智能制造环境下智慧农机数控加工和仿真一体化研究
摘 要: 为了提高农机零部件的设计、加工效率和复杂零部件的加工精度，在智能制造环境下，提出了农机部件数控加工和农机部件产品仿真的一体化方案。通过对农机部件产品的数控加工过程仿真、加工产品的性能虚拟分析，全面实现农机零部件产品的设计和制造过程优化。以农机柴油机上套筒件的数控加工和仿真为例，对 套筒加工成品的零件强度和寿命进行了分析，并对产品的构型和尺寸进行了优化，且在不同尺寸套筒的加工时，对使用一体化后的加工效率和精度进行了统计。统计结果表明: 采用一体化方案可以有效提高农机部件的加工效率和精度。
关键词: 智能制造; 智慧工厂; 数控加工; 农机设计; 仿真模拟
莫中凯;农机化研究;2022 年7 月
0 引言
随着计算机辅助设计技术的飞速发展与功能的不断完善，工程技术人员的设计方法和手段越来越丰富，尤其是三维 CAD / CAM 软件的广泛应用与普及，使现代机械产品设计逐步进入了三维时代。在农机零部件的设计和加工过程中，可以采用三维 CAD / CAM 软件对产品进行实体造型，再对部件进行虚拟装配和三维机构运动仿真，检查运动干涉情况，并利用有限元仿真和优化设计对产品性能或者产品的加工过程进行仿真优化，最终确定产品的工艺规程; 另外，还可以将三位实体图转换为二维工程图，并通过共享的方式建立产品数据库，实现农机智能数字化设计到智慧加工的一体化过程，从而提高农机零部件设计加工的效率和质量水平。
1 智能制造环境下农机设计制造智慧工厂
智慧工厂指的是在数字化工厂的基础上，利用设备监控技术和物联网的技术加强信息化管理和服务，合理规划生产计划和精度，安排产品的加工工艺，尽量减少产品生产过程的线上干预，构建高效、环保、舒适人性化的智能加工厂。在农机智慧加工厂的构建上，智能制造是主要的载体。为了实现智能制造，需要数字化和网络化的计算机辅助工具，通过仿真软件和网络化分布式管理，实现企业的实时动态管理。辅助工具主要包括以下几种。
1) 计算机辅助工具。在农机部件设计和智能化加工时，计算机辅助工具主要由 4 种工具组成，包括计算机辅助设计 CAD、计算机辅助工程 CAE、计算机辅助工艺设计 CAPP 和计算机辅助制造 CAM。
2) 计算机仿真工具。仿真工具主要包括零部件的运动和有限元分析、热力学分析、声学和流体力学分析、工艺仿真和物流仿真等。
3) 农机工厂生产管理系统。生产管理系统主要负责工厂的资源规划、制作决策、产品生命周期和产品数据库等。
4) 智能制造装备。农机智能制造装备是智慧工厂的核心，主要包括各种五轴联动机床、生产作业机器人、智能传感和检测设备、智能物流与仓储装备等。
5) 新一代信息技术，如物联网、云计算、大数据等。
农机智慧工厂在生产过程中以产品全生命周期管理为主线，还伴随着供应链、订单、资产等全生命周期管理，如图 1 所示。
智慧工厂的生产管理和控制系统具有自主能力，可以收集各种厂内部和厂外部的信息，并根据信息来调研产品市场，规划生产任务和生产目标; 在生产时利用可视化技术，结合多媒体和软件仿真技术，实现生产装备和人员的调度分配; 利用无线传感器、网络化控制系统和无线化工业通信技术，实现人机的协调与合作; 系统还可以通过自我学习，实现自我诊断，落实生产任务和目标，通过学习资料的不断补充和更新，实现故障的自我诊断与排除，进而实现农机零部件的自动加工与优化过程。
2 复杂零件智能数控加工技术研究
为了提高农机部件的加工效率和精度，各种智能化装备和先进制造方法被应用到农机零部件的设计和加工过程中，包括五轴数控机床和虚拟仿真技术。如图 2 所示，五轴加工机床可以加工结构复杂的平面和曲面形状零件，通过数控编程可以实现零部件的智能化自动化加工，但目前采用的大部分是外国的五轴机床设备，其保密性较高。因此，五轴机床的研究对于实现农机部件智能制造具有重要的意义。虚拟仿真技术可以对零部件的数控加工过程进行仿真，在零部件批量生产前对零件进行试制，并对零件的性能进行分析，从而实现零部件的优化设计。
五轴加工机床可以用来加工较难加工的农机零部件，加工控制可以采用编程的方法，但对于复杂的曲面零件，数控机床无法通过直接加工的方式来实现， 而是要对曲面进行分解，分解成曲线后对曲线进行拟合。非均匀有理样条 B 曲线技术是常用的曲线拟合方法，采用齐次坐标表达曲线 Pw ( u) 为 Pw ( u) = ∑ n i = 0 Ni，k ( u) di w ( 1) 其中，Ni，k ( u) 表示第 i 个 k 次 B 有理样条基础函数; di w = [widi，wi]，i = 0，1，…，n 表示带权控制顶点。将齐次坐标进行超平面 w = 1 上的投影，其表达式为 P( u) = ∑ n i = 0 Ni，k ( u) widi ∑ n i = 0 Ni，k ( u) wi ( 2) 其中，wi = 0，1，…，n 表示控制点的权或者权因子。通过将非均匀有理 B 样条曲线以张量积的形式进行推导，就可以得出 NURBS 曲线构造的曲面方程，即 s w ( u，v) = ∑ m i = 0 ∑ n j = 0 di，j w Ni，k ( u) Nj，l ( v) ( 3) 走刀步长对数控机床的加工精度影响较大，在复杂曲面形状的农机部件加工过程中，为了保证零部件的加工精度，需要规划合理的走刀步长，刀具的走刀步长计算原理如图 3 所示。
数控加工过程主要通过刀具的合理移动，采用各种加工方法对工件进行加工，在确定刀具一个步长上两个点的位置时，需要通过内外公差来确定。因此，对曲线拟合时步长的大小满足内外公差的要求时便可以确定走刀步长，计算公式为 1 8 ( Rf + R) ·( L Rf ) 2 ≤ ε ( 4) L ≤ 2Rf 2ε 槡Rf + R ( 5) 其中，ε 表示加工误差; Rf 表示曲面曲率; R 表示刀具半径。采用曲线插补的方法可以在数控加工仿真时模拟复杂零部件的加工，农机零部件智能制造的流程如图 4 所示。
基于智能制造工具仿真软件可以实现农机零部件的智能加工过程，其流程是: 首先，建立待加工零件的毛坯模型; 然后，利用五轴数控加工虚拟机床对零件进行虚拟加工，并利用曲线插补技术得到复杂零部件的成品模型; 得到零件的产品模型后，利用仿真软件对零件的性能进行分析，分析其运动性能和强度与寿命等性能后，对零部件的结构和尺寸进行优化; 最后，得到合理的零件模型，并进行批量化生产。
3 基于虚拟仿真的农机部件智能设计制造
随着计算机虚拟仿真技术的不断发展，农机在设计制造过程中也引入了智能化虚拟仿真技术，如图 5 所示。从农机零部件设计和农机零部件三维虚拟装配到农机整机模拟，虚拟仿真技术在农机设计和制造资源优化配置上发挥了重要的作用。通过虚拟仿真还可以对虚拟加工的成品进行性能分析，由分析结果数据对产品的结构和尺寸进行优化，从而提高产品的设计和制造效率。
SolidWorks 是实行数字化设计的造型软件，可实现产品的三维建模、装配校验、运动仿真、有限元分析、加工仿真、数控加工及加工工艺的制定，从设计到工艺分析再到加工模拟，最后实现智能化数控加工制造，从而可以实现农机产品的设计和制造一体化智慧研发，大幅度提升了农机产品的设计和制造效率。套筒是农机柴油发动的重要部件，在套筒批量生产前可对套筒的五轴数控加工机床的数控加工过程进行仿真，得到产品的成品模型。
通过对套筒零部件的数控加工过程模拟，得到了套筒零部件的加工成品模型，对加工成品进行了仿真模拟得到了套筒零件的应力分布云图( 见图 6) ，通过应力分布云图可以查看套筒零件在工作时最大应力分布情况。
为了进一步验证套筒虚拟加工成品的性能，在套筒上施加了极限工作条件下柴油发动机对套筒施加的荷载，通过数值仿真模拟分析得到了套筒件损坏的应力云图，如图 7 所示。
通过应力分布情况可以对零部件进行优化，加强易损部位的处理，使套筒具有更高强度，提升套筒的强度性能。
套筒的使用寿命是套筒的主要性能体现，据此对套筒的寿命分布情况进行了仿真模拟，得到了如图 8 所示的套筒寿命分布图。通过分布图可以对套筒进一步的优化设计，从而提高设计制造效率和精度。
在不同的套筒尺寸生产条件下，对使用一体化方案的制造效率和制造精度进行了统计，如表 1 所示。统计结果表明: 采用一体化方案可以有效地提高农机柴油发动机套筒的制造效率和制造精度。
4 结论
为了提高农机零部件的设计和生产制造效率，以及复杂零部件自动化加工的水平，实现农机零件的智能化制造，提出了零件加工仿真和产品性能分析智慧体化方案。通过对虚拟加工得到的产品零件的性能分析，实现了零部件产品的结构和尺寸优化。以农机柴油机套筒的智能制造过程和产品仿真模拟为例，对一体化方案进行了验证。仿真结果表明: 采用智慧一体化方案可以有效提高农机零部件产品的设计制造效率和精度。