艾杼樺，李純金，周宏根，李國超，馮豐，鄭文勝，朱明濤，曹利平，田銳敏，劉艷

(1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713100)

0 前言

機身屬于薄壁形的殼體零件，結構形狀復雜，加工的平面、孔多，壁厚不均、剛度低，加工精度要求高，故耗費的人力和物力都較大，應盡量提高機身加工效率。在夾緊時，容易產生變形，且在加工和裝夾中容易產生碰傷，故在加工時需采用相對的工序集中方法，應盡量減少人工搬運或裝夾。因此，合理的工藝路線不僅可以節(jié)約制造資源、縮短產品制造周期、降低制造成本，還可以提高產品質量和推動企業(yè)技術進步，越來越受到企業(yè)的重視。

隨著人工智能的不斷進步，遺傳算法、蟻群算法及其混合算法被用于工藝路線優(yōu)化求解。黃華等人將不同特征的加工鏈組合成可行的加工方案集合,然后用遺傳算法對加工方案排序,以輔助加工時間最少為優(yōu)化目標,決策出最優(yōu)的加工方案。高博等人通過分析零件的制造過程，對加工單元進行定義，建立零件的裝夾規(guī)劃數(shù)學模型，進而提出了一種面向制造特征的基于公差推理的裝夾聚類規(guī)劃方法。黃風立等根據零件的加工特征，定義了加工操作單元，建立零件的裝夾規(guī)劃模型，提出了集成順序優(yōu)先約束的多態(tài)蟻群求解裝夾規(guī)劃的優(yōu)化算法。許本勝等從零件幾何尺寸和公差規(guī)范著手，闡述了基于圖論的計算機輔助裝夾規(guī)劃方法。上述研究主要是針對工藝路線優(yōu)化的研究，通過運用不同優(yōu)化算法圍繞效率、質量等目標展開研究；但算法比較復雜，計算規(guī)模較大且對企業(yè)資源的布局要求較高。然而，對于加工特征及其約束條件較少的零件不需要復雜的算法。

針對以上問題，本文作者提出一種基于圖論的船用柴油機關鍵孔系加工裝夾方案優(yōu)化方法。首先，對某型號柴油機機身關鍵孔系加工特征進行詳細的分析，并確定機身關鍵孔系加工工藝方案；其次，根據工序集中原則，提出一個基于考慮約束條件的圖論法的機身裝夾路徑方案。機身孔系加工過程中，機身裝夾的次數(shù)對加工效率有較大影響。針對機身孔系的結構特性，劃分不同的加工裝夾位置，在每個加工裝夾位置對孔系的具體加工進行詳細分析，推導出最佳的裝夾路徑方案。然后，對機身關鍵孔系加工建立VERICUT數(shù)控仿真模型。利用該模型可以實現(xiàn)機身關鍵孔系加工過程的動態(tài)仿真，并對加工過程中的主軸轉速和進給速度進行優(yōu)化；也可以根據工件的過切問題，夾具與毛坯、刀具與毛坯的碰撞檢查等，對NC程序進行修改，從而高效、高精度地對零件進行加工。

1 關鍵孔系加工特征分析

船用柴油機機身加工特征包括平面及孔系，其中氣缸孔、曲軸孔及凸輪軸孔孔系加工為關鍵工序。涉及柴油機機身關鍵孔系的加工特征如圖1所示。

圖1 船用柴油機機身加工主要加工特征

2 工藝方案設計

機身主要加工工序是以曲軸孔系為基準來確定面基準，即關鍵工序考慮機身曲軸孔、缸孔和凸輪軸孔鏜銑加工。表1所示為機身孔系關鍵加工工序過程。

表1 機身孔系關鍵加工工序

通過以上一系列的機身關鍵孔系加工特征的分析和選取相關信息，可得到機身關鍵孔系相應的加工工藝方案。

孔系裝夾方式如圖2所示，在船用柴油機機身曲軸孔孔系加工的裝夾位置1處，選用2個角度為26°的角塊進行定位，定位完成后，使用垂直于角塊的螺旋夾緊裝置夾緊機身；在船用柴油機機身凸輪軸孔孔系加工的裝夾位置2、3處，選用1個角度為26°的角塊進行定位，定位完成后，使用垂直于角塊的螺旋夾緊裝置夾緊機身；在船用柴油機機身氣缸孔孔系加工的裝夾位置2、3處，選用1個角度為26°的角塊進行定位，定位完成后，使用垂直于角塊的螺旋夾緊裝置夾緊機身；隨后,對機身各個關鍵孔系進行粗鏜。

圖2 孔系裝夾方式

3 基于圖論的孔系加工裝夾方案優(yōu)化

歐拉著名的“七橋問題”：一個步行者怎樣才能不重復、不遺漏地一次走完七座橋，最后回到出發(fā)點。歐拉解決了此問題，他用簡單的幾何圖形來表示陸地和橋,如圖3(a)所示。船用柴油機機身關鍵孔系為曲軸孔、凸輪軸孔和缸孔，孔系數(shù)量較少，可由圖論方法解決。

曲軸孔位于整個機體中間位置，其作用最為重要，因而以曲軸孔孔系的加工為第一裝夾順序；柴油機機身需要加工表面大部分呈對稱分布，以曲軸孔軸線為例，簡化裝夾路線，可選擇凸輪軸孔系和缸孔孔系中任意一條為第二裝夾順序。綜合圖論法的解題原理，結合文中裝夾路徑規(guī)劃問題，得到文中的“尼斯堡橋問題”路徑如圖3(b)所示。其中點～表示機身不同的加工位置(加工工序)，線表示不同的加工工序之間可連續(xù)加工的順序關系。從到表示處于曲軸孔加工位置的機身重新裝夾到凸輪軸孔1的加工位置，刀具1換成相對應凸輪軸孔加工刀具2,其中一條裝夾路徑方案→→→→如圖3(c)所示。在開始加工前，設置關鍵孔系的加工工序及其刀具號如表2所示。

圖3 機身裝夾方案規(guī)劃

表2 機身關鍵孔系加工工藝參數(shù)

同時考慮機身加工的約束條件，把優(yōu)化機身裝夾次數(shù)及其換刀次數(shù)應用于實際機身加工，減少實際加工時間。以裝夾次數(shù)為目標函數(shù)，換刀次數(shù)為輔來進行機身的裝夾規(guī)劃。

文中裝夾規(guī)劃路徑的約束條件為

(1)凸輪軸孔孔系1與缸孔孔系1的裝夾位置為同一處裝夾位置，即=;

(2)凸輪軸孔孔系2與缸孔孔系2的裝夾位置為同一處裝夾位置，即=;

(3)凸輪軸孔孔系所用刀具均為同一型號刀具;

(4)缸孔孔系所用刀具均為同一型號刀具。

根據裝夾約束條件整理得到路徑圖，如圖4所示。圖中紅色線為裝夾位置的約束關系，黃色線為刀具型號的約束關系。如圖4(a)所示，機身從位置裝夾到位置，位置面對3條約束線，選擇最佳約束條件，因此選擇有相同裝夾約束條件的位置，接著位置選擇有相同的刀具約束條件的位置，最后位置選擇有相同約束條件的位置，形成一條完整的機身關鍵孔系的粗加工最佳裝夾路徑方案→→→→。

圖4 最佳裝夾路徑

由圖4可知：基于機身曲軸孔軸線的對稱性，選擇的最佳裝夾路徑滿足裝夾位置的約束，其次是刀具型號的約束，得到最佳裝夾路徑→→→→或→→→→。

在保證工藝系統(tǒng)承載能力的前提下，運用工序集中原則推理并規(guī)劃得到船用柴油機機身最佳的裝夾次數(shù)及其換刀次數(shù)。通過基于約束條件的圖論法推導出加工工序方案，如表3所示。

表3 機身孔系關鍵加工工序

機身關鍵孔系的裝夾工序由5次裝夾減少到3次裝夾，機身裝夾時間由5減小到3(表示工人裝夾機身的時間)、機身換刀工序時間由5減小到4(表示工人換刀的時間)，有效地減少了工人裝夾機身和換刀的時間，大大提高了加工效率。若不結合圖論法原理求解機身裝夾路徑規(guī)劃問題，需要一步步列出可行的方案，花費時間長、效率低。如圖5所示，U1為粗加工時曲軸孔孔系的加工工序；U2、U3為粗加工時凸輪軸孔孔系的加工工序；U4、U5為粗加工時缸孔孔系的加工工序。

圖5 原機身裝夾路徑規(guī)劃

總結規(guī)律并將模型細致化，分別標繪出曲軸孔、凸輪軸孔、缸孔等用刀具加工時裝夾的次數(shù)和順序，如圖6所示。

圖6 柴油機機身關鍵孔系最佳裝夾路徑

4 VERICUT仿真驗證

構建機床虛擬模型是進行仿真加工的基礎,構建虛擬機床的目的在于最大限度還原現(xiàn)實機床運動，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實同步。利用NX12.0建模構建實體龍門加工中心機床模型，該模型能真實反映機床各個坐標軸的邏輯與運動關系,并在數(shù)控程序、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等支撐下模擬數(shù)控程序的運動軌跡,以檢驗數(shù)控程序的正確性、合理性。在實際加工中，通過龍門加工中心對船用柴油機機身進行數(shù)控加工，因此選用國產龍門加工中心為模型構建虛擬加工機床。龍門加工中心結構可分為、、、4個直線運動軸及旋轉軸，軸繞軸旋轉。將實際機床按一定形狀尺寸進行描述，并按照各部件的邏輯結構關系和運動依附關系組合成機床抽象模型。

通過手動輸入實現(xiàn)機床孔系數(shù)控程序的編寫。利用VERICUT可得到工件位置坐標，采用兩個坐標系定距離原理可快速完成對刀操作。對于不具備RTCP功能的數(shù)控系統(tǒng)，采用坐標系定距原理同樣可實現(xiàn)機床軸對刀。表4所示為部分孔系粗加工NC程序。

表4 部分孔系粗加工NC程序

為驗證所構建的虛擬機床鏜削運動的正確性及船用柴油機機身粗加工工藝數(shù)控程序的合理性，對船用柴油機機身關鍵孔系的粗加工進行刀路軌跡規(guī)劃。

以曲軸孔孔系粗加工為例，從刀具起始點到曲軸孔軸線以G00定位功能進行、、軸方向的快速進給運動，接近曲軸孔孔系時停止快速進給運動，即完成孔系同軸度的對刀；以G01直線插補功能進行軸方向的進給運動，在離曲軸孔孔系10 mm位置處停止進給運動，即完成曲軸孔孔系的進給運動；以G91增量值功能增量-120 mm、軸旋轉360°×30(圈數(shù))進行進刀進給運動；以G91增量值功能增量+120 mm、軸旋轉360°×10(圈數(shù))進行旋轉退刀運動；以G01直線插補功能進行軸方向的安全退刀運動，繼續(xù)運動到下一個離曲軸孔孔系10 mm處的位置；重復以上步驟，完成整個曲軸孔孔系粗加工工序。圖7所示為NC程序編寫的加工部分機身關鍵孔系的刀具走刀軌跡。

圖7 機身關鍵孔系刀具軌跡

在數(shù)控銑削加工中，刀具路徑主要包括實際切銑路徑和空切路徑。包括超出零件待加工表面的空走刀部分和輔助走刀部分(進刀、退刀等)。在其他加工條件確定的情況下，實際切銑路徑和空切路徑是影響加工能耗與加工效率的主要因素。完成柴油機機身各孔系加工的時間可分解為3個部分:

=++

故對以上幾個操作時段進行刀具進給優(yōu)化研究，可得面向加工效率的刀具路徑進給優(yōu)化目標函數(shù)：

其中：表示主軸轉速；表示圈數(shù)；表示進給速度。

改進進給速度后，明顯優(yōu)化了刀具路徑，減少了零件加工周期，達到了提高加工效率的目的。VERICUT優(yōu)化前后時間對比如表5所示。

由表5可知:在船用柴油機機身關鍵孔系加工過程中，刀具路徑優(yōu)化后，鏜削加工時間減少了17.24%，表明采用優(yōu)化后的刀具路徑能有效降低加工時間、提高加工效率，且其加工效果良好，能滿足加工要求。

表5 VERICUT優(yōu)化前后時間對比

綜上所述，利用基于圖論優(yōu)化得到的最佳機身裝夾路徑方案，人力所消耗的機身輔助工序總時間為；經VERICUT數(shù)控仿真軟件進行刀具進給優(yōu)化后得到的總加工時間為42 h 4 min；機身輔助工序時間和機身加工時間為機身粗加工總時間，機身粗加工完成所花費的時間為42 h 4 min+。

5 結論

用VERICUT數(shù)控仿真軟件優(yōu)化了刀具路徑，減少船用柴油機關鍵孔系的加工時間，鏜削加工時間減少了17.24%；同時，利用工序集中原則且基于約束條件的圖論法推導出最佳的裝夾方案，得到最小的機身裝夾次數(shù)和換刀次數(shù)，即機身裝夾次數(shù)為3次、換刀次數(shù)為4次。