吳國利，邢玉清

( 1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，鄭州 450002)

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基于模糊多準(zhǔn)則算法的收割機(jī)攪龍葉片機(jī)械加工研究

吳國利1，邢玉清2

( 1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，鄭州 450002)

攪龍葉片屬于復(fù)雜的曲面機(jī)械零部件，其機(jī)械加工是一個(gè)復(fù)雜多元素作用的復(fù)合過程。為了提高攪龍葉片機(jī)械加工的精度，提出了一種基于CAD和PRO/E軟件的葉片加工走刀軌跡的仿真優(yōu)化方法。該方法利用CAD提取攪龍葉片型面的關(guān)鍵點(diǎn)。在攪龍葉片型面數(shù)據(jù)點(diǎn)提取的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的加工控制點(diǎn)，為了對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化篩選，提出了一種模糊多準(zhǔn)則算法，實(shí)現(xiàn)了葉片的機(jī)械加工決策和優(yōu)化由經(jīng)驗(yàn)型向理論指導(dǎo)型的轉(zhuǎn)變。在PRO/E軟件中，對(duì)提取得到的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了建模，得到了葉片的型面，將型面進(jìn)行合并得到了攪龍葉片的曲面實(shí)體，最后對(duì)實(shí)體進(jìn)行走刀軌跡仿真，得到了攪龍葉片的機(jī)械加工精度，并將模糊多準(zhǔn)則算法和非模糊多準(zhǔn)則算法控制下的機(jī)械加工精度進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明：模糊多準(zhǔn)則算法可以有效地提高收割機(jī)攪龍葉片的機(jī)械加工精度。

模糊多準(zhǔn)則；攪龍葉片；曲面零件；加工精度；走刀軌跡；收割機(jī)

0 引言

機(jī)械制造過程中，尤其是機(jī)械制造過程的轉(zhuǎn)變中，存在很多需要決策優(yōu)化的問題；但機(jī)械制造過程由于復(fù)雜零件加工的不確定性和相關(guān)性，加上決策者經(jīng)驗(yàn)的有限性，使得機(jī)械加工制造過程中存在關(guān)聯(lián)的多準(zhǔn)則決策問題。模糊多準(zhǔn)則決策，是一個(gè)重要的專家系統(tǒng)，可以根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)和邏輯推理，從而使機(jī)械加工決策更加的科學(xué)和合理。收割機(jī)攪龍屬于復(fù)雜的螺旋形狀零部件，其加工難度較高，且加工可參考的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較少；而采用模糊多準(zhǔn)則算法可以有效地解決這個(gè)問題，實(shí)現(xiàn)加工控制點(diǎn)的優(yōu)化，對(duì)于提高攪龍葉片的加工精度具有重要的意義。

1 收割機(jī)攪龍結(jié)構(gòu)和模糊多準(zhǔn)則算法

攪龍是聯(lián)合收割機(jī)輸送糧食的主要部件，攪龍的機(jī)械加工精度會(huì)直接影響收割機(jī)的收割和送糧的性能，其結(jié)構(gòu)主要是由攪龍筒、攪龍軸和攪龍葉片構(gòu)成，如圖1所示。攪龍筒在攪龍軸的帶動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，糧食沿著攪龍做螺旋運(yùn)動(dòng)，因此攪龍葉片的好壞將會(huì)影響到收割谷物運(yùn)輸?shù)乃俣群土鲿承?。攪龍的工作原理如圖2所示。

圖1 喂入攪龍的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of feeding into Dragon

圖2 喂入攪龍的工作原理Fig.2 The working principle of feeding into Dragon

圖2中，左側(cè)部分為輸運(yùn)禾結(jié)構(gòu)，其作用是將收割的農(nóng)作物輸送到割臺(tái)的右側(cè)；右邊部分為伸縮齒機(jī)構(gòu)，通過曲拐臂固定在中心軸上，使?jié)L筒中心存在偏心，更加利于收割農(nóng)作物的輸送。

圖3表示基于模糊多規(guī)則算法的攪龍葉片加工仿真的流程。首先，導(dǎo)入攪龍葉片模型，然后對(duì)型面曲線和數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行提取，采用的工具是CAD軟件，并將原點(diǎn)和型面曲線的原點(diǎn)重合。將提取的數(shù)據(jù)點(diǎn)通過模糊多規(guī)則進(jìn)行篩選后，導(dǎo)入到PRO/E軟件中進(jìn)行加工件的建模，建立步驟從曲線到曲面然后到曲面體，并分別建立葉身、葉根和葉冠模型，最后對(duì)模型進(jìn)行組合便可以得到葉片的總體模型。通過走刀軌跡的仿真可以得到攪龍葉片的加工精度，從而對(duì)走刀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并重新建模，以提高收割機(jī)攪龍葉片的加工精度。

圖3 模糊多規(guī)則攪龍葉片加工仿真流程圖Fig.3 Simulation flow chart of fuzzy multi rule

2 基于模糊多準(zhǔn)則算法的攪龍葉片加工

收割機(jī)攪龍葉片可以分塊加工，最后焊合，葉片的建模主要分為3個(gè)部分，包括葉身、葉根和葉冠的建模。其中，葉身的建模最為復(fù)雜，葉身建模完成后，可以以葉身為基準(zhǔn)，利用模糊多準(zhǔn)則算法對(duì)葉根和葉冠進(jìn)行建模，從而提高葉片的加工質(zhì)量。在進(jìn)行葉片加工時(shí)，首先需要提取型線中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行保存，其流程如圖4所示。

圖4 基于模糊多準(zhǔn)則算法的葉片加工流程Fig.4 The blade machining process based on fuzzy multi-criteria algorithm

圖4中，葉身、葉根和葉冠均可不同程度地采用模糊多規(guī)則算法，Mamdani推理方法是一種在模糊控制中普遍使用的方法，因此本文使用Mamdani推理方法。

2.1 一維單準(zhǔn)則模糊推理

假定模糊控制規(guī)則為Gu：假設(shè)z1為A1，則y為C1，對(duì)于給定的A2，A2∈P(z1)，已知A1→C1的模糊蘊(yùn)含關(guān)系為Gu，則可以推出C2為

C2=A2°Gu

(1)

C2中的每個(gè)元素y對(duì)C2的隸屬度為

(2)

圖5 單準(zhǔn)則模糊推理Fig.5 The single criteria fuzzy reasoning

2.2 多輸入多準(zhǔn)則模糊推理

如果規(guī)則Gu1的輸出為uC21，規(guī)則Gu2的輸出為uC22，規(guī)則Guh的輸出為uC2h，則C2中的每個(gè)元素y的隸屬度函數(shù)uC2(y)為

uC2(y)=uC21(y)∨uC22(y)…∨…uC2h(y)

(3)

輸出的隸屬函數(shù)是各模糊規(guī)則輸出隸屬函數(shù)的取大運(yùn)算的結(jié)果，其推理過程如圖6所示。

圖6 多準(zhǔn)則模糊推理Fig.6 The multi criteria fuzzy reasoning

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，利用單片機(jī)或者微機(jī)來完成的，通過程序編程可以實(shí)現(xiàn)模糊控制功能。

3 攪龍葉片加工建模和仿真模擬

為了建立收割機(jī)攪龍的加工模型，本研究使用了CAD和PRO/E軟件，首先是型面數(shù)據(jù)點(diǎn)的提取，因?yàn)閿圐埲~片一般不是單一的樣條曲線，理論上將直線和圓弧的數(shù)據(jù)點(diǎn)提取的足夠多，便可以采用多樣條曲線來代替直線和圓弧。數(shù)據(jù)點(diǎn)提取工作的第1步是將型線的坐標(biāo)原點(diǎn)移動(dòng)到同AUTO CAD世界坐標(biāo)系重合，如圖7所示。由于型面線和CAD的原點(diǎn)重合，因此將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PRO/E后，其原點(diǎn)和世界坐標(biāo)依然吻合，從而可以不移動(dòng)曲線的情況下，產(chǎn)生直接的混合曲面。

圖7 葉片型面數(shù)據(jù)點(diǎn)Fig.7 The data points of blade surface

將目標(biāo)型面曲線選中后，在CAD底部的命令欄輸入“l(fā)ist”命令，然后按回車鍵后，可以顯示如圖8所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)以文本框的形式列成，每個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)都非常詳細(xì)。

圖8 攪龍葉片加工控制點(diǎn)坐標(biāo)Fig.8 The control point coordinates of the stirred dragon blade

由于控制點(diǎn)的數(shù)目較多，因此可以采用模糊多準(zhǔn)則對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行刪選，然后使用混合邊界命令，依次選擇型面上的型線，從而完成葉片葉身的建模，如圖9所示。然后，利用模糊多準(zhǔn)則完成葉身邊界的混合，對(duì)兩個(gè)端面進(jìn)行填充，填充過程可以依次選擇編輯的填充命令，然后選擇葉片的一個(gè)端面，點(diǎn)擊完成便可。

圖9 混合曲面型線選擇Fig.9 The line selection of mixed surface

填充完葉身兩端面后，需要將葉身的背面和內(nèi)表面進(jìn)行合并，合并過程可選擇編輯的合并命令把葉身的內(nèi)面和背面以及葉身兩端面4個(gè)曲面合并成一個(gè)，合并后的效果如圖10所示。

圖10 合并后的曲面效果Fig.10 The effect of combined surface

將曲面進(jìn)行合并后，得到曲面實(shí)體，利用PRO/E的編輯實(shí)體化命令，可將完成后的曲面實(shí)體進(jìn)行顯示，實(shí)體化后的葉身效果如圖11所示。

圖11 葉身效果圖Fig.11 The effect of leaf body

完成以上設(shè)置之后，便可以在PRO/E軟件中進(jìn)行走刀軌跡的演示。如果走刀的路線有問題時(shí)，可以通過NC設(shè)置的定義切削一項(xiàng)來改變走刀的路徑和方式，攪龍葉片的加工步長較小，走刀的軌跡密集，其仿真結(jié)果如圖12所示。

以葉身的兩個(gè)端面為基礎(chǔ)，也可以生成葉根和葉冠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并利用模糊多規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行篩選，得到合并后的曲面后，便可以對(duì)走刀軌跡進(jìn)行仿真，并分析加工精度。

表1表示采用仿真模擬的方式對(duì)攪龍葉片走刀軌跡進(jìn)行多次模擬后，通過對(duì)加工誤差的統(tǒng)計(jì)，得到的模糊多規(guī)則算法和非模糊多規(guī)則算法的加工精度對(duì)比。由表1可以看出：使用模糊多規(guī)則算法可以明顯地改善收割機(jī)攪龍葉片的加工精度，對(duì)于攪龍葉片的精加工研究具有重要的借鑒意義。

圖12 攪龍葉片葉身走刀軌跡仿真Fig.12 The tool path simulation of the blade表1 加工精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)表Table 1 The comparison experiment of machining accuracy

仿真編號(hào)模糊多規(guī)則算法加工誤差/mm非模糊多規(guī)則算法加工誤差/mm10.120.8920.180.8830.090.9240.160.8550.170.5660.130.63

4 結(jié)論

基于CAD和PRO/E軟件，對(duì)收割機(jī)攪龍葉片的加工過程進(jìn)行了仿真優(yōu)化，利用CAD軟件提取了攪龍葉片型面的關(guān)鍵點(diǎn)，并利用模糊多準(zhǔn)則算法對(duì)關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行了篩選，實(shí)現(xiàn)了葉片的機(jī)械加工決策和優(yōu)化由經(jīng)驗(yàn)型向理論指導(dǎo)型的轉(zhuǎn)變。在PRO/E軟件中建立了葉片的型面模型，并將型面合并得到了攪龍葉片的曲面實(shí)體，最后對(duì)實(shí)體進(jìn)行走刀軌跡仿真。由模糊多準(zhǔn)則算法和非模糊多準(zhǔn)則算法控制下的機(jī)械加工精度對(duì)比發(fā)現(xiàn)：模糊多準(zhǔn)則算法可以有效地提高收割機(jī)攪龍葉片的機(jī)械加工精度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)攪龍葉片的精密加工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Study on Mechanical Processing of the Harvester Blade Based on Fuzzy Multi-criteria Algorithm

Wu Guoli1, Xing Yuqing2

(1.Institute of Technology, Xianning Vocational Technical College， Xianning 437100,China; 2.College of Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002,China)

The stirred dragon blade is a complex surface mechanical parts, the mechanical processing is a complex multi element composite process.In order to improve mixing dragon blade machining accuracy of it proposed a blade machining based on CAD software and Pro/E to go tool path simulation optimization method.The method used CAD extraction stirred dragon blade surface as the key point,which in stired dragon blade surface data point extraction process.And it produced the processing a large number of control points.In order to optimize the control points,it proposed a fuzzy multi criteria algorithm to realize the blade machining decision and optimization of transformation from experience to theory guidance. In Pro/E software, key points of the extracted modeling, it obtained the blade surface, shape by merging the dragon blade curved surface solid mixing. Finally, the entity of trajectory simulation tool has been stirred the machining accuracy of the dragon blade, and it compared a fuzzy multi criteria algorithm and non fuzzy multi criteria algorithm under the control of the machining accuracy.By the comparison results, it show that fuzzy multi criteria algorithm can effectively improve the harvester blended with the machining accuracy of the dragon blade.

fuzzy multi-criteria; stirred dragon blade; curved surface parts; machining accuracy; tool path；harvester

2016-01-28

湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(2014A125)

吳國利(1964-)，男，湖北鄂州人，副教授，(E-mail)glwuxn@sina.com。

S225.3

A

1003-188X(2017)03-0058-05