浅论数控车铣加工干涉检测及工艺参数的优化

2015-02-26史亚军魏剑

橡塑技术与装备 2015年20期

关键词：陕西对象程序

史亚军，魏剑

（1.陕西黄河集团有限公司检验处，陕西西安 710043；2.陕西黄河集团有限公司20车间，陕西西安 710043）

浅论数控车铣加工干涉检测及工艺参数的优化

史亚军1，魏剑2

（1.陕西黄河集团有限公司检验处，陕西西安 710043；2.陕西黄河集团有限公司20车间，陕西西安 710043）

车铣复合数控机床因其加工能力强、效率高和高精度等优势，在机械加工行业得到了越来越广泛的应用，但是在实际中，车铣复合加工所具有的复杂工艺以及容易出现加工碰撞干涉等问题，使其不能得到充分利用，同时其潜能也不能得到充分发挥，所以为了保证加工工艺的顺利进行，以及利用效率的提供，就需要通过碰撞干涉检测，得到正确的数控加工程序，最终实现工艺参数的优化。

车铣复合加工；虚拟机床模型；干涉检测；参数优化

1 数控车铣加工干涉检测

对于数控车铣加工干涉检测以及优化工艺参数来说，所涉及的研究应该包括建立虚拟环境、干涉检测以及优化工艺参数这三个方面，因为建立虚拟环境之后才能使得之后的干涉检测顺利进行，进而继续之后的工艺参数优化。其中虚拟加工环境的建立就是为进行车铣复合数控机床虚拟模型的建立做铺垫，进而保证模型的行为、动作能够与实际机床保持一致。

该模型中包括工件模型、夹具模型、刀具模型以及包含运动和几何模型的机床模型。而完成虚拟加工环境的建立后，再在该环境下结合数控程序所提供的切削信息进行加工过程的运动仿真，并完成碰撞干涉检测，以此发现程序中埋藏的隐患问题，为工作人员提供修改的依据和基础，进一步避免加工过程中出现工件报废、损害设备、威胁工作人员人身安全等事故。

碰撞干涉检测的算法主要是检测构成几何对象的基本几何元素的相交情况，如果检测出几何元素发生了相交现象，那么就会产生碰撞，反之，不产生相交则不会产生碰撞。原有的相交测试其实是将所有的基本几何元素两两配对进行相交测试，这种检测的计算量大、效率也不高，而为了让检测效率得到有效提高，首先就是将不可能相交的几何对象剔除出来，然后剩余可能会出现相交的几何对象，并进行更精确的检测，一直到检测出相交或者全部检测完毕为止。

基于此，众多学者们展开了更深入的研究，并提出了很多不同的检测算法，在干涉检测中最常用的检测算法有两种，即为层次包围盒法、空间分解法。

就以层次包围盒法为例来说，该类检测算法就是通过形状简单的包围盒来对所需要检测的几何对象进行包裹，然后在此基础上进行包围盒层次结构树的构建，接着在对其包围盒进行相交检测，防止漏检问题的出现。也就是说该检测方法就是通过检测包围盒来代替检测几何对象的相交情况，当包围盒不相交的时候，几何对象也一定不会相交，当包围盒相交的时候，几何对象有可能不会相交。

因此，采用层次包围盒法有助于不相交几何对象的剔除工作，而对于检测相交几何对象的时候，包围盒的紧凑性和简单性将会极大影响到其检测效率，对于简答的包围盒来说，其构造就会相对较方便，但是其测试的无用性将会很大，而紧凑的包围盒，其构造越难，包围盒就会更加复杂，进而测试的无用性将会更小。

层次包围盒法会根据其不同的构造方式分为以下几类：即球包围盒法、轴向AABB包围盒法、OBB包围盒法、K-Dops包围盒法等，其中球包围盒法是包裹给定几何对象的最小球体，在构造的时候只需要确定其球心和半径即可。球包围盒的构造简单，具备较少数据存储量，而且因为较差的紧凑性，使其结构空隙较大，所以在进行检测中所需要的预处理时间会比较长。但是因其可以带动几何对象进行旋转运动，所以不需要更新包围球，比较适用于频繁发生旋转运动的几何对象。

2 数控车铣工艺参数的优化

因为数控机床程序的复杂性，使得人们在面对复杂的结构件时，不能完全享受数控机床所具有的高效率、高精确和高回报。虽然在实际中工作人员以及相关学者采取了各类方法应对加工参数和路径的确定问题，但是都因为没有充分考虑具体加工对象和所处环境所带来的影响，致使加工程序的正确性得不到保障，其加工参数和路径也缺乏一定合理性。

在国内外已有很多学者对数控程序加工路径的优化进行较为全面的研究，例如针对型腔的行切法加工和环切法加工，针对自由曲面的投影法加工和截平面法加工等。而工艺参数的优化主要是针对加工过程中的切削参数，主要通过对切削过程中目标优化函数的建立，在确定其系列约束条件下，采用有效的优化算法求解出特定目标的最佳切削参数值。

而工艺参数加工主要分为在线和离线加工参数优化这两类，在线加工参数的优化就是通过向数控加工系统提供一个能够结合加工条件变化实时优化加工参数的最优控制系统来实现参数的优化，这是对自适应控制理论的一种应用体现，例如通过对切削力、刀具温度等变量的实时检测来实现对切削用量的自动调节，进而实现加工质量和切削效率的提高。

而离线加工参数的优化则是指在未进行实际加工的时候，通过预测加工状态，以及结合工作人员已有的丰富加工经验和现有数据来优化加工参数，这主要借助数控加工仿真手段来达到对加工过程中一些几何加工参数和物理过程变量的预先提取目的，然后再根据所提取的数据信息在其约束条件下进行特定目标最优切削加工参数的求解。