南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院052系.ppt

1、加工參數(shù)優(yōu)化與數(shù)據(jù)庫技術(shù),加工參數(shù)優(yōu)化的方法 :,加工參數(shù)優(yōu)化就是尋求一組最優(yōu)的加工參數(shù)使得加工過程中某一指標(biāo)達(dá)到最佳狀態(tài)。通常，首先選擇一個優(yōu)化目標(biāo)，如最大利潤率、最低成本或最大生產(chǎn)率。其次，對加工參數(shù)優(yōu)化范圍提出一些制約條件，如來自切削功率或工件表面粗糙度的制約等等。在切削加工中，一般情況下將切削用量作為被優(yōu)化參數(shù)，但也有一些學(xué)者把刀具磨損限度、刀尖圓弧半徑和換刀間隔等作為被優(yōu)化參數(shù)，在銑削加工中被優(yōu)化的參數(shù)還包括銑刀直徑、銑刀齒數(shù)、刀具軌跡、刀具類型、刀具的偏置量等。,加工參數(shù)優(yōu)化的方法有： 解析優(yōu)化方法、試驗(yàn)優(yōu)化方法,加工參數(shù)優(yōu)化的方法 :,A. 解析優(yōu)化的定義： 進(jìn)行加工參數(shù)解析優(yōu)化

2、的基本方法是從研究加工過程的基本規(guī)律入手，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)，將目標(biāo)函數(shù)和制約函數(shù)結(jié)合起來，構(gòu)成一個優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，根據(jù)這個模型，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)。,加工參數(shù)優(yōu)化的方法 :,B. 解析優(yōu)化的參數(shù)模型 建立加工過程中的各參數(shù)（如切削過程中的刀具耐用度、切削力、進(jìn)給量等）的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。加工參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立有兩個基本方法：理論方法和實(shí)驗(yàn)方法。但是由于實(shí)際加工過程的復(fù)雜性，在目前水平上，還很難通過機(jī)理研究得到各種加工過程中各參數(shù)實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。目前，通過實(shí)驗(yàn)方法建立經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)學(xué)模

3、型是進(jìn)行加工參數(shù)數(shù)學(xué)描述的主要方法。,加工參數(shù)優(yōu)化的方法 :,C. 解析優(yōu)化的類型 目前，各國學(xué)者所進(jìn)行的加工數(shù)據(jù)的優(yōu)化研究中，絕大多數(shù)是靜態(tài)優(yōu)化，即預(yù)測型的，少數(shù)是動態(tài)優(yōu)化；就加工工序而言，主要是單工序優(yōu)化，由于多工序優(yōu)化比較復(fù)雜，因此研究得比較少。,加工參數(shù)優(yōu)化的方法 :,D. 解析優(yōu)化的約束條件 加工參數(shù)優(yōu)化時采用的約束條件是多種多樣的，一般包括：機(jī)床功率、機(jī)床剛性、機(jī)床進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速范圍、工件表面粗糙度、工件加工精度、工件剛性，工藝系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性、切削力等；有些學(xué)者還把當(dāng)量切削厚度、顫振、熱損傷、刀具耐用度等作為約束條件。,E. 解析優(yōu)化的常用算法 目前解析優(yōu)化算法也很多，其中常用的是

4、: 線性規(guī)劃、 圖解法、 網(wǎng)格法、 非線性混合整數(shù)規(guī)劃法、 加權(quán)法、 懲罰函數(shù)法、 邊界極值比較法等。,加工參數(shù)解析優(yōu)化的主要過程,加工參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)化 :,A. 試驗(yàn)優(yōu)化的定義： 試驗(yàn)優(yōu)化的方法就是通過工藝試驗(yàn)來確定相對較優(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)，這里只簡單介紹正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究多因子試驗(yàn)問題的重要的數(shù)學(xué)方法，它主要使用正交表這一工具來進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，具體的講就是使用正交表從各因素之間所有可能搭配中選擇若干必須的試驗(yàn)，然后采用統(tǒng)計(jì)方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合處理，獲得關(guān)于加工參數(shù)的優(yōu)化信息。,B. 正交試驗(yàn)中的基本概念 試驗(yàn)指標(biāo)：表征試驗(yàn)研究對

5、象的指標(biāo)稱為試驗(yàn)指標(biāo)。 因素：對試驗(yàn)指標(biāo)可能會產(chǎn)生影響的原因稱為因素，也稱為因子。 水平：因素在試驗(yàn)中所選取的具體狀態(tài)稱為水平。 正交試驗(yàn)法：對全體因素來說是一種部分試驗(yàn)（即做了全面試驗(yàn)的一部分），但對于其中任何兩個因素來說卻是帶有等重復(fù)的全面試驗(yàn)。,C. 正交試驗(yàn)的特點(diǎn) 由于正交試驗(yàn)法要求任何兩個因素是全面試驗(yàn)，因此試驗(yàn)點(diǎn)在優(yōu)選區(qū)的分布是均衡分布的。正交試驗(yàn)具有均衡分散性和整齊可比性的特點(diǎn)，使得它具有很大的優(yōu)越性。這種優(yōu)越性可以簡單地用多、快、好、省四個字加以概括。“多”是指可以考慮多因素，多指標(biāo)；“快”是指試驗(yàn)次數(shù)少、周期短、見效快；“好”是指可以找到較好方案或可能的最優(yōu)方案；“省”是指省

6、時、省料、省勞力等。,D. 常用正交表: 常用正交表的形式有LA（pq） 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。,加工數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展與作用,加工數(shù)據(jù)庫的定義 : 加工數(shù)據(jù)庫就是長期存儲在計(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)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和存儲，具有較小的冗余度，較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性，并可以為各種用戶共享。 加工數(shù)據(jù)庫的分類 :,其他分類：,加工類型 具體零件的名稱,加工數(shù)據(jù)庫的發(fā)展現(xiàn)狀 ：,1.切削數(shù)據(jù)庫： 世界上的第一個金屬切削加工數(shù)據(jù)庫是1964年10月由美國金屬切削聯(lián)合研究公司

7、同美國空軍材料實(shí)驗(yàn)所共同建立的，當(dāng)初全稱為美國空軍可加工性數(shù)據(jù)中心（AFMDC），現(xiàn)稱可加工性數(shù)據(jù)中心（MDC）。隨后世界各國相繼發(fā)展了各種金屬切削數(shù)據(jù)庫。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在12個國家共30多個數(shù)據(jù)庫正在運(yùn)行中，其中以美國的MDC，西德的INFOS，德國的SWS，瑞典的SANDVIK COPOCUT和英國的PERA BANK等5個切削數(shù)據(jù)庫較為成熟，都已能開展數(shù)據(jù)服務(wù)。若按切削數(shù)據(jù)庫的全面功能來衡量，西德的INFOS因從建庫開始就具有完整的建庫理論和實(shí)施方案，所以具備較全面的信息服務(wù)能力。,2.航空制造中的數(shù)控（Numerical Control，簡稱NC）加工數(shù)據(jù)庫 在航空制造領(lǐng)域，航空產(chǎn)品零

8、件除具有受力大、重量輕、加工精度及表面質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，不少零件還處在交變載荷和惡劣環(huán)境下工作。因此，正確合理地選擇數(shù)控加工參數(shù)和加工過程優(yōu)化對確保產(chǎn)品質(zhì)量、工作可靠性具有重要意義；對提高生產(chǎn)率，降低制造成本，提高綜合效益是十分重要而又急需的。國外航空公司非常重視數(shù)控加工參數(shù)的優(yōu)化選用，并借助于參數(shù)用量計(jì)算尺、數(shù)控加工指導(dǎo)文件來推薦加工數(shù)據(jù)，獲得了良好的綜合效益。,在我國航空制造技術(shù)領(lǐng)域，目前擁有很多種類的數(shù)控機(jī)床，但NC技術(shù)應(yīng)用水平極不平衡，NC技術(shù)綜合效益還遠(yuǎn)沒有發(fā)揮。即使在大量采用NC技術(shù)的機(jī)械加工領(lǐng)域，也還存在著典型零件NC加工工藝指導(dǎo)文件和NC切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫缺乏、刀具管理方式落后等突

9、出問題。據(jù)此，“八五”期間NC加工技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)規(guī)定為提高數(shù)控機(jī)床利用率和發(fā)揮數(shù)控加工技術(shù)的綜合作用，滿足廣大轉(zhuǎn)包生產(chǎn)、干線飛機(jī)和新機(jī)研制的需要。,3.電解加工數(shù)據(jù)庫 在電解加工中，由于加工間隙難以控制以及實(shí)用的加工參數(shù)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏等原因，導(dǎo)致電解加工工藝水平提高存在很大難度。因此，迫切需要建立電解加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。但迄今為止，國內(nèi)外還很少有此類報道。這主要是由于電解加工影響因素眾多，導(dǎo)致其工藝數(shù)據(jù)量極大；實(shí)用的加工參數(shù)數(shù)據(jù)比較缺乏，或只是對某個特定對象的總結(jié)；有的工藝技術(shù)已過時，不具有推廣應(yīng)用價值。因此，建立電解加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫所需要的工藝數(shù)據(jù)，只能通過模擬工藝試驗(yàn)獲得。,基于數(shù)據(jù)庫的刀

10、具管理系統(tǒng)：,機(jī)床程序關(guān)系圖,運(yùn)行界面,加工數(shù)據(jù)庫的作用,金屬切削是機(jī)械制造業(yè)中零件加工的最主要方法，它在機(jī)械工業(yè)中占有舉足輕重的地位。如何提高金屬切削數(shù)據(jù)加工的生產(chǎn)效率，降低加工成本，一直是機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)＜覀儾粩嗵剿骱椭铝ρ芯康闹卮笳n題。 建立切削數(shù)據(jù)庫，為機(jī)械制造業(yè)提供合理或優(yōu)化的切削數(shù)據(jù)是提高切削加工效率和經(jīng)濟(jì)效益的最有效措施之一；另外切削數(shù)據(jù)庫還是發(fā)展各種現(xiàn)代制造技術(shù)（如CNC、CAPP、CAD/CAM、FMS和CIMS等）的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，它是這些系統(tǒng)公共制造數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。事實(shí)上，任何一個完善的自動化制造系統(tǒng)都需要一個性能良好的切削數(shù)據(jù)庫的支持。,待解決的問題：,(1)與數(shù)控

11、系統(tǒng)、CAD/CAM軟件良好的通信與接口 由于高速切削大多采用數(shù)控機(jī)床或加工中心，自動化程度很高，因此高速切削數(shù)據(jù)庫必須具有良好的與數(shù)控系統(tǒng)的通信和接口功能，才能充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢。 (2)推理功能 (3)分布式結(jié)構(gòu) 高速切削數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有分布式結(jié)構(gòu)，以便為大型制造企業(yè)分散在不同地理位置的生產(chǎn)和銷售部門提供服務(wù)。,(4)網(wǎng)絡(luò)功能 高速切削數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)功能，以便各相關(guān)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)查詢相應(yīng)的切削數(shù)據(jù)，為各種先進(jìn)制造技術(shù)提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 (5)預(yù)測功能 高速切削數(shù)據(jù)庫通過利用已有的人工智能技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、有限元分析技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)及各種切削力模型、切削溫度模型、刀具磨損模型

12、等，應(yīng)具有預(yù)測某些切削效果的功能，如預(yù)測工件的加工精度、表面粗糙度以及刀具使用壽命等。,加工參數(shù)解析優(yōu)化技術(shù),優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立,一、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) 對加工過程進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)有： （1）最大生產(chǎn)率（最短的加工時間）； （2）最低加工成本（最低的生產(chǎn)費(fèi)用）； （3）最大利潤率（單位時間內(nèi)該工序的利潤最大）。 1.最大生產(chǎn)率目標(biāo)函數(shù) 生產(chǎn)率是指單位時間內(nèi)的加工工件數(shù)，也可用單件加工時間的倒數(shù)來表示，即: 式中，Pr為生產(chǎn)率；td為單件加工時間。,單件加工時間應(yīng)包含以下幾部分： （1）有效加工時間tm； （2）工件裝卸及工具的加工準(zhǔn)備時間（如切削時的進(jìn)刀和退刀時間）tf； （3）每次工具的更換時間tt

13、分?jǐn)偟絾蝹€工件上的等效時間，此時考慮單件工具更換時間應(yīng)乘以系數(shù)tm/T，即（tm/T）tt。 這樣單件加工的總耗時td可以這樣表示，即：,在切削加工過程中，有效加工時間tm與切削用量的關(guān)系取決于具體的加工形式。然而在絕大多數(shù)情況下，tm總是與切削速度和進(jìn)給量成反比。 對于車削 ： 對于銑削 ： km與具體的加工狀況有關(guān)。,在切削加工過程中，刀具耐用度與切削用量之間的關(guān)系主要與工件、刀具材料性質(zhì)有關(guān)。在目前的研究水平上還無法得到關(guān)于刀具耐用度T與切削速度v、進(jìn)給量f之間關(guān)系的精確數(shù)學(xué)描述，一般通過試驗(yàn)建立刀具耐用度的經(jīng)驗(yàn)公式。最常見的公式形式如下： 式中，CT為與切削條件有關(guān)的常數(shù)。,2.最低加

14、工成本目標(biāo)函數(shù),單件加工成本Cd指的是本工序加工一個工件所需的費(fèi)用，一般包括以下三個部分： （1）本工序加工時間的費(fèi)用Cs； （2）本工序的工具使用費(fèi)用Ct，如切削過程中的磨刀費(fèi)用，它等于每次磨刀折算到該工序的費(fèi)用； （3）其它各種費(fèi)用之和Cw，它包括材料費(fèi)用，機(jī)床費(fèi)用等，即： 式中，k為本工序單位時間所分配的費(fèi)用；KT為每次工具使用費(fèi)用。,3.最大利潤率目標(biāo)函數(shù),利潤率p是指單位時間內(nèi)的利潤，它可以根據(jù)產(chǎn)品的價格Pj和單件加工成本Cd的差值來計(jì)算。工序的單件利潤為：Pd=Pj-Cd，單件加工時間為td，利潤率為：,二、優(yōu)化約束條件及其函數(shù),在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于加工設(shè)備、加工條件及工件質(zhì)量要

15、求等技術(shù)條件限制，可選擇的加工參數(shù)范圍是有限的。因此，在進(jìn)行加工過程優(yōu)化時，必須考慮這些條件對加工參數(shù)的限制。 1.約束的來源 在加工過程中，技術(shù)上可能產(chǎn)生的制約多種多樣。具體情況不同，所應(yīng)考慮的制約形式就不一樣，很難把所有情況下可能產(chǎn)生的制約都進(jìn)行詳細(xì)討論，但總體上可以從機(jī)床、工件、工具及夾具特性等方面去考慮。,機(jī)床特性對加工參數(shù)選擇的限制通常包括： （1）機(jī)床可能實(shí)現(xiàn)的加工參數(shù)范圍； （2）機(jī)床主軸所允許的最大扭矩對加工參數(shù)范圍的限制； （3）機(jī)床電機(jī)功率對加工參數(shù)范圍的限制； （4）機(jī)床剛度和強(qiáng)度對加工參數(shù)范圍的限制。,工件質(zhì)量要求對加工參數(shù)選擇的限制通常包括： （1）工件表面質(zhì)量對加工

16、參數(shù)范圍的限制，如對切削中的切削速度的限制； （2）工件表面粗糙度對加工參數(shù)范圍的限制，如對切削中的最大進(jìn)給量的限制； （3）工件的尺寸精度對加工參數(shù)范圍的限制，如對切削中最大切削力的限制。,工具對加工參數(shù)選擇的限制通常包括： （1）工具剛度、強(qiáng)度對加工參數(shù)范圍的限制； （2）工具合理的耐用度對加工參數(shù)范圍的限制。 夾具對加工參數(shù)選擇的限制通常包括： （1）夾具所能實(shí)現(xiàn)的最大夾緊力對加工參數(shù)范圍的限制； （2）夾具剛度、強(qiáng)度對加工參數(shù)范圍的限制。,車削加工中常見的技術(shù)制約：,2.約束條件函數(shù),A.最小進(jìn)給量的限制（Rfl） 機(jī)床可能實(shí)現(xiàn)的最小進(jìn)給量約束可以表示為： 其中fmin為機(jī)床所能實(shí)現(xiàn)的

17、最小進(jìn)給量 。 B.最大進(jìn)給量的限制（Rfh） （1）機(jī)床可能實(shí)現(xiàn)的最大進(jìn)給量（Rfh1） 該制約可以表示為： 其中fmax為機(jī)床所能實(shí)現(xiàn)的最大進(jìn)給量。,（2）工件表面粗糙度所允許的最大進(jìn)給量（Rfh2） 影響工件表面粗糙度的因素很多，例如進(jìn)給量、刀具幾何參數(shù)、刀具表面與刃口的刃磨質(zhì)量、切削速度、切削振動、刀具磨損、工件材料特性和切削液等。 （3）刀具變形所允許的最大進(jìn)給量（Rfh3）,根據(jù)材料力學(xué)，主切削力Fz與刀具z向撓度之間的關(guān)系為： 式中，EIz/l3為車刀的z向剛度，與刀桿材料的彈性模量E和刀桿橫截面的幾何特性值有關(guān)；z為車刀刀尖的撓度。 根據(jù)切削原理，主切削力Fz可表達(dá)為： 式中，

18、CFz為經(jīng)驗(yàn)公式的系數(shù)；指數(shù)xFz和yFz反映了ap和f對Fz的影響程度。,由以上兩式： 式中z*是加工中允許的車刀刀尖的最大撓度。 （4）機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩所允許的最大進(jìn)給量（Rfh4） 加工過程中，車床主軸所承受的轉(zhuǎn)矩： 得出： Rfh4可表示為 ： M0為車床主軸所能承受的最大轉(zhuǎn)矩,（5）工件尺寸精度要求所允許的最大進(jìn)給量（Rfh5） 車削加工過程中，在徑向切削力用Fy的作用下，加工系統(tǒng)會產(chǎn)生徑向位移，該位移的大小取決于系統(tǒng)徑向剛度、主軸支承剛度、尾架支撐剛度及工件材料特性和幾何尺寸等參數(shù)。在這些參數(shù)給定條件下，系統(tǒng)徑向剛度是刀具位置的函數(shù)。在一定的徑向力作用下，刀具位置不同，所產(chǎn)生的徑向位移

19、也不同。 用Kmin表示加工工藝系統(tǒng)徑向剛度的最小值，在Fy作用下系統(tǒng)的最大徑向位移ymax可以表示為： 根據(jù)切削原理，車削加工中，徑向切削力Fy與進(jìn)給量f和切削深度ap有關(guān)，可表示為：,由以上兩式： y0為由工件尺寸精度要求所決定的允許最大加工誤差。,C.最低切削速度的限制（Rvl）,（1）機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)的最低切削速度（Rvl1） 該制約可以表示為： nmin為機(jī)床主軸的最低轉(zhuǎn)速 。,D.最大切削速度的限制（Rvh） （1）機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)的最大切削速度（Rvh1） 該制約可以表示為： 式中，nmax為機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)速，可以從機(jī)床說明書中查到。 （2）工件表面質(zhì)量所允許的最大切削速度（Rvh2）

20、 在一般條件下，車削時工件表面溫度不高。但隨著新型刀具材料，特別是陶瓷刀具材料的發(fā)展與應(yīng)用，刀具材料許用最高切削溫度不斷提高，高速車削中工件表面的熱變質(zhì)層對工件表面質(zhì)量的影響也已逐漸被人們所注意。在某些場合下，有必要對此加以限制，因此該制約可表示為： vmax與工件的表面質(zhì)量要求和具體的加工條件有關(guān)。,E.機(jī)床的電機(jī)功率所允許的最大進(jìn)給量和切削速度（Rp） 車削中消耗的功率： 其值應(yīng)不大于車床電機(jī)的額定輸出功率，所以該制約可表示為： P0為電機(jī)的額定輸出功率；為機(jī)床主傳動系統(tǒng)的傳動效率。 可得 ：,F.刀具合理的耐用度所允許的最大進(jìn)給量和切削速度（RT） 在某些場合下，要求刀具的耐用度不小于某

21、一給定值。例如，在有效切削時間（機(jī)加工時間）較長時，為了避免在加工中途換刀，要求刀具的耐用度Ttm。所以該制約可表示為： T0為給定的最小刀具耐用度 ，代入，得 ：,從以上討論可以看出，對同一個制約指標(biāo)，從不同的角度出發(fā)，可以提出不同的制約指標(biāo)值。在最后確定優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中v、f的變化范圍時，還要根據(jù)具體情況確定其中一個作為制約指標(biāo)值。選擇的原則是：在所選擇的那個制約指標(biāo)所規(guī)定的制約條件得到滿足時，其它制約指標(biāo)值所規(guī)定的制約條件自動滿足。,例如，對最大進(jìn)給量制約指標(biāo)，應(yīng)?。?而對最小進(jìn)給量的制約指標(biāo)，應(yīng)?。?也可根據(jù)各制約條件函數(shù)在v-f坐標(biāo)平面內(nèi)的曲線所構(gòu)成的圖形來確定v、f的優(yōu)化范圍。各制約

22、曲線所構(gòu)成的最小封閉圖形確定了優(yōu)化過程中允許的取值范圍。 v,f允許的取值范圍,三、優(yōu)化模型,如果沒有考慮加工過程中各種隨機(jī)擾動的影響，所建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型又不隨時間變化，這樣的模型被稱為靜態(tài)優(yōu)化模型。然而實(shí)際上切削過程是不斷變化的。采用各種傳感器，不斷檢測切削過程的動態(tài)特性參數(shù)，隨時修正優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并按一定的策略，讓最佳工作點(diǎn)及時追蹤這個隨時變動的模型，這就是動態(tài)優(yōu)化模型。根據(jù)動態(tài)優(yōu)化原理設(shè)計(jì)的控制就成為自適應(yīng)控制。,靜態(tài)優(yōu)化 一、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，就構(gòu)成了一個完整的加工優(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

23、數(shù)的空間曲面,成本目標(biāo)函數(shù)和求解范圍,加工參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用,二、靜態(tài)優(yōu)化問題求解實(shí)例,問題：用C620普通車床加工圓柱體工件，已知： 1.技術(shù)參數(shù) （1）工件材料：45鋼，正火。 （2）毛坯尺寸：直徑dw68mm，長度L300mm。 （3）切削刀具： 表11.2.2 切削刀具 材料前角0（）后角0（）主偏角kr（）負(fù)偏角kr（）刀尖圓弧半徑R（mm）YT15硬質(zhì)合金15675151 （4）機(jī)床性能： （5）刀具耐用度： min,（6）主切削力 kg （7）徑向切削力 kg,2.經(jīng)濟(jì)參數(shù) 1）機(jī)床費(fèi)用 k0.1 元/min；2）工具費(fèi)用KT= 1.08 元； 3）準(zhǔn)備時間tf1.5 min；

24、4）換刀時間tt=0.8 min。 3.加工要求 1）粗糙度 Ra=5m； 2）尺寸精度 60h9。要求選擇合理切削用量，使加工成本最低，并保證加工要求。,4.建立目標(biāo)函數(shù) 由已知條件，加工單邊總余量為4mm，考慮到工件表面粗糙度和尺寸精度的要求，分粗車和半精車兩道工序。粗車取ap3mm，半精車取ap1mm，粗車后粗糙度Ra20m，尺寸為62h11。,粗車和半精車的機(jī)加工時間可根據(jù)式（11.2.3）計(jì)算，其中km=Ldw/1000。將已知數(shù)據(jù)代入得 將ap=3mm、ap=1mm分別代入，得到粗車和半精車兩道工序的刀具耐用度,得兩道工序的成本目標(biāo)函數(shù)： 5.建立制約條件函數(shù) A.最小進(jìn)給量的制約

25、（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 B.最大進(jìn)給量的制約（Rfh） （1）表面粗糙度對最大進(jìn)給量的限制（Rfh1）,粗加工時有： 在半精加工時： （2）加工精度對最大進(jìn)給量的限制（Rfh2）根據(jù)已知的機(jī)床條件，加工工藝系統(tǒng)可以簡化成圖11.2.5所示的力學(xué)模型，在切削力作用下，由于加工工藝系統(tǒng)變形造成的刀具、工件相對位置的變化（加工誤差）與床頭箱、尾架、刀架、以及工件剛度有關(guān)，還與刀具沿軸向（X方向）所處的位置有關(guān)，根據(jù)圖11.2.5所示的模型，可以推出:,E為工件材料的彈性模量；J為工件橫截面的慣性矩。 令/x=0，求得位移的最大值在X=L處產(chǎn)生，將X=L代

26、入得 m,位移與切削用量之間的關(guān)系,C.最低切削速度的限制（Rvl）： D.最大切削速度的限制（Rvh） 粗加工 ： 半精加工 ： E.機(jī)床電機(jī)功率的限制（Rp） 粗加工 ： 半精加工： F.刀具合理耐用度的限制（RT） 粗加工 ： 半精加工 ：,6.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，就構(gòu)成了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。 A.粗車過程的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 B.半精車過程的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,C.計(jì)算各制約條件對應(yīng)的成本曲線的交點(diǎn)和極值點(diǎn)坐標(biāo) 成本曲線的交點(diǎn)坐標(biāo) ： 成本曲線的極值點(diǎn)坐標(biāo),結(jié)合圖 ， 所以粗車時的最佳切削用量為: 相應(yīng)的加工成本為： 半精車時，Rfh的極值點(diǎn)坐標(biāo)落在允許解的范圍內(nèi)。該

27、點(diǎn)數(shù)值顯然小于Rfh-Rvl 和Rfh-Rvh交點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值，因此，該點(diǎn)就是優(yōu)化問題的解。,允許解的范圍,v /(mmin-1),v/ (mmin-1),動態(tài)優(yōu)化,、動態(tài)優(yōu)化的模型 動態(tài)優(yōu)化把切削過程看作是運(yùn)動的，即考慮那些隨時間而變化的擾動對加工過程的影響。為了模擬隨時變化的加工過程，即建立動態(tài)模型，理論上必須以加工時間來表示加工參數(shù)。但是在加工過程中加工參數(shù)的變化是隨機(jī)的，因此無法用確定的函數(shù)關(guān)系來描述它們。然而在實(shí)際問題中這些參數(shù)的變化范圍又是有限的，為了簡化可以建立起一個與靜態(tài)模型相類似的動態(tài)模型。,由于各參數(shù)不再是一個常數(shù)，而是在一定的范圍內(nèi)變動，靜態(tài)優(yōu)化允許解范圍的界線在坐標(biāo)平面

28、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，動態(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。,這樣，由最佳加工參數(shù)形成的帶和制約函數(shù)形成的帶的交匯部分構(gòu)成了動態(tài)優(yōu)化的解的范圍。在加工過程中，最佳工作點(diǎn)將在這個范圍內(nèi)不斷變動。由于造成這些變動的因素是隨機(jī)的，因而無法事先預(yù)測或用數(shù)學(xué)關(guān)系式來表示變動的規(guī)律。解決這一問題的辦法是，采用各種傳感器，對加工過程中的某些動態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測，確定每個瞬時加工系統(tǒng)的工作狀態(tài)，建立起當(dāng)前的優(yōu)化模型。在此基礎(chǔ)上通過實(shí)時計(jì)算確定當(dāng)前的最佳工作點(diǎn)，并通過調(diào)整控制系統(tǒng)讓機(jī)床實(shí)現(xiàn)這個最佳工

29、作點(diǎn)。不斷重復(fù)進(jìn)行上述過程，就實(shí)現(xiàn)了動態(tài)優(yōu)化。,二、加工過程中動態(tài)特征參數(shù)的實(shí)時檢測 如前所述，在動態(tài)優(yōu)化過程中，為了建立瞬態(tài)優(yōu)化模型，必須對加工過程的動態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測。對切削過程的動態(tài)優(yōu)化模型來說，重要的特征參數(shù)是切削力和刀具磨損率（瞬態(tài)刀具耐用度）。在切削過程中實(shí)時、準(zhǔn)確的進(jìn)行刀具磨損率和切削力的測量是實(shí)現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。,1.切削力的實(shí)時測量 一般采用專門設(shè)計(jì)的切削測力儀進(jìn)行切削過程中切削力的測量。 工作原理,切削力的測量是一種比較典型的多向動態(tài)力測量。切削力信號是復(fù)雜的信號，一般情況下是隨機(jī)信號。,八角環(huán)型車削測力儀,動態(tài)切削力測力儀（瑞士）,1、量程：Fx,Fy：05KN

30、；Fz：010KN 2、靈敏度范圍：Fx,Fy：10.0mV/N；Fz：5.00mV/N,可換刀頭,切削測力儀,YDC-III8902 三向壓電車削測力儀工作原理,通用測試系統(tǒng)框圖,WS-2401系列電荷放大器主要應(yīng)用于對電荷加速度傳感器和輸出為電荷量的傳感器的放大器，由于其具有電壓放大選擇，所以亦可對輸出為電壓量的傳感器信號進(jìn)行放大，且具有多擋低通濾波選擇，便于試驗(yàn)室和野外測試工作。,WS-2401系列電荷放大器,靈 敏 度：0.11000mV/pC 頻率范圍：0.3100KHz(上、下限可選；上限為抗混濾波)噪 聲(最大增益)：折合至輸入端小于5V歸 一 化：數(shù)字設(shè)定準(zhǔn) 確 度：1%輸出：

31、10V/10mA電源：220V/50Hz尺寸：300 x177x380(四通道),TS5857電荷放大器,主要參數(shù) 直流部分：200mv1000v五個量程 分辨力：10V，誤差0.04% 交流部分：200mv1000v（峰值）五個量程最高可測750V有效值電壓。 分辨力：100V，誤差0.3% 輸入阻抗：直流100M，交流10M/100PF 儀器外形：100260280mm 重量：2kg,TD1913B數(shù)字電壓表,5位半數(shù)字分辨率，每秒90個讀數(shù)和1*10（-4）的基本直流精度 生產(chǎn)商品牌： 美國惠普 產(chǎn)品型號： HP3478A 產(chǎn)品產(chǎn)地： 美國惠普 長寬高： 21934Cm （單位：mm）

32、重量： 3Kg,HP3478A數(shù)字電壓表,示波器 V-442/V-5040 40MHz,示波器 V-442/V-5040 40MHz,32位PCI總線，即插即用16路單端（或8路差分）模擬量光隔離輸入2路模擬量光隔離輸出1路16位計(jì)數(shù)器8個數(shù)字量光隔離輸入通道8個數(shù)字量光隔離輸出通道37PIN D型接口,PCX-3216多功能數(shù)據(jù)采集卡,USB-9201，Portable USB-Based DAQ for High-Speed 500KS/s Analog Signals USB-9221，Portable USB-Based DAQ for High-Speed, High-Voltage

33、 Signals USB-9233，24-Bit, 50 kS/s, 4 Input USB Dynamic Signal Acquisition USB-9215A，16-Bit, 20 kS/s Simultaneous-Sampling Analog Input USB-9211A，24-bit, 12 S/s Thermocouple Input USB-4350，NI USB-4350 High-Precision Temperature and Voltage Logger for USB,USB數(shù)據(jù)采集卡,虛擬儀器LabVIEW,LabVIEW是基于G語言的革命性的圖形化開發(fā)語言

34、，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)。它的目標(biāo)是簡化程序的開發(fā)工作，讓工程師和科學(xué)家能充分利用PC機(jī)的功能，快速簡便地完成自己的工作。十余年的不斷充實(shí)，使LabVIEW成為豐富、強(qiáng)大的實(shí)用工具軟件包。 與LabVIEW同步推出的還有LabWindows/CVI，它的特點(diǎn)是可利用ANSIC編程語言建立與實(shí)用儀器的交互式開發(fā)環(huán)境。這兩者內(nèi)部都配有GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的庫函數(shù)，以及全球幾百家廠商的儀器驅(qū)動程序。圍繞這些核心軟件還陸續(xù)開發(fā)出多種附件。,2.刀具磨損過程的實(shí)時檢測 刀具磨損在線實(shí)時檢測系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)： （1）能夠在不停止切削的條件下，在一個很短的時間內(nèi)給出當(dāng)

35、前的磨損狀態(tài)或磨損值。,刀具磨損示意圖,（2）能夠準(zhǔn)確地給出當(dāng)前的磨損狀態(tài)或磨損值，并有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，以利于建立一個準(zhǔn)確的當(dāng)前優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，為正確選定當(dāng)前最佳工作點(diǎn)提供基礎(chǔ)。 （3）應(yīng)簡單易行，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 （4）能夠適用于各種不同的刀具工件組合和各種切削條件，能夠不做或少做預(yù)測試驗(yàn)就能進(jìn)行工作。 （5）對原加工工藝系統(tǒng)的加工能力、剛性等沒有影響或影響很小。,刀具磨損的測量方法可分為直接法和間接法兩種。在進(jìn)行刀具磨損在線實(shí)時檢測的研究中大都采用間接測量的方法。 間接測量法是通過對切削過程中與刀具磨損有著良好相關(guān)關(guān)系的物理量的檢測和處理，間接地得到刀具磨損的狀態(tài)或磨損值。被用作間接反映刀具

36、磨損的特征量主要有切削力、切削速度、刀具振動等。,三、動態(tài)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn) 加工過程的動態(tài)優(yōu)化一般需要通過機(jī)床、傳感器、專用過程控制電路及電腦所組成的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，這樣的系統(tǒng)稱為加工過程自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 （1）擾動：加工過程中工具磨損速率和加工過程中力的隨機(jī)變化，加工工藝系統(tǒng)的剛性變化等。 （2）被調(diào)量：與優(yōu)化目標(biāo)有關(guān)的經(jīng)濟(jì)上或技術(shù)上的指標(biāo)。它可以是加工工藝系統(tǒng)的變形，也可以是加工成本或加工生產(chǎn)率。 （3）過程信號：表述當(dāng)前加工過程狀態(tài)的信號，例如工具的瞬時磨損率，工藝系統(tǒng)的變形等。,機(jī)床監(jiān)測過程,（4）給定值：對應(yīng)于被調(diào)量的技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上的指標(biāo)?？梢杂袃煞N情況：一是由外部提供（事先設(shè)定的）固定不變的

37、給定值，二是由自適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)當(dāng)前的過程信號即加工狀態(tài)所確定的給定值。它是動態(tài)優(yōu)化所希望實(shí)現(xiàn)的技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上的指標(biāo)。 （5）控制量：它是優(yōu)化過程中可以直接控制的參量，主要是切削速度和進(jìn)給量。 自適應(yīng)控制原理圖,自適應(yīng)控制系統(tǒng)的初始工作點(diǎn)（v0,f0）一般由靜態(tài)優(yōu)化提供，加工開始后，由系統(tǒng)傳感器檢測出當(dāng)前的過程信號，根據(jù)過程信號得到或計(jì)算出當(dāng)前被調(diào)量的水平，將被調(diào)量與給定值進(jìn)行比較，按一定的策略計(jì)算出當(dāng)前的最佳工作點(diǎn)，然后由調(diào)整裝置對控制量進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)這個最佳工作點(diǎn)。如此反復(fù)進(jìn)行，便實(shí)現(xiàn)了動態(tài)優(yōu)化控制。,加工數(shù)據(jù)庫技術(shù),一、基本概念 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是與數(shù)據(jù)庫技術(shù)密切

38、相關(guān)的四個基本概念。 1.數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)是用符號記錄下來的可加以鑒別的信息。說起數(shù)據(jù)，人們首先想到的是數(shù)字。其實(shí)數(shù)字只是最簡單的一種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的種類很多，在日常生活中無處不在：文字、圖形、圖像、聲音、學(xué)生的檔案記錄、貨物的運(yùn)輸情況等等，這些都是數(shù)據(jù)。,2.數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫（Data Base簡稱DB），就是長期儲存在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和存儲，具有較小的冗余度，較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性，并可以為各種用戶共享。 3.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Data Base Management System，簡稱DBMS），是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行管

39、理的軟件系統(tǒng)，是位于用戶和操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。它使用戶能夠方便地定義數(shù)據(jù)和操縱數(shù)據(jù)，并能夠保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性、多用戶對數(shù)據(jù)的并發(fā)使用以及發(fā)生故障后的系統(tǒng)修復(fù)。,4.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Data Base System，簡稱DBS），是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)構(gòu)成，一般由數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)工具、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。在不引起混淆的情況下，人們一般把數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)簡稱為數(shù)據(jù)庫。,二、數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三方面的要求：一是能夠比較真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界；二是容易為人所理解；三是便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。根據(jù)數(shù)據(jù)模型應(yīng)用目的的不同，可以將各種數(shù)

40、據(jù)模型分為兩類，它們分屬于兩個不同的層次。第一類模型是概念模型，也稱信息模型，它是按用戶的觀點(diǎn)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行建模。第二類模型是數(shù)據(jù)模型，它是按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。,1.概念模型 概念模型是現(xiàn)實(shí)世界到信息世界的第一層抽象，是用戶與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行交流的語言，因此概念模型一方面應(yīng)該具有較強(qiáng)的語義表達(dá)能力，能夠方便、直接地表達(dá)應(yīng)用中的各種語義知識，另一方面它應(yīng)該簡單、清晰、易于用戶理解。,概念模型的表示方法很多，其中最常用的就是實(shí)體-聯(lián)系方法（Entity-Relationship Approach）。該方法用E-R圖來表示現(xiàn)實(shí)世界的概念模型。其表示出的模型獨(dú)立于具體的DBMS所支

41、持的數(shù)據(jù)模型，它是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ)，因而比數(shù)據(jù)模型更一般、更抽象、更接近于現(xiàn)實(shí)世界。,2.數(shù)據(jù)模型 不同的數(shù)據(jù)模型具有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。目前最常用的數(shù)據(jù)模型有層次模型（Hierarchical Model）、網(wǎng)狀模型（Network Model）和關(guān)系模型（Relational Model）。其中層次模型和網(wǎng)狀模型統(tǒng)稱為非關(guān)系模型。20世紀(jì)80年代以來，面向?qū)ο蟮姆椒ê图夹g(shù)在計(jì)算機(jī)的各個領(lǐng)域，包括程序設(shè)計(jì)語言、軟件工程、信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)等各方面都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也促進(jìn)了數(shù)據(jù)庫中面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的研究和發(fā)展。由于關(guān)系模型應(yīng)用最為廣泛。,三、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1.需求分析階段 2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段 3. 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段 4. 數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)階段 5. 數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段 6. 數(shù)據(jù)庫運(yùn)行與維護(hù)階段,加工數(shù)據(jù)庫的功能要求,一、加工數(shù)據(jù)庫的基本功能 從國外加工數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用情況及國內(nèi)加工數(shù)據(jù)庫的需求情況來看，加工數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能應(yīng)包括工藝數(shù)據(jù)的采集、記錄、檢查、評價、濃縮、存貯、修改、提取、編制應(yīng)用文件和服務(wù)等。,切削數(shù)據(jù)的采集包括生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、文獻(xiàn)資料上數(shù)據(jù)的采集和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的采集三類。切削數(shù)據(jù)項(xiàng)包括工件的參數(shù)、刀具的參數(shù)、機(jī)床的參數(shù)和