（航空宇航制造工程专业论文）基于退火遗传算法的起落架切削参数优化研究.pdf

西j e 王些盍堂砝生毽监窑 摘要 本文结合某重点型号军机起落架切削参数优化专用系统的开发，对起落架建 模和加工中的一些关键技术进行了研究。主要关键技术包括参数化特征建模、数 控加工切削参数优化、刀具轨迹规划等。采用这些技术，提高了起落架建模和加 工的效率、质量和智能化水平。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 数控3 n t 切削参数的优化。建立了优化目标函数的数学模型，通过对遗 传算法和模拟退火算法各自特点的分析比较，遗传算法具有很强的全局搜索能力 以及通用性强等诸多优点，而模拟退火算法也具有自身的优点，最后结合了两算 法的优点，采用退火遗传算法，对切削参数进行了分析计算，给出了优化结果， 通过实验验证，可知，利用退火遗传算法可取得了良好的效果。 ( 2 ) 切削参数优化系统软件设计。通过对总体设计方案的分析以及实际情况 的调研，论文采用自顶向下的分析方式，给出了方案的总体规划，对系统设计的 各子模块也进行了简要分析说明，最后给出了主要的系统软件界面。本系统软件 具有结构清晰，安全性强，易于维护等特点。 关键词：起落架遗传算法切削参数优化 酉j e 兰些盍堂亟堂焦盐塞 a b s t r a c t t h i st h e s i sa i m st os t u d ys o m ek e yt e c h n o l o g i e si nm o d e l i n ga n dp r o c e s s i n gt h e u n d e r c a r r i a g e ，c o m b i n i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ec a d c a ms p e c i a ls y s t e mi nt h e u n d e r c a r r i a g e o fac e r t a i n i m p o r t a n tm i l i t a r ya i r c r a f t a d o p t i n g t h em a i nk e y t e c h n o l o g i e si n c l u d i n gf e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g 、o p t i m i z a t i o no f c u t t i n gp a r a m e t e r 、 l a y o u to ft h ec u t t e r st r a c k se t c i su s e f u lt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y , q u a l i t ya n d i n t e l l i g e n tl e v e li nm o d e l i n gt h eu n d e r c a r r i a g e t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i si sc o m p o s e do f t h et w o f o l l o w i n gp a r t s ： o p t i m i z a t i o no fc u t t i n gp a r a m e t e rw i t ht h en cm a c h i n i n g t h em a t h e m a t i c s m o d e lw i l lb ee s t a b l i s h e da b o u tt h eo p t i m i z e dg o a lf u n c t i o n ，t h e na n a l y z i n gt h e f e a t u r e sw i t ht h eg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dt h es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m s w el e a r n a b o u tt h e i rm e r i t ，g e n e t i ca i g o r i t h m sa l ep r o v i d e dw i t ht h ew h o l es e a r c h f i n a l l yw e c o m b i n et h ee a c hm e r i tw i mt h et w oa l g o r i t h m w ed e c i d e dt ou s et h ea n n e a l i n g g e n e t i ca l g o r i t h m s w i t ht h i sa l g o r i t h mw ea n a l y z ea n dc o m p u t et h ec u t t i n gp a r a m e t e r , a n dr e c e i v et h eg o o dr e s u l t t h r o u g ht h er e s u l t ，w ek n o wt h a tt h eg o o dp u r p o s ec a l lb e g e tw i t hu s i n gt h ea n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m s d e s i g na b o u tt h es o f t w a r es y s t e mo fc u t t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n w ed e s i g n t h es c h e m ea b o u tt h es o f t w a r ea f t e ra n a l y z i n gt h er e q u e s ta n dr e s e a r c h i n gt h ei n s t a n c e i np r a c t i c e t h et h e s i sa d o p t st h em o d ef r o mt o pt ob o t t o m ，g i v eo u tt h ew h o l el a y o u t ， d e s c r i b e se a c hm o d u l eu s i n gt h eb r i e fw o r d i nt h ee n d ，s h o wt h ep r i m a r yw i n d o wo f s y s t e ms o f t w a r e t h e s t r u c t u r eo ft h i ss o f t w a r ei s p e r s p i c u i t y i t ss e c u r i t y i s g o o d m a i n t e n a n c ei sc o n v e n i e n ta n de a s y k e yw o r d s ：u n d e r c a r r i a g e ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ，o p t i m i z a t i o no f c u t t i n gp a r a m e t e r i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可阻将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：i 盘：扭 叫口7 年月留日 指导教师签名 夕矿叨年5 月嘶 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导。f 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学能论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：谴：! ：生墨 1 7 年岁月够e t 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 数控切削加工工艺参数是数控切削加工过程中的基本控制量。数控切削加工 工艺参数的优化是数控切削加工工艺过程优化的基础，它不仅决定着数控加工技 术的水平和效率，也决定着产品的制造质量和使用效果。工艺参数优化系统以提 高数控切削加工效率、降低加工成本，获得高质量的产品为目的，进行数控切削 加工工艺参数优化的研究，具有重要的现实意义和深远的历史意义。数控加工的 不断变革和创新，也将给国民经济带来巨大的效益。 在数控加工中，正确合理地选择切削参数对确保产品质量、提高生产率、降 低生产成本起着十分重要的作用。目前，大多数工厂在生产中凭经验或参考切削 参数手册来选择切削参数，这往往达不到切削参数的最优选。切削参数的选择是 制定机械零件加工工艺的一个重要方面，选择的恰当与否，将直接影响到成本的 质量、生产率、加工成本等，然而由于影响切削参数的因素繁多，影响因素之间 又相互交叉、相互制约，因而确定最佳的切削参数较为困难。随着各种新加工材 料的不断涌现，以及数控加工机床、加工中心和柔性制造系统的广泛应用，仅依 靠个人经验来确定切削参数己远不能适应时代的发展。而运用现代切削理论、数 学建模和模型分析方法寻求切削参数的最优组合，则是切削参数优化的一个重要 发展方向。 金属切削加工参数中包括三要素：切削速度、进给量和背吃刀量，该三要素 是切削加工中最活跃的因素，它们是数控切削加工的基本控制量。如果选择不当， 不仅难以保证工件加工精度及控制加工成本，而且可能因切削力过大等原因造成 机床被迫停机，影响数控机床效能的正常发挥。切削加工中，优化选择切削参数 的问题已成为现代化机械制造业中极为重要的经济问题之一。因此，以提高数控 切削加工效率、降低加工成本、获得高质量产品为目的而进行的数控切削参数优 化研究，对提高数控加工经济效益具有重要意义。 本课题在数控切削加工参数优化方面主要进行了基于数控加工参数优化的 过程及方法的研究不仅对数控工艺参数优化专家系统进行了补充和完善，而且也 是建立金属切削数据库的重要组成部分。 1 2 数控加工技术概述及国内外发展现状 国外十分重视数控加工技术的研究。日本自7 0 年代起便把许多精力投入到数 控加工技术的开发和应用上，并取得了巨大的经济效益。近年来由于国际市场的 竞争日益激烈，工业发达国家纷纷投入巨资发展数控加工技术，并取得了丰硕的 研究成果。早期各国切削数据通常依据切削手册、生产实践资料和切削是验来确 定。切削手册上的数据来源最广泛，条理性一般较强，但针对性和准确性较差， 通过查阅切削手册来获得数据，在信息量和方法的先进性上都非常不足；生产实 践资料对具体应用企业而言，针对性较强，但数据太分散，缺乏规律性；而且试 验条件与生产现场条件往往差别较大。按照这种方法选择的切削参数虽然是可行 的，而且也具有一定的优化性，但往往由于不是最佳的数值而导致资源浪费和生 产效率不高【1 1 。 我国数控加工技术方面的研究工作自“七五”以来取得了一大批研究成果。 在我国数控加工自动化工艺设计方面，我国学者从零件特征信息的获取、表达、 输入到多工艺方案的设计与决策等各方面开展了大量的研究工作。目前。主要在 曲面造型、刀位规划、刀位仿真、干涉检查等方面取得了较多的成果。自主开发 出了一批软件系统，其中有些系统已接近国际先进水平，投入市场并在生产中发 挥了重大作用。虽然我国的数控加工技术有了较大的发展，但与世界先进水平相 比仍有很大差距。一方面国内还没有比较成熟、功能全、适应性能强的数控加工 系统。另一方面表现在应用水平落后，不仅绝大多数生产厂家主要依靠国外引进 软件进行复杂曲面的多坐标数控加工，而且还表现在数控加工效率低，加工表面 质量差等方面。数控切削加工工艺参数的选择仍主要以经验判断为主，在一定程 度上制约了数控加工技术的发展。 对于国外的现状，自上世纪九十年代以来，国外数控切削加工呈现出高速、 高效、高精、优化等重要特点。近年来，美、日、欧加快了对高速切削技术的研 究，其主要发展有以下几个方面：( 1 ) 机床床身结构进一步优化。( 2 ) 电主轴技 术及其产品的专业化生产。高性能的电主轴是实现高速切削的基础，要求具有很 高的转速及相应的功率和扭矩( 3 ) 快速进给系统。其直线电机驱动实现了无接 触直接驱动，避免了传动环节带来的累计误差，可获得高精度的高速移动及稳定 性。( 4 ) 目前最先进的数控系统已经实现了五轴联动，甚至六轴五联动，多c p u ， 数据块的处理不超过0 4 m s ，并且具有瓜b s 曲线插补功能( 4 ) 刀具的材料和 技术的发展也是高速切削得以实现的重要因素。( 5 ) 高速切削工艺。 2 1 2 1 数控加工特点与应用 数控加工是采用数字信息对零件过程进行定义，并控制机床进行自动运行的 一种自动化加工方法，它有以下几个方面的特点：( i ) 具有复杂形状加工能力( 2 ) 高质量( 3 ) 高效率( 4 ) 高柔性。 目前的数控加工主要应用于以下两个方面：第一个方面的应用是常规零件加 工。如二维车削、箱体类镗铣等。另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具 型腔、涡轮叶片等，该类零件在众多的制造业中具有重要的地位，其加工质量直 接影响一直决定着整机产品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现， 不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用 对象。 1 2 2 数控加工技术的重要性 数控加工技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大 大提高生产效率，稳定加工质量，缩短加工周期，增加生产柔性，实现对各个复 杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总 数减少，节省人力，改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企 业对市场的适应，使零件的计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助工艺规划( c a p f ) ， 和计算机辅助制造( c a m ) 的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断 提高。 虽然我国近年来通过技术改造引进了大量的数控设备，但是由于技术基础薄 弱，所发挥的作用并不如人意，其所加工潜力的发挥一般只有国外的几分之一， 其真正生产能力水平与国外还是有一定的差距，而这类问题在国内制造业中是普 遍存在的共性问题，由此可以看出，我国在数控加工技术上的落后以严重制约着 我国在制造业方面的发展。而缺乏数控工艺参数的选择和优化方法是数控加工技 术水平低下的主要原因，在传统的数控加工工艺参数获取的方法主要有以下三个 途径： ( 1 ) 机械照搬普通加工切削参数 以传统的加工手册作为新形式下加工需要的切削参数依据，不考虑发展的需 要，也不体现技术的优势。 ( 2 ) 盲目模仿国外技术 上世纪九十年代末期，国际上高速数控切削加工技术获得了迅速发展，而我 国通过引进高速数控切削加工设备和国际合作，我国制造业也开始应用了这一技 术，然而，经过时间证明，仅仅单纯提高主轴转速并不能从根本上解决数控切削 加工的高效，高质问题。 ( 3 ) 通过试切方法获取高速加工切削参数 为了解决高速切削加工过程中的参数匹配问题，九十年代末，国内许多单位 针对切深，切宽，进给、转速的不同组合做了大量的试切加工试验，从中获取尽 可能优化的高速加工切削参数，实践证明通过试切是可以找到使整个加工系统避 开设备加工发生的颤振的参数组合问题，基本能满足质量要求，但试切成本高昂、 对切削参数缺乏判定依据风险比较大，实际生产加工中不可能采用大量的参数组 合进行试切。因此，最终使用的切削参数组合切削效率仍然低，优化程度也不可 预知。 由此可知，单纯采用试切方法获取切削参数的方法不仅需要大量的试验和成 本，而且仅仅是可以获得可行得但不是最优化的切削参数，想要快速获得合理优 化的数控加工切削参数，数控加工过程仿真和优化技术是目前获取优化切削参数 的有效途径。 1 3 课题简介 1 3 | 课题来源 本课题来源于某航空国防大型企业起落架高效数控加工系统研究项目。 1 3 2 课题意义 起落架是飞机的重要组成部分，是飞机在地面停飞，滑行，起飞，着陆时用 于支撑飞机重力，切削层划分承受相应载荷的装置。而强度要求高，并能够消耗 和吸收飞机在着陆时的巨大撞击能量。 目前起落架加工过程中，主要存在的问题有： 因刀具和切削用量选择不合理而制约了数控机床切削能力的正常发挥； 因加工顺序规划，切削区域划分的不合理而影响了加工质量和切削效 率： 因加工道路轨迹规划不合理而导致n t 效率低等。 由于起落架加工的重要性和复杂性，因此如何在起落架数控加工过程中选择 合理的刀具和切削参数，选择合理的加工方法，选择合理的加工顺序，有很重要 的现实意义： 可以保证加工精度的要求； 4 可以缩短起落架的加工周期： 可以节约工件材料，减少刀具磨损； 可以降低加工人员的劳动强度； 可以使产品规范化，标准化； 在机械加工工艺设计中，合理的选择、优化切削参数是一项重要任务、复杂 的工作，它决定了产品加工的质量、生产率、成本、设备利用率等指标，而实现 高精度加工和加工过程的自动化、智能化一直是现代制造技术发展的两个主要目 标和标志，因此研究如何确定切削参数具有现实意义。另外，由于影响切削参数 的因素较多，各个因素交叉制约，而仅仅凭借加工经验或者加工手册，是很难制 定出合理的切削参数，而且，新技术新工艺不断涌现，以及数控加工机床、加工 中心的广泛应用，生产的数量越来越多，新的需求不断提出，因此，切削参数的 合理优化，建立切削优化系统软件也成了合理决策成了社会所需。 该论文通过对某国防厂定制的起落架高效数控加工系统进行分析，将对其数 控切削参数进行优化，并建立切削优化系统，以实现切削参数的优化，提高加工 效率，减少生产成本。 1 3 3 课题研究内容 以起落架数控高效加工为目标进行优化，建立优化型的切削参数数据库系 统。主要内容包括三大优化模块和一个数据库系统，即模型优化、工艺优化、切 削参数优化，切削参数数据库系统。本文主要研究切削参数优化部分。 图1 1 总体研究内容示意 5 本论文主要研究的内容： ( 1 ) 数控加工切削参数的优化。建立了优化目标函数的数学模型，通过对 遗传算法和模拟退火算法各自特点的分析比较，遗传算法具有很强的全局搜索能 力以及通用性强等诸多优点，而模拟退火算法也具有自身的优点，最后结合了两 算法的优点，采用退火遗传算法，对切削参数进行了分析计算，给出了优化比较 结果，通过实验验证，可知，利用退火遗传算法可取得了良好的效果。 ( 2 ) 切削参数优化系统软件设计。通过对总体设计方案的分析以及实际情 况的调研，论文采用自顶向下的分析方式，给出了方案的总体规划，对系统设计 的各子模块也进行了简要分析说明，最后给出了主要的系统软件界面。本系统软 件具有结构清晰，安全性强，易于维护等特点。 1 4 本论文使用软件功能介绍 1 4 1m a t l a b 简介 m 棚a b 是一种功能十分强大，运算效率很高的数学工具软件全称是 l v l a t r i xl a b o r a t o r y ，起初它是一种专门用于矩阵运算的软件，经过多年发展， m a t l a b 已经发展成为一种功能十分全面的软件，几乎可以解决科学计算中的 任何问题。 i v i a t i d k b - - 个集数值计算、矩阵运算、数据分析、动态仿真、信号处理、 图形处理与显示于一体功能非常强大的软件。目前的版本集中了日常数学处理中 的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在 m a t l a b 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入 输出、文件管理等各项操作。m a t l a b 提供了一个人机交互的数学系统环境， 该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩陈对象时，不要求作明确的维数说明。 与利用c 语言或f o r t r a n 语言作数值计算的程序设计相比，利用m a t u 出可以 节省大量的编程时间。 i v i a t l a b 已经成为国际控制界公认的标准计算软件。6 x 版在继承和发展其 原有的数值计算和图形可视能力的同时，推出了s l l v i l t l i n k 。这是一个交互式操 作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它的出现使人们有可能考虑许多以前 不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而大大提高了人们对非线性、随 机动态系统的认知能力。开发了与外部进行直接数据交换的组件。推出了符号计 算工具包。构作了n o t e b o o k 。 6 m 棚a b 的特点： ( 1 ) 图形界面的集成开发环境，强大的帮助功能 ( 2 ) s i mi r k 是m a t l a b 软件下的一个附加组件，是用来提供一个系统 级的建模与动态仿真的工具平台，在其下提供了丰富的仿真模块。s i m u l i n k 的 功能有系统建摸和系统仿真两个部分，它可以处理的系统包括：线性、非线性系 统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。用m a t l a b s i m u l i n k 仿真与分析控制系统的主要步骤为：( 1 ) 建立控制系统方块图模型并确 定仿真输入和输出；( 2 ) 设置仿真参数；( 3 ) 进行动态仿真并观看输出结果：( 4 ) 针 对输出结果进行分析和比较。 ( 3 ) 开发了与外部进行直接交换的组件 m a t l a b 具有与各种数据库、数据仓库交换信息的工具箱，因而可以非常 方便地融进如e x c e l , a c c e s s , f o x p r o 等文本文件等各类数据，而这类数据是数学建 模中网站上经常提供的数据类型。 ( 4 ) 具有符号计算功能 ( 5 ) 丰富的应用程序接口 作为一个优秀的数学处理工具软件，仅在自身内部进行程序设计是不够的， 更重要的是应当有与其他的高级程序设计语言的接口。 在本论文中，m a t l a b 用于第三章的切削参数计算。 1 4 2v c + + 简介 s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的开发w i n 3 2 环境程序，面向对象的可视 化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成，灵活方便的类管理，代码编写 和界面设计集成交互操作，可开发多种程序，包括应用程序、动态链接库接口、 a c t i v e x 控件等，而且通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数据库接口、 o l e2 、w i n s o c k 网络、3 d 控件界面。它以成为开发w i n 3 2 程序的主要开发工 具3 1 。 v i s u a lc + + 它提供的面向对象的应用程序框架m f c ( 微软的基本内库) 封装 了w i n d o w s 中大部分a p i ( 应用程序接口) 函数，其本质上就是一个包含了许 多微软公司已经定义好的对象的内库，另外，虽然在不同的程序开发中，要编写 功能各异的程序，但是从本质上来说，这些程序都是用户界面的设计，对文件的 操作，多媒体的使用，数据库的访问，网络编程等。由此我们可以利用面向对象 技术中的继承功能，从内库中已有对象派生出我们需要的对象，这些派生出来的 对象具有内库中的对象的特性与功能，而对于我们自己需要的对象特性，我们可 以根据自己的需求，加入相关的特性和方法。 7 v i s u a lc + + 用途广发，运行比较稳定，微软提供的m a d n 帮助系统也给用 户使用此软件带来了很大便利。 在本论文中，v i s u a lc + + 用于第五章的数据库设计，用来设计用户界面以及 与数据库进行链接。 o r a c l e 是一个面向i n t e m e t 计算环境的数据库。它是在数据库领域一直处 于领先地位的o r a c l e ( 即甲骨文公司) 的产品。可以说o r a c l e 关系数据库系统 是目前世界上流行的关系数据库管理系统，系统可移植性好、使用方便、功能强， 适用于各类大、中、小、微机环境。它是一种高效率、可靠性好的适应高吞吐量 的数据库解决方案。 o r a c l e 数据库产品具有以下优良特性。 ( 1 ) 兼容性 o r a c l e 产品采用标准s q l ，并经过美国国家标准技术所( n i s t ) 测试。 与i b ms q u d s ，d b 2 ，l n g r e s ，i d m s ，r 等兼容。 ( 2 ) 可移植性 o r a c l e 的产品可运行于很宽范围的硬件与操作系统平台上。可以安装在 7 0 种以上不同的大、中、小型机上；可在v m s 、d o s 、u n i x 、w i n d o w s 等 多种操作系统下工作。 ( 3 ) 可联结性 能与多种通讯网络相连，支持各种协议( t c p i p 、d e c n e t 、l u 6 2 等) 。 ( 4 ) 高生产率 提供了多种开发工具，能极大的方便用户进行进一步的开发。 ( 5 ) 开放性 o r a c l e 良好的兼容性、可移植性、可连接性和高生产率是o r a c l er o b m s 具有良好的开放性。 o r a c l e 产品主要包括数据库服务器、开发工具和连接产品三类。 1 5 本章小结 由于切削参数优化对提高加工效率具有很重要的意义，国内国外都对其做了 大量研究，也做了大量的投入，本章对切削优化的国内国外现状进行了分析介绍， 对本项目所要研究的内容以及本论文作的主要工作做了简要叙述。 8 第二章切削参数分析 金属的切削加工是利用硬度大于工件材料的切削刀具，去除工件表面预留材 料，使工件达到预定的几何形状、外形尺寸及表面质量的要求的金属加工方法。 金属切削过程是刀具与工件相互运动，相互作用的过程。 金属的加工方式分为成型加工、机械加工、塑性加工和电化学加工等几大类， 其中机械加工又分为切削加工、磨料加工和液压喷射加工等几种。 2 1 切削加工运动和加工表面 金属切削运动：在金属切削加工过程中，为了要加工出各种各样的零件表面， 并使之达到设计要求，刀具与工件之间必须具有一定的相对运动，这就是切削运 动。按照在切削过程中所起的作用不同，切削运动可分为主运动和进给运动。 ( 1 ) 主运动指机床的主轴运动，其运动质量主要影响产品的表面粗糙度。 主运动有直线运动和旋转运动，但某一特定的切削加工方式的主运动通常只有一 个。 ( 2 ) 进给运动的速度和主轴转速是刀具切削运动的两个主要参数，对加工 质量、加工效率及加工成本有重要的影响。对于进给运动方式，不同的切削加工 方式有不同形式的进给运动，最主要的有直线运动和旋转运动，某一特定的切削 加工方式的迸给运动以二者之一或两者的组合。 ( 3 ) 合成切削运动：当主运动和进给运动同时存在时，由主运动和进给运 动合成的运动称为合成切削运动。 由于切削刃上各点的运动情况不一定相同，在分析切削运动时，通常在刀具 切削刃上选定某一点进行分析。对于外圆车刃，其刀刃上某一点的主运动速度v 和主运动方向、进给运动速度v ，和进给运动方向以及合成切削速度k 等于主运 动速度v 和进给运动速度v ，的矢量和，即：k = 1 ，+ v r 。 主轴的转速和进给运动的速度是刀具切削运动的两个主要参数，对加工质 量、加工效率及加工成本有重要的影响。 在切削过程中，工件上存在三个变化的表面，即待加工表面、已加工表面和 加工表面。 ( 1 ) 待加工表面：切削加工时即将被切除的工件面。 9 ( 2 ) 已加工表满：切削加工后工件上形成的新表面。 ( 3 ) 加工表面：切削加工时刀刃正在切削加工着的表面，它是待加工表面 和已加工表面之间的过渡表面【4 1 。 2 2 数控加工相关切削要素 ( 1 ) 主轴转速n ( r m i n ) 数控铣床的主运动为刀具的旋转运动，沿数控铣床主 轴轴线z 的方向，数控铣削加工的刀具直接盛通常也不是一个定值( 如球头铣 刀等) 。因此，数控加工过程中，切削速度v 随加工件或刀具直径的变化而变化。 为了便于对数控切削加工过程中机床主轴的控制，数控加工以机床主轴转速疗来 描述刀具相对于工件的主运动。主轴转速玎与切削速度v 有如下关系式： ，；一型卫一( 聃j )( 2 1 ) 6 0 1 0 0 0 式中以为铣刀直径( r a m ) 以为铣刀转速( r m i n ) ( 2 ) 进给速度v ，( r a m s ) 它是指每秒钟工件相对于铣刀沿进给方向移动的距 离。也就是铣床工作台的进给速度。由于每秒钟进给量太小，故目前机床标牌上 多标以每分钟的进给速度( m m m i n ) 进给速度1 ，与进给量厂满足如下关系式： = 厂( m m m i n ) ( 2 - 2 ) 式中厂为进给量( m n d r ) 甩为主轴转速( r m i n ) 数控铣削加工时，与铣刀每齿进给量正有如下关系式： ，= n 厂= 疗正- z ( m m m i n ) ( 2 3 ) 式中z 为铣刀齿数 正为铣刀每齿进给量( m m r ) ( 3 ) 铣削深度口，( r a m ) 数控铣削加工的铣削深度4 ，是指平行于铣刀轴线方 向度量的被切削层尺寸。 ( 4 ) 铣削宽度a 。( m m )数控铣削加工的铣削宽度a 。是指垂直于铣刀轴线和 进给运动方向度量的被切削尺寸。数控铣削的铣削宽度a 。的大小与铣刀直径和 刀具运动轨迹的行距有关。通常，a 等于数控铣削的行距。 o 2 3 切削力 所谓切削力，就是在金属被切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形 形成为切削所需的力，称之为切削力。 切削力的来源 图2 1 切削力的来源 刀具在切削工件时，切削力来源有以下三个方面： ( 1 ) 克服材料的变形( 弹性变形和塑性变形) 抗力。 ( 2 ) 克服切屑与前刀面以及工件与后刀面之间的摩擦阻力。才能切下切屑。 这些阻力的合力就是f ，同样在工件上也作用有一个与f 大小相等，方向相反 的切削力【5 】。 2 3 1 切削力的分解 在切削过程中，刀具上的一个切削部分的各切削刃和面对切削层所施加的 合力，叫做一个切削部分的总切削力，多齿刀具可能有两个以上的切削部分同 时参加切削，它们同一瞬时所施加的合力，叫做刀具总切削力。单齿刀具两者则 是相同的。 根据生产实际需要及测量方便，现以车削为例，总切削力，可分解为三个分 力。 切削力只总切削力，在主运动方向上的分力。它与切削速度方向一致， 是计、算刀具的强度、机床功率的主要依据。 背向力只总切削力在垂直于工作平面方向上的分力。它会使工件弯曲 变形，对工件精度影响较大，且瓦大时易产生振动。 进给力e 总切削力在进给运动方向上的分力。它是使用和设计机床进 给机构的原始依据。 由于c 、巴、f ，三者互相垂直，所以总切削力f 与它们之间的关系是 ，= 扛丽；巧歹 ( 2 4 ) 2 3 2 切削力的计算 由于切削机理的复杂性，目前实际科研生产中广泛采用经验公式计算切削 力。常用的经验公式分为指数公式和单位切削力公式两大类。 ( 1 ) 切削力只的公式 c = 吒口，x ，v , o k ( 2 5 ) 式中：x e 背吃刀量口，对切削力只的影响指数： k 进给量厂对切削力只的影响指数； c ，与工件材料、刀具材料等有关的系数； 4 ，切削深度( 珊州) ； 厂进给量( m m r ) ； k ，切削条件下不同时的修正系数； 以上经验公式中的经验参数可通过实验或加工手册获得。 在生产中，经常利用单位切削力j 0 来估算切削力的大小。单位切削力即切 单位切削面积所需要的切削力，单位为n m m 2 。 c = 髟4 = 疋a p f ( ) ( 2 - 6 ) 式中：疋单位切削力，单位为n m m 2 f 切削力，单位为 以切削面积，单位为m m 2 切削功率：设为单位切削功率，即单位时间内去除单位体积金属所消耗的 功率。 p e 2菱(2-7) 式中：只为单位切削功率，单位为k w ( m m 3 s - 1 ) q 为材料去除率，即单位时间内的材料去除量。 q 1 0 0 0 v a 。f m r 3 5 1 ( 2 。8 ) 为切削功率 t = f ：v x l 0 。= k c a i f v x l 0 。k w 由( 2 8 ) ( 2 9 ) 式可得 只= 等蝴- 。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 通过足。后可求得e 。 实验表明，不同的工件材料，单位切削力不同；同一材料，切削用量、刀具 几何参数不同，单位切削力也不同。 2 3 3 影响切削力的因素 影响切削力p 的因素很多，现将主要影响因素1 6 分述如下。 ( 1 ) 工件材料的影响 ( 2 ) 进给量厂的影响 ( 3 ) 背吃刀量。的影响 ( 4 ) 切削速度的影响 ( 5 ) 刀具材料、刀具磨损、切削夜的影响 2 4 对加工质量的影响因素 零件的加工质量对整个机器的性能和可靠性具有重要的影响。零件的加工质 量主要包含宏观的尺寸误差和微观的表面完整性两部分内容，而加工表面质量主 要包含宏观的尺寸误差和微观的表面完整性两部分内容，而加工表面完整性又包 含表面几何质量( 表面粗糙度) 和表面层材质变化，有如下因素： 尺寸误差 表面粗糙度 残余应力 加工硬化 2 5 本章小结 本章介绍了金属切削的相关基础知识，切削加工过程的原理，在其过程中所 涉及的力的问题，还有影响切削的相关因素，并对其做了简要分析。 酉拙工业太堂亟堂位：| 金窑 筮三童位毡簋选班窥 第三章优化算法研究 起落架是飞机的重要组成部分，提高起落架切削的加工效率，保证生产质量， 减少生产成本对提企业单位有着深远的意义，因而选择合适的优化算法就显的尤 为重要，好的优化算法对提高其加工效率，节约加工成本有明显的效果，下面为 对所要选用的几种优化算法的对比与分析。 3 1 两种优化算法概述 3 1 1 遗传算法 众所周知，自然界生物是从简单( 低级) 到复杂( 高级) 的漫长的进化过程， 这在d a r w i n 的以优胜劣汰、适者生存为核心的自然进化理论中得到了完美的诠 释。自然界所提供的答案是经过漫长的自适应过程而得到的结果。遗传算法 ( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，简称g a ) 就是由美国执安大学的j h o l l a n d 教授受生物进化 论的启发而提出的，g a 是基于“适者生存”的一种高度并行、随机和自适应的 优化算法，它将问题的求解表示成“染色体”的适者生存过程，通过“染色体” 的一代一代不断进化，包括复制、交叉和变异等操作，最终收敛到“最适应环境” 的个体，从而求得问题的最优解或满意解。g a 是一种通用的优化算法，其编程 技术和遗传操作比较简单，优化不受限制性条件的约束，而其两个最显著特点则 是隐含并行性和全局空间搜索。 对于一个求函数最大值的优化问题( 求函数最小值也类同) ，一般可概述为 下述数学规划模型： i m a x 厂( x )( 3 一1 ) s 工z r ( 3 - 2 ) i r u ( 3 3 ) 式中，x = k ，工2 ，为决策变量，f ( x ) 为目标函数，式( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 为决策条件，u 是基本空间，r 是u 的一个子集。满足约束条件的解x 称为可行 解，集合r 表示由所有满足约束条件的解所组成的一个集合，叫做可行解集合。 对于上述最优化问题，目标函数和约束条件种类繁多，有的是线形的，有的 是非线性的；有的是连续的，有的是离散的；有的是单峰值的，有的是多峰值的。 4 随着研究的深入，人们逐渐认识到在很多复杂情况下要想完全精确地求出最优解 既不可能，也不现实，因而求出近似解是人们的主要着眼点之一。要寻求到一种 能以有限的代价来解决上述最优化问题的通用方法仍是一个难题。而遗传算法为 我们解决这类问题提供了一个有效的途径和通用的框架，开创了一种新的全局优 化搜索算法例。 遗传算法中，将疗维决策向量z = k ，屯，毛r 用疗个记号置o = 1 , 2 ，栉) 所组成的符号串x 来表示：x = x 1 x 2 kj x = h 。，x 2 ，矗r ，把每一个五看 做是由 个遗传基因所组成的一个染色体。一般情况下，染色体的长度f 是固定 的，但对一些问题甩也可以是变化的。根据不同的情况，这里的等位基因可以是 一组整数，也可以是某一范围内的实数值，或者是纯粹的一个记号。最简单的等 位基因是由0 和l 这两个整数组成的，相应的染色体就可表示为一个二进制符号 串。这种编码所形成的排列形式x 是个体的基因型，与它对应的x 值是个体的 表现型。统称个体的表现型和其基因型是一一对应的，但有时也允许基因型和表 现型是多对一的，染色体z 也称为个体石，对于每一个个体x ，要按照一定的 规则确定出其适应度。个体的适应度与其对应的个体表现型x 的目标函数值相 关联，x 越接近于目标函数的最优点，其适应度越大；反之，其适应度越小。 遗传算法中，决策变量z 组成了问题的解空间。对问题最优解的搜索时通 过对染色体x 的搜索过程来进行的，从而所有的染色体x 就组成了问题的搜索 空间。 生物的进化是以集团为主体的。与此相对应，遗传算法的运算对象是由吖 各个体所组成的集合，称为群体。与生物一代一代地自然进化过程相类似，遗传 算法的运算过程也是一个反复迭代过程，第，代群体记做p ( f ) ，经过一代遗传和 进化后，得到第t + l 代群体，它们也是由多个个体组成的集合，记做p ( t + 1 ) 。 这个群体不断地经过遗传和进化操作，并且每次都按照优胜劣汰的规则将适应度 较高的个体更多地遗传到下一代，这样最终在群体中将会得到一个优良的个体 x ，它所对应的表现型z 将达到或接近于问题的最优解j + 。 生物的进化过程主要是通过染色体之间的交叉和染色体的变异来完成的。与 此对应，遗传算法中最优解得搜索过程也模仿生物的这个进化过程，使用所谓的 遗传算子( g e n e t i c o p e r a t o r s ) 作用于群体p ( f ) 中，进行下述遗传操作，从而得到 新一代群体p ( t + 1 ) 。 ( 1 ) 编码 首先确定问题的目标函数和变量，然后对变量进行编码，遗传算法以决策变 量的编码作为搜索对象，实际问题经过编码后称为染色体个体。编码不但决定了 如何将现实问题转换为遗传算法可操作的基因型个体，还决定了如何从搜索空间 的基因型变换到解空间的表现型时的解码方法。编码方式在很大程度上决定了如 何进行群体的遗传进化算法的效率。对于一个实际问题，编码方式可能有多种， 往往需要在编码、解码难易程度、时空消耗、遗传算子执行效率等方面取得平衡。 常见的编码方法可分为三大类：二进制编码、浮点数编码、符号编码。将实际的 问题空间对应的转换到编码空间，是设计遗传算法的基础【1 0 1 。 ( 2 ) 种群初始化 执行遗传算法地第一步，就是要生成一个包含一定数量的个体的初始群体， 作为遗传算法运行的最初群体。可基于两种思想来生成初始群体的个体；1 随机 由编码组合成解空间的个体。2 考虑具体问题与编码的对应关系，将问题空间中 具有实际意义的解转换到编码空间。 ( 3 ) 适应度函数 在遗传算法中，是以个体适应度的大小来确定该个体被遗传到下一代群体中 的概率的。在个体的适应度越大，表现该个体所对应解的质量越高，被遗传到下 一代的概率也越大。适应度函数是用来计算个体适应度，它与实际问题紧密关联。 在实现遗传算法时，需要分析实际问题的特点，构建适当的适应度函数，以便通 过适应度反映个体的优良程度。 ( 4 ) 选择( 复制) 策略 遗传算法使用选择算子来对群体中的个体进行优胜劣汰操作。选择操作是建 立在对个体的适应度进行评价的基础上。选择操作的主要目的是为了避免基因缺 失，提高全局收敛性和计算效率。常见的选择策略如下：比例选择方法，最优保 存策略，确定式采样选择，一般采用比例选择方法。 ( 5 ) 交叉策略 遗传算法中也使用交叉算子来产生新的个体。所谓交叉运算，是指针对两个 相互配对的染色体按照某种方式相互交换其部分基因，从而形成新的个体。交叉 运算是遗传算法区别于其它进化算法的重要特征，它在遗传算法中起着关键作 用，是产生新个体的主要方法。最常用的交叉策略是单点交叉，此外，还有多点 交叉、正交交叉等。 ( 6 ) 变异策略 在遗传算法中也引入了变异算子来产生新的个体。所谓变异运算，是指将个 体染色体编码串中的某些基因座上的基因值用其他等位基因来替代，从而形成一 个新的个体。 从遗传算法运算过程中产生新个体的能力方面来说，交叉运算是产生新个体 的主要方法，它决定了遗传算法的全局搜索能力；而变异操作是产生新个体的辅 助方法，它决定了遗传算法的局部搜索能力，同时也维持群体的多样性，防止出 1 6 现早熟现象。交叉算子与变异算子的相互配合，共同完成对搜索空间的全局搜索 和局部搜索，从而使得遗传算法能够以良好的搜索性能完成最优化问题的寻优过 程。 ( 7 ) 遗传算法运行参数 遗传算法中需要选择的运行参数主要有群体大小m 、交叉概率p 。、变异概 率p 、终止代数r 等。这些参数的选择与遗传算法效率密切相关。m 太小，则 会降低种群多样性：太大，又包含太多冗余信息，影响算法执行效率。变异 概率、交叉概率影响算法产生新种群的能力。通常情况下，如何选择合适的参数， 需要在求解过程中通过一定的试验来确定。 3 1 1 模拟退火算法 模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g , 简称s a ) 的思想最早是由m e t r o p o l i s 在 1 9 5 3 年提出的，1 9 8 3 年k i r k p a t r i c k 等将其应用于组合优化。s a 算法是基于m e n t e c a r l o 迭代求解策略的一种随机寻优算法，