數控多軸聯動加工甘蔗剝葉零件精度優化

摘 要：本文針對甘蔗剝葉零件采用數控多軸聯動加工中的精度控制問題進行了深入研究。全面分析了甘蔗剝葉零件加工工藝系統，包括機床、刀具、工件裝夾以及數控編程等，探討了影響零件精度的關鍵因素。運用誤差補償、優化加工參數、改進刀具路徑以及合理設計工裝夾具等方法，對甘蔗剝葉零件精度進行有效控制與優化。經實際加工驗證，本文提出的加零件精度控制與優化策略顯著提高了零件的加工精度，為甘蔗剝葉機械的高質量制造發展提供了有力保障，助推現代智能化農業的發展。

關鍵詞：數控多軸聯動加工；甘蔗剝葉零件；精度控制

中圖分類號：TP 391" " 文獻標志碼：A

現代智能化農業科技迅猛發展，自動化成為了不可逆轉的趨勢。自動化甘蔗收割設備離不開高端制造零件的支持[1]。其中，甘蔗剝葉是甘蔗收獲環節中的重要工序，甘蔗剝葉零件的質量將直接影響剝葉機械的性能與工作效率。數控多軸聯第加工技術廣泛應用于現代設備機械制造領域，如何保證甘蔗剝葉零件在多軸聯第加工過程中的精度，成為亟待解決的關鍵問題[2]。實際工作經驗表明，甘蔗剝葉機的零件受多種因素的影響，導致其精度與理想值間存在一定差異[3]。因此，針對這些影響因素進行有效控制和優化，可以提高甘蔗剝葉機的零件精度[4]。高精度的甘蔗剝葉零件不僅能夠提高剝葉機的剝葉效果與剝葉質量，而且能延長其設備零件的使用壽命，降低維護設備成本，在現代智能化甘蔗剝葉產業的機械化發展中具有重大意義。

1 甘蔗剝葉機工作原理分析

甘蔗是一種含糖量較高的農作物，是制糖的重要原料。成熟甘蔗的結構主要包括甘蔗桿和葉片。在蔗糖制作過程中，需要去除葉片才能保留近似圓柱的甘蔗桿，便于進行糖分提取。甘蔗葉片的自動化剝離通常采用甘蔗剝葉機，其結構如圖1所示。

從圖1可以看出，在輸入滾筒和輸出滾筒的導向作用下，甘蔗從左向右移動。在移動過程中，甘蔗葉自然垂落并插入剝葉滾筒處。多個剝葉滾筒平行排列，每個剝葉滾筒外圓周帶有剝葉齒，從而將甘蔗葉剪斷，達到剝葉的目的。剝葉滾筒的工作原理如圖2所示。

從剝葉滾筒的軸向觀察剝葉過程，甘蔗葉進入2個剝葉滾筒間，剝葉滾筒利用剝葉齒的嚙合作用，在滾動過程中將甘蔗葉剪斷，從而達到剝葉的目的。

2 數控多軸加工對甘蔗剝葉機零件精度的影響因素分析

從甘蔗剝葉機尤其是剝葉滾筒、剝葉齒的工作原理可以看出，這些關鍵零件對剝葉效果具有至關重要的作用。這些零件的影響因素如下所示。

2.1 機床因素的影響

2.1.1 機床幾何精度的影響

數控多軸機床的幾何精度是保證零件加工精度的基礎。例如，各坐標軸的定位精度、直線度、垂直度以及回轉精度等指標將直接影響零件的尺寸和形狀精度。在長期使用過程中，在磨損、熱變形等因素的影響下，機床的幾何精度會逐漸下降。以一臺五軸聯動加工中心為例，其X軸的定位精度偏差如果超過±0.01mm，那么在加工甘蔗剝葉零件的長軸類特征過程中，就會導致尺寸誤差超出允許范圍。

2.1.2 機床熱變形的影響

在機床加工過程中，主軸運轉、導軌摩擦以及切削熱等因素會產生熱量，因此機床結構會產生熱變形。這種熱變形會使刀具與工件間的相對位置發生變化，影響加工精度。例如，當主軸高速旋轉時，主軸前端的溫升可高達數十攝氏度，導致主軸伸長，進而影響加工深度的精度。

2.2 刀具因素的影響

2.2.1 刀具磨損的影響

在加工甘蔗剝葉零件過程中，刀具會不可避免地會發生磨損。刀具磨損后，其切削刃的形狀和尺寸發生改變，會直接影響零件的加工精度。例如進行銑削加工時，刀具的后刀面磨損會使切削刃半徑增大，導致加工后的零件尺寸變小。試驗表明，連續加工50個甘蔗剝葉零件后，硬質合金銑刀的后刀面磨損量可達0.05mm～0.1mm，此時零件的輪廓尺寸誤差可達±0.03mm。

2.2.2 刀具幾何參數的影響

刀具的幾何參數，例如刀具的前角、后角和刃傾角等，對加工精度也有重要影響。不合理的刀具幾何參數會導致切削力增大、切削溫度升高，從而引起零件變形和表面質量下降。例如，當刀具前角過小時，切削力會顯著增大，在加工薄壁結構的甘蔗剝葉零件過程中易使零件產生變形。

2.3 工件裝夾因素的影響

2.3.1 裝夾方式的影響

工件的裝夾方式直接決定了其在加工過程中的定位精度和穩定性。如果形狀復雜的甘蔗剝葉零件的裝夾方式不合理，那么在加工過程中容易出現位移和振動。例如，采用傳統的三爪卡盤裝夾具有不規則曲面的甘蔗剝葉零件，接觸面積有限，因此在切削力的作用下，零件容易發生轉動和偏移，導致加工精度下降。

2.3.2 裝夾力的影響

裝夾力的大小和分布也會影響零件加工精度。裝夾力過大，可能會使零件產生變形，裝夾力過小，則無法保證零件在加工過程中的穩定性。以一個具有細長軸結構的甘蔗剝葉零件為例，如果裝夾力不均勻，那么在加工過程中，細長軸會因受力不均而發生彎曲變形，影響其圓柱度和同軸度等精度指標。

2.4 數控編程因素的影響

2.4.1 刀具路徑規劃的影響

刀具路徑的規劃直接影響零件的加工精度和表面質量。不合理的刀具路徑可能會導致刀具的頻繁進退刀、切削力的急劇變化以及加工殘留量不均勻等問題。例如，在加工甘蔗剝葉零件的復雜曲面時，如果采用直線插補的刀具路徑，會使曲面的加工精度較低，表面粗糙度較大。

2.4.2 數控代碼精度的影響

數控代碼的精度決定了機床坐標軸的運動精度。在編程過程中，如果數據處理不當或采用的編程算法存在誤差，生成的數控代碼會導致機床運動的偏差，從而影響零件加工精度。例如，在進行坐標轉換和插補運算時，舍入誤差可能會累積，使刀具的實際運動軌跡偏離理想軌跡。

3 甘蔗剝葉機零件精度控制與優化方法

由上文可知，影響甘蔗剝葉機零件精度的因素較多。為了更好地控制和優化剝葉零件精度，本文采取遺傳算法進行優化處理，其基本思想是將甘蔗剝葉機零件精度的各種影響因素對應到每一個具體的基因中。這些基因的不同排布會形成不同的染色體，進而在遺傳算法的操作下持續優化，直到滿足算法的迭代條件。零件精度控制優化的主要過程如圖3所示。

在圖3中，遺傳算法主要包括交叉、遺傳和變異等操作。首先，在遺傳算法可能的種群中選擇2個染色體用于交叉操作，但是這2個染色體不能存在基因重復的情況。其次，在交叉操作的過程中，要明確2個上一代染色體中特殊的基因，這些特殊基因必須無條件遺傳到下一代染色體中，此即界限基因。最后，在界限基因的限制下，剩余的其他位置由上一代染色體進行基因填充，從而形成新的染色體，至此完成交叉操作。

控制優化的標準需要滿足適應度函數的設定，如公式（1）所示。

（1）

式中：p（k）為當前時刻GA種群第k種可能的適應度函數值占全部可能適應度函數值的概率；Fit（k）為當前時刻GA種群的第k種可能的適應度函數值。

根據公式（1），概率最大的適應度將被遺傳到下一代種群。經過上述優化過程，就可以得到提升剝葉機零件精度的控制優化方案。

4 甘蔗剝葉機零件精度控制與優化試驗

4.1 試驗設置

選取典型的甘蔗剝葉零件作為試驗對象，在配備高精度測量系統的五軸加工中心上進行加工試驗。試驗分為2組，一組采用傳統的加工工藝和編程方法（對照組），另一組采用本文提出的精度控制與優化方法（試驗組）。在加工過程中，分別對機床的溫度、刀具的磨損量、工件的裝夾變形以及加工后的零件精度進行測量和記錄。

4.2 試驗結果與分析

4.2.1 尺寸精度

對加工后的甘蔗剝葉零件進行尺寸測量。結果表明，試驗組零件的尺寸精度高于對照組。例如，試驗組中的零件關鍵尺寸的公差范圍為±0.02mm以內，而對照組的尺寸公差范圍為±0.05mm。主要原因是試驗組采用了機床精度補償、刀具磨損補償以及高精度數控代碼生成等方法，有效減少了各種誤差因素對尺寸精度的影響。優化控制前、后剝葉零件尺寸精度對比如圖4所示。

4.2.2 形狀精度

利用三坐標測量儀對零件的形狀精度進行檢測，發現試驗組零件的形狀誤差顯著降低。例如，試驗組中零件的圓柱度誤差平均為0.008mm，而對照組的圓柱度誤差高達0.02mm。原因是試驗組采取了專用工裝夾具設計、裝夾力優化以及刀具路徑優化算法等措施，提高了零件在加工過程中的定位精度和刀具切削的均勻性。

4.2.3 表面質量

采用表面粗糙度儀測量零件的表面粗糙度。試驗組零件的表面粗糙度值Ra為0.8μm～1.2μm，而對照組的表面粗糙度值Ra為1.5μm～2.5um。原因是試驗組應用了刀具幾何參數優化、等殘留高度刀具路徑規劃算法，能夠使刀具切削更平穩，加工殘留量更小，從而提高了零件的表面質量。優化控制前、后剝葉零件尺寸精度對比如圖5所示。

5 結論

本文研究了基于數控多軸加工的甘蔗剝葉零件精度控制與優化，全面分析了影響零件精度的機床、刀具、工件裝夾和數控編程等因素，并提出了相應的精度控制與優化方法。驗證試驗證明，采用這些方法能夠顯著提高甘蔗剝葉零件的加工精度，包括尺寸精度、形狀精度和表面質量等方面。在實際生產中，本文研究成果可以為甘蔗剝葉機械制造企業提供有效的技術支持，有助于提高我國農業機械制造的整體水平，推動甘蔗產業的機械化進程。未來還可以進一步探索更智能化、高效化的精度控制與優化技術，以適應不斷發展的制造業需求。

參考文獻

[1]陳明東，陸靜平，林運東，等.拉力式甘蔗剝葉機剝葉元件作業參數研究[J].中國農機化學報，2024（7）：122-126.

[2]楊曉珍，周繼續.小型整桿式甘蔗收獲機刀盤振動分析與優化設計[J].湖北農業科學，2022，61（20）：162-165.

[3]張勝忠，張華偉，涂偉浩，等.整稈式高效智能甘蔗收割機的設計與研發[J].廣西糖業，2024，44（3）：174-177.

[4]李海.多軸聯動數控加工精度預測與機床參數優化[D].南京：南京航空航天大學，2018.

作者簡介：李勇華（1984—），男，廣西貴港市人，本科，實驗師，研究方向為機械制造。

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