农机零部件加工中五轴数控加工中心刀具算法应用

徐文静，郑 旭

(洛阳职业技术学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

随着现代化农机水平的不断提高，农机的自动化控制所需要与之匹配的高精度零部件也越来越复杂，特别是其加工技术是影响现代化农机设计的主要难题[1-4]。利用离线编程技术和集成化CAD/CAM系统以及NC代码，采用五轴数控加工技术，可以实现复杂曲面形状的加工，对于提高农机复杂零部件的加工效率具有重要的意义[5-8]。但在当前，国内虽然很多企业装备了五轴机床，但大部分企业没有五轴数控加工的相关理论和使用经验[9-12]，对切削参数和切削量的优化更是缺乏实际数据参考，而切削参数和切削量的优化对于复杂零部件的加工非常重要，是影响复杂零部件加工质量和加工精度的重要方面[13-16]。因此，如果将五轴数控加工技术引入到农机复杂零部件的加工过程中，必须首先对刀具的加工参数和加工路径进行研究，从而提高复杂农机部件机械加工的可靠性。

1 基于CAD/CAM的集成化农机部件数控加工系统

随着CAD/CAM集成系统和刀具轨迹优化算法的发展，五轴加工中心成为复杂件的主要加工工具，如果将其使用在农机部件的加工过程中，可以有效提高加工的效率和加工质量[17-20]。五轴数控机床在三轴机床的基础上增加了两个可以自由选择的轴，根据旋转方式的不同，常用的五轴机床分为双摆头式和转台-摆头式，如图1所示。

图1 五轴数控机床的形式Fig.1 The form of five axis NC machine tools

在三轴的基础上，五轴数控机床从理论上其刀具位置可以任意变化，可以有效地降低刀具装夹的时间，提高加工效率，延长刀具的寿命。因此，在复杂农机部件的加工过程中使用，将会极大地提高零件的加工效率。采用五轴数控加工中心加工农机配件时，可以使用CAD/CAM集成化系统对刀具轨迹进行优化，其流程如图2所示。首先，通过农机件的结构分析，确定其加工的基本参数，然后利用CAD/CAM系统对加工参数进行集成化，在系统中采用相关算法对刀具进行优化[21-25]。本文使用的主要是自适应差分算法，并通过刀具轨迹仿真，对刀具加工轨迹进行优化，最终确定五轴铣床的刀具主要加工路径。

图2 基于五轴数控集成化的农机部件数控加工流程Fig.2 The NC machining process of agricultural machinery parts based on five axis NC integration

2 基于自适应差分算法的五轴农机件数控加工刀具轨迹优化

五轴数控加工的走刀轨迹比较复杂，由于多轴同时控制存在协同性问题，要想使各轴发挥最佳功能，必须对刀具轨迹进行优化处理[26-29]。本文采用自适应差分算法对农机件的数控加工进行刀具轨迹优化，其流程如图3所示。

图3表示基于自适应差分进化的刀具轨迹优化过程，其算法流程包括数据的初始化、适应度函数和进化操作，最终确定刀具轨迹优化的边界条件。其中，初试位置和终止位置的确定可以根据加工部件来确定，其加工路径和加工时间为自变量，加工路径可以表示为加工时间的三次多项式，通过对多项式系数的优化，得到最优的加工路径。三次拟合多项式为

θ(t)=a1t3+a2t2+a3t+a4

(1)

其中，θ表示加工路径；t是加工的时间；a表示待优化的参数。根据农机零部件的结构，可以确定初始和最终的加工参数为

(2)

其中，T为一个加工周期五轴数控机床使用的时间，据此可以推算三次多项式的优化系数为

(3)

五轴数控加工中心刀具路径规划最短的样条曲线优化目标函数可以写成

(4)

图3 基于自适应差分进化的多轴走刀轨迹优化Fig.3 The multi axis tool path optimization Based on Adaptive Differential Evolution

适应度函数可以写成

(5)

假设刀具在第i步的运行角速度为

(6)

则有

(7)

其中，q′和t′的数值是由五轴数控加工中心刀具位置的横纵坐标决定的，对x′值的优化会对t′值的大小产生一定的影响，最佳的刀具轨迹位置在ti或者(ti,ti+1)区间，则

(8)

3 五轴数控加工中心刀具算法在农机零部件加工中的应用测试

为了验证自适应差分算法对五轴机床刀具轨迹优化算法的实际作用，以一款修剪机械的凸型和凹形复杂零件的加工为研究对象，对刀具轨迹进行规划，并以实际加工效果验证算法的可靠性。果树修剪机的机型如图4所示。

图4 实验加工零部件使用的机型Fig.4 The used models for experimental processing parts

图4是一款新型的果树自动化修剪机器人性质的农机，由于其在传动过程中要完成复杂的动作，因此在其关节部位经常采用复杂凸型和凹形的连接部件，给农机部件的加工带来了加大的麻烦；而采用五轴数控加工中心可以合理地对刀具的运行轨迹进行规划，使刀具完成曲线运动，从而实现复杂零部件的加工。

为了验证刀具轨迹优化算法的可靠性，需要可以采用刀具轨迹仿真的方法对其进行理论性研究。图5表示采用算法编程技术得到的刀具运行曲线；其直接加工的运行过程如图6所示。

图5 刀具轨迹优化Fig.5 Tool path optimization

图6 刀具轨迹优化前Fig.6 Before tool path optimization

由图6可以看出：在较为复杂的曲线弯转部位存在加工走刀稀疏的情况，会给农机部件的加工质量造成加大的影响，通过优化后，得到了如图7所示的优化效果。

图7 刀具轨迹优化后Fig.7 After tool path optimization

由图7可以看出：相比较优化之前，刀具的运行轨迹在较为复杂的部位增加了走刀的密集程度，从而保证复杂部位的加工精度，通过加工实验得到了如图8所示的加工效果图。

图8 加工效果图Fig.8 The processing effect drawing

由加工效果图可以看出：零部件的加工精度较高，复杂表面比较光滑，加工毛刺较少，具有较高的加工精度，可以满足农机配件复杂零部件的精密加工需求。

4 结论

为了实现农机复杂零部件的加工，采用五轴数控加工中心，利用离线编程技术、CAD/CAM系统及刀具自适应差分轨迹优化算法，设计了零部件的加工刀具轨迹仿真系统和实验平台。为了验证系统的可靠性，对刀具的走刀轨迹进行了仿真和实验测试。实验结果表明：采用刀具轨迹优化算法后，其较为复杂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：采用五轴数控加工中心和刀具优化算法加工出来的零件光滑程度较好，机械加工精度较高，可以满足复杂农机零部件高精度加工的需求。

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