面向低碳耗的多品种小批量生产模式下数控加工工艺参数优化方法

摘要

制造业是国民经济的重要支柱产业。而制造业已成为我国整个工业领域能源消耗、物料消耗与碳排放激增的主要源头，其绿色化、智能化势在必行。机床是制造业的主要碳耗设备之一，数控机床在机床中所占比重日益上升，由数控机床、工件、刀具及各种辅助设施组成的数控加工系统结构布局、控制系统日益复杂、辅助功能系统增多，造成其碳耗特性复杂多变、影响因素众多，存在较大的节能减排空间。另外，用户个性化、定制化需求增多，多品种小批量生产已经成为当今制造业重要的生产方式，品种多、批量小，需要频繁应对新加工工艺参数决策与优化问题，单纯依靠人工经验无法获得满意的加工效果，相比其他生产模式，更需要加工工艺参数优化方法的支撑；加工过程会产生较多历史加工样本，如何有效利用已有数据获取合理的加工工艺参数，是亟待解决的问题。因此，本文在国家自然科学基金面上项目“现代数控加工系统碳耗特性及其低碳运行支持技术研究”（51575071）及国家高技术研究发展计划课题“制齿机床智能化关键技术及智能滚齿机”（2012AA041306）的资助下，对更适合应用于多品种小批量生产模式的数控加工工艺参数优化方法进行了深入研究。 首先，详细分析了数控加工系统碳耗构成特性，从能源碳、物料碳、废弃物碳三个角度出发，给出了数控加工系统碳耗定量计算模型，在此基础上，设计实验对数控加工系统碳耗影响因素进行分析。 其次，对多品种小批量生产模式下数控加工工艺参数优化问题进行描述，选用加工质量、加工时间、加工成本和加工碳耗作为评价要素，基于数控加工系统碳耗定量计算模型，给出数控加工效果评价模型。基于多品种小批量生产过程，建立包括数控加工碳耗计算模块、数控加工效果评价模块、监督式学习方法模块及启发式优化方法模块在内的数控加工工艺参数优化过程模型。 然后，针对加工样本容量及优化目标的不同，提出三套数控加工工艺参数优化方法。①针对支持小样本的多品种小批量生产模式下数控加工工艺参数低碳优化问题，提出一种融合支持向量回归、蜻蜓算法、加工过程反馈及加工评价的数控加工工艺参数低碳优化方法。在少量加工样本及数控加工效果评价模型支持下，通过包含运用蜻蜓算法模块实现支持向量回归参数组生成，基于支持向量回归参数组，利用支持向量回归模块生成加工工艺参数组、利用加工工艺参数组依次指导数控加工，根据加工过程数据计算加工碳耗值、寻找当前全局最优加工工艺参数在内的三阶段运行，实现最终优化加工工艺参数的生成。②针对支持小样本的多品种小批量生产模式下数控加工工艺参数多目标优化问题，提出一种融合多分类支持向量机、多目标蚁狮算法、加工过程反馈及加工评价的数控加工工艺参数多目标优化方法。在少量加工样本及数控加工效果评价模型支持下，通过包含运用多分类支持向量机模块生成初始加工工艺参数组、运用初始加工工艺参数组（或更新后的加工工艺参数组）依次指导数控加工，根据加工过程数据计算加工工艺参数组对应的各目标值、运用帕累托优化方法寻找当前全局优化加工工艺参数（非支配解）、运用多目标蚁狮算法模块实现加工工艺参数组更新在内的四阶段运行，实现最终优化加工工艺参数的生成。③针对支持大样本的多品种小批量生产模式下数控加工工艺参数多目标优化问题，提出一种融合改进BP神经网络、多目标灰狼算法、加工过程反馈及加工评价的数控加工工艺参数多目标优化方法。在大量加工样本及数控加工效果评价模型支持下，通过包含利用改进BP神经网络模块得到初始加工工艺参数组、利用初始加工工艺参数组（或更新后的加工工艺参数组）依次指导数控加工，根据加工过程数据计算加工工艺参数组对应的各目标值、运用帕累托优化方法寻找当前全局优化加工工艺参数（非支配解）、利用多目标灰狼算法模块完成加工工艺参数组更新在内的四阶段运行，实现最终优化加工工艺参数的生成。实验验证了上述方法的可行性与有效性。 最后，在上述方法支持下，设计了智能滚齿机工艺参数优化系统，在重庆某数控机床生产企业齿轮制造车间进行了应用，在获取机床、工件、刀具及加工样本信息的基础上，完成多品种小批量生产模式下数控加工工艺参数优化，满足企业对加工质量、加工时间、加工成本及加工碳耗的多样性需求，取得了较好的效果。

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