復(fù)雜曲面加工中的自適應(yīng)加工技術(shù)研究

王泰吉，李歡

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

自適應(yīng)加工技術(shù)是與當(dāng)前設(shè)備或零件的狀態(tài)相適應(yīng)的一種先進(jìn)加工方法，為大型零件以及復(fù)雜型面制造提供了有效的解決方案。本文基于自適應(yīng)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(yīng)加工的過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)加工提高了加工效率，加強(qiáng)了對(duì)生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制。

自適應(yīng)加工；復(fù)雜曲面；數(shù)控技術(shù)

近年來，自適應(yīng)加工技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，提高了加工效率，提高了加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量更嚴(yán)格、更精準(zhǔn)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(shí)，加工系統(tǒng)仍然能夠自我調(diào)整加工過程，并按照預(yù)期目標(biāo)完成加工的一種方法。其關(guān)鍵是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線識(shí)別、在線評(píng)估和實(shí)時(shí)比較，并據(jù)此進(jìn)行自行調(diào)整，從而按照預(yù)期加工規(guī)律完成整個(gè)加工過程。

1 自適應(yīng)加工技術(shù)的原理

自適應(yīng)加工技術(shù)原理可以采用自適應(yīng)變步長(zhǎng)原理，如圖1所示。

圖1 不同曲率的逼近誤差比較

自適應(yīng)變步長(zhǎng)加工技術(shù)是基于自適應(yīng)變步長(zhǎng)算法[1]的，其原理是兩個(gè)不同曲率的圓弧在同一步長(zhǎng)條件下產(chǎn)生不同的逼近誤差，即較小曲率的圓?。▓D1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(yīng)加工系統(tǒng)的工作過程

（1）在機(jī)檢測(cè)

自適應(yīng)加工系統(tǒng)首先依托于在機(jī)檢測(cè)技術(shù)。在機(jī)檢測(cè)通過完整的模擬環(huán)境（可模擬機(jī)床、測(cè)頭、測(cè)針等），能自動(dòng)檢測(cè)具有自由曲面和幾何特征，并在加工機(jī)床上實(shí)現(xiàn)脫機(jī)編程，從而提高機(jī)床利用率。PowerINSPECT在機(jī)檢測(cè)的工作過程如下：

1）完成檢測(cè)設(shè)備的配置。包括校準(zhǔn)球、測(cè)頭座、探針等參數(shù)的設(shè)置，如圖2所示。測(cè)頭標(biāo)定是指測(cè)頭探針接觸測(cè)量固定在機(jī)床工作臺(tái)上直徑已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)球上的不同位置，由各接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算出測(cè)頭的有效半徑和標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)值，并存儲(chǔ)在數(shù)控系統(tǒng)中用于后續(xù)測(cè)量。測(cè)頭的精確標(biāo)定是保證在機(jī)測(cè)量精度的前提條件。

圖2 測(cè)量設(shè)備參數(shù)設(shè)置

2）輸入要檢測(cè)的CAD模型。在CAD里完成模型的預(yù)處理工作，導(dǎo)入待檢測(cè)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(zhǔn)確性和完整性。如圖3所示。

圖3 檢測(cè)的CAD模型

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

圖4 檢測(cè)路徑規(guī)劃

4）在機(jī)床上生成檢測(cè)報(bào)告。如圖5所示。

圖5 在機(jī)檢測(cè)的結(jié)果報(bào)告

（2）自適應(yīng)加工

進(jìn)行自適應(yīng)加工時(shí)，可首先根據(jù)在機(jī)檢測(cè)的結(jié)果報(bào)告，計(jì)算出零件或毛坯在機(jī)床上的精確位置，即零件當(dāng)前位置坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的偏差量。然后將這些數(shù)據(jù)輸入到NC Partlocator中。NC Partlocator將對(duì)比產(chǎn)生PowerMILL刀具路徑的名義位置和工件在機(jī)床上的實(shí)際位置，自動(dòng)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)刀具路徑原點(diǎn)位置，從而使刀具路徑和工件對(duì)齊并將結(jié)果輸出到機(jī)床控制器。這樣經(jīng)幾分鐘對(duì)零件進(jìn)行簡(jiǎn)單裝夾定位后，系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)齊定位NC刀具路徑，從而幫助機(jī)床操作人員快速準(zhǔn)確地進(jìn)行工件的重復(fù)裝夾定位，節(jié)省時(shí)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(cè)量路徑。產(chǎn)生測(cè)量路徑的方法目前有兩種：一是通過在機(jī)檢測(cè)軟件脫機(jī)編輯生成測(cè)量路徑，然后通過軟件自帶的后處理功能產(chǎn)生測(cè)量路徑的數(shù)控程序并傳輸?shù)綑C(jī)床控制器中；二是通過加工軟件，直接編輯并創(chuàng)造出測(cè)量路徑。

2）測(cè)量零件實(shí)際位置。通過測(cè)量的參考特征或曲面，對(duì)齊加工坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系，一旦獲得測(cè)量結(jié)果，NC PartLocator能夠讀取數(shù)據(jù)并應(yīng)用最佳擬合計(jì)算，計(jì)算出零件當(dāng)前位置坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的偏差量。如圖6所示。

圖6 零件裝夾和定位

3）產(chǎn)生報(bào)告。NC PartLocator計(jì)算完之后會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)校準(zhǔn)報(bào)告，如圖7所示。該報(bào)告中包含了原始CAD數(shù)模位置和調(diào)整過的位置的對(duì)比圖像快照及矩陣變換信息等。而且報(bào)告的文件名可以自動(dòng)生成為以時(shí)間定義的名字，這對(duì)嚴(yán)格的生產(chǎn)過程控制是非常重要的。

圖7 自動(dòng)產(chǎn)生的校準(zhǔn)報(bào)告

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

3 應(yīng)用實(shí)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(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)。采用了Delcam的“PowerMILL+PowerINSPECT”多軸銑削和質(zhì)量實(shí)時(shí)控制的解決方案。

（1）通過PowerMILL輸出的NC程序進(jìn)行粗加工（見圖8）。

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

（3）通過PowerMILL輸出的NC程序進(jìn)行精加工加工（見圖10）。

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

圖8 產(chǎn)品粗加工過程

圖9 粗加工后的檢測(cè)

圖10 產(chǎn)品精加工過程

圖11 精加工后的檢測(cè)

（5）最后通過PowerINSPECT與3D模型進(jìn)行對(duì)比，輸出檢測(cè)報(bào)告（見圖12）.

圖12 檢測(cè)報(bào)告

在復(fù)雜曲面的加工過程中，首先根據(jù)在機(jī)檢測(cè)的結(jié)果報(bào)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(zhǔn)是否加工精確，工件是否有較大的變形，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響后續(xù)精加工的各種因素條件，及時(shí)改善加工工藝，提高加工質(zhì)量。

通過該實(shí)例可以看出，加工精度控制在μm級(jí)范圍，公差范圍控制在μm級(jí)范圍，得到了非常高精度和表面加工質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)了模具“只裝不配”的良性運(yùn)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(shí)間，給企業(yè)帶來更多的利潤(rùn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 自適應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展

自適應(yīng)加工技術(shù)朝著多方向發(fā)展，目前，已開發(fā)出了多種自適應(yīng)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(yīng)加工技術(shù)，能準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)加工技術(shù)，通過獲取的熔池圖像提取熔池信息，可實(shí)現(xiàn)弧焊熔透系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。

（3）在電火花加工中，采用自適應(yīng)加工技術(shù)，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(yīng)加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制，減少了檢測(cè)過程中機(jī)床操作員的人為錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)全程序無人干預(yù)，減少問題產(chǎn)品流入到下一加工階段的機(jī)率，同時(shí)提高了加工效率，加強(qiáng)了對(duì)生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制，極大地節(jié)省加工時(shí)間和精力的花費(fèi)。

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

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

[3]王文理.自適應(yīng)加工技術(shù)在數(shù)控加工領(lǐng)域的分類與應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，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(yīng)控制系統(tǒng)[J]．化工自動(dòng)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(shí)政博，黃筱調(diào)，丁文政，等．基于自適應(yīng)控制技術(shù)的銑削參數(shù)優(yōu)化[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，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。