數(shù)控機床加工工藝參數(shù)優(yōu)化及試驗

(江蘇省江陰中等專業(yè)學校,江蘇 江陰 214433)

0 引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和自動化程度的提高,數(shù)控機床作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要設備之一,已經被廣泛應用于各個領域[1]。數(shù)控機床可以通過數(shù)字控制技術對工件進行高精度、高效率的加工,極大地提高了生產效率和加工精度,同時也減少了人工操作的誤差和勞動強度[2-3]。然而,加工工藝參數(shù)作為數(shù)控機床加工過程中的重要因素,直接影響加工效果和質量。因此,如何優(yōu)化加工工藝參數(shù),提高數(shù)控機床的加工效率和質量,成為了制造業(yè)領域的重要研究方向之一。

在目前的研究中,一些優(yōu)化方法已經被提出,例如試驗設計法、響應面法、人工智能等。但是,這些方法也存在一些不足,如難以考慮多目標優(yōu)化問題、優(yōu)化效果難以保證等。因此,本文提出一種基于遺傳算法的加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法,并通過實驗驗證其有效性[4]。同時,本文介紹數(shù)控機床的基本結構和加工工藝流程,以及加工工藝參數(shù)的種類和影響因素。希望能夠對數(shù)控機床加工工藝參數(shù)優(yōu)化和實驗研究的相關領域提供一定的理論和實踐指導。

1 數(shù)控機床的基本結構和加工工藝流程

1.1 基本結構

數(shù)控機床是一種基于數(shù)字控制技術的高精度自動化機床。它由機床主體、數(shù)控裝置、電器控制系統(tǒng)和輔助設備等組成。數(shù)控機床的基本結構主要包括以下幾個部分[5-6]。

1)機床主體。數(shù)控機床的機床主體通常由床身、工作臺、立柱和橫梁等組成。床身是機床主體的主要承載部件,其承載工件及刀具的力和轉矩。工作臺是床身上的移動工作臺,用于夾緊和定位工件,并與刀具一起完成加工。立柱和橫梁分別位于工作臺的兩側和頂部,用于支撐刀具和主軸的移動。

2)數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心部件,由數(shù)控系統(tǒng)、編程裝置和輸入設備等組成。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的控制中心,根據(jù)預先編寫好的加工程序,控制各個動力部件的運動,實現(xiàn)工件的精確加工。編程裝置用于編寫加工程序;輸入設備則用于將程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。

3)電器控制系統(tǒng)。電器控制系統(tǒng)是數(shù)控機床的動力來源,由伺服電機、變頻器、控制器等組成。伺服電機是數(shù)控機床的驅動部件,通過變頻器實現(xiàn)轉速和轉矩的調節(jié)。控制器則負責將數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令轉化為電信號,控制伺服電機和變頻器的運行。

4)輔助設備。輔助設備包括冷卻液系統(tǒng)、夾具和工件測量系統(tǒng)等。冷卻液系統(tǒng)用于降低切削溫度,減少刀具磨損和工件變形。夾具用于固定和定位工件,保證加工精度。工件測量系統(tǒng)則用于檢測工件的尺寸和形狀,以便實時調整加工參數(shù)并提高加工精度。

1.2 加工流程

數(shù)控機床的加工工藝流程通常包括以下幾個步驟:

1)設計加工工藝。在進行數(shù)控加工前,需要進行工藝設計,包括選擇合適的加工方式、刀具、切削參數(shù)等。設計合理的加工工藝能夠提高加工效率和加工質量。

2)編寫加工程序。加工程序是數(shù)控機床加工的指令集,編寫加工程序需要根據(jù)工藝設計選擇合適的切削參數(shù)和加工路徑,并根據(jù)加工過程中所需的各項功能進行編寫。

3)加工前的準備工作。加工前,需要進行機床的檢查和保養(yǎng),檢查數(shù)控裝置和電器控制系統(tǒng)是否正常運行,檢查刀具和工件夾具是否安裝正確,確定切削參數(shù)等。

4)加工過程中的監(jiān)控與控制。加工過程中需要對機床、刀具和工件等進行實時監(jiān)控和控制,以確保加工質量和安全。數(shù)控機床可以通過數(shù)控系統(tǒng)自動控制加工過程中的各項參數(shù),例如轉速、進給速度、加工深度等。

5)加工后的處理。加工完成后,需要對加工件進行檢查和處理。檢查加工件的尺寸、形狀、表面粗糙度等指標是否符合要求,對加工件進行清潔和包裝,以便進行下一步工序。

2 加工工藝參數(shù)的種類和影響因素

加工工藝參數(shù)是指在數(shù)控加工中,影響切削過程的各項參數(shù),包括切削速度、進給速度、切削深度、切削寬度、切削力、切削溫度等[7]。這些參數(shù)會直接影響加工件的表面質量、尺寸精度、加工效率、刀具壽命等指標。不同材料和工件的加工特性不同,因此加工工藝參數(shù)的選擇也會受到多種因素的影響,加工工藝參數(shù)的種類和影響因素較為復雜,需要綜合考慮多個因素來選擇合適的參數(shù),以達到最佳的加工效果。

2.1 工件材料

不同材料的加工特性差異很大,對應的加工工藝參數(shù)也會有所不同。例如,硬度高的材料通常需要較低的切削速度和較小的切削深度,而軟性較強的材料則可以選擇較高的切削速度和較大的切削深度。

2.2 刀具材料和形狀

不同材質和形狀的刀具也會對加工工藝參數(shù)產生影響。例如,硬質合金刀具通常具有較高的硬度和耐磨性,可以使用較高的切削速度和較大的切削深度,而鉆頭等細長形狀的刀具則需要選擇較小的切削寬度和切削深度。

2.3 加工件形狀和尺寸

加工件的形狀和尺寸也會影響加工工藝參數(shù)的選擇。例如,對于長而細的工件,需要減小切削深度和切削寬度,以避免刀具振動和加工過程中的變形。同時,對于大型工件,需要選擇較低的進給速度和較大的切削深度,以提高加工效率和降低加工成本[8]。

2.4 加工精度和表面質量要求

不同工件需要不同加工精度和表面質量,因此需要選擇適當?shù)募庸すに噮?shù)。例如,高精度加工需要較小的切削深度和較小的切削寬度,以提高加工精度和表面質量,而對于一般加工要求的工件,可以適當增加切削深度和切削寬度,以提高加工效率。

3 基于遺傳算法下加工工藝參數(shù)優(yōu)化

為了獲得最佳的加工效果,需要對加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化。遺傳算法是一種基于自然選擇和遺傳進化思想的優(yōu)化算法,已被廣泛應用于工程和科學領域。本章節(jié)將介紹基于遺傳算法進行加工工藝參數(shù)優(yōu)化的原理和方法。

3.1 遺傳算法原理

遺傳算法是一種模擬自然進化過程的優(yōu)化算法,其基本原理是模擬生物進化中的“選擇—交叉—變異”過程。在遺傳算法中,將待優(yōu)化的問題看作一個個體,通過交叉和變異來產生新的個體,并使用適應度函數(shù)來評估每個個體的優(yōu)劣程度,最終選擇適應度最好的個體作為最終的優(yōu)化結果,工作原理如圖1所示。

圖1 遺傳算法流程圖

3.2 加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法

基于遺傳算法的加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法一般包括以下步驟:

1)確定優(yōu)化目標和限制條件。需要明確優(yōu)化目標和限制條件,例如最小化加工成本、最大化加工效率或最優(yōu)化加工質量等。

2)選擇變量和編碼方式。選擇需要優(yōu)化的加工工藝參數(shù),并將其編碼成一個個體。

3)設計適應度函數(shù)。需要設計適應度函數(shù)來評估每個個體的優(yōu)劣程度,一般將加工目標作為適應度函數(shù)的輸入。

4)初始化種群。需要隨機生成一組個體作為初始種群。

5)選擇操作。使用選擇算子選擇適應度較高的個體,以保留更好的個體。

6)交叉操作。將不同個體的編碼進行交叉,以產生新的個體。

7)變異操作。對個體進行變異,以增加種群的多樣性。

8)重復以上步驟。不斷重復以上步驟,直到達到預設的停止條件。

9)輸出優(yōu)化結果。選擇適應度最好的個體作為優(yōu)化結果,輸出最優(yōu)的加工工藝參數(shù)組合。

4 結果與分析

通過對數(shù)控車削加工中的切削速度、進給速度和刀具半徑三個參數(shù)進行遺傳算法優(yōu)化,可以得到最佳的加工工藝參數(shù)組合,以達到最小化加工成本、最大化加工效率或最優(yōu)化加工質量等優(yōu)化目標。試驗結果如表1所示,通過對加工工藝參數(shù)進行遺傳算法優(yōu)化,得到了不同加工工藝參數(shù)組合,并計算了相應加工效率和加工質量?？梢钥闯?不同加工工藝參數(shù)組合對加工效率和加工質量有不同影響。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,可以得出最佳加工工藝參數(shù)組合,以達到最優(yōu)化的加工效率和加工質量。

表1 基于遺傳算法下數(shù)控機床加工工藝參數(shù)優(yōu)化

5 結語

本文通過研究數(shù)控機床加工工藝參數(shù)優(yōu)化及實驗研究,結合遺傳算法優(yōu)化加工工藝參數(shù),得出以下結論:

1)加工工藝參數(shù)對數(shù)控機床加工效率和加工質量具有顯著影響。

2)在加工工藝參數(shù)優(yōu)化方面,遺傳算法具有較高的優(yōu)化效果,可以有效提高加工效率和加工質量。

3)經過試驗分析,確定了最優(yōu)加工工藝參數(shù)組合,以達到最佳的加工效率和加工質量。

因此,在實際生產中,應根據(jù)不同的加工工件和加工要求,合理選擇加工工藝參數(shù),并利用遺傳算法等優(yōu)化方法對其進行優(yōu)化,以提高數(shù)控機床的加工效率和加工質量。

6 展望

盡管本文在數(shù)控機床加工工藝參數(shù)優(yōu)化方面取得了一定的成果,但仍存在一些不足之處。未來的研究方向可以有以下幾點展望:

1)進一步探究加工工藝參數(shù)對加工效率和加工質量的影響規(guī)律,深入研究各種加工工藝參數(shù)之間的關系,以提高優(yōu)化效果。

2)開發(fā)更加高效和精準的加工工藝參數(shù)優(yōu)化算法,如基于人工神經網(wǎng)絡的優(yōu)化算法、遺傳算法與模擬退火算法的混合優(yōu)化算法等。

3)考慮多目標優(yōu)化問題,以加工效率和加工質量為優(yōu)化目標,構建多目標優(yōu)化模型,并研究相應優(yōu)化算法。

4)探究數(shù)控機床加工工藝參數(shù)與環(huán)境因素的關系,如溫度、濕度等,以便更加準確地控制加工過程,并提高加工質量和穩(wěn)定性。

總之,數(shù)控機床加工工藝參數(shù)優(yōu)化是一個不斷深入和發(fā)展的領域,未來的研究需要綜合運用各種理論和方法,進一步提高加工效率和加工質量,以滿足不斷增長的生產需求。