考慮效率最大化的機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型

齊紅欣

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司,河北 保定 072750)

目前,由于企業(yè)生產(chǎn)車間中存在大量資源,難以對生產(chǎn)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃。在制訂生產(chǎn)計(jì)劃時(shí),難免因?qū)嶋H情況變化而導(dǎo)致資源狀況變化,這種動(dòng)態(tài)的變化會(huì)降低企業(yè)生產(chǎn)效率,對經(jīng)濟(jì)利益造成一定影響。因此,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,對機(jī)械加工工藝路線研究是有必要的。張啟啟等[1]提出了一種結(jié)合改進(jìn)遺傳算法的加工方法,該方法分析了改進(jìn)遺傳算法的加工模式,將機(jī)械加工屬性轉(zhuǎn)換成機(jī)械加工模塊化重構(gòu)問題,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械加工工藝路線優(yōu)化;郭祥面等[2]提出了一種基于免疫遺傳算法的工藝規(guī)劃方法,該方法采用前向圖來描述工步關(guān)系,并用于指導(dǎo)初始工藝路徑產(chǎn)生。然而,由于受到不同工序間復(fù)雜耦合關(guān)系影響,以上兩種方法對于機(jī)械加工路線規(guī)劃動(dòng)態(tài)適應(yīng)效果不佳,為了解決這一問題,本研究構(gòu)建了考慮效率最大化的機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型,對加工路線進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)提高機(jī)械加工生產(chǎn)效率的目的。

1 機(jī)械加工能耗特性分析

1.1 涿州機(jī)械廠加工項(xiàng)目研究

(1)液壓仰拱棧橋。全液壓自行式仰拱棧橋能夠滿足前后左右四個(gè)方向的自動(dòng)調(diào)整,保證壓仰拱棧橋設(shè)計(jì)的靈活性,其總裝結(jié)構(gòu)見圖1。由圖可知,棧橋下混凝土施工能使車輛從棧橋上至下臺階依次填土,并與不同的梯形開挖方法相結(jié)合。液壓仰拱棧橋最大載重為60 t,是一種由水力、電氣操縱的橋梁,該橋梁具備12 m的整體式倒拱模板,有效施工長度為36 m,線路系統(tǒng)鋪設(shè)電纜便于施工及維修。

圖1 液壓仰拱棧橋總裝圖

(2)襯砌臺車。襯砌臺車可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走,軌道自動(dòng)鋪軌,并設(shè)有鎖止機(jī)構(gòu),確保了精確定位。由圖2可知,襯砌臺車需要足夠的強(qiáng)度來支撐各種組件,待襯砌臺車在裝配完畢后,必須經(jīng)過檢驗(yàn),才能投入使用。

圖2 襯砌臺車結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 能耗特性分析

在液壓仰拱棧橋建設(shè)和襯砌臺車行走過程中,能耗主要發(fā)生在液壓操作系統(tǒng)和數(shù)控切割機(jī)中。

1.2.1v液壓操作系統(tǒng)

液壓操作系統(tǒng)中液壓泵是用來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的,其能耗公式為:

Ea=(1-Wf·Wd·We)·ta

(1)

其中,Wf、Wd、We分別為匹配功率、轉(zhuǎn)換功率和傳輸功率;ta為液壓操作時(shí)長[3]。

1.2.2 數(shù)控切割機(jī)

由于在數(shù)控切割機(jī)中的啟動(dòng)階段,數(shù)控滾齒機(jī)床開啟過程耗能較少,可忽略不計(jì)[4]。對于待機(jī)、空載、切削、換刀這四個(gè)階段能耗,計(jì)算過程如下。

待機(jī)能耗計(jì)算公式為:

(2)

其中,Ws為待機(jī)功率;ts為待機(jī)時(shí)長[6]。

空載能耗計(jì)算公式為:

(3)

切削能耗計(jì)算公式為:

(4)

其中,e0、e1、e2為附加載荷系數(shù);r為切入深度;Wb為切削功率;tb為切削時(shí)長[6]。

換刀能耗計(jì)算公式為:

(5)

其中,Wc為換刀功率;tc為換刀時(shí)長。

數(shù)控切割機(jī)中滾齒機(jī)床應(yīng)用過程中,各個(gè)階段功率相對穩(wěn)定。

2 面向效率最大化的多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建

加工能耗低、時(shí)間短是多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建的基礎(chǔ),構(gòu)建目標(biāo)模型,利用帝國競爭算法求解模型[7],由此得到最優(yōu)化結(jié)果。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

通過對液壓操作系統(tǒng)和數(shù)控切割機(jī)加工過程進(jìn)行分析,構(gòu)建能耗多目標(biāo)優(yōu)化模型,如下所示:

(6)

由式(6)可知,該模型的構(gòu)建充分考慮了液壓操作系統(tǒng)中液壓泵和數(shù)控切割機(jī)中滾齒機(jī)床的加工特性[8]。

2.2 約束條件

對液壓操作系統(tǒng)和數(shù)控切割機(jī)加工過程的約束,是在確保加工零部件質(zhì)量和自身性能前提下進(jìn)行的,優(yōu)化變量應(yīng)滿足以下條件:

1)液壓操作系統(tǒng)。液壓操作系統(tǒng)是通過液壓泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的,液壓泵運(yùn)行頻率滿足的約束條件為:εmin≤ε≤εmax,εmin和εmax分別表示液壓泵運(yùn)行所允許的最小和最大頻率。

歸一化處理全部約束條件,為構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型提供約束范圍。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建

根據(jù)上述多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和約束條件,構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化模型,如下所示:

(7)

式(7)是通過構(gòu)建加工能耗低、加工時(shí)間短的模型來實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝效率最大化的。通過對構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化模型求解,獲取機(jī)械加工工藝效率最大化的加工工藝路線。

2.4 基于帝國競爭算法的多目標(biāo)優(yōu)化模型求解

為了獲取機(jī)械加工工藝最優(yōu)路徑,需對構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化模型求解,為此,提出了一種帝國競爭算法[12]。該方法模擬帝國殖民競爭機(jī)制,利用強(qiáng)權(quán)手段進(jìn)行帝國主義國家之間競爭,即只剩下一個(gè)組合解集時(shí)算法收斂,從而獲得全局最優(yōu)。求解步驟如下。①步驟1:帝國初始化建立。根據(jù)上述優(yōu)化的參量構(gòu)建優(yōu)化變量矩陣,以總加工能耗低和總加工時(shí)間短的國家為目前的解決方案,剩余的國家作為備選方案,從而實(shí)現(xiàn)了建立帝國的初始化。②步驟2:帝國之間同化。所有的候選解都是通過一個(gè)隨機(jī)數(shù)值來控制帝國之間同化的。在此基礎(chǔ)上,對每個(gè)候選解的間距進(jìn)行了計(jì)算,以保證每個(gè)候選解都可以從多個(gè)方向逼近。③步驟3:帝國內(nèi)更新。若所有候選解都與當(dāng)前解相近,則若存在一種具有較低代值的候選解,那么候選解的交換位置為帝國內(nèi)更新的方案。④步驟4:殖民地間競爭。為了衡量現(xiàn)行方案的能耗,首先評估各種方案的各項(xiàng)指標(biāo);然后按照各個(gè)方案的相對成本,確定各個(gè)方案所有權(quán);最后按照各自現(xiàn)有方案權(quán)限,向各個(gè)殖民地國家進(jìn)行優(yōu)先排序。⑤步驟5:帝國吞并算法終止。在多次迭代后,最弱解會(huì)逐漸失去相應(yīng)候選解。將它們最優(yōu)解進(jìn)行融合,形成了新一代備選方案。在僅有一個(gè)最優(yōu)解集合的情況下,得到了最優(yōu)解。

3 實(shí)驗(yàn)

本研究以中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司涿州機(jī)械廠在加工過程中用到的數(shù)控切割滾齒為例,使用監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺采集并監(jiān)控滾齒操作數(shù)據(jù),驗(yàn)證文本研究的合理性。

3.1 機(jī)床能效監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺

機(jī)床能效監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺通過將hc33c3功率傳感器與機(jī)床電氣柜串聯(lián),實(shí)現(xiàn)了對滾齒機(jī)輸出電流和電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測,其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 機(jī)床能效監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺

由圖3可知,通過濾波可以在智能終端上實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù),將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入Minitab 17中。對這些實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理,得到監(jiān)控的相關(guān)參數(shù),如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

理想情況下,從加工時(shí)間和加工總量角度分析加工效率,如圖4所示。由圖可知,隨著加工時(shí)間增加,加工總量也增加,其中換刀模式下的加工效率為最大值,其次是待機(jī)、切削、空載和操作系統(tǒng)。

圖4 不同加工時(shí)間下的加工總量數(shù)據(jù)分析

對于實(shí)驗(yàn)分析,設(shè)定三種情況,對于這三種情況,實(shí)際加工效率見表2。由表可知,以待機(jī)模式生產(chǎn)效率作為參考依據(jù),使用所提方法在只優(yōu)化加工能耗時(shí),優(yōu)化后加工效率為81%。只優(yōu)化加工時(shí)間時(shí),優(yōu)化后加工效率為62%;能耗和時(shí)間均優(yōu)化時(shí),優(yōu)化后加工效率為97%,與只優(yōu)化加工能耗相比,待機(jī)加工效率優(yōu)化了16%,是所有加工目標(biāo)中優(yōu)化效率差最大的。

表2 實(shí)際加工效率分析

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所構(gòu)建模型的合理性,將其與傳統(tǒng)方法的加工效率進(jìn)行對比分析,對比結(jié)果見圖5。由圖可知,傳統(tǒng)方法在能耗和時(shí)間均優(yōu)化時(shí),優(yōu)化后的加工效率最高為83%。所提方法在只優(yōu)化加工能耗時(shí),優(yōu)化后的加工效率最高為82%;只優(yōu)化加工時(shí)間時(shí),優(yōu)化后加工效率最高為64%;能耗和時(shí)間均優(yōu)化時(shí),優(yōu)化后加工效率最高為96%,且與實(shí)際加工效率數(shù)值更接近,最大誤差為2%。

(a)基于改進(jìn)遺傳算法的工藝重組方法

所提方法能夠使加工效率明顯提高,同時(shí)降低工藝規(guī)劃復(fù)雜程度,快速收斂到最優(yōu)解。為了驗(yàn)證這一特性,將其與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比分析,結(jié)果如圖6所示。由圖可知,以加工效率為80%作為優(yōu)化目標(biāo),基于改進(jìn)遺傳算法的工藝算法的迭代次數(shù)為250次,迭代次數(shù)最多;考慮效率最大化多目標(biāo)優(yōu)化模型的迭代次數(shù)為100次,迭代次數(shù)最少,說明該方法求解效率最優(yōu)。

圖6 三種方法求解效率對比

4 結(jié)束語

本研究構(gòu)建的基于效率最大化的機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型,為降低能耗、縮短加工時(shí)間提供了理論依據(jù)和方法支撐。然而,滾齒機(jī)的能量消耗也會(huì)受多種因素影響,因此,在今后工作中,應(yīng)著重探討滾齒機(jī)在線實(shí)時(shí)磨損對滾齒能量的影響,由此提高加工效率。