引言

切削用量對切削力、功率消耗、刀具磨損、刀具耐用度、加工精度和表面質(zhì)量等均有明顯的影響。選擇和確定切削參數(shù)的傳統(tǒng)方法是從工藝手冊提供的經(jīng)驗(yàn)表格中選取，但這些表格比較零散，必須憑一定經(jīng)驗(yàn)才能確定。據(jù)報(bào)道，在美國和歐洲使用工藝手冊中的加工參數(shù)比優(yōu)化的參數(shù)加工時(shí)間長40%。

切削用量優(yōu)化多見的是采用單目標(biāo)優(yōu)化方法，這有著很多不足之處。計(jì)算機(jī)在切削加工中的應(yīng)用日益增多，可以利用計(jì)算機(jī)方便、迅速、有效地對切削用量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立合理有效的計(jì)算模型和系統(tǒng)。首先，根據(jù)具體要求，確定切削用量的最優(yōu)目標(biāo)，并建立起相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù);其次，再充分考慮到生產(chǎn)中的各項(xiàng)約束條件，建立起優(yōu)化數(shù)學(xué)模型;然后，采用相應(yīng)的優(yōu)化方法，借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，得到的結(jié)果就是滿足約束條件的目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)方案，即在具體生產(chǎn)條件下滿足加工要求的最佳的切削用量數(shù)值。另一方面，要實(shí)現(xiàn)CAPP，就必須實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的自動確定。因此需要找出各種影響因素的內(nèi)在聯(lián)系，并建立合理可行的計(jì)算機(jī)輔助切削用量模型和系統(tǒng)。

1 當(dāng)前切削用里模型的分析與比較

基于特定目標(biāo)函數(shù)的切削用量模型的數(shù)學(xué)模型由兩個(gè)模塊組成，一個(gè)是目標(biāo)函數(shù)公式，另一個(gè)是約束條件公式。目標(biāo)函數(shù)的選擇是根據(jù)公司的具體需要決定的，該模型采用了的優(yōu)化算法是將模擬退火算法SA和模式搜索法PS結(jié)合，稱為SA/PS算法。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能系統(tǒng)，通過訓(xùn)練，將學(xué)習(xí)樣本中的信息以連接權(quán)矩陣的方式存儲起來，從而使得網(wǎng)絡(luò)在接受輸人時(shí)，可以得到適當(dāng)?shù)妮敵觯哂凶詫W(xué)習(xí)功能、適合處理非線性和半結(jié)構(gòu)化問題，可以有效地解決切削用量的優(yōu)化控制問題。采用目前使用最廣泛的BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)切削用量選擇系統(tǒng)的建模。近幾年來，對資源、環(huán)境問題的關(guān)注反映到制造業(yè)的研究上。國內(nèi)外都對綠色制造做了大量的研究，并提出了綠色制造的決策框架模型。

經(jīng)過分析，得出:①基于特定目標(biāo)函數(shù)的切削用量模型的開發(fā)目標(biāo)是使其成為在各種類型機(jī)械加工中使用的通用模型，此模型更適用于產(chǎn)品多樣化的企業(yè)或大型企業(yè);②采用BP切削用量模型存在規(guī)模大，學(xué)習(xí)速度很慢，訓(xùn)練時(shí)間長、容易陷人局部最小解、定位精度較低等缺點(diǎn);③由于綠色制造的切削用量模型選擇以減少消耗資源和污染環(huán)境為最終目標(biāo)，所以在選擇參數(shù)時(shí)，其生產(chǎn)效率和成本可能不是最優(yōu)的。該模型更適用于對環(huán)境污染較大的金屬切削加工，然而，對于環(huán)境污染較小的金屬切削加工，此模型選出的切削參數(shù)可能無法使生產(chǎn)效率最高或生產(chǎn)成本最低。

2 基于經(jīng)驗(yàn)的切削用量模型

中小企業(yè)的目標(biāo)函數(shù)要求不高，可以基于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)情況建立一個(gè)相對簡單的切削用量模型。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)模型是鐵道部部頒標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合工廠的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)情況總結(jié)而成的。其實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)。

2.1系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)單位產(chǎn)品成本的最優(yōu)化，代表實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)的約束條件必須考慮。當(dāng)選定的切削條件能夠保證評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就把這一組切削條件作為這個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最佳條件。粗加工中機(jī)床主運(yùn)動電機(jī)功率，刀具的磨損是約束條件;而精加工工件的尺寸、形狀準(zhǔn)確度，加工表面粗糙度或者表面質(zhì)量是主要約束條件。本系統(tǒng)模型約束條件的建立，將各個(gè)影響因素以系數(shù)的形式表示出來。本文以車膛削加工為例，闡述如下:

(1)切削深度的影響因素包括表面粗糙度、機(jī)床運(yùn)動、刀具耐用度、工藝系統(tǒng)剛度等，在一個(gè)簡化的模型中，表面粗糙度約束可簡化為工序和工步，機(jī)床運(yùn)動約的切削深度選擇模型如圖1所示。

式中: T-切削深度;Xs1-工序影響因子;Tmax-機(jī)床類別影響因子;Kt1-材料牌號影響因子Kt2-工件硬度影響因子；Kt3-刀具材料影響因子；Kt4-工步影響因子。

（2）進(jìn)給量的影響因素包括機(jī)床運(yùn)動、工藝系統(tǒng)剛度、表面粗糙度、主運(yùn)動率等，在該模型中，機(jī)床運(yùn)動約束可簡化為工序、工步和機(jī)床，工藝系統(tǒng)剛度約束簡化為工件直徑和最大長徑比，表面粗糙度約束簡化為工序，主運(yùn)動率約束簡化為工件長徑比和工步，簡化后的進(jìn)給量選擇模型如圖2所示。

式中：F-進(jìn)給量；Fmax-工序、工步、機(jī)床類別聯(lián)合影響因子；Kf1-加工直徑和最大長徑比；Kf3-工步影響因子；Kf4-長徑比和工步影響因子。

（3）切削速度的影響因素包括機(jī)床運(yùn)動、表面粗糙度、工藝系統(tǒng)剛度和刀具耐用度等，在該簡化模型中，機(jī)床運(yùn)動約束可簡化為切削深度和工步，表面粗糙度簡化為工序，工藝系統(tǒng)剛度約束簡化為工步和直徑，刀具耐用度約束簡化為材料牌號和刀具材料，簡化后的切削速度模型如圖3所示。

式中:T-切削速度;Xs13-工步和切削深度聯(lián)合影響因子;Xsl4-工序影響因子;Kvl-材料牌號影響因子;Kv2-工步號和加工直徑聯(lián)合影響因子;Kv3-由刀具材料影響因子。

2.2 數(shù)據(jù)庫模型

原始數(shù)據(jù)難以被計(jì)算機(jī)識別和操作，因此，必須將其進(jìn)行匯集、存儲、綜合、推導(dǎo)，從這些原始、雜亂的數(shù)據(jù)中抽取出新的可作為使用的數(shù)據(jù)。該切削用量查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)步驟是:先采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總成表，見表1，最后將各個(gè)數(shù)據(jù)表采用關(guān)系模型建成數(shù)據(jù)庫。各行業(yè)、各企業(yè)可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際修正各參數(shù)，獲得企業(yè)適用的數(shù)據(jù)。

3 基于經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)輔助切削用最計(jì)算系統(tǒng)

3.1功能

(1)支持網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì):可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在異構(gòu)分布環(huán)境下的交換與共享。滿足數(shù)據(jù)積累與快速復(fù)用的要求。

(2)數(shù)據(jù)維護(hù)與數(shù)據(jù)安全:本系統(tǒng)利用SQL sever作為后端數(shù)據(jù)庫，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)安全與數(shù)據(jù)存儲功能。

(3)所需的切削用量的檢索和計(jì)算功能，用戶可以根據(jù)零件加工的工序、工步、機(jī)床、刀具、材料以及一些重要參數(shù)檢索并計(jì)算出對應(yīng)的機(jī)床和刀具所需的合理的切削用量。

(4)該切削用量計(jì)算系統(tǒng)既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以集成到CAPP系統(tǒng)中，具有很好的獨(dú)立性和集成性。

3.2 開發(fā)環(huán)境

本次系統(tǒng)開發(fā)采用Windows XP作為開發(fā)環(huán)境，選擇Delphi6.0為開發(fā)的宿主語言，開發(fā)相應(yīng)的人機(jī)界面，SQLsever 作為信息存儲的數(shù)據(jù)庫。前端開發(fā)工具用來設(shè)計(jì)輸人和查詢界面，用戶通過這個(gè)界面輸入數(shù)據(jù)，再由前端程序傳給后端的數(shù)據(jù)庫引擎將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫。當(dāng)用戶要查詢數(shù)據(jù)時(shí)，前端程序?qū)⒉樵兠顐鹘o后端的數(shù)據(jù)庫執(zhí)行，前端程序則等待接受數(shù)據(jù)結(jié)果然后再將結(jié)果顯示在界面上。

3.3關(guān)鍵技術(shù)

在設(shè)計(jì)和建立數(shù)據(jù)庫的基表時(shí)，最突出的問題就是數(shù)據(jù)的冗余。以上設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本上可以滿足查詢的要求，但要查詢一個(gè)Fmax，必須由工序、工步、機(jī)床三個(gè)條件來唯一確定。在以上的設(shè)計(jì)中，工序有70種，工步有386種，機(jī)床有35種，因此，如果不進(jìn)行任何處理的G-D-B關(guān)系表中共有70x386x35=945700個(gè)記錄。

而在現(xiàn)實(shí)中每個(gè)工序只有對應(yīng)幾個(gè)特定的工步，每個(gè)工步所使用的機(jī)床也是有限的，因此實(shí)際存在有用的記錄遠(yuǎn)小于945700個(gè)。同時(shí)原始數(shù)據(jù)對機(jī)床進(jìn)行了分類，但這種分類方法并不能滿足系統(tǒng)查詢的要求。于是根據(jù)CAPP的成組技術(shù)將加工類型相似的工序合并分為三類，由此得出Fmax選擇的三種調(diào)用法則。每一個(gè)法則定義為數(shù)據(jù)庫中的一個(gè)表。在工序的屬性中加人調(diào)用規(guī)則這一屬性，而在G-D-B表中去掉工序這一屬性。經(jīng)過對數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行優(yōu)化處理，在系統(tǒng)查詢Fmax時(shí)，先由工序代號查出其對應(yīng)的調(diào)用法則，再由調(diào)用法則調(diào)用相應(yīng)的表，然后根據(jù)機(jī)床及工步查詢并計(jì)算出切削用量。這樣，G-D-B的記錄數(shù)目就減少到630個(gè)。其它表的建立可以采用以上類似的方法，減少數(shù)據(jù)的冗余度，從而更快更好的完成查詢。

4 結(jié)論

本文通過對基于特殊目標(biāo)函數(shù)的切削用量模型，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和綠色制造模型研究分析發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際中生產(chǎn)中沒有一個(gè)模型是可以完全實(shí)現(xiàn)所有優(yōu)化目標(biāo)的，只有根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和公司要求的不同，建立相應(yīng)適合產(chǎn)品和企業(yè)的優(yōu)化模型。基于經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)輔助切削用量計(jì)算模型和系統(tǒng)是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立的。該模型使用于污染不嚴(yán)重，產(chǎn)品品種變化不大的中小企業(yè)。

該系統(tǒng)易于建立，方便操作，能夠繼承企業(yè)原有的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)該系統(tǒng)有友好的界面，強(qiáng)大的查詢功能，方便的修改功能等。在己構(gòu)建的系統(tǒng)中，提供了與CAPP系統(tǒng)集成的接口，使其能夠以插件的形式無縫地集成到CAPP系統(tǒng)中。所以該系統(tǒng)既可以單獨(dú)使用，也可以做到與CAPP系統(tǒng)的無縫集成。