Оптимизация технологических процессов механической обработки

следовательному вычислению координат всех возможных точек пере­ сечения граничных прямых и затем определению для них наибольшей

Для определения оптимального решения задачи, заданной системой линейных уравнений и неравенств, обычно используется метод пол­ ного перебора точек, образующих выпуклый многоугольник возмож­ ных решений. Определяются попарно точки пересечения прямых и подставляются координаты этих точек в неравенства системы. Точка, координаты которой удовлетворяют всем без исключения прямым (проверка на совместимость системы уравнений) и одновременно сум­ ма координат которой хг + х2 является наибольшей, и будет точкой оптимума.

Общая схема алгоритма решения задачи следующая.

1.Рассматривается пара прямых и производится их проверка на параллельность.

2.Если прямые параллельны, то рассматривается следующая параг

а если нет, то определяются координаты хг и х2точки их пересечения. 3. Проверяются знаки координат. Если координаты положитель­ ны, то производится проверка: находится ли точка в области возмож­ ных решений, путем подстановки в каждое из неравенств найденных значений хх и х2. Если хотя бы одно из неравенств не удовлетворяет­ ся, то эта точка отбрасывается и начинается такой же анализ следую-

щей пары.

4.Если хг и х2 положительны и удовлетворяют всем без исключе­ ния неравенствам, то определяется сумма координат /0 = хг + х2и запоминается в виде некоторого значения К. Все описанные действия производятся до тех пор, пока не будут рассмотрены все пары прямых.

5.В случае противоречивости исходных данных может оказаться,, что области возможных решений нет. Признаком несовместимости си­ стемы является равенство нулю величины /С, которая в противном слу­

чае равна сумме координат хг + х2>являющихся решением задачи.

6.Если решение находится на прямой, параллельной прямой оце­ ночной функции, то в качестве решения принимаются координаты той точки, у которой больше координата х2 (т. е. при большем значении по­ дачи).

7.ли система совместна и найдена точка, сумма координат ко­

рассмотренного вида математической модели процесса резания целесо­ образно проводить также с использованием других методов линейного программирования, наиболее широко известным из которых является симплексный метод.

симизации Му указывающему направление максимизации оценочной функции (см. рис. 25).

Так как направление вектора М есть направление возрастания ли­ нейной функции /0, то следует ожидать, что в первой точке касания F с многоугольником решения она примет минимальное значение /0 min, а в последней точке С — максимальное значение /отах. Следовательно, вершина многоугольника решений С — точка оптимума, а ее коорди­ наты Х[с и Х2с — оптимальное решение системы.

4. Компромиссные целевые функции для оптимизации режимов механической обработки

Выбор режимов обработки производится на основе анализа некото­ рых целевых функций, под которыми понимаются зависимости между критерием оптимизации и подлежащими оптимизации рабочими ре­ жимами. В качестве критериеЕ-оптим-цзациигка^ы ло показано.ранее, наиболее часто используются максимальная производительность и-ми- нимальная себестоимость операции [13, 22, 26]. Анализ режимов обра­ ботки, определяемых с учетом этих критериев, показывает, что най­ денные оптимальные значения этих режимов не совпадают. Иначе говоря, оптимальные режимы обработки, обеспечивающие наибольшую производительность, не дают, как правило, минимальной себестои­ мости [58]. Учитывая важность этих критериев оптимальности, видим, что в отдельных случаях возникает задача поиска компромисса между ними.

Фактически в этом случае приходится решать задачу многокрите­ риальной оптимизации. Наиболее простым путем решения является построение компромиссных целевых функций. Рассмотрим особен­ ности построения и вид такой целевой функции при свертке двух крите­ риев —- максимальной производительности и минимальной себестои­ мости.

Штучная производительность на операции определяется величиной, обратной штучно-калькуляционному времени, которое, в свою оче­ редь, включает штучное время tmy и подготовительно-заключительное время на операцию Т п з:

Анализ этой зависимости показывает, что критерий оптимальности «максимальная производительность» соответствует критерию «мини­ мальное штучное время», так как вторая составляющая формулы (3.38) не зависит от режимов обработки и может быть опущена при формиро­ вании критерия, поскольку, как показано в работе [2], постоянные из­ меняют только абсолютные значения критерия и исчезают с образова­ нием экстремума. В свою очередь, tmT также может быть представлено в виде суммы времен, зависящих /шт.р и не зависящих tlUT.н от режи­ мов обработки (скорости и, подачи s и глубины обработки t). Для наи­

более распространенных методов обработки металлов резанием

Таким образом, в дальнейшем вместо критерия «максимальная про­ изводительность» будет рассматриваться критерий «минимальное штучное время», а точнее, часть штучного времени, зависящая от ре­ жимов резания.

Критерий «минимальная себестоимость» охватывает широкий круг затрат общественного труда и, наряду с затратами «живого» труда, учитывает затраты прошлого труда, овеществленного в средствах про­ изводства (амортизация и ремонт оборудования и помещения, затра­ ты на энергию, вспомогательные материалы, мерительный инстру­ мент и др.). Все элементы технологической себестоимости можно условно разделить на две группы зависящие и не зависящие (С0П.Р,

где R — сумма затрат на заработную плату станочника, по амортиза­ ции станка, по эксплуатации приспособления и амортизации помеще­ ний, приведенных к 1 мин работы оборудования.

Выразим полученные в общем виде критерии оптимальности (3.39) и (3.40) через основные параметры режима резания v, s, t. Для одно­ резцовой обработки время резания (основное время) выражается зави­ симостью /р = Lhlnst, мин. Учитывая также известные зависимости, связывающие скорость обработки со стойкостью инструмента и час­ тотой вращения заготовки, можно выразить целевые функции для ми­ нимального штучного времени

Вдальнейшем примем значение глубины резания t — постоянным,

аэлементы резания v и s — варьируемыми параметрами. В то же вре­ мя отметим, что весь ход дальнейших рассуждений справедлив и для

и получим

Для получения совмещенного (компромиссного) критерия из зави* симости (3.43) и (3.44), имеющих различную размерность, одним из ме­ тодов свертки необходимо привести величины /шт р и Соп.Р к безраз­ мерному виду. Для этого разделим правые и левые части выражений (3.43) и (3.44) на некоторые условно принятые постоянные или средне­ взвешенные значения /шт.Ср, С оп.ср- В качестве условно принятых по­ стоянных могут использоваться значения рассматриваемых критериев оптимальности при некоторых фиксированных значениях оптими­ зируемых параметров. Так, наиболее удобно'значения /шт.сри С оп.ср вы­ числять при заранее известных значениях скорости Umax и подачи Smax, определяемых кинематикой станка. Способ определения средневзвешен­ ных значений штучного времени и себестоимости операции зависит от вида оптимизируемых параметров. При дискретном множестве значе­ ний скорости и подачи, например, в качестве /шт.ср берется среднее арифметическое значение /шт.р для некоторого числа пар kl значений

V И S

В случае оптимизации непрерывных значений скорости и подачи, со­

ответственно изменяющихся В интервалах [umjn , Umax] И [Smin, Smax], берется интегральное среднее

Аналогично определяются значения для себестоимости Соп.срПосле приведения критериев оптимальности к безразмерному виду получим следующие зависимости:

VS

где т — относительное штучное время, т = /М1Т.р//шт.ср; — относи­ тельная себестоимость, a = С0п.р/С0п.ср;

основанный на построении совмещенного критерия в виде суммы част­ ных критериев F = т + а (аддитивный критерий). Эта зависимость справедлива для критериев оптимальности, если они имеют в условиях рассматриваемой задачи одинаковую значимость. Однако это не всег­ да может быть выполнено. Поэтому при необходимости отразить в сов­ мещенном критерии различную «важность» показателя штучного вре­ мени (производительности) т и себестоимости а, вводятся так называ­

Таким образом, двукритериальная задача может быть сведена к минимизации функции F (и, s).

При анализе целевых функций для оптимизации режимов резания необходимо учитывать технические ограничения, которые определяют область существования оптимальных решений. Определяемые пара­ метры v и s должны удовлетворять ряду технических ограничений [131, которые могут быть представлены в общем случае в виде системы не­ равенств

В совокупности технические ограничения дают на плоскости с коор­ динатами v и s криволинейный многоугольник решений. Следует под­ черкнуть, что задача минимизации функции (3.50) на криволинейном многоугольнике является принципиально нелинейной задачей. Если система неравенств (3.51) переходом к логарифмическим координа­ там In v и In s может быть преобразована к системе линейных нера­ венств, как это было показано в предыдущем параграфе, то функция F (v, s), напротив, не может быть сведена к линейной ни заменой пере­ менных, ни каким-либо разумным в данной постановке задачи приемом линеаризации. Таким образом, здесь возникает задача нелинейной оп­

тимизации.

Функция F (о, s), бесконечно дифференцируема в области (3.51), может достигать своего наименьшего значения либо в критической точке, либо на границе области. Покажем, исследовав линии уровня функции F (v, s), что она не имеет точек локального экстремума при по­ ложительных значениях и и s [2].

Рассмотрим некоторую линию уровня F (v, s) = К и умножим по­ лученное равенство на vs. Тогда уравнение рассматриваемой линии за­ пишется в виде

Введем обозначение vs = q. После замены переменных и несложных преобразований получим

(3.53)

Анализ этого уравнения позволяет сделать первые выводы о ка­ чественном поведении функции F (v, s). Зафиксировав величину q (это в координатах v, s соответствует рассмотрению функции F (v, s) на гиперболе vs = q) (рис. 26), из уравнения (3.53) видим, что при 1 —

— у0 > 0 (это характерно для всех методов механической обработки)

параметр К убывает при уменьшении значений V. Таким образом, можно сделать вывод о том, что для рассматриваемой компромиссной' целевой функции F (v, s) остается справедливым положение, извест­ ное для критерия минимума себестоимости об убывании оценочной функции в сторону уменьшения скорости v и увеличения подачи s. Для установления общего вида линий уровня целевой функции F (v, s) про­ ведем дальнейшее исследование выражения (3.53). Верхняя ветвь ли­ нии уровня функции F (v, s) зависит от соотношения коэффициентов yjm , определяемых условиями обработки (рис. 27). При этом следует рассматривать три случая.

значит v стремится к некоторой постоянной е. Эту постоянную можно

имеет изолированных точек). Поэтому ее минимум всегда достигается на границе области допустимых значений v и s, т. е. на ограничении.

Рассуждая аналогично, теперь уже нетрудно изобразить поведе­ ние не только одной линии уровня, но и целого семейства линий уров­

ня при изменении уровня К. Возьмем К\ < Кг <. К3 и построим в общих осях v, STpn линии уровня F (v, s) = К {i = 1, 2, 3) (при этом для введенных выше случаев 1—3 построение выполняем отдельно). Результаты построения показаны на рис. 28.

Таким образом, во всех случаях уменьшение значений компромисс­ ной целевой функции F (р, s) происходит, как отмечалось ранее, в на­ правлении возрастания координаты s. Это позволяет заключить, что минимум функции F (у, s) следует искать, на участке границы области (3.51), соответствующем наибольшим возможным значениям парамет­ ра s.

5.Оптимизация режимов обработки для дискретных

инепрерывных значений параметров с и *

Оптимизация режимов механической обработки для дискретных значений о и в. Особенностью оптимизации режимов резания для боль­ шинства видов обработки на металлорежущих станках является не­ обходимость определения дискретных значений параметров v и s, которые могут принимать конкретные значения в зависимости от кине­ матики станка. Для построения математической модели процесса ре­ зания в этом случае могут быть использованы ранее установленные

где X — весовой коэффициент, определяющий долю влияния в функ­ ции F — критерий оптимальности — максимальная производитель­ ность и изменяющийся от 0 до 1;

1/т

nDLh ( I . п а

£ср, ССр — средние арифметические значения /шт, Соп на множестве зна­ чений пар (щ, S/).

Нетрудно заметить, что коадпромиссная целевая функция (3.62) в зависимости от коэффициента X может быть приведена к частному кри­

Учитывая проведенный анализ поведения компромиссной целевой функции F в области технических ограничений, видим, что алгоритм определения оптимальных значений v и s должен обеспечивать нахож­ дение точки касания целевой функции с одним из ограничений или точкой пересечения ограничения. Это достигается перебором значений vLи S/ для vl9 v2t ..., vk. Для каждого vt перебором дискретных значе­ ний S/, начиная с наибольшего (что сокращает число точек перебора,

Вполученной точке дискретных значений скорости (числа оборотов)

иподачи вычисляется оценочная функция F(v{, sfi). Далее выбирается

значений v и s. При определении оптимальных режимов обработки для непрерывных значений скорости v и подачи s, что наиболее часто встречается в станках с ЧПУ и в станках с адаптивными системами управления, необходимо отыскать точку касания линий некоторого /-го технического ограничения с оценочной функцией, в которой критерий оптимальности F (v, s) принимает наименьшее значение. Этот подход строится на ранее доказанном положении, что минимум функции F (о, s) всегда достигается на границе криволинейного многогранника, образуемого техническими ограничениями. Причем возможны два принципиальных случая (рис. 30): 1) минимум F (о, s) достигается на

Рис. 29. Блок-схема алгоритма оптимизации режимов механической обработки для дискретных значений параметров W H S .

одной из кривых в точке А \ 2) минимум F (v} s) достигается на пересе­ чении двух кривых в точке В или В ' Таким образом, общий метод оп­ тимизации режимов механической обработки для непрерывных зна­ чений параметров v и s состоит в определении с помощью производной всех точек типа А (отбросив те из них, которые не лежат в много­