摘要：为提高农机装备整体性能，以农业机械零件加工为切入点，探索基于数控技术和智能算法的农机扇轮加工技术要点，提出运用轨迹规划算法和虚拟仿真技术实现农业机械零件数控加工。农业机械零件的数控加工过程中，运用刀具智能轨迹规划技术和虚拟仿真技术，能显著提升零件加工效率和精度，在农机零件设计与制造领域推广和应用数控加工技术具有重要意义。

　　关键词：农业机械；零件；数控加工;方法

　　1.数控技术在农业机械零件加工中的优势

　　数控技术是一种以计算机技术为基础，精准控制农机零件加工过程的技术手段，主要基于精确的零件设计，在提前设定加工程序的基础上，自动化加工高精度零件，与传统零件加工技术相比能提高加工效率和加工精度。数控技术主要由数控车床、铣床、钻床、磨床等工序组成，其常规加工流程见图1。

　　根据图1所示，在农业机械零件的数控加工常规流程中，设计者要先根据零件加工需求绘制图纸，再做好工艺处理工作，选择计算机软件建立零件的数学模型，通过编程设定加工程序，并在控制系统和数控中心的运行下开展零件加工作业。

　　2.农业机械零件的数控加工方法

　　为方便研究，以农业机械中的常用零部件——扇轮为研究对象，结合扇轮在农业机械中的定位和加工需求，提出运用刀具智能轨迹规划算法和虚拟仿真技术进行数控加工的观点。

　　2.1农业机械零件加工需求

　　在众多农业机械中，扇轮是一种经常使用的零件，尤其是在旋转装置和风力系统中的应用比较广泛。扇轮零件的加工质量，与农业机械的质量与性能有着直接关系，在一定程度上会影响农业生产效果。扇轮是一种多曲面结构的机械零件，由多个弧形结构和曲面结构组成。在扇轮零件加工中，扇轮叶片的加工难度最高，主要原因是叶片不同位置的厚度并非统一，对刀具行走轨迹有着严格要求，所以需要在加工时动态调整刀具的相关参数，如切削速度等，所有需要运用智能算法来规划刀具的加工轨迹。

　　2.2刀具智能轨迹规划算法运用

　　2.2.1建模

　　在农业机械扇轮数控加工中，工作人员要先利用计算机软件建立数学模型。本文针对农业机械扇轮数控加工，选择零件隐式建模方法，先将扇轮模型转化为水平集函数表达式，实现零件的隐式化建模处理。首先，将数据格式STL格式作为源文件，建立扇轮的水平集函数，对STL模型数据进行读取，获取扇轮Z轴方向的最大值与最小值，定义体素大小h×h，计算模型划分层Layer_n=（Zmax-Zmin）/h，其中Zmax和Zmin分别表示扇轮Z轴方向的最大和最小值。其次，从现有模型数据中提取第i层的模型切片数据，按照图2所示流程采用射线相交法建立体素矩阵VoxelX。

　　随后按照上述步骤得到Y方向上的体素矩阵VoxelY。为保证X和Y方向都不存在遗漏体素，记Voxeli=max（VoxelX,VoxelY）为模型当前层的体素化数据子集，随后检查是否到最后一层，若未到最后一层返回建立体素矩阵的步骤，按步骤完成所有体素矩阵的组合工作，最终获得扇轮模型体素化表达方式的数据集。在得出体素化建模数据集后，工作人员可以针对扇轮的三维模型，运用快速行进算法构建符号距离场函数，在此基础上完成扇轮模型的水平集函数隐式建模。

　　2.2.2刀具路径规划

　　在建立数学模型的基础上，工作人员要采用智能轨迹规划算法设计刀具路径，以扇轮零件的几个特征为基础进行刀具路径的分段处理，采用标准曲线拟合技术合理规划复杂曲面的路径为：

　　式中P(t)代表路径点；Ni,k表示样条基函数；Pi表示控制点。

　　2.2.3刀具路径优化

　　刀具的初步路径生成后，此路径上可能存在少许重复路径点，或者一些路径过于复杂会影响加工效率。为解决这一问题，工作人员可以运用遗传算法与模拟退火算法，对初步建成的路径展开优化，在实现最小优化长度的基础上，提高农业机械扇轮的数控加工质量：

　　fm in(L)-IP.i-pl(2)

　　式中fmin(L)表示刀具最终路径；L表示路径长度；Pi+1-Pi表示两个路径点的距离。

　　2.2.4动态调整

　　在农业机械扇轮的数控加工中，扇轮的材料特性与加工条件都决定了需要对刀具的路径实施动态调整。本文选择布置传感器和运用智能算法的方式，在扇轮模型中运用智能算法处理传感器捕捉的数据信息，在此基础上实现刀具加工路径的动态调整，确保刀具路径始终满足扇轮数控加工需求。

　　3.农业机械零件数控加工方法优化措施

　　3.1优化思路

　　为提高扇轮数控加工效率和加工精度，根据扇轮作为复杂零部件这一特征，以五轴加工机床为研究切入点，本文提出运用虚拟仿真技术优化扇轮数控加工方法的观点。扇轮拥有复杂曲面，只依靠数控机床直接加工无法实现高精度加工目标，所以需要先对扇轮叶片的曲面进行分解，分解为曲线后对该曲线进行拟合。非均匀有理样条曲线技术可以采取曲线拟合方法，采用齐次坐标来表达曲线为：

　　式中diw=[widi,Wi],i=0,1,…,n表示带权控制顶点。

　　随后对齐次坐标进行超平面w=1上的投影，再以张量积的方式对样条曲线进行推导，得到NURBS曲线构造的曲面方程。在确定刀具路径的基础上，刀具走刀步长会影响扇轮数控加工精度，为降低走刀补偿对加工精度造成的影响，可以按照上述方法对刀具的走刀步长进行控制。

　　在扇轮数控加工过程中，刀具移动是否合理，直接决定了扇轮数控加工效果，所以可以采用内外公差的方法来确定一个步长内两个加工坐标点的位置，基于曲线拟合时补偿的大小，在满足内外公差要求的基础上，对走刀步长予以确定：

　　式中ε表示数控加工误差；R为刀具半径；Rf为曲面曲率。

　　3.2虚拟仿真

　　基于虚拟仿真技术的农业机械零件数控加工，可以在三维模型的基础上将零件三维虚拟装配到农业机械上进行模拟，从而分析扇轮成品的性能，验证数控加工效果，并根据模拟结果对扇轮产品的结构、尺寸等进行优化，进一步提高扇轮数控加工质量和加工效率。扇轮作为农业机械的重要零部件，在零件批量化加工前可以先对数控机床的数控加工过程进行仿真，获得农业机械的成品模型后，通过模拟扇轮零件的数控加工过程，得到扇轮加工成品模型，随后对加工成品进行虚拟仿真得到扇轮在农业机械上的应力分布云图，根据应力分布云图分析农业机械在运行时扇轮的最大应力分布情况。此外，为进一步验证扇轮成品的整体性能，工作人员可以在扇轮上施加农业机械在复杂工况下对扇轮施加的荷载，通过虚拟仿真的方式获取扇轮损坏的应力云图，掌握特定设计方案下对应的扇轮成品最大负载值，根据扇轮设计标准评估扇轮数控加工方案是否符合设计要求，结合负载分析结果对设计方案进行调整，以便提高扇轮的数控加工水平。此外，工作人员还可以对扇轮的使用寿命进行虚拟仿真，在计算机软件上绘制扇轮的寿命分布云图，在此基础上更全面地优化套筒数控设计方案。

　　4.结束语

　　直接通过计算机程序设定数控机床的加工参数，可能在提高农业机械零件数控加工效率和加工精度上存在一定局限性。为更好地提升农业机械赋能农业生产和农业经济发展的作用，农业机械零件数控加工要灵活采用各类智能化技术，在智能算法和数控技术相互协调的基础上，提高农业机械零件的数控加工水平。

　    参考文献：

　　[1]马庆.农业机械智能化数控加工系统轨迹规划技术的研究[J].农机使用与维修,2024,(10):63-66.

　　[2]宫小东.数控技术在农机零部件加工中的优化及应用策略[J].河北农机,2024,(16):12-14.

　　[3]葛长城,王铭,牟轩.数字化设计技术在农业机械设计中的应用分析[J].南方农机,2023,54(20):84-86.