周 峰，張紫旭，劉昊天，田 鑫，劉雨鑫

(1 .大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028，2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

構(gòu)架作為軌道車輛中關(guān)鍵部位其加工效率嚴(yán)重影響著整車制造流程，但由于構(gòu)架體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣等因素使得加工走刀路徑變得冗雜繁瑣、編輯時(shí)容易出錯(cuò)，而虛擬仿真技術(shù)則能夠很好地解決數(shù)控程序中存在的碰撞等問(wèn)題。隨著加工中心切削性能的提升使得加工效率也得到提高，但如何能夠在保證工藝系統(tǒng)性能的同時(shí)進(jìn)一步縮短加工時(shí)間提升總體工作效率，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者利用虛擬仿真加工技術(shù)對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行一些研究。

Vasiliev N S等在VERICUT實(shí)驗(yàn)環(huán)境中驗(yàn)證將刀具路徑劃分成段并通過(guò)確定每段的切削模式來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，該方法有效地提高對(duì)微細(xì)銑削的加工效率[1]；王曉生等利用VERICUT僅僅對(duì)易加工的零件進(jìn)行了仿真及優(yōu)化，使得效率得到提升[2]；楊坤利用VERICUT數(shù)控仿真軟件，搭建了復(fù)雜的5軸車銑數(shù)控加工系統(tǒng)，完成曲軸類復(fù)雜零件的加工[3]；樊啟永等利用Pro/E與VERICUT結(jié)合完成了零件的虛擬銑削、優(yōu)化及檢查[4]； Yuan Zhi hua等只是在VERICUT中創(chuàng)建五軸機(jī)床并進(jìn)行模擬加工，但并未過(guò)多提及效率與檢查的問(wèn)題[5]；劉艷霞等從轉(zhuǎn)向架加工問(wèn)題入手結(jié)合VERICUT仿真技術(shù)指出了對(duì)高速加工轉(zhuǎn)向架進(jìn)行虛擬仿真的重要性[6]。

以上學(xué)者利用仿真平臺(tái)只是單純考慮通過(guò)改變切削方式或優(yōu)化切削參數(shù)的方法來(lái)提升效率，并未涉及到空行程走刀對(duì)整體效率的實(shí)際影響。本文將貼近實(shí)際，以加工大型機(jī)車構(gòu)架為例，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化算法優(yōu)化走刀軌跡,同時(shí)利用軟件VERICUT完成對(duì)走刀軌跡修改后數(shù)控程序驗(yàn)證以及節(jié)約時(shí)間對(duì)比，達(dá)到同時(shí)從優(yōu)化軌跡及切削參數(shù)雙方面來(lái)提升效率的目的，為某些工件加工提供了參考。

1 構(gòu)架加工工藝

本文將根據(jù)某廠提供的工藝參數(shù)表(見表1)，以仿真加工該廠的電力機(jī)車構(gòu)架為例，優(yōu)化走刀軌跡與切削用量并應(yīng)用于實(shí)際構(gòu)架加工，減少實(shí)際加工時(shí)間。為更接近真實(shí)的加工環(huán)境，根據(jù)三菱官方提供的機(jī)床基本參數(shù)(見表2)與模型樣式建立仿真用三菱龍門銑床，最終在VERICUT中完成機(jī)床各部件組裝。

表1 工藝參數(shù)

表2 機(jī)床參數(shù)(mm)

2 軌跡優(yōu)化及仿真加工

動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法應(yīng)用于求解某種最優(yōu)性質(zhì)的問(wèn)題，其基本思想是通過(guò)將待求解的問(wèn)題分解成若干個(gè)相互聯(lián)系的子問(wèn)題,先求解子問(wèn)題然后從這些子問(wèn)題的解返回得到原問(wèn)題的解[7]。

研究機(jī)車構(gòu)架，了解到需要加工表面大部分呈對(duì)稱分布，于是根據(jù)一系彈簧座的分布特征，及廠家提供的機(jī)車構(gòu)架圖紙分析，可抽象出比例模型圖如圖1所示。

圖1 比例模型

依據(jù)抽象模型歸納總結(jié)出動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型(見圖2)，運(yùn)用對(duì)稱分布規(guī)律將圖中座4、5、6、7抽象為座3。

圖2 數(shù)學(xué)模型

基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)空行程走刀軌跡進(jìn)行優(yōu)化，最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)：

fk(i,{s})=min{fk-1(j,{l})+dji}，j、l∈s

(1)

即從原點(diǎn)出發(fā)中間經(jīng)過(guò){s}中的k個(gè)位置后到達(dá)i的最小距離，根據(jù)構(gòu)建的比例數(shù)學(xué)模型分析得：

(2)

圖3 樹狀圖

依據(jù)規(guī)劃法和樹狀圖解得以上6種情況中4種最短走刀路線情況分別為d{0,1,3,2,0}、d{0,2,1,3,0}、d{0,2,3,1,0}、d{0,3,1,2,0}。總結(jié)規(guī)律并將模型細(xì)致化，分別標(biāo)繪出彈簧座、止檔座、拉桿座等用同一把刀具(玉米銑)加工的表面位置。在保證工藝系統(tǒng)承載能力的前提下，依據(jù)以上通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法推導(dǎo)出的規(guī)律，運(yùn)用就近加工的原則推理并規(guī)劃得到數(shù)控加工中心用玉米銑刀的行程走刀軌跡(見圖4)，其余刀具加工路線依照此思想規(guī)劃。 圖中相同符號(hào)表示同一類加工位置，箭頭表示走刀方向，三角號(hào)表示起始位置。

圖4 走刀路線

為驗(yàn)證優(yōu)化后軌跡的正確性與合理性同時(shí)進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，搭建仿真加工平臺(tái)。在VERICUT的環(huán)境中以“mm”作為單位，選擇仿真機(jī)床控制系統(tǒng)并搭建MVR40機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系：①Base>X>Fixture>Stock.>Design ②Base>W>Y>Z>Spindle>Tool，如圖5所示，根據(jù)相關(guān)資料設(shè)置機(jī)床及其各部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)并配置G代碼偏置，創(chuàng)建與實(shí)際相匹配的加工刀具，添加 “.tap” 數(shù)控程序文件后即可應(yīng)用于軌跡驗(yàn)證與對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。

圖5 模型樹

3 虛擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)際驗(yàn)證

VERICUT是一款優(yōu)秀的數(shù)控加工過(guò)程仿真軟件，具有多種功能模塊，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工模擬、數(shù)控程序驗(yàn)證、切削參數(shù)優(yōu)化、程序比對(duì)等多種功能[8-10]。其中仿真模塊可顯示加工走刀軌跡，Opti-Path模塊不僅能夠優(yōu)化切削用量參數(shù)，還可以提供加工時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，這些功能對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)完成提供了很好的支持。

分別對(duì)某廠提供的數(shù)控程序與空行程走刀軌跡優(yōu)化后的程序進(jìn)行仿真加工驗(yàn)證，仿真過(guò)程中無(wú)碰撞現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)束后分別調(diào)取兩者走刀軌跡路線圖進(jìn)行比對(duì)，如圖6、圖7所示，優(yōu)化前后走刀軌跡有所減少，圖6與圖7紫色線為走刀軌跡。該廠原程序軌跡設(shè)計(jì)是先加工所有某一類(如A類)面完畢后不換刀具情況下再進(jìn)行另一類所有面的加工即采用循環(huán)加工模式進(jìn)行，重復(fù)路線較多，走刀較為復(fù)雜，相較于優(yōu)化后路徑軌跡將會(huì)在走刀行程上浪費(fèi)大部分時(shí)間。

圖6 優(yōu)化前的走刀軌跡

圖7 優(yōu)化后的走刀軌跡

基于VERICUT軟件中Opti-Path模塊選擇不同的常用優(yōu)化方式，依據(jù)金屬去除率公式(3)可自行對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算與賦值。

V=ap·ae·vf

(3)

其中，ap為銑削深度，mm；ae為銑削寬度，mm；vf為進(jìn)給速率，mm/min；V為每分鐘去除體積，mm3/min。

將原程序文件(針對(duì)所有刀具)與路徑優(yōu)化程序文件分別導(dǎo)入虛擬仿真加工平臺(tái)，啟動(dòng)Opti-Path模塊，設(shè)置相同的優(yōu)化方式、優(yōu)化變量等參數(shù)后分兩次進(jìn)行仿真加工，利用該模塊可對(duì)優(yōu)化時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的功能，分別記錄兩次優(yōu)化前后時(shí)間并進(jìn)行對(duì)比，并求得節(jié)約比率(見表3)。利用程序?qū)Ρ裙δ芡瑫r(shí)對(duì)進(jìn)給量?jī)?yōu)化后的不同路徑數(shù)控程序進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者進(jìn)給量幾乎無(wú)變化。

表3 優(yōu)化時(shí)間對(duì)比

為檢驗(yàn)軌跡與切削用量?jī)?yōu)化后程序節(jié)約效果及表面加工質(zhì)量，在某廠三菱機(jī)床MVR40上完成對(duì)構(gòu)架所有一系彈簧面、止擋座等上表面的實(shí)際加工與檢測(cè)。通過(guò)測(cè)量?jī)?yōu)化前后的質(zhì)量并無(wú)較大差別，但由于實(shí)際工藝系統(tǒng)剛度等能力限制，刀具軌跡的重新規(guī)劃與最佳進(jìn)給速率的賦值使得時(shí)間相比原程序加工時(shí)長(zhǎng)節(jié)約近10%。經(jīng)驗(yàn)豐富的加工人員對(duì)切削用量參數(shù)的選擇比較成熟或由于工藝系統(tǒng)如夾具等能力不足等原因限制，當(dāng)針對(duì)大型工件通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)的方式在提升效率作用中影響不大時(shí)，軌跡優(yōu)化將會(huì)得到明顯的總體效率提升。

本文基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法重新設(shè)計(jì)并優(yōu)化了空行程走刀軌跡，修改原數(shù)控程序刀具軌跡減少了空行程軌跡的復(fù)雜冗長(zhǎng)；并依據(jù)優(yōu)化路線在VERICUT中完成仿真保證了程序可行性，同時(shí)利用仿真軟件中Opti-Path模塊優(yōu)化了進(jìn)給量同時(shí)對(duì)兩者進(jìn)行時(shí)間比對(duì)且通過(guò)最后的實(shí)際加工驗(yàn)證與檢測(cè)，確定軌跡優(yōu)化會(huì)縮短加工時(shí)間10%左右。

4 結(jié)論

運(yùn)用虛擬平臺(tái)仿真加工技術(shù)，對(duì)大型復(fù)雜多面等某些工件的數(shù)控NC程序進(jìn)行模擬、分析及優(yōu)化，使得縮短加工時(shí)長(zhǎng)提升效率顯得可行。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

(1)針對(duì)如構(gòu)架等大型復(fù)雜工件加工問(wèn)題，利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行數(shù)控仿真加工能夠很好地檢驗(yàn)數(shù)控程序避碰撞干涉等現(xiàn)象發(fā)生，檢驗(yàn)并顯示走刀軌跡，確保了程序的正確性與可行性同時(shí)可對(duì)編程人員提供一些直觀參照。參數(shù)優(yōu)化與時(shí)間比對(duì)功能能夠?yàn)閷?shí)際加工編程人員提供一些經(jīng)驗(yàn)與參考。

(2)針對(duì)減少加工時(shí)間提升加工效率問(wèn)題可從減少切削時(shí)間和行程走刀時(shí)間雙方面入手，在某些工件加工過(guò)程中較好的走刀軌跡會(huì)明顯提升行程走刀效率，其作用可能會(huì)對(duì)總體效率的提升有一定的影響。針對(duì)如何提高工廠加工效率節(jié)省成本問(wèn)題，技術(shù)人員要從多角度多方面影響因素進(jìn)行考慮并加以節(jié)約控制，如采用自動(dòng)化技術(shù)、或合理規(guī)劃加工時(shí)間與輔助時(shí)間等。