钻削加工的优化策略研究.pdf

中 国 机 械 工 程 第 卷 第 期 年 月 下 半 月文 章 编 号 一 一 一钻 削 加 工 的 优 化 策 略 研 究魏 小 鹏 张 建 明摘 要 研 究 了 数 控 机 床 钻 削 加 工 切 肖 用 量 的 计 算 机 辅 助 优 化 。 以 最 大 生产 率 或 最 低 加 工 成 本 为 目 标 , 进 给 量 和 切 削 速 度 为 变 量 , 建 立 了 数 学 优 化 模型 。 采 用 数 学 分 析 与 图 形 表 达 相 结 合 的 确 定 性 方 法 , 开 发 了 优 化 策 略 及 相 应的 软 件 。 试 验 验 证 了 该 优 化 策 略 的 有 效 性 和 经 济 性 。关 键 词 优 化 策 略 钻 削 加 工 数 控 机 床中 图 分 类 号 , 文 献 标 识 码 魏 小 鹏 教 授加 工 过 程 中 , 合 理 切 削 用 量 的 选 择 不 仅 能 保证 加 工 质 量 , 还 能 提 高 生 产 率 和 降 低 生 产 成 本 。 尽管 人 们 很 早 就 认 识 到 切 削 用 量 优 化 的 重 要 性 , 但至 今 其 选 择 还 大 多 依 赖 于 经 验 和 手 册 。 这 虽 然 能保 证 加 工 任 务 的 有 效 完 成 , 但 却 远 不 能 达 到 最 优 。因 而 切 削 用 量 优 化 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。近 年 来 , 一 种 数 学 分 析 与 图 形 表 达 相 结 合 的确 定 性 优 化 策 略 被 应 用 于 车 削 与 铣 削 加 工 。 一 。与 其 它 数 学 规 划 方 法 一 相 比 , 这 种 方 法 不 仅 易于 获 得 全 局 最 优 解 , 且 优 化 时 间 较 短 , 非 常 适 合的 在 线 生 产 。 针 对 数 控 机 床 钻 削 加 工 , 本 文运 用 数 学 分 析 和 图 形 表 达 结 合 的 确 定 性 方 法 , 开发 了 相 应 的 优 化 策 略 , 并 通 过 试 验 验 证 了 该 策 略的 有 效 性 。优 化 策 略 。依 据 钻 削 加 工 中 切 削 速 度 计 算 公 式 , 可 导出 刀 具 寿 命 计 算 公 式 为, ” 八 。 ” , ” 、式 中 , 为 钻 头 直 径 为 切 削 速 度 为 每 转 进 给 量 、 , 和 为 常 数 。加 工 孔 深 的 切 削 时 间 。 可 近 似 表 示 为。 、 , 。 脚式 中 , 产 气将 式 和 式 代 人 式 得, , , , , 一 汤 录 “ ” 一 一 , ” , 一 一 “ 式 中 , 和 假 定 为 最 小 , 和 则 给 定 , 优 化变 量 为 每 转 进 给 量 与 切 削 速 度 。钻 削 加 工 优 化 数 学 模 型目 标 函 数以 最 大 生 产 率 和 最 低 加 工 成 本 为 目 标 , 分 别建 立 钻 削 加 工 目 标 函 数,一 , ,。 , 冬约 束 函 数主 要 考 虑 机 床 性 能 约 束 和 钻 头 强 度 约 束 。 其中 , 机 床 性 能 约 束 包 括 切 削 速 度 和 进 给 量 边 界 约束 、 最 大 轴 向 力 约 束 、 最 大 扭 矩 与 功 率 约 束 。切 月 纽 方 兔 度 边 界 约 来“ 。 。 , 二 动 、式 中 , 为 每 孔 加 工 的 平 均 总 耗 时 为 工 件 装 卸 时 间 汰为 每 孔 钻 削 时 间 为 换 刀 时 间 。 为 每 孔 有 效 钻 削 时 间为 刀 具 使 用 寿 命 。式 中 , 。 和 为 所 给 钻 头 的 切 削 速 度 边 界 。 和为 机 床 主 轴 转 速 边 界 。进 给 登 边 界 约 来几 。 爪 ,式 中 , 几 。 和 二 为 由 机 床 进 给 量 限 定 的 进 给 量 边 界 值 。一 “ , 令最 大 轴 向 刀 约 来乙 十式 中 , 为 平 均 每 孔 加 工 成 本 为 单 位 工 时 劳 力 和 管 理成 本 为 刀 具 成 本 。优 化 过 程 中 、 、 和 均 假 定 为 最 小 , 因 此 ,最 大 生 产 率 和 最 低 加 工 成 本 目 标 可 以 采 用 相 同 的收 稿 日 期 一 一 修 回 日 期 一 一基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 高 等 学 校 骨干 教 师 资 助 计 划 资 助 项 目 一 一 一 介 一 气式 中 , 介 为 轴 向 力 许 可 的 最 大 进 给 量 为 机 床 最 大 轴向 力 、 和 夕 , 为 常 数 。最 大 扭 拒 与 书 力 韦 约 洲 民当 切 削 速 度 比 较 小 时 , 为 避 免 主 轴 扭 矩 过 大 ,需 限 定 扭 矩 在 一 范 围 内 , 镇 。 。 此 时 , 对 于 任 一切 削 速 度 值 , 相 应 功 率 也 受 到 约 束 , 即 尸 成 尸 。 。 尸 ,随 着 切 削 速 度 线 性 增 加 , 当 达 到 临 界 值 。 时 有钻 削 加 工 的 优 化 策 略 研 究 魏 小 鹏 张 建 明。 一 、 。 因 此 , 在 低 速 范 围 。 内 , 扭 矩 约束 可 表 示 为尸 一 乃 儿 尸 , 一 川 一式 中 , 尸 为 切 削 功 率 。 为 低 速 区 机 床 最 大 功 率 为 主轴 转 速 、 、 、 刀 和 为 常 数 。功 率 为 尸 。 、 时 的 临 界 切 削 速 度 。 。 可 表 示 为。式 中 , 尸 、 二 为 机 床 最 大 功 率 。考 虑 切 削 速 度 。 时 , 最 大 功 率 约 束 为广 口 镇 二变 换 式 得决 面 一 上 随 值 的 增 大而 减 小 , 而 在 曲 线 决 , 了 一 。上 随 值 的 减 小 而 减 小 , 如图 中 箭 头 所 示 。 因 此 , 最 优解 , 。 位 于 曲 线 决 , 而与 决 万 “ 附 近 的 “ 高低 ” 区 域 中 。切 削 速 度 与 进 给 量 边界 约 束 分 析毋 扩 一 而图 一 图蕊 九 口钻 贬 强 度 约 束当 切 削 力 和 扭 矩 过 大 时 , 会 使 钻 头 折 断 , 因此 , 切 削 用 量 必 须 限 定 在 钻 头 强 度 的 许 可 范 围 内 。依 据 扭 矩 计 算 公 式 闭 , 切 削 力 、 扭 矩 与 切 削 速 度 无关 。 因 此 , 钻 头 强 度 只 限 定 进 给 量 的 取 值几式 中 , 九 为 钻 头 强 度 许 可 的 最 大 进 给 量 阂 。式 、 式 和 式 可 合 并 表 示 为镇 介 , 人 , 几分 析 文 献 中 的 经 验 数 据 可 得,召 刀 妻, ,优 化 分 析目 标 函 数 分 析对 式 求 偏 导 得 , 尸 , 、 ,嚣 一 茄 称 寸 言 一 , 一 一 ,分 析 切 削 速 度 和 进 给 量 边 界 约 束 , 发 现 变 量, 二 的 取 值 范 围 被 限 定 在 图 所 示 的 由 直 线一 。 、 一 二 、 一 、 。 和 一 、 围 成 的 矩 形区 域 中 。图 描 述 了 在 切 削速 度 与 进 给 量 边 界 约 束下 最 优 解 确 定 的 五 种 类型 , 图 中 黑 点 表 示 最 优解 , 箭 头 表 示 , 的 减 小方 向 。 由 于 直 线 一补 劝 ” 角 一。 二 , 几 , 二, 议议孺瑞岁 加 几 刀 , 。 公 刀。 二 、 几 、 。 介 。 。 钱 二几瑞巨瑞孺刀 皿 刀 皿 耐 一 妞玉万 脚 户仁 牛 生 一 一 一 。刀由 式 、 式 可 导 出 最 佳 刀 具 寿 命 公 式 为介 毛 。 几 。 、 介 。 汀 二 面 二图 包 含 切 削 速 度 与 进 给 边 界 的 约 束 的 一 。 图, 一 上 一, 一 上 一。一 , ” ” ,” , 由 于 界 , , 式 和 式 或 者 式 和式 不 能 同 时 成 立 , 因 此 , 没 有 唯 一 最 优 解 , 见图 , 曲 线 决 , 加 一 。 和 无 扩 一 。 没 有 交 点 。对 于 确 定 的 或 , 在 曲 线 决 加 二 或 决 。 万一 。 上 可 以 确 定 一 个 局 部 最 优 解 。 将 式 和 式分 别 代 人 式 得, 十 一 苏产 八” 一 ” 一 户 ” 一 , 一 ” ”,一 , 。 与产分 析 式念 , 一 ” 一 ” ” 一 一 ,、 一 踢 二 与 曲 线 次 万 二 的 交 点 以 及 直 线一 。 、 一 、 、 与 曲 线 决 加 一 的 交 点 都 是 局部 最 优 解 , 因 此 , 在 图 中 的 矩 形 边 界 上 , 箭 头 均 指向 了 这 些 交 点 。轴 向 力 、 转 矩 、 功 率 与 钻 头 强 度 约 束 分 析分 析 式 和 式 , 最 大 轴 向 力 、 最 大 转矩 、 最 大 功 率 和 钻 头 强 度 共 同 限 定 了 变 量 ,取 值 的 可 行 区 域 。 图 给 出 了 不 同 条 件 下 变 量 的可 行 区 域 分 布 , 图 中 的 非 阴 影 部 分 为 变 量 的 可 行域 , 黑 点 表 示 最 优 解 , 箭 头 仍 表 示 的 减 小 方 向 。替 换 式 中 的 尸 为 尸 二 , 并 代 人 式 得和 式 , 由 于 , , 在 曲 线 一 户一 呢 款 月 一 弓 宁 一 十 一 不 不 离 下 二 了 二 下产 二 尸 八 ” 中 国 机 械 工 程 第 卷 第 期 年 月 下 半 月丈鳖 丈竺 表 各 种 限 制 条 件 下 的 最 优 解又 , 丫 刃 刃 ,、 沙 而 一图 包 含 轴 向 力 、 转 矩 、 功 率 与 钻 头 强 度 约 束 的 井 图 “ , 一 、 “ 一 内 一 一 凡由 于 , , 在 曲 线 、 上 , 随值 的 增 大 而 减 小 。 对 于 直 线 一 人 , 其 与 曲 线决 , 加 的 交 点 确 定 了 局 部 最 优 解 。分 析 曲 线 决 加 一 与 曲 线 、 的 位 置 关 系 ,最 优 解 的 确 定 包 含 如 下 两 种 情 况 当 听 听时 , 最 优 解 为 人 , , 如 图 所 示 当。 时 , 最 优 解 为 九 , , 如 图 所 示 。 其 中 ,二 和 人 , 分 别 是 直 线 一 人 与 决 加 一 、。 、 曲 线 的 交 点限限 制 条 件件 最 优 解解。 、 簇 阶 。 。 蕊 几 。 、 , 。 、 ,、 、毛 肠 。 。 飞 。 、 成成 几 。 二 , 。 二二 。 、 , 。 、 ,。 、 簇 人 吕 二 。 。 , 二 成成 、 , 。 、 , 。 。 、二 。 簇 。 二 簇 左 , , 弘 。 、 , 二 。 。 。 二 。 簇 人 , 二 介 二 。 。 , 。簇 、 。 成 几几 , 巧。 簇 人 。 吕 二 。 、 簇 , , 二 , 人 , 二二二二 儿。 簇 儿 几 际 。 镇镇 几 , 人。 人 , , 、 簇 几 镇镇 二 ,介 。 , 二。 簇 吕 二 。 二 镇镇 几 , 人二 , 、回回回 人 , 无 最 优 解解妈匕 丁 万 下 下 一 下 谈 几 不 万 万八 刀 一 少 子。 一 、 八 乃 口几 厂 月佗 下 丁二 。 卜 习一 叫 卜几几优 化 策 略全 局 最 优 解 的 确 定 必 须 同 时 考 虑 所 有 的 约束 。 随 着 约 束 值 的 大 小 、 钻 头 直 径 、 孔 深 及 加 工 性能 数 据 的 变 化 , 一 图 中 的 曲 线 相 对 位 置 关 系 也发 生 变 化 , 从 而 使 最 优 解 的 位 置 发 生 改 变 。 因 此 ,必 须 确 定 所 有 可 能 的 最 优 解 位 置 分 布 情 况 及 其 相应 的 限 定 条 件 。综 合 考 虑 所 有 约 束 , 最 优 解 应 位 于 图 的 矩形 边 界 上 或 图 的 直 线 一 人 上 。 依 据 一 图中 曲 线 的 不 同 位 置 关 系 , 共 可 确 定 种 最 优 解 情况 , 对 应 有 种 限 制 条 件 , 表 列 出 了 所 有 的种 限 制 条 件 及 其 最 优 解 , 其 中 二 和 人表 示 当 一 二 和 一 二 时 在 曲 线 上 确 定的 值 、 和 人 表 示 当 一 、 和人 时 在 曲 线 决 而 一 。 上 确 定 的 值 、 。 和二 。 表 示 当 。 时 在 曲 线 决 而 一 。 和 曲线 决 , 丫 一 上 确 定 的 值 。 图 给 出 了 前 种 限制 条 件 下 的 一 图 , 图 中 黑 点 仍 表 示 最 优 解 , 箭头 表 示 的 减 小 方 向 。在 类 限 制 条 件 中 , 包 含 一 类 没 有 最 优 解 的情 况 , 此 时 , 至 少 一 个 约 束 不 能 满 足 , 因 此 , 需 要 更换 机 床 。 依 据 一 图 能 够 确 定 不 同 限 定 条 件 下的 有 效 约 束 , 如 限 制 条 件 下 的 有 效 约 束 为 主 轴最 大 转 速 约 束 与 最 大 进 给 量 约 束 , 而 限 制 条 件下 的 有 效 约 束 则 为 最 大 进 给 量 约 束 。况 “ 刀 飞飞限 制 条 件、 阵 五,湘限 制 条 件人编刀 耐 刀 二 刀 川限 制 条 件 限 制 条 件。 、 么 万 一 么 加 一图 包 含 所 有 约 束 的 一 。 图优 化 软 件 开 发依 据 上 述 优 化 策 略 , 开 发 了 数 控 机 床 钻 削 加 工优 化 软 件 模 块 。 图 是 该 软 件 模 块 的 流 程 图 。软 件 输 人 包 括 机 床 参 数 。 、 。 , 。 , 、 、 。 , 。 。 ,二 , 。 、 、 钻 头 直 径 、 加 工 孔 深 、 时 间 , 以 及 进 给 力 、 转 矩 、 功 率 、 刀 具 寿 命 公 式 要 求 的 加 工性 能 信 息 。 输 出 包 括 最 优 解 , 。 、 最 优 目 标 值。 以 及 有 效 约 束 。钻 削 加 工 的 优 化 策 略 研 究 魏 小 鹏 张 建 明对 于 具 体 的 输 人 信 息 ,通 过 判 定 所 属 的 限 制 条 件 ,能 够 确 定 最 优 解 位 置 以 及有 效 约 束 , 从 而 减 小 约 束 函数 的 规 模 , 缩 短 优 化 时 间 。 纂 。 。 眨盲 之 垫 乏试 验 分 析确确 定 最 优 解 位 置置及及 有 效 约 束束装 卸 时 间 比 例 之机 床 为 普 通 立 式 钻 床 , 图 优 化 软 件 流 程 图其 参 数 见 表 钻 头 为 高 速钢 麻 花 钻 工 件 为 碳 素 结 构 钢 , 。 一 。 为 模拟 数 控 机 床 , 不 考 虑 机 床 进 给 量 与 主 轴 转 速 的 级数 。图最 大 平 均 最 小手 册 推 荐 值 对 优 化 值 的 增 加 比 例 图表 普 通 立 式 钻 床 参 数最最 大 钻 孔 直 径最最 大 轴 向 力 尸 日传传 动 效 率率最最 大 功 率主主 轴 转 速 。 , 。 ,二主主 轴 进 给 量 。 , 。 二试 验 选 用 三 个 不 同 直 径 、 、的 钻 头 , 要 求 每 个 钻 头 、 加 工 三 个 不 同 深 度 的孔 , 并 在 不 同 的 装 卸 时 间 、 、 和 换 刀 时 间 、 、 下进 行 。 表 列 出 了 直 径 为 钻 头 、 加 工 深 度 为孔 时 的 优 化 结 果 以 及 相 应 的 手 册 推 荐 值 。表 、 一 时 的 优 化 解 与 手 册 推 荐 值结 论针 对 数 控 机 床 钻 削 加 工 , 以 最 大 生 产 率 或 最 低加 工 成 本 为 目 标 , 进 给 量 和 切 削 速 度 为 变 量 , 采 用数 学 分 析 和 图 形 的 确 定 性 方 法 , 开 发 了 相 应 的 优 化策 略 和 软 件 。通 过 试 验 对 该 优 化 策 略 进 行 了 验 证 , 与 手 册 数据 比 较 发 现 , 该 优 化 策 略 具 有 较 好 的 经 济 性 。 随 着装 卸 时 间 在 总 加 工 时 间 中 所 占 比 例 的 减 小 , 经 济 性将 更 加 突 出 。 这 对 于 以 数 控 和 柔 性 加 工 为 特 征 的 现代 制 造 业 来 说 , 具 有 更 为 重 要 的 意 义 。换换 刀 时 间 最 优 解解 手 册 推 荐 值值刀八。下 式 可 定 量 比 较 参 考 文 献 中 推 荐 数 据 得到 的 加 工 时 间 和 本 文 优 化 策 略 得 到 的 加 工 时 间箫 一 呀 丛 一 件 矛 三 “ 一 知式 中 , 叭 , 为 手 册 推 荐 数 据 得 到 的 每 孔 加 工 时 间 。 为 优 化策 略 得 到 的 每 孔 加 工 时 间 沉 为 一 时 的 每 孔 加 工 时 间 。依 据 试 验 结 果 绘 出 的 增 加 比 例 图 见 图 。 可 以看 出 , 随 着 工 件 装 卸 时 间 在 加 工 总 时 间 中 所 占 比 例的 减 小 , 对 。 的 增 加 比 例 将 增 大 。 当 时 ,对 。 的 增 加 比 例 达 到 最 大 , 平 均 增 加 比 例 为 ,增 加 范 围 为 “ 写 。以 最 低 加 工 成 本 为 目 标 进 行 了 相 同 的 试 验 分析 , 结 果 发 现 , 手 册 数 据 得 到 的 最 低 成 本 对 优 化 结果 的 增 加 比 例 最 大 达 到 。 当 时 , 平 均 增加 比 例 达 到 , 增 加 范 围 为 。参 考 文 献 一一, , , ,仁 , ,一, , ,一 ,中 国 机 械 工 程 第 卷 第 期 年 月 下 半 月文 章 编 号 一 一 一串 联 弯 曲 臂 压 电 微 电 机 驱 动 机 理 分 析 及 实 验 研 究体 建 华 邵 培 革 王 立 鼎 刘 冲摘 要 把 两 片 压 电 双 晶 片 串 联 在 一 起 , 构 成 串 联 弯 曲 臂 。 一 端 固 定 , 另 一端 自 由 时 , 在 相 位 差 为 耐 的 一 定 频 率 方 波 信 号 的 驱 动 下 , 弯 曲 臂 的 自 由 端将 形 成 类 似 椭 圆 的 运 动 轨 迹 。 以 串 联 弯 曲 臂 为 驱 动 元 件 , 可 用 来 驱 动 端 面 与其 相 接 触 的 转 子 转 动 , 构 成 串 联 弯 曲 臂 式 压 电 微 电 机 。 对 串 联 弯 曲 臂 的 驱 动机 理 进 行 了 分 析 , 在 新 的 微 小 尺 寸 驱 动 机 理 研 究 的 椭 圆 运 动 的 基 拙 上 , 研 制了 直 径 为 的 串 联 弯 曲 臂 压 电 微 电 机 样 机 , 对 样 机 的 性 能 参 数 进 行 了 测 伶 建 华 博 士 研 究 生试 , 转 速 可 达 , 转 矩 可 以 达 到 拌 。关 键 词 串 联 弯 曲 臂 压 电 微 电 机 机 理 实 验中 图 分 类 号 文 献 标 识 码压 电 型 微 电 机 是 利 用 压 电 体 的 逆 压 电 效 应 所产 生 的 微 小 位 移 和 较 大 驱 动 力 , 通 过 驱 动 装 置 定子 与 转 子 之 间 的 摩 擦 力 来 驱 动 转 子 运 转 的 微 小型 电 机 。 压 电 微 电 机 结 构 简 单 、 无 电 磁 干 扰 、 易 于微 型 化 , 适 用 于 光 学 、 电 子 、 机 械 等 诸 多 领 域 , 对其 进 一 步 微 型 化 、 薄 膜 化 , 将 使 其 在 微 电 子 机 械 系统 中 有 着 更 加 广 阔 的 应 用 前 景 , 很 可 能是 最 有 前 途 的 驱 动 器 之 一 。 美 国 和 日 本等 国 家 在 压 电 微 电 机 的 研 究 上 取 得 了 一 定 的 进展 , 但 由 于 逆 压 电 体 效 应 所 产 生 的 压 电 体 变 形 过于 微 小 , 压 电 微 电 机 的 输 出 转 矩 并 不 高 。 本 文 研 究的 串 联 弯 曲 臂 式 压 电 微 电 机 采 用 串 联 起 来 的 压 电双 晶 片 作 为 驱 动 装 置 , 有 效 地 放大 了 压 电 体 的 输 出 位 移 , 提 高 了 电 机 的 输 出 性 能 。通 过 对 典 型 样 机 的 实 验 测 试 , 验 证 了 此 驱 动 思 想的 有 效 性 。结 在 一 起 所 构 成 的 。 在 外 加 电 场 的 作 用 下 , 其 中 一片 压 电 片 伸 长 , 另 一 片 压 电 片 缩 短 , 压 电 双 晶 片 发生 弯 曲 变