復雜曲面加工中的自適應加工技術研究

王泰吉，李歡

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

自適應加工技術是與當前設備或零件的狀態(tài)相適應的一種先進加工方法，為大型零件以及復雜型面制造提供了有效的解決方案。本文基于自適應加工的原理，利用Delcam公司的PowerINSPECT及NC PartLocator方案，研究分析了自適應加工的過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自適應加工提高了加工效率，加強了對生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制。

自適應加工；復雜曲面；數(shù)控技術

近年來，自適應加工技術在機械加工領域得到了廣泛應用，提高了加工效率，提高了加工質(zhì)量，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量更嚴格、更精準的控制。其基本原理是：在加工系統(tǒng)或者加工環(huán)境發(fā)生變化時，加工系統(tǒng)仍然能夠自我調(diào)整加工過程，并按照預期目標完成加工的一種方法。其關鍵是對系統(tǒng)參數(shù)進行實時在線識別、在線評估和實時比較，并據(jù)此進行自行調(diào)整，從而按照預期加工規(guī)律完成整個加工過程。

1 自適應加工技術的原理

自適應加工技術原理可以采用自適應變步長原理，如圖1所示。

圖1 不同曲率的逼近誤差比較

自適應變步長加工技術是基于自適應變步長算法[1]的，其原理是兩個不同曲率的圓弧在同一步長條件下產(chǎn)生不同的逼近誤差，即較小曲率的圓弧（圖1中的ADB）產(chǎn)生較小的逼近誤差，較大曲率的圓弧（圖1中的ACB）產(chǎn)生較大的逼近誤差，因此逼近誤差大小的比較，即可得到圓弧曲率的大小的情況。

2 自適應加工系統(tǒng)的工作過程

（1）在機檢測

自適應加工系統(tǒng)首先依托于在機檢測技術。在機檢測通過完整的模擬環(huán)境（可模擬機床、測頭、測針等），能自動檢測具有自由曲面和幾何特征，并在加工機床上實現(xiàn)脫機編程，從而提高機床利用率。PowerINSPECT在機檢測的工作過程如下：

1）完成檢測設備的配置。包括校準球、測頭座、探針等參數(shù)的設置，如圖2所示。測頭標定是指測頭探針接觸測量固定在機床工作臺上直徑已校準的標準球上的不同位置，由各接觸點的坐標值計算出測頭的有效半徑和標準球的球心坐標值，并存儲在數(shù)控系統(tǒng)中用于后續(xù)測量。測頭的精確標定是保證在機測量精度的前提條件。

圖2 測量設備參數(shù)設置

2）輸入要檢測的CAD模型。在CAD里完成模型的預處理工作，導入待檢測的零部件模型，可支持各種各樣的零件類型，系統(tǒng)具有全面的CAD兼容性，能夠讀取各種數(shù)據(jù)格式的三維CAD模型數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性。如圖3所示。

圖3 檢測的CAD模型

3）編制檢測路徑。完成檢測路徑的規(guī)劃，包括曲面檢測參數(shù)、測量速度、接近距離、安全距離等檢測工藝設計，模擬可以發(fā)現(xiàn)碰撞部位和路徑。如圖4所示。并將檢測路徑輸出為NC代碼，然后在機床上運行NC代碼。

圖4 檢測路徑規(guī)劃

4）在機床上生成檢測報告。如圖5所示。

圖5 在機檢測的結(jié)果報告

（2）自適應加工

進行自適應加工時，可首先根據(jù)在機檢測的結(jié)果報告，計算出零件或毛坯在機床上的精確位置，即零件當前位置坐標系與機床坐標系的偏差量。然后將這些數(shù)據(jù)輸入到NC Partlocator中。NC Partlocator將對比產(chǎn)生PowerMILL刀具路徑的名義位置和工件在機床上的實際位置，自動移動或旋轉(zhuǎn)刀具路徑原點位置，從而使刀具路徑和工件對齊并將結(jié)果輸出到機床控制器。這樣經(jīng)幾分鐘對零件進行簡單裝夾定位后，系統(tǒng)即可實時自動對齊定位NC刀具路徑，從而幫助機床操作人員快速準確地進行工件的重復裝夾定位，節(jié)省時間，提高定位精度，減少昂貴夾具的需要，節(jié)省資金。其加工過程如下：

1）產(chǎn)生測量路徑。產(chǎn)生測量路徑的方法目前有兩種：一是通過在機檢測軟件脫機編輯生成測量路徑，然后通過軟件自帶的后處理功能產(chǎn)生測量路徑的數(shù)控程序并傳輸?shù)綑C床控制器中；二是通過加工軟件，直接編輯并創(chuàng)造出測量路徑。

2）測量零件實際位置。通過測量的參考特征或曲面，對齊加工坐標系和機床坐標系，一旦獲得測量結(jié)果，NC PartLocator能夠讀取數(shù)據(jù)并應用最佳擬合計算，計算出零件當前位置坐標系與機床坐標系的偏差量。如圖6所示。

圖6 零件裝夾和定位

3）產(chǎn)生報告。NC PartLocator計算完之后會自動產(chǎn)生一個校準報告，如圖7所示。該報告中包含了原始CAD數(shù)模位置和調(diào)整過的位置的對比圖像快照及矩陣變換信息等。而且報告的文件名可以自動生成為以時間定義的名字，這對嚴格的生產(chǎn)過程控制是非常重要的。

圖7 自動產(chǎn)生的校準報告

4）重新對齊零件與加工路徑位置。最后，NC PartLocator能夠產(chǎn)生坐標系移位命令并發(fā)送到機床控制器，調(diào)整機床坐標系至正確的當前零件的坐標系下，最終實現(xiàn)自適應加工。

3 應用實例

以某廠加工某汽車模具前模鑲塊為例，該產(chǎn)品具有較為復雜的曲面結(jié)構。采用了Delcam的“PowerMILL+PowerINSPECT”多軸銑削和質(zhì)量實時控制的解決方案。

（1）通過PowerMILL輸出的NC程序進行粗加工（見圖8）。

（2）通過PowerINSPECT的檢測NC程序進行粗加工后的檢測（見圖9）。

（3）通過PowerMILL輸出的NC程序進行精加工加工（見圖10）。

（4）通過PowerINSPECT的檢測NC程序進行精加工后的檢測（見圖11）。

圖8 產(chǎn)品粗加工過程

圖9 粗加工后的檢測

圖10 產(chǎn)品精加工過程

圖11 精加工后的檢測

（5）最后通過PowerINSPECT與3D模型進行對比，輸出檢測報告（見圖12）.

圖12 檢測報告

在復雜曲面的加工過程中，首先根據(jù)在機檢測的結(jié)果報告，精確判定粗加工是否符合加工要求，便于判定工件的余量控制是否精確，工件基準是否加工精確，工件是否有較大的變形，從而及時發(fā)現(xiàn)影響后續(xù)精加工的各種因素條件，及時改善加工工藝，提高加工質(zhì)量。

通過該實例可以看出，加工精度控制在μm級范圍，公差范圍控制在μm級范圍，得到了非常高精度和表面加工質(zhì)量。實現(xiàn)了模具“只裝不配”的良性運轉(zhuǎn)，不僅可以縮短模具的交貨周期、提高交貨質(zhì)量，更重要的是可以減少車間裝配人員數(shù)量和工作時間，給企業(yè)帶來更多的利潤和市場競爭力。

4 自適應加工技術的發(fā)展

自適應加工技術朝著多方向發(fā)展，目前，已開發(fā)出了多種自適應加工系統(tǒng)[2-6]，并得到廣泛采用，例如：

（1）在銑削加工過程中，采用自適應加工技術，能準確排除加工過程的各種干擾因素，以保持恒定的銑削力及進給速率，從而提高加工過程的穩(wěn)定程度，提高加工質(zhì)量。

（2）在金屬焊接加工工藝中，采用自適應加工技術，通過獲取的熔池圖像提取熔池信息，可實現(xiàn)弧焊熔透系統(tǒng)的精準控制。

（3）在電火花加工中，采用自適應加工技術，可以減少有害的穩(wěn)態(tài)拉弧和短路，從而可以提高加工速度。

5 結(jié)束語

通過自適應加工系統(tǒng)，實現(xiàn)了對加工產(chǎn)品質(zhì)量的實時控制，減少了檢測過程中機床操作員的人為錯誤，實現(xiàn)全程序無人干預，減少問題產(chǎn)品流入到下一加工階段的機率，同時提高了加工效率，加強了對生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制，極大地節(jié)省加工時間和精力的花費。

[1]王世明.基于自適應算法的工程車輛模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的換擋系統(tǒng)[J].機床與液壓，2005（3）：161.

[2]李琳，馮美君．五軸數(shù)控機床幾何誤差的建模與補償技術[J]．新技術新工藝，2014（1）：18-22.

[3]王文理.自適應加工技術在數(shù)控加工領域的分類與應用[J].航空制造技術，2013（6）：26-29.

[4]王發(fā)智，耿蕊，祁曉鈺．電弧爐電極調(diào)節(jié)PDF自適應控制系統(tǒng)[J]．化工自動化及儀表，2011，38（4）：364－368．

[5]張麗玲．基于參數(shù)自調(diào)整模糊PID算法的弧焊過程熔透控制研究[J]．熱加工工藝，2011，40（3）：123－126．

[6]時政博，黃筱調(diào)，丁文政，等．基于自適應控制技術的銑削參數(shù)優(yōu)化[J]．組合機床與自動化加工技術，2012（4）：104－107．

Research of Adaptive Machining Technology in Machining Complex Curved Surface

WANG Tai-ji，LI Huan
（China Qingdao Sifang locomotive Limited by Share Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266111，China）

Adaptive machining is a kind of advanced machining method that adapts to the state of the equipment or parts.It provides an effective solution for the manufacture of large parts and complex surfaces.In this paper，based on the principle of adaptive machining，using the PowerINSPECT and NC PartLocator of Delcam company，the process of adaptive machining is analyzed.The results show that the adaptive machining improves machining efficiency and strengthens the quality control of the production process.

adaptive machining；complex surface；NC technology

TG506.9

A

1672-545X（2017）06-0088-03

2017-03-09

王泰吉（1983-），男，山東夏津人，本科，工程師，主要從事鋁合金高速加工方面的研究。