劉智強(qiáng)

（浙江師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，金華 321000）

數(shù)控車(chē)削參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化方法研究

劉智強(qiáng)

（浙江師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，金華 321000）

以表面粗糙度、刀具磨損、材料去除率作為研究目標(biāo)，運(yùn)用田口方法正交表建立實(shí)驗(yàn)，借助模糊理論，將車(chē)削參數(shù)對(duì)應(yīng)于各目標(biāo)關(guān)系，建立語(yǔ)意性規(guī)則，探求各目標(biāo)的相對(duì)關(guān)系。對(duì)求得的最優(yōu)切削參數(shù)進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化的切削參數(shù)的適用性，從而為設(shè)計(jì)制造提供有益的參考。

數(shù)控車(chē)削 優(yōu)化 田口方法 模糊理論

引言

數(shù)控車(chē)削加工是機(jī)械制造的基本加工方法之一，在高精度的金屬零件加工中顯得尤為重要。隨著工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的日益復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣問(wèn)題已非單一質(zhì)量?jī)?yōu)化就能解決，往往需要同時(shí)考量多個(gè)質(zhì)量特性的同時(shí)優(yōu)化[1]。

田口方法雖在業(yè)界已實(shí)施多年，但過(guò)去應(yīng)用的實(shí)例都只限于單一目標(biāo)的優(yōu)化。對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，也只停留在經(jīng)驗(yàn)判斷階段，并未提出明確的解決方法[2]。因此，以田口方法建立實(shí)驗(yàn)正交表，用模糊語(yǔ)意的方法，對(duì)表面粗糙度、刀具磨損和材料去除率等目標(biāo)制定規(guī)則來(lái)解模糊化，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。

1 田口方法建立正交實(shí)驗(yàn)

田口方法是日本田口玄一博士于1980年提出的一種實(shí)驗(yàn)計(jì)劃法，可化繁為簡(jiǎn)，避開(kāi)深?yuàn)W難懂的統(tǒng)計(jì)學(xué)概念。利用田口正交表來(lái)建立四個(gè)控制因子（主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給量、刀尖中心度），三水平（低、中、高）的實(shí)驗(yàn)表格，目的在于制定模糊規(guī)則的理論依據(jù)，快速選擇最佳加工參數(shù)，提高加工效率，同時(shí)保有一定的精度。

選用田口方法正交表建立L9（34）實(shí)驗(yàn)。以1、2、3表示各控制因子的低、中、高，選用L9（34）正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，如表1所示。

表1 田口方法正交表

2 模糊理論分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)規(guī)劃制定實(shí)驗(yàn)的模糊規(guī)則，采用三角形歸屬函數(shù)的計(jì)算模糊公式，利用重心法求出三角形面積的重心值位置。各規(guī)則以模糊集合的平均值來(lái)表示整體的模糊結(jié)合，求出各目標(biāo)在實(shí)驗(yàn)中的排序值，并做整合分析，從而在多目標(biāo)的考慮下求得各實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)排序值。

針對(duì)數(shù)控車(chē)削的加工方式，以工件表面粗糙度、刀具磨損和工件材料去除率為品質(zhì)特性，利用各目標(biāo)值所依據(jù)的參考公式，建立三組車(chē)削參數(shù)與輸出目標(biāo)的模糊規(guī)則。

2.1 表面粗糙度

車(chē)削對(duì)表面粗糙度的影響不確定因素很多。根據(jù)以前的研究，存在經(jīng)驗(yàn)公式：

式（1）可以用于以表面粗糙度、切削速度和進(jìn)給量為重要影響因素，其余為常數(shù)的情況。在此條件下，建立規(guī)則：

2.2 刀具磨損

由切削理論可知，刀具壽命的計(jì)算公式為：

式中，切削速度、進(jìn)給量、切削深度為影響因子。其中，V為切削速度、f為進(jìn)給量，d為切深。因?yàn)榈毒邏勖鼘?duì)速度變化較敏感，對(duì)切深不敏感，所以對(duì)切削速度和進(jìn)給量進(jìn)行判定。在此情況下，建立規(guī)則：

2.3 材料的去除率

材料的去除率計(jì)算為：MRR＝1000fdV，與進(jìn)給量、切削深度、切削速度有關(guān)。選關(guān)鍵因素切削深度和進(jìn)給量進(jìn)行判定，建立規(guī)則為：

模糊運(yùn)算采用“輸入-輸出”方法來(lái)運(yùn)算。輸入目標(biāo)為控制因子，輸出目標(biāo)為預(yù)設(shè)結(jié)果。由于田口方法的三水平為低、中、高，對(duì)應(yīng)的歸屬函數(shù)將是各區(qū)域的最高點(diǎn)，輸入的歸屬函數(shù)以交集方式來(lái)判定，以μ＝1對(duì)應(yīng)到輸出目標(biāo)的模糊區(qū)域，如圖1所示。

圖1 歸屬函數(shù)對(duì)應(yīng)的圖形

對(duì)各目標(biāo)的預(yù)設(shè)結(jié)果做模糊運(yùn)算：

將計(jì)算結(jié)果以田口方法配置，得到的實(shí)驗(yàn)由TOPSIS分析法來(lái)整合多目標(biāo)值，得到表2。可見(jiàn)，由模糊語(yǔ)意的方法可求得最佳參數(shù)A1B1C1D2。

表2 田口模糊排序值

3 切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文切削實(shí)驗(yàn)在QTN200M/500U數(shù)控車(chē)削中心上進(jìn)行數(shù)控車(chē)削實(shí)驗(yàn)，利用正交表的各項(xiàng)條件設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，其切削條件如表3所示。

表3 切削條件

針對(duì)模糊語(yǔ)意的方法，所求得的最佳參數(shù)A1B1C1D2在這81組實(shí)驗(yàn)優(yōu)序選擇中排在第6組，落在整個(gè)實(shí)驗(yàn)百分比的前10%。此外，最佳參數(shù)在表面粗糙度良占57.76%、刀具磨損差占72.75%及材料去除率大占12.5%。

4 結(jié)論

本文以田口方法建立L9（34）正交表，運(yùn)用模糊理論，將車(chē)削參數(shù)對(duì)應(yīng)于各目標(biāo)，設(shè)立語(yǔ)意規(guī)則，并加以運(yùn)算和進(jìn)行排序，最后求得最佳切削參數(shù)，并在數(shù)控車(chē)床上驗(yàn)證了此方法的適用性。

[1]詹俊凱.競(jìng)爭(zhēng)式多目標(biāo)最佳車(chē)削參數(shù)之研究[D].大同：大同大學(xué)，2006.

[2]何為，薛衛(wèi)東，唐斌.優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)分析[M].北京：化工出版社，2012.

Research on Multi-objective Optimization Method for NC Turning Parameters

LIU Zhiqiang
(College of Vocational and Technical Education, Zhejiang Normal University, Jinhua 321000)

Based on the surface roughness, tool wear and material removal rate, the orthogonal experiment of Taguchi method was used to establish the experiment. By using the fuzzy theory, the turning parameters were corresponded to the target relations, the semantic rules were established. The best cutting parameters are obtained by cutting experiments, and the applicability of the optimized cutting parameters is verified, so as to provide a useful reference for design and manufacture.

NC turning, optimization, taguchi method, fuzzy theory