黃風(fēng)立　顧金梅　張禮兵　徐春光,2　王海燕

1.嘉興學(xué)院,嘉興,314001　　2.常州大學(xué),常州,213164

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基于禁忌制造特征動(dòng)態(tài)調(diào)整的STEP-NC工藝路線蟻群優(yōu)化方法

黃風(fēng)立1顧金梅1張禮兵1徐春光1,2王海燕1

1.嘉興學(xué)院,嘉興,3140012.常州大學(xué),常州,213164

摘要：針對(duì)STEP-NC制造特征的加工工藝路線生成與優(yōu)化問題，提出了一種以機(jī)床、夾具及刀具更換率最低為目標(biāo)函數(shù)的禁忌制造特征動(dòng)態(tài)更新的工藝路線蟻群優(yōu)化方法。首先，根據(jù)加工工藝對(duì)制造特征進(jìn)行分解，將工藝路線優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為對(duì)制造特征的排序；然后根據(jù)制造特征在加工過程中存在的加工遮擋關(guān)系以及剛性工藝性約束，提出禁忌制造特征動(dòng)態(tài)更新的工藝路線生成方法；最后將禁忌制造特征動(dòng)態(tài)更新方法與Ant-Cycle模型的蟻群算法相結(jié)合，求解制造特征工藝路線的優(yōu)化問題。實(shí)例應(yīng)用表明，提出的方法能較好解決加工工藝路線優(yōu)化過程中的剛性約束處理問題。

關(guān)鍵詞：禁忌制造特征；工藝路線優(yōu)化；剛性工藝性約束；蟻群算法

0引言

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(CAPP)以及計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(computer numerical control, CNC)系統(tǒng)之間的集成，是構(gòu)建數(shù)字集成制造系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。STEP-NC(standard for the exchange of product data numerical control)標(biāo)準(zhǔn)的提出為不同CAx及CNC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換以及異構(gòu)系統(tǒng)間信息的順暢流動(dòng)與協(xié)調(diào)高效運(yùn)行提供了有效途徑[1]。

STEP-NC的本質(zhì)特征是面向?qū)ο?，由幾何信息和工藝信息組成，描述工件從毛坯到成品件的所有加工任務(wù)[2]。當(dāng)采用STEP-NC作為CAx和CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，作為連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造橋梁的CAPP系統(tǒng)，是各分系統(tǒng)集成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而工藝路線決策是CAPP的難點(diǎn)問題[3]。劉日良等[4]較早地研究了面向STEP-NC控制器的數(shù)控加工工藝模型，提出了按工步級(jí)規(guī)劃、特征級(jí)規(guī)劃、零件級(jí)規(guī)劃的在線規(guī)劃模式，并使用啟發(fā)式算法對(duì)工步進(jìn)行排序。黃華等[5]利用加工流程圖表達(dá)加工工藝，研究了在STEP-NC環(huán)境下進(jìn)行非線性工藝設(shè)計(jì)的方法和過程。Rauch等[6]提出基于STEP-NC非線性加工規(guī)劃的智能CNC系統(tǒng)，該系統(tǒng)能仿真和優(yōu)化加工過程參數(shù)，能根據(jù)加工可行性和加工實(shí)際條件智能化選擇加工路徑。

STEP-NC工藝路線規(guī)劃的主要任務(wù)是為制造特征選擇合適的制造工藝資源，再基于選擇的工藝資源生成優(yōu)化的工藝路線。因此，STEP-NC的主要工作可以劃分為兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：①為每個(gè)制造特征確定可行的加工操作；②生成加工工步序列，并進(jìn)行優(yōu)化[7]。在大多數(shù)已有的文獻(xiàn)研究中，制造特征的加工操作和加工工步序列生成及優(yōu)化兩個(gè)方面的內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，再由于工藝路線生成中存在大量的相互作用，從而造成處理工藝約束困難。因此，本文針對(duì)AP238(CNC加工應(yīng)用協(xié)議)中定義的銑削特征，提出禁忌制造特征動(dòng)態(tài)更新的蟻群算法來實(shí)現(xiàn)制造特征的加工工藝路線優(yōu)化。

1STEP-NC數(shù)據(jù)模型與特征加工單元

STEP-NC是歐共體于1997年通過OPTIMAL計(jì)劃提出的一種遵從STEP標(biāo)準(zhǔn)并面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，用作數(shù)控加工編程的接口標(biāo)準(zhǔn)，并于2001年底形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案ISO-DIS-14649[8]。STEP-NC(ISO 14649)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型包括幾何數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)與加工數(shù)據(jù)，并采取了面向?qū)ο蟮氖址?，?yán)格地分離了上述數(shù)據(jù)。再就是，ISO 14649中的加工方案為加工步驟所組成的序列，并由于數(shù)據(jù)模型具有獨(dú)立性，因此，每個(gè)加工步驟也均是獨(dú)立的對(duì)象，這為基于加工步驟的工藝路線優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

ISO 14649中的加工步驟由制造特征和加工操作組成。其中，制造特征是指需要在工件中加工出的具體結(jié)構(gòu)，分為域特征、2.5軸制造特征和過渡特征等類型。加工操作是對(duì)制造特征進(jìn)行加工的概括性描述，包括加工時(shí)所使用的刀具、刀具路徑、工藝和加工策略等[9]。但在現(xiàn)有加工步驟的定義中，一個(gè)加工步驟只能使用一把刀具和一套恒定的技術(shù)參數(shù)。因此，為更好地描述加工過程中的相關(guān)工藝信息，我們定義特征加工單元(machining unit of feature, MUF)的概念，主要是強(qiáng)調(diào)以特征為加工操作的主體，這樣能更好地適應(yīng)STEP-NC的工藝路線生成。

定義1特征加工單元。特征加工單元形式化表示為ME={MF,OP,M,CS,T}，其中{MF}表示制造特征，{OP}表示加工操作，{M}表示機(jī)床，{CS}表示裝夾；{T}表示刀具。

對(duì)于STEP-NC中定義的制造特征，顯然有nop(nop≥1)個(gè)加工操作，而對(duì)于一個(gè)加工單元而言，只存在一個(gè)加工操作。為了使零件的工藝路線規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為特征加工單元的規(guī)劃問題，應(yīng)基于加工操作，對(duì)現(xiàn)有的制造特征進(jìn)行分解。使一個(gè)加工操作對(duì)應(yīng)一個(gè)特征，消除制造特征與加工操作之間1∶n關(guān)系的模糊性。

2制造特征加工的剛性約束與優(yōu)化目標(biāo)

2.1特征相交的加工剛性優(yōu)先約束

在STEP AP238中定義的銑削工藝數(shù)據(jù)中，描述了銑削和孔加工所需的信息，同時(shí)也包括了銑削和孔加工所需的刀具信息。因此，在討論特征相交的加工剛性優(yōu)先約束時(shí)，主要是針對(duì)銑削特征和孔加工特征。

就銑削、孔加工特征而言，特征兩兩相交將產(chǎn)生3種有效的相交關(guān)系：虛面鄰接、位置嵌套以及分裂[8]。具體對(duì)于虛面鄰接相交而言，絕大多數(shù)只存在于銑特征之間，位置嵌套與分裂則在銑削-銑削、銑削與孔加工以及孔加工-孔加工的特征之間存在。對(duì)于虛面鄰接與分裂相交而言，特征之間不存在加工遮擋優(yōu)先約束。而在位置嵌套相交中，則存在著加工遮擋約束。在分裂相交中，存在著孔完整性的優(yōu)先約束。由此，可定義加工遮擋優(yōu)先規(guī)則、孔完整性優(yōu)先規(guī)則，并可利用優(yōu)先規(guī)則對(duì)相交特征進(jìn)行加工優(yōu)先判斷[10]。

定義2加工遮擋約束優(yōu)先規(guī)則。制造特征MFi與MFj屬位置嵌套相交關(guān)系，沿刀具的進(jìn)刀方向看去，若特征MFi的絕對(duì)深度大于特征MFj的絕對(duì)深度，則特征MFj的粗加工要優(yōu)先于MFi的粗加工。

定義3孔完整性約束優(yōu)先規(guī)則。若孔特征與銑削特征存在分裂相交關(guān)系，銑削特征的開放部分造成孔特征部分缺失，若先進(jìn)行銑削特征加工將導(dǎo)致無法進(jìn)行孔加工的定位，則孔特征應(yīng)先于銑削特征進(jìn)行粗精加工。

2.2特征派生的加工剛性優(yōu)先約束

將所有識(shí)別出的復(fù)雜相交特征進(jìn)行分解后，得到的制造特征還應(yīng)基于加工工藝方案，進(jìn)行特征的派生。在實(shí)際加工中，同類特征不同加工鏈方案的主要區(qū)別在以下兩個(gè)方面：一是加工鏈中所包含的加工方法不同；二是加工鏈的長(zhǎng)度不同。加工方法的不同直接影響機(jī)床類型的選擇；加工鏈長(zhǎng)度的不同影響派生特征的劃分及機(jī)床配置的數(shù)量。因此，確定以下三條加工原則，并作為特征加工方案的決策目標(biāo)。

(1)保證加工精度。在同一特征的多個(gè)加工特征方案中，容易保證加工精度要求的加工方案應(yīng)優(yōu)先選擇。具體可通過特征加工方案的優(yōu)選系數(shù)來確定，其概念的定義如下：

定義4特征加工方案優(yōu)選系數(shù)。設(shè)某一加工鏈保證制造特征的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度的容易程度分別為rIT、rFP和rRa，則特征加工方案的優(yōu)選系數(shù)C=min(rIT,rFP,rRa)。

(2)加工鏈最短。在保證加工精度的前提下，應(yīng)盡量選用加工操作數(shù)少的加工鏈，使特征加工方案的加工操作數(shù)最少。

(3)加工方法種類最少。對(duì)于相同的制造特征應(yīng)盡量選取相同的加工方法，使整個(gè)零件加工方案中所包含的加工方法最少。

設(shè)某一制造特征MFi需要多個(gè)加工操作才能完成加工，則經(jīng)過第1次派生后，特征MFi生成兩個(gè)子特征，記為MFi-1與MFi-2，并依此類推。

2.3制造特征加工單元與剛性優(yōu)先約束矩陣表示

2.3.1制造特征加工單元生成

對(duì)于某一具體的制造特征，特征加工單元選擇的主要目的是為該特征選擇可行的加工方法，并給出該加工操作類型可選的機(jī)床與刀具，最后確定該制造特征的裝夾方案。因此，特征加工單元的確定步驟如下：

(1)對(duì)識(shí)別的相交特征添加虛連接，形成虛面，并基于相交特征分解算法和AP 224應(yīng)用協(xié)議，對(duì)相交特征進(jìn)行分解；

(2)對(duì)所有特征的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度進(jìn)行識(shí)別，并依據(jù)特征加工方案選擇目標(biāo)，確定特征的加工方法；

(3)依據(jù)特征的加工方法，對(duì)特征進(jìn)行派生操作，派生后生成新的制造特征集合；

(4)基于特征的加工方案與刀具信息，對(duì)所有特征的機(jī)床進(jìn)行選擇；

(5)通過刀具的進(jìn)刀方向，對(duì)所有特征的裝夾方式進(jìn)行選擇；

(6)完成所有特征加工單元信息的建立。

上述特征加工單元的特征進(jìn)行了相交特征劃分以及特征派生的操作，顯然可見，每個(gè)特征加工單元只有一個(gè)加工操作，但是刀具、機(jī)床及裝夾均對(duì)應(yīng)有多個(gè)特征。并且，其中的刀具選擇、機(jī)床選擇以及裝夾選擇，均可以通過智能化的方法進(jìn)行決策，以提高特征加工單元生成的自動(dòng)化程度，當(dāng)生成方案發(fā)生沖突時(shí)，通過人機(jī)交互進(jìn)行沖突消解。

2.3.2剛性優(yōu)先約束的矩陣表示及約束處理

剛性優(yōu)先約束具體表現(xiàn)為加工單元的先后加工順序，可分為兩類：一是加工單元對(duì)應(yīng)的制造特征之間具有加工遮擋關(guān)系；二是加工單元之間存在的工藝性要求。自動(dòng)識(shí)別后的制造特征之間存在加工的相互遮擋關(guān)系，可根據(jù)進(jìn)刀方向以及制造特征劃分方法，確定制造特征間的加工遮擋剛性優(yōu)先約束關(guān)系。再就是，前述特征派生的剛性優(yōu)先約束也可歸類為加工遮擋類別。加工工藝性的剛性優(yōu)先約束主要表現(xiàn)為：定位約束、基準(zhǔn)約束、裝夾約束、非破壞性約束等類別。將剛性優(yōu)先約束利用矩陣進(jìn)行表達(dá)。

設(shè)某一被加工零件有e個(gè)制造特征，對(duì)所有特征進(jìn)行基于加工操作的分解后，有N個(gè)基本的制造特征：MF={MF1,MF2,…,MFN}，則可定義一個(gè)N階矩陣來存儲(chǔ)這些制造特征間的剛性優(yōu)先約束關(guān)系：{PRij|i,j=1,2,…,n}。其中，如果制造特征MFi必須在制造特征MFj之前完成，則PRij=1，PRji=0。其他情況下，PRij=PRji=0[7]。圖1為某一零件加工的優(yōu)先關(guān)系矩陣。從上述剛性優(yōu)先矩陣的表示方法可定義獨(dú)立制造特征集合、優(yōu)先制造特征集合和后繼制造特征集合。

12345678101001000200010000300000000400001000500000010600000000700000000800010000

圖1剛性優(yōu)先關(guān)系矩陣

顯然從上述定義以及圖1的剛性優(yōu)先關(guān)系矩陣可以得到：{3,6}為獨(dú)立制造特征，{1,8}為優(yōu)先制造特征，{2,4,5,7}為后繼制造特征。

2.4優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立

優(yōu)化目標(biāo)主要考慮加工精度、加工時(shí)間以及成本等因素的影響。但在一個(gè)給定的制造資源環(huán)境下，最終確定的工藝路線很難同時(shí)滿足上述目標(biāo)。因此，本文主要從制造資源入手，以機(jī)床、裝夾、刀具更換率最低作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

從制造特征的加工單元中，可建立機(jī)床制造特征的集合：{CM1,CM2,…,CMj}，其中某一機(jī)床對(duì)應(yīng)的加工特征集合為 CMi={MFi1,MFi2,…,MFin}。若CMi中的某一制造特征加工完后，下一個(gè)制造特征不在CMi中，則表示更換了機(jī)床。同樣，可從制造特征的加工單元中，建立起裝夾制造特征的集合：{CS1,CS2,…,CSk}，其中某一裝夾可進(jìn)行加工的特征集為CSi={MFi1,MFi2,…,MFim}。若CSi中的某一制造特征加工完后，下一個(gè)制造特征不在CSi中，則表示更換了裝夾方式。同理可建立刀具制造特征集合，{CT1,CT2,…,CTd}，其中某一刀具可進(jìn)行加工的特征集為CTi={MFi1,MFi2,…,MFil}。若CTi中的某一制造特征加工完后，下一個(gè)制造特征不在CTi中，則表示更換了刀具。

將機(jī)床、夾具和刀具在某工藝路線上的相鄰兩個(gè)制造特征的制造資源更換率指標(biāo)定義為Ci,i+1，某工藝路線的更換率為Cb，則有[11]

Ci,i+1=λ1ZCM+λ2ZCS+λ3ZCT

(1)

(2)

其中，λ1、λ2、λ3分別為制造資源機(jī)床、夾具和刀具更換次數(shù)的權(quán)重系數(shù)，并設(shè)λ1=0.6、λ2=0.3、λ3=0.1； ZCM、ZCS、ZCT分別為機(jī)床、夾具和刀具的更換次數(shù)，當(dāng)上述制造資源發(fā)生更換時(shí)，其值取1，否則為0。則優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可定義為minCb。

3禁忌制造特征動(dòng)態(tài)調(diào)整的蟻群算法

基于蟻群優(yōu)化的工藝路線優(yōu)化方法的基本原理如下：首先將螞蟻隨機(jī)放在MFdl∪MFyx集合中的某一制造特征節(jié)點(diǎn)上；更新剛性優(yōu)先矩陣，再更新特征集合MFdl、MFyx、MFhj；依照路徑轉(zhuǎn)移概率在更新后的MFdl∪MFyx中選擇下一個(gè)制造特征節(jié)點(diǎn)；重復(fù)上述步驟，生成一條可行的工藝路線，并對(duì)各路徑上殘留信息素進(jìn)行更新調(diào)整。經(jīng)過反復(fù)多次循環(huán)，螞蟻經(jīng)歷的路徑將趨于穩(wěn)定，即可得到較優(yōu)的零件工藝路線。

3.1動(dòng)態(tài)禁忌制造特征集合

螞蟻在進(jìn)行制造特征選擇時(shí)，已經(jīng)選擇過的制造特征將不能再次進(jìn)行選擇，屬于禁忌制造特征集合。顯然，該特征集合等價(jià)于工藝路線的特征集合，并設(shè)工藝路線的制造特征集合為MFgy。此外，MFhj中制造特征存在著的剛性優(yōu)先約束，也屬于禁忌制造特征集合。設(shè)禁忌制造特征列表為Tab(MF)，則有Tab(MF)=MFgy∪MFhj。當(dāng)螞蟻的上一個(gè)選擇來自于MFyx集合時(shí)，并設(shè)為MFi，則MFhj可能會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體的相關(guān)制造特征調(diào)整及禁忌制造特征列表生成的方法如下：

(1)判斷螞蟻上一個(gè)選擇的制造特征MFi∈MFyx是否成立。否，則轉(zhuǎn)步驟(3)；是，則令MFi在剛性優(yōu)先約束矩陣中對(duì)應(yīng)行的值為0。

(3)將MFi移到工藝路線制造特征集合MFgy中。

(4)將更新后的MFgy和MFhj合并，生成新的禁忌制造特征列表Tab(MF)。

3.2信息素更新

信息素是表征過去信息的載體， 在t+n時(shí)刻工藝路線(MFi→MFj)上的信息量可按照如下規(guī)則進(jìn)行調(diào)整:

τij(t+n)=(1-ρ)τij(t)+Δτij(t)

(3)

(4)

(5)

蟻群算法在應(yīng)用過程中易出現(xiàn)停滯和擴(kuò)散等問題，因此，可將各條尋優(yōu)路徑上可能的殘留信息素?cái)?shù)量限制在[τmin，τmax]，并按照下式進(jìn)行閾值判斷選擇：

(6)

3.3路徑的轉(zhuǎn)移概率

(7)

Jk(i)=MF-Tab(MF)=MF-(MFgy+MFhj)

(8)

ηik(t)=1-Ci,k

(9)

其中，Jk(i)表示螞蟻k在當(dāng)前的路徑狀態(tài)下，可以從i出發(fā)的可選制造特征集合；ηik(t)表示從制造特征MFi移動(dòng)到制造特征MFj的啟發(fā)信息，ηik(t)的取值如式(9)所示；參數(shù)α、β是用來控制信息素和啟發(fā)信息之間相互影響關(guān)系的參數(shù)。

3.4工藝路線蟻群優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)步驟

從上述蟻群算法的關(guān)鍵步驟分析可見，本文是基于Ant-Cycle模型對(duì)信息素和啟發(fā)信息進(jìn)行計(jì)算的，但由于零件在制造加工過程中，存在的剛性優(yōu)先約束會(huì)動(dòng)態(tài)變化，因此搜索的禁忌表也將動(dòng)態(tài)調(diào)整。嵌入工藝路線制造特征禁忌表動(dòng)態(tài)調(diào)整的蟻群算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)參數(shù)初始化。設(shè)置最大循環(huán)次數(shù)Nc，max，令t=0和循環(huán)次數(shù)Nc=0，令所有制造特征之間的信息素τij(0)為一常數(shù)，且初始時(shí)刻Δτij(0)=0。

(2)循環(huán)次數(shù)Nc←Nc+1，螞蟻數(shù)目k=1。

(3)將螞蟻k放置于初始MFdl∪MFyx集合中的某一制造特征上，螞蟻的制造特征禁忌表索引號(hào)t←t+1，調(diào)用相關(guān)制造特征調(diào)整及禁忌制造特征列表生成方法的步驟，更新MFdl∪MFyx集合和Tab(MF)。

(5)調(diào)用相關(guān)制造特征調(diào)整及禁忌制造特征列表生成方法的步驟，更新MFdl∪MFyx集合和Tab(MF)。

(6)若MF未遍歷完，則返回步驟(4)，否則執(zhí)行步驟(7)。

(7)根據(jù)式(3)～式(6)更新工藝路線上的信息量，螞蟻數(shù)目k←k+1，當(dāng)k≤m，返回步驟(3)，否則執(zhí)行步驟(8)。

(8)當(dāng)循環(huán)次數(shù)Nc≥Nc,max，則循環(huán)結(jié)束，輸出最優(yōu)的工藝路線，否則清空制造特征禁忌表，返回步驟(2)。

4應(yīng)用案例

為驗(yàn)證本文提出的方法，采用如圖2所示的零件進(jìn)行試驗(yàn)，該零件共有11個(gè)特征。根據(jù)制造特征加工工藝的確定原則，確定臺(tái)階1、通槽1、凹槽1、凹槽2需要分為粗加工和精加工兩步完成，hole1-hole4分為鉆孔和鉸孔兩步完成。由此，進(jìn)行特征派生后，可得到19個(gè)基本制造特征，建立的特征加工單元如表1所示。

圖2　待加工的零件及制造特征

序號(hào)特征操作機(jī)床裝夾刀具加工描述1臺(tái)階11銑削銑床CM1CS1CT1粗加工2臺(tái)階12銑削銑床CM1CS1CT1精加工3凹槽11銑削銑床CM1CS1CT2粗加工4凹槽12銑削銑床CM1CS1CT3精加工5通槽11銑削銑床CM1CS1CT2粗加工6通槽12銑削銑床CM1CS1CT4側(cè)壁精加工7凹槽21銑削銑床CM1CS2CT2粗加工8凹槽22銑削銑床CM1CS2CT3精加工9盲孔11鉆孔鉆床CM2CS3CT5粗加工10盲孔12鉸孔鉆床CM2CS3CT6精加工11盲孔21鉆孔鉆床CM2CS3CT5粗加工12盲孔22鉸孔鉆床CM2CS3CT6精加工13盲孔31鉆孔鉆床CM2CS4CT5粗加工14盲孔32鉸孔鉆床CM2CS4CT6精加工15盲孔41鉆孔鉆床CM2CS4CT5粗加工16盲孔42鉸孔鉆床CM2CS4CT6精加工17外輪廓槽1線切割線切割CM3CS5CT7鉬絲18外輪廓槽2線切割線切割CM3CS5CT7鉬絲19外輪廓槽3線切割線切割CM3CS5CT7鉬絲

根據(jù)剛性優(yōu)先約束的定義及確定方法，可得到初始的剛性優(yōu)先約束矩陣。從表1可見，制造特征集合按機(jī)床劃分如下：CM1={1,2,3,4,5,6,7,8}，CM2={9,10,11,12,13,14,15,16}，CM3={17,18,19}。制造特征集合按照裝夾劃分如下：CS1={1,2,3,4,5,6}，CS2={7,8}，CS3={9,10,11,12}，CS4={13,14,15,16}。制造特征集合按照刀具劃分如下：CT1={1,2}，CT2={3,5,7}，CT3={4,8}，CT4={6}，CT5={9,11,13,15}， CT6={10,12,14,16}，CT7={17,18,19}。

在本實(shí)例中，螞蟻個(gè)數(shù)m=10，信息素?fù)]發(fā)系數(shù)ρ=0.1，信息啟發(fā)因子α=1，期望啟發(fā)因子β=2，信息素強(qiáng)度Q=1，迭代次數(shù)Nc,max=50，殘留信息素的限制范圍[τmin，τmax]為[0.5, 2]。利用MATLAB編程，得到的最優(yōu)解為9→11→12→10→13→15→16→14→7→8→1→2→5→3→4→6→19→17→18，最優(yōu)的適應(yīng)度值為3.4，每代最優(yōu)及每代平均的適應(yīng)度值如圖3所示。

圖3　蟻群算法運(yùn)行得到的每代最優(yōu)值

從優(yōu)化得到的工藝路線來看，機(jī)床的更換次數(shù)為2，裝夾更換的次數(shù)為4，刀具的更換次數(shù)為10?？梢?，剛性優(yōu)先約束的存在使刀具更換次數(shù)的增加較多。式(1)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置，可使得工藝路線在優(yōu)化過程中，優(yōu)先滿足機(jī)床更換和裝夾更換的目標(biāo)。

5結(jié)論

(1)為解決STEP-NC工藝路線的優(yōu)化問題，本文提出了一種以制造資源更換率最小為目標(biāo)函數(shù)，嵌入剛性優(yōu)先約束檢驗(yàn)的工藝路線蟻群優(yōu)化算法。

(2)通過識(shí)別的零件制造特征的加工方法，將零件制造特征分解為與加工操作一一對(duì)應(yīng)的基本制造特征，再根據(jù)加工過程中制造特征之間的遮擋關(guān)系以及其他剛性工藝性約束，建立基于加工順序約束的制造特征優(yōu)先約束矩陣。

(3)通過定義獨(dú)立制造特征、優(yōu)先約束特征和后繼約束特征，提出了動(dòng)態(tài)禁忌特征調(diào)整的蟻群算法，該算法解決了每進(jìn)行一步制造特征選取后的剛性約束檢驗(yàn)，以及下一步可選制造特征的更新問題。

(4)通過實(shí)例驗(yàn)證了提出的方法能較好地解決STEP-NC銑削數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下制造特征的加工工藝路線優(yōu)化問題。下一步的工作將結(jié)合車削工藝，綜合考慮銑削與車削的數(shù)據(jù)模型，并開發(fā)相應(yīng)的工藝路線優(yōu)化系統(tǒng)。

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(編輯袁興玲)

Ant Colony Optimization of STEP-NC Process Route Based on Dynamic Update of Taboo Manufacturing Features

Huang Fengli1Gu Jinmei1Zhang Libing1Xu Chunguang1,2Wang Haiyan1

1.Jiaxing University,Jiaxing,Zhejiang,314001

2.Changzhou University,Changzhou,Jiangsu,213164

Abstract:In view of the process route generation and optimization problems of the manufacturing features in STEP-NC, ant colony optimization method of process routes with dynamic update of taboo manufacturing features was proposed, which was to make the replacement rate minimum of machine tools, fixtures and tools as the objective function. First, the manufacturing features were decomposed in accordance with manufacturing process, and then the process route optimization problem was converted to the order of manufacturing features. According to the processing hiding relationship in the machining process and the rigid constraint matrix, a dynamic update method of taboo manufacturing features was put forward in the process of generating process route. Taboo manufacturing features dynamic updating method was combined with ant-cycle model of ant colony algorithm, which was to solve the optimization problem of parts processing route. Application examples show that the proposed method may solve the rigid constraint processing problems better in the optimization process of the machining process route.

Key words:taboo manufacturing feature; process route optimization; rigid process constraint; ant colony algorithm

作者簡(jiǎn)介：黃風(fēng)立，男，1976年生。嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授、博士。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。發(fā)表論文50余篇。顧金梅，女，1980年生。嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師。張禮兵，男，1974年生。嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師、博士。徐春光，男，1991年生。常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。王海燕，女，1984年生。嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授、博士。

中圖分類號(hào)：TH162; TP391

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.05.005

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405197,61403163)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY13E050021)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015C31069)

收稿日期：2015-06-15