（机械制造及其自动化专业论文）基于遗传算法的数控铣加工切削参数优化及仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 在机械加工工艺设计中，选择合理的切削参数对产品加工的质量、 生产率、成本、设备利用率等指标有很大的影响。 论文提出了种基于变形遗传算法的铣加工切削参数优化选择方 法，并在此基础上开发了一个在工程数据库支持下的铣削加工优选平台 来提高加工的效率、降低生产成本、提高加工件的表面质量。 其主要内容如下： l 、建立了铣削加工参数管理系统。通过分析系统的功能和流程， 建立该系统的实体一关系模型，完成铣削加工切削参数工程数据库设 计，实现对机床、毛坯和刀具等参数的管理。 2 、以金属切削加t 理论为基础，建立以切削参数为设计变量，以 机床、刀具、材料等为约束条件的优化模型，应用变形遗传算法实现铣 削加工切削参数的优化，通过与经验参数的对比，发现采用优化参数可 以得到更低的表面粗糙度、更低的加工成本和更高的加工效率。 3 、通过v e r i c u t 加工仿真验证了上述结论。通过对v e r i c u t 控制 文件进行扩展宏定义，使得几乎所有的数控机床都能在v e r i c u t 中进行 加工仿真，扩展v e r i c u t 的应用范围。 4 、采用面向对象的程序设计方法进行铣削加工切削参数优化系统 设计，系统以v c + + 6 o 为开发平台，借助于s q ls e v e r 2 0 0 0 数据库，开发 了铣加工切削参数优化系统，该系统利用变形遗传算法优化的原理，根 据刀具、材料、加工质量等条件，快捷且合理地制订出铣加工的切削速 度、每齿进给量和切削深度。 关键字工程数据库；切削速度；进给量；切削深度；遗传算法；仿真； 控制文件 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t i ti sa ni m p o r t a n ta n di m p ii c a t e dw o r kt oc h o o s et h er e a s o n a b i e m a c h i n i n gp a r a m e t e r sd u r i n gt h ed e s i g no ft h em a c h i l l i n gp r o c e s s t h ek e yi s s u e sa r et od e c i d et h e s ei n d e x e so ft h em a c h i n i n gq u a ii t y p r o d u c t i v i t y 。c o s ta n dt h eu t ii i z a t i o no fe q u i p m e n t s t h ep a p e rp r o p o s eaw a yo ft h eo p t i m i z a t i o no ft h em if li n g p a r a m e t e r sb a s e do nt h ed i s t o r t i o ng e n e t i ca i g o r i t h m s m e a n w h ii e o f f e r sapia t f o r mt og e tt h er e a s o n a bteo u t t ；n gp a r a m e t e r sf o rt h e m iiii n go p e r a t i o n sw h i c hi sg r o u n do ne n g i n e e r i n gd a t a b a s e i ti s u s e dt oim p r o v ep r o d u c tio ne f flcie n c y ，r e d u c ep r o d u c ec o s ta n d im p r o v es u r f a c eq u ai i t y m a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1e s t a bi is ht h em a n a g e m e n ts y s t e m so fmi iiin gp a r a m e t e r s b ya n a i y z i n gt h ef u n c t i o no ft h es y s t e ma n dp r o c e s s e s t h ee n t i t y m o d e ic o n v e r tt ot h er e i a t i o nm o d e i t h ed e s i g no fe n g i n e e ri n g d a t a b a s eo fm ii i i n gp a r a m e t e r sh a sb e e nc o m p i e t e db yu s i n gt h e r e l a t i o nd a t a b a s e 。f m p i e m e n t a t i o nt h em a n a g e m e n to fm a c h i n e t o o isa n dm a t e r i a ip a r a m e t e r s 2b a s e do nt h et h e o r ；e so ft h eo u t t i n gm e t a i t h es t u d yh a s d e v e i o p e dt h er e n d i t i o n a io p t i m i z a t i o nm o d e ib yt h ef u n c t i o n so f m iiii n g p a r a m e t e r so p t j l l l i z a t i o n 。t h ef u n c t i o n so ft h e c o n s t r a i n tc o n d i t i o no fm a c h i r et o o i ：c u t t i n g t o o i m a t e r i a i e t c b yc o n t r a s t in gt oe x p e rje n c ep a r a m e t e r w efin dt h a ts u r f a c e r o u g h n e s sa n dp r o d u c ec o s tpia yd o w n p r o d u c t io ne f ficie n c ys t e p u pi fw ea d o p to p t i m i z e dp a r a m e t e r 3s i m u i a t ec o n c i u s i o np r o v et r u e a i s od e p e n de x p a n d i n gm a c r o d e f j n i t i o nt ot h ec e n t r e id o c u m e n tt h a tt h ev e r l c u th a sb e e n a ir e a d yh a v e n ，c a nm a k et h ev e r i c u tc o n t r o it o o ia n dm a c hi r et o c a r r yo ns i m u i a t i o nt oa i m o s ta ii n u m b e r sr e a ii y 。e x p a n dt h es c o p e o fs i m u i a t i o n 4t h eo p t i m i z a t i o l lo ft h em iiii n gp a r a m e t e r so fam iiii n g o p e r a t io r h a sb e e nd e v eio p e da n dt h eait e r n a t ein t e r f a c e sw e r e d e v eio p e du sin gt h ep r o g r a m m in gm e t h o do fo ri e n to b j e c t w it ht h e a b o v e - m e n t i o n e d ，t h es y s t e mc a nr a p i d i ya n dr e a s o n a b i yd e c i d e t h ec u t t i n gs p e e d t h ef e e do fac u t t i n g - t o o i st o o t h t h ec u t t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1ii 页 d e p t hb yt h ec o n d i t i o no fc u r t i n gt o o i ，m a t e r i a io fw o r kp i e c e a n dt h er e q u ir e dq u a ii t yi nv c + + 6 0 t h ed a t a b a s ed e p e n d so nt h e s q ls e v e r 2 0 0 0d a t a b a s e t h eaig o rit h m sa r et h ev c g a k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gd a t a b a s e ； c u r t i n g - t o o i st o o t h ：c u t t i n gd e p t h ： c o n tr oid o c u m e n t c u r t i n gs p e e d ：t h ef e e do fa g e n e t i ca i g o t i t h m ；s i m u i a t i o n ： 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 篡嬲7 师茗 日期：凇苔、r 了 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、以金属铣削加工理论为基础，建立了以切削参数为设计变量、 以机床、刀具、材料等为优化约束条件的优化模型，应用变形遗传算法 实现了铣削加工切削参数的优化，能够得到更低的表面粗糙度、更低的 加工成本和更高的加工效率。 2 、按照v e r i c u t 提供的设定规则，对任意的数控机床的控制文件 进行自定义j 能够按照不同数控机床的要求来调用不同的宏来创建控制 文件，扩展v e r i c u t 的仿真范围。 参、删 暴s 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 机械加工切削参数优化与仿真研究的意义 在传统的机械加工中，对于单件或者小批量生产，切削参数的确定 是工艺人员通过查询机械加工工艺手册并结合已有的加工经验来完成 的。而对于成批生产，还要通过工艺实验结果，进行工艺参数的校正。 这不仅增加了工艺编制的工作量，而且，增大了生产成本，延长了生产 周期，越来越不适应当今生产的需求【6 】。针对不同企业在不同发展阶段、 不同的发展规划、不同的合同要求，需要提出不同的解决方案，增加了 企业的负担。 随着新机床、新工艺不断地出现，在确定切削参数时，没有以往的 经验数据可以利用，如果采用盲目试制的方法，不仅浪费人力、物力、 财力，而且最终的切削参数可能远远偏离实际的数值。在这种情况下， 运用优化算法的基本原理，通过对加工所需要的数据j 例如：机床数据、。 刀具信息、加工材料数据等进行选择和设定，作为确定切削参数的系统 参数，通过优化算法求解来得到合理的切削参数，能够满足现在生产的 需要。 同时，随着现代加工技术的发展，数控加工技术起着非常重要的作 用，数控加工技术涉及数控程序生成和加工仿真及数控程序优化两方 面，加工仿真是目前加工系统中能明显发挥效益的环节之一随训。在实 际加工过程中，工艺人员不仅需要考虑各种加工工艺因素，同时还要考 虑到干涉问题，机床的联动轴数，在加工过程中是否存在过切，零件与 机床是否干涉，加工参数选择是否合理等对加工过程起着非常重要作用 的现象，加工仿真对企业产品创新，及早发现问题、解决问题、缩短研 制周期、降低生产成本、提高产品竞争力具有较高的实用价值和重要意 义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 切削参数优化与加工仿真的研究现状 1 2 。1 切削参数优化与仿真系统研究的起源 大多数工厂在生产中凭经验或参考切削手册来选择切削用量，这 往往达不到切削参数的最优选择而导致资源浪费和生产率不高。因此， 科学的选择切削用量，使生产率更高、加工成本更低，加工工艺状态最 好、经济效益最佳成为重点追求的目标u w 。 自从2 0 世纪5 0 年代麻省理工学院设计a p t ( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m e dt o o l s ) 数控语言后，加工仿真及数控程序优化就成为加工 过程中一个必不可少的环节。在加工过程中，为确保数控程序的正确性， 防止加工过程中干涉和碰撞的发生，常采用试切削的方法进行检验。但 这种方法费工费料，代价昂贵，使生产成本上升，增加了产品加工时间 和生产周期。后来又采用轨迹显示法，即用划针或者笔代替刀具，以着 色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形( 也可以显示二维半 的加工轨迹) ，但该法有相当大的局限性。对于工件的三维或者多维加 工，也有用易切削的材料代替工件( 如石蜡，木料，改性树脂或塑料等) 来检验加工的切削轨趔彻。但是，试切要占用数控机床和加工现场。为 此，人们一直在研究能逐步代替试切削的计算机仿真方法，并在试切环 境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向 提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发 展。 8 0 年代以来，数控程序优化及虚拟仿真技术有了快速的发展，目前 大多数c a d c a m 软件都带有自己的数控程序优化及仿真系统，主要有美 国的c g t e c h 公司的v e r i c u t 、美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g i i 、美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 的 p r o e n g i n e e r 系统、美国c i v cs o f t w a r e 公司的m a s t e r c a m 等。其中 美国c g t e c h 公司的v e r i c u t 应用比较广泛，具有较强的n c 程序的切削 参数优化功能和仿真功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 2 切削参数优化与仿真系统研究的现状 在数控程序优化方面，先进的工业国家早在上世纪七十年代就开始 对数控切削参数的优化进行研究，并建立了切削参数库，如美国早在 1 9 6 4 年成立了可切削性数据中心，建立了切削加工数据库，大大提高 了美国数控加工工艺水平；日本近年来也建立了数据大，适应性好的切 削数据库；德国则建立了大而全的综合性切削数据库。这些数据库的建 立对切削参数的选择起到了很好的辅助作用。 国外在n c 加工过程仿真方面也做了大量的研究工作，多侧重于刀具 轨迹的显示。日本索尼公司( s o n yc o o p e r a t i o n ) 研制的f r e d a m 系统可 以对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，重点显示三维刀具轨迹与零 件模型，以避免精加工时的刀具碰撞磕羽；美国n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r dt e c h n o l o g y 提出针对腔铣削的三维零件的加工轨迹算法及显 示并检查了刀具接触角；意大利b o l o g n a 大学用b 样条曲面建立端铣刀 与工作台模型，采用真实图形显示三轴铣床粗铣加工过程嘟1 ；在集成了 可视交互建模( v i m ) 和可视交互仿真( v l s ) 技术的基础上，日本的 h i r o s h i m ad e n k it 学院引入了面向对象数据结构，可视化设计和智能 管理概念并开发了一种v m s s 系统，它可有效地进行f m s 建模，降低f m s 开发费用瞄引；德国提出的采用c o s i m a 图形仿真系统，能够识别程序中的 大部分几种图形错误，从而改善n c 编程质量，大大缩短机床上的装机调 试时间，既适用通用的n c 加工，也适用柔性制造系统的仿真瞰1 。 我国对切削参数优化是从2 0 世纪8 0 年代开始的，切削数据库的建 立亦是从那时候开始的，国内成都刀具研究所、南京航空航天大学、西 北工业大学、上海工业大学、山东大学、北京理工大学等单位，在切削 参数优化及切削数据库方面开展了一些研究工作。我国开展数控加工图 形验证技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末，现在已有了很大的进步和发 展，如华中理工大学和清华大学合作研制的加工过程仿真器m p s ，由哈 尔滨工业大学在国防科工委“八五 科研项目柔性制造系统f m s 关键技 术研究计划支持下开发的数控加工过程三维动态图形仿真器n c - m p s 等 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 删。但以上所开发系统中刀具真实图形显示还未达到理想水平，精度检 验的能力较低，且皆以工作站为硬件基础。这种功能上的局限性和运行 软件所需要的昂贵硬件投资限制了软件系统的推广应用。为解决此问题， 哈尔滨工业大学刘华明教授开发了一套基于微机的复杂曲面数控加工 仿真验证软件包，该系统是在自己独有的复杂曲面离散技术的基础上构 建的脚3 。这种技术极大地降低了仿真验证系统对硬件的要求，即使在n c 程序验证过程中，用户也可以随意选择任意角度观察加工过程，使加工 精度验证能够以一种更加简单的方法实现。另外该系统的开发是以c o m 技术为基础的，系统的各项功能皆以组件的形式存在，使系统更便于维 护和升级换代哺。 在数控编程加工领域，国外加工数控程序优化及仿真系统出现得较 早，开发和应用的时间也较长，发展比较成熟，占据绝大多数数控市场。 因此，国内的数控程序优化及仿真系统还有很长的一段路要走。 1 2 3 切削参数优化与仿真系统研究面临的问题 在数控程序优化及加工仿真过程中，由于切削加工系统的复杂性， 至今对切削加工的机理的研究仍没有完全解决，使得数控程序优化及加 工过程仿真还不成熟，主要存在以下问题： a ) 数据库创建的不完善，现在的机床数据库、刀具数据库、材料数据 库、切削液数据库等数据不全，对系统的可扩展性有很大的影响，导致 系统的底层数据不完善。 b ) 优化结果不能达到最佳，有些数控程序优化算法结果比较好，但是 算法比较复杂，可塑性较差，不能很好的解决优化程序的目的，导致在 加工过程中不能很好的实现优化目的。 c ) 控制文件与现实的数控系统脱节：现在的数控机床比较繁多，种类 比较齐全，大部分数控仿真软件不能够提供全部的数控系统的控制文 件，只能采用类似的控制文件，所以就容易导致仿真过程不合理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 课题的研究内容 为了提高我国数控加工技术的发展，更大限度的提高机床的加工质 量和加工效率，针对现有的研究状况和不足，来解决现代数控的程序优 化和仿真问题，对上述问题做了研究，提出以下凡部分内容： 1 、借助于s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库，创建机床数据库( 行程、转速、 功率、能达到的加工质量) 、工件数据库( 材料强度、材料硬度、毛坯 表面质量、熟处理状态、加工质量要求) 、刀具数据库( 刀具材料、刀 具切削部位尺寸、实际刀齿数、刀具结构形式等) 等必要的数据库，以 便在后续的切削参数优化过程中进行调用。 2 、建立优化设计数学模型，以切削速度、进给量( 每齿进给量) 、 背吃刀量为设计变量，以最高生产率、最低成本率、最大利润率、综合 评价法为目标函数，以切削功率、表面粗糙度、切削进给力、系统最大 弹性变量、加工时的进给量、切削速度等为约束条件。采用遗传算法的 基本原理，创建人机交互界面输入机床、刀具、工件等参数，利用已定 义的约束条件随机产生初始设计参数的群种，通过目标函数的约束进行 选择、交叉、变异的过程来产生最优解，达到切削参数优化的目的。拟 用v c + + 开发工具来实现切削参数的优化。 3 、仿真一个零件的五轴联动加工过程。创建自己的夹具库，刀具 库文件。并通过对v e r i c u t 已经有的控制文件进行扩展宏定义，使得 v e r i c u t 能够对几乎所有的数控机床进行仿真，扩展了v e r i c u t 的 仿真范围，同时通过仿真优化后的切削参数来验证其优越性 4 、开发切削参数优化系统。该系统具有数据库的管理和切削参数 优化两方面的功能。设计友好的入机交互界面，借助s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库，便于用户创建、维护和使用与切削参数相关的机床、刀具和工 件材料等数据；采用变形遗传算法实现对切削参数的优化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章铣削加工工艺数据库系统设计 在本章中，通过对铣削加工切削参数优化过程中需要的各种信息进 行分析，按照关系数据库原理，根据设计铣削加工切削的实体模型建立 其关系模型，以通用的商用数据库管理系统s q ls e v e r 2 0 0 0 作为支撑， 完成铣削加工切削数据库系统的设计。 2 1 铣削加工工艺数据库系统设计 2 1 1铣削加工工艺数据库系统设计思想 铣削加工工艺数据库系统是为机械加工工艺人员设计的，这就要求 该数据库系统能够具有用户查询、管理等几方面的功能。首先，用户可 以根据实际的加工要求，从数据库系统中查询到需要的工件材料信息、 刀具信息、机床信息及切削液信息等；其次，该系统还应该具有数据库 管理功能用户通过登录可以对数据库中的数据进行管理。另外，对于 数据库中没有满足用户的数据时，可以由用户人为的填入所需信息。 2 1 2 铣削加工工艺数据库系统功能模块划分 根据数据库系统总体设计思想的分析，该系统由以下部分组成： 连接模块：用于连接服务器。 查询模块：用于查询用户需要的工件材料信息、刀具信息、机 床信息及切削液信息等。 管理模块：用于管理数据库中的数据。 登陆模块：用于用户登录。 系统的总体功能模块如图2 1 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 - i铣削加工工艺数据库功能模块 2 1 3 铣削加工工艺数据库系统流程设计 根据数据库系统设计思想、功能，得出铣削加工工艺数据库的设计 流程图如图2 - 2 所示( 以更新数据库信息为例) 。 图2 - 2 更新数据库流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 铣削加工工艺后台数据库设计 数据库设计是一个非常复杂的过程，其间往往需要经过多次试探、 反复，有时还需要进行目标分解，最终才能得到比较满意的结果。数据 库设计的基本步骤如图2 - 3 所示，首先对信息需求和处理需求进行分 析，得出需求说明，需求说明是数据库设计的依据，主要包括对数据库 所涉及的各项数据及其特征的描述以及对数据量和使用频率的估计。第 二步是概念设计，其目的就是结合信息要求和处理要求，把需求说明中 的数据及其相互间的关系表示成与数据库管理系统( d b m s ) 无关的概念 设计模型。第三步是逻辑设计，逻辑设计的目的是把前一步得到的概念 数据模型表示成具体的d b m s 支持的数据外模式和概念模型，再结合处 理需求，设计出数据库相应的典型应用程序。最后一步就是物理设计， 目的是结合处理需求、d b m s 的特点及计算机硬件和操作系统的特性， 设计出数据的内模式，即数据在计算机中的存储形式和存取路线等洲。 物理设计的目标是提高数据库的性能，节省存储量。由于目前计算机系 统的存储容量已经足够大，提高数据库性能成为了物理设计的主要目 标。而数据又必须通过d b m s 进行存取处理，所以物理设计的过程主要 是充分利用具体的d b m s 提供的各种手段，以尽量提高数据库的性能。 该铣削加工工艺数据库系统采用基于e - r 模型的数据库设计方法， 由于采用现成的数据库管理系统，可以不考虑其物理设计。所建立的铣 削加工工程数据库以微软公司的s q ls e r v e r2 0 0 0 为底层的支撑环 境，使用数据操纵语言的方法，进行数据的查询、更新，达到实现铣削 加工切削参数优化选择的目的。也就是在使用铣削加工切削参数工程数 据库时，通过编写的程序与数据库连接，在程序运行时由程序自动从数 据库中读取、存储数据，这种方法能掩蔽算法实现，加强可操作性与通 用性【1 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 用户登陆处理需求 图2 - 3 数据库设计 2 2 1 铣削加工工艺数据库需求分析 数据需求分析是设计数据库的起点，需求分析的任务是详细调查现 实世界要处理的对象，充分了解计算机系统工作概况，明确用户的各种 需求，然后在此基础上实现数据库系统的功能畔l 。 铣削加工工艺数据库是铣削参数优化系统的数据管理支撑环境和 数据仓库，主要为其提供切削数据。根据系统设计思想的分析，以及对 数据库的调研，可以得出铣削加工工艺数据库具体需求。 进行铣削加工工艺数据库设计时，为了满足系统的功能要求，该数 据库的内容应该包括：工件材料表、刀具数据表、切削液数据表、公式 参数表、临时数据表、机床数据表、经验数据表等多种信息表。各个数 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 据表是系统相应功能模块实现的基础。例如，在对切削参数进行优化前， 必须对一些优化所需要的参数首先设定，在进行切削参数优化时能够直 接进行调用，这样不但会缩短优化时参数设定的时间，而且能够节省劳 动量。 从上面的分析可以看出，切削加工工艺数据库包括切削加工数据、 材料性能数据、管理信息数据、机床信息数据、刀具数据、切削液数据 等。这些数据的特点是量大、种类多、结构复杂。通过这些数据表的创 建能够满足切削参数优化系统的实际需求，能够对其提供全面的数据支 持。 2 2 2 铣削加工工艺数据库概念设计 数据库概念设计的目标，就是用与数据库管理系统( d b m s ) 无关的概 念数据模型，把数据库系统所需要处理的数据及其相互间的关系表示成 用户和数据库设计者都能理解的全局数据模式。通常使用实体一关系模 型( e n t i t y - r e l a t i o n s h i pm o d e l ，简称e r 模型) 作为数据库概念设计 的数据模型。实体一关系模型以长方形表示实体，以椭圆表示实体的属 性，以菱形表示实体之间的联系。建立实体关系模型的关键在于正确 划分实体属性和实体间的关系。可以确定的实体有工件材料、刀具、机 床、切削液、加工方式等，每个实体有很多属性。 通过对系统的总体分析和数据库需求分析，可以得到铣削加工工艺 数据库大概的e - r 模型，如下： i 工件材料切削性能( 挝挝蝗曼：硬度、毛坯表面状态、表面粗糙度、 加工精度、余量等) ； 2 刀具信息( 蛆、刀具型号、材料硬度、刀具前角、刀具后角、t 刀具主偏角、刀具副偏角、刀具理论耐用度、刀具直径、刀具实际齿数 等) ； 3 计算公式( 蛆、刀具材料、刀具类型、工件材料、机床型号、 耐用度指数、切削力计算系数、切深指数、每齿进给量指数、顺铣影响 西南交通大学硕士研究生学位论文 第”页 _ _ l 一_ 一l 一一一_ - 一- _ _ - _ _ _ 一 系数、逆铣影响系数等) ； 4 机床信息( 扭压型曼：主电机功率、铣床的行程、铣床的进给速 度、可达粗糙度、主轴转速、电机扭矩、重量等) ； 5 切削液信息( 翅岜i 速垒趁、使用状态、编号等) a 各个表之间的联系如图2 4 所示 公式系数表 l 机床型号 曰l i d 号 工件材料 刀具类型 刀具材料 切削力影响系数 切削深度系数 每齿进给量系数 切削速度系数 顺铣影响系数 逆铣影响系数! 机床表 露i 机床型号 f 可达租糙度 j 机床总功率 _ j 电机功率 j 纵向进给速度 _ j 纵向行程 - j 主轴最高转速 - j 主轴最低转速 - j 横向行程 _ j 竖向行程 图2 4 部分数据表关系图 综合以上的分析，便可以得到整个系统的实体模型，如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 6 ，上f f 、， 、硬度 | 弋蓥酬、 i ，瓤 一、_ 齐 e 床的筑 轴转砂厢蕊 t 釜话蔷五 ：件一加工万式一帆旅一 其一切创罐一切鲋周量 e 廉的建 培建度 罗有西砺 癣 7 碴西悭，迎纠恻蜮固 图2 5 切削参数的实体模型 2 2 3 铣削加工工艺数据库逻辑设计 潞 咆 u 僬 恭苎l 夕 数据库逻辑设计的目的就是对概念设计得到的全局数据模型进行 综合，得到数据库的逻辑数据模型。 根据上节的数据库概念设计，数据库由以下几个表组成：工件材料 表、刀具信息表、机床信息表、切削液表、公式数据表和经验数据表等。 以机床信息为例来说明其表的建立。 表2 - 1 机床数据表 字段名数据类型长度( 字节)必添字段主键 铣床型号 v a r c h a r5 0yy 可达粗糙度 f l o a t8yn 总功率 f l o a t8yn 纵向行程 i n t4yn 横向行程 i n t4y n 竖向行程 i n t4y n 横向进给速度最小值 i n t4yn 勖喝 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 横向进给速度最大值 i n t 4y n 竖向进给速度最大值 i n t 4yn 竖向进给速度最小值 i n t4 yn 纵向进给速度最小值 i n t4y n 纵向进给速度最大值 i n t 4yn 主轴锥孔 c h a r5 3 nn 定位精度 f l o a t 8nn 进给电机扭矩x f l o a t8nn 进给电机扭矩y f l o a t 8nn 进给电机扭矩z f l o a t 8nn 冷却泵 f l o a t 8nn 机床重量 f l o a t 8nn 工作台 c h a r5 3 nn 在机床数据表中，由于每种机床的型号都不同，具有唯一性，故采 用机床型号作为主键。 2 3a d o 数据库访问技术 a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) 是一个用于存取数据源的c o m 组件。 它提供了编程语言和统一数据访问方式o l e 鹏的一个中间层，允许开 发人员编写访问数据的代码不用关心数据库是如何实现的，只用关心数 据库的连接。下面说明数据库的数据对象及如何实现数据库的连接。 ( 1 ) a d o 数据模型 a d o 数据对象由七种独立对象组成： 连接对象( c o n n e c t i o n ) ：用于表示与数据源的连接，以及处理一些 命令和事务。通过连接可从应用程序中访问数据库，连接对象是交换数 据所必需的环境【1 2 1 。 命令对象( c o m m a n d ) ：通过已建立的连接发出的命令可以以某种方 式来操作数据库，命令可以在数据源中增加、删除、修改数据，或者检 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 索数据。 记录集对象( r e 屺, o r d s e t ) ：用于表示从数据源中返回的表格数据，它 封装了记录集合的导航、记录更新、记录删除和新记录的添加等方法， 还提供了批量更新记录的能力。 域对象( f i e l d ) ：代表一个记录集中的一个域。 参数对象( p a r a m e t e r ) ：代表s o l 存储过程或查询中的一个参数。 属性对象( p o r p e r t y ) ：代表数据提供者的具体属性。 错误对象( ( e r r o r ) ：代表a d o 错误 上述七种对象中，创建连接对象、命令对象和记录集对象是a d o 开发数据库应用程序必不可少的过程【1 2 1 。 ( 2 ) 用a d o 访问s q l s e r v e r2 0 0 0 数据库 下面具体说明a d o 访问s q l s e r v e r2 0 0 0 数据库的步骤： 在默认情况下，v i s u a lc + + 不支持a d o 对象。要在程序中使 用a d o 对象，需要使用# i m p o r t 命令将a d o 库文件导入到工程中， 代码如下： # i m p o r t ”c ：w r o g r a mf i l e s c o m m o nf i l e s s y s t e m a d o s a d 0 1 5 d l l ”。 n o _ n a r n e s p a c er e n a m e ( ”e o f ”，”a d o e o f ”) r e n a m e ( ”b o f ”，a d o b o f ”) 连接数据库过程 初始化0 u 淝o m 库环境 ：c o i n i t i a l i z e ( n u l l ) ； t r y 创建c o n n e c t i o n 对象 m _ p c o n n e c t i o n c r e a t e i n s t a n c e ( a d o d b c o n n e c t i o n ”) ； 设置连接字符串，必须是b s t r 型或者_ b s t r t 类型 _ b s t r t s t r c o n n e c t = ”p r 0 v i d e r = s q l o l e d b 1 ；i n t e g r a t e d s e c u r i t y = s s p i ；p e f s i s ts e c u r i t y i n f o = f a l s e ；l n i t i a l c a t a l o g = u s e r l n f o ；d a t as o u r c e = a d m t r i 一0 7 ”； m _ _ p c o n n e c t i o n o p e n ( s t r c o n n e c t , t ! t f t ! ! l a d m o d e u n k n o w n ) ； 捕捉异常 c a t c h ( _ c o m _ e r r o re ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 显示错误信息 a f x m e s s a g e b o x ( e d e s c r i p t i o n 0 ) ； 执行查询功能 t r y 连接数据库，如果c o n n e c t i o n 对象为空，则重新连接数 据库 i f ( m _ p c o n n e c t i o n = = n u l l ) o n i n i t a d o c o n n 0 ； m _ p r e c o r d s e t c r e a t e l n s t a n c e ( - _ u u i d o f ( r e c o r d s e t ) ) ； 取得表中的记录 m _ p r e c o r d s e t 一 o p e n ( b s t r s q l , m _ p c o n n e c t i o n g e t i n t e r f a c e p t r 0 ，a d o p e n d y n a m i c ，a d l _ a ) c k o p t i r a i s t i c ，a d c m d t e x t ) ； 断开数据库 关闭记录集和连接 i f ( m _ p r e c o r d s e t ! = n u l l ) m _ p r e c o r d s e t - c l o s e o ； m _ _ p c o n n e c t i o n - c l o s e o ； 释放环境 ：c o u n i n i t i a l i z e o ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章基于v c g a 的铣削加工切削参数优化研究 切削用量的优化实质上是一个复杂的非线性规划问题 3 1 1 ，优化算法 就是要通过一定的途径和规则来得到满足用户要求的问题的解f 3 2 】。本章 根据最优化原理，建立切削参数的优化数学模型，包括优化目标函数及 相应的约束条件函数，并根据切削参数数学模型的性质采用合理的优化 方法进行求解，得到最优的切削加工参数。 3 1 优化理论在制造界的作用 优化理论及方法的起源可以追溯到微积分诞生的年代。然而，直到 本世纪三四十年代，由于军事、航天等方面的需要，才使得它得到了蓬 勃的发展。后来由于电子计算机的问世，使得进行优化的费用大幅度下 降，于是基于迭代原理的各种数值方法如单纯形法、共扼方向法、惩罚 函数法等得以产生并在工业生产、经济等领域得到了广泛的应用，现在 各种智能优化方法己得到人们越来越多的关注1 4 3 】。 优化理论与现代计算机技术的有机结合在解决实际问题，尤其是工 程实际问题中日益发挥出强大的威力【4 1 1 。计算机技术的飞速发展使得优 化理论、方法及技术已扩展到很多领域，创造了巨大的经济和社会效益， 并不断向广度和深度方向扩展，受到了学术界和工业界越来越多的重 视。7 0 年代以来，随着计算机软、硬件方面研究的显著进展以及数学 领域内的不断创新，计算机辅助设计、计算机仿真、计算机控制和人工 智能等技术在制造业中的普及和发展，优化理论和技术在制造业中的应 用也达到了前所未有的水平。 利用最优化方法进行优化的步骤可概括为【3 3 】： ( 1 ) 将优化问题的物理模型转变为数学模型。其中包括根据实际 要求确定设计目标，建立目标函数；确定设计的约束条件，并以函数的 形式表示t 同时在建立数学模型时，要确定设计过程中的合理参数作为 设计变量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 ( 2 ) 根据数学模型的性质，选择合适的优化算法，编制计算程序， 由计算机进行自动寻优计算以求得最优解。 ( 3 ) 对计算结果进行分析判断，得出最优设计方案。 比如在机械制造领域，随着计算机技术的发展，现代计算机数控 ( c n c ) 系统的功能已日益完善，到目前为止，已发展到不仅能对加工的 实际工艺状况进行在线检测，而且能够根据切削条件选择最佳的切削参 数，自动调整并保持最优的加工状况。自适应控制在金属切削加工过程 中的应用，使得数控加工系统可以根据工件材料、硬度、切削热及刀具 磨损状况自动调整主轴转速和进给量，从而在保证加工精度的基础上获 得最大的材料切除率。另外神经网络等较新的技术也在机械加工中的切 削加工参数多目标优化等方面得以应用。 3 。2 基于二进制编码的变形遗传算法( v c g a ) 3 2 1 变形遗传算法概述 3 2 1 1 遗传算法( g a ) 简介 g a 是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 研究领域中一 个正在迅速发展的分支学科，是1 9 6 2 年美国m i c h i g a n 大学j o h nh h o l l a n d 教授发现的，它按照类似活的有机体的自然选择( s e l e c t i o n ) 和杂 交( c r o s s o v e r ) 自然进化( n a t u r a le v o l u t i o n ) 方式，编制的计算机程序 能够解决复杂的优化问题，这类新的优化方法就是遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称g a ) ，又称基因算法删。 遗传算法是从一组随机产生的称为种群( p o p u l a t i o n ) 的初始解开 始搜索过程，种群中的每个个体是问题的一个解，称为染色体 ( c h r o m o s o m e ) ，染色体是一串符号，这些染色体在后续迭代中不断进 化，在每一代中用适值( f i t n e s s ) 来测量染色体的好坏，生成的下一代 染色体，称为后代( o f f s p r i n g ) ，后代是由前一代染色体通过交叉 ( c r o s s o v e r ) 或者变异( m u t a t i o n ) 运算形成的，新一代形成中，根据适 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 值的大小选择部分后代，淘汰部分后代，从而保持种群大小是常数，适 值高的染色体被选中的概率较高，具体说来，懿把一族随机生成的可行 解作为父代群体，把适应度函数( 目标函数或它的一种变换形式) 作为父 代个体适应环境能力的度量，经选择、杂交生成子代个体，后者再经变 异，优胜劣汰，如此反复进行迭代，使个体的适应能力不断提高，优秀 个体不断向最优点逼近。这样，经过若干代之后，算法收敛于最好的染 色体，它可能就是问题的最优解或次优解嘲。 和传统搜索算法比较，遗传算法具有如下显著特点嘲： 一是适应性强：g a 只要求优化问题是可计算的，对搜索空间没有任 何特殊要求。 二是全局优化：g a 是多点、多路径搜索寻优，且路径之间有信息交 换，而不是单点、单路径“登山 。 三是编码特征：g a 通过编码将优化变量转换成与