摘要：为了解决零部件精密加工这一复杂问题，在加工过程中引入五轴数控加工，通过对刀具路径自适应微分算法的优化，它可以有效提高农业机械的加工效率和加工精度的复杂部分。实际测试结果表明，数控系统可以获得复杂农机部件的精密加工效果，为复杂加工提供了新的方向。

　　关键词：零部件加工；五轴数控；加工中心；刀具算法

　　由于我国农业现代机械化水平越来越高，导致现在的农业机械对自动控制的部件精度也越来越高，而影响部件精度的主要关键问题是机械加工技术，对复杂的曲面进行加工对于提高加工效率是具有非常高的意义的。但是，当前我国企业使用的五轴机床大部门都没有使用相关的经验以及理论来进行五轴数控加工。对于部件加工来说，切削量的优化是提高复杂零件加工精度的有效方法。所以，如果企业采用了五轴数控加工技术，需要引进农业机械在复杂零件的制造过程中先研究刀具加工参数以及加工的路线，这样来提供农业机械零件的加工水平。

　　1基于CAD/CAM的农机部件综合数控加工系统

　　随着CAD/CAM集成系统和刀具路径优化算法的发展，五轴加工中心已成为复杂零件的主要加工工具。如果用于加工机械零件，可以有效提高加工效率和质量。基于三轴机床，五轴数控机床增加了两个可选轴。在三轴的基础上，可以任意改变五轴数控机床的位置，有效缩短夹具的使用时间。因此，在复杂的农机零件加工中，零件的加工效率将大大提高。在用5轴数控加工中心加工农机部件时，可以使用CAD/CAM集成系统来优化刀具路径。加工参数与CAD/CAM系统集成，并使用相关算法对刀具进行优化。通过刀具轨迹仿真，利用自适应差分算法对刀具轨迹进行优化，最终确定了五轴铣床的主要刀具轨迹。

　　2基于自适应差分算法的五轴农机零件数控加工刀具轨迹调整

　　由于五轴数控加工复杂的导线，为了协调多轴同步控制，必须优化刀具路径，实现各轴功能的最佳实现。本文采用自适应微分算法对农机部件的数控加工刀具轨迹进行优化。基于自适应差分进化，算法过程包括数据初始化，自适应函数和演化计算。最后确定优化刀具路径的边界条件。初始测试位置和结束位置可以根据加工零件确定。处理路径和处理时间是独立变量，处理路径可以表示为三个处理时间多项式。通过优化多项式系数来获得最佳处理路径。三次拟合多项式为其中，θ代表代表处理路径;t是处理时间;a代表要优化的参数。初始和最终处理参数根据农业机械部件的结构来确定：其中，T是在加工循环中加工五轴数控机床的时间。在此基础上，可以将三次多项式的优化系数作为五轴数控加工中心刀具路径规划中最短样条曲线优化的目标函数进行计算。其中，T是加工循环中5轴数控机床的时间。在此基础上，可以估计三次多项式优化系数是五轴数控加工中心最短的样条曲线优化目标函数。其中，ix表示加工5轴数控机床i所需的时间;n表示数控加工点中的点数;代表基本的加工工具粘合剂约束，其中>0;.θ、.θ、...θ、分别表征加工刀具的角速度，角加速度，角加速度和位移矩。给出了角速度约束，角加速度约束，角加速度约束和关节扭矩约束。Ture表示可以通过降低适应性而将其置于约束内的二进制表达式。最佳的刀具轨迹位置在ti或者(ti，ti+1)区间，则：其中，.θ指示工具最佳位置的绝对值;||.θ刀具处于最佳位置时的速度的绝对值;||.ixθ,i=1,2,…,n-1表示区间（ti，ti+1）中绝对值的最大值，优化后的参数直接输入到CAD/CAM集成系统中。可以优化5轴数控机床的刀具路径。

　　3五轴数控加工中心刀具算法应用于农机配件的加工

　　为了验证自适应差分算法在五轴机床刀具路径优化算法中的实际应用，研究了凹凸切削机床复杂零件的加工过程，设计了刀具路径。实际的处理结果验证了算法的可靠性。一种新型自动修剪机器人农业机械由于其传动过程中的复杂运动，经常在其关节处使用复杂的凸形和凹形配件，这给农机零件的加工带来了更多的麻烦；五轴数控加工中心可合理规划刀具路径，使刀具完成曲线运动，实现复杂零件的加工。为了验证刀具路径优化算法的可靠性，有必要使用刀具路径模拟方法进行理论研究。使用算法编程技术来获得工具曲线。在较复杂的表面部件中，加工工具很少，这对农机部件的加工质量影响很大。在优化和优化比较之前，刀具轨迹增加了复杂零件中行走工具的密度。这种加工方法精度高，保证了零件的复杂、零件的高精度、复杂的表面光滑、加工毛刺少、加工精度高，能满足农机零件复杂零件的精密加工。

　　4结论

　　本文首先介绍了基于CAD/CAM的农机部件综合数控加工系统，然后阐述了基于自适应差分算法的五轴农机零件数控加工刀具轨迹调整，最后介绍了五轴数控加工中心刀具算法应用于农机配件的加工的例子。最后希望通过本文的研究，对今后的专家学者研究相关的课题有一定的帮助与借鉴作用。

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　　摘要：在五轴数控切削工件表面的过程中会产生温升、力、振动等。这些因素会使加工精度降低，零件表面质量变差，降低产品的合格率。为了解决这些问题，开发了一种五轴数控加工测试平台，并对温度、力、振动对加工过程中的影响进行了分析。为进一步的提高五轴数控加工精度提供了测试平台。

　　关键词：CPAC；五轴数控加工；测试平台

　　引言

　　随着我国经济的不断发展，对产业转型升级的需求也变得越来越迫切，现阶段我国机械加工产品的附加值不高，其主要原因就在于对复杂曲面、高精度和优良的表面质量等对机械制造装备要求较高的零件加工能力严重不足。目前来说，五轴数控加工中心在附加值较高的零件加工中具有不可取代的重要作用，代表着一个国家的机械加工水平。由于五轴加工具有一次装夹，可以加工多个曲面，定位误差较小的特点。不仅缩短了零件在多次装夹时浪费的时间，而且提高了零件的精度。随着时代的发展，人工和时间成本的提高，五轴数控加工会在制造业中占据越来越重要的位置。

　　1测试平台的开发

　　（1）平台结构设计五轴联动数控加工机床包括3个直线运动轴2个旋转轴，其实现形式的主要不同集中在机床主轴的安装方式上。目前的主流实现方式有双转台、双摆头、一摆头一转台形式。为了构建三轴大零件与复杂曲面都可以加工的重构机床，故采用的是较为经济的A—C双摆台形式。其中摆台可以沿X、Y方向移动，A、C方向旋转，电主轴可以上下移动，这样就构成了X、Y、Z、A、C五个自由度的加工范围。该测试平台主要由床身、直线运动平台、以及旋转运动平台组成。其中直线运动平台会影响安装在其上的旋转运动平台的运动，该五轴机床的运动拓扑图如图1所示。为了保证加工过程中的安全，X轴设计行程为700mm，Y轴设计行程为500mm，Z轴设计行程为600mm，A轴旋转角度为—90°~+90°，C轴旋转角度为0~360°。机床机械结构图如图2所示。（2）坐标变换由于机床结构采取的是A—C双摆台形式，而且摆台旋转中心线的交点和机床夹具装夹工件时所确定的加工零点不在同一位置。在机床A—C轴旋转时，会对其直线坐标产生较为复杂的影响。对此构建3个坐标，如图3所示从上往下分别为机床坐标系、工件坐标系和刀具坐标系。在加工过程中，刀具在工件坐标系中相对于工件的运动需要转化为机床绝对坐标的运动。对于此机床工件坐标系和绝对坐标系来说，可以列出其坐标系变换的方程表达式：XNYNZN00000000000000000000=ΔX0ΔY0ΔZ000000000000000000000+Q（I）XMYMZM00000000000000000000，Q（I）=Q（A）Q（B）Q（C）式中XM、YM、ZM———机床运动前坐标；XN、YN、ZN———运动后坐标；Q（I）———坐标旋转变换矩阵。对于A—C双摆台五轴联动机床坐标系来说，绕X轴旋转变换矩阵Q（A）=1000cosXsinX0—sinXcos00000000000000000000X，绕Y轴旋转变换矩阵Q（B）=10001000000000000000000000001，绕Z轴旋转变换矩阵Q（C）=cosZsinZ0—sinZcosZ000000000000000000000001，初始刀具矢量为（001）T，对于空间任意一点以及这一点所对应的任意方向的矢量，都可以看作是刀具从初始位置先旋转过后再进行平移。由于A—C双转台五轴数控机床只能沿X轴方向和沿Z轴方向旋转，为了简便数学计算难度，同时达到在旋转时可以使刀具初始矢量达到任意方向的要求，可以将旋转运动视作先沿X轴方向旋转后沿Z轴方向旋转。即Q（I）′=Q（C）Q（A）=cosCcosAsinCsinAsinC—sinCcosAcosCsinAcosC0—sinAcos00000000000000000000A，设旋转过后所得到的向量为（αβγ）T，则Q（I）＝（001）T=（αβγ）T，解之得A=IAarccos（γ），IA=1，－1C=arctan（αβ）—ICπ，IC=0，，，，，，，，，，1即可求出机床转角轴的绝对角度变化量，和前一位置角度相减即可得机床旋转轴需要转动的角度值。

　　2平台硬件结构

　　固高CPAC计算机可编程自动化控制器具有运动控制，逻辑控制和人机交互融合一体的功能。CPAC支持符合IEC61131—3标准的OtoStudio软件开发环境，可以进行文本和图形化的混合编程，在进行开发时较为简便。CPAC—Oto—box系列控制器由控制器以及端子板两部分组成，在使用过程中用24V电源向两部分供电，控制信号由运动控制器通过端子板发送给伺服驱动器，由伺服驱动装置驱动伺服电机实现X、Y、Z、A、C轴的运动。CPAC自动化控制器输入、输出接口分为专用输入输出、通用专用输入输出、控制输出以及编码器输入。专用输入用来连接驱动报警信号、限位信号等，专用输出用以输出驱动允许、报警信号复位等。而通用输入、输出信号可以外接传感器、开关量等信号，编码器输入可以使用双端输入或单端输入，控制输出可以工作于脉冲量工作模式或模拟量工作模式。其中主轴驱动方式为运动控制装置将脉冲信号发送至变频驱动器，由运动控制器发出的脉冲信号对应于变频器的输出频率从而控制主轴电机，数据采集部分采用传感器连接CPAC模拟量输入模块，实时将机床的加工状态反馈到机床控制系统中。同时通用输入输出接口连接机床的限位开关和报警信号以保障安全。机床硬件结构如图4所示，采用运动控制装置与X、Y、Z、A、C轴驱动器以及主轴变频器和开关量执行装置相连。同时利用CPAC提供的网络接口将加工零件时的状态信息发送至上级管理计算机。

　　3测试平台软件结构

　　（1）软件结构使用OtoStudio对测试平台的软件进行编制，在编制过程中对所选用设备型号所支持的函数库进行调用，缩短了平台开发周期。其中测试平台软件结构如图5所示，首先对系统进行初始化处理，调用CPAC提供的运动函数库清除系统的报警信息，将伺服驱动器进行伺服使能，记录机床轴的状态，驱动器驱动轴返回坐标零点从而使使机床回零。然后对操作信息进行处理并选择工作方式。主要功能包括自动方式和手动方式。其中，自动方式主要功能是进行连续加工处理，利用从上级下载NC代码实现加工测试平台的工件加工。手动方式运行是通过软件界面选取所需要点动运行的轴，后设置点动运行时驱动轴运行的速度，对驱动轴进行点动处理。状态信息反馈模块是通过运动控制器通用输入接口读取传感器信息，并实时传递到显示面板上。而后判断程序是否执行结束，结束后对系统状态进行恢复，否则返回操作信息处理，系统继续运行。（2）状态信息反馈对于固高CPAC系列控制器集成了多种数字量输入输出、模拟量输入输出等I/O模块，机床运动状态信息可以通过传感器进行采集，然后通过I/O模块等反馈到系统之中，系统可以根据反馈回的状态信息，对加工参数进行调整，机床的反馈控制系统结构如图6所示。温度传感器对在机床运行过程中产生的温度变化进行测量，将加工过程中产生的温度变化信息反馈至系统之中，对主轴的温度变形进行分析，将由温度变化产生的热变形带来的对工件产生的误差进行补偿，减少由加工过程中温度变化引起的主轴变形对加工误差的影响。同时振动传感器对主轴加工过程中产生的振动进行测量，对主轴振动信号进行分析从而得到加工工件的刀具的状态信息，在加工工件的过程中，如果刀具磨损达到了需要进行刃磨的工作状态，则对加工参数进行调整，适当地降低进给量等措施，降低加工效率，保持切削的连续性，并在加工结束后产生刀具报警信号，提醒进行刀具刃磨。通过CPAC控制器控制机床对工件进行切削，在切削过程中使用CPAC—300—300—7KF01模拟量输入模块的输入信号接口进行数据采集工作，传感器将机床的状态信息转化为电压信号。根据模拟量输入模块所对应的模拟量输入类型对通讯模块进行配置，配置后会显示该模拟量输入模块的所有配置通道的地址值，在程序中可以直接采用赋值语句将通道的地址赋给变量，从而对通道的信息进行采集。采集得到的信息为数字量信息，可以通过其提供的DigitalData_To_AnologData函数将信息转换为模拟量信息，然后根据传感器的原理将机床运动状态信息计算出来。由机床的运动状态信息，即可将机床运动参数进行调整，使得机床切削过程的状态更稳定。

　　4结语

　　在构建五轴数控加工平台中，采用了PC+GUC的结构，使用运动控制器控制伺服驱动系统，在WindowsCE操作系统下，利用CPAC所支持的IEC61131—3工业控制语言进行软件的编写。通过对数控加工的参数进行测量，对了解数控加工中各种物理量对工件精度的影响，提高数控加工精度具有积极的意义。

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