面向高效低碳的機械加工工藝路線多目標優化模型分析

楊 潔 董 瑞 尤文龍

（首都航天機械公司，北京 100076）

工業化發展進程的不斷加快，使得機械設備的生產加工對工藝路線規劃的科學合理性需求越來越大。然而，機械設備產品生產加工的多樣性，增加了工藝路線規劃控制工作開展的難度。此情況下，相關建設人員應將現有的科學技術成果更多地作用于實踐，以實現機械加工工藝路線多目標模型應用構建的高效低碳目標，進而滿足經濟建設背景下對工業化快速穩定發展所提出的科學合理性需求。

1 研究高效低碳機械加工工藝路線多目標優化模型的重要性

工藝路線規定了將毛坯變成零部件的整個加工過程，其確定的科學合理性直接會對產品零件的加工質量、效率以及成本造價控制帶來影響。為此，相關人員應在機械零部件特征表示方法的基礎上，采用數學模型加大對工藝路線優化問題的研究力度。通過綜合考慮工藝路線規劃過程中所要達到的目標，構建工藝路線的高效低碳數據優化模型，并建立優化目標函數。研究人員應將構建的優化模型作用于機械加工產品工藝路線的規劃實踐過程，以實現機械加工工藝路線規劃控制的高效低碳目標。

2 面向高效低碳的機械加工工藝路線多目標優化模型構建方法

2.1 明確約束條件

在加工機械零部件過程中，各個工藝特征與特征表面的加工是存在約束關系的。相關人員根據強制性程度的差異，把各種約束類型劃分為兩種，即合理性約束與最優性約束。前者在工藝路線的規劃與排序優化工作中，是必須滿足的；后者則是規劃工作中盡可能滿足的。這里的加工工藝路線排序優化的思路，就是在找出所有合理性約束的工藝路線后，根據最優性約束標準進行評價與判斷，進而確定最佳的工藝路線[1]。

2.2 建立優化目標函數

2.2.1 高效目標函數的建立

高效目標函數，顧名思義，就是工藝路線的總加工時間最短。總加工時間是由加工工藝、機床更換、夾具更換以及刀具更換時間決定的。機床更換是指不同機械上相鄰兩個工序的加工；夾具更換是指相鄰兩個工序用不同夾具來完成加工；一次刀具的更換是指相鄰兩個工序需采用不同的刀具進行加工。

2.2.2 低碳目標函數建立

機械加工系統低碳目標是工藝路線所有加工工藝產生總碳排放量中最小的，其可分為兩類，即冷加工與熱加工工藝。冷加工過程，作為機械加工工藝過程中的重要組成部分，其所排放的碳，是由工藝加工設備的電能消耗引起的。這里的加工設備是指刀具和切削液。人們根據切削液種類差異、電能消耗分類以及刀具種類，確定低碳目標函數，即用符號進行表示，以為計算控制提供便利。

對于熱加工工藝，人們也可以確定其碳排放目標函數。由于熱處理方法眾多，且最常使用的加熱方式為電加熱爐，因此，碳排放的計算應結合電能消耗量與熱處理工藝的電耗定額，來進行估算。值得注意的是，電能消耗量的計算涉及熱處理工藝加熱方式、工藝折算以及生產方式等系數，因此，相關取值應參照相關管理部門制定的規范標準進行確定[2]。

3 高效低碳機械加工工藝路線多目標優化模型的運用分析

某機床電動機座的加工過程應用了高低碳的機械加工工藝路線多目標優化模型。對于優化模型的求解，相關人員采用了NSGA-II，即通過擁擠距離計算與非支配解排序方法，并加入精英策略使原種群中的優秀個體得到保存，進而確定機械加工工藝最優的規劃路線。在進行模型求解時，基因編碼問題是最先解決的問題，即在應用零件編碼法過程中，要綜合考慮染色體的合法性、有效性、可行性以及問題空間表征的完整性。換句話說，就是在應用NSGA-II算法時，將刀具、設備的選擇以及加工工序的排序體現出來[3]。

具體來說，相關人員根據加工工藝路線的優化控制要求，將編碼機制確定為個體編碼方式，種群中每個個體均涉及三個子串，即順序Si、設備Mi與Ti，且子串長度與零件i的工序數一致。順序子串Si表示連續列表顯現出的零件加工操作順序，且其基因應綜合考慮加工優先順序的約束；設備子串Mi，是由已分配給每個操作設備的編號組成的；刀具子串，則與設備子串的含義類似。

基于上述模型求解，電動機座的加工特征確定為16個，即外圓、孔、端面、倒孔、內孔臺階面以及四面等。當各個特征確定好對應的加工刀具與設備時，就可進一步細化具體的工步與每一工步選用的設備與刀具。據統計，電動機座的16個特征需要經歷27個工步，才能完成零部件的全部加工。其間，27個工步組成的有序集合即為工藝路線。

此情況下，在確定工步編碼方案后，就可設置遺傳算法的計算參數。可以將交叉概率Pc確定為0.7；初始種群N的大小確定為50；變異概率Pm確定為0.05；迭代次數M為200，且設備更換次數與刀具的更換次數電動機值均為15。而后，就可著手Matlab編程的優化求解，以實現電動機座加工工藝路線規劃的高效低碳目標[4]。對于求解的結果，應與單獨作用于高效和低碳的優化結果進行數據信息對比，進而得出最優染色體表現形式，如圖1所示。

圖1 最優染色體表現形式

由此，人們就可結合上述最優染色表現形式，通過編譯確定機械設備產品最優的工藝路線。

4 結語

面向高效低碳的機械加工工藝路線的多目標優化模型構建，應在明確約束條件與建立優化目標函數的情況下，提高模型構建的準確性。事實證明，只有這樣，才能保證機械設備產品加工工藝路線確定的科學合理性，進而使生產加工的機械設備能夠以安全可靠的狀態服務于工業發展的需要。因此，相關人員應將上述分析內容與科研成果更多地作用于不同領域的機械設備生產加工上，進而大幅度提升工業發展的快速穩定效果。