍。

2.1.2 機(jī)床熱變形的影響

在機(jī)床加工過(guò)程中，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)、導(dǎo)軌摩擦以及切削熱等因素會(huì)產(chǎn)生熱量，因此機(jī)床結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生熱變形。這種熱變形會(huì)使刀具與工件間的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響加工精度。例如，當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸前端的溫升可高達(dá)數(shù)十?dāng)z氏度，導(dǎo)致主軸伸長(zhǎng)，進(jìn)而影響加工深度的精度。

2.2 刀具因素的影響

2.2.1 刀具磨損的影響

在加工甘蔗剝?nèi)~零件過(guò)程中，刀具會(huì)不可避免地會(huì)發(fā)生磨損。刀具磨損后，其切削刃的形狀和尺寸發(fā)生改變，會(huì)直接影響零件的加工精度。例如進(jìn)行銑削加工時(shí)，刀具的后刀面磨損會(huì)使切削刃半徑增大，導(dǎo)致加工后的零件尺寸變小。試驗(yàn)表明，連續(xù)加工50個(gè)甘蔗剝?nèi)~零件后，硬質(zhì)合金銑刀的后刀面磨損量可達(dá)0.05mm～0.1mm，此時(shí)零件的輪廓尺寸誤差可達(dá)±0.03mm。

2.2.2 刀具幾何參數(shù)的影響

刀具的幾何參數(shù)，例如刀具的前角、后角和刃傾角等，對(duì)加工精度也有重要影響。不合理的刀具幾何參數(shù)會(huì)導(dǎo)致切削力增大、切削溫度升高，從而引起零件變形和表面質(zhì)量下降。例如，當(dāng)?shù)毒咔敖沁^(guò)小時(shí)，切削力會(huì)顯著增大，在加工薄壁結(jié)構(gòu)的甘蔗剝?nèi)~零件過(guò)程中易使零件產(chǎn)生變形。

2.3 工件裝夾因素的影響

2.3.1 裝夾方式的影響

工件的裝夾方式直接決定了其在加工過(guò)程中的定位精度和穩(wěn)定性。如果形狀復(fù)雜的甘蔗剝?nèi)~零件的裝夾方式不合理，那么在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)位移和振動(dòng)。例如，采用傳統(tǒng)的三爪卡盤(pán)裝夾具有不規(guī)則曲面的甘蔗剝?nèi)~零件，接觸面積有限，因此在切削力的作用下，零件容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和偏移，導(dǎo)致加工精度下降。

2.3.2 裝夾力的影響

裝夾力的大小和分布也會(huì)影響零件加工精度。裝夾力過(guò)大，可能會(huì)使零件產(chǎn)生變形，裝夾力過(guò)小，則無(wú)法保證零件在加工過(guò)程中的穩(wěn)定性。以一個(gè)具有細(xì)長(zhǎng)軸結(jié)構(gòu)的甘蔗剝?nèi)~零件為例，如果裝夾力不均勻，那么在加工過(guò)程中，細(xì)長(zhǎng)軸會(huì)因受力不均而發(fā)生彎曲變形，影響其圓柱度和同軸度等精度指標(biāo)。

2.4 數(shù)控編程因素的影響

2.4.1 刀具路徑規(guī)劃的影響

刀具路徑的規(guī)劃直接影響零件的加工精度和表面質(zhì)量。不合理的刀具路徑可能會(huì)導(dǎo)致刀具的頻繁進(jìn)退刀、切削力的急劇變化以及加工殘留量不均勻等問(wèn)題。例如，在加工甘蔗剝?nèi)~零件的復(fù)雜曲面時(shí)，如果采用直線插補(bǔ)的刀具路徑，會(huì)使曲面的加工精度較低，表面粗糙度較大。

2.4.2 數(shù)控代碼精度的影響

數(shù)控代碼的精度決定了機(jī)床坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)精度。在編程過(guò)程中，如果數(shù)據(jù)處理不當(dāng)或采用的編程算法存在誤差，生成的數(shù)控代碼會(huì)導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)動(dòng)的偏差，從而影響零件加工精度。例如，在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)，舍入誤差可能會(huì)累積，使刀具的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡偏離理想軌跡。

3 甘蔗剝?nèi)~機(jī)零件精度控制與優(yōu)化方法

由上文可知，影響甘蔗剝?nèi)~機(jī)零件精度的因素較多。為了更好地控制和優(yōu)化剝?nèi)~零件精度，本文采取遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化處理，其基本思想是將甘蔗剝?nèi)~機(jī)零件精度的各種影響因素對(duì)應(yīng)到每一個(gè)具體的基因中。這些基因的不同排布會(huì)形成不同的染色體，進(jìn)而在遺傳算法的操作下持續(xù)優(yōu)化，直到滿足算法的迭代條件。零件精度控制優(yōu)化的主要過(guò)程如圖3所示。

在圖3中，遺傳算法主要包括交叉、遺傳和變異等操作。首先，在遺傳算法可能的種群中選擇2個(gè)染色體用于交叉操作，但是這2個(gè)染色體不能存在基因重復(fù)的情況。其次，在交叉操作的過(guò)程中，要明確2個(gè)上一代染色體中特殊的基因，這些特殊基因必須無(wú)條件遺傳到下一代染色體中，此即界限基因。最后，在界限基因的限制下，剩余的其他位置由上一代染色體進(jìn)行基因填充，從而形成新的染色體，至此完成交叉操作。

控制優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)需要滿足適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)定，如公式（1）所示。

（1）

式中：p（k）為當(dāng)前時(shí)刻GA種群第k種可能的適應(yīng)度函數(shù)值占全部可能適應(yīng)度函數(shù)值的概率；Fit（k）為當(dāng)前時(shí)刻GA種群的第k種可能的適應(yīng)度函數(shù)值。

根據(jù)公式（1），概率最大的適應(yīng)度將被遺傳到下一代種群。經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化過(guò)程，就可以得到提升剝?nèi)~機(jī)零件精度的控制優(yōu)化方案。

4 甘蔗剝?nèi)~機(jī)零件精度控制與優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)置

選取典型的甘蔗剝?nèi)~零件作為試驗(yàn)對(duì)象，在配備高精度測(cè)量系統(tǒng)的五軸加工中心上進(jìn)行加工試驗(yàn)。試驗(yàn)分為2組，一組采用傳統(tǒng)的加工工藝和編程方法（對(duì)照組），另一組采用本文提出的精度控制與優(yōu)化方法（試驗(yàn)組）。在加工過(guò)程中，分別對(duì)機(jī)床的溫度、刀具的磨損量、工件的裝夾變形以及加工后的零件精度進(jìn)行測(cè)量和記錄。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 尺寸精度

對(duì)加工后的甘蔗剝?nèi)~零件進(jìn)行尺寸測(cè)量。結(jié)果表明，試驗(yàn)組零件的尺寸精度高于對(duì)照組。例如，試驗(yàn)組中的零件關(guān)鍵尺寸的公差范圍為±0.02mm以內(nèi)，而對(duì)照組的尺寸公差范圍為±0.05mm。主要原因是試驗(yàn)組采用了機(jī)床精度補(bǔ)償、刀具磨損補(bǔ)償以及高精度數(shù)控代碼生成等方法，有效減少了各種誤差因素對(duì)尺寸精度的影響。優(yōu)化控制前、后剝?nèi)~零件尺寸精度對(duì)比如圖4所示。

4.2.2 形狀精度

利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)零件的形狀精度進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組零件的形狀誤差顯著降低。例如，試驗(yàn)組中零件的圓柱度誤差平均為0.008mm，而對(duì)照組的圓柱度誤差高達(dá)0.02mm。原因是試驗(yàn)組采取了專用工裝夾具設(shè)計(jì)、裝夾力優(yōu)化以及刀具路徑優(yōu)化算法等措施，提高了零件在加工過(guò)程中的定位精度和刀具切削的均勻性。

4.2.3 表面質(zhì)量

采用表面粗糙度儀測(cè)量零件的表面粗糙度。試驗(yàn)組零件的表面粗糙度值Ra為0.8μm～1.2μm，而對(duì)照組的表面粗糙度值Ra為1.5μm～2.5um。原因是試驗(yàn)組應(yīng)用了刀具幾何參數(shù)優(yōu)化、等殘留高度刀具路徑規(guī)劃算法，能夠使刀具切削更平穩(wěn)，加工殘留量更小，從而提高了零件的表面質(zhì)量。優(yōu)化控制前、后剝?nèi)~零件尺寸精度對(duì)比如圖5所示。

5 結(jié)論

本文研究了基于數(shù)控多軸加工的甘蔗剝?nèi)~零件精度控制與優(yōu)化，全面分析了影響零件精度的機(jī)床、刀具、工件裝夾和數(shù)控編程等因素，并提出了相應(yīng)的精度控制與優(yōu)化方法。驗(yàn)證試驗(yàn)證明，采用這些方法能夠顯著提高甘蔗剝?nèi)~零件的加工精度，包括尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量等方面。在實(shí)際生產(chǎn)中，本文研究成果可以為甘蔗剝?nèi)~機(jī)械制造企業(yè)提供有效的技術(shù)支持，有助于提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造的整體水平，推動(dòng)甘蔗產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化進(jìn)程。未來(lái)還可以進(jìn)一步探索更智能化、高效化的精度控制與優(yōu)化技術(shù)，以適應(yīng)不斷發(fā)展的制造業(yè)需求。

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作者簡(jiǎn)介：李勇華（1984—），男，廣西貴港市人，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造。

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