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車銑複合加工工藝設計中的關鍵問題研究（jiū）

2014-3-2 來源：北京航空航天大學作者：史旭升喬立紅胡權威

隨著（zhe）計算機技術、機床技術以及加工工（gōng）藝（yì）技術的不斷發展，傳統的用單一加（jiā）工方法分工序加工已不能滿足人們對加工（gōng）速度、效率和精（jīng）度的要求。在這樣的背（bèi）景下，車銑複合加（jiā）工技術應運而生。車銑複合加工的理念是“一次裝夾，全部（bù）完工”，這種加工模式（shì）無需人工幹預，在一次裝夾（jiá）定位情況下，機（jī）床（chuáng）可（kě）以進行車、銑、鑽（zuàn）、鏜和車銑等加工任務[1]。車銑複合加工技術作（zuò）為一種高效率、高精度，且適應現代製造業多品種、小批量、個性（xìng）化發展需求的先進數控加工技術，日益受到重視[2]。車銑複合加工（gōng）為複雜零件、高（gāo）精密零件和難加（jiā）工零件提供了先進的解決方（fāng）案，解決了傳統加工中心難以解（jiě）決的加工難題。

車銑複合（hé）加工設備的主要優勢在於加工工（gōng）藝更加靈活、工（gōng）序更加集中，從而可以縮短產（chǎn）品製造工藝鏈、提高工藝的有效性、減少零件在整個加工過程中的裝夾次數、提高位置加（jiā）工精度（dù）。但在實際應用中，卻麵臨很多困難和挑戰（zhàn）。主要原因是在車銑複（fù）合加工工藝過程設計中，麵向車銑複合加工的加（jiā）工方法決策技術、加工工步排序技（jì）術和幹涉碰撞檢測技術尚處於探索階段，因此，車銑複合加工設計工（gōng）藝水平（píng）低下成為製（zhì）約加工設備應用的主要障礙。

隨著（zhe）車銑（xǐ）複合（hé）加工設備的廣泛應（yīng）用，研究符合車銑複合加工的先進工藝設（shè）計方法，充（chōng）分挖掘設備的應用潛能，成為企業的迫切需求。為了解決該問題，本文通過分析麵向車銑複合加工工藝設計中的加工方法決策、加工工步排序和碰撞檢測3個關鍵問題的研究現狀，探討了（le）相（xiàng）應（yīng）問題（tí）的（de）解（jiě）決方（fāng）法。

車銑（xǐ）複合加工方法決策技術

加工（gōng）方法決策是影響工藝設計方案準確與否的關（guān）鍵環節，是實（shí）現工藝設計智能化的（de）核心問題。加工（gōng）方法決策（cè）的原理是根據產品（pǐn）製造特征（zhēng）信息和加工知識信息給出滿足加工精度要求的加工方法。在現代計算機輔助工藝設計（jì）技術中，工藝推理（lǐ）的特征信息和加（jiā）工方法知識信息（xī）一般分別用產品特（tè）征數據庫和加工方法知識（shí）庫來進行存儲。由於傳（chuán）統工藝設（shè）計在構建特征數據庫和加工知識庫過程中都缺乏（fá）對同步加工相關知識的描述和表達，在推理決策過程中無（wú）法得到滿足車銑複合加工的加工（gōng）方法決策信息，因此（cǐ）研究符合（hé）車銑複合加工（gōng）的加工（gōng）方法決策技術具有重（chóng）要意義。

目前，麵向車銑複合（hé）加工方法的決策技術還處於（yú）起步階段，但是（shì）傳統加工工藝和五（wǔ）軸（zhóu）加工工（gōng）藝的決策技（jì）術發展已經成熟。車銑複合加工方法與傳統加工方法的單元都是加工操作方法，所以車銑複合（hé）加工方（fāng）法（fǎ）可以分享傳統加工方（fāng）法的特征和知識信息；同時車銑複（fù）合加工方法具有（yǒu）同步加工的特性，這就要求對傳統加工方法進行再組織和協調（diào）。北京航空航天大學課題組致力於先進製造工藝領（lǐng）域的研究，建立了較完善的特征數據庫（kù）和加（jiā）工知識庫[5-7]。本研（yán）究在此基礎上，繼承其特征建模技術和構建知識庫的方法，通過分析和（hé）總（zǒng）結現有車銑複合加工（gōng）方法特點，構建（jiàn）麵（miàn）向（xiàng）車銑複合加工的特征數據庫和加工方法知識（shí）庫（kù）。通過基於特征（zhēng）與知識推（tuī）理機製（zhì）決策加工方法，解決現有工藝設計係統在車銑複合加工方法決策過程（chéng）中知識乏力的問題，拓寬工藝（yì）設（shè）計係統的（de）應用範疇。

車銑複合（hé）加工的突（tū）出特點是同步（bù）加工技術的（de）應用，同步加工是指采用多刀（dāo）架同時（shí）切削，這樣能夠減小加（jiā）工時間，提高生產效率。以雙主軸雙刀架車銑複合機床為例，同步加工主要分為雙刀（dāo）架同時加工同一個工件的同一（yī）個特征、雙刀架同時加工同一個工件的兩個特征和雙刀架同時加工兩個不同（tóng）的工件這3種類型。特征類型與加工方法（fǎ）之間是一對多（duō）的關係，如車削外圓可以采用雙刀架同時加工一個特征，也可以采用雙刀架同（tóng）時加工車削外圓與鑽軸向孔兩個特征。因此，需要（yào）分析同步加（jiā）工相關屬性信息，在特（tè）征數據庫和（hé）工藝知識庫中進行準確表達和清晰描述。

特征數據庫是描述產品（pǐn）特征信（xìn）息的載體，包含了產品特征類型，及特征對應的幾何信息和非幾何信息。其中，幾何信息（xī）是指（zhǐ）特征包含的幾（jǐ）何形麵；非幾何信息是標（biāo）注在幾何形麵上（shàng）的尺寸、粗糙（cāo）度、形位公差、注釋等信息。在構建（jiàn）特征數據庫時以特征（zhēng）為單元，能夠完整表達產品的設計信（xìn）息，有助（zhù）於實現產品設計與工藝過程設計（jì）之間的信息傳遞，支持工藝過程（chéng）設計。

加工方（fāng）法知識庫是對加工方法適用範圍的形式化表達，包含加工方法及其所適應的工件材料、幾何形狀及經濟加工精度（dù）的定義。知（zhī）識庫除（chú）了描述加工方法（fǎ）信息以外，還（hái）要反映加工方法與產品製造信息的對應關係，以（yǐ）便根據加工（gōng）方法知識匹配（pèi）適合（hé）產品設計要求的加工方法，從而為加工方（fāng）法決策提供理論支持。

加工（gōng）方法決策是根據產品的特征信（xìn）息和加工（gōng）知識進行推理，決策出滿足（zú）產品精度要求的（de）加（jiā）工方法。車銑（xǐ）複合加工方法決（jué）策（cè）流程如（rú）圖1所示，主要步（bù）驟如下：

特（tè）征信息提取：根據零（líng）件的幾何（hé）模型，獲取零（líng）件包含的技術要求和特征信息，以及特征對應的幾何信息和非幾何信（xìn）息。

特征信（xìn）息預處理：按照加工方法知識模型所要求的（de）格式對特征信息進行預（yù）處理。如產品特（tè）征信息中的精度上下限需要轉換為精度等級的（de）形（xíng）式，便於在加工方（fāng）法決策中進行匹配。

加工方法（fǎ）決策：從加工方法知識庫中獲取加工（gōng）方法知識，將知識庫中給定的屬性（xìng）值與（yǔ）特征數據進行比較，與幾何特征、材料、精度及熱處理等信息進行匹配，得出符合條件（jiàn）的可行加工方法，選擇最優的加工方法作為決策結果。

車銑複合加工工步排（pái）序技術

在車銑（xǐ）複合加工設備上加工複雜零件時，零件在一次裝夾下的工步（bù）數目多、排序規模大，單靠經驗難以得到較好（hǎo）的排序方案。工步（bù）排序不僅影響工藝方案（àn）的優劣，還（hái）會影響加工（gōng）設備的使用率和產品的加工質量。為了充分發揮車（chē）銑複合機床的加工能力，在（zài）加工條件允許的前提（tí）下，通（tōng）過雙刀架的同步操作實現零件多個（gè）工步同時加工。但為實現這樣的同步加工，就需要分析車銑複合加工同步工步之間的優先關係，合（hé）理安排工步（bù）之間的串行和並（bìng）行加工順（shùn）序。

傳統工步排（pái）序一般是線性工步排序，不存在同步加工問題，采用改進的智能（néng）算法可以（yǐ）有效地解決工步排序問題[8-9]。車銑（xǐ）複合工步排序是同時涉及資源調度和工步（bù）排序的複雜問題（tí），資源（yuán）調度是指車銑複合加工設備包含的（de）主軸和（hé）刀架的分配，因此在排序過程中不僅（jǐn）要考慮（lǜ）同步工步的（de）組合關係，還有分配合理的主軸和刀架。Nan-Chieh Chiu等[10]針對多主軸多刀架加工中心的工序排序問題，采用（yòng）了改進的（de）遺傳算（suàn）法，但是在工藝排序過程中（zhōng）卻沒有考慮車（chē）削工藝與鑽削工藝的同步加工（gōng）方式；Dae-Hyuk C等[11]以產品的加工時間為優選目標，采用枚舉法列舉了車銑複合（hé）加工的所有可（kě）行加工方（fāng）案，但該方法僅適用於工步少的零件，否則計算量將呈指數形（xíng）式增加。

隨著智（zhì）能優化算法在計算機領域的應用，利用人工智能（néng）技術進行工藝排（pái）序的研究，對提高工藝排序的自動化和智能化水平，都起到了積極的推動作用。圖2給出了一種建立在工步有向圖基礎上的解決車銑（xǐ）複合加工工（gōng）步排序方法示意，該方法結（jié）合零（líng）等待（dài）微資源分配算法（fǎ），可實現同步工步與主軸和刀架的動（dòng）態組合（hé）。

工步有向圖的基本原理是根（gēn）據產品特征（zhēng）之間的拓撲（pū）關係和工（gōng）藝知識準則，以有向圖的形式表達（dá）工步之間的優先關係。工（gōng）步有向圖以最簡潔的效果，形式化地表達了工步之間（jiān）的（de）優先關係。圖2工步（bù）有（yǒu）向圖的箭頭從（cóng）優先加工工（gōng）步指向後加（jiā）工工（gōng）步，如工步1優先於工步3加工。為了在有（yǒu）向圖中準確地表示工步之間的關係，引入邏輯與和邏輯或的關係，其中實線表示邏輯與的（de）關係如（rú）工步9必須在工步5、6、7、8加工之後加工；點劃線表示邏輯或的關（guān）係如工步5在工（gōng）步（bù）2或者工（gōng）步4之後加工。

零等待微資源分（fèn）配是指合理選擇（zé）車銑複合加工的同步工步，及時分配相應的主軸和刀（dāo）架，使所有的工步都盡量（liàng）在第一時間得（dé）到響應。在分配過程中，力求提高主軸和刀架的（de）使用效率，減小刀（dāo）架等（děng）待時間。其中刀架和主軸的使用遵循以下規則：一個主（zhǔ）軸在一段時間內最多隻能（néng）安裝一個（gè）工件；一個刀架在一（yī）段時間內最多隻能加工一個工步；不同的刀架可以同時加工不同的工步（bù）。

同步加工是兩個沒有約束關（guān）係的工步，在加工設備（bèi）主軸和刀架允許的情況下，采用的一種高效加工方（fāng）式。同步加工策略主要有同步車（chē）外（wài）圓、同步車端麵、同步車外圓和鑽孔、同步（bù）銑削和（hé）同步徑（jìng）向鑽孔等理論可（kě）行方案。在實例化工步排序過程中，應該使同步工（gōng）步之間的加工時間差最小，減少刀（dāo）架的等待（dài）時間。

車銑複合工藝設計中的（de）碰撞檢測（cè）技術

在車銑複合加工過程中，由於車銑複合加工設備結構複雜、運動部件多、空間（jiān）小，刀具與刀（dāo）具，刀具與刀架之間極（jí）易發生碰撞現象。車銑複合工藝設計中的碰撞檢測是驗證（zhèng）工藝方案的可行（háng）性，檢測（cè）同（tóng）步（bù）加工工步（bù）、刀軌路徑和加工參數正確與否（fǒu）的（de）一種重要手段，因此（cǐ），研究碰撞（zhuàng）檢測技術顯得尤為重要。

隨著計算機技術的發展，虛擬仿真技術在減低成（chéng）本，提高效率（lǜ）方麵都有顯著優勢。碰撞檢測算法主要有空（kōng）間（jiān）分解法和層次包圍盒法兩種算法，其核心思想都是盡可能減少相交測試對（duì）象的數目來提高檢（jiǎn）測速（sù）度（dù）。空間分解法（fǎ）適用於稀（xī）疏的環境中分布比較均勻的幾何對象間的檢測，層次包圍盒（hé）方法則應用（yòng）更為廣泛（fàn），適應複雜環境中的碰（pèng）撞檢測[12]。車銑複合加工環境複雜，運（yùn）動對象多，因此，在（zài）本研究中選用了基於（yú）層次包圍盒的方法。

傳統檢（jiǎn）測（cè）方法是（shì）進（jìn）行一（yī）次（cì）或多（duō）次試（shì）切、不斷調試，直到確認能夠完成預定的（de）加工要求，這種方法效率低、周期（qī）長（zhǎng）、成本高。為了提高檢測效率，基於（yú）虛擬仿真技術的碰撞檢測算法[13-15]為工藝方案的修正提供了（le）依據（jù），但是在修正過程中需要工藝人員根據經驗預估（gū）修正方式，由預估引起的（de）不確定性和（hé）偶然（rán）性，給生產計劃帶來一定風險，如果不能及時解決，可能影響生（shēng）產（chǎn）進度。為了避免盲目的方（fāng）案預估，減（jiǎn）少反複修正的次數，提高準確（què）率，保（bǎo）證精（jīng）度，準確計（jì）算（suàn）發生初始碰撞時間和位置信息可有效解（jiě）決（jué）該問題。圖3給出（chū）了以初始碰（pèng）撞時（shí）間和位置為檢測目標，采用改（gǎi）進OBB包圍盒碰撞檢測算法對車銑複合工藝方案中可能存在的碰撞進行檢（jiǎn）測的流程（chéng）。

車銑複合加工是一個動態過程，在該方法中（zhōng），將時間參數作為一個自變量，把工步分為若（ruò）幹時間節點，求解每個時間節點的碰撞情況，簡化了碰撞檢測算法的難度。算法以車銑複（fù）合（hé）加工工步為單元，根據工（gōng）步包含的（de）幾何對象創建（jiàn）各（gè）對象的OBB包圍盒及其層（céng）次包圍盒（hé）樹；基（jī）於分離軸理論（lùn）的模糊檢測，快速剔除（chú）不發生碰撞的對象，減少運（yùn）算對象，提高檢測效率；基於矢量法的精確檢測和三角麵片（piàn）相（xiàng）交算法，計算發生（shēng）初始碰撞的時間和位置。

在模糊檢（jiǎn）測階段，當（dāng）不發生碰撞時，計算下（xià）一（yī）時間節點的碰撞情況；當發生碰撞（zhuàng）時，進入精確（què）檢測（cè）階段。在（zài）精確（què）檢測階段，當不發生碰撞時，返回模糊檢測階段（duàn），計算下一（yī）時間節點（diǎn）的碰撞情況；當發生碰撞現象時，輸出檢測結果。直（zhí）到遍曆完該工步的所有時間節點，完（wán）成碰撞（zhuàng）檢測過程。該計算（suàn）結果能幫助工藝設計人員（yuán）更快地進行工藝方案（àn）或運動（dòng）參數的修（xiū）正，提高了修正效率。該算法適用（yòng）於車銑複合（hé）加（jiā）工所有的加工類型，即常規（guī）加工工步和同步加工工步。

結束語

車銑複合（hé）加工工藝設計是目前工藝設計領域研（yán）究的熱（rè）點，也（yě）是難點之一。本文在分析車銑複合加工工藝特點的基礎上（shàng），研究（jiū）了車銑複合加工工藝設計中的加工方法決策（cè）、加工工步排序和幹涉碰撞檢（jiǎn）測3個關鍵問題。根據車銑複合加工中的“同步加工”特（tè）點，提出了解決上述問題的方法：包括建立麵向（xiàng）車銑複合加工的加工方法決策機製；應用同步加工策略，采用（yòng）工步有向圖和零等待微資源分配的方法；將基於OBB包圍盒的碰撞檢測算法用於快速檢測車銑複合加工中的（de）碰（pèng）撞。這些方法可以驗證工藝設計方案的可行性和準確性（xìng），解決車銑複合加工工步排序問題，提高工步排序的效率（lǜ）和水平。

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