基于遺傳算法的航空制造自由曲面刀具路徑規劃研究

趙金富

（中航工業沈陽飛機工業集團有限公司，遼寧沈陽110034）

基于遺傳算法的航空制造自由曲面刀具路徑規劃研究

趙金富

（中航工業沈陽飛機工業集團有限公司，遼寧沈陽110034）

自由曲面的加工在航空制造中非常普遍，但是自由曲面的機械加工難度比較高。提出了基于改進遺傳算法的刀具路徑規劃，經過改進遺傳算法優化后的大刀具尺寸和小刀具尺寸的刀具組合進行自由曲面數控加工，具有較高的加工效率和加工質量。

航空；自由曲面；刀具

引言

在航空制造中，由于自由曲面具有較好的空氣動力學和流體動力學等特點，所以在飛機零部件中應用非常廣泛。近年來隨著數控加工技術的不斷進步，數控加工在自由曲面零部件的加工中具有非常重要的作用。因為自由曲面的加工非常困難，具有較高的技術難度和復雜度，所以高性能數控加工的精度、速度、加工平穩性等是直接決定自由曲面加工的關鍵技術。自由曲面的輪廓和曲面的機械加工一般是由粗加工和精加工等工序組成的［1］。精加工將直接決定了自由曲面的最終加工精度。自由曲面的機械加工中刀具路徑規劃設計將直接決定自由曲面的表面加工質量和加工精度。

自由曲面的高速切削對數控機床、加工刀具、夾具以及被加工工件等要求非常高，需要刀具軌跡路徑具有較好的工藝性，刀具路徑規劃一般要避免機械加工過程中的走刀方向的突變，來避免因局部過切導致的加工工件或者刀具的損壞，同時要避免刀具的突然加速或減速，盡可能保持刀具給進運動的平穩性，刀具軌跡間的過度最好采用圓弧過度，一般要求具有給進速度優化的能力。所以自由曲面的高速加工對切削速度和高精度兩個指標的要求非常高［2］，強調機械數控加工的平穩性和加工表面的光滑性，盡可能地降低自由曲面的粗糙度。

本文提出了基于改進遺傳算法的刀具路徑規劃，設計了改進的非線性自適應度函數來適應自由曲面的主曲率特點，經過改進遺傳算法優化后的大刀具尺寸和小刀具尺寸的刀具組合進行自由曲面數控加工具有較高的加工效率和加工質量。

1　遺傳算法介紹

遺傳算法是模擬自然選擇和遺傳機制的一種尋優算法。它具有沒有函數連續性的限制和較好的全局尋優能力的優點，能夠自動在搜索空間上自主學習和優化，完全不用人為干預搜索。它不是從單個的個體進行搜索，具有并行搜索的能力，能夠大大降低陷入局部極小的可能性，它采用隨機操作，具有更好的全局搜索能力，適用于搜索復雜問題和非線性問題的尋優。

遺傳算法步驟一般為編碼、初始群體產生、適應度函數設計、選擇、交叉、變異操作。遺傳算法是一種群體優化算法，由若干初始群體作為初始輸入，用隨機方法來產生初始群體，對于群體優化算法，初始的群體規模越大，則算法的優化效果越好。遺傳算法是通過對個體的評價和染色體的作用，有效利用已有的種群信息來改善優化質量的算法。初始群體的規模越大該算法就有更好的最優解，但是規模太大會增加計算工作量，如果群體的規模太小，使得搜索的空間范圍太小導致不容易收斂。所以初始群體的規模大小設置，需要綜合分析設置。

2　刀具路徑規劃

刀具路徑是刀具加工自由曲面的刀觸點的軌跡。刀具路徑規劃一般包括刀具路徑軌跡的拓撲結構和刀具路徑軌跡的參數設置。刀具路徑軌跡的參數一般包括加工步長和加工步距。

自由曲面的數控加工刀具路徑生成是比較復雜的技術，一般有平行平面道路法、等高線加工法、等殘留高度加工法等，這些方法各有優點和適應場景。

自由曲面的加工刀具路徑規劃要提高加工精度，需要在以下方面進行優化：走刀步長分布要合理，給進速度要保持均勻；刀具路徑步距分布要保持均勻，加工殘留誤差要比較小。自由曲面的加工刀具路徑規劃要提高加工效率，需要在以下方面進行優化：刀具路徑總長度和加工時間要非常短；單個刀具路徑長度盡可能長。只有在加工精度和加工效率兩方面進行提升和優化，才能使得自由曲面的數控加工具有高精度和高效率。

本文刀具路徑規劃核心思想是：首先采用大尺寸的刀具來加工自由曲面的絕大部分的區域，然后采用小尺寸的刀具在滿足無曲率干涉加工自由曲面上的剩余的干涉區域，用改進的遺傳算法來計算自由曲面的最大主曲率，針對自由曲面的特性來設計非線性的適應度函數，利用計算的最大主曲率和標準刀具尺寸共同求出小尺寸刀具的直尺寸。根據自由曲面的區域劃分分別進行刀具路徑的規劃設計，大刀具的尺寸同樣也需要利用遺傳算法來計算得出，綜合大刀具尺寸和小刀具尺寸共同確定出整套自由曲面數控加工的刀具組合。利用本套優化后的刀具組合進行自由曲面的機械數控加工，具有較高的加工精度和較高的加工效率。

3　結語

本文主要針對航空制造中自由曲面的數控機械加工難題，提出了利用改進的遺傳算法對刀具進行優化，經過優化后的刀具組合進行機械加工自由曲面，具有較高的加工精度和加工效率，該方法在航空制造中具有較高的推廣價值。

［1］趙世田.自由曲面加工刀具路徑生成高精度變步長算法研究［J］.機械科學與技術，2010（1）:12-13.

［2］楊長祺.復雜曲面多軸加工的高精度、高效率數控編程系統研究［D］.重慶:重慶大學，2004:21-22.

（編輯：王紅霖）

The Research on Tool Path Planning for Aircraft Manufacturing Free Surface Based on Genetic Algorithm

Zhao Jinfu
（ACIC Shenyang Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110034）

Machining of free surface is very common in aircraft manufacturing，but the machining of free surface is more difficult.In this paper based on Improved Genetic Algorithm，the tool path planning through improved genetic algorithm to optimize the cutting tool size and small tool size combined for NC machining of free form surface，and it has high machining efficiency and quality.

aviation；free curved；surface tool

TG659

A

2095-0748（2016）13-0045-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.15

2016-05-20

趙金富（1981—），男，遼寧朝陽人，工學學士，研究方向：機械加工。