面向高效低碳的機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型分析

楊 潔 董 瑞 尤文龍

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，使得機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)加工對(duì)工藝路線規(guī)劃的科學(xué)合理性需求越來(lái)越大。然而，機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品生產(chǎn)加工的多樣性，增加了工藝路線規(guī)劃控制工作開展的難度。此情況下，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)成果更多地作用于實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)模型應(yīng)用構(gòu)建的高效低碳目標(biāo)，進(jìn)而滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)背景下對(duì)工業(yè)化快速穩(wěn)定發(fā)展所提出的科學(xué)合理性需求。

1 研究高效低碳機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型的重要性

工藝路線規(guī)定了將毛坯變成零部件的整個(gè)加工過(guò)程，其確定的科學(xué)合理性直接會(huì)對(duì)產(chǎn)品零件的加工質(zhì)量、效率以及成本造價(jià)控制帶來(lái)影響。為此，相關(guān)人員應(yīng)在機(jī)械零部件特征表示方法的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)模型加大對(duì)工藝路線優(yōu)化問(wèn)題的研究力度。通過(guò)綜合考慮工藝路線規(guī)劃過(guò)程中所要達(dá)到的目標(biāo)，構(gòu)建工藝路線的高效低碳數(shù)據(jù)優(yōu)化模型，并建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。研究人員應(yīng)將構(gòu)建的優(yōu)化模型作用于機(jī)械加工產(chǎn)品工藝路線的規(guī)劃實(shí)踐過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝路線規(guī)劃控制的高效低碳目標(biāo)。

2 面向高效低碳的機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建方法

2.1 明確約束條件

在加工機(jī)械零部件過(guò)程中，各個(gè)工藝特征與特征表面的加工是存在約束關(guān)系的。相關(guān)人員根據(jù)強(qiáng)制性程度的差異，把各種約束類型劃分為兩種，即合理性約束與最優(yōu)性約束。前者在工藝路線的規(guī)劃與排序優(yōu)化工作中，是必須滿足的；后者則是規(guī)劃工作中盡可能滿足的。這里的加工工藝路線排序優(yōu)化的思路，就是在找出所有合理性約束的工藝路線后，根據(jù)最優(yōu)性約束標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)與判斷，進(jìn)而確定最佳的工藝路線[1]。

2.2 建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

2.2.1 高效目標(biāo)函數(shù)的建立

高效目標(biāo)函數(shù)，顧名思義，就是工藝路線的總加工時(shí)間最短?？偧庸r(shí)間是由加工工藝、機(jī)床更換、夾具更換以及刀具更換時(shí)間決定的。機(jī)床更換是指不同機(jī)械上相鄰兩個(gè)工序的加工；夾具更換是指相鄰兩個(gè)工序用不同夾具來(lái)完成加工；一次刀具的更換是指相鄰兩個(gè)工序需采用不同的刀具進(jìn)行加工。

2.2.2 低碳目標(biāo)函數(shù)建立

機(jī)械加工系統(tǒng)低碳目標(biāo)是工藝路線所有加工工藝產(chǎn)生總碳排放量中最小的，其可分為兩類，即冷加工與熱加工工藝。冷加工過(guò)程，作為機(jī)械加工工藝過(guò)程中的重要組成部分，其所排放的碳，是由工藝加工設(shè)備的電能消耗引起的。這里的加工設(shè)備是指刀具和切削液。人們根據(jù)切削液種類差異、電能消耗分類以及刀具種類，確定低碳目標(biāo)函數(shù)，即用符號(hào)進(jìn)行表示，以為計(jì)算控制提供便利。

對(duì)于熱加工工藝，人們也可以確定其碳排放目標(biāo)函數(shù)。由于熱處理方法眾多，且最常使用的加熱方式為電加熱爐，因此，碳排放的計(jì)算應(yīng)結(jié)合電能消耗量與熱處理工藝的電耗定額，來(lái)進(jìn)行估算。值得注意的是，電能消耗量的計(jì)算涉及熱處理工藝加熱方式、工藝折算以及生產(chǎn)方式等系數(shù)，因此，相關(guān)取值應(yīng)參照相關(guān)管理部門制定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定[2]。

3 高效低碳機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型的運(yùn)用分析

某機(jī)床電動(dòng)機(jī)座的加工過(guò)程應(yīng)用了高低碳的機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型。對(duì)于優(yōu)化模型的求解，相關(guān)人員采用了NSGA-II，即通過(guò)擁擠距離計(jì)算與非支配解排序方法，并加入精英策略使原種群中的優(yōu)秀個(gè)體得到保存，進(jìn)而確定機(jī)械加工工藝最優(yōu)的規(guī)劃路線。在進(jìn)行模型求解時(shí)，基因編碼問(wèn)題是最先解決的問(wèn)題，即在應(yīng)用零件編碼法過(guò)程中，要綜合考慮染色體的合法性、有效性、可行性以及問(wèn)題空間表征的完整性。換句話說(shuō)，就是在應(yīng)用NSGA-II算法時(shí)，將刀具、設(shè)備的選擇以及加工工序的排序體現(xiàn)出來(lái)[3]。

具體來(lái)說(shuō)，相關(guān)人員根據(jù)加工工藝路線的優(yōu)化控制要求，將編碼機(jī)制確定為個(gè)體編碼方式，種群中每個(gè)個(gè)體均涉及三個(gè)子串，即順序Si、設(shè)備Mi與Ti，且子串長(zhǎng)度與零件i的工序數(shù)一致。順序子串Si表示連續(xù)列表顯現(xiàn)出的零件加工操作順序，且其基因應(yīng)綜合考慮加工優(yōu)先順序的約束；設(shè)備子串Mi，是由已分配給每個(gè)操作設(shè)備的編號(hào)組成的；刀具子串，則與設(shè)備子串的含義類似。

基于上述模型求解，電動(dòng)機(jī)座的加工特征確定為16個(gè)，即外圓、孔、端面、倒孔、內(nèi)孔臺(tái)階面以及四面等。當(dāng)各個(gè)特征確定好對(duì)應(yīng)的加工刀具與設(shè)備時(shí)，就可進(jìn)一步細(xì)化具體的工步與每一工步選用的設(shè)備與刀具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)機(jī)座的16個(gè)特征需要經(jīng)歷27個(gè)工步，才能完成零部件的全部加工。其間，27個(gè)工步組成的有序集合即為工藝路線。

此情況下，在確定工步編碼方案后，就可設(shè)置遺傳算法的計(jì)算參數(shù)?？梢詫⒔徊娓怕蔖c確定為0.7；初始種群N的大小確定為50；變異概率Pm確定為0.05；迭代次數(shù)M為200，且設(shè)備更換次數(shù)與刀具的更換次數(shù)電動(dòng)機(jī)值均為15。而后，就可著手Matlab編程的優(yōu)化求解，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)座加工工藝路線規(guī)劃的高效低碳目標(biāo)[4]。對(duì)于求解的結(jié)果，應(yīng)與單獨(dú)作用于高效和低碳的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)信息對(duì)比，進(jìn)而得出最優(yōu)染色體表現(xiàn)形式，如圖1所示。

圖1 最優(yōu)染色體表現(xiàn)形式

由此，人們就可結(jié)合上述最優(yōu)染色表現(xiàn)形式，通過(guò)編譯確定機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品最優(yōu)的工藝路線。

4 結(jié)語(yǔ)

面向高效低碳的機(jī)械加工工藝路線的多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建，應(yīng)在明確約束條件與建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的情況下，提高模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。事實(shí)證明，只有這樣，才能保證機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品加工工藝路線確定的科學(xué)合理性，進(jìn)而使生產(chǎn)加工的機(jī)械設(shè)備能夠以安全可靠的狀態(tài)服務(wù)于工業(yè)發(fā)展的需要。因此，相關(guān)人員應(yīng)將上述分析內(nèi)容與科研成果更多地作用于不同領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)加工上，進(jìn)而大幅度提升工業(yè)發(fā)展的快速穩(wěn)定效果。