智能制造環境下智慧農機數控加工和仿真一體化研究

　　摘 要: 為了提高農機零部件的設計、加工效率和復雜零部件的加工精度，在智能制造環境下，提出了農機部件數控加工和農機部件產品仿真的一體化方案。通過對農機部件產品的數控加工過程仿真、加工產品的性能虛擬分析，全面實現農機零部件產品的設計和制造過程優化。以農機柴油機上套筒件的數控加工和仿真為例，對 套筒加工成品的零件強度和壽命進行了分析，并對產品的構型和尺寸進行了優化，且在不同尺寸套筒的加工時，對使用一體化后的加工效率和精度進行了統計。統計結果表明: 采用一體化方案可以有效提高農機部件的加工效率和精度。

　　關鍵詞: 智能制造; 智慧工廠; 數控加工; 農機設計; 仿真模擬

　　莫中凱;農機化研究;2022 年7 月

　　0 引言

　　隨著計算機輔助設計技術的飛速發展與功能的不斷完善，工程技術人員的設計方法和手段越來越豐富，尤其是三維 CAD / CAM 軟件的廣泛應用與普及，使現代機械產品設計逐步進入了三維時代。在農機零部件的設計和加工過程中，可以采用三維 CAD / CAM 軟件對產品進行實體造型，再對部件進行虛擬裝配和三維機構運動仿真，檢查運動干涉情況，并利用有限元仿真和優化設計對產品性能或者產品的加工過程進行仿真優化，最終確定產品的工藝規程; 另外，還可以將三位實體圖轉換為二維工程圖，并通過共享的方式建立產品數據庫，實現農機智能數字化設計到智慧加工的一體化過程，從而提高農機零部件設計加工的效率和質量水平。

　　1 智能制造環境下農機設計制造智慧工廠

　　智慧工廠指的是在數字化工廠的基礎上，利用設備監控技術和物聯網的技術加強信息化管理和服務，合理規劃生產計劃和精度，安排產品的加工工藝，盡量減少產品生產過程的線上干預，構建高效、環保、舒適人性化的智能加工廠。在農機智慧加工廠的構建上，智能制造是主要的載體。為了實現智能制造，需要數字化和網絡化的計算機輔助工具，通過仿真軟件和網絡化分布式管理，實現企業的實時動態管理。輔助工具主要包括以下幾種。

　　1) 計算機輔助工具。在農機部件設計和智能化加工時，計算機輔助工具主要由 4 種工具組成，包括計算機輔助設計 CAD、計算機輔助工程 CAE、計算機輔助工藝設計 CAPP 和計算機輔助制造 CAM。

　　2) 計算機仿真工具。仿真工具主要包括零部件的運動和有限元分析、熱力學分析、聲學和流體力學分析、工藝仿真和物流仿真等。

　　3) 農機工廠生產管理系統。生產管理系統主要負責工廠的資源規劃、制作決策、產品生命周期和產品數據庫等。

　　4) 智能制造裝備。農機智能制造裝備是智慧工廠的核心，主要包括各種五軸聯動機床、生產作業機器人、智能傳感和檢測設備、智能物流與倉儲裝備等。

　　5) 新一代信息技術，如物聯網、云計算、大數據等。

　　農機智慧工廠在生產過程中以產品全生命周期管理為主線，還伴隨著供應鏈、訂單、資產等全生命周期管理，如圖 1 所示。

　　智慧工廠的生產管理和控制系統具有自主能力，可以收集各種廠內部和廠外部的信息，并根據信息來調研產品市場，規劃生產任務和生產目標; 在生產時利用可視化技術，結合多媒體和軟件仿真技術，實現生產裝備和人員的調度分配; 利用無線傳感器、網絡化控制系統和無線化工業通信技術，實現人機的協調與合作; 系統還可以通過自我學習，實現自我診斷，落實生產任務和目標，通過學習資料的不斷補充和更新，實現故障的自我診斷與排除，進而實現農機零部件的自動加工與優化過程。

　　2 復雜零件智能數控加工技術研究

　　為了提高農機部件的加工效率和精度，各種智能化裝備和先進制造方法被應用到農機零部件的設計和加工過程中，包括五軸數控機床和虛擬仿真技術。如圖 2 所示，五軸加工機床可以加工結構復雜的平面和曲面形狀零件，通過數控編程可以實現零部件的智能化自動化加工，但目前采用的大部分是外國的五軸機床設備，其保密性較高。因此，五軸機床的研究對于實現農機部件智能制造具有重要的意義。虛擬仿真技術可以對零部件的數控加工過程進行仿真，在零部件批量生產前對零件進行試制，并對零件的性能進行分析，從而實現零部件的優化設計。

　　五軸加工機床可以用來加工較難加工的農機零部件，加工控制可以采用編程的方法，但對于復雜的曲面零件，數控機床無法通過直接加工的方式來實現， 而是要對曲面進行分解，分解成曲線后對曲線進行擬合。非均勻有理樣條 B 曲線技術是常用的曲線擬合方法，采用齊次坐標表達曲線 Pw ( u) 為 Pw ( u) = ∑ n i = 0 Ni，k ( u) di w ( 1) 其中，Ni，k ( u) 表示第 i 個 k 次 B 有理樣條基礎函數; di w = [widi，wi]，i = 0，1，…，n 表示帶權控制頂點。將齊次坐標進行超平面 w = 1 上的投影，其表達式為 P( u) = ∑ n i = 0 Ni，k ( u) widi ∑ n i = 0 Ni，k ( u) wi ( 2) 其中，wi = 0，1，…，n 表示控制點的權或者權因子。通過將非均勻有理 B 樣條曲線以張量積的形式進行推導，就可以得出 NURBS 曲線構造的曲面方程，即 s w ( u，v) = ∑ m i = 0 ∑ n j = 0 di，j w Ni，k ( u) Nj，l ( v) ( 3) 走刀步長對數控機床的加工精度影響較大，在復雜曲面形狀的農機部件加工過程中，為了保證零部件的加工精度，需要規劃合理的走刀步長，刀具的走刀步長計算原理如圖 3 所示。

　　數控加工過程主要通過刀具的合理移動，采用各種加工方法對工件進行加工，在確定刀具一個步長上兩個點的位置時，需要通過內外公差來確定。因此，對曲線擬合時步長的大小滿足內外公差的要求時便可以確定走刀步長，計算公式為 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。采用曲線插補的方法可以在數控加工仿真時模擬復雜零部件的加工，農機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現農機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，利用五軸數控加工虛擬機床對零件進行虛擬加工，并利用曲線插補技術得到復雜零部件的成品模型; 得到零件的產品模型后，利用仿真軟件對零件的性能進行分析，分析其運動性能和強度與壽命等性能后，對零部件的結構和尺寸進行優化; 最后，得到合理的零件模型，并進行批量化生產。

　　3 基于虛擬仿真的農機部件智能設計制造

　　隨著計算機虛擬仿真技術的不斷發展，農機在設計制造過程中也引入了智能化虛擬仿真技術，如圖 5 所示。從農機零部件設計和農機零部件三維虛擬裝配到農機整機模擬，虛擬仿真技術在農機設計和制造資源優化配置上發揮了重要的作用。通過虛擬仿真還可以對虛擬加工的成品進行性能分析，由分析結果數據對產品的結構和尺寸進行優化，從而提高產品的設計和制造效率。

　　SolidWorks 是實行數字化設計的造型軟件，可實現產品的三維建模、裝配校驗、運動仿真、有限元分析、加工仿真、數控加工及加工工藝的制定，從設計到工藝分析再到加工模擬，最后實現智能化數控加工制造，從而可以實現農機產品的設計和制造一體化智慧研發，大幅度提升了農機產品的設計和制造效率。套筒是農機柴油發動的重要部件，在套筒批量生產前可對套筒的五軸數控加工機床的數控加工過程進行仿真，得到產品的成品模型。

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

　　為了進一步驗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動機對套筒施加的荷載，通過數值仿真模擬分析得到了套筒件損壞的應力云圖，如圖 7 所示。

　　通過應力分布情況可以對零部件進行優化，加強易損部位的處理，使套筒具有更高強度，提升套筒的強度性能。

　　套筒的使用壽命是套筒的主要性能體現，據此對套筒的壽命分布情況進行了仿真模擬，得到了如圖 8 所示的套筒壽命分布圖。通過分布圖可以對套筒進一步的優化設計，從而提高設計制造效率和精度。

　　在不同的套筒尺寸生產條件下，對使用一體化方案的制造效率和制造精度進行了統計，如表 1 所示。統計結果表明: 采用一體化方案可以有效地提高農機柴油發動機套筒的制造效率和制造精度。

　　4 結論

　　為了提高農機零部件的設計和生產制造效率，以及復雜零部件自動化加工的水平，實現農機零件的智能化制造，提出了零件加工仿真和產品性能分析智慧體化方案。通過對虛擬加工得到的產品零件的性能分析，實現了零部件產品的結構和尺寸優化。以農機柴油機套筒的智能制造過程和產品仿真模擬為例，對一體化方案進行了驗證。仿真結果表明: 采用智慧一體化方案可以有效提高農機零部件產品的設計制造效率和精度。