CAM中孔加工路徑優(yōu)化方法的研究

發(fā)布日期:2012-11-18    蘭生客服中心    瀏覽:2129

一、前言

    在CAD/CAM集成系統(tǒng)中,數(shù)控加工的工藝設(shè)計決定了實際生產(chǎn)加工的質(zhì)量和效率。而加工時刀具走刀路徑的規(guī)劃對工藝規(guī)程的編寫和數(shù)控代碼的生成都有重要影響,進而實際影響零件的加工精度、表面粗糙度和加工速度。設(shè)計時,設(shè)計人員常常只考慮到工藝路線的選擇,而沒有考慮或疏忽了刀具路徑的最優(yōu)化,這對數(shù)控加工的質(zhì)量控制和效率提高都很不利。以孔加工為例,在同一平面上加工大量孔時,安排走刀路徑遵循不同的原則,選擇不同的走刀方式,數(shù)控加工的效果是很不一樣的,如果在生成數(shù)控代碼的過程中,對孔加工的點位進行優(yōu)化,盡可能縮短走刀路徑,減少空行程的時間,就能提高加工效率。因此,數(shù)控加工時如何通過設(shè)計數(shù)控工藝,選擇合理的加工路徑,去減少對加工質(zhì)量的不好影響進而提高生產(chǎn)效率是值得研究的。本文即從不同的角度分析了孔加工中加工路徑的優(yōu)化方法。

    孔加工路徑優(yōu)化分為同類孔加工的路徑優(yōu)化和不同類孔混合加工的路徑優(yōu)化。同類孔加工,在一個工序中加工的各個孔的尺寸、加工方法都一樣,這時候的路徑優(yōu)化就成為簡單的點位優(yōu)化;不同類孔加工,一個工序加工的各個孔尺寸、加工方法不一樣,這時候路徑優(yōu)化就不僅僅是點位優(yōu)化,還有孔的工序優(yōu)化,目的是一次換刀可以加工更多的孔。

二、同類孔加工的路徑優(yōu)化(點位優(yōu)化)

1. 最短路徑優(yōu)化

    由于在加工時不用換刀,孔可以看成要求刀具停留一次的點。這樣,加工路徑抽象成完全圖,如圖1所示。在圖1中,刀具從“開始點”出發(fā),加工各個孔一次,最后回到“開始點”,實際上就是一個Hamilton回路。從加工速度考慮,要求加工路徑最短,即求完全圖的最短Hamilton回路。要精確地求解最短Hamilton回路,算法復(fù)雜度很大。例如分支與界法,在最壞的情況下計算復(fù)雜度為O(n!)。由于圖1(b)顯然滿足下面兩個條件:

a)要加工的孔 b)加工路徑抽象成完全圖

圖1 孔加工路徑

(1)是無向圖;

(2)邊長符合三角不等式。

    可以用“便宜”算法近似計算,其計算復(fù)雜度為O(n2),該算法效率高,而且計算結(jié)果接近于精確值,所以得到廣泛應(yīng)用。

2. X方向優(yōu)先路徑優(yōu)化

    由于數(shù)控機床本身的原因,機床結(jié)構(gòu)的幾何誤差導(dǎo)致在加工點處產(chǎn)生三維位置誤差,對加工工件精度影響很大。而僅利用數(shù)控機床的螺距和反向間隙補償功能是不能完全補償加工區(qū)域里的三維位置誤差的。數(shù)控機床軸線的反向間隙會影響坐標(biāo)軸定位精度,而定位精度的高低在孔群加工時,不但影響各孔之間中心距,還會由于定位精度不高,造成加工余量不均勻,引起幾何形狀誤差。如果在加工過程中刀具不斷地改變趨近方向,就會把坐標(biāo)軸反向間隙帶入加工中,造成定位誤差增加。因此,由于數(shù)控機床傳動系統(tǒng)存在空回誤差,為提高加工精度(位置精度和幾何精度),要求工件或刀具的移動是單向的,刀具應(yīng)盡可能單方向趨近目標(biāo)點進行加工,以避免空回誤差的引入。X、Y方向都是單向只有特殊的孔位布置才能實現(xiàn),更一般的情況是要求X方向或Y方向是單向的。如圖2(a)所示的孔群,要求加工順序在X方向是單向的,其數(shù)學(xué)模型如圖2(b)所示。圖中有多個孔具有相同的X坐標(biāo),所以加工路徑不止一條,這就需要計算一條最短的路徑。動態(tài)規(guī)劃算法可以有效的求解。

    動態(tài)規(guī)劃由后向前,先計算d1、d2、d3、d4到開始點的距離,接著用枚舉的法找出C1、C2經(jīng)過d1、d2、d3、d4到開始點的最短路徑,再往前查找b1、b2經(jīng)過C1、C2到達開始點……直到a點,從而得到一條從開始點出發(fā)經(jīng)過a、b、c、d再回到開始點的最短回路。

    以上的刀具路徑是以刀具盡可能單方向趨近目標(biāo)為原則,提高加工精度為目的產(chǎn)生的,盡管不是最快的加工路徑,但空行程時刀具是快速進給的,因此加工時間實際增加并不多。

a)X方向單向加工的空群 b)數(shù)學(xué)模型

圖2 X方向單向加工孔群及其數(shù)學(xué)模型

三、不同類孔混合加工過程的優(yōu)化

1. 工序優(yōu)化

    數(shù)控加工中,換刀所用的時間相對于快速走刀的時間要長很多,所以要提高加工速度,就要減少換刀次數(shù)。一般情況下,每個孔都要經(jīng)過幾個工序使用幾把不同的刀具加工。例如,加工Φ12.8、Φ14.0和Φ10.0的三個孔,各個工序所用刀具如表1所示。

孔 鉆中心孔 鉆孔 倒角

Φ12.8 Φ3.0中心孔鉆 Φ12.8鉆頭 Φ19.0直線倒角鉆

Φ14.0 Φ3.0中心孔鉆 Φ7.4鉆頭

Φ14.0鉆頭 Φ19.0直線倒角鉆

Φ10.0 Φ19.0直線倒角鉆(鉆中心孔和倒角) Φ10.0鉆頭

    從表1可以看出,三個孔有的工序所用的刀具是相同的,如果能把三個孔刀具相同的工序放到一個工序里,將減少換刀次數(shù),縮短加工時間。為此,我們以工序作為頂點,把刀具相同的工序用邊連起來,形成一個分層網(wǎng)絡(luò),如圖3所示。

    經(jīng)過優(yōu)化后,得到如下工序安排:鉆中心孔(Φ12.8,Φ14.0)→鉆孔(Φ12.8)→鉆孔(Φ7.4)→鉆孔(Φ14.0)→倒角(Φ12.8,Φ14.0,Φ10.0)→鉆孔(Φ10.0)。

圖3 孔加工工序網(wǎng)絡(luò)

2. 加工路徑優(yōu)化

    經(jīng)過工序優(yōu)化以后,得到每個工序要加工的孔集,就可以在該孔集內(nèi)進行加工路徑優(yōu)化。加工路徑優(yōu)化的算法和同類孔加工的加工路徑優(yōu)化算法相同。

四、應(yīng)用與結(jié)論

    本文所討論的孔加工刀具路徑優(yōu)化方法已成功運用到新開發(fā)的CAD/CAM集成系統(tǒng)中。運行時系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)界面

    這是幾種不同類型孔的混合加工,加工工序和加工路徑使用第三節(jié)所述方法進行了優(yōu)化。

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