农机曲轴件数控加工曲线插补技术研究
发布时间：2020-02-19
摘要:农机发动机曲轴属于复杂零部件，在加工时需要采用数控加工方法。数控机床加工时首先要进行编程，而曲轴形状比较复杂，在编程之前要对零件的曲面形状进行分析，然后通过插补技术得到驱动电机的控制点。为此，引入了Pro/E建模软件对曲面进行建模，采用NURBS曲线插补技术对零部件的曲面形状进行拟合，然后利用UG软件对加工轨迹进行仿真，进而对加工过程的切削参数进行优化。为了验证方案的可行性，对发动机曲轴零部件进行了建模和刀具轨迹仿真，结果表明:该方案可以成功实现曲轴零部件加工的刀具轨迹仿真。最后，对两种不同的插补算法产生的加工误差进行了比较，进一步验证了NURBS曲线插补算法的可靠性。
关键词:NURBS曲线插补;农机发动机;UG仿真;Pro/E建模;曲轴加工
0、引言
五轴联动数控机床广泛用来加工复杂型面工件，对于复杂零部件的加工，通常需要利用数学分析的方法确定零件的曲面形状，然后制定合理的加工方案和工艺方法。曲轴是农机最难加工的零部件之一，其形状不是对称的回转体，且又细又长。但是，曲轴是农机发动机的核心部分，其加工精度直接影响发动机输出功率性能的发挥。为了提高农机曲轴零部件的加工精度，需要引入较好的零件造型和数控加工的仿真软件，并采用较高精度的算法来实现曲面的加工过程。Pro/E和UG软件分布是功能强大的建模和加工仿真软件，结合NURBS曲线插补算法，可以有效提高农机曲轴的加工精度，对于实现农机复杂件的数控加工过程具有重要的意义。
1基于Pro/E建模和UG仿真的农机零部件数控加工
Pro/E软件是一款操作简单方便使用人数最多的建模软件之一，具有曲线和自由曲面的建模功能。UG是数控机床零部件加工刀具轨迹模拟最常用的软件，可提供数控编程模板，包括一些系列化或者相似的加工工艺;当然用户也可以根据加工需求创建自己的模板，如凹凸类或者复杂曲面类零部件，根据粗加工和精加工的方案和工序、刀具和产品类型等编写程序模板。为了提高零部件的加工精度，在零件加工之前可以对零部件进行加工仿真模拟，其流程如图1所示。
为了实现零部件的数控加工，首先需要对零部件进行分析，然后制定零件的加工方案和工艺工序。确定方案工序后便可以进行数控加工编程，生成初试的刀具轨迹，然后根据不同的加工方式对刀具轨迹进行修改，修改完成后开始加工仿真，加工仿真结果作为切削参数优化的依据。对于复杂的农机零部件，由于存在凹凸的曲面结构，如农机发动机的曲轴，这种零部件的曲面的加工还需要通过曲线插补技术来实现，其流程如图2所示。
对于农机发动机曲轴零部件，数控加工之前首先需要对零部件的形状进行分析，通过三维扫描确定基本的曲面形成，然后将曲面分解为曲线，通过对曲线的拟合和离散化，得到加工驱动电机的控制点。由于控制点都是通过拟合得到的，因此要保证控制点和实际曲线的坐标点的误差最小，如果误差最小则可以通过脉冲增量驱动电机开始数控加工。
3数控加工测试
曲轴是农机发动机引擎的核心部件，如果该零部件出现问题的话发动机引擎将无法正常工作，影响正常马力的输出。曲轴的对应角度必须准确无误，如果角度出现偏差将会影响农机发动机气缸的有序工作，出现爆震现象。
以东方红X704拖拉机为例(见图3)，其发动机曲轴是最难加工的工件之一，它极不对称，又长又纤细，大大加大了零件的加工难度，如果加工精度达不到，将会严重影响零部件的加工质量。
图4所示是采用Pro/E建立的发动机曲轴模型。为了提高曲轴模型的加工精度，采用建模和刀具加工仿真模拟的方法对零部件进行预加工，以对切削参数进行优化，提高发动机曲轴的加工精度。
将建好的Pro/E模型导入到UG软件进行刀具的加工仿真，首先是切削参数的设置，如图5所示。切削加工过程可以通过加工程序来控制，各种参数也可以编写在程序中，然后设置刀具和加工方法后可以对刀具的走到轨迹进行模拟仿真，通过仿真得到了如图6所示的刀具走刀轨迹。
根据刀具轨迹结果可以对刀具走刀是否存在较大的误差或者干涉现象进行检查，也可以继续对切削参数进行优化，以达到预定的加工精度。
为了验证插补方法的可靠性，分别对最小二乘拟合插补算法和NURBS曲线插补算法的加工误差进行了测试，结果表明(见表1):采用NURBS曲线插补算法产生的加工误差要明显比最小二乘拟合算法小，对于提高复杂零部件的加工具有重要的意义。
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4结论
为了提高农机复杂曲面零部件的加工效率，在零部件加工工艺方案中引入了Pro/E建模和UG加工仿真软件，并采用NURBS曲线插补算法对曲面形状进行了拟合，得到了刀具驱动电机的控制点。为了验证方案的可行性，以发动机曲轴零部件的加工仿真为例，利用UG软件对Pro/E建立的模型进行了加工仿真，最终成功得到了刀具的加工轨迹，为刀具轨迹的修改和切削参数的优化提供了依据。最后，对比了最小二乘拟合插补算法和NURBS曲线插补算法的加工误差，结果表明:NURBS曲线插补算法的加工精度较高，可以满足农机复杂零部件的加工精度需求。
