農機復雜件精密模型數控加工和成型技術研究
2020-3-23 來源：洛陽職業技術學院 作者：張鐵創，徐文靜
摘要: 為了解決果園修剪農機設備驅動裝置復雜曲面零部件的加工制造難題，引入了一種基于 NUＲBS 曲線插補編程的多軸數控加工方法，有效地提高了加工精度和編程效率。為此，設計了基于 NUＲBS 曲線插補的基本流程和框架，建立了 NUＲBS 插補數學模型，并以此建立了數控編程的刀具走刀軌跡。最后，通過零件的加工實驗，對基于 NUＲBS 插補算法的數控編程技術進行了驗證，結果發現:采用 NUＲBS 曲線插補技術可以成功地完成果園修剪機械驅動裝置葉片復雜件的加工。將加工效果和傳統加工方法進行了對比，結果發現:其加工紋理要比傳統方法更加光滑，精確度更高，可以滿足復雜零件精密加工的需求。
關鍵詞: 農機配件; 復雜零件; 數控加工; 曲線插補; NUＲBS
0 引言
復雜零件造型技術是計算機輔助設計和計算機圖形學中最為活躍、最為關鍵的學科分支之一。隨著現代制造技術的發展和 CAD /CAM 軟件功能的日趨完善，采用數控編程技術已成為復雜零件精密加工的主要方法。農用果園修理機的驅動裝置部分由于葉輪的存在，曲面形狀較多，其零部件的加工較為困難。如果采用造型技術，利用 NUＲBS 插補算法，先對加工刀具的軌跡進行規劃，通過仿真技術確定刀具參數后再實際加工，會大大零件的加工效率，對于復雜農機零件的設計和制造工藝的制定都具有重要的意義。
1 、復雜零部件數控加工技術
對于復雜曲面類零件，由于其曲面不能采用直接編程加工的方法，所以加工精度較低 。近年來，隨著數控編程技術和先進制造機床的高速發展，具有復雜編程功能的多軸加工機床可以滿足復雜件的加工需要。例如，山西機電職業技術學院宋理敏等采用數據加工的方法，對橢圓類復雜零件進行了工藝分析，通過數據加工最終得到了加工產品，如圖 1 所示 。
圖 1 橢圓類復雜零件加工產品
采用曲線插補技術可以完成橢圓類等復雜曲面的零件的加工，保持零部件和裝配體等。本研究基于NUＲBS 曲線插補技術，其加工流程如圖 2 所示。采用NUＲBS 曲線插補的數控加工系統的工藝路線主要包括圖紙分析、自動數控編程、刀具軌跡生成、程序輸出和實際數控加工，而 NUＲBS 曲線插補主要是采用數學建模的形式。
2 、基于 NUＲBS 曲線的刀具軌跡插補算法
果樹修理機驅動裝置由橢球面類葉輪軸和葉片、軸套、凸輪軸、底座及臺階銷等多個零件構成，以橢球面類葉輪軸和葉片最為復雜，如圖 3 所示。
圖 2 基于 NUＲBS 曲線插補的數控加工流程
圖 3 農機橢球面類葉輪軸和葉片復雜零部件
葉輪部分屬于復雜的機械零部件，由于存在較多的曲面，采用一般的方法很難進行加工，而借助曲線插補技術可以實現這種復雜零件的精密加工。NUＲBS 曲線通常被稱作非均勻有理 B 樣條曲線，主要由 3 部分組成，其表達式可以寫成：
在農機復雜零部件數控加工時，曲面部分可以采用曲線插補的形式，具體需要借助于 NUＲBS 曲線插值。假設給定 n +1 個型值點，從而可以構造一條 k 次的 NUＲBS
曲線，曲線的端點是首和末的型值點。將曲線按照型值
根據 NUＲBS 曲線的插值原理，可以采用曲線插補的方法對農機復雜零部件加工進行數控編程，其流程如圖 4 所示。
圖 4 NUＲBS 曲線插補算法編程流程
采用曲線插補算法進行數控編程時，首先需要設置型值點和權因子的數據;然后，計算節點矢量 U 和系數矩陣 Mi，得到控制頂點的權因子后求出控制頂點;最終得到 NUＲBS 插值曲線作為數控加工的刀具軌跡線。
3、 農機復雜精密件數控加工測試
為了驗證 NUＲBS 曲線插補技術在數控加工刀具軌跡控制中使用的可行性，采用五軸數控加工銑床進行了實驗測試。實驗采用數控編程的方法，農機的機型如圖 5 所示。
圖 5 果樹修剪農機
圖 5 為一款果樹修理農機，其驅動裝置采用了較為復雜的機械零部件。由于曲面較多，在加工制造時需要采用曲線插補技術，具有曲線插補功能的數控系統示意圖如圖 6 所示。
圖 6 NUＲBS 曲面插補數控系統
在數控系統中引入曲線插補功能后，CNC 系統刀具軌跡可以由簡單的直線運動變為曲線運動，可以對曲面進行加工，從根本上解決了傳統的系統做不到的功能。
銑削加工中常用的刀具有帶倒圓的端銑刀、球頭銑刀及平面端銑刀等，本次數控加工采用的是球面銑刀，在加工復雜曲面時具有更好的光滑性。利用軟件編程對 NＲUBS 曲線插補軌跡進行規劃后，得到了如圖 8 所示的效果圖。
圖 7 刀具庫示意圖
圖 8 刀具軌跡規劃圖
采用 NUＲBS 曲線插補算法可以成功地實現曲面的刀具規劃，在數控加工時采用該形狀的走刀軌跡，可以實現復雜曲面的加工，其加工效果如圖 9 所示。
圖 9 NUＲBS 插補和傳統加工方法對比
為了驗證基于 NUＲBS 插補算法的可靠性，將采用該種曲線插補算法加工的零件(a) 和傳統的加工方法加工的零件(b)進行了對比，如圖 9 所示。對同一個數控加工軌跡點進行了跟蹤測試，得到了仿真軌跡和實際加工的對比曲線，結果表明:實際加工曲線和仿真曲線非常吻合，從而驗證了 NUＲBS插補算法的可靠性。
圖 10 仿真和實際加工曲線對比
4 、結論
在果園修剪機的復雜零部件加工制造時，由于存在較為復雜的曲面部分，給數控加工過程帶來了較大的困難。為了解決這個問題，將基于 NUＲBS 曲線插補算法引入到了數控編程過程中，并根據預先設計好的數學模型，生成了刀具的走刀軌跡。為了驗證方法的可行性，采用虛擬仿真的形式對刀具的軌跡進行了實驗，通過優化確定了刀具的具體參數數據。根據插補算法制定的走刀軌跡，對零件進行了實際加工，將加工的零件和傳統方法加工的零件進了對比，充分驗證了基于 NUＲBS 曲線插補算法加工的優越性。
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