數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)優(yōu)化及試驗

(江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 江陰 214433)

0 引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和自動化程度的提高,數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要設(shè)備之一,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]。數(shù)控機(jī)床可以通過數(shù)字控制技術(shù)對工件進(jìn)行高精度、高效率的加工,極大地提高了生產(chǎn)效率和加工精度,同時也減少了人工操作的誤差和勞動強(qiáng)度[2-3]。然而,加工工藝參數(shù)作為數(shù)控機(jī)床加工過程中的重要因素,直接影響加工效果和質(zhì)量。因此,如何優(yōu)化加工工藝參數(shù),提高數(shù)控機(jī)床的加工效率和質(zhì)量,成為了制造業(yè)領(lǐng)域的重要研究方向之一。

在目前的研究中,一些優(yōu)化方法已經(jīng)被提出,例如試驗設(shè)計法、響應(yīng)面法、人工智能等。但是,這些方法也存在一些不足,如難以考慮多目標(biāo)優(yōu)化問題、優(yōu)化效果難以保證等。因此,本文提出一種基于遺傳算法的加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法,并通過實驗驗證其有效性[4]。同時,本文介紹數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)和加工工藝流程,以及加工工藝參數(shù)的種類和影響因素。希望能夠?qū)?shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)優(yōu)化和實驗研究的相關(guān)領(lǐng)域提供一定的理論和實踐指導(dǎo)。

1 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)和加工工藝流程

1.1 基本結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床是一種基于數(shù)字控制技術(shù)的高精度自動化機(jī)床。它由機(jī)床主體、數(shù)控裝置、電器控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成。數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個部分[5-6]。

1)機(jī)床主體。數(shù)控機(jī)床的機(jī)床主體通常由床身、工作臺、立柱和橫梁等組成。床身是機(jī)床主體的主要承載部件,其承載工件及刀具的力和轉(zhuǎn)矩。工作臺是床身上的移動工作臺,用于夾緊和定位工件,并與刀具一起完成加工。立柱和橫梁分別位于工作臺的兩側(cè)和頂部,用于支撐刀具和主軸的移動。

2)數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心部件,由數(shù)控系統(tǒng)、編程裝置和輸入設(shè)備等組成。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制中心,根據(jù)預(yù)先編寫好的加工程序,控制各個動力部件的運(yùn)動,實現(xiàn)工件的精確加工。編程裝置用于編寫加工程序;輸入設(shè)備則用于將程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。

3)電器控制系統(tǒng)。電器控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的動力來源,由伺服電機(jī)、變頻器、控制器等組成。伺服電機(jī)是數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動部件,通過變頻器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。控制器則負(fù)責(zé)將數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令轉(zhuǎn)化為電信號,控制伺服電機(jī)和變頻器的運(yùn)行。

4)輔助設(shè)備。輔助設(shè)備包括冷卻液系統(tǒng)、夾具和工件測量系統(tǒng)等。冷卻液系統(tǒng)用于降低切削溫度,減少刀具磨損和工件變形。夾具用于固定和定位工件,保證加工精度。工件測量系統(tǒng)則用于檢測工件的尺寸和形狀,以便實時調(diào)整加工參數(shù)并提高加工精度。

1.2 加工流程

數(shù)控機(jī)床的加工工藝流程通常包括以下幾個步驟:

1)設(shè)計加工工藝。在進(jìn)行數(shù)控加工前,需要進(jìn)行工藝設(shè)計,包括選擇合適的加工方式、刀具、切削參數(shù)等。設(shè)計合理的加工工藝能夠提高加工效率和加工質(zhì)量。

2)編寫加工程序。加工程序是數(shù)控機(jī)床加工的指令集,編寫加工程序需要根據(jù)工藝設(shè)計選擇合適的切削參數(shù)和加工路徑,并根據(jù)加工過程中所需的各項功能進(jìn)行編寫。

3)加工前的準(zhǔn)備工作。加工前,需要進(jìn)行機(jī)床的檢查和保養(yǎng),檢查數(shù)控裝置和電器控制系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,檢查刀具和工件夾具是否安裝正確,確定切削參數(shù)等。

4)加工過程中的監(jiān)控與控制。加工過程中需要對機(jī)床、刀具和工件等進(jìn)行實時監(jiān)控和控制,以確保加工質(zhì)量和安全。數(shù)控機(jī)床可以通過數(shù)控系統(tǒng)自動控制加工過程中的各項參數(shù),例如轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、加工深度等。

5)加工后的處理。加工完成后,需要對加工件進(jìn)行檢查和處理。檢查加工件的尺寸、形狀、表面粗糙度等指標(biāo)是否符合要求,對加工件進(jìn)行清潔和包裝,以便進(jìn)行下一步工序。

2 加工工藝參數(shù)的種類和影響因素

加工工藝參數(shù)是指在數(shù)控加工中,影響切削過程的各項參數(shù),包括切削速度、進(jìn)給速度、切削深度、切削寬度、切削力、切削溫度等[7]。這些參數(shù)會直接影響加工件的表面質(zhì)量、尺寸精度、加工效率、刀具壽命等指標(biāo)。不同材料和工件的加工特性不同,因此加工工藝參數(shù)的選擇也會受到多種因素的影響,加工工藝參數(shù)的種類和影響因素較為復(fù)雜,需要綜合考慮多個因素來選擇合適的參數(shù),以達(dá)到最佳的加工效果。

2.1 工件材料

不同材料的加工特性差異很大,對應(yīng)的加工工藝參數(shù)也會有所不同。例如,硬度高的材料通常需要較低的切削速度和較小的切削深度,而軟性較強(qiáng)的材料則可以選擇較高的切削速度和較大的切削深度。

2.2 刀具材料和形狀

不同材質(zhì)和形狀的刀具也會對加工工藝參數(shù)產(chǎn)生影響。例如,硬質(zhì)合金刀具通常具有較高的硬度和耐磨性,可以使用較高的切削速度和較大的切削深度,而鉆頭等細(xì)長形狀的刀具則需要選擇較小的切削寬度和切削深度。

2.3 加工件形狀和尺寸

加工件的形狀和尺寸也會影響加工工藝參數(shù)的選擇。例如,對于長而細(xì)的工件,需要減小切削深度和切削寬度,以避免刀具振動和加工過程中的變形。同時,對于大型工件,需要選擇較低的進(jìn)給速度和較大的切削深度,以提高加工效率和降低加工成本[8]。

2.4 加工精度和表面質(zhì)量要求

不同工件需要不同加工精度和表面質(zhì)量,因此需要選擇適當(dāng)?shù)募庸すに噮?shù)。例如,高精度加工需要較小的切削深度和較小的切削寬度,以提高加工精度和表面質(zhì)量,而對于一般加工要求的工件,可以適當(dāng)增加切削深度和切削寬度,以提高加工效率。

3 基于遺傳算法下加工工藝參數(shù)優(yōu)化

為了獲得最佳的加工效果,需要對加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。遺傳算法是一種基于自然選擇和遺傳進(jìn)化思想的優(yōu)化算法,已被廣泛應(yīng)用于工程和科學(xué)領(lǐng)域。本章節(jié)將介紹基于遺傳算法進(jìn)行加工工藝參數(shù)優(yōu)化的原理和方法。

3.1 遺傳算法原理

遺傳算法是一種模擬自然進(jìn)化過程的優(yōu)化算法,其基本原理是模擬生物進(jìn)化中的“選擇—交叉—變異”過程。在遺傳算法中,將待優(yōu)化的問題看作一個個體,通過交叉和變異來產(chǎn)生新的個體,并使用適應(yīng)度函數(shù)來評估每個個體的優(yōu)劣程度,最終選擇適應(yīng)度最好的個體作為最終的優(yōu)化結(jié)果,工作原理如圖1所示。

圖1 遺傳算法流程圖

3.2 加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法

基于遺傳算法的加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法一般包括以下步驟:

1)確定優(yōu)化目標(biāo)和限制條件。需要明確優(yōu)化目標(biāo)和限制條件,例如最小化加工成本、最大化加工效率或最優(yōu)化加工質(zhì)量等。

2)選擇變量和編碼方式。選擇需要優(yōu)化的加工工藝參數(shù),并將其編碼成一個個體。

3)設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)。需要設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)來評估每個個體的優(yōu)劣程度,一般將加工目標(biāo)作為適應(yīng)度函數(shù)的輸入。

4)初始化種群。需要隨機(jī)生成一組個體作為初始種群。

5)選擇操作。使用選擇算子選擇適應(yīng)度較高的個體,以保留更好的個體。

6)交叉操作。將不同個體的編碼進(jìn)行交叉,以產(chǎn)生新的個體。

7)變異操作。對個體進(jìn)行變異,以增加種群的多樣性。

8)重復(fù)以上步驟。不斷重復(fù)以上步驟,直到達(dá)到預(yù)設(shè)的停止條件。

9)輸出優(yōu)化結(jié)果。選擇適應(yīng)度最好的個體作為優(yōu)化結(jié)果,輸出最優(yōu)的加工工藝參數(shù)組合。

4 結(jié)果與分析

通過對數(shù)控車削加工中的切削速度、進(jìn)給速度和刀具半徑三個參數(shù)進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化,可以得到最佳的加工工藝參數(shù)組合,以達(dá)到最小化加工成本、最大化加工效率或最優(yōu)化加工質(zhì)量等優(yōu)化目標(biāo)。試驗結(jié)果如表1所示,通過對加工工藝參數(shù)進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化,得到了不同加工工藝參數(shù)組合,并計算了相應(yīng)加工效率和加工質(zhì)量。可以看出,不同加工工藝參數(shù)組合對加工效率和加工質(zhì)量有不同影響。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,可以得出最佳加工工藝參數(shù)組合,以達(dá)到最優(yōu)化的加工效率和加工質(zhì)量。

表1 基于遺傳算法下數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)優(yōu)化

5 結(jié)語

本文通過研究數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)優(yōu)化及實驗研究,結(jié)合遺傳算法優(yōu)化加工工藝參數(shù),得出以下結(jié)論:

1)加工工藝參數(shù)對數(shù)控機(jī)床加工效率和加工質(zhì)量具有顯著影響。

2)在加工工藝參數(shù)優(yōu)化方面,遺傳算法具有較高的優(yōu)化效果,可以有效提高加工效率和加工質(zhì)量。

3)經(jīng)過試驗分析,確定了最優(yōu)加工工藝參數(shù)組合,以達(dá)到最佳的加工效率和加工質(zhì)量。

因此,在實際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)不同的加工工件和加工要求,合理選擇加工工藝參數(shù),并利用遺傳算法等優(yōu)化方法對其進(jìn)行優(yōu)化,以提高數(shù)控機(jī)床的加工效率和加工質(zhì)量。

6 展望

盡管本文在數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)優(yōu)化方面取得了一定的成果,但仍存在一些不足之處。未來的研究方向可以有以下幾點展望:

1)進(jìn)一步探究加工工藝參數(shù)對加工效率和加工質(zhì)量的影響規(guī)律,深入研究各種加工工藝參數(shù)之間的關(guān)系,以提高優(yōu)化效果。

2)開發(fā)更加高效和精準(zhǔn)的加工工藝參數(shù)優(yōu)化算法,如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化算法、遺傳算法與模擬退火算法的混合優(yōu)化算法等。

3)考慮多目標(biāo)優(yōu)化問題,以加工效率和加工質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型,并研究相應(yīng)優(yōu)化算法。

4)探究數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)與環(huán)境因素的關(guān)系,如溫度、濕度等,以便更加準(zhǔn)確地控制加工過程,并提高加工質(zhì)量和穩(wěn)定性。

總之,數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)優(yōu)化是一個不斷深入和發(fā)展的領(lǐng)域,未來的研究需要綜合運(yùn)用各種理論和方法,進(jìn)一步提高加工效率和加工質(zhì)量,以滿足不斷增長的生產(chǎn)需求。