加工路线

2024-09-19

加工路线（精选7篇）

加工路线篇1

摘要：数控车床加工中如何走刀是数控工艺分析中一项比较重要的内容, 合理安排加工路线可以提高工作效率, 提升产品的加工精度。常见外形包括端面、外圆、圆锥、圆弧和槽, 本文主要分析了圆锥和圆弧两种外形的特点, 并给出了相应的加工路线。

关键词：数车加工,常见外形,加工路线,走刀

加工路线是指数控车床加工过程中刀具相对零件的运动轨迹和方向, 也称走刀路线。其选择是否合理, 关系到编程工作量、程序段的多少及加工效率、加工精度、表面质量的高低。尽管数控车床具备粗车循环功能, 几乎不用考虑粗车加工路线的选择问题, 但不能正确选用合理的加工路线而影响加工质量情况较多。下面就数控车床加工中加工路线的相关内容作简要分析。

1、加工路线确定原则

加工路线的确定应考虑以下几点:

(1) 加工路线应保证被加工零件的精度和表面质量, 避免在轮廓处停刀或垂直切入切出工, 以免留下刀痕, 最终轮廓应安排一次走刀连续加工; (2) 使数值计算简单, 以减少编程运算量; (3) 应使加工路线最短, 这样既可简化程序段, 又可减少空走刀时间。

2、数车加工零件时常见外形的走刀分析

常见外形包括端面、外圆、圆锥、圆弧和槽这五种基本形状, 端面、外圆和槽这三种外形简单, 加工起来也较为容易, 在这里不作过多描述, 现在主要对圆锥和圆弧两种外形进行分析。

2.1 车圆锥的加工路线分析

在车床上车外圆锥时可以分为车正锥和车倒锥两种情况, 如图1所示为车正锥的两种加工路线。按图1左图车正锥时, 需要计算终刀距S。假设圆锥大径为D, 小径为d, 锥长为L, 切削深度为ap, 则由相似三角形可得: (D—d) /2L=ap/S则S=2Lap/ (D—d) , 按此种加工路线, 刀具切削运动的距离较短。

图1加工程序:

当按图1右图的走刀路线车正锥时, 则不需要计算终刀距S, 只要确定了切削深度ap, 即可车出圆锥轮廓, 编程方便。但在每次切削中切削深度是变化的, 且刀具切运动的路线较长。

车倒锥的加工原理与正锥相同, 可参照图1。

2.2 车圆弧的加工路线分析

应用G02 (或G03) 指令车圆弧, 若用一刀就把圆弧加工出来, 这样对较大半径的圆弧来讲吃刀量太大, 容易打刀。所以, 实际切削时, 需要多刀加工, 先将大部分余量切除, 最后才车得所需圆弧。

图2为车圆弧的车圆法切削路线。即用不同半径圆来车削, 最后将所需圆弧加工出来。此方法在确定了每次切削深度ap后, 对90°圆弧的起点、终点坐标较易确定。图2左图的走刀路线较短, 但图2右图加工的空行程时间较长。此方法数值计算简单, 编程方便, 采用圆弧刀加工时, 余量均匀。但当采用90°刀加工时, 余量不均, 会引起圆弧轮廓偏差甚至打刀, 主要用于加工较复杂的圆弧。

图2加工程序:

G0X25Z2;G1Z0;G2X30Z-2.5R2.5;G0Z2;X20;G1Z0;G2X30Z-5R5;G0X100Z10;

图3为车圆弧的车锥法切削路线, 即先车一个圆锥, 再车圆弧。但要注意车锥时的起点和终点的确定。若确定不好, 则可能损坏圆弧表面, 也可能将余量留得过大。根据几何关系得:AC=BC=CD=0.586R.据此可确定出车锥时的起点和终点。当R不太大时, 可取AC=BC=0.5R。此方法数值计算较繁, 但其走刀路线较短。另外, 该方法精车时起始段的余量较大, 尤其R较大时应注意以避免打刀, 此法较常用。

图3加工程序:

G0X14Z2;G1Z0;X20 Z-3;G0Z2;X0;G1Z0;G3X20Z-10R10;G00X100Z100

图4为等径法粗车圆弧的切削路线, 此方法数值计算简单, 编程方便, 用90°尖形刀车削时余量均匀, 但加工的空行程时间较长, 适于循环车削较大的圆弧。为进一步减少空行程, 可计算终刀点B的位置, 如图7所示, 在直角ΔO2BD中, O2B=R;O2D=R—ap则:

另外, 当ap≥0.5R时, 因BC较小 (R≤25时, BC≤3.5) , 可从B点走到A点。

图4加工程序:

3、结语

以上就数控车削中常见外形的加工路线作一简要分析, 数控机床加工零件和普通机床加工零件相比, 前者更注重加工之前的工艺分析, 因此走刀路线的设计也显得尤为重要, 文章对加工路线做了一点粗浅的分析, 以期能对相关工作人员提供参考。

参考文献

[1]付承云.数控车床编程与操作应知应会[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[2]雷宝珍.数控加工工艺与编程[M].北京:北京希望电子出版社, 2006.

[3]宋绍修.浅论数控车削走刀路线的合理确定.中国新技术新产品, 2011.

数控加工工艺路线的研究篇2

数控机床是一种高速度、高效率,高精度的自动化设备,要充分发挥数控机床的这一特点,必须熟练掌握其性能、特点、使用操作方法,同时还必须在编程之前确定好加工工艺路线,走刀路线即为数控加工过程中刀具的刀位点相对于工件的运动轨迹,它反映了工序的加工过程。因此,确定合理的走刀路线是保证数控加工精度和表面质量的重要工艺措施之一,也是编写数控程序的前提,确定合理的走刀路线,也是提高数控加工生产效率重要手段之一。

1 加工工艺路线的制定原则

根据零件的材料、结构和技术要求不同,各种零件的加工工艺是不同的,即使是同类型的零件,由于生产条件和批量大小的不同,其工艺也不同,因此,必须根据具体情况制定合理的工艺路线。影响加工工艺路线的因素有工艺方法、工件材料及状态、加工精度及表面粗糙度要求,还有工件刚度、加工余量、刀具的刚度、耐用度、机床类型及工件的轮廓形状等。因此在确定走刀路线时应遵循以下原则。

1.1 加工工艺路线应保证被加工件的精度及表面粗糙度,且效率较高;

1.2 数值计算简便,以减少编程工作量;

1.3 应使加工工艺路线最短,这样减少程序段,又可以减少空刀时间;

1.4 为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求,最终轮廓一次走刀完成;

1.5 选择使工件在加工后变形小的路线。

2 数控加工工艺路线的确定

确定加工路线的重点是确定加工及空行程的走刀路线,包括切削加工的路径、刀具的引入和切出、换刀等非切削空行程。此外,确定走刀路线时还要综合考虑工件、机床与刀具等多方面因素,确定一次走刀还是多次走刀;刀具的半径、长度补偿等。

2.1 铣削加工

(1)刀具半径补偿。在轮廓加工过程中,由于刀具半径的存在,所以刀具刀位点的运动轨迹与零件的实际轮廓并不吻合。在内、外轮廓加工时,数控系统自动计算刀具中心轨迹,向轮廓内或外偏移一个刀具半径值的过程就是刀具半径补偿。使用刀具半径补偿时,要注意沿零件轮廓的切向切入和切向切出,并且要避免过切或欠切。(2)刀具的切向切入路线。铣削零件轮廓时,为保证零件的加工精度与表面粗糙度要求,避免在切入和切出产生刀痕,因此应考虑零件轮廓的切向切入、切出。切入工件时,刀具沿切削起始点的延伸线或切线方向逐渐切入工件,保证零件曲线的过渡平滑。切离工件时,要沿着切削终点延伸线或切线方向逐渐切离工件。铣削内圆轮廓时,为了避免产生刀痕,常使用圆弧半径小于工件圆弧半径的切向切入圆弧和切向切出圆弧。当零件内轮廓曲线不允许外延,则铣刀只有沿内轮廓的法线方向切入和切出,此时,切入切出点应选在零件轮廓两几何要素的交点上,而且走刀过程中要避免停顿。(3)顺铣与逆铣。铣削加工方式是影响加工表面粗糙度的重要因素之一,它分为顺铣和逆铣两种。铣削方式的选择应根据零件图的加工要求,工件材料的性质及特点,机床和刀具等条件综合考虑。由于采用顺铣方式,工件加工表面质量较好,刀齿磨损小;因此,一般情况下,尽可能采用顺铣,尤其是精铣内外轮廓时,应尽量按顺铣方式安排走刀路线。(4)切削方式。铣削内轮廓的加工路线主要有3种,即行切法、环切法和综合切法。用行切法和环切法加工内轮廓,不同之处是行切法的走刀路线比环切法短,但行切法将在弓字形走刀路线的开口处残留面积留下死角;用环切法获得的表面粗糙度要好于行切法,但环切法需要逐次向外扩展轮廓线,刀位点计算较为复杂一些。综合行切法和环切法的优点,先采用行切法切去中间部分余量,最后用环切法切一刀,既能使总的走刀路线较短,刀位点计算简便,又能获得较好的表面粗糙度。当零件内轮廓曲线不允许外延,则铣刀只有沿内轮廓的法线方向切入和切出,此时,切入切出点应选在零件轮廓两几何要素的交点上,而且走刀过程中要避免停顿。

2.2 多孔加工路线的分析

对于位置精度要求较高的孔系加工,特别要注意孔的加工顺序的安排,安排不当时,就有可能将坐标轴的反向间隙带入,直接影响位置精度。如图1所示的孔系加工路线,当按图1(a)所示的路线加工时,由于5、6孔与1、2、3、4孔定位方向相反,Y方向反向间隙会使定位误差增加,而影响5、6孔与其他孔的位置精度。按图1(b)所示路线,加工完4孔后往上多移动一段距离到P点,然后再折回来加工5、6孔,这样方向一致,可避免反向间隙的引入,提高5、6孔与其他孔的位置精度。

3 结束语

在实际的数控加工过程中,各种不同工件加工工艺路线是各不相同的,只要灵活的按照加工工艺路线的原则确定,就能充分地发挥数控机床的效能,确保安全高效,简化编程。

摘要：阐述了确定数控工艺路线的制定原则,分别对铣削、孔系两种加工方式下数控工艺路线的确定进行了详细探讨,为确定合理的加工路线提供了依据。

关键词：工艺路线,数控加工,铣削加工

参考文献

[1]徐跃增.箱体零件数控加工路线研究[J].制造业自动化,2011,33(2):210-212.

[2]王景玉.数控加工过程工艺方案的优化设置与分析[J].金属加工:冷加工,2010(16):30-31.

[3]杨洪岩,魏领会,于济群.浅谈数控铣削加工工艺路线的确定[J].内蒙古科技与经济,2010(9):81-81,83.

[4]袁礼彬,孙士俊.基于加工中心的数控加工工艺研究[J].机械工程与自动化,2010(1):197-198,201.

[5]唐建文.数控机床加工工艺路线的研究[J].科技信息,2009(31):I0086-I0087.

正确选择加工工艺路线的再探讨篇3

数控加工中, 加工路线是指刀具从起刀点开始起, 直到加工程序结束所经过的路径, 它包含了切削加工的行程和非切削的空行程。对加工工艺路线的设计, 首先要保证被加工零件的尺寸精度和表面质量, 其次才是考虑走刀路线尽量短, 数值计算简单, 效率较高等。

孔加工是加工中心重要的应用之一。对于位置精度要求较高的孔系加工, 尤其要注意孔的加工顺序的安排, 如安排不当, 有可能将沿坐标轴的传动副反向间隙带入, 直接影响孔的位置精度。仍以《路线》一文中的零件图为例 (图1) , 走刀路线的方案可以有三种, 第一与二种同《路线》。第三种考虑了机床传动副的反向间隙, 如图1所示加工路线为ADEPBCF (或ADEFPBC) , 在加工完E孔后, 往上移动一段距离到P点, 然后再折回来加工B、C、F孔, 这使A、D、E三孔与B、C、F三孔加工的定位方向一致, 可避免反向间隙的引入, 提高B、C、F孔与其他孔的位置精度。

若考虑空运行的行程及传动副反向间隙的情况, 三种方案的优劣对比见表1。从表1中可清楚地看出, 当孔系的位置精度要求高时, 应牺牲效率而采用第三种方案。

快走丝加工编程路线的工艺分析篇4

1 穿丝孔的位置选择

穿丝孔的位置对于加工精度及切割速度关系甚大。通常, 穿丝孔的位置最好选在已知轨迹尺寸的交点处或便于计算的坐标点上, 以简化编程中有关坐标尺寸的计算, 减少误差。当切割带有封闭型孔的凹模工件时, 穿丝孔应设在型孔的中心, 这样既可准确地加工穿丝孔, 又较方便地控制坐标轨迹的计算, 但无用的切入行程较长。对于大的型孔切割, 穿丝孔可设在靠近加工轨迹的边角处, 以缩短无用行程。在切割凸模外形时, 应将穿丝孔选在型面外, 最好设在靠近切割起始点处, 因为材料在切断时, 会破坏材料内部应力的平衡状态而造成零件的变形, 影响加工精度, 采用穿丝孔, 保证了零件的完整性, 避免了夹丝和断丝, 也提高了零件的加工精度, 如图1所示。切割窄槽时, 穿丝孔应设在图形的最宽处, 不允许穿丝孔与切割轨迹发生相交现象。此外, 在同一块坯件上切割出两个以上工件时, 应设置各自独立的穿丝孔, 不可仅设一个穿丝孔一次切割出所有工件。切割大型凸模时, 有条件者可沿加工轨迹设置数个穿丝孔, 以便切割中发生断丝时能够就近重新穿丝, 继续切割。

穿丝孔的直径大小应适宜, 一般为Φ2mm~Φ8mm。若孔径过小, 既增加钻孔难度又不方便穿丝;若孔径太大, 则会增加钳工工作量。如果要求切割的型孔数较多, 孔径太小, 排布较为密集, 应采用较小的穿丝孔 (Φ0.3mm~Φ0.5mm) , 以避免各穿丝孔相互打通或发生干涉现象。如果要利用穿丝孔作为加工找正基准, 必须保证其位置精度、尺寸精度和粗糙度, 可采用坐标镗床镗削加工, 如果不作为加工找正基准, 可以采用钻孔加工, 或者采用电火花穿孔加工。

2 加工路线的选择

线切割加工过程中, 合理地安排工件的切割路线, 并在此此基基础础上上编编制制程程序序, , 才才能能优优质、高效地完成切割加工。

如图2所示, 程序的起点可以分别为A、B。切割路线可有两种, 路线B→a→b→c→d→a→B, 由于一开始零件就和夹持部分就大部分分割开, 零件的强度降低, 会产生变形, 导致加工误差, 而路线A→d→c→b→a→d→A切割加工, 情况就会好很多。

一般情况下, 切割加工路线应从零件装夹位置的附近开始向离开工件装夹位置的方向切割, 最后回到零件装夹位置的附近。线切割加工的多为封闭图形, 加工的起点往往就是加工终点, 由于二次放电切割加工和重力的作用, 往往会在起点处形成二次切痕, 因此, 加工的起点应尽量选择在工件截形的相交点, 例如拐角处或是精度要求不高且便于修整的位置。

3 减少线切割加工的变形

有些零件在切割后, 尺寸总是出现明显偏差, 检查机床、程序都正常, 最后发现是由于零件变形引起的尺寸变化。

零件切去的实体部分太多时, 零件内应力变化很大, 容易产生变形、开裂。所以在零件淬火前进行粗加工, 给线切割工序留2-3mm的余量, 能够很好的减少线切割时产生的应力。为了满足零件的精度要求, 还可以通过粗、精二次切割, 使粗切后的变形量在精切时被修正, 粗切后为精切留得余量约0.5mm。在切割开口零件时:对于未淬火的零件切割后在开口处张开, 使开口尺寸增大, 如图3所示。对于淬火的零件切割后在开口处闭合, 使开口尺寸减小, 如图4所示。通过粗、精二次切割减少变形量。回火是减少淬火产生应力的重要手段, 回火的效果与回火温度、回火持续时间有关。对于易变形、开裂的工件, 可以在线切割后再进行180-200℃、4小时的回火, 以达到减小应力和稳定金相组织的目的。

4 3B程序格式

编程完成后、正式切割加工之前, 应对编制的程序进行检查与验证, 确定其正确性。线切割机床的数控系统均提供程序验证的方法, 常用的方法有:画图检验法主要用于验证程序中是否存在错误语法及是否符合图样加工轮廓;空行程检验法可检验程序的实际加工情况, 检查加工中是否存在碰撞或干涉现象, 以及机床行程是否满足加工要求等;动态模拟加工检验法通过模拟动态加工实况, 对程序及加工轨迹路线进行全面验证。通常, 可按编制的程序全部运行一遍, 观察图形是否“回零”。对于一些尺寸精度要求高、凸、凹模配合间隙小的冲模, 可先用薄板料试切割, 检查有关尺寸精度与配合间隙, 如发现不符要求处, 应及时修正程序, 直至验证合格后, 方可正式切割加工。正式切割结束后, 不可急于拆下工件, 应检查起始与终结坐标点是否一致, 如发现有问题, 应及时采取“补救”措施。

结语

数控线切割在机械加工领域应用非常广泛, 只有在实践中不断探索和完善, 才能得到最佳的加工参数和加工方法, 才能有效地控制加工中零件变形, 才会加工出符合设计要求的零件, 才会取得令人满意的效果。

参考文献

[1]金属切削原理与刀具[M].北京:哈尔滨工业大学出版社.2002:7-5603-1232-2.

[2]金属切削加工技术.[M]北京:机械工业出版社.1998:7-111-06233-7.

加工路线篇5

零件的工艺路线是指从零件模型获取零件结构、功能和设计要求等信息,然后确定其加工方法和所需资源,完成零件从毛坯状态到成品状态转变的过程[1]。受产品多样性、制造过程离散性、生产环境复杂性和系统状态模糊性的综合影响,零件制造过程中工艺路线的决策较为复杂。合理的工艺路线不仅可以优化和节约制造资源、缩短产品制造周期、降低制造成本,还可以提高产品质量和推动企业技术进步,因此越来越受到企业的重视。

由于零件加工特征和加工方法的多样性、加工要求的个性化以及约束的复杂性,当排序规模较大、符合工艺规则的可行方案数量较多时,单纯依靠经验难以取得最优或次优的排序方案,而且也不能运用传统的逻辑决策或者运筹学的经典算法(如整数规划、动态规划或分支定界等方法)来求解。近年来一些启发式算法,如遗传算法[2,3,4]、蚁群算法[5,6]和模拟退火算法[7]等被用来解决这类问题。文献[8]对零件特征之间的约束关系进行分类,通过特征关系图描述基本的合理性约束,将最优性约束的满足程度视为工艺路线优化的判断标准,最后利用遗传算法实现了工艺路线的排序。文献[9]将遗传算法应用到零件特征加工方法决策过程中,根据工艺知识和加工要求,将每一种加工方法表示为遗传空间的染色体,进行基因编码,然后通过实例介绍了利用遗传算法进行加工方法决策的过程。然而对于工艺路线的优化,有时采用单一的优化算法达不到理想的效果,需要改进算法,或者采用混合算法,利用算法优化机制之间的互补性,提高全局优化效率。

遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化方法,并行性高、鲁棒性强,适合大规模复杂问题的优化求解,但是存在“早熟”的缺陷。模拟退火算法是模拟固体退火过程的热平衡问题,利用固体物质的退火过程与随机搜索寻优问题之间的相似性来优化求解,达到全局最优或近似最优的目的。此算法局部搜索能力强,但收敛速度慢,存在“随机漫步”的问题。

本文从分析工艺路线优化的问题入手,构建工艺路线优化的数学模型,结合加工工艺等优化约束条件,利用改进的遗传算法对模型求解,最后结合具体的实例进行了验证。

1 工艺路线优化问题描述

工艺路线的优化需要综合考虑零件特征、特征之间的几何约束、制造资源的选择以及工艺人员经验等多方面因素[10]。图1为零件加工层次示意图。

零件特征是指包括零件一定的几何形状、工程意义和加工要求的一组信息的集合,是构成零件几何形状和信息模型的基本单元。零件通常由许多加工特征构成,如平面、螺纹、槽等。设某零件有N个加工特征,则所有特征组成的集合可表示为

F={f1,f2,…,fi,…,fN} (1)

式中,fi表示第i个加工特征,i=1,2,…,N。

从零件的加工过程看,对于每个加工特征fi,一般要经过多次加工,从而形成特征的加工序列(加工链),可表示为

S={(MP1,f′1),(MP2,f′2),…,(MPj,fi)} (2)

其中,j表示加工特征fi需要的加工序列数目。

从毛坯开始,首先采用加工方法MP1加工出中间特征f′1;然后用加工方法MP2加工出中间特征f′2,直到采用加工方法MPj加工出合格的形状特征fi为止。

以特征为核心的有关特征加工链的相关信息所形成的实体,定义为加工元(feature machining element,FME),用七元组表示为

fmei j={ID,fi,MPi j,MLi j,MMi j,MTi j,MSi j)} (3)

式中,ID表示加工元编码;MPi j表示在加工阶段MLi j对特征fi进行加工所采用的加工方法;MMi j、MTi j和MSi j表示采用加工方法MPi j加工特征fi所需的机床、刀具和夹具等制造资源。

零件的加工工艺过程往往有若干道工序组成,一道工序包含若干个加工工步,一个工步中包含多个加工元,其关系如图2所示。

零件的加工元集合构成该零件的加工工艺,表示为

FME={fmei j} i=1,2,…,N (4)

零件的任一工艺路线可以表示为x=(fme1,fme2,…,fmeN),但在实际生产中,零件的工艺路线是加工元集合FME中的加工元fmei j满足工艺约束和其他约束目标的合理排序结果。

2 工艺路线约束分析

工艺路线安排中要考虑的约束因素众多,比如零件特征加工方法的选择、机床的选择和刀具的选择等,可表示为下列函数形式[11]:

S=f(P,Me,G,Dev,Tec,Cp) (5)

式中,S为工艺路线;P为所选加工方法集合;Me为加工机床集合;G为零件各表面几何形状;Dev为各表面形位公差;Tec为加工阶段的划分、基准的加工及热处理和其他辅助工序的性质等工艺要求;Cp为加工费用。

除此之外,还要考虑工艺约束,例如优先关系约束、聚类约束等的影响。因此,为了制定出合理的工艺路线,必须统筹考虑各种影响因素。

(1)典型工艺准则。

在考虑零件的加工顺序时,对于某些特定特征,先安排粗加工、半精加工,再安排精加工或光整加工;对于不同的特征,某些特征的粗加工则可能安排在其他特征的半精或精加工之后,例如越程槽、倒角等辅助特征的粗加工一般在主特征的半精加工之后进行;对于零件的全部特征,一般则遵循先基准后其他的原则,即必须先加工作为基准面的特征,再加工其他表面特征。

(2)聚类约束。

随着设备加工能力的提高,工序集中原则逐渐成为影响工艺路线的一个重要因素。按照工序集中的原则,某些特征应安排在一起加工。例如属于相同加工阶段的特征加工单元、同一方位面的特征、相同类型或需同一把刀具加工的特征等。

(3)辅助加工约束。

零件的退火、正火应安排在粗加工之前或者粗加工和半精加工之间,渗碳处理应安排在半精加工和精加工之间。

(4)优化约束。

合理的工艺路线,不仅要考虑零件的几何形状、技术要求、工艺方法等因素,还要考虑生产率、加工时间或成本等约束。优化约束的目的是使零件的工艺路线更加合理。

3 数学模型

零件的工艺路线是将其所有特征的加工链组合在一起,满足一定约束目标优化排序的结果,可归结为数学中的组合优化问题。组合优化问题的目标是从组合问题的可行解集中求出最优解,通常可描述为:令Ω={x1,x2,…,xn}为所有状态构成的解空间,f(xi)为xi状态对应的目标函数值,要求寻找最优解x*,使得对于所有的xi∈Ω,有f(x*)≤f(x)。该问题的数学模型描述为

$\begin{array}{l} m i n f (x) \\ s . t . g (x) \geq 0 \\ x \subset Ω \end{array}} (6)$

其中,f(x)为目标函数,g(x)为约束函数,x为决策变量,Ω表示有限个解组成的集合。

实际加工过程中,为了提高零件的加工质量,缩短制造周期,应尽量降低制造资源(机床、刀具或者夹具等)的更换频率。基准的频繁更换会造成装夹误差,不利于工艺过程的稳定性;换刀次数的增多会增加非切削加工的时间,降低机床的利用效率。可将目标函数表示为

min F(x)

F(x)=αFFF(x)+αCFC(x)+αMFM(x) (7)

$F_{F} (x) = \sum_{i = 1}^{n - 1} \max (δ (G_{i} D, G_{i + 1} D), δ (G_{i} F S,$

Gi+1FS),δ(GiFt,Gi+1Ft)) (8)

$F_{C} (x) = \sum_{i = 1}^{n - 1} (δ (G_{i} C, G_{i + 1} C)) (9)$

$F_{Μ} (x) = \sum_{i = 1}^{n - 1} (δ (G_{i} Μ, G_{i + 1} Μ)) (10)$

其中,αF、αC和αM分别为夹具变换次数、换刀次数和机床变换次数的权重系数,由工艺人员根据具体情况确定,本文取αF=0.3,αC=0.2,αM=0.5;FF(x)、FC(x)、FM(x)分别表示装夹次数、换刀次数和机床变换次数;GiD、GiFS、GiFt、GiC、GiM分别表示加工中用到的定位基准、装夹表面、夹具、刀具和机床;δ(a,b)是一个判断函数,表示为

$δ (a, b) = {\begin{cases} 1 (a \neq b) \\ 0 (a = b) \end{cases} (11)$

因此,零件加工工艺路线的数学模型可表示为:对于零件特征的加工元集合FME=(fme1,fme2,…,fmeN),寻找一个加工元序列x=(fmea(1),fmea(2),…,fmea(N)),在满足相应的约束条件下,使F((fmea(1),fmea(2),…,fmea(N)))最小。

4 基于改进遗传算法的工艺路线优化

4.1 遗传模拟退火算法

遗传模拟退火算法的基本步骤如下:

(1)设置控制参数:种群规模n,进化终止代数N,初始退火温度t=ts(s=0),终止温度tf,马尔科夫链长Ls;

(2)初始化种群P(k),k=0;

(3)对种群P(k)进行遗传操作,直至产生下一代种群:①计算种群P(k)的适应度;②选择适应度高的个体进行复制,以概率Pc进行个体的交叉操作,以概率Pm进行个体的变异操作;

(4)种群P(k)的模拟退火操作。①随机产生一个初始解i作为最优解,计算其目标函数值f(i);②在解i的邻域内产生新解j,计算新的目标函数值f(j);按Metropolis准则判断是否接受新的解为最优解:

$\begin{array}{l} p (i \to j) = \\ {\begin{cases} 1 f (j) \leq f (i) \\ \exp [(f (i) - f (j)) / t] f (j) ＞ f (i) \end{cases} (12) \end{array}$

③若s<Ls,则s←s+1,转向②;④若t≥tf,则更新温度ts+1=update(ts),转向①;

(5)判断进化终止代数k是否达到N,如果满足条件则转至步骤(6),否则转向步骤(3);

(6)停止计算,输出最优解。

遗传模拟退火算法的流程如图3所示。

4.2 基因编码

编码方式不仅影响染色体的排列方式,还决定个体从搜索空间的基因型变换到解空间的表现型的解码方式。本文采用自然数字链进行基因编码来表达加工元的排序问题。

为了便于工艺路线的描述和遗传操作,将加工元表示为fme={ID,f,MP,ML,MM,MT,MS},其中:ID、f、MP、ML、MM、MT和MS分别为加工元编号、加工特征、加工方法、所需的机床、刀具和夹具,如图4所示。

基因表示零件加工元集合中的一个加工元,染色体为零件的一种加工元序列,代表了零件的一种工艺方案。对于要求连续加工或同时加工的多个加工元,可合并为一个。

4.3 初始种群的产生

种群初始化过程中,随机产生一定数量的种群作为组合优化问题的初始解。即原始种群为由一定数量的加工元序列组成的集合,集合中每个个体代表一种工艺路线。对于初始种群的大小,目前尚无理论上的指导,实际应用中常常根据经验确定,一般取值范围为20～100。

4.4 选择

选择操作是建立在对个体的适应度评价的基础上的,对种群中的个体按照适应度从大到小进行排序,采用轮盘选择法。假设每个个体的适应度为fk(k=1,2,…,l),种群总的适应度为 $\sum_{i = 1}^{l} f_{k}$ ,则将 $f_{k} / \sum_{i = 1}^{l} f_{k}$ 作为第k个个体的选择概率。通过选择操作使得群体中个体的适应度值不断接近最优解。

4.5 交叉变异

交叉运算是指对两个相互配对的染色体按某种方式相互交换其部分基因,从而形成新的个体的算法。变异是指个体染色体编码串中的某些基因座上的基因值用该基因座的其他等位基因来替换,从而形成一个新的个体的过程。变异与交叉结合后,能够避免由于选择和交叉运算造成的某些信息的丢失,从而保证遗传算法的有效性。

交叉算子采用双点交叉,在相互配对的两个个体编码串中随机设置两个交叉点,交换两个个体在所设定的两个交叉点之间的部分染色体,其示意图见图5。

变异算子采用均匀变异,依次指定个体编码串中的每个基因座为变异点,对每个变异点,以变异概率从对应基因的取值范围内取一随机数代替原有值,其示意图见图6。

4.6 适应度函数

适应度函数的选择至关重要,因为在遗传算法中指导搜索的主要依据是个体的适应度值。适应度函数不仅能够有效地指导搜索沿着面向优化参数组合的方向,逐渐逼近最佳参数组合,而且不会导致搜索不收敛或者陷入局部最优解。

本文中的适应度函数表示为

F′(x)=1/F(x) (13)

4.7 退火过程中新个体的接受

本文通过选择、交叉、变异等遗传操作产生一组新个体,随机选择各个个体中的两个基因作为扰动点,经扰动后的个体所得的适应度增强,则按Metropolis准则接受这个新个体,否则以某一概率接受恶化的新个体。这正是模拟退火算法区别于一般的局部搜索算法的本质所在,判断准则如式(12)所示。

4.8 终止计算条件

遗传算法中如果连续迭代次数达到一定值后,最优个体的适应度值保持不变,或者迭代次数达到规定的最大迭代次数,则终止计算,输出最优适应度对应的加工序列。遗传算法的终止进化代数一般取100～500。

模拟退火的温度是按照ts+1=λ ts衰减的,λ为衰减系数,当退火温度下降至终止温度时,停止寻优,否则重新进行交叉和变异操作。

5 应用实例

以图7所示的某型号发动机缸体为例说明该混合算法的实现过程。

通过分析得到缸体主要特征有:顶面、底面、前端面、后端面、左面以及右面等面特征,以及油道孔、凸轮轴孔、曲轴孔以及缸孔等孔特征。将几何特征相同的特征聚类为一个特征,用同一代号表示,然后参与排序。经过特征聚类后,该缸体零件有35个主要制造特征,相关的特征和加工元信息、加工资源分别由表1和表2给出。图8为在分析缸体特征加工先后顺序基础上的加工元优先关系图。

算法参数的设置如下:种群规模设为50,算法的最大迭代次数为100,交叉率为0.7,变异率为0.01,模拟退火初始温度t0为100℃,衰减系数为0.8,终止温度为90℃。根据初始化信息和约束条件,运用MATLAB软件编写相关程序,采用遗传模拟退火算法和遗传算法搜索过程的收敛情况如图9所示。从图中可以看出,采用遗传模拟退火算法比单纯采用遗传算法的收敛速度快、目标函数最优值小。

得到的最优缸体工艺路线如表3所示,其中机床变换5次,夹具变换5次,刀具更换44次。然后插入辅助工序(中间清洗、试漏、合装轴承盖、压入凸轮轴孔衬套、最终清洗、施胶压装水闷、试漏和成品检查)形成完整的发动机缸体加工工艺路线。

6 结论

针对发动机缸体的复杂性,在得到缸体各个特征加工方法链的基础上,将特征细化为加工元后建立缸体工艺路线优化的数学模型;利用遗传模拟退火算法的优点,通过复制、交叉和变异等操作对模型进行求解,对工艺路线的排序进行启发式全局寻优,避免了局部优化结果的产生,并用实例验证了模型的实用性和算法的可行性。

摘要：针对工艺设计过程中工艺路线的优化问题,通过分析复杂箱体类零件特征,并将其细分为加工元,在考虑优化过程中存在的问题和相关工艺约束的基础上,将工艺路线的优化转化为加工元的优先排序。以机床、夹具和刀具变换次数最少建立目标优化模型,利用改进的遗传算法进行求解,避免了遗传算法“早熟”的缺陷。以某型号缸体为研究对象验证该改进算法的有效性,结果表明该算法具有很好的收敛性。

关键词：工艺路线,加工元,组合优化,遗传模拟退火算法

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加工路线篇6

数控编程是数控加工的一个关键性步骤, 要掌握数控加工技术, 必须掌握数控编程方法。在数控编程教学中, 最为困难的是如何让学生掌握正确的刀具运动轨迹。应用设计刀具走刀路线的方法, 可以将刀具轨迹与指令联系起来, 同时, 也可发现刀具轨迹不合理的地方, 不失为学习数控编程的一个好办法。

2 学生编程的问题

在编程教学中, 学生经常会犯一些具有普遍性的错误, 其中一个是刀具轨迹不合理, 编出的程序不是刀具加工不到工件, 就是刀具过切工件。原因主要是学生对实际加工工艺不了解, 在设计刀具轨迹时, 没有掌握正确的编程方法, 不画详细的走刀路线, 所以会出现一些不合理的轨迹。

例1:如图1所示, 该零件是一个典型的凸台零件, 很多教材的习题上都有, 要求学生编写铣轮廓的数控加工程序。下面是学生编的程序 (用FANUC系统) 。

在这个程序中, 错误是:刀具一直在工件上方运动, 没有切削到工件。学生没有编写Z向下刀程序。刀具未进行Z向进刀, 其犯错原因是, 学生只看俯视图编程, 只画XY向走刀路线, 不画Z向走刀路线, 所以, 忽略了Z向进刀。如图2所示。

例2, 如图3所示, 该零件是一个典型的车床加工零件, 加工外圆, 有一个空刀槽, 有一段螺纹, 要求编写精车外圆加工程序 (FANUC系统, 不考虑装夹位置) 。

在学生编写的这个程序中, 将槽子按照工件轮廓加工, 在精车外圆时, 外圆刀走了一个槽子的轨迹, 若实际照此加工, 就会将空刀槽车坏, 如图4所示。原因是学生不画走刀路线, 对刀具运动轨迹很模糊, 犯了错误。

3 解决的办法—设计走刀路线

设计走刀路线实际上就是将刀具的运动轨迹详细的画出来, 从起刀点开始, 快速进刀和切削进刀分别用虚线和实线标出来, 并用箭头表明方向, 退刀与进刀相同。编程时要将程序与走刀路线进行对应, 从而保证刀具的运动轨迹和走刀路线一样。

对于铣削加工, 必须有Z向的进刀路线图, 配合XY向路线图, 就可避免缺少Z向下刀的错误了, 如图5所示。

对于精车外圆, 只要画出精车的路线, 就可发现原先路线的不合理之处, 因而可以避免犯切坏槽的错误, 如图6所示。

4 结语

加工路线篇7

关键词：数控车床,走刀路线,原则,确定方法

1 确定走刀路线的原则

工步的划分与安排一般可随走刀路线来进行, 在确定走刀路线时, 主要遵循以下几点原则:

1.1 加工路线应保证被加工工件的精度和表面粗糙度;

1.2 应使加工路线最短, 以减少空行程时间, 提高加工效率;

1.3 尽量简化数学处理时的数值计算工作量, 以简化编程工作;

1.4 当进给路线重复时, 为了简化编程, 缩短程序长度, 应使用子程序。

此外, 确定加工路线时, 还要考虑工件的形状与刚度、加工余量的大小, 机床与刀具的刚度, 合理的切入与切出方向等。

2 走刀路线的确定方法

走刀路线的确定原则是在保证加工质量的前提下, 使加工程序具有最短的走刀路线, 这样不仅可以节省整个加工过程的执行时间, 还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给滑动部件的磨损等。

2.1 粗车走刀路线

2.1.1 外圆粗车G71

适于切削区轴向余量较大的细长轴套类零件的粗车, 使用该方式加工可减少径向分层次数, 使走刀路线变短

2.1.2 端面粗车G72

用于切削区径向余量较大的轮盘类零件的粗车加工, 并使得轴向分层次数少。

2.1.3 环状粗车G73

适合周边余量较均匀的铸锻坯料的粗车加工, 对从棒料开始粗车加工, 则会有很多空行程的切削进给路线。如图1所示。

若按图2 (a) 所示, 从右往左由小到大逐次车削, 由于受背吃刀量不能过大的限制, 所剩的余量就必然过多;按图2 (b) 所示, 从大到小依次车削, 则在保证同样背吃刀量的条件下, 每次切削所留余量就比较均匀, 是正确Á的阶梯切削路线。

2.2 精车走刀路线

为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求, 零件在最终精加工轮廓时, 应安排在最后一次走刀连续加工出来。合理选取起刀点、切入点和切入方式, 保证切入过程平稳, 没有冲击。认真考虑刀具的切入和切出路线, 尽量减少在轮廓处停刀, 以避免切削力突然变化造成弹性变形而留下刀痕。一般应沿着零件表面的切削方向切入和切出, 尽量避免沿工件轮廓垂直方向进、退刀而划伤工件。

对各部位精度要求不一致的精车走刀路线, 当各部位精度相差不是很大时, 应以最严的精度为准, 连续走刀加工所有部位;若各部位精度相差很大, 则精度接近的表面安排在同一把刀走刀路线内加工, 并先加工精度较低的部位, 最后再单独安排精度高的部位的走刀路线。

2.3 空行程走刀路线

2.3.1 起刀点的设置

粗加工或半精加工时, 多采用系统提供的简单或复合车削循环指令加工。使用固定循环时, 循环起点通常应设在毛坯外面。如图3所示。

即:起刀点尽量靠近工件, 减少空走刀行程, 缩短进给路线, 节省在加工过程中的执行时间。

2.3.2 换刀点的设置

换刀点是指刀架转动换刀时的位置, 应设在工件及夹具的外部, 以换刀时不碰工件及其他部件为准, 并力求换刀移动路线最短。

2.3.3 退刀路线的设置

刀具加工的零件的部位不同, 退刀的路线也不相同, 如图4所示。

2.3.3. 1 斜线退刀方式

斜线退刀方式路线最短, 适用于加工外圆表面的偏刀退刀。

2.3.3. 2 径-轴向退刀方式