車銑復合加工工藝設計中的關鍵問題研究
2014-3-2 來源：北京航空航天大學 作者：史旭升 喬立紅 胡權威
隨著計算機技術、機床技術以及加工工藝技術的不斷發展，傳統的用單一加工方法分工序加工已不能滿足人們對加工速度、效率和精度的要求。在這樣的背景下，車銑復合加工技術應運而生。車銑復合加工的理念是“一次裝夾，全部完工”，這種加工模式無需人工干預，在一次裝夾定位情況下，機床可以進行車、銑、鉆、鏜和車銑等加工任務[1]。車銑復合加工技術作為一種高效率、高精度，且適應現代制造業多品種、小批量、個性化發展需求的先進數控加工技術，日益受到重視[2]。車銑復合加工為復雜零件、高精密零件和難加工零件提供了先進的解決方案，解決了傳統加工中心難以解決的加工難題 。
車銑復合加工設備的主要優勢在于加工工藝更加靈活、工序更加集中，從而可以縮短產品制造工藝鏈、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、提高位置加工精度。但在實際應用中，卻面臨很多困難和挑戰。主要原因是在車銑復合加工工藝過程設計中，面向車銑復合加工的加工方法決策技術、加工工步排序技術和干涉碰撞檢測技術尚處于探索階段，因此，車銑復合加工設計工藝水平低下成為制約加工設備應用的主要障礙。
隨著車銑復合加工設備的廣泛應用，研究符合車銑復合加工的先進工藝設計方法，充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，本文通過分析面向車銑復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，探討了相應問題的解決方法。
車銑復合加工方法決策技術
加工方法決策是影響工藝設計方案準確與否的關鍵環節，是實現工藝設計智能化的核心問題。加工方法決策的原理是根據產品制造特征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技術中，工藝推理的特征信息和加工方法知識信息一般分別用產品特征數據庫和加工方法知識庫來進行存儲。由于傳統工藝設計在構建特征數據庫和加工知識庫過程中都缺乏對同步加工相關知識的描述和表達，在推理決策過程中無法得到滿足車銑復合加工的加工方法決策信息，因此研究符合車銑復合加工的加工方法決策技術具有重要意義。
目前，面向車銑復合加工方法的決策技術還處于起步階段，但是傳統加工工藝和五軸加工工藝的決策技術發展已經成熟。車銑復合加工方法與傳統加工方法的單元都是加工操作方法，所以車銑復合加工方法可以分享傳統加工方法的特征和知識信息；同時車銑復合加工方法具有同步加工的特性，這就要求對傳統加工方法進行再組織和協調。北京航空航天大學課題組致力于先進制造工藝領域的研究，建立了較完善的特征數據庫和加工知識庫[5-7]。本研究在此基礎上，繼承其特征建模技術和構建知識庫的方法，通過分析和總結現有車銑復合加工方法特點，構建面向車銑復合加工的特征數據庫和加工方法知識庫。通過基于特征與知識推理機制決策加工方法，解決現有工藝設計系統在車銑復合加工方法決策過程中知識乏力的問題，拓寬工藝設計系統的應用范疇。
車銑復合加工的突出特點是同步加工技術的應用，同步加工是指采用多刀架同時切削，這樣能夠減小加工時間，提高生產效率。以雙主軸雙刀架車銑復合機床為例，同步加工主要分為雙刀架同時加工同一個工件的同一個特征、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的工件這3種類型。特征類型與加工方法之間是一對多的關系，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時加工車削外圓與鉆軸向孔兩個特征。因此，需要分析同步加工相關屬性信息，在特征數據庫和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特征信息的載體，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，幾何信息是指特征包含的幾何形面；非幾何信息是標注在幾何形面上的尺寸、粗糙度、形位公差、注釋等信息。在構建特征數據庫時以特征為單元，能夠完整表達產品的設計信息，有助于實現產品設計與工藝過程設計之間的信息傳遞，支持工藝過程設計。
加工方法知識庫是對加工方法適用范圍的形式化表達，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的定義。知識庫除了描述加工方法信息以外，還要反映加工方法與產品制造信息的對應關系，以便根據加工方法知識匹配適合產品設計要求的加工方法，從而為加工方法決策提供理論支持。
加工方法決策是根據產品的特征信息和加工知識進行推理，決策出滿足產品精度要求的加工方法。車銑復合加工方法決策流程如圖1所示，主要步驟如下：
特征信息提取：根據零件的幾何模型，獲取零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息。
特征信息預處理：按照加工方法知識模型所要求的格式對特征信息進行預處理。如產品特征信息中的精度上下限需要轉換為精度等級的形式，便于在加工方法決策中進行匹配。
加工方法決策：從加工方法知識庫中獲取加工方法知識，將知識庫中給定的屬性值與特征數據進行比較，與幾何特征、材料、精度及熱處理等信息進行匹配，得出符合條件的可行加工方法，選擇最優的加工方法作為決策結果。
車銑復合加工工步排序技術
在車銑復合加工設備上加工復雜零件時，零件在一次裝夾下的工步數目多、排序規模大，單靠經驗難以得到較好的排序方案。工步排序不僅影響工藝方案的優劣，還會影響加工設備的使用率和產品的加工質量。為了充分發揮車銑復合機床的加工能力，在加工條件允許的前提下，通過雙刀架的同步操作實現零件多個工步同時加工。但為實現這樣的同步加工，就需要分析車銑復合加工同步工步之間的優先關系，合理安排工步之間的串行和并行加工順序。
傳統工步排序一般是線性工步排序，不存在同步加工問題，采用改進的智能算法可以有效地解決工步排序問題[8-9]。車銑復合工步排序是同時涉及資源調度和工步排序的復雜問題，資源調度是指車銑復合加工設備包含的主軸和刀架的分配，因此在排序過程中不僅要考慮同步工步的組合關系，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，采用了改進的遺傳算法，但是在工藝排序過程中卻沒有考慮車削工藝與鉆削工藝的同步加工方式；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復合加工的所有可行加工方案，但該方法僅適用于工步少的零件，否則計算量將呈指數形式增加。
隨著智能優化算法在計算機領域的應用，利用人工智能技術進行工藝排序的研究，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復合加工工步排序方法示意，該方法結合零等待微資源分配算法，可實現同步工步與主軸和刀架的動態組合。
工步有向圖的基本原理是根據產品特征之間的拓撲關系和工藝知識準則，以有向圖的形式表達工步之間的優先關系。工步有向圖以最簡潔的效果，形式化地表達了工步之間的優先關系。圖2工步有向圖的箭頭從優先加工工步指向后加工工步，如工步1優先于工步3加工。為了在有向圖中準確地表示工步之間的關系，引入邏輯與和邏輯或的關系，其中實線表示邏輯與的關系如工步9必須在工步5、6、7、8加工之后加工；點劃線表示邏輯或的關系如工步5在工步2或者工步4之后加工。
零等待微資源分配是指合理選擇車銑復合加工的同步工步，及時分配相應的主軸和刀架，使所有的工步都盡量在第一時間得到響應。在分配過程中，力求提高主軸和刀架的使用效率，減小刀架等待時間。其中刀架和主軸的使用遵循以下規則：一個主軸在一段時間內最多只能安裝一個工件；一個刀架在一段時間內最多只能加工一個工步；不同的刀架可以同時加工不同的工步。
同步加工是兩個沒有約束關系的工步，在加工設備主軸和刀架允許的情況下，采用的一種高效加工方式。同步加工策略主要有同步車外圓、同步車端面、同步車外圓和鉆孔、同步銑削和同步徑向鉆孔等理論可行方案。在實例化工步排序過程中，應該使同步工步之間的加工時間差最小，減少刀架的等待時間。
車銑復合工藝設計中的碰撞檢測技術
在車銑復合加工過程中，由于車銑復合加工設備結構復雜、運動部件多、空間小，刀具與刀具，刀具與刀架之間極易發生碰撞現象。車銑復合工藝設計中的碰撞檢測是驗證工藝方案的可行性，檢測同步加工工步、刀軌路徑和加工參數正確與否的一種重要手段，因此，研究碰撞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本，提高效率方面都有顯著優勢。碰撞檢測算法主要有空間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象的數目來提高檢測速度。空間分解法適用于稀疏的環境中分布比較均勻的幾何對象間的檢測，層次包圍盒方法則應用更為廣泛，適應復雜環境中的碰撞檢測[12]。車銑復合加工環境復雜，運動對象多，因此，在本研究中選用了基于層次包圍盒的方法。
傳統檢測方法是進行一次或多次試切、不斷調試，直到確認能夠完成預定的加工要求，這種方法效率低、周期長、成本高。為了提高檢測效率，基于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依據，但是在修正過程中需要工藝人員根據經驗預估修正方式，由預估引起的不確定性和偶然性，給生產計劃帶來一定風險，如果不能及時解決，可能影響生產進度。為了避免盲目的方案預估，減少反復修正的次數，提高準確率，保證精度，準確計算發生初始碰撞時間和位置信息可有效解決該問題。圖3給出了以初始碰撞時間和位置為檢測目標，采用改進OBB包圍盒碰撞檢測算法對車銑復合工藝方案中可能存在的碰撞進行檢測的流程。
車銑復合加工是一個動態過程，在該方法中，將時間參數作為一個自變量，把工步分為若干時間節點，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。算法以車銑復合加工工步為單元，根據工步包含的幾何對象創建各對象的OBB包圍盒及其層次包圍盒樹；基于分離軸理論的模糊檢測，快速剔除不發生碰撞的對象，減少運算對象，提高檢測效率；基于矢量法的精確檢測和三角面片相交算法，計算發生初始碰撞的時間和位置。
在模糊檢測階段，當不發生碰撞時，計算下一時間節點的碰撞情況；當發生碰撞時，進入精確檢測階段。在精確檢測階段，當不發生碰撞時，返回模糊檢測階段，計算下一時間節點的碰撞情況；當發生碰撞現象時，輸出檢測結果。直到遍歷完該工步的所有時間節點，完成碰撞檢測過程。該計算結果能幫助工藝設計人員更快地進行工藝方案或運動參數的修正，提高了修正效率。該算法適用于車銑復合加工所有的加工類型，即常規加工工步和同步加工工步。
結束語
車銑復合加工工藝設計是目前工藝設計領域研究的熱點，也是難點之一。本文在分析車銑復合加工工藝特點的基礎上，研究了車銑復合加工工藝設計中的加工方法決策、加工工步排序和干涉碰撞檢測3個關鍵問題。根據車銑復合加工中的“同步加工”特點，提出了解決上述問題的方法：包括建立面向車銑復合加工的加工方法決策機制；應用同步加工策略，采用工步有向圖和零等待微資源分配的方法；將基于OBB包圍盒的碰撞檢測算法用于快速檢測車銑復合加工中的碰撞。這些方法可以驗證工藝設計方案的可行性和準確性，解決車銑復合加工工步排序問題，提高工步排序的效率和水平。
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