[機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化精品] 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究 基于模糊綜合評(píng)價(jià)與遺傳算法的公差優(yōu)化分配中英文翻譯

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)中英文翻譯基于模糊綜合評(píng)價(jià)與遺傳算法的公差優(yōu)化分配學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：0 學(xué) 院：機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：2011年 6月基于模糊綜合評(píng)價(jià)與遺傳算法的公差優(yōu)化分配先進(jìn)加工技術(shù)中心，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱，中國(guó) 知道如何在cad/ cam系統(tǒng)中分配零件公差是非常重要的，因?yàn)檫@直接影響到零件的加工費(fèi)用。在模糊綜合評(píng)價(jià)方法和遺傳算法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的方法以獲取合理的零件公差分配。首先，目前的公差分配方法是詳細(xì)審查。然而，模糊綜合評(píng)價(jià)是用來(lái)評(píng)估一個(gè)零件的可加工性，是結(jié)合零件的功能靈敏度因素和可加工性因素和因素確定的，是一個(gè)新的優(yōu)話(huà)模型，該模型可以充分利用

2、的dfa（面向裝配的設(shè)計(jì)）和dfm（可制造性設(shè)計(jì)）。遺傳算法（ga）則是用來(lái)優(yōu)化上述模型。最后，一個(gè)實(shí)際的例子來(lái)驗(yàn)證上述方法的可行性，計(jì)算結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)確地并且經(jīng)濟(jì)地做出公差分配。關(guān)鍵詞：模糊綜合評(píng)價(jià)；遺傳算法；公差分配1. 簡(jiǎn)介在機(jī)械設(shè)計(jì)，幾何和尺寸公差用于指定一個(gè)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)的零件幾何形狀和大小可能會(huì)有所不同，但都符合功能要求。公差分配對(duì)加工費(fèi)用和產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響，不必要的高公差等級(jí)會(huì)導(dǎo)致高生產(chǎn)成本，但所選公差應(yīng)確保產(chǎn)品的功能令人滿(mǎn)意。過(guò)于寬松的公差會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量并且增加廢品率和生產(chǎn)成本。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)師們依靠他們的經(jīng)驗(yàn)和手冊(cè)分配零件公差，這通常會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤。近年來(lái)，計(jì)算

3、機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)已成為cad系統(tǒng)和集成化cad/ cam系統(tǒng)中重要的研究方向。 公差分配是catd中最重要的問(wèn)題之一。組裝所需公差給定以后，設(shè)計(jì)者首先面臨的問(wèn)題是如何根據(jù)功能要求和加工費(fèi)用之間的關(guān)系分配合適的零件公差值。許多研究者認(rèn)為公差分配是優(yōu)化問(wèn)題。零件的公差值作為控制變量，使加工費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)最小化。公差疊加的限制條件作為變量的約束條件。在這篇論文中，公差分配表示為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。首先詳細(xì)地回顧一系列常用的的方法。模糊綜合評(píng)價(jià)法用來(lái)評(píng)價(jià)零件的機(jī)械性能，然后建立一個(gè)新的并采用遺傳算法求解數(shù)學(xué)模型。一個(gè)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)裝配的公差分配方案是按上述方法建立的，結(jié)果表明，該方法可以用來(lái)經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)零件的

4、公差值。2. 綜述：公差分配方法2.1 一般的分配方法當(dāng)裝配功能需求給定時(shí)，n個(gè)零件的公差值必須得到解決。由于給定的條件幾乎總是不足，所以公差通常被視為相等的。所采用的方法通常包括同容差法，不斷精度因子的方法，同樣影響的一種方法和比例縮放方法。2.1.1 相同公差在這種方法里，所有零件的公差值在滿(mǎn)足功能要求的前提下都是相等的，也就是ti表示第i個(gè)零件的公差值2.1.2 常數(shù)因子法 常數(shù)因子法基于經(jīng)驗(yàn)法則，一個(gè)零件的公差按標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的立方根增大，從而當(dāng)時(shí)，因子可按下式計(jì)算這里表示裝配的功能要求2.1.3 同因素方法裝配功能的要求受兩個(gè)因素影響，一個(gè)是每個(gè)零件的公差值，另一個(gè)是功能靈敏度系數(shù)，故這種

5、方法可表述如下2.1.4 比例縮放方法零件公差首先使用比例縮放方法的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行確定。如果零件公差的總和超過(guò)所要求的裝配公差，則每個(gè)零件的公差減少相應(yīng)的尺寸，一般表述為： 總之，上述方法非常簡(jiǎn)單，但只能根據(jù)一定的等差等級(jí)評(píng)估零件的公差值。這些值通常用在公差分配的初始階段。2.2 盡量減少成本的方法評(píng)價(jià)公差分配的最好原則是加工費(fèi)用規(guī)則，所以降低成本的方法已經(jīng)成為了很重要的研究課題。在這些方法中，加工費(fèi)用和零件的公差值之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)公式表示，并且在滿(mǎn)足功能要求的約束條件下最小化總加工成本是終佳目標(biāo)。在過(guò)去50年中，已經(jīng)有10多個(gè)成本和公差的關(guān)系模型已提交。見(jiàn)表1。 這些模型都是基于在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常

6、使用的基于經(jīng)驗(yàn)的關(guān)于成本和公差的數(shù)據(jù)。該模型參數(shù)的計(jì)算采用以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的最小二乘法。由于缺乏關(guān)于成本和公差關(guān)系的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并且當(dāng)加工環(huán)境改變時(shí)加工成本也會(huì)發(fā)生變化，所以這些方法的應(yīng)用非常有限。2.3 綜合因子法 對(duì)各零件的可加工性定量評(píng)價(jià)就是綜合因素。由于加工成本和可加工性是密切相關(guān)的，所以每個(gè)零件的相對(duì)加工成本可利用其綜合因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。通常情況下，當(dāng)各因素給予適當(dāng)?shù)臋?quán)重值后，綜合因子可以計(jì)算： i表示零件的編號(hào),m表示與可加工性相關(guān)的因素?cái)?shù)，pi表示第i個(gè)零件的相對(duì)可加工性占整個(gè)裝配的百分比。一般而言，影響加工費(fèi)用的因素包括加工方法，零件材料，零件的幾何結(jié)構(gòu)，零件尺寸，等。由于這些因素值

7、只能由具有豐富的生產(chǎn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家測(cè)定，所以該方法是主觀的。2.4 人工智能方法 人工智能技術(shù)目前應(yīng)用于catd。kopardekar和anand提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的公差分配方法，同時(shí)考慮到機(jī)械加工性和平均變化。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測(cè)單個(gè)零件公差，如圖1所示 該方法的優(yōu)點(diǎn)是：1. 該過(guò)程不需要任何有關(guān)零件尺寸分布的假設(shè)，這與統(tǒng)計(jì)方法不同。2. 這種方法可以推廣到多種零件的集合。然而，一些缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用，例如：1. 這種方法需要一些已知的輸出數(shù)據(jù)。2. 當(dāng)零件比較少時(shí)，這種方法不是很有效。 dupinet提出了一種新方法，即采用了模糊推理的方法來(lái)評(píng)估一個(gè)零件的制造難易程度。所有模糊規(guī)則都是由專(zhuān)家

8、確定的，并且規(guī)則可以改變，以適應(yīng)其他公司或其他專(zhuān)業(yè)技能知識(shí)，所以說(shuō)這種方法很簡(jiǎn)單，但有時(shí)專(zhuān)家們?cè)诖_定模糊規(guī)則時(shí)顯得非常困難。3 基于模糊綜合評(píng)價(jià)和遺傳算法的公差分配 傳統(tǒng)分配方法的主要缺點(diǎn)是不考慮加工成本。在最低成本的方法中考慮到了加工費(fèi)用，但很難確定每個(gè)加工過(guò)程的成本和公差之間的關(guān)系。事實(shí)上，設(shè)計(jì)人員可只根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)成本和公差之間的關(guān)系。一般的規(guī)則是，零件的可加工性決定了它的加工成本。一個(gè)零件的公差分配取決于它的可加工性。 考慮到上述方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們提出了一種基于模糊綜合評(píng)價(jià)和遺傳算法的新方法（見(jiàn)圖2） 3.1 基于模糊綜合評(píng)價(jià)的可加工性評(píng)估根據(jù)設(shè)計(jì)和加工標(biāo)準(zhǔn)，零件可加工性依

9、賴(lài)于零件尺寸、幾何結(jié)構(gòu)、材料的可加工性和加工精度。顯然，這些都是模糊的因素。我們運(yùn)用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)處理這些模糊因素。3.1.1 建立模糊因素集零件尺寸，幾何結(jié)構(gòu)，材料的切削加工，機(jī)械加工精度的因素，可以表示為：3.1.2 因素等級(jí) 為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)各參數(shù)，每個(gè)因素分為不同的模糊子集，比如： uij表示第i個(gè)因素的第j個(gè)等級(jí)，ni表示每個(gè)因素的等級(jí)數(shù)，詳細(xì)值見(jiàn)表二，3.1.3 建立評(píng)價(jià)集由于可加工性范圍介于0.0和1.0，所以它可以被分為10個(gè)相等的水平，即s為模糊評(píng)價(jià)集3.1.4 一階模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣 根據(jù)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，一階模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣確定如下： 3.1.5 建立各等級(jí)的權(quán)向量 權(quán)重向量

10、由隸屬度組成，如下： 在這里，mij是評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)第i個(gè)因素第j個(gè)等級(jí)的隸屬度。3.1.6 一階模糊綜合評(píng)價(jià) 當(dāng)對(duì)每個(gè)等級(jí)的第i個(gè)因素作出模糊綜合評(píng)價(jià)時(shí)，一階模糊綜合決策集得到： 這里p=10,隸屬度直接由專(zhuān)家確定，或由隸屬函數(shù)確定。在這里，組成算子m（，+），它可以考慮各種因素的影響，但也可以包含所有的個(gè)人因素信息，表示為：然后，一階模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣可以寫(xiě)成這里，m=4,p=103.1.7 確定因素的權(quán)重向量在獲得一階模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣后，我們必須確定因素的權(quán)重向量，這表明因素對(duì)評(píng)價(jià)目的的重要性程度。它可以寫(xiě)成： 假設(shè)零件尺寸和幾何結(jié)構(gòu)比材料的切削加工和機(jī)械加工精度重要，則 3.1.8 二階模糊

11、綜合評(píng)價(jià)最后，我們做二階模糊綜合評(píng)價(jià)。模糊集b可以計(jì)算：這里，m=4.p=103.1.9 確定參數(shù)一般來(lái)說(shuō)，用加權(quán)平均法是用來(lái)獲取評(píng)價(jià)對(duì)象的準(zhǔn)確值。如下： 根據(jù)上述步驟，可以確定對(duì)于公差分配非常重要的可加工性。3.2 公差分配建?？杉庸ば钥捎赡：C合評(píng)價(jià)法確定，加工響應(yīng)函數(shù)的假設(shè)為：這里，表示公差設(shè)計(jì)中的功能要求，是裝配響應(yīng)函數(shù)，表示第i個(gè)相應(yīng)零件的公差值，反應(yīng)在加工過(guò)程中每個(gè)公差值的重要性程度。 根據(jù)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，較小的是相應(yīng)的公差分配。因此，對(duì)公差分配的綜合因素可產(chǎn)生如下：這里，是根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)得出的第i個(gè)零件的可加工性。根據(jù)相互模型，最優(yōu)公差分配模型可表示如下：這里，c表示總的加工成本，

12、是成本和公差之間的功能關(guān)系，是固定成本，和是在設(shè)計(jì)零件公差時(shí)的約束向量，l和u代表加工要求的上限和下限。3.3 遺傳算法遺傳算法是最近開(kāi)發(fā)的啟發(fā)式優(yōu)化策略，已在多個(gè)研究領(lǐng)域用于全局優(yōu)化。 遺傳算法基于自然選擇和自然遺傳學(xué)以及達(dá)爾文的優(yōu)勝劣汰的生存機(jī)制。遺傳算法與在工程優(yōu)化問(wèn)題中傳統(tǒng)的研究方法不同。遺傳算法從很多點(diǎn)入手，而不是從單一的點(diǎn)，只考慮單一的點(diǎn)可能會(huì)被困于局部最優(yōu)化問(wèn)題。遺傳算法使用概率轉(zhuǎn)換規(guī)則，而不是確定的轉(zhuǎn)換規(guī)則，這導(dǎo)致了高品質(zhì)的解決方案并且遺傳算法只需要目標(biāo)函數(shù)值，這些最低要求使得遺傳算法具有廣泛的應(yīng)用性。遺傳算法的這些重要功能，如靈活性，全球應(yīng)用，并行性，簡(jiǎn)單性，通用性，良好的解

13、決問(wèn)題的能力等，使遺傳算法具有很好的實(shí)用性，因此很受歡迎。在過(guò)去的十年中，遺傳算法在各種領(lǐng)域的應(yīng)用增加了可喜的應(yīng)用成果。最近，一些工作已經(jīng)成功地在最佳工程設(shè)計(jì)問(wèn)題中使用了遺傳算法。遺傳算法在公差優(yōu)化分配中的應(yīng)用如下：3.3.1 表示方法在遺傳算法中，表示是一個(gè)重要的問(wèn)題，因?yàn)楸硎痉椒?lián)系著真實(shí)世界和遺傳算法，遺傳算法直接操縱真實(shí)問(wèn)題的表示代碼。有許多種表述，如二進(jìn)制數(shù)字串表示，浮點(diǎn)表示，排列的清單，目錄等。一個(gè)適當(dāng)?shù)谋硎痉椒ǖ倪x擇取決于所研究領(lǐng)域的特點(diǎn)。由于在公差分配問(wèn)題中加工精度是已知的，所以說(shuō)公差變量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)是離散的。我們采用二進(jìn)制數(shù)字串表示。如果是公差設(shè)計(jì)變量的加工精度，那么它的字符

14、串長(zhǎng)度由下面的公式確定，這里，和分別是第i個(gè)公差設(shè)計(jì)變量的上線(xiàn)和下限。在每一公差設(shè)計(jì)變量地字串長(zhǎng)度確定以后，該染色體的長(zhǎng)度計(jì)算：這里，n是獨(dú)立的公差設(shè)計(jì)變量的數(shù)目。3.3.2 解碼 如果一個(gè)染色體的第i個(gè)二進(jìn)制數(shù)字串被解碼成一個(gè)無(wú)符號(hào)十進(jìn)制整數(shù)，則第i個(gè)公差設(shè)計(jì)變量的物理值的計(jì)算方法是：3.3.3 適應(yīng)度 適應(yīng)度是一個(gè)品質(zhì)值，是對(duì)按優(yōu)勝劣汰規(guī)則生存的動(dòng)物們地繁衍率的評(píng)價(jià)手段。在遺傳算法中，適應(yīng)度用于分配生殖試驗(yàn)，是有利于最大化的措施。這意味著，具有較高的適應(yīng)值的字符串有較高的概率被選定為家長(zhǎng)。 公差分配是一個(gè)約束最小化問(wèn)題。如果目標(biāo)函數(shù)也表示為：這里，是約束函數(shù)，它可以由外部懲罰函數(shù)法轉(zhuǎn)化為無(wú)

15、約束的問(wèn)題。這里，適應(yīng)度函數(shù)由下式計(jì)算：這里，這里，表示罰函數(shù)，描述方案的質(zhì)量，和為常數(shù)，通常，由下式計(jì)算：3.3.4 縮放線(xiàn)性適應(yīng)度 由于具有較高的適應(yīng)值的字符串被選中為家長(zhǎng)的機(jī)率較高，所以限制這些字符串分配很重要，特別是小種群遺傳算法。適應(yīng)度縮放可以調(diào)整和優(yōu)化選擇的次數(shù)，以防止主觀的個(gè)人支配，因此它可以防止早熟收斂。此外，當(dāng)人口平均適應(yīng)度接近于人口最佳適應(yīng)度是，適應(yīng)度縮放在相近的范圍內(nèi)可以鼓勵(lì)良性競(jìng)爭(zhēng)。線(xiàn)性縮放公式適用于正常過(guò)程如下：這里，是縮放過(guò)的適應(yīng)度，是原始適應(yīng)度，和是適應(yīng)度的最大值和最小值。3.3.5 選擇 選擇算子決定了每個(gè)人的設(shè)置，這將在下一代中保持。選擇算子計(jì)算如下：1.所有

16、人口成員的適應(yīng)度值相加，結(jié)果為總的適應(yīng)值2.在0至1之間任意選擇一個(gè)數(shù)，乘以，得到一個(gè)新的指數(shù) 3.返回第一個(gè)適應(yīng)值大于或等于n的成員，再加上加工成員的適應(yīng)值。3.3.6 交叉點(diǎn) 交叉點(diǎn)是遺傳算法的主要算子，是遺傳算法是否成功的關(guān)鍵。從人口中隨機(jī)挑選父輩個(gè)體和，然后生成新的個(gè)體和。他們分成多個(gè)子塊的交叉點(diǎn)，通過(guò)在這些個(gè)體間進(jìn)行交換得到新的個(gè)體。3.3.7 突變突變算子根據(jù)預(yù)定的概率隨意改變基因的值。這種突變的概率應(yīng)該仔細(xì)規(guī)定。如果突變的概率很低，那么該算法經(jīng)常被限制為一個(gè)局部的最優(yōu)化問(wèn)題。但是，如果突變的概率較高，那么好的圖式的傳播會(huì)受到不必要的阻礙，該算法將退化為一個(gè)隨機(jī)搜索方法。我們用一個(gè)

17、新的策略來(lái)決定是否調(diào)用突變算子。首先，計(jì)算人口中同一個(gè)體的值，如果大于或等于則調(diào)用突變算子，否則調(diào)用交叉算子。在這里，是一個(gè)新的算法控制參數(shù)，代表了人口中同一個(gè)體的允許值。3.3.8 內(nèi)存工具 我們運(yùn)用內(nèi)存工具來(lái)“記憶”一代中的最優(yōu)個(gè)體。如果下一代中的最優(yōu)個(gè)體比內(nèi)存中的這一個(gè)好，則將其替代。最后，遺傳算法的解決方案從內(nèi)存中獲得。3.3.9 參數(shù)對(duì)于公差分配問(wèn)題，參數(shù)選擇如下：修改后的遺傳算法的步驟描述如下：開(kāi)始程序：a. 初始化（一些基本的參數(shù)）；b. 初始化（內(nèi)存）；c. 生成（第一代隨機(jī)人口）；d. 計(jì)算（他們的適應(yīng)值）；e. for i=1 to gs do beginif(r的隨機(jī)值大

18、于pc）continuous;else計(jì)算(人口中同一個(gè)體的值）if(n大于或等于） 調(diào)用突變算子; else 調(diào)用交叉算子； 更新(內(nèi)存庫(kù)); 更新算子產(chǎn)生下一代；endf.輸出(內(nèi)存中的個(gè)體);結(jié)束這里，代表一代個(gè)體的數(shù)據(jù)終端，n表示計(jì)數(shù)的變量，pc表示交叉概率。4. 事例 為了驗(yàn)證所提出的方法，把驅(qū)動(dòng)裝置（見(jiàn)圖3）作為一個(gè)例子。在圖3中，l1=160mm，l2=l4=50mm，l3=150mm，間隙l0是功能裝配需求。為了解決這個(gè)公差分配問(wèn)題，表35根據(jù)已知的條件列出了四個(gè)對(duì)應(yīng)裝配尺寸的隸屬度。用上述方法，相應(yīng)的四個(gè)零件可加工性向量如下：其中，件1是軸肩；件2和件4分別是左軸承和右軸承；件3是軸承套。結(jié)果表明，軸承套是最難加工的，而左、右軸承則是最容易的。這正好與實(shí)際加工情況相符，因此該方法是正確的。假設(shè)這兩個(gè)間隙相結(jié)合，整個(gè)間隙值從0.1