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农机复杂件精密模型数控加工和成型技术研究
Mar 23, 2020  来源:洛阳职业技术学院   作者:张铁创,徐文静


    摘要: 为了解决果园修剪农机设备驱动装置复杂曲面零部件的加工制造难题,引入了一种基于 NURBS 曲线插补编程的多轴数控加工方法,有效地提高了加工精度和编程效率。为此,设计了基于 NURBS 曲线插补的基本流程和框架,建立了 NURBS 插补数学模型,并以此建立了数控编程的刀具走刀轨迹。最后,通过零件的加工实验,对基于 NURBS 插补算法的数控编程技术进行了验证,结果发现:采用 NURBS 曲线插补技术可以成功地完成果园修剪机械驱动装置叶片复杂件的加工。将加工效果和传统加工方法进行了对比,结果发现:其加工纹理要比传统方法更加光滑,精确度更高,可以满足复杂零件精密加工的需求。
  
    关键词: 农机配件; 复杂零件; 数控加工; 曲线插补; NURBS

  
    0 引言
  
    复杂零件造型技术是计算机辅助设计和计算机图形学中最为活跃、最为关键的学科分支之一。随着现代制造技术的发展和 CAD /CAM 软件功能的日趋完善,采用数控编程技术已成为复杂零件精密加工的主要方法。农用果园修理机的驱动装置部分由于叶轮的存在,曲面形状较多,其零部件的加工较为困难。如果采用造型技术,利用 NURBS 插补算法,先对加工刀具的轨迹进行规划,通过仿真技术确定刀具参数后再实际加工,会大大零件的加工效率,对于复杂农机零件的设计和制造工艺的制定都具有重要的意义。

    1 、复杂零部件数控加工技术
  
    对于复杂曲面类零件,由于其曲面不能采用直接编程加工的方法,所以加工精度较低 。近年来,随着数控编程技术和先进制造机床的高速发展,具有复杂编程功能的多轴加工机床可以满足复杂件的加工需要。例如,山西机电职业技术学院宋理敏等采用数据加工的方法,对椭圆类复杂零件进行了工艺分析,通过数据加工最终得到了加工产品,如图 1 所示 。
  
  
  
图 1 椭圆类复杂零件加工产品


    采用曲线插补技术可以完成椭圆类等复杂曲面的零件的加工,保持零部件和装配体等。本研究基于NURBS 曲线插补技术,其加工流程如图 2 所示。采用NURBS 曲线插补的数控加工系统的工艺路线主要包括图纸分析、自动数控编程、刀具轨迹生成、程序输出和实际数控加工,而 NURBS 曲线插补主要是采用数学建模的形式。

    2 、基于 NURBS 曲线的刀具轨迹插补算法
  
    果树修理机驱动装置由椭球面类叶轮轴和叶片、轴套、凸轮轴、底座及台阶销等多个零件构成,以椭球面类叶轮轴和叶片最为复杂,如图 3 所示。
 
  
  
图 2 基于 NURBS 曲线插补的数控加工流程

   
   
图 3 农机椭球面类叶轮轴和叶片复杂零部件

  
    叶轮部分属于复杂的机械零部件,由于存在较多的曲面,采用一般的方法很难进行加工,而借助曲线插补技术可以实现这种复杂零件的精密加工。NURBS 曲线通常被称作非均匀有理 B 样条曲线,主要由 3 部分组成,其表达式可以写成:

    
  
    在农机复杂零部件数控加工时,曲面部分可以采用曲线插补的形式,具体需要借助于 NURBS 曲线插值。假设给定 n +1 个型值点,从而可以构造一条 k 次的 NURBS
曲线,曲线的端点是首和末的型值点。将曲线按照型值

      
      
         
  
     根据 NURBS 曲线的插值原理,可以采用曲线插补的方法对农机复杂零部件加工进行数控编程,其流程如图 4 所示。
  
 
图 4 NURBS 曲线插补算法编程流程

     采用曲线插补算法进行数控编程时,首先需要设置型值点和权因子的数据;然后,计算节点矢量 U 和系数矩阵 Mi,得到控制顶点的权因子后求出控制顶点;最终得到 NURBS 插值曲线作为数控加工的刀具轨迹线。

     3、 农机复杂精密件数控加工测试
   
     为了验证 NURBS 曲线插补技术在数控加工刀具轨迹控制中使用的可行性,采用五轴数控加工铣床进行了实验测试。实验采用数控编程的方法,农机的机型如图 5 所示。  
 
  
  
图 5 果树修剪农机

  
     图 5 为一款果树修理农机,其驱动装置采用了较为复杂的机械零部件。由于曲面较多,在加工制造时需要采用曲线插补技术,具有曲线插补功能的数控系统示意图如图 6 所示。
 
  
  
图 6 NURBS 曲面插补数控系统

  
     在数控系统中引入曲线插补功能后,CNC 系统刀具轨迹可以由简单的直线运动变为曲线运动,可以对曲面进行加工,从根本上解决了传统的系统做不到的功能。

    铣削加工中常用的刀具有带倒圆的端铣刀、球头铣刀及平面端铣刀等,本次数控加工采用的是球面铣刀,在加工复杂曲面时具有更好的光滑性。利用软件编程对 NRUBS 曲线插补轨迹进行规划后,得到了如图 8 所示的效果图。
 
  
  
图 7 刀具库示意图
 
  
 
图 8 刀具轨迹规划图

     采用 NURBS 曲线插补算法可以成功地实现曲面的刀具规划,在数控加工时采用该形状的走刀轨迹,可以实现复杂曲面的加工,其加工效果如图 9 所示。
 
  

图 9 NURBS 插补和传统加工方法对比

    为了验证基于 NURBS 插补算法的可靠性,将采用该种曲线插补算法加工的零件(a) 和传统的加工方法加工的零件(b)进行了对比,如图 9 所示。对同一个数控加工轨迹点进行了跟踪测试,得到了仿真轨迹和实际加工的对比曲线,结果表明:实际加工曲线和仿真曲线非常吻合,从而验证了 NURBS插补算法的可靠性。
 
  

图 10 仿真和实际加工曲线对比

     4 、结论
  
    在果园修剪机的复杂零部件加工制造时,由于存在较为复杂的曲面部分,给数控加工过程带来了较大的困难。为了解决这个问题,将基于 NURBS 曲线插补算法引入到了数控编程过程中,并根据预先设计好的数学模型,生成了刀具的走刀轨迹。为了验证方法的可行性,采用虚拟仿真的形式对刀具的轨迹进行了实验,通过优化确定了刀具的具体参数数据。根据插补算法制定的走刀轨迹,对零件进行了实际加工,将加工的零件和传统方法加工的零件进了对比,充分验证了基于 NURBS 曲线插补算法加工的优越性。


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