机械加工参数优化

Klicken Sie,um das Titelformat zu bearbeiten,Klicken Sie,um die Formate des Vorlagentextes zu bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte,南京航空航天大学机电学院机械制造及其自动化系,第九章 加工参数优化,9.1,概述,9.2,加工参数优化,9.3,加工数据库,9.4,专家系统,9.1,概述,9.1.1,加工参数优化的方法,加工参数优化的定义,加工参数优化就是寻求一组最优的加工参数使得加工过程中某一指标达到最佳状态。,优化目标,优化范围的制约条件,加工参数优化的方法,(1),加工参数的解析优化,解析优化的定义,探索优化目标、制约条件与可控变量之间的关系，建立起优化目标函数和制约函数，构成一个优化数学模型，根据这个模型，按一定的策略探求目标函数的极值，从而确定相应的最佳加工参数。,解析优化的参数模型：,理论建模,实验建模,解析优化的类型：,静态优化,动态优化,解析优化的约束条件,解析优化的常用算法,线性规划，图解法,加工参数解析优化的主要过程,加工过程参数测量,加工过程参数测量,加工数据采集与处理,加工参数的经验公式,加工过程参数数学描述,加工参数理论公式,加工过程理论描述,优化目标函数,优化约束函数,优化数学模型的求解,用户,(2),加工参数的试验优化,试验,优化的方法就是通过工艺试验来确定相对较优工艺参数的一种方法。,最常用的试验方法是正交试验,正交试验法在寻求,最佳工艺参数,、,最佳工艺配方,和,最佳试验条件,方面,是一种行之有效的试验方法。,9.1.2,加工数据库,加工数据库就是长期存储在计算机中的、有组织的、可共享的优化了的加工工艺参数的数据集合。,加工数据库的分类,加工数据库发展现状,切削数据库,数控加工数据库,电解加工数据库,加工数据库的建立可以提高加工效率，降低成本,9.2,加工参数的优化,建立优化模型,优化约束条件极其函数,优化处理,静态优化,动态优化,9.2.1,优化模型的建立,1.,优化目标函数,对加工过程进行优化的目标有：,最大生产率：最短的加工时间,最低加工成本：最低的生产费用,最大利润率：单位时间内该工序的利润最大,(1),最大生产率目标函数,生产率,单件生产总耗时,有效加工时间,t,m,；,工件装卸及工具的加工准备时间,t,f,；,每次工具的更换时间,t,t,，单个工件的等效时间,其中对于车削,(2),最低加工成本目标函数,本工序加工时间的费用,C,s,；,本工序的工具使用费用,C,t,，如切削过程中的磨刀费用，它等于每次磨刀折算到该工序的费用；,其它各种费用之和,C,w,，,式中，,k,为本工序单位时间所分配的费用；,K,T,为每次工具使用费用。,(3),最大利润率目标函数,利润率,p,是指单位时间内的利润，它可以根据产品的价格,P,j,和单件加工成本,C,d,的差值来计算。,工序的单件利润为：,P,d,=,P,j,-,C,d,单件加工时间为,t,d,利润率为,2.,优化约束条件及其函数,(1),约束来源,机床特性的约束,工件质量的约束,刀具的约束,夹具的约束,技术制约,来 源,含 意,最小进给量,R,fl,机床,机床可能实现的最小进给量,工件,为了形成切屑所允许的最小进给量,最大进给量,R,fh,机床,机床可能实现的最大进给量,机床主轴转矩所允许的最大进给量,工件,工件表面粗糙度所允许的最大进给量,工件尺寸精度所允许的最大进给量,刀具,刀具变形所允许的最大进给量,最低速度,R,vl,机床,机床所能实现的最低切削速度,工件,工件表面质量所允许的最低切削速度,最高速度,R,vh,机床,机床所能实现的最大切削速度,工件,工件表面质量所允许的最大切削速度,最大功率,R,p,机床,机床主电机所允许的最大切削功率,最小耐用度,R,T,刀具,为了保证刀具耐用度不小于规定的最小值所允许的最大进给量和切削速度,(2),约束条件函数,最小进给量的限制,最大进给量的限制,机床可能实现的最大进给量,工件表面粗糙度所允许的最大进给量,刀具变形所允许的最大进给量,(2),约束条件函数,最大进给量的限制,机床主轴转矩所允许的最大进给量,机床尺寸精度所允许的最大进给量,(2),约束条件函数,最低切削速度的限制,机床可以实现的最低切削速度,工件表面质量要求所允许的最低切削速度,(2),约束条件函数,最高切削速度的限制,机床可以实现的最大切削速度,工件表面质量要求所允许的最大切削速度,(2),约束条件函数,机床电机功率所允许的最大进给量和切削速度,(2),约束条件函数,刀具合理的耐用度所允许的最大进给量和切削速度,(2),约束条件函数,对最大进给量制约,对最小进给量的制约,9.2.2,静态优化,1.,静态优化的数学模型及其求解方法,建立目标函数并确定加工参数可选择的范围以后，将二者结合起来，就构成了一个完整的加工优化数学模型（以成本目标函数为例）,成本目标函数,C,R,T,C,min,R,T,C,min,R,P,C,R,P,C,R,fh,C,min,R,fh,lgv,成本目标函数的空间曲面,成本目标函数和求解范围,2.,静态优化问题求解实例,(1),技术参数,问题：用,C620,普通车床加工圆柱体工件，已知：,工件材料：,45,钢，正火。,毛坯尺寸：直径,d,w,68mm,，长度,L,300mm,。,切削刀具：,机床性能：,刀具耐用度,主切削力,径向切削力,要求选择合理切削用量，使加工成本最低，并保证加工要求。,(2),经济参数与加工要求,经济参数,机床费用,k,0.1,元,/min,工具费用,K,T,=1.08,元,准备时间,t,f,1.5 min,换刀时间,t,t,=0.8 min,加工要求,粗糙度,Ra,=5,m,；,尺寸精度,60h9,。,(3),建立目标函数,加工单边总余量为,4mm,：粗车取,a,p,3mm,，半精车取,a,p,1mm,，粗车后粗糙度,Ra,20,m,，尺寸为,62h11,粗车和半精车的机加工时间,将,a,p,=3mm,、,a,p,=1mm,分别代入，得到粗车和半精车刀具耐用度,成本目标函数,(4),建立制约条件函数,最小进给量的制约（,R,fl,）,根据已知数据，机床可实现的最小进给量为,0.08mm,，已有,最大进给量的制约（,R,fh,）,表面粗糙度对最大进给量的限制（,R,fh,1,）,粗加工时有,在半精加工时,加工精度对最大进给量的限制（,R,fh,2,）,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=0,最低切削速度的限制（,R,vl,）,最大切削速度的限制（,R,vh,）,粗加工：,半精加工：,机床电机功率的限制（,R,p,）,粗加工：,半精加工：,刀具合理耐用度的限制（,R,T,）,粗加工：,半精加工：,(5),建立优化数学模型,将所得到的目标函数和制约函数结合起来，就构成了优化数学模型。,粗车过程的优化数学模型,半精车过程的优化数学模型,计算制约条件对应的成本曲线的交点和极值点,成本曲线的交点坐标,：,成本曲线的极值点坐标,极值判断,粗车时,:,半精车时：,9.2.3,动态优化,1.,动态优化模型,动态优化把切削过程看作是运动的，即考虑那些随时间而变化的扰动对加工过程的影响。,由于各参数不再是一个常数，而是在一定的范围内变动，静态优化允许解范围的界线在坐标平面内由一条直线变成了一条带状区域。由于各参数的变动，动态模型的目标函数也在一定的范围内变化，则由目标函数确定的优化参数在坐标平面内也从一条直线变成了具有一定带宽的带状区域。,采用各种传感器，对加工过程中的某些动态特征参数进行实时检测，确定每个瞬时加工系统的工作状态，建立起当前的优化模型。在此基础上通过实时计算确定当前的最佳工作点，并通过调整控制系统让机床实现这个最佳工作点。,2.,加工过程中的动态参数的实时检测,切削力的实时测量,刀具磨损的实时测量,直接法,间接法,3.,动态优化的实现,扰动,被调量,过程信号,给定值,控制量,