第11章現(xiàn)代加工技術(shù)-加工參數(shù)優(yōu)化

第十一章加工參數(shù)優(yōu)化11.1概述11.2加工參數(shù)優(yōu)化11.3加工數(shù)據(jù)庫(kù)△11.4專家系統(tǒng)△11.1概述

11.1.1加工參數(shù)優(yōu)化的方法加工參數(shù)優(yōu)化的定義加工參數(shù)優(yōu)化就是尋求一組最優(yōu)的加工參數(shù)使得加工過(guò)程中某一指標(biāo)達(dá)到最佳狀態(tài)。優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化范圍的制約條件加工參數(shù)優(yōu)化的方法

(1)加工參數(shù)的解析優(yōu)化解析優(yōu)化的定義探索優(yōu)化目標(biāo)、制約條件與可控變量之間的關(guān)系，建立起優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和制約函數(shù)，構(gòu)成一個(gè)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，根據(jù)這個(gè)模型，按一定的策略探求目標(biāo)函數(shù)的極值，從而確定相應(yīng)的最佳加工參數(shù)。解析優(yōu)化的參數(shù)模型：理論建模實(shí)驗(yàn)建模解析優(yōu)化的類型：靜態(tài)優(yōu)化動(dòng)態(tài)優(yōu)化解析優(yōu)化的約束條件解析優(yōu)化的常用算法線性規(guī)劃，圖解法……加工參數(shù)解析優(yōu)化的主要過(guò)程加工過(guò)程參數(shù)測(cè)量加工過(guò)程參數(shù)測(cè)量加工數(shù)據(jù)采集與處理加工參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式加工過(guò)程參數(shù)數(shù)學(xué)描述加工參數(shù)理論公式加工過(guò)程理論描述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化約束函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解用戶(2)加工參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)化試驗(yàn)優(yōu)化的方法就是通過(guò)工藝試驗(yàn)來(lái)確定相對(duì)較優(yōu)工藝參數(shù)的一種方法。最常用的試驗(yàn)方法是正交試驗(yàn)正交試驗(yàn)法在尋求最佳工藝參數(shù)、最佳工藝配方和最佳試驗(yàn)條件方面是一種行之有效的試驗(yàn)方法。11.1.2加工數(shù)據(jù)庫(kù)加工數(shù)據(jù)庫(kù)就是長(zhǎng)期存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的、有組織的、可共享的優(yōu)化了的加工工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)集合。加工數(shù)據(jù)庫(kù)的分類加工數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀切削數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)控加工數(shù)據(jù)庫(kù)電解加工數(shù)據(jù)庫(kù)加工數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可以提高加工效率，降低成本11.2加工參數(shù)的優(yōu)化建立優(yōu)化模型優(yōu)化約束條件極其函數(shù)優(yōu)化處理靜態(tài)優(yōu)化動(dòng)態(tài)優(yōu)化11.2.1優(yōu)化模型的建立

1.優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)有：

最大生產(chǎn)率：最短的加工時(shí)間最低加工成本：最低的生產(chǎn)費(fèi)用最大利潤(rùn)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)該工序的利潤(rùn)最大(1)最大生產(chǎn)率目標(biāo)函數(shù)生產(chǎn)率單件生產(chǎn)總耗時(shí)有效加工時(shí)間tm；工件裝卸及工具的加工準(zhǔn)備時(shí)間tf；每次工具的更換時(shí)間tt，單個(gè)工件的等效時(shí)間其中對(duì)于車削(2)最低加工成本目標(biāo)函數(shù)本工序加工時(shí)間的費(fèi)用Cs；本工序的工具使用費(fèi)用Ct，如切削過(guò)程中的磨刀費(fèi)用，它等于每次磨刀折算到該工序的費(fèi)用；其它各種費(fèi)用之和Cw，式中，k為本工序單位時(shí)間所分配的費(fèi)用；KT為每次工具使用費(fèi)用。(3)最大利潤(rùn)率目標(biāo)函數(shù)利潤(rùn)率p是指單位時(shí)間內(nèi)的利潤(rùn)，它可以根據(jù)產(chǎn)品的價(jià)格Pj和單件加工成本Cd的差值來(lái)計(jì)算。工序的單件利潤(rùn)為：Pd=Pj-Cd單件加工時(shí)間為td利潤(rùn)率為2.優(yōu)化約束條件及其函數(shù)

(1)約束來(lái)源機(jī)床特性的約束工件質(zhì)量的約束刀具的約束夾具的約束技術(shù)制約來(lái)源含意最小進(jìn)給量Rfl機(jī)床機(jī)床可能實(shí)現(xiàn)的最小進(jìn)給量工件為了形成切屑所允許的最小進(jìn)給量最大進(jìn)給量Rfh機(jī)床機(jī)床可能實(shí)現(xiàn)的最大進(jìn)給量機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩所允許的最大進(jìn)給量工件工件表面粗糙度所允許的最大進(jìn)給量工件尺寸精度所允許的最大進(jìn)給量刀具刀具變形所允許的最大進(jìn)給量最低速度Rvl機(jī)床機(jī)床所能實(shí)現(xiàn)的最低切削速度工件工件表面質(zhì)量所允許的最低切削速度最高速度Rvh機(jī)床機(jī)床所能實(shí)現(xiàn)的最大切削速度工件工件表面質(zhì)量所允許的最大切削速度最大功率Rp機(jī)床機(jī)床主電機(jī)所允許的最大切削功率最小耐用度RT刀具為了保證刀具耐用度不小于規(guī)定的最小值所允許的最大進(jìn)給量和切削速度(2)約束條件函數(shù)最小進(jìn)給量的限制最大進(jìn)給量的限制機(jī)床可能實(shí)現(xiàn)的最大進(jìn)給量工件表面粗糙度所允許的最大進(jìn)給量刀具變形所允許的最大進(jìn)給量(2)約束條件函數(shù)最大進(jìn)給量的限制機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩所允許的最大進(jìn)給量機(jī)床尺寸精度所允許的最大進(jìn)給量(2)約束條件函數(shù)最低切削速度的限制機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)的最低切削速度工件表面質(zhì)量要求所允許的最低切削速度(2)約束條件函數(shù)最高切削速度的限制機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)的最大切削速度工件表面質(zhì)量要求所允許的最大切削速度(2)約束條件函數(shù)機(jī)床電機(jī)功率所允許的最大進(jìn)給量和切削速度(2)約束條件函數(shù)刀具合理的耐用度所允許的最大進(jìn)給量和切削速度(2)約束條件函數(shù)對(duì)最大進(jìn)給量制約對(duì)最小進(jìn)給量的制約11.2.2靜態(tài)優(yōu)化

1.靜態(tài)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型及其求解方法建立目標(biāo)函數(shù)并確定加工參數(shù)可選擇的范圍以后，將二者結(jié)合起來(lái)，就構(gòu)成了一個(gè)完整的加工優(yōu)化數(shù)學(xué)模型（以成本目標(biāo)函數(shù)為例）成本目標(biāo)函數(shù)C－RTCmin－RTCmin－RPC－RPC－RfhCmin－Rfhlgv成本目標(biāo)函數(shù)的空間曲面成本目標(biāo)函數(shù)和求解范圍2.靜態(tài)優(yōu)化問題求解實(shí)例

(1)技術(shù)參數(shù)問題：用C620普通車床加工圓柱體工件，已知：工件材料：45鋼，正火。毛坯尺寸：直徑dw＝68mm，長(zhǎng)度L＝300mm。切削刀具：機(jī)床性能：刀具耐用度主切削力

徑向切削力要求選擇合理切削用量，使加工成本最低，并保證加工要求。(2)經(jīng)濟(jì)參數(shù)與加工要求經(jīng)濟(jì)參數(shù)機(jī)床費(fèi)用k＝0.1元/min

工具費(fèi)用KT=1.08元準(zhǔn)備時(shí)間tf＝1.5min

換刀時(shí)間tt=0.8min加工要求粗糙度Ra=5m；尺寸精度60h9。(3)建立目標(biāo)函數(shù)加工單邊總余量為4mm：粗車取ap＝3mm，半精車取ap＝1mm，粗車后粗糙度Ra20m，尺寸為62h11粗車和半精車的機(jī)加工時(shí)間將ap=3mm、ap=1mm分別代入，得到粗車和半精車刀具耐用度成本目標(biāo)函數(shù)(4)建立制約條件函數(shù)①最小進(jìn)給量的制約（Rfl）根據(jù)已知數(shù)據(jù)，機(jī)床可實(shí)現(xiàn)的最小進(jìn)給量為0.08mm，已有②最大進(jìn)給量的制約（Rfh）表面粗糙度對(duì)最大進(jìn)給量的限制（Rfh1）粗加工時(shí)有在半精加工時(shí)加工精度對(duì)最大進(jìn)給量的限制（Rfh2）粗加工：1.56-f>=0半精加工:0.52-f>=0由表面粗糙度和加工精度的要求：粗加工：0.8-f>=0

半精加工：0.395-f>=0③最低切削速度的限制（Rvl）④

最大切削速度的限制（Rvh）粗加工：半精加工：⑤

機(jī)床電機(jī)功率的限制（Rp）粗加工：半精加工：⑥刀具合理耐用度的限制（RT）粗加工：半精加工：(5)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型將所得到的目標(biāo)函數(shù)和制約函數(shù)結(jié)合起來(lái)，就構(gòu)成了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。粗車過(guò)程的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型半精車過(guò)程的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計(jì)算制約條件對(duì)應(yīng)的成本曲線的交點(diǎn)和極值點(diǎn)成本曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)

：成本曲線的極值點(diǎn)坐標(biāo)

極值判斷粗車時(shí):

半精車時(shí)：11.2.3動(dòng)態(tài)優(yōu)化

1.動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型動(dòng)態(tài)優(yōu)化把切削過(guò)程看作是運(yùn)動(dòng)的，即考慮那些隨時(shí)間而變化的擾動(dòng)對(duì)加工過(guò)程的影響。由于各參數(shù)不再是一個(gè)常數(shù)，而是在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，靜態(tài)優(yōu)化允許解范圍的界線在坐標(biāo)平面內(nèi)由一條直線變成了一條帶狀區(qū)域。由于各參數(shù)的變動(dòng)，動(dòng)態(tài)模型的目標(biāo)函數(shù)也在一定的范圍內(nèi)變化，則由目標(biāo)函數(shù)確定的優(yōu)化參數(shù)在坐標(biāo)平面內(nèi)也從一條直線變成了具有一定帶寬的帶狀區(qū)域。采用各種傳感器，對(duì)