高效節(jié)能毛坯尺寸優(yōu)化研究*

肖永茂，張　華，江志剛

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院，武漢　430081)

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高效節(jié)能毛坯尺寸優(yōu)化研究*

肖永茂，張華，江志剛

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430081)

摘要：毛坯尺寸確定不僅是機(jī)械加工工藝編制及工序確定的基礎(chǔ)和前提，更是切削參數(shù)確定的必要條件。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工高效節(jié)能，研究面向高效節(jié)能的毛坯尺寸優(yōu)化選擇。依據(jù)加工設(shè)備情況及加工要求，以被吃刀量、切削速度和進(jìn)給量為變量，毛坯加工時(shí)間最短和加工能耗最低為目標(biāo)的多目標(biāo)模型。運(yùn)用NSGA-II算法對(duì)具體工件加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并分析結(jié)果。傳統(tǒng)毛坯尺寸選擇主要考慮保證加工要求，文章在設(shè)計(jì)階段通過(guò)對(duì)毛坯尺寸對(duì)能耗影響分析，優(yōu)化選擇毛坯尺寸可以節(jié)約能耗、提高加工效率。

關(guān)鍵詞：高效節(jié)能;毛坯尺寸;NSGA-II算法

0引言

工件的加工時(shí)間和能源消耗是企業(yè)生產(chǎn)考慮的重要目標(biāo)。毛坯尺寸是確定加工工藝的基礎(chǔ)，加工產(chǎn)品的能耗、質(zhì)量、成本等都與毛坯尺寸關(guān)系密切。選擇最優(yōu)毛坯尺寸是提高生產(chǎn)效率、降低能源消耗的有效方式。毛坯尺寸確定是產(chǎn)品加工的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的毛坯尺寸選擇方法已很難滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造能源、效率的要求，為此人們紛紛提出并研究在工件確定后的第一步,就應(yīng)該盡早確定毛坯尺寸，以滿足毛坯在加工過(guò)程中對(duì)效率和能耗最低的要求[1-3]。

傳統(tǒng)毛坯尺寸選擇中，毛坯尺寸選擇主要考慮保證工件的加工質(zhì)量，往往很少考慮毛坯尺寸對(duì)加工能量消耗和加工時(shí)間的影響；另外，在確定毛坯尺寸時(shí)，往往通過(guò)查表修正或憑借設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺少準(zhǔn)確、科學(xué)的選擇方法。傳統(tǒng)的毛坯尺寸確定方法已不能充分滿足現(xiàn)代先進(jìn)制造的要求，因此必須轉(zhuǎn)變以單純考慮滿足工件性能為主要原則的毛坯尺寸確定思想。先進(jìn)的毛坯尺寸選擇思想應(yīng)該是根據(jù)工件加工的特點(diǎn)，遵循工件的功能屬性和綠色屬性的原則，綜合考慮毛坯尺寸對(duì)能耗、效率等影響。

現(xiàn)代毛坯尺寸選擇是一個(gè)多特征、多變量、多目標(biāo)且具有大量不確定因素的決策過(guò)程。在這種情況下，現(xiàn)代人工智能技術(shù)將在毛坯尺寸選擇中發(fā)揮重要作用。現(xiàn)代毛坯尺寸選擇多目標(biāo)決策體系是現(xiàn)有的毛坯尺寸選擇體系與能耗、高效等多目標(biāo)的集成，形成毛坯尺寸選擇過(guò)程中多目標(biāo)最優(yōu)決策體系。

毛坯尺寸是工件尺寸與被吃刀量的和。毛坯尺寸的優(yōu)化選擇可以轉(zhuǎn)換為對(duì)切削參數(shù)優(yōu)化，很多學(xué)者對(duì)切削參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究[5-7]。毛坯尺寸涉及多方面因素，關(guān)注的目標(biāo)也不止一個(gè)，多個(gè)目標(biāo)相互影響，可能還會(huì)有沖突，要求多個(gè)目標(biāo)同時(shí)都實(shí)現(xiàn)最優(yōu)往往是很難的，并且同時(shí)尋求多目標(biāo)優(yōu)化問題的pareto解比較困難。智能算法被廣泛采用求解多目標(biāo)問題，如改進(jìn)遺傳算法算法[8-9]、粒子群算法[10]。NSGA-II[11]算法等逐漸被用于切削用量的選擇和優(yōu)化,其中NSGA-II算法被廣泛應(yīng)用于車削優(yōu)化。在毛坯尺寸優(yōu)化中選擇NSGA-II算法。

1優(yōu)化模型

1．1優(yōu)化變量確定

毛坯尺寸是工件尺寸與總切削深度的和，在工件尺寸確定的條件下，確定合適的切削深度是毛坯尺寸確定的基礎(chǔ)。以切削三要素為模型變量。變量的變化對(duì)加工能耗、加工效率都可以產(chǎn)生巨大影響，其中進(jìn)給量的影響最為明顯。

1．2優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

以高效、節(jié)能為目標(biāo)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.1切削過(guò)程時(shí)間函數(shù)

加工花費(fèi)的時(shí)間包括直接切削時(shí)間、刀具調(diào)整時(shí)間、輔助時(shí)間組成。加工時(shí)間表達(dá)式為：

(1)

(2)

1.2.2能耗目標(biāo)函數(shù)

工件加工能耗由機(jī)床啟動(dòng)能耗、機(jī)床空載能耗、加工能耗組成。數(shù)學(xué)表達(dá)為：

E=ES+EU+EM

(3)

式中，ES為機(jī)床啟動(dòng)能耗，EU為機(jī)床空載能耗，EM為加工能耗。能耗最低函數(shù)可以表達(dá)為:

minf(x1,x2,x3,)=ES+EU+EM

(4)

1．3加工約束條件

毛坯尺寸的優(yōu)化取值受加工設(shè)備、工件質(zhì)量要求等多方面限制，需要在限定條件內(nèi)取值[4]。

(1)轉(zhuǎn)速限制。轉(zhuǎn)速參數(shù)選擇必須在滿足速度要求，即:

(5)

式中，nmin，nmax分別表示機(jī)床主軸極限轉(zhuǎn)速。

(2)進(jìn)給量約束。進(jìn)給量需滿足機(jī)床要求，即:

fmin≤f≤fmax

(6)

式中，fmin，fmax分別表示機(jī)床允許的極限值。

(3)切削力約束。切削力需要在規(guī)定范圍內(nèi)，即:

F≤Fmax

(7)

式中，F(xiàn)max表示最大進(jìn)給力。

(4)功率約束。功率在允許范圍內(nèi)。即:

P≤ηPmax

(8)

η表示功率有效系數(shù)，Pmax為最大有效切削功率。

(5)加工質(zhì)量約束。表面粗糙度符合要求。

R≤Rmax

(9)

R為加工得到表面粗糙度，Rmax零件表面粗糙度允許最大值。

毛坯尺寸高效、節(jié)能數(shù)學(xué)模型為:

F≤Fmax

P≤ηPmax

R≤Rmax

2優(yōu)化實(shí)例

2.1實(shí)例條件

實(shí)驗(yàn)所用車床參數(shù)如表1所示。

表1　數(shù)控車床參數(shù)

機(jī)床功率5.5kW,機(jī)床功率系數(shù)0.8，車床具體參數(shù)見表1。工件材料及加工要求：被加工工件材料為45鋼棒，長(zhǎng)200mm，直徑50mm,加工質(zhì)量要求表面粗糙度不超過(guò)6.4μm，加工方式為外圓車削，加工時(shí)使用切削液。參考機(jī)械設(shè)計(jì)毛坯尺寸基本余量要求，毛坯尺寸范圍為直徑51~60mm任一值，加工余量為1~10mm。

選用刀具刀具相關(guān)參數(shù)如表2所示

表2　刀具參數(shù)

刀具壽命及切削力系數(shù)如表所示，其他計(jì)算相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3　優(yōu)化模型參數(shù)

2.2實(shí)例分析與討論

采用NSGA-II 算法對(duì)加工能耗 和加工時(shí)間切削模型進(jìn)行優(yōu)化， 具體設(shè)置如下： 交叉方法采用模擬二進(jìn)制交叉， 交叉系數(shù)取20 ； 變異方法為多項(xiàng)式變異，變異分布系數(shù)為20 ；交叉概率為1 ， 變異概率為1/2； 最大遺傳代數(shù)maxG=1000 ， 種群規(guī)模N=100。運(yùn)行過(guò)程中遺傳代數(shù)為100。

圖1　采用NSGA-II算法得到的加工效率與切削時(shí)間能量的Pareto優(yōu)化解集

由圖1可以明顯看出，能耗與時(shí)間變化成逆向趨勢(shì)，能耗減小，加工時(shí)間增長(zhǎng)，加工效率降低，要保證加工工件較小的能量消耗，則需采用較大的加工時(shí)間，兩目標(biāo)難以同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

2. 3優(yōu)化結(jié)果分析

按照實(shí)際情況模擬，利用NSGA-II計(jì)算的結(jié)果如表4所示。

表4　加工時(shí)間與切削能量的Pareto最優(yōu)解集及切削參數(shù)

從表4明顯地看出，背吃刀量、進(jìn)給量、切削速度變化都會(huì)引起能耗變化，一個(gè)量變化定然引起其他量變化，背吃刀量過(guò)大或過(guò)小都會(huì)引起能耗增大，通過(guò)上述模擬，可以得到最佳切削參數(shù)為2.5，0.74，45，95.35，9.41，即毛坯尺寸為55mm時(shí)滿足加工時(shí)間和能耗要求。因此毛坯尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，即定為55mm。

3結(jié)論

毛坯尺寸是決定機(jī)械加工時(shí)間和所需能耗的關(guān)鍵因素。毛坯尺寸與背吃刀量關(guān)系密切，用NSGA-II算法對(duì)切削用量?jī)?yōu)化，通過(guò)研究，并得到以下結(jié)論：

(1)以加工時(shí)間最短和加工能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，以切削深度、切削速度和進(jìn)給量為優(yōu)化變量，在實(shí)際模型中，以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削力、切削功率等為約束的高效節(jié)能毛坯尺寸決策模型。

(2)利用NSGA-II算法對(duì)決策模型進(jìn)行尋優(yōu)求解。以實(shí)際工件加工為例驗(yàn)證決策模型的有效性。在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)毛坯尺寸優(yōu)化可以優(yōu)化工藝，為高效、節(jié)能加工提供切實(shí)有效思路。

(3)本文以高效低能為目標(biāo)對(duì)切削毛坯尺寸決策模型進(jìn)行研究，而實(shí)際上毛坯尺寸的選擇都是多個(gè)目標(biāo)同時(shí)要求的，對(duì)一個(gè)工件毛坯選擇可能有不同方面要求，因此，不同多目標(biāo)毛坯尺寸決策模型的建立及尋優(yōu)求解將是下一步重點(diǎn)的研究方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 路甬祥. 走向綠色和智能制造——中國(guó)制造發(fā)展之路[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2010,21(4): 4-11.

[2] 劉英,張根保. 面向清潔化制造的毛坯選擇研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2001(1): 17-18.

[3] 喬立紅，馬濤，汪叔淳.毛坯可制造性分析中的多屬性評(píng)價(jià)算法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),1999，135(4)：1-7.

[4] 王先逵 ．機(jī)械加工工藝手冊(cè)工藝基礎(chǔ)卷[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

[5] SCHLOSSER R，KLOCKE F，LUNGD．Sustainability in manufacturing：Energy consumption of cutting processes[C]//proceedings of the 8th Global Conference on Sustainable Manufacturing Nov.22-24,2010,Abu Dhabi University UAE：CIRP，2010：85-89．

[6] RAJEMIMF，MATⅣENGAPT，ARAMCHAROENA．sustainable machining：Selection of optimum turning conditions based on minimum energy considerations[J]．Journal of Cleaner Production，2010(18)：1059-1065．

[7] MORI M，F(xiàn)UJISHIMA M，INAMSU Y，et a1．A study on energy efficiency improvement for machine tools[J]． Manufacturing Technology，2011，60(1)：145-148．

[8] 劉曉志，陶華，李茂偉.基于改進(jìn)遺傳算法的鈦合金TC18銑削參數(shù)優(yōu)化[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2010(5): 41-43.

[9] 劉海江, 黃煒.基于改進(jìn)遺傳算法的鈦合金TC18銑削參數(shù)優(yōu)化[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2013(11): 44-46.

[10] 劉海江, 黃煒.基于粒子群算法的數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008,36(6): 803-806.

[11] 陳青艷，胡成龍，焦紅衛(wèi).多工序車削的自適應(yīng)搜索非支配排序遺傳算法 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(7):119-122.

(編輯李秀敏)

High Efficiency and Energy Saving Blank Dimension Optimization Research

XIAO Yong-mao，ZHANG Hua，JIANG Zhi-gang

(School of Machinery and Automation,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

Abstract：Blank dimension is not only the basis and premise of process planning and process of mechanical determined, more is a necessary condition for cutting parameters. In order to realize the machining of high efficiency and energy saving, high efficiency and energy saving of the blank size selection. On the basis of processing equipment and processing requirements, to be cutting depth, cutting speed and feed rate as the variable, multi objective model of minimum blank the shortest processing time and processing energy consumption as the goal. The use of NSGA-II algorithm to optimize the machining parameters, and the results of the analysis. Traditional blank size selection mainly consider the guarantee the processing requirements in the design stage, through the analysis of the effect on energy consumption optimization of blank size, blank size can save energy, improve the processing efficiency.

Key words：high efficiency and energy saving; blank dimension decision; NSGA-II algorithm

中圖分類號(hào)：TH128；TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：肖永茂(1983—)，男，河北滄州人，武漢科技大學(xué)博士研究生，研究方向綠色制造，(E-mail)xym198302@163.com。

*基金項(xiàng)目：(國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275365)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014AA041504)

收稿日期：2015-05-18；修回日期：2015-06-21

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0135-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.037