數(shù)控銑削工藝參數(shù)優(yōu)化研究

黃健

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

數(shù)控銑削工藝參數(shù)優(yōu)化研究

黃健

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

為進(jìn)一步提高工藝水平，促進(jìn)數(shù)控銑削工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，要對數(shù)控機(jī)床零件加工進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取，并在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立基礎(chǔ)上形成數(shù)控加工銑削工藝參數(shù)優(yōu)化模型。文章基于DMC60H數(shù)控機(jī)床，對數(shù)控加工銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化方案的制定。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中證明該優(yōu)化方法具有一定實(shí)效性，對提高數(shù)控機(jī)床加工效率有著重要意義。

數(shù)控銑削；參數(shù)優(yōu)化；樣本；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在傳統(tǒng)數(shù)控加工過程中通常要通過工藝編程人員對主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等切削參數(shù)進(jìn)行人工選擇，再通過加工程序的生成處理完成數(shù)控工藝。但通過工藝編程人員的處理使其質(zhì)量無法得到有效保障，更多的以編程人員技術(shù)水平?jīng)Q定加工程序質(zhì)量。在數(shù)控加工復(fù)雜零件中僅僅是通過經(jīng)驗(yàn)與資料無法保障切削參數(shù)精準(zhǔn)，因此如何實(shí)現(xiàn)銑削參數(shù)優(yōu)化成為數(shù)控加工中的重要問題，以有效保證數(shù)控加工質(zhì)量及數(shù)控銑削過程優(yōu)化。

1 數(shù)控加工銑削工藝參數(shù)選取

在數(shù)控加工中其銑削參數(shù)的選取是一項(xiàng)復(fù)雜性高、多輸入與多輸出的非線性問題，無法以常規(guī)數(shù)學(xué)進(jìn)行計(jì)算與處理?，F(xiàn)階段數(shù)控加工銑削參數(shù)在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化參數(shù)選擇過程中，逐漸實(shí)現(xiàn)對專家系統(tǒng)與模糊技術(shù)的應(yīng)用，近年來在科技高速發(fā)展背景下人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備自學(xué)習(xí)功能，對高效解決數(shù)控加工銑削參數(shù)選取問題提供了新途徑。同時該技術(shù)的應(yīng)用也有效的避開了面向加工過程的定量描述，省去諸多計(jì)算環(huán)節(jié)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用是在實(shí)現(xiàn)通過樣本訓(xùn)練后再對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部單元連接權(quán)值進(jìn)一步確定，準(zhǔn)確測算出數(shù)控加工銑削工藝參數(shù)，有效攻克了銑削參數(shù)不易選取的問題。

在針對數(shù)控加工銑削工藝參數(shù)優(yōu)化的研究中，以DMC60H數(shù)控機(jī)床為試驗(yàn)平臺，針對鋁合金零件加工為試驗(yàn)對象，對其數(shù)控加工銑削數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，再通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建參數(shù)優(yōu)化模型，進(jìn)而提高數(shù)控機(jī)床綜合效率。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與樣本數(shù)據(jù)選取

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。在數(shù)控加工實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，要針對表面粗糙度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對尺寸精度進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取，目的在于保證更準(zhǔn)確的描述數(shù)控加工的全過程。①在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場對表面粗糙度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理要遵循現(xiàn)場性原則，即在以現(xiàn)場實(shí)際測量及實(shí)際加工要求為前提，對表面粗糙度等一系列進(jìn)行處理，具體處理原則如表1所示。②在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場對尺寸進(jìn)度的處理原則主要是基于標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)據(jù)表，對尺寸公差進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T?；跇?biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T值進(jìn)行尺寸精度樣本輸入數(shù)據(jù)。

表1 表面粗糙度處理原則

（2）樣本數(shù)據(jù)選取。樣本數(shù)據(jù)的選取十分關(guān)鍵，數(shù)據(jù)質(zhì)量直接對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型收斂速度造成影響，并直接影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測精準(zhǔn)性。在本次研究中主要對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析，基于數(shù)控加工銑削特點(diǎn)，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，其主要原則為：①在其他加工條件相同前提下，以表面質(zhì)量相對高的為樣本數(shù)據(jù)；②將接近中間公差尺寸的作為樣本數(shù)據(jù)；③加工效率最高的、時間應(yīng)用最短的為樣本數(shù)據(jù)；④表面粗糙度、中間公差尺寸以及加工效率相互租用的多目標(biāo)為樣本數(shù)據(jù)。

3 構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)選取。在基于數(shù)控加工要求基礎(chǔ)上，明確表面粗糙度以及尺寸精度，并掌握數(shù)控機(jī)床、刀具、夾具等工況，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，構(gòu)建數(shù)控加工銑削工藝模型?；趯υ囼?yàn)數(shù)據(jù)、樣本數(shù)據(jù)優(yōu)化選取的前提下，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練并有效求解相關(guān)模型，對數(shù)控加工銑削參數(shù)優(yōu)化選擇做出有效的生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)。

以DMC60H數(shù)控機(jī)床為試驗(yàn)平臺，其操作系統(tǒng)為Siemens840D power line。能夠選取的數(shù)控加工銑削參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度Vf，基于對銑削加工效率的評價考慮加入加工時間，所以輸出層神經(jīng)元為主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度與加工時間。輸出層主要神經(jīng)元為道具類型、刀具懸伸量、刀具直徑、刀具口徑比、基本尺寸、切削寬度、切削深度、尺寸精度、表面粗糙度。

（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序訓(xùn)練結(jié)果分析。①BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線。在對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中要對其加權(quán)輸入矢量、輸出量、誤差矢量進(jìn)行計(jì)算，再計(jì)算得出誤差平法和。當(dāng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所訓(xùn)練矢量誤差平方和小于訓(xùn)練進(jìn)度10-4，則立即停止訓(xùn)練，對輸出層誤差出現(xiàn)的變化進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用反向傳播學(xué)習(xí)規(guī)則對權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)該過程。BP網(wǎng)絡(luò)完成訓(xùn)練后輸入一個非訓(xùn)練集合中的矢量，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將通過泛化方式對輸出結(jié)果進(jìn)行顯示，并顯示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差收斂曲線。②BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能曲線分析。基于圖1所示，通過Postreg對參數(shù)進(jìn)形反饋，其中m、b代表的是斜率以及y軸截距。在出現(xiàn)m-1，且b=0的條件下，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中輸出及目標(biāo)輸出兩者之間將會完全一致。這個情況下的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能出現(xiàn)最佳狀態(tài)。r代表的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中的系數(shù)情況，在r趨近1的情況下，則意味著BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出以及目標(biāo)輸出兩者之間更加接近，此時性能也會趨向最優(yōu)。最優(yōu)參數(shù)彼此之間能夠重合，也意味著BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生最優(yōu)性能。③BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測以及參數(shù)驗(yàn)證差異性比較分析。對樣本數(shù)據(jù)之中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。將其帶入到數(shù)控銑削之中。主軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生參數(shù)與預(yù)測參數(shù)之間進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，兩者數(shù)據(jù)情況發(fā)展規(guī)律基本一致。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出最優(yōu)效果。存在的個別情況，預(yù)測值高于或者低于樣本值的也屬于正常情況。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能測試圖

（3）數(shù)控加工銑削工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)?；谏鲜鲅芯靠芍訢MC60H數(shù)控機(jī)床為試驗(yàn)平臺構(gòu)建的銑削工藝參數(shù)優(yōu)選系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床對鋁合金類零件切削參數(shù)優(yōu)化的選擇，包括上述9個神經(jīng)元以及工藝參數(shù)期望值。通過加工參數(shù)優(yōu)選模塊，能夠?qū)?shù)控加工銑削工藝的參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選取，最終獲得主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度優(yōu)選值。通過對其參數(shù)優(yōu)化建立數(shù)控加工銑削工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)界面圖如圖2所示。

圖2 數(shù)控加工銑削工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)示意圖

通過對加工要求的輸入，可對刀具類型、刀具直徑、刀具懸伸量、基本尺寸、尺寸精度、表面粗糙度、切削寬度和切削深度進(jìn)行要求選擇。在該系統(tǒng)中每個文本框的工具提示框都會對輸入數(shù)據(jù)的有效范圍進(jìn)行顯示，為用戶提供選擇參考。通過開始預(yù)測操作后系統(tǒng)后臺能夠直接對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊進(jìn)行啟動，通過My SQL數(shù)據(jù)庫對網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行進(jìn)一步讀取，再通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算，在系統(tǒng)界面中有效顯示。

應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)控加工銑削參數(shù)的優(yōu)化選擇，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過程中工藝參數(shù)科學(xué)化、規(guī)范化的參數(shù)選取，大大提高了數(shù)控機(jī)床的技工效率，這對降低生產(chǎn)成本、提高零件生產(chǎn)質(zhì)量都有著重要意義。

［1］李聰波，陳行政，肖溱鴿，等.面向能效的多工步數(shù)控銑削工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2016，22（2）：538-546.

［2］李聰波，肖溱鴿，李麗，等.基于田口法和響應(yīng)面法的數(shù)控銑削工藝參數(shù)能效優(yōu)化方法［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2015，（12）：3182-3191.

［3］張臣，周來水，余湛悅，等.基于仿真數(shù)據(jù)的數(shù)控銑削加工多目標(biāo)變參數(shù)優(yōu)化［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（5）：1039-1045.

［4］劉強(qiáng)，尹力.一種面向數(shù)控工藝參數(shù)優(yōu)化的銑削過程動力學(xué)仿真系統(tǒng)研究［J］.中國機(jī)械工程，2005，（13）：1146-1150.

［5］黃拯滔，楊杰，張超勇，等.面向能耗的數(shù)控銑削過程建模與參數(shù)優(yōu)化［J］.中國機(jī)械工程，2016，（18）：2524-2532.

［6］王太勇，汪文津，范勝波，等.基于自適應(yīng)遺傳算法的數(shù)控銑削過程參數(shù)優(yōu)化仿真［J］.制造業(yè)自動化，2004，（8）：28-30+58.

Research on Optimization of NC Milling Process Parameters

HUANG Jian
（Foshan Vocational and Technical College，F(xiàn)oushan，Guangdong 528137，China）

In order to further improve the technological level and to further optimize the milling parameters，the experimental data of milling machine parts are extracted and the optimization model of NC machining milling parameters is formed on the basis of neural network.Based on the DMC60H CNC machine tool，the mathematical program is designed to optimize the milling parameters.In the experimental verification,it is proved that the optimization method has certain effectiveness，which is of great significance to improve the machining efficiency of CNC machine tools.

CNC milling；parameter optimization；sample；BP neural network

TP391.9

A

2095-980X（2017）02-0031-02

2017-01-17

黃?。?991-），男，廣東梅州人，大學(xué)本科，主要研究方向：模具設(shè)計(jì)與制造。