（机械电子工程专业论文）基于遗传算法的工艺方案双层优化方法.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 工艺方案优化是制造业保证产品质量 提高效率 降低成本的重要手段 工艺方 案优化算法与零件的加工方法 工艺路线 切削参数 机床和刀具的选择等众多因素 有关 各个因素相互制约 相互影响 为了得到工艺方案的全局最优解 本文采用一 种改进的遗传算法建立了一个统一的工艺方案双层优化模型 通过一种基于基因组的 具有双层结构的特殊染色体编码方式来表达工艺方案 将加工序列和每道工序的机床 选择 刀具选择及切削参数作为一个有机整体进行优化 通过这种双层优化策略得出 优化的工艺方案 介绍了课题的背景 来源及目的 对c a p p 的现状和工艺优化方法进行综述 指 出了本文的主要工作和创新点 为了计算加工序列违反约束的惩罚值 分析了特征加工序列约束 建立了加工序 列约束模型 为了便于遗传运算时的第二层变异操作 利用统一对象语言对工艺资源 进行统一建模 包括工艺资源的组织关系模型和工艺资源的对象模型 设计了工艺资 源库的关系模式 并建立了可重构的工艺资源库 为了增强工艺资源库的适应性 利 用可扩展标识语言开发了可扩展的面向协同管理的工艺资源标识语言 建立了面向工艺过程优化的 机床 刀具一数学模型 特征加工方法矩阵视图 创 立了特征加工数学模型 利用层次分析法建立了综合考虑成本 时间 利润和质量的 多目标工艺方案评价体系 作为工艺方案染色体适应值的计算依据 介绍了基本的遗传算法 针对工艺优化的多层次非线性组合优化的特点 设计了 一种改进的遗传算法 对该算法进行了详细论述 给出了基于此改进的遗传算法的双 层工艺方案优化方法 给出了实现上述研究内容的原型系统和一个工艺设计实例 验证了该研究的有效 性 对全文进行了总结 展望了进一步研究的方向 关键字 c a p p工艺方案双层优化基于基因组的遗传算法多目标优化 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t o p t i m i z a t i o no fp r o c a s sp l a n n i n gi st h ei m p o r t a n tm e t h o d t oe n s r r ep r o d u c t q u a l i t y t o i m p r o v ee f f i c i e n c ya n dt o r e d u c ec o s t o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mf o rp r o c e s sp l a n n i n gi s r e l a t e d v i t hm a n ye l e m e n t ss u c ha s m a c h i n i n gm e t h o d o p e r a t i o ns e q u e n c i n g c u t t i n g p a r a m e t e r m a c h i n i n gt o o la n dc u t t i n gt o o le t c w h i c ha r ea f f e c t e do n ea n o t h e r au n i f o r m o p t i m i z a t i o nm o d e lo fp r o c e s sp l a n n i n gi sb r o u g h tf o r w a r dt og a i nt h eg l o b a lo p t i m u mi n e n t i r es o l u t i o ns p a c ef o r p r o c e s sp l a n n i n gu s i n gi m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m a n dt h ep r o c e s s p l a n n i n g i sr e p r e s e n t e db yt h eg e n e g r o u p b a s e ds p e c i a lc h r o m o s o m e e n c o d i n g m e t h o dw i t h d o u b l e l a y e rs t r u c t u r e o p e r a t i o ns e q u e n c i n g m a c h i n et o o l s e l e c t i n g c u r i n gt o o l s e l e c t i n g a n dc u t t i n gp a r a m e t e r si ne a c ho p e r a t i o na r eo p t i m i z e da st h ew h o l e a tt h es a m et i m e t h e g e n e g r o u p b a s e de n c o d i n gs c h e m aa n dt w o l a y e ro p t i m i z a t i o ns t r a t e g ya r ep r e s e n t e d t h e o p t i m a lp r o c e s sp l a n n i n g i se d u c e d b yt w o l a y e ro p t i m i z a t i o ns t r a t e g y b a s e dg e n e t i c c o m p u t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ep r o j e c tb a c k g r o u n d s o u r c ea n da i m a n ds u m m a r i z e s s t a t u sq u oo fc a p pa n dm e t h o df o ro p t i m i z a t i o no f p r o c e s sp l a n n i n g t h em a i nt a s k sa r e i n d i c a t e d i no r d e rt o c o m p u t ep u n i s h i n gv a l u er e s u l t i n gf r o mo p e r a t i o ns e q u e n c i n gv i o l a t i n g c o n s t r a i n t t h ec o n s t r a i n tr e l a t i o no fm a c h i n i n go p e r a t i o ns e q u e n c ei sa n a l y z e d a n dt h e m o d e li sb u i l tf o ri t t h eu n i f o r m e dp r o c e s sr e s o u r c em o d e l s i n c l u d i n go r g a n i z i n gr e l a t i o n m o d e la n do b j e c tm o d e l a r ee s t a b l i s h e di nu n i f o r mm a r kl a n g u a g e a n dt h er e l a t i o np a t t e r n i sd e s i g n w h i c hi sc o n v e n i e n tf o rt h es e c o n dl a y e rm u t a t i o no p e r a t o ro ft h ee v o l u t i o n a l c o m p u t a t i o n a s t h e r e s u l t t h e r e c o m p o s i n g o r i e n t e dp r o c e s s r e s o u r c ed a t a b a s ei s c o n s t i t u t e d t h e c o o p e r a t i o nm a n a g e m e n t o r i e n t e dp r o c e s s r e s o u r c em a r kl a n g u a g ei s d e v e l o p e d t ob o o s t u p f i t n e s so f t h ep r o c e s sr e s o u r c ed a t a b a s eb ye x t e n s i b l em a r k l a n g u a g e 1 1 1 em a t r i xf o rm a c h i n i n g t o o l c u t t i n gt o o l m a t h e m a t i c sm o d e l i sa d v a n c e d c o n v e n i e n t f o ro p t i m i z a t i o no f p r o c e s sp l a n n i n g t h em a t h e m a t i c sm o d e lf o rm a c h i n i n go p e r a t i o ni s f o r m u l a t e d t h ee v a l u a t i n gs y s t e mf o rp r o c e s sp l a n n i n g c o n s i d e r i n gs u c hc r i t e r i o na sc o s t t i m e p r o f i ta n dq u a l i t y i s c r e a t e db ya n a l y t i c a l h i e r a r c h yp r o c e s s w h i c hi s b a s e dt o c o m p u t e t h ef i t n e s so f p r o c e s s p l a n n i n g c h r o m o s o m e a f t e rb a s i c g e n e t i ca l g o r i t h mi si n t r o d u c e d a ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m i sp r o j e c t e d i n a c c o r d i n g t ot h e m u l t i l a y e r n o l i n e a rc o m b i n a t i o no p t i m i z a t i o nt r a i to fp r o c e s s o p t i m i z a t i o np l a n n i n ga n dt h ea l g o r i t h mi sp a r t i c u l a r l yd i s s e r t a t e d t h ei m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h mb a s e dm e t h o df o rt w o l a y e rp r o c e s so p t i m i z a t i o np l a n n i n gi sa d v a n c e d t h ep r o t o t y p es y s t e mt h a tr e a l i z e st h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r eg i v e n i i 华中科技大学硕士学位论文 a n dt h ep r o t o t y p es y s t e mi sa p p l i e dt oap r a c t i c a lp r o c e s sp l a n n i n gc a s e t h e r e f o r e t h e f e a s i b i l i t y a n dt h ee f f e c t i v e n e s so fr e s e a r c hr e s u l t sa r ev a l i d a t e d i nt h ee n do ft h e d i s s e r t a t i o n c o n c l u s i o n sh a v eb e e n d r a w na n dt h ef u t u r ed i r e c t i o n si nt h ef i e l da r eg i v e n k e y w o r d s c a p pt w o l a y e ro p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp l a n n i n gg e n e g r o u p b a s e dg a m u l t i c r i t e r i o n se v a l u a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 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 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 寺一万j 氢 l i 期 伽嘶年s 月i f 7 t 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 即 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 允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论 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 保密b 在年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密叫 请在以上方框内打 学位论文作者签名 分j 因 日期 们 4 年5 月f 日 指导教师签名荔荔困 日期 0 一午年步月f 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 来源和意义 1 绪论 企业如何快速反应市场需求 在尽可能短的时间内 高效率 低成本地为用户提 供个性化 高质量产品 是现代企业追求的目标 尽管当今市场上的产品种类繁多 但都呈现出结构模块化 规格系列化的特点口j 产品的更新换代 一般不是完全抛弃 原有产品而重新设计和制造 而往往是在标准化和模块化的基础上 通过部分零部件 重组或设计参数的改变使产品登上一个新台阶 2 1 如图1 1 所示 据统计 8 0 的产品 设计都是在现有产品设计的基础上进行修改或改进而来的 由此可见 产品建模与产 品变形设计是企业进行快速反应市场的重要手段 图1 1 产品模型与变形设计之问的关系 工艺建模和工艺变形设计是产品建模与产品变形设计的重要内容之一 参数化工 艺建模和工艺变形设计工具对企业敏捷性的提高提供了重要的基础性保证叽但由于 c a p p 问题的特殊性和复杂性 以前 基于3 d 的参数化工艺模型和参数化工艺变形设 计的难题一直成为困扰着制造业工艺设计水平提高的难题 在产品建模中 人们非常 华中科技大学硕士学位论文 重视基于三维和约束的参数化产品模型的建立 而对基于3 d 的参数化工艺模型的建 立 由于其难度很大往往无计可旋 4 相应的 产品变形设计也仅局限于基于产品模 型的产品结构方面的变形设计 对基于参数化工艺模型的参数化工艺变形设计却往往 无能为力 目前 人们研究和开发了很多c a p p 系统 但大多存在一定的局限性 主要表现 在 1 缺少优化环节 没有考虑在企业制造资源约束下的最优化设计 事实上 在 并行工程中优化设计非常重要 它可以对工艺资源进行优化配置 矾 导致以上弊端固 然有工艺设计复杂性和经验性的客观原因 更主要的是主观原因 在c a p p 系统的开 发过程中 没有合理安排人和计算机的工作 要么过分强调计算机的作用 要么过分 依赖人的设计经验 忽略了工艺过程的优化 使工艺设计停留在较低的水平上 2 有优化环节 但仅仅停留在分阶段的考虑工艺的优化问题 或者只优化了工 艺过程中一部分 如只对加工序列或某工步的切削参数进行优化 事实上 加工序列 和切削参数是彼此影响的 例如 操作序列影响机床和切削参数的选择 机床和切削 参数的选择影响到零件加工的效率和质量 由机床和切削参数所决定的评价指标值的 高低也是调整操作序列的根据 甚至还要对特征加工方法进行重新选择 割离它们间 的彼此联系 只就局部问题进行优化 虽然能在 定程度上提高产品质量和加工成本 但对于大批量大规模生产 这些优化工作显然是不够的 这是因为局部的最优解并不 能代表全局最优解 因此 应该为它们建立一个统一的模型以便获得全局最优解 本 文对加工序列和切削参数同时考虑 同时考虑工艺设计的两个层次 加工序列和切削 参数 工艺优化实际上是一个混合变量 非线性 组合优化问题 例如 操作序列 优化 工序 是组合优化 切削参数优化是混合变量 包括离散变量 整数变量和实 数连续变量 非线性优化问题 使用传统的数学方法很难解决问题 而采用基因算法 虽然对加工序列和切削参数这两个层次分别优化 虽然简化了问题 方便了求解 却 降低了优化结果的应用意义 针对当前工艺优化的现状 本文通过一种基于基因组的 具有双层结构的特殊染色体编码方式来表达工艺方案 将加工序列和每道工序的机床 选择 刀具选择及切削参数作为一个有机整体进行优化 通过这种双层优化策略得出 优化的工艺方案 3 停留在定性化的水乎上 早期的基于成组技术 g r o u pt e c h n o l o g y g t 的 2 华中科技大学硕士学位论文 制作 工艺文件管理 信息集成等定性的工艺设计工作 对具体的工序设计 工序图 设计和n c 程序设计等则无能为力 6 1 定性型c a p p 是在工业界对c a p p 的需求日趋 迫切 而理论型c a p p 又大都停留在好看不好用的背景下产生的 虽然能满足一些企 业对工程文档的集成化和数字化管理的较低要求 但不能满足现代企业对工艺设计的 更高要求 不具有智能性和定量化 4 不能实际应用或应用范围很有限 例如 创成式c a p p 和c a p p 专家系统 虽然自动化程度和智能水平较高 但远未达到实用水平 即使能应用 其适用范围也 局限于某种类型零件 7 l 5 仅具备2 d 定量化功能 此类c a p p 仅能实现2 dt 序简图的自动生成 2 d 平面尺寸链的自动计算等 突出的缺点是不具有可视化的3 d 功能 不能进行基于3 d 的参数化工艺建模以及参数化的工艺变形设计 本课题来源于国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 资助项目 基于3 d 的定量 化工艺建模与变形设计工具 项目编号为 2 0 0 2 a a 4 1 1 7 1 0 课题主要研究内容为 针 对3 d 环境下定量化工艺设计的难题和企业快速响应市场的特点 对基于3 d 的定量化 工艺设计模型 工艺变形设计方法和工艺模型的评价与优化方法进行研究 开发具有 辅助智能和可视化导航功能 基于3 d 的定量化工艺建模与变形设计工具原型系统 实现在3 d 环境下对零件进行快速 准确的定量化工艺建摸与工艺变形设计 实现原 型系统具有先进性 并对其进行初步应用 1 2 c a p p 及工艺方案优化方法综述 1 2 1 c a p p 发展概况 c a p p 在各个发展时期均有多种系统并行发展 按特定时期系统的实用化程度 可以分为以下几个阶段 第一阶段 d 矿年代术 8 0 年代初 以基于g t 的变异式c a p p 系统为主 定性型 c a p p 系统 g t 是 f 基于解决多品种多批量生产所存在的种种问题而产生的生产技术应用 性科学 它利用统计分析和相似性的理论 将分散的小生产量汇集成较大的成组生产 华中科技大学硕士学位论文 济效益1 9 变异型工艺设计亦称派生式工艺设计 它是利用成组技术将工艺设计对象 按其相似性 例如 零件按其几何形状及工艺过程相似性 部件按其结构功能和装配 工艺相似性等 分类成组 簇 为每一组 簇 对象设计典型工艺 并建立典型工 艺库 当为具体对象设计工艺时 c a p p 系统按零件 部件或产品 信息和分类编码 检索相应的典型工艺 并根据具体对象的结构和工艺要求 修改典型工艺 直至满足 实际生产的需要 第二阶段 邮0 年代末开始 9 0 年代中期 创成式c a p p 系统 c a d c a p p c a m 全自动化c a p p 系统 定量型c a p p 系统 创成式c a p p 系统中不存入任何工艺过程方案 它是将工艺决策知识用决镱表 决策树或公理模型等技术来实现 当输入当前零件的有关信息后 系统可以模仿工艺 人员的手工编制过程 利用决策逻辑和制造工程数据信息作出各种工艺决策 刨成式 c a p p 由于其知识库需要包含所有的工艺决策逻辑 加上工艺设计过程的多样性及复 杂性 要实现能够自动排序的完全创成式系统的难度太大 真正实用化的系统较少 m 随着c a d c a m 等单元技术的迅速发展 在c i m s 环境下的c a d c a p p c a m 的集 成日显重要 此类全自动c a p p 系统强调信息流的串行流动 即从一个子系统到另一 个子系统 c a p p 起着承上启下的作用 但是各个系统原先是独立发展起来 他们的 数据表示方法和数据结构 特别是对零件制造信息的表示上存在差异 统一的产品信 息模型的建立可以解决这一问题 可是研究进展缓慢 又由于c a p p 自身的复杂性 与 生产企业的设备水平 具体的产品类型等因素有关 市场上没有通用的c a p p 系统 因此制约着c a d c a p p c a m 集成技术的发展 i 此类c i 啪系统强调工艺设计的自 动化 但因工艺设计的特点决定了自动化c a p p 系统存在很大的局限性 无法满足企 业对通用c a p p 系统平台的需求 以自动化为唯一目标的c a p p 研究开发状况已经使 人们对c a p p 研究与开发现状产生怀疑 此后 国内外学者开始强调 辅助 a i d e d 而不是 自动 a u t o m a t e d 第三阶段 9 0 年代中后期开始 基于网络与数据管理的c a p p 系统 新概念下 的定性型c a p p 系统 在p d m 平台上开发c a p p 尽而面向整个产品进行工艺设计和工艺文件的管理成 为一种有效的途径 该系统面向整个产品而不是单个零件进行工艺设计和工艺文件管 理 强调c a d c a p p 与m r p i i 之问的信息集成与共享 强调实用 强调利用已解决 华中科技大学硕士学位论文 在开发应用过程中 其目标与传统c a p p 系统的目标有很大不同 它不仅要完成机加 工工艺设计 还要完成其他各种专业的工艺设计 同时还要进行工艺数据 制造资源 的管理 在此基础上 实现与c a d m r p i i 和p d m 等的集成 它面向整个产品的工 艺活动过程 因此 实用化c a p p 是相对于传统c a p p 技术的一种螺旋式上升 实用 化c a p p 逐步体现了现代先进制造思想 它实际上是c a p p 技术在经过2 0 多年前期发 展之后 一个新阶段的开始 在自动化方向退一步 向通用化 集成化 实用化方向 进一步 总之 强调数据共享 信息集成 面向产品 面向制造 面向c a d c a p p 府 r p i i 集成 和产品数据与工艺数据的管理是此时期c a p p 系统的特点 第四阶段 2 l 世纪开始 基于3 d 的定量化c a p p 系统工具 基于3 d 的定量型 c a p p 系统 在现有基于网络 数据库与p d m 的定性化c a p p 系统的基础上 h 1 综合运用b 三 维c a d 参数化建模技术 空间尺寸链技术 图论 数据结构与矩阵理论 计算机网 络与数据库技术 通过创建3 d 参数化工序图模型 3 d 工序空闽尺寸链模型 参数化 工序图模型与工序空间尺寸链模型之间的映射关系以及工序与工序状态参数之间的关 联关系构造曼 维参数化定量工艺设计模型 开发基于3 d 的定量化工艺建模与变形设 计工具 实现与定性型c a p p 系统的集成 在3 d 环境下对系列或变形产品进行面向 定单与产品配置的快速 准确的定量化工艺变形设计 以解决c a p p 的根本问题 提 高制造业工艺设计水平 基于3 d 的定量型c a p p 系统主要组成部分为 与3 维c a d 系统集成及加工特征 识别与抽取模块 工艺建模模块 变形工艺设计模块 工艺模型与设计结果评价及优 化模块 工艺设计导航模块 工艺设计知识库 工艺模型库 工艺设计结果数据库 工艺资源数据库 如设备 工装夹具 刀具 切削用量 余量 工时定额 材料定额 等 与其他c a p p 系统集成接口模块等部分组成 它解决c a p p 系统定量化和实用 性的方法 试图从根本上解决c a p p 定量化的难题 4 而且 此种c a p p 系统可以大 大提高企业的工艺设计水平 提高产品质量 缩短产品制造周期 降低成本 从而提 高企业快速反应市场的能力和竞争力 促进企业技术进度和制造业的快速发展 由此 可给应用企业带来显著的经济效益和社会效益i l 综观c a p p 的发展历程 基本上沿着 定性 定量 定性 定量 的螺旋 华中科技大学硕士学位论文 定量型c a p p 是c a p p 追求的根本目标和最高境界 在现代企业 特别是高性能 机床 军工 航天航空 车辆制造等领域的需求越来越强烈 定量型c a p p 系统不但 能完成工艺过程设计 工艺文件管理 信息集成等定性化的工艺设计 更重要的是能 针对系列产品或新产品建立一种面向产品和制造过程 基于3 d 的定量化的工艺设计 模型 并以此模型为基础 而对零部件进行快速准确的工序设计 如工艺尺寸链的生 成 工序图生成 切削用量 加工余量 工时与材料定额的计算 工艺过程的优化及 设计结果评价等内容 工艺建模与工艺变形设计过程全部在辅助智能和可视化导航工 具引导下进行 1 2 2 工艺优化方法综述 工艺优化是制造系统最重要的目标 在工艺优化方面开展了许多研究工作 然而 这些工作仅仅停留在分阶段的考虑工艺的优化问题 或者只优化了工艺过程中一部分 这包括 1 特征加工方法的确定 2 优化给定的加工方法间的操作序列 3 根据给定的工艺路径及加工设备 只对具体一个单工步的切削参数进行优化 4 切削机床和辅助工具的选择 在这些孤立优化的几个方面中 更多的又集中在 2 和 3 中 既操作序列优化和切 削参数优化 本文针对这两个方面的内容进行综述 1 加工序列优化方法 尽管相关文献报告了上百种c a p p 系统 但仅仅有很少一部分考虑了加工序列优 化 r h o 在分析了台型零件的技术和可行的约束后 使用了优先级矩阵 加工序列 优化的目标是最少刀具变化和最少走刀时间 但文章没有考虑基于有限制造资源的加 工序列的合法性 s u n d a r a m 和p r a b h 使用特殊的数据结构来解决加工序列约束问题 为了防止不可 行解的产生 他们提出了两种方法 除掉所有的不可行解 利用树形结构枚举所有 的可行解 1 8 1 i r a n i 论述了哈密尔敦路径 h a m i l t o n i a np a t h h p 规划问题 h p 类似于加工序列 华中科技大学硕士学位论文 作者提出了一种优先图和加工费用矩阵 作为加工序列选择的依据由于加工序列问题 涉及到大量的相互作用的约束 使用确定搜索法 如整数规划法 分支定界法和动态规 划法 很难建模和解决加工序列问题 1 9 1 遗传算法作为近年来成为研究热点的智能搜 索算法也逐步地被一些学者应用到加工序列优化中 v a n c z a 和m a r k u s 将基因算法应 用于加工序列 作者采用代表零件特征的元素串来表示加工序列 2 0 1 d u t t a 和y i p h o i 提出了基于遗传算法的并行操作下的加工序列优化 为了在加工序列和加工序列的串 描述之间转换 设计了一种新的编码策略 该编码策略只允许有效的染色体产生 这 些染色体可以通过交叉和变异产生 但文章没有考虑与多个前继特征的关系 例如一 个特征不会加工出来 除非它的前继特征中的任一个特征加工出来 或关系 或者它 的所有前继特征均须加 出来 与关系 1 2 h 文献 2 2 揭示了工艺设计中的加工序列是 一个基于与 或关系的多变量约束图搜索 遗传算法在操作序列优化方面很有前景 它 通过一种自然启发搜索方式来获得加工序列最优解或接近最优解 作者指出 基因串 的编码方案应该基于操作序列的约束关系 同时要考虑方便交叉和变异操作 2 切削参数优化方法 确定最优的切削参数是工艺设计的一个重要方面 切削参数的有效优化可以大大 的影响工件的制造成本和加工时间 尽管早在上一个世纪 人们就意识到切削参数优 化的重要意义 但由于加工变量的非线性 事实上 切削参数优化的优化方法的发展非 常缓慢 这些方法主要采用了数学计算方法 包括 1 图形法i 列 2 几何规划法口4 1 3 1 动态规划法1 2 5 4 逐步搜索法口5 1 2 6 i 5 目标规划 2 7 6 组台以上一些方法所形成的方法 如组合几何规划和动态规划1 2 5 1 当优化变量增多时 这些方法均面临组合爆炸和计算复杂的困难 直接搜索法包括函数评价法和比较法 梯度下降法需要函数值和它的梯度信 基 r 梯度信息的数学优化技术不能解决离散变量优化问题 动态规划能应用于那些涉及 到多阶段决策过程 它既能解决连续变量问题 又能解决离散变量问题 进而得到一 个全局最优解 然而 如果优化问题涉及到许多自由变量 且这些变量的值域很大 如 华中科技大学硕士学位论文 切削变量的优化问题 动态规划的应用就受到限制1 2 8 1 由于变量和约束的增加 优化 问题的求解变得非常缓慢 寻优的计算过程就很困难 几何规划是用来解决具有非线 性约束的非线性问题的有效方法 特别当被优化的目标函数是一个关于小数和负指数 的多项式时 采用几何规划可以得到较好的结果 2 9 当约束可以合并转化成一个或两 个参数时 几何规划比其它数学优化方法其有更明显的效果1 3 啦 然而 如果难度增加 数学模型可能比原始问题更复杂 几何规划仅能解决连续变量问题 3 l 文献 3 2 也指出 随着大规模问题的约束增多 几何规划应该与其它优化方法结 合使用 j h a 曾尝试利用几何规划来优化铣削参数 发现基于动态规划的铣削参数优化 过程非常缓慢 文献 2 5 提出了一种综合了动态规划和几何规划的方法 并对铣加工 的切削参数进行优化 结果发现在优化过程中 仍然需要花费很长时间计算目标函数 值 优化问题的解 包括实数值变量 可以用不同的方法获得 但是 每种方法均有它 自己的优点和缺点 对于非线性问题 不存在全能的有效优化方法 切削参数的优化 计算时间和成本通常由切削数学模型的复杂性和简单性来决定 有些模型可能通过严 格的计算产生精确的解 但是这种严格的计算是不经济的 它需要花费很多的计算时 间和较大的计算成本 而其它的模型以一种快速的方式来获得一个解 但这个解离最 优解又相差胜远 文献 3 3 对这两种模式进行了比较 提出有必要采用人工智能的方法 来寻求两者的平衡点 作为解决这个矛盾的中间路线 文献 3 4 使用了遗传算法来优 化台式零件的切削参数 并获得了较好的效果 事实上 加工序列和切削参数是彼此影响的 例如 操作序列影响机床和切削参 数的选择 机床和切削参数的选择影响到零件加工的效率和质量 由机床和切削参数 所决定的评价指标值的高低也是调整操作序列的根据 甚至还要对特征加工方法进行 重新选择 割离它们问的彼此联系 只就局部问题进行优化 虽然能在一定程度上提高 产品质量和加工成本 但对于大批量大规模生产 这些优化工作显然是不够的 这是 因为局部的最优解并不能代表全局最优解 因此 应该为它们建立一个统一的模型以 便获得全局最优解 本文对加工序列和切削参数同时考虑 同时考虑工艺设计的两个 层次 加工序列和切削参数 工艺优化实际上是一个混合变量 非线性 组合优化 问题 例如 操作序列优化 工序 是组合优化 切削参数优化是混合变量 包括离 散变量 整数变量和实数连续变量 非线性优化问题 使用传统的数学方法很难解决 华中科技大学硕士学位论文 一 问题 而采用基因算法虽然对加工序列和切削参数这两个层次分别优化 虽然简化了 问题 方便了求解 却降l k g t 优化结果的应用意义 针对当前工艺优化的现状 本文 通过一种基于基因组的具有双层结构的特殊染色体编码方式来表达工艺方案 将加工 序列和每道工序的机床选择 刀具选择及切削参数作为一个有机整体进行优化 通过 这种双层优化策略得出优化的工艺方案 1 3 本文的主要工作 自2 0 0 2 年1 0 月起 笔者开始参加 基于三维的定量化工艺建模及工艺变形设计 工具 项目 重点对该项目中 基于g a 的工艺方案优化 做了详细的工作 主要内 容如下 j 分析了特征加工序列约束 建立了加工序列约束模型 2 对工艺资源统一建模 建立了可重构面向遗传算法的工艺资源关系模型和工艺 对象模型 而且建立了面向工艺过程优化的 机床一刀具一数学模型 加工方法 矩阵视图 3 采用层次分析法建立了综合考虑成本 时间 利润和质量的多目标评价体系 并对不同类型的目标评价值进行归一化处理和无量纲化处理 对多评价指标进 行加权合成 作为g a 中适应值计算的一部分 适应值还包括另一部分 违反 工艺约束的惩罚值 4 建立统一的工艺优化模型 将加工序列和每道工序的切削参数作为一个有机整 体进行优化 采用了改进的基于基因组编码方案和双层优化策略 5 为了验证本文所提出方法的有效性 开发了原型系统 该系统与 基于三维的 定量化工艺建模及工艺变形设计工具 项目的原型系统集成 1 4 本文的章节安排和组织结构 1 章节安排 本文共分为六章 分别为 第一章为绪论 介绍了课题的背景 来源及目的 对c a p p 的现状和工艺过程优 化问题进行综述 介绍了本文的主要工作 第二章分析了特征加工序列约束 建立了加工序列约束模型 对工艺资源进行统 一建模 包括工艺资源的组织关系模型和工艺资源的对象模型 利用统一对象语言建 华中科技大学硕士学位论文 立了可重构的工艺资源库 为了增强工艺优化工具的适应性 利用可扩展标识语言开 发了可扩展的面向协同管理的工艺资源标识语言 设计了工艺资源库的关系模式 第三章建立了面向工艺优化过程的 机床 刀具一数学模型 特征加工矩阵视图 接着创立了特征加工数学模型 利用层次分析法设计出工艺方案评价体系结构 第四章介绍了基本的遗传算法 针对工艺优化的多层次非线性组合优化的特点 设计了一种改进的遗传算法 对该算法进行了详细论述 研究了工艺优化中的工艺约 束推理方法 给出基于遗传算法的双层工艺优化方法 第五章介绍了原型系统和运行实例 并对试验结果进行了分析和讨论 第六章对全文进行了总结 并展望了下一步研究工作 2 主要章节的组织结构和逻辑关系 本文的六章中主要部分有三章 即第二三和四章 其中第二章和第三章是第四章 的前提或基础 而第二章和第三章也有一定联系 这三章构成一个有机整体 图1 2 第二层的变异操作 适应值的主体部分 适应值的惩罚部分 第一层违反约束的惩罚值 适应值的惩罚部分 第 层违反约束的惩罚值 第四章 第二覃 加工序列约束模型 工艺资源库 机床一刀具一数学模型矩阵 工艺评价体系 第三章 图l 一2 毛要章节的组织结构和逻辑关系 0 华中科技大学硕士学位论文 2 工艺规划约束建模 工艺规划包括加工序列规划 工序设计 和切削参数设计 工步设计 在加工序列 规划中存在很多约束规则 称为工序约束规则 一个制造企业往往具有自己的工艺资 源 如制造设备 刀具 量具和夹具等 这些工艺资源形成了该企业的加工制造能力 只有遵循工序约束规则和未超过企业加工制造能力的工艺方案才是可行的工艺方案 为此 有必要对加工序列约束和工艺资源进行建模 2 i 特征加工序列 2 i i 特征力n 序列的约束分析 在设计特征加工序列时 不仅要考虑加工制造能力 而且要考虑零件特征的质量 要求和零件特征间的约束关系 可行的加工序列就是没有违反约束的序列 对形状和精度的要求可以抽象成约束 在1 设计可行性特征加工序列时必须考虑这些约束 这些约束有 1 可接近性 2 非破坏性 3 定位 4 基准一致性 可接近性约束检查特征的可接近性 包括检查特征类型 主特征或次特征 和它与 邻接特征的位置关系 非破坏性约束确保后续的特征加工序列不破坏前面已加工的特征属性 两特征问 破坏性相互作用取决于特征定义所包含的相互作用 如果在主特征下有两个次特征a 和b 其中特征a 的形成需要破坏另一特征b 的部分 则a 应该优先于b 加工 例如 在主特征圆柱上加一印眄个特征 倒角和螺丝 根据非破坏性约束关系 应该先加工螺丝 舌加工倒角特征 3 5 3 7 j 华中科技大学硕士学位论文 定位约束指参考平面或定位表面优先与被定位的特征加工 以使特征问准确的满 足尺寸要求 例如 在一个阶梯轴零件中 阶梯面需要一个端面来定位 需要先加工这 个端面 基准一致性约束指尽量少换装夹 争取一次装夹后 近可能多的加工满足形位公 差要求的特征 3 9 1 t 4 0 1 2 1 2 加工序列约束建模 工序设计中存在许多约束规则 称为工序约束规则 为了设计合理的工艺路线 必须遵循这些规则 这些规则有 在这些规则下 工序中特征加工方法间有以下几种关系类型 1 孤立单个特征加工与其它特征加工不要求有先后顺序 即可以在工序链的 任何地方进行 2 串行两个特征加工有明确的先后顺序 串行关系的表示方式如图2 1 所示 c s 9 图2 1 串行 3 双向两个特征加工没有明确的先后顺序 双向关系的表示方式如图2 2 所示 9 图2 2 双向 4 合并两个或更多个特征加工同时完成后 才进行下一个特征加工 合并关系 的表示方式如图2 3 所示 囝 日d p j 图2 3 合并 1 2 华中科技大学硕士学位论文 5 平行两个或更多特征加工任何一个完成后 就可以进行下一个特征加工 平 行关系的表示方式如图2 4 所示 二二 一 日d o 图2 4 平行 2 1 3 j r 序列约束建模实例 采用文献 3 8 提到的例子来说明上节所述关系 该零件尺寸及工艺要求如图2 5 所示 图2 5 零件图 1 特征加工方法的确立 根据切削加工工艺的加工方法选择原则 可以确立该零件的特征加工方法 如表2 一l 所示 华中科技大学硕士学位论文 表2 i 特征加工方法 序号1234567891 01 1 表面 垄 车粗铣粗铣粗镗倒角精铣精铣精镗钻葱 加工由4 0中1 0 0上表下表由2 0上表下表由2 0m 7出1 5 方法外圆外圆面面孔 洵面孔孔沉孔 2 加工先后约束关系的确立 根据工艺路线规划 建立这1 1 个特征加工方法之间的基本先后约束关系 如图 2 6 所示 图2 6 加工序列约束图 3 1 4 加工序列约束模型的矩阵表示 1 加工序列约束矩阵 加工序列约束图是面向工艺师的 只是为了表达直观 可以在软件中通过交互方 式来建立 但为了便于计算机的底层推理 有必要将其转化成矩阵形式 将加工序列约束图用矩阵表示 c 2 垴 2 一1 华中科技大学硕士学位论文 工 则 2 3 4 5 1 式中 岛表示特征加工方法i 与特征加工方法j 的约束因子 i 表示优先的特征加 j 表示i 后面的特征加工方法 工序约束图向工序约束矩阵转换时 有以下转换规 孤立岛 珞卸 串行 i l 双向如喝尸l 合并如果有n 个特征加工合并 则所有的蠡t l n 平行如果有1 1 个特征加工平行 则所有的 i 1 利用该转换规则 可以将图2 6 的结构转换成以下矩阵 称为m m 序列约束矩阵 2 1 矩阵中的元素体现了级向所列的特征加工方法对横向所列的特征加工方法的约 束关系 其有以下特点 1 当一个特征加工方法的横向和纵向全为零 表示此特征加工方法为自由的 即可以插入到加工序列的任一位置 本例中不存在这样的特征加工方法 2 当一个特征加工方法的横向有非零值时 而纵向全为零 表示该特征加工 方法可以为第一个工步 不包括自由特征加工方法 如l 2 3 4 6 3 一个特征加工方法的横向全为0 而纵向有非零时 表示该特征加工方法可 以作为最后一个工步 不包括自由特征加工方法 如l l 4 一个特征加工方法的横向存在非零值 丽纵向也存在非零值时 表示该特 征加工方法处于加工序列的中间 如 l o o o o o 0 o o 0 i o m o 0 o o 0 0 o 0 o o 9 o o o o o o他他o 0 o 8 巧巧巧o o o o o o 7巧巧 o您o 0 o o 0 6 o 0 0 o o o o o o o 5 o o o o o o o 0 0 0 0 4 0 0 o o o o o o 0 o o 3 o 0 o 0 o o o 0 o 0 0 2 o o 0 o o o 0 o o o 0 o 0 o 0 o o o o o 0 o 2 3 4 5 6 7 8 9 m 华中科技大学硕士学位论文 这些特点作为约柬匹配的判别依据 2 约束匹配算法 约束匹配算法是判断一个加工序列是否符合加工序列约束矩阵的计算过程 其具 体算法如下 设有加工序列 s 1 s 2 s 3 s n 按下列算法进行约束匹配 s t e pl 按 1 找出自由特征加工方法 在以下的每步的判断中 首先判断特征加工 s t e p 2 s t e p3 s t e p4 s t e p 5 s t e p6 s t e p7 s t e p8 方法是否属于这些自由特征方法 如果属于 则不予考虑 工序逆反序列 后退一步后 按照s t e p2 至s t e p7 的算法进行 如果不属于 则直接按照 从s t e p2 至s t e p7 的算法进行 按照工序逆反序列一步一步匹配 首先检查最后一个工步是否满足 3 如 果不满足 则表示工序不可行 进入到s t e p8 如果满足 则进入到s t e p 3 检查该非零值 如果是1 进入到s t e p4 如果是l m 则进入s t e p5 判断非零值所对应的横向特征加工方法是否为该加工序列的前一个特征加工 方法 如果是 则进入s t e p6 如果不是 则表示工序不可行 进入s t e p 8 判断非零值所对应的m 个横向