郟豪杰

（上海市嘉定區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，上海 201899）

0 引言

數(shù)控技術(shù)與我國(guó)社會(huì)中的許多行業(yè)都有著極為緊密的聯(lián)系，它可以作為輔助工藝，應(yīng)用在生產(chǎn)與研究之中[1]。數(shù)控技術(shù)經(jīng)常與計(jì)算機(jī)輔助制造同時(shí)應(yīng)用，主要是以數(shù)控加工的對(duì)應(yīng)編程為主結(jié)構(gòu)，再加之其他的技術(shù)的完善優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的數(shù)字控制[2]。數(shù)控編程的模式很多，對(duì)于普通的加工企業(yè)，選用綜合型的數(shù)控編程即可，但是如果是大型的生產(chǎn)制造企業(yè)，就必須要選用復(fù)雜型腔的數(shù)控編程結(jié)構(gòu)，這樣才更加符合系統(tǒng)對(duì)數(shù)字化指令的執(zhí)行效果。

數(shù)控編程作為一項(xiàng)同時(shí)具備控制與CAM調(diào)節(jié)的控制技術(shù)，主要的作用是依照不同零件的模型與相關(guān)的加工工藝，再加之指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定，計(jì)算出加工走刀過(guò)程中需要更改調(diào)整的CL點(diǎn)，終于形成完整的數(shù)控加工程序。傳統(tǒng)的數(shù)控編程模式相對(duì)較為固定，對(duì)于數(shù)控異常情況的處理與調(diào)節(jié)能力也十分有限，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)問題與缺陷，為企業(yè)日常的制造和生產(chǎn)帶來(lái)負(fù)面影響，一定程度上還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。面對(duì)這種情況，再加之我國(guó)科技的不斷發(fā)展，數(shù)控技術(shù)得到了極大地創(chuàng)新，與之相關(guān)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)也變得越來(lái)越復(fù)雜，這也使得數(shù)控的精密程度和效果得到了提升。

銑削加工仿真是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主要采用三維技術(shù)，將所設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品，通過(guò)相關(guān)技術(shù)作比例還原，并進(jìn)行編程處理，完善整體的模型精細(xì)程度，模擬產(chǎn)品的零件，并利用交互式的圖形編程，強(qiáng)化控制系統(tǒng)的可操作性，形成更為高效的加工模式。因此，對(duì)復(fù)雜型腔數(shù)控編程與銑削加工仿真進(jìn)行分析研究。在較為真實(shí)地環(huán)境下，創(chuàng)建編程、加工環(huán)境，在極大復(fù)雜情況下，可以適當(dāng)更改合并相關(guān)的處理環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)制造的效率，以此來(lái)進(jìn)一步提升我國(guó)整體的數(shù)控編程與加工仿真的技術(shù)水平，推動(dòng)制造以及相關(guān)行業(yè)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。

1 復(fù)雜型腔數(shù)控編程與銑削加工分析

1.1 數(shù)控拋光工藝參數(shù)設(shè)定

在進(jìn)行復(fù)雜腔數(shù)控編程與銑削加工的方法探析前，需要先進(jìn)行數(shù)控拋光工藝指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定。加工拋光通常都是采用機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)的，利用不同角度的拋光輪將所制造的產(chǎn)品以及方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦，使整個(gè)工件表面凸出的區(qū)域逐漸被削掉[3]，同時(shí)對(duì)于一些凹陷部位，也會(huì)起到填平的作用。此時(shí)，工件會(huì)發(fā)生形變，在這個(gè)拋光的過(guò)程中，傳統(tǒng)的處理模式主要是采用人工對(duì)所拋曲面進(jìn)行控制，雖然可以達(dá)到最終的目標(biāo)，但是在實(shí)際操作的過(guò)程中，還是會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，影響最終的處理結(jié)果。所以，在面對(duì)這樣的情況時(shí)，數(shù)控拋光是更好地選擇。數(shù)控拋光的作用因素有很多，舉例：工件材質(zhì)平衡、磨粒的作用力度、拋光的范圍指標(biāo)以及輪轉(zhuǎn)的速度等。具體如圖1所示。

圖1 數(shù)控拋光影響因素關(guān)聯(lián)

根據(jù)圖1中的關(guān)系，可以了解到對(duì)應(yīng)的影響因素。隨后在此基礎(chǔ)上，還需要計(jì)算相應(yīng)的三角作用精度。

式中：H為三角作用精度，E為拋光質(zhì)量，為允許出現(xiàn)的極限2數(shù)控誤差。通過(guò)以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的三角作用精度。將其作為拋光的最低作用范圍，估算實(shí)際的拋光壓力，在合理的范圍之內(nèi)，確保拋光輪與所制造工件之間處于平衡的依賴關(guān)系。通過(guò)三角作用關(guān)系，將數(shù)控拋光的頂邊實(shí)際加工率與側(cè)方的作用參數(shù)關(guān)聯(lián)在一起，得出的平均值為數(shù)控拋光工藝的實(shí)際應(yīng)用參數(shù)。

1.2 數(shù)控曲面位姿程序設(shè)定

在完成數(shù)控拋光工藝參數(shù)的設(shè)定之后，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)控曲面的位姿程序的設(shè)定與控制[4]。工件的數(shù)控拋光節(jié)點(diǎn)通常是與曲面的位姿作用點(diǎn)相呼應(yīng)的。首先，需要確定位姿的執(zhí)行矢量值。

式中：L為位姿的執(zhí)行矢量值，為提取軌跡，α為作用特征范圍，t為節(jié)點(diǎn)拋光距離，通過(guò)以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的位姿的執(zhí)行矢量值。并在作用曲面上設(shè)定對(duì)應(yīng)的提取過(guò)程，具體如圖2所示。

根據(jù)圖2中的設(shè)定提取流程，完成對(duì)位姿數(shù)據(jù)的確定。根據(jù)提取的估計(jì)數(shù)據(jù)，確定拋光的軌跡特征接口對(duì)象。依據(jù)數(shù)控拋光軌跡計(jì)算器離散控制值。

圖2 曲面設(shè)定流程提取

式中：Y為離散控制值，γ為核心作用范圍，R為軌跡控制系數(shù)，U為提取總范圍。通過(guò)以上計(jì)算，最終能夠得出實(shí)際的離散控制值。將其設(shè)定在數(shù)控加工設(shè)備的軌跡遍歷處理程序之中，并依據(jù)獨(dú)有的特征在程序中創(chuàng)建新的關(guān)聯(lián)樹。關(guān)聯(lián)樹的作用是將所制造的工件加工的控制程序關(guān)聯(lián)在一起的一種執(zhí)行協(xié)議，它可以根據(jù)對(duì)象的特征名稱以及應(yīng)用類型來(lái)進(jìn)行篩選和處理[5]，并形成特殊的作用流程和模型，從而形成一個(gè)新的數(shù)控曲面的位姿程序。但需要注意的是，這種程序僅限于應(yīng)用在曲面的數(shù)控工作之中，雖然會(huì)取得較好的效果，但是對(duì)于截面和直面的作用控制力不強(qiáng)。

1.3 后置數(shù)控加工處理算法設(shè)計(jì)

在完成數(shù)控曲面的位姿程序的設(shè)定之后，需要設(shè)計(jì)后置的數(shù)控加工處理算法?，F(xiàn)在系統(tǒng)中設(shè)定預(yù)估坐標(biāo)軸，在坐標(biāo)軸上可以將所編制的程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)化控制，形成一個(gè)數(shù)控加工的變換過(guò)程[6]?？梢砸罁?jù)工件剛體的獨(dú)立特征，在坐標(biāo)上設(shè)立加工作用點(diǎn)，并將其簡(jiǎn)化為一個(gè)固化直線的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)。設(shè)定數(shù)控加工處理范圍，并計(jì)算變換比例。

式中：G為計(jì)算變換比例，θ為余弦系數(shù)，B為單位向量。通過(guò)以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的計(jì)算變換比例。依據(jù)此比例，將加工的矢量劃分為對(duì)應(yīng)的比例，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)后置數(shù)控加工處理算法。

式中：M、N、J為數(shù)控后置位姿值，μ為單元向量描述值，b為重合后置范圍，y為間隙作用值。通過(guò)以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的數(shù)控后置位姿值。在原本坐標(biāo)系之中，依據(jù)算法所計(jì)算的數(shù)值，進(jìn)行后置數(shù)控加工仿真定位，并設(shè)定全息坐標(biāo)中心點(diǎn)。

1.4 建立多目標(biāo)銑削加工仿真模型

在完成后置數(shù)控加工處理算法的設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行多目標(biāo)銑削加工仿真模型的建立。仿真模型的功能模塊主要分為以下幾類：圖像仿真處理模塊、刀路仿真模塊以及拋光機(jī)床仿真。利用三維激光技術(shù)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行掃描[7]，將模型導(dǎo)入系統(tǒng)之中，設(shè)定多目標(biāo)的仿真流程，利用后置數(shù)控加工處理算法計(jì)算出相關(guān)的指標(biāo)參數(shù)，并將其設(shè)定在系統(tǒng)的控制區(qū)域之中。拋光機(jī)床的仿真在模型中是基礎(chǔ)的功能模塊，主要是對(duì)加工的過(guò)程中進(jìn)行仿真模擬處理，并獲取相關(guān)的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息。

圖像仿真處理模塊與刀路仿真模塊一般情況下是相連的，首先將刀路的仿真點(diǎn)以實(shí)際多目標(biāo)的銑削位姿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作，使拋光的軌跡可以清晰顯示便可。進(jìn)行刀路重構(gòu)拋光輪基礎(chǔ)銑削處理結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。生成多目標(biāo)的拋光加工模型仿真裝配文件，并依據(jù)文件中的目標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整為銑削位姿矩陣[8]，實(shí)現(xiàn)最終的原點(diǎn)拋光輪銑削加工仿真模型。在模型之中設(shè)立后置數(shù)控加工處理算法，并添加銑削加工的實(shí)際目標(biāo)執(zhí)行程序，最終完成模型的建立。

1.5 復(fù)雜交互處理實(shí)現(xiàn)加工仿真

在完成多目標(biāo)銑削加工仿真模型的建立之后，接下來(lái)，通過(guò)復(fù)雜交互處理來(lái)最終實(shí)現(xiàn)加工仿真。首先，依據(jù)實(shí)際的處理情況，計(jì)算交互的動(dòng)態(tài)鏈接仿真系數(shù)，如公式（8）所示：

式中：Q為交互動(dòng)態(tài)鏈接仿真系數(shù)，η為交互范圍，ν為數(shù)控拋光的作用函數(shù)，ρ為動(dòng)態(tài)的誤差。通過(guò)以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的交互動(dòng)態(tài)鏈接仿真系數(shù)。利用計(jì)算的系數(shù)，編制成對(duì)應(yīng)的交互處理復(fù)雜指令。這部分可以利用互聯(lián)網(wǎng)中的指令編制處理平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。完成指令的編制之后，將其設(shè)定在模型之中，以復(fù)雜動(dòng)態(tài)處理的方式進(jìn)行開發(fā)[9]。依據(jù)加工的需求設(shè)立功能模塊，并將交互處理的模式更改為復(fù)雜屬性頁(yè)交互，最終通過(guò)復(fù)雜交互處理來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型腔數(shù)控編程與銑削加工仿真。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)復(fù)雜型腔數(shù)控編程與銑削加工進(jìn)行仿真效果的驗(yàn)證與分析。測(cè)試共分為3組，第1組為傳統(tǒng)的重疊精度加工仿真法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)方法1；第2組為UG特征加工仿真方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)方法2；第3組是本所設(shè)計(jì)的加工仿真方法，將其設(shè)定為復(fù)雜數(shù)控加工仿真法。完成以上說(shuō)明及設(shè)定，開始實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

首先，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)換環(huán)境的搭建，具體如下：數(shù)控編程以及銑削加工的執(zhí)行管外主要是采用3軸聯(lián)動(dòng)的類型，所以，要在仿真前，進(jìn)行軸斷標(biāo)準(zhǔn)數(shù)差的計(jì)算。

式中：K為軸斷標(biāo)準(zhǔn)數(shù)差，χ為仿真的設(shè)計(jì)預(yù)留范圍，d為聯(lián)動(dòng)系數(shù)。通過(guò)以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的軸斷標(biāo)準(zhǔn)數(shù)差、將這個(gè)數(shù)值作為數(shù)控的最低極限標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)立的X、Y、Z軸上作出標(biāo)記。

設(shè)立實(shí)驗(yàn)的相關(guān)試件，由于本次實(shí)驗(yàn)的所建立的加工模型是統(tǒng)一的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，為了表面加工出現(xiàn)硬化的情況，并且增加表面的反彈性，要對(duì)工件以及刀具等相關(guān)的鋼材三軸加工機(jī)床、高速銑削加工機(jī)器、陶瓷軸承處理器、高精度的定位系統(tǒng)以及三軸聯(lián)動(dòng)立式加工處理中心等，對(duì)此設(shè)備進(jìn)行指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定，具體見表1。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息，對(duì)三軸聯(lián)動(dòng)立式數(shù)控處理機(jī)進(jìn)行指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定。仿真的范圍設(shè)定為1.25～4.55，仿真預(yù)行加工控制系數(shù)為0.0061，數(shù)控銑削加工仿真模式為嵌入式。檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)確保不存在影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的外部因素，核查完畢之后，開始實(shí)驗(yàn)。

表1 三軸聯(lián)動(dòng)立式數(shù)控處理機(jī)指標(biāo)參數(shù)設(shè)定

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析

在上述所搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境之中，進(jìn)行復(fù)雜型腔數(shù)控編程與銑削加工仿真。實(shí)驗(yàn)共分為三個(gè)部分：粗加工、半精加工以及精加工仿真。在銑削曲面上更改數(shù)控的彎管控制值為45，此時(shí)，加工曲面附近的試切機(jī)器會(huì)處于執(zhí)行加工的狀態(tài)。當(dāng)彎管的角度分別設(shè)定為0°、35°、65°、90°、180°時(shí)，同時(shí)進(jìn)行銑削加工的仿真。分別對(duì)三組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出最終的測(cè)試結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，見表2。

通過(guò)表2中的分析，可以得出最終的結(jié)果，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖例，對(duì)其仿真的效果進(jìn)行比較分析，如圖3所示。

根據(jù)圖3中的對(duì)比，可以得出最終的結(jié)論：上述是截取的部分產(chǎn)品銑削加工仿真的圖像，可以觀察到隨著加工控制以及數(shù)控編參數(shù)的調(diào)整與細(xì)化，仿真的效果逐漸增強(qiáng)，圖像也更加平緩，說(shuō)明仿真效果相對(duì)更佳，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖3 加工仿真對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，制造市場(chǎng)對(duì)于復(fù)雜零件的需求量也在不斷地?cái)U(kuò)大，這也使得人們對(duì)于零件的要求逐漸提升，零件的精密度越來(lái)越高，制造的控制程序也變得更加繁瑣復(fù)雜。傳統(tǒng)的手工編程已經(jīng)不能再適用現(xiàn)如今社會(huì)的需求了，需要提出具有驗(yàn)證與仿真功能的數(shù)控程序與加工模式。本設(shè)計(jì)的方法可以更好地實(shí)現(xiàn)快速編程，并計(jì)算出符合實(shí)際加工的數(shù)控代碼，一定程度上減少了不必要的實(shí)際銑削驗(yàn)證，很大程度地提高了生產(chǎn)的效率，減少機(jī)床故障，增強(qiáng)加工的質(zhì)量與處理效率，合理控制了生產(chǎn)成本，對(duì)于復(fù)雜型腔數(shù)控編程的發(fā)展以及銑削加工仿真技術(shù)的完善具有極為重要的意義，為其他行業(yè)數(shù)控加工提供了理論依據(jù)。