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        機(jī)械加工過程工藝參數(shù)節(jié)能優(yōu)化的實(shí)施方法

        2022-02-21 01:45:22許春英
        關(guān)鍵詞:進(jìn)給量約束條件機(jī)械加工

        許春英

        (沈陽市汽車工程學(xué)校,遼寧 沈陽 110122)

        在機(jī)械加工中,工藝參數(shù)的選擇將會(huì)對(duì)零件的成型質(zhì)量,以及加工的成本、能耗等產(chǎn)生直接影響。在機(jī)械加工從“粗放式”向“精細(xì)化”轉(zhuǎn)型的過程中,優(yōu)化工藝參數(shù)成為節(jié)本降耗、提高加工精度的一種有效措施。隨著信息技術(shù)、智能算法的成熟,利用數(shù)學(xué)模型對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行智能優(yōu)化成為一種常用方法。例如使用多元線性回歸模型優(yōu)化切削參數(shù),提高工件表面的光滑度;或者使用UMDA-PE 算法構(gòu)建約束模型,優(yōu)化工藝參數(shù),提高機(jī)械加工的效率。近年來,機(jī)械加工中的能耗控制逐漸引起重視,探究一種基于工藝參數(shù)優(yōu)化、達(dá)到節(jié)能降耗效果的機(jī)械加工方法,成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究課題。

        1 機(jī)械加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及能耗分析

        按照運(yùn)行功能的不同,機(jī)械加工系統(tǒng)可分為機(jī)床傳動(dòng)模塊、機(jī)床調(diào)整模塊、輔助模塊3 部分組成。其中,傳動(dòng)模塊又包括了主傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置;輔助模塊則分為電氣控制裝置、冷卻潤(rùn)滑裝置等。該系統(tǒng)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)行,都需要提供電能,然后利用電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,在PLC的控制下完成機(jī)械加工任務(wù)。機(jī)械加工過程中發(fā)生的能量流動(dòng)如圖1 所示。

        圖1 機(jī)械加工系統(tǒng)的能量流動(dòng)圖

        上圖中,E 為整個(gè)機(jī)械加工系統(tǒng)總的輸入能量。Ed、EL等分別為換刀模塊、傳動(dòng)模塊等不同模塊的能量消耗。功率是決定能耗的一個(gè)關(guān)鍵因素,兩者存在如下關(guān)系式:

        式(1)中,T 為加工時(shí)間,單位為s;P 為加工機(jī)床總輸入功率,單位為J。P 可以由各用電裝置的功率求和得出,如空載功率、附加載荷功率、換刀電機(jī)功率等。

        2 機(jī)械技工過程工藝參數(shù)節(jié)能優(yōu)化方法

        2.1 確定優(yōu)化變量

        在機(jī)械加工過程中,根據(jù)加工類型的不同,決定加工能耗的具體參數(shù)也存在明顯差別。例如,在切削加工中刀具的刃長(zhǎng)、厚度、切削速度等,都是需要重點(diǎn)關(guān)注的變量。而銑削加工中的銑削深度、寬度,以及每齒進(jìn)給量等,對(duì)銑削加工效率及能耗均有直接影響。本文以機(jī)械零件的銑削加工為例,對(duì)影響加工能耗的工藝參數(shù)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),由于切削速度、銑削深度、每齒進(jìn)給量等工藝參數(shù)均屬于變量,如果對(duì)每一項(xiàng)參數(shù)都進(jìn)行優(yōu)化,一方面是增加了工作量,另一方面也可能出現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化之后,無法應(yīng)用于加工生產(chǎn)的情況。鑒于此,在實(shí)際進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化前,必須要提前選定優(yōu)化變量。例如,銑削深度主要受待加工零件的加工余量影響,余量越多,則銑削深度越大;而銑削寬度則由刀具直徑來決定。這些雖然也屬于變量,但是會(huì)受到其他已知量的影響,因此不在優(yōu)化范圍之內(nèi)。按照上述要求對(duì)所有可能影響銑削加工的參數(shù)進(jìn)行篩選,最終僅保留切削深度(Vc)和沒齒進(jìn)給量(fz)兩個(gè)變量。

        2.2 構(gòu)建優(yōu)化模型

        在討論某項(xiàng)加工工藝的節(jié)能效果時(shí),除了考慮直接的能源消耗外,加工成本也是評(píng)判能耗的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。因此本文分別選擇電能消耗、成本花費(fèi)2 項(xiàng)指標(biāo),對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。為了更加直觀、量化地表示節(jié)電、節(jié)本效果,需要分別構(gòu)建成本目標(biāo)函數(shù)、能耗目標(biāo)函數(shù)。

        2.2.1 建立成本目標(biāo)函數(shù)

        結(jié)合銑削加工過程,整個(gè)環(huán)節(jié)中包含的成本有單位時(shí)間的人力成本(α)、刀具更換成本(β)以及其他輔助成本等。每個(gè)零件的加工成本(Cp)函數(shù)可表示為:

        式(2)中,T0為輔助加工時(shí)間,Tm為工序加工時(shí)間,Tc為有效銑削加工時(shí)間,Td為換刀時(shí)間;T 為刀具壽命。其中,T 可以根據(jù)材料硬度(HB)、銑削速度(Vc)、每齒進(jìn)給量(fz)等參數(shù)計(jì)算得出,公式為:

        2.2.2 建立能耗目標(biāo)函數(shù)

        按照建立成本目標(biāo)函數(shù)的思路,找出銑削加工中影響加工能耗的因素,主要包括4 部分,即機(jī)床能耗(Ec)、空載能耗(Eb)、附加荷載能耗(Ea)和輔助系統(tǒng)能耗(Eo)。總能耗(Ep)的計(jì)算公式為:

        2.2.3 設(shè)立約束條件

        在實(shí)際的銑削加工中,刀具的使用壽命、機(jī)床的運(yùn)行效率等,都是影響銑削能耗的重要因素。因此,在工藝參數(shù)的節(jié)能優(yōu)化研究中,還需要引入約束條件,限制無關(guān)因素的干擾,一來能夠降低本次研究的工作量,二來也能更加直觀地對(duì)比切削深度、每齒進(jìn)給量這兩個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)于節(jié)能效果的影響。按照影響程度從高到低排序,本次研究中需要設(shè)置的約束條件如下:

        2.2 收集實(shí)施前6個(gè)月內(nèi)的患者滿意度(患者對(duì)護(hù)士告知情況、上門時(shí)間是否準(zhǔn)時(shí)、輸液技術(shù)如何、服務(wù)態(tài)度如何、每次輸液的停留時(shí)間、與患者溝通的內(nèi)容、廢棄物品回收情況等)、投訴率、一次穿刺成功率及靜脈炎發(fā)生率和輸液外滲率等資料。通過信息反饋檢驗(yàn)實(shí)施效果。

        第一,主軸轉(zhuǎn)速約束。主軸最低轉(zhuǎn)速(Nmin)和最高轉(zhuǎn)速(Nmax)的約束條件分別為:

        第二,進(jìn)給速度約束。機(jī)床允許最大進(jìn)給速度(Vfmax)和最小進(jìn)給速度(Vfmin)的約束條件分別為:

        第三,銑削力約束。機(jī)床允許最大銑削力(Fcmax)的約束條件為:

        第四,銑削功率約束。機(jī)床額定功率(Pmax)的約束條件為:

        上式中η 為機(jī)床效率,取值為0.8。

        第五,銑削扭矩約束。機(jī)床最大扭矩(Mmax)的約束條件為:

        2.3 基于APSO 的優(yōu)化模型求解

        圖2 APSO 算法流程圖

        第一步是通過初始化處理,得到具有一定規(guī)模的粒子群。此時(shí)該粒子群中,每一個(gè)粒子都獲得了獨(dú)立的適應(yīng)值(P)、速度(V)和位置(X)?;诿總€(gè)粒子的X 值(即當(dāng)前位置),求得該位置下的適應(yīng)值,并且將其與歷史最佳適應(yīng)值(Pid)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)對(duì)比結(jié)果,選出最優(yōu)值。按照此方法對(duì)整個(gè)粒子群中所有粒子作適應(yīng)度計(jì)算、對(duì)比,最終得到群體歷史最優(yōu)值(Fp)。然后參考公式(12)分別進(jìn)行速度、位置的更新。

        式(12)中,w 表示慣性權(quán)因子;Vid表示粒子速度;C1和C2為學(xué)習(xí)因子,一般為常數(shù)2;r1和r2為[0,1]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù),xid為粒子當(dāng)前位置。根據(jù)上式得出計(jì)算結(jié)果后,進(jìn)行“是否達(dá)到最大迭代次數(shù)”的條件判斷。如果符合判定要求,則輸出最優(yōu)值;如果不符合判定要求,則返回群體適應(yīng)度計(jì)算環(huán)節(jié),重復(fù)上述流程,直到滿足判定要求。

        3 機(jī)械加工中工藝參數(shù)節(jié)能優(yōu)化的實(shí)例分析

        3.1 實(shí)驗(yàn)條件

        本次實(shí)驗(yàn)選擇在一臺(tái)TH5240 型臥式加工機(jī)床上進(jìn)行。該機(jī)床的基本參數(shù)如表1 所示。

        表1 TH5240 型臥式加工中心基本參數(shù)

        待加工零件的材質(zhì)為45 鋼,所用刀具是φ16 高速鋼立銑刀,齒數(shù)為5,主偏角k 為90°。要求粗銑尺寸為50mm×50mm,銑削深度為6mm。

        3.2 銑削參數(shù)優(yōu)化

        基于APSO 的銑削參數(shù)優(yōu)化過程在Matlab 軟件上實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)軟件后,選擇“新建程序”,建立自適應(yīng)粒子群運(yùn)行程序,如下所示:

        程序編寫完畢后,在“設(shè)置”選項(xiàng),在“加權(quán)系數(shù)”一欄中設(shè)置λ1=λ2=0.5;在“初始參數(shù)”一欄中,將初始種群數(shù)量設(shè)置為50,迭代次數(shù)設(shè)置為150,收斂時(shí)間設(shè)置為0.4s,收斂系數(shù)設(shè)置為0.9。完成上述設(shè)施后,運(yùn)行程序開始進(jìn)行尋優(yōu)迭代。記錄算法收斂過程,得到收斂曲線圖。本次研究主要對(duì)銑削加工中的成本和能耗兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,得到以成本為目標(biāo)的銑削速度收斂曲線(圖3)和以能耗為目標(biāo)的銑削速度收斂曲線(圖4)。

        圖3 以成本為目標(biāo)的銑削速度收斂

        圖4 以能耗為目標(biāo)的銑削速度收斂

        按照同樣的方法,將變量有“銑削速度”替換為“每齒進(jìn)給量”,重新進(jìn)行尋求迭代,可以得到“每齒進(jìn)給量- 迭代次數(shù)”的收斂曲線。

        3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

        尋優(yōu)迭代結(jié)束后,統(tǒng)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果。以成本為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果和以能耗為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果如表2 所示。

        表2 銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

        結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知,在銑削加工過程中,如果將控制成本作為優(yōu)化變量,可以將銑削速度設(shè)置為27.4m/min、每齒進(jìn)給量設(shè)置為0.08mm/z,單個(gè)零件的加工用時(shí)為44.1s。需要注意的是,選擇上述參數(shù)設(shè)置,雖然能夠保證銑削加工成本最低,但是加工能耗較高,達(dá)到了3.364×105J,為同水平下最高。同樣的,如果將控制能耗作為優(yōu)化變量,將銑削速度設(shè)置為31.06m/min、每齒進(jìn)給量設(shè)置為0.08mm/z,單個(gè)零件的加工用時(shí)為41.1s,可以達(dá)到低能耗的預(yù)期。但是加工成本較高,達(dá)到了45.83 分,為同水平下最高。如果將低成本、低能耗均作為優(yōu)化目標(biāo),則加工成本、能量消耗均位于上述兩者之間。由此可得,對(duì)銑削加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同,選擇恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù),才能達(dá)到理想的節(jié)能效果。

        4 結(jié)論

        在我國(guó)制造業(yè)沖擊高端的背景下,機(jī)械加工必然要追求精細(xì)化、高效化。為迎合這一發(fā)展趨勢(shì),一方面要從技術(shù)層面引進(jìn)先進(jìn)工藝、使用先進(jìn)設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的提質(zhì)增效;另一方面,則需要優(yōu)化工藝參數(shù),通過調(diào)節(jié)銑削速度、每齒進(jìn)給量,以及刀具刃長(zhǎng)、銑削深度等基本參數(shù),達(dá)到減少能耗、控制成本的目的。

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