智能制造環(huán)境下智慧農(nóng)機(jī)數(shù)控加工和仿真一體化研究

　　摘 要: 為了提高農(nóng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)、加工效率和復(fù)雜零部件的加工精度，在智能制造環(huán)境下，提出了農(nóng)機(jī)部件數(shù)控加工和農(nóng)機(jī)部件產(chǎn)品仿真的一體化方案。通過對(duì)農(nóng)機(jī)部件產(chǎn)品的數(shù)控加工過程仿真、加工產(chǎn)品的性能虛擬分析，全面實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)零部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程優(yōu)化。以農(nóng)機(jī)柴油機(jī)上套筒件的數(shù)控加工和仿真為例，對(duì) 套筒加工成品的零件強(qiáng)度和壽命進(jìn)行了分析，并對(duì)產(chǎn)品的構(gòu)型和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，且在不同尺寸套筒的加工時(shí)，對(duì)使用一體化后的加工效率和精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明: 采用一體化方案可以有效提高農(nóng)機(jī)部件的加工效率和精度。

　　關(guān)鍵詞: 智能制造; 智慧工廠; 數(shù)控加工; 農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì); 仿真模擬

　　莫中凱;農(nóng)機(jī)化研究;2022 年7 月

　　0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展與功能的不斷完善，工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)方法和手段越來越豐富，尤其是三維 CAD / CAM 軟件的廣泛應(yīng)用與普及，使現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)逐步進(jìn)入了三維時(shí)代。在農(nóng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)和加工過程中，可以采用三維 CAD / CAM 軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)體造型，再對(duì)部件進(jìn)行虛擬裝配和三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，檢查運(yùn)動(dòng)干涉情況，并利用有限元仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品性能或者產(chǎn)品的加工過程進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終確定產(chǎn)品的工藝規(guī)程; 另外，還可以將三位實(shí)體圖轉(zhuǎn)換為二維工程圖，并通過共享的方式建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)智能數(shù)字化設(shè)計(jì)到智慧加工的一體化過程，從而提高農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)加工的效率和質(zhì)量水平。

　　1 智能制造環(huán)境下農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造智慧工廠

　　智慧工廠指的是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用設(shè)備監(jiān)控技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)加強(qiáng)信息化管理和服務(wù)，合理規(guī)劃生產(chǎn)計(jì)劃和精度，安排產(chǎn)品的加工工藝，盡量減少產(chǎn)品生產(chǎn)過程的線上干預(yù)，構(gòu)建高效、環(huán)保、舒適人性化的智能加工廠。在農(nóng)機(jī)智慧加工廠的構(gòu)建上，智能制造是主要的載體。為了實(shí)現(xiàn)智能制造，需要數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)算機(jī)輔助工具，通過仿真軟件和網(wǎng)絡(luò)化分布式管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理。輔助工具主要包括以下幾種。

　　1) 計(jì)算機(jī)輔助工具。在農(nóng)機(jī)部件設(shè)計(jì)和智能化加工時(shí)，計(jì)算機(jī)輔助工具主要由 4 種工具組成，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD、計(jì)算機(jī)輔助工程 CAE、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì) CAPP 和計(jì)算機(jī)輔助制造 CAM。

　　2) 計(jì)算機(jī)仿真工具。仿真工具主要包括零部件的運(yùn)動(dòng)和有限元分析、熱力學(xué)分析、聲學(xué)和流體力學(xué)分析、工藝仿真和物流仿真等。

　　3) 農(nóng)機(jī)工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)。生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)工廠的資源規(guī)劃、制作決策、產(chǎn)品生命周期和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)等。

　　4) 智能制造裝備。農(nóng)機(jī)智能制造裝備是智慧工廠的核心，主要包括各種五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、生產(chǎn)作業(yè)機(jī)器人、智能傳感和檢測(cè)設(shè)備、智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)裝備等。

　　5) 新一代信息技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等。

　　農(nóng)機(jī)智慧工廠在生產(chǎn)過程中以產(chǎn)品全生命周期管理為主線，還伴隨著供應(yīng)鏈、訂單、資產(chǎn)等全生命周期管理，如圖 1 所示。

　　智慧工廠的生產(chǎn)管理和控制系統(tǒng)具有自主能力，可以收集各種廠內(nèi)部和廠外部的信息，并根據(jù)信息來調(diào)研產(chǎn)品市場(chǎng)，規(guī)劃生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)目標(biāo); 在生產(chǎn)時(shí)利用可視化技術(shù)，結(jié)合多媒體和軟件仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備和人員的調(diào)度分配; 利用無線傳感器、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和無線化工業(yè)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的協(xié)調(diào)與合作; 系統(tǒng)還可以通過自我學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)自我診斷，落實(shí)生產(chǎn)任務(wù)和目標(biāo)，通過學(xué)習(xí)資料的不斷補(bǔ)充和更新，實(shí)現(xiàn)故障的自我診斷與排除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)零部件的自動(dòng)加工與優(yōu)化過程。

　　2 復(fù)雜零件智能數(shù)控加工技術(shù)研究

　　為了提高農(nóng)機(jī)部件的加工效率和精度，各種智能化裝備和先進(jìn)制造方法被應(yīng)用到農(nóng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)和加工過程中，包括五軸數(shù)控機(jī)床和虛擬仿真技術(shù)。如圖 2 所示，五軸加工機(jī)床可以加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的平面和曲面形狀零件，通過數(shù)控編程可以實(shí)現(xiàn)零部件的智能化自動(dòng)化加工，但目前采用的大部分是外國(guó)的五軸機(jī)床設(shè)備，其保密性較高。因此，五軸機(jī)床的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)部件智能制造具有重要的意義。虛擬仿真技術(shù)可以對(duì)零部件的數(shù)控加工過程進(jìn)行仿真，在零部件批量生產(chǎn)前對(duì)零件進(jìn)行試制，并對(duì)零件的性能進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　五軸加工機(jī)床可以用來加工較難加工的農(nóng)機(jī)零部件，加工控制可以采用編程的方法，但對(duì)于復(fù)雜的曲面零件，數(shù)控機(jī)床無法通過直接加工的方式來實(shí)現(xiàn)， 而是要對(duì)曲面進(jìn)行分解，分解成曲線后對(duì)曲線進(jìn)行擬合。非均勻有理樣條 B 曲線技術(shù)是常用的曲線擬合方法，采用齊次坐標(biāo)表達(dá)曲線 Pw ( u) 為 Pw ( u) = ∑ n i = 0 Ni，k ( u) di w ( 1) 其中，Ni，k ( u) 表示第 i 個(gè) k 次 B 有理樣條基礎(chǔ)函數(shù); di w = [widi，wi]，i = 0，1，…，n 表示帶權(quán)控制頂點(diǎn)。將齊次坐標(biāo)進(jìn)行超平面 w = 1 上的投影，其表達(dá)式為 P( u) = ∑ n i = 0 Ni，k ( u) widi ∑ n i = 0 Ni，k ( u) wi ( 2) 其中，wi = 0，1，…，n 表示控制點(diǎn)的權(quán)或者權(quán)因子。通過將非均勻有理 B 樣條曲線以張量積的形式進(jìn)行推導(dǎo)，就可以得出 NURBS 曲線構(gòu)造的曲面方程，即 s w ( u，v) = ∑ m i = 0 ∑ n j = 0 di，j w Ni，k ( u) Nj，l ( v) ( 3) 走刀步長(zhǎng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度影響較大，在復(fù)雜曲面形狀的農(nóng)機(jī)部件加工過程中，為了保證零部件的加工精度，需要規(guī)劃合理的走刀步長(zhǎng)，刀具的走刀步長(zhǎng)計(jì)算原理如圖 3 所示。

　　數(shù)控加工過程主要通過刀具的合理移動(dòng)，采用各種加工方法對(duì)工件進(jìn)行加工，在確定刀具一個(gè)步長(zhǎng)上兩個(gè)點(diǎn)的位置時(shí)，需要通過內(nèi)外公差來確定。因此，對(duì)曲線擬合時(shí)步長(zhǎng)的大小滿足內(nèi)外公差的要求時(shí)便可以確定走刀步長(zhǎng)，計(jì)算公式為 1 8 ( Rf + R) ·( L Rf ) 2 ≤ ε ( 4) L ≤ 2Rf 2ε 槡Rf + R ( 5) 其中，ε 表示加工誤差; Rf 表示曲面曲率; R 表示刀具半徑。采用曲線插補(bǔ)的方法可以在數(shù)控加工仿真時(shí)模擬復(fù)雜零部件的加工，農(nóng)機(jī)零部件智能制造的流程如圖 4 所示。

　　基于智能制造工具仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)零部件的智能加工過程，其流程是: 首先，建立待加工零件的毛坯模型; 然后，利用五軸數(shù)控加工虛擬機(jī)床對(duì)零件進(jìn)行虛擬加工，并利用曲線插補(bǔ)技術(shù)得到復(fù)雜零部件的成品模型; 得到零件的產(chǎn)品模型后，利用仿真軟件對(duì)零件的性能進(jìn)行分析，分析其運(yùn)動(dòng)性能和強(qiáng)度與壽命等性能后，對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化; 最后，得到合理的零件模型，并進(jìn)行批量化生產(chǎn)。

　　3 基于虛擬仿真的農(nóng)機(jī)部件智能設(shè)計(jì)制造

　　隨著計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)機(jī)在設(shè)計(jì)制造過程中也引入了智能化虛擬仿真技術(shù)，如圖 5 所示。從農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)和農(nóng)機(jī)零部件三維虛擬裝配到農(nóng)機(jī)整機(jī)模擬，虛擬仿真技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造資源優(yōu)化配置上發(fā)揮了重要的作用。通過虛擬仿真還可以對(duì)虛擬加工的成品進(jìn)行性能分析，由分析結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造效率。

　　SolidWorks 是實(shí)行數(shù)字化設(shè)計(jì)的造型軟件，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維建模、裝配校驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析、加工仿真、數(shù)控加工及加工工藝的制定，從設(shè)計(jì)到工藝分析再到加工模擬，最后實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)控加工制造，從而可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造一體化智慧研發(fā)，大幅度提升了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造效率。套筒是農(nóng)機(jī)柴油發(fā)動(dòng)的重要部件，在套筒批量生產(chǎn)前可對(duì)套筒的五軸數(shù)控加工機(jī)床的數(shù)控加工過程進(jìn)行仿真，得到產(chǎn)品的成品模型。

　　通過對(duì)套筒零部件的數(shù)控加工過程模擬，得到了套筒零部件的加工成品模型，對(duì)加工成品進(jìn)行了仿真模擬得到了套筒零件的應(yīng)力分布云圖( 見圖 6) ，通過應(yīng)力分布云圖可以查看套筒零件在工作時(shí)最大應(yīng)力分布情況。

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證套筒虛擬加工成品的性能，在套筒上施加了極限工作條件下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)套筒施加的荷載，通過數(shù)值仿真模擬分析得到了套筒件損壞的應(yīng)力云圖，如圖 7 所示。

　　通過應(yīng)力分布情況可以對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)易損部位的處理，使套筒具有更高強(qiáng)度，提升套筒的強(qiáng)度性能。

　　套筒的使用壽命是套筒的主要性能體現(xiàn)，據(jù)此對(duì)套筒的壽命分布情況進(jìn)行了仿真模擬，得到了如圖 8 所示的套筒壽命分布圖。通過分布圖可以對(duì)套筒進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)制造效率和精度。

　　在不同的套筒尺寸生產(chǎn)條件下，對(duì)使用一體化方案的制造效率和制造精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表 1 所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明: 采用一體化方案可以有效地提高農(nóng)機(jī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)套筒的制造效率和制造精度。

　　4 結(jié)論

　　為了提高農(nóng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造效率，以及復(fù)雜零部件自動(dòng)化加工的水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)零件的智能化制造，提出了零件加工仿真和產(chǎn)品性能分析智慧體化方案。通過對(duì)虛擬加工得到的產(chǎn)品零件的性能分析，實(shí)現(xiàn)了零部件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化。以農(nóng)機(jī)柴油機(jī)套筒的智能制造過程和產(chǎn)品仿真模擬為例，對(duì)一體化方案進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明: 采用智慧一體化方案可以有效提高農(nóng)機(jī)零部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造效率和精度。