胡天亮 張洪波 劉日良

(山東大學機械工程學院，山東濟南250061)

歐共體第一次提出了STEP－NC的概念后，在國際標準化組織和歐美等國家研究機構的努力下，STEP－NC 已經(jīng)確定為國際標準，稱為 ISO －14649［1－2］，其對應的SETP應用協(xié)議為AP238。目前，歐洲、美國、日本和韓國等國家都相繼開展了這方面的研究工作，我國也開展了大量的研究工作，國內(nèi)的科研單位主要以大學為主。國內(nèi)前期在這方面的研究主要集中在信息的提取，工藝規(guī)劃，以及控制器的概念和實現(xiàn)原理等一些理論研究和程序的預處理上［3］，在加工工藝方面，華中科技大學的陳文貴，羅忠誠等對基于STEPNC的車削工藝在線規(guī)劃系統(tǒng)做了研究［6］;孫軍等對銑削的加工參數(shù)做了研究［7］。本文從基于STEP－NC的數(shù)控車削系統(tǒng)的加工工藝參數(shù)優(yōu)化方面進行說明。

1 STEP－NC加工工藝信息提取

本文的研究內(nèi)容是基于STEP－NC的，工件信息是通過STEP－NC程序來描述的，若對工件加工參數(shù)進行優(yōu)化，首先需要從STEP－NC程序中對信息進行提取。下面簡要地介紹了STEP－NC的程序結構和提取方法。

1.1 STEP－NC程序結構

STEP－NC程序采用了STEP－NC數(shù)據(jù)格式和面向特征的編程原則，使得零件加工程序無論在格式還是內(nèi)容方面都發(fā)生了重大的變化。程序本身采用ISO－10303－21規(guī)定的文件格式。整個文件可分為頭文件和數(shù)據(jù)段兩部分，分別以HEADER和DATA作為開始標志。頭文件主要說明文件名、編程者、日期以及注釋等;數(shù)據(jù)段是按照“實體標識=實體名(屬性值);”的格式列出，屬性出現(xiàn)的順序和EXPRESS說明中的順序相一致，繼承屬性必須在顯示屬性之前。屬性值可以是一般數(shù)據(jù)，也可以是實體實例，其中定義為OPTIONAL的屬性可以給出屬性值，也可以不給出。

1.2 STEP－NC數(shù)據(jù)集成方式

數(shù)據(jù)段(DATA)是數(shù)控程序的主體，對加工任務進行了詳細的描述。程序起始于數(shù)控程序中的工程(project)語句，工程中的工作計劃通常包含一系列工步或子計劃，并通過工步將數(shù)控模型中的幾何信息和工藝信息聯(lián)系在一起。幾何信息主要通過零件的特征位置及其幾何形狀信息來表達。加工信息包含在工藝方法、走刀策略、工藝參數(shù)、刀具、機床NC功能等實體中。具體的數(shù)據(jù)集成方式如圖1所示。

1.3 信息提取模塊開發(fā)

根據(jù)EXPRESS語言描述的STEP－NC的數(shù)控信息可知，從工程開始，通過其屬性參數(shù)所標示的實體編碼一層層往下遍歷，EXPRESS語言描述的STEP－NC數(shù)控程序非常繁瑣，因此需要對STEP－NC程序的信息根據(jù)實體關系進行分類提取。圖2為程序信息提取模塊的運行界面。

在程序的信息提取模塊運行的界面中可見，模塊通過對實體(ENTITY)的分類，將屬于某一個實體的一些屬性分別顯示在模塊運行界面的不同區(qū)域，具體的屬性包括:操作信息部分、刀具參數(shù)部分、工藝參數(shù)部分、進退刀策略部分及機床輔助功能部分。在模塊運行界面中有一個按鍵“OPTIMIZE”，將加工工藝參數(shù)優(yōu)化部分與信息提取部分聯(lián)系在一起。

2 STEP－NC加工工藝參數(shù)優(yōu)化

在上面的信息提取模塊中，可以在加工工藝參數(shù)部分得到與其對應的加工實體的加工工藝參數(shù)，但是在STEP－NC程序的生成過程中，并沒有對加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化，運行界面中所顯示的加工工藝參數(shù)為一普通的加工工藝參數(shù)，為了使加工效益提高，需要對工藝參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整。

2.1 設計變量

2.2 目標函數(shù)

2.2.1 單件生產(chǎn)成本函數(shù)

取單件生產(chǎn)成本C值最小作為該問題其中的一個設計目標函數(shù)，則目標函數(shù)可以表示為［4］

2.2.2 單件生產(chǎn)時間函數(shù)

取單件生產(chǎn)時間T作為該問題的另一個設計目標函數(shù)，則目標函數(shù)T的表達式為［5］

式中:Tb為基本時間，對機械加工而言就是機動時間;Ta為輔助時間;Ts為布置工作地時間;Tr為休息與生理時間;Te為準備的終結時間;n為批量。

縮短單件生產(chǎn)時間是提高勞動生產(chǎn)率的主要途徑，不同的生產(chǎn)類型，占比重較大的時間項目也有所不同，在單件小批量生產(chǎn)中，Ta和Tb所占的比重大。在大批量生產(chǎn)中，Tb所占的比重較大。因此提高勞動生產(chǎn)率應著重采取措施縮減基本時間Tb。車削系統(tǒng)中主要的加工是車削外圓，基本時間的計算公式為

式中:D為切削直徑;L為切削行程長度，包括加工表面的長度、刀具切入和切出的長度;Z為工序余量。

對于不同的零件生產(chǎn)或者不同的生產(chǎn)方案，Ta+Ts+Tr+Te/n的值基本相同，可以不進行優(yōu)化。本文以車削外圓的基本時間代替優(yōu)化的單件生產(chǎn)時間函數(shù)，即:

2.2.3 分目標函數(shù)的線性組合

本文所涉及的是一個多目標函數(shù)的優(yōu)化方法，采用的是線性組合加權法，將兩個分目標函數(shù)通過處理生成兩個無量綱的等數(shù)量級的分目標函數(shù)，然后加權整合在一個函數(shù)中，使之轉化為單目標函數(shù)，轉換后的目標函數(shù)為

其中:ηC、ηT分別表示兩個分目標函數(shù)所占的比重，(X)、(X)分別表示處理之后的無量綱等數(shù)量級的分目標函數(shù)。

2.3 約束條件

2.3.1 邊界約束

切削速度v:vmin≤v≤vmax

切削進給量f:fmin≤f≤fmax

背吃刀量ap:apmin≤ap≤apmax

式中:vmin為最小切削速度;vmax為最大切削速度;fmin為最小進給量;fmax為最大進給量;apmin為最小背吃刀量;apmax為最大背吃刀量;CV、m、x0、y0為常數(shù)，由切削規(guī)范表查得;T為刀具耐用度。

2.3.2 性能約束

最大切削功率(Pcmax)約束:Pc=vfc≤Pcmax

式中:k、a、b為常數(shù)，由切削規(guī)范表查得;rc為車刀刀尖圓弧半徑。

2.3.3 穩(wěn)定切削區(qū)約束

式中:e、q為常數(shù)，由切削規(guī)范表查得。

2.4 優(yōu)化模塊的開發(fā)

根據(jù)上述設計變量、目標函數(shù)以及性能約束，本研究在eclipse3.0的開發(fā)平臺基礎上，用java語言開發(fā)了參數(shù)優(yōu)化模塊。參數(shù)優(yōu)化模塊的運行界面如圖3。

在該模塊中加工特征參數(shù)部分的有關參數(shù)和刀具參數(shù)中的刀具圓角可以直接提取STEP－NC數(shù)控程序中的數(shù)值，也可以手動輸入各數(shù)值。加權因子的數(shù)值，零件的生產(chǎn)商可以根據(jù)自身條件或者注重要素進行選擇。切削邊界條件由機床參數(shù)和設計要求決定，切削條件有關系數(shù)是通過查閱切削規(guī)范表得出。在參數(shù)優(yōu)化模塊的運行界面中，“優(yōu)化”按鈕就可以調(diào)用相關的程序，對參數(shù)進行優(yōu)化并得出優(yōu)化結果。優(yōu)化后的參數(shù)可以通過STEP－NC程序的重生成寫入新生成的STEP－NC程序中，達到使參數(shù)得到優(yōu)化的目的。

3 應用實例與結果分析

3.1 應用實例

由于實驗條件的限制，本文引用文獻［5］中的加工實例進行比較說明。加工40Cr材料的軸類零件，調(diào)質(zhì)后的硬度為220 HB，刀具的耐用度T=60 min，車刀刀尖的圓弧半徑rc=0.5 mm，工件直徑D=70 mm，切削行程長度L=200 mm，工序余量Z=8 mm，由切削規(guī)范表查得 k=212，a=1.25，b=0.87，硬度為 220 HB，apmin=1 mm，apmax=6.5 mm，vmin=50 m/min，vmax=150 m/min，CV=648，x0=0.20，y0=0.40，m=0.40，e=2，fmin=0.1 mm/r，fmax=0.6 mm/r。最大允許的粗糙度Rmax=0.08 μm，最大切削力 Fcmax=800 kN，最大切削功率Pcmax=50 kN，穩(wěn)定切削區(qū)的限制值q=2 000，優(yōu)化結果如同圖3中所示:切削速度v*=59.1 m/min，進給量f*=0.6 mm/r，背吃刀量ap=6.0 mm。

3.2 結果分析比較

文獻［5］所給出的工藝參數(shù)為:參數(shù)切削速度v=50.5 m/min，進給量 f=0.117 mm/r，背吃刀量 ap=6.0 mm。經(jīng)過計算可以得出表1。

表1中只對基本切削時間的減少率和單件成本的降低率進行了計算，根據(jù)兩者分別在生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本中所占的比重，可以計算相應的降低比率。由于生產(chǎn)設備和條件的原因，兩者比重不盡相同，本文省略該過程。由表可知經(jīng)過優(yōu)化后的加工工藝參數(shù)與沒有優(yōu)化的相比，在滿足限制條件的情況下，理論上可以明顯地降低零件的生產(chǎn)成本，提高加工效益;縮短單件的加工時間，提高加工效率，達到了參數(shù)優(yōu)化的目的。

4 結語

在本研究中，選取車削系統(tǒng)中最主要的加工工藝參數(shù)車削速度、進給量和背吃刀量作為設計變量，選擇了單件生產(chǎn)成本和單件生產(chǎn)時間作為主要的兩個分目標函數(shù)，經(jīng)過線性加權組合法將兩個分目標函數(shù)組合成統(tǒng)一的單目標函數(shù)，在eclipse3.0開發(fā)平臺的基礎上開發(fā)了參數(shù)優(yōu)化模塊，將參數(shù)優(yōu)化和基于STEPNC數(shù)控車削系統(tǒng)聯(lián)系起來，得到基于STEP－NC的數(shù)控車削系統(tǒng)的經(jīng)過優(yōu)化的加工工藝參數(shù)。本文的研究在理論上可行，可以明顯地降低零件生產(chǎn)成本，縮短零件加工時間，提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，對STEPNC數(shù)控車削系統(tǒng)的研究也有一定的理論意義。

表1 文獻［5］中參數(shù)與優(yōu)化后的參數(shù)比對表

［1］ISO/TC184/SC1/WG7.ISO/FDIS 14649－1:Overview and fundamental principles［S］，2000.8.

［2］ISO/TC184/SC1/WG7.ISO/CD 14649 －12:Process data for turning［S］，2001.11.

［3］張先芝.STEP－NC車削系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與工藝規(guī)劃技術研究［D］.山東:山東大學機械工程學院，2008.

［4］倪小丹，楊繼榮，等.機械制造技術基礎［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［5］蔡學熙，鄔城祺，等.現(xiàn)代機械設計方法使用手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004.

［6］陳文貴，彭芳瑜，等.基于STEP－NC的車削工藝在線規(guī)劃系統(tǒng)的研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2007.(7):82 －85.

［7］孫軍，趙小慶，等.面向STEP－NC銑削加工參數(shù)優(yōu)化［J］.沈陽建筑大學學報.2008，24(2):319 －323.