基于模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判和遺傳算法的綠色工藝路線優(yōu)化方法研究

1、中國科技論文在線 基于模糊綜合評(píng)判和遺傳算法的綠色工藝路線優(yōu)化方法研究仝偉，雷琦5 （重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）摘要：針對(duì)離散制造企業(yè)工藝規(guī)劃中的工藝路線優(yōu)化問題，為了有效促進(jìn)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提出了一種基于模糊綜合評(píng)判和遺傳算法的綠色工藝路線優(yōu)化方法。該方法將生產(chǎn)能耗與生產(chǎn)時(shí)間、成本一同作為工藝特征加工方案的模糊綜合評(píng)判指標(biāo)和工藝路線的優(yōu)化目標(biāo)。首先，利用模糊綜合評(píng)判得到基于零件特征的以工步為單位的最優(yōu)加工方法鏈；然后在工步排序過程中同時(shí)考慮設(shè)備和刀具的選擇，利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)工藝路線的優(yōu)化決策。最后，通過實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證了研究?jī)?nèi)容的有效性和實(shí)用性。關(guān)鍵詞：工藝路

2、線優(yōu)化；工步；綠色制造；遺傳算法；模糊綜合評(píng)判中圖分類號(hào)：TH1621015 Research on Green Process Route Optimization Methodbased on Fuzzy Synthetic and GATong Wei, Lei Qi(State Key Labotatory of Mechanical Transmission,Chongqing University, ChongQing 400030) Abstract: Aiming at the problem of process route optimization in process p

3、lanning, and to realize the energy saving and emission reduction, this paper proposed a kind of process route optimization method based on Fuzzy Synthetic Evaluation and GA. With the time and cost of production, the energy consumption are also considered as the evaluation index of process feature pr

4、ocessing and process route optimization goals. Firstly, through the Fuzzy Synthetic Evaluation, obtaining the optimal processing methods based on the process feature. And then,using GA to realize the optimization of process route, and considering alternations of equipments and tools while the workin

5、g-step schedule. Finally, through an example implementation to certificate the effective and practical of contents in this paper.Keywords: process route optimization; process step; Green Manufacturing; GA; fuzzy synthetic 20 2530 0 引言機(jī)械加工中的工藝路線決定了基于產(chǎn)品工藝特征的加工順序和加工方法，是指導(dǎo)車間生產(chǎn)調(diào)度和實(shí)際生產(chǎn)過程的重要依據(jù)，是影響企業(yè)生產(chǎn)效率、生產(chǎn)

6、成本和產(chǎn)品質(zhì)量的直接因素，是決定企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。另外，綠色制造是目前國內(nèi)外大力倡導(dǎo)的一種綜合考慮資源效率和環(huán)境影響的現(xiàn)代制造模式1，而工藝路線的確定是綠色制造過程中的關(guān)鍵問題之一。因此，35 研究工藝路線的優(yōu)化決策方法具有十分重要的實(shí)際意義。圍繞工藝路線的制定和優(yōu)化方法，無論是工業(yè)界還是學(xué)術(shù)界已進(jìn)行了大量研究。時(shí)高偉等人在文獻(xiàn)2中研究了基于模糊綜合評(píng)判的機(jī)械制造工藝方案選擇；田穎等人在文獻(xiàn)3中研究了基于蟻群算法的零件多工藝路線決策方法；朱海平等人在文獻(xiàn)4中利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了基于零件特征的工藝過程排序；王忠賓等人在文獻(xiàn)5中、LI L等人在文獻(xiàn)6中分別研40 究了基于遺傳算法的工藝路線優(yōu)化決策。

7、這類研究都采用單一優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝路線的優(yōu)化，全程利用模糊綜合評(píng)判將導(dǎo)致制定的工藝路線過于依賴生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，沒有實(shí)現(xiàn)科學(xué)層面基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50135001）作者簡(jiǎn)介：仝偉，（1987-），女，碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)化制造，企業(yè)信息化通信聯(lián)系人：雷琦，（1976-），女，副教授，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)化制造，企業(yè)信息化. E-mail: leiqi- 1 -中國科技論文在線 上的優(yōu)化；但如果單從理論角度通過優(yōu)化算法對(duì)工藝路線進(jìn)行優(yōu)化，將可能導(dǎo)致最終生成的最優(yōu)工藝路線在實(shí)際生產(chǎn)中反復(fù)修改甚至不可用，并且在算法實(shí)現(xiàn)方面也容易出現(xiàn)局部?jī)?yōu)化、算法效率較低等問題。45 針對(duì)上述問

8、題，部分學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)性研究。張國輝等人在文獻(xiàn)7中研究了基于改進(jìn)遺傳算法的工藝路線優(yōu)化；黃偉軍等人在文獻(xiàn)8中研究了基于遺傳算法與有向拓?fù)渑判虻墓に嚶肪€優(yōu)化。這類研究主要通過對(duì)主優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)過程的部分改進(jìn)，目的是為了控制主優(yōu)化算法的收斂速度和尋優(yōu)范圍，但其秉承的優(yōu)化思想與單一優(yōu)化算法基本一致，無法從本質(zhì)上解決單一優(yōu)化算法的諸類缺陷。50 針對(duì)現(xiàn)有研究的局限性，考慮生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排，本文提出了一種基于模糊綜合評(píng)判和遺傳算法的綠色工藝路線優(yōu)化決策方法，可以很好地將工藝人員積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與科學(xué)優(yōu)化算法結(jié)合起來，既能提高算法的尋優(yōu)效率，又能保證最終工藝路線的可用和優(yōu)化。 1 基于模糊綜合評(píng)判和遺傳算

9、法的綠色工藝路線優(yōu)化方法體系結(jié)構(gòu) 本文提出的基于模糊綜合評(píng)判和遺傳算法的綠色工藝路線優(yōu)化方法的體系結(jié)構(gòu)如圖155 所示：圖1 優(yōu)化方法體系結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of optimization method60 （1）工藝特征加工方案決策研究。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，分析產(chǎn)品工藝特征，研究基于模糊綜合評(píng)判的工藝特征加工方案決策方法，最終得到零件特征加工方法鏈。（2）工藝路線優(yōu)化決策方法研究。將上述得到的以工步為單位的零件特征加工方法鏈作為優(yōu)化對(duì)象，研究基于遺傳算法的工藝路線優(yōu)化決策方法，最終得到最優(yōu)工藝路線。（3）考慮生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排，本文將生產(chǎn)能耗與生產(chǎn)時(shí)間、成本一同

10、作為工藝特65 征加工方案的模糊綜合評(píng)判指標(biāo)和工藝路線的優(yōu)化目標(biāo)，保證前后優(yōu)化決策目標(biāo)的一致性。2 基于模糊綜合評(píng)判的工藝特征加工方案決策2.1 基于模糊綜合評(píng)判的工藝特征加工方案選擇流程基于模糊綜合評(píng)判的工藝特征加工方案選擇的基本流程如圖2所示：（1）分析并確定待加工零件的工藝特征類型（如：平面、外圓表面、內(nèi)孔、倒角等）。 70 （2）根據(jù)零件的工藝信息（精度等級(jí)、表面粗糙度等），從相應(yīng)的特征加工方法集中- 2 -中國科技論文在線 析取適合各工藝特征的所有可行的加工方案，形成可行加工方案集。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)約束條件（比如材料加工性能、生產(chǎn)批量等），過濾掉一部分可行但并不適用的加工方案，這

11、樣不僅可以縮小后續(xù)的模糊評(píng)判范圍，提高優(yōu)化效率，也可以保證最終結(jié)果的實(shí)用性。（3）根據(jù)具體的加工資源信息，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，工藝人員或?qū)＜裔槍?duì)每一個(gè)工藝特征75 的所有可行加工方案利用模糊評(píng)判進(jìn)行綜合評(píng)判，形成各工藝特征可行加工方案的優(yōu)先級(jí)排序，并最終選擇較優(yōu)的加工方案。80 圖2 基于模糊評(píng)判的工藝特征加工方案選擇流程 Fig.2 The processing scheme selecting procedure of process feature based on fuzzy synthetic evaluation2.2 工藝特征加工方案析取零件的結(jié)構(gòu)形狀多種多樣，但各類零件都是由一些基本

12、的特征表面組成，比如：平面、圓柱面或曲面、內(nèi)孔等，每一種特征都有多種加工方法。通過大量的生產(chǎn)實(shí)踐，基于加工精度和表面粗糙度，同時(shí)結(jié)合企業(yè)產(chǎn)能現(xiàn)狀，工藝部門可以為每一種工藝特征總結(jié)出一套可行85 的加工方法集，囊括該特征主要的加工方法。圖3給出的是一套常用的平面特征加工方法集。- 3 -中國科技論文在線 Fig.3 圖 3 平面特征加工方法集9 The set of plane processing scheme9 90 2.3 基于模糊評(píng)判的工藝特征加工方案優(yōu)化決策 對(duì)某一特征面來說， 可以通過幾種不同的加工方案來實(shí)現(xiàn)， 不同的加工方案完成該特征 表面的效果也是不一樣的， 如何從多種加工方案中

13、選取一種較為合理的加工方案主要取決于 工藝人員對(duì)質(zhì)量、時(shí)間、成本、生產(chǎn)能耗等優(yōu)化目標(biāo)的考慮。本文通過建立加工方案評(píng)價(jià)指 標(biāo)體系， 將上述析取出的基于零件工藝特征的可行加工方法集作為評(píng)判對(duì)象， 利用模糊評(píng)判 95 方法對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)判，最終選擇較優(yōu)的加工方案。 2.3.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 綜合考慮生產(chǎn)時(shí)間、能耗和成本，本文建立的加工方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 100 Fig.4 圖 4 加工方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu) Architecture of processing scheme evaluation index 評(píng)價(jià)指標(biāo)分為兩個(gè)層次，一級(jí)指標(biāo)包括生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)能耗、生產(chǎn)成本三個(gè)方面，

14、各一 級(jí)指標(biāo)下設(shè)相關(guān)聯(lián)的二級(jí)指標(biāo)， 使得對(duì)工藝方案的評(píng)判更加細(xì)化和深入。 由于各加工方案使 105 用的是同一原材料， 故在生產(chǎn)成本的二級(jí)指標(biāo)中沒有考慮原材料費(fèi)用。 節(jié)能減排是綠色制造 -4- 中國科技論文在線程中的節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色制造。2.3.2 的重要目標(biāo)，因此，將生產(chǎn)能耗作為加工方案的評(píng)價(jià)因素，可以保證最大程度地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過基于模糊綜合評(píng)判的工藝特征加工方案決策假設(shè)特征平面Fj有q種可行的加工方案UFj=u1,u2.,ui,.,uq，要評(píng)價(jià)這q種加工方案的110 效果，可以以UFj=u1,u2.,ui,.,uq作為評(píng)價(jià)的對(duì)象集，假設(shè)需要考慮的評(píng)價(jià)因素有P個(gè)，則建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為VFj=

15、v1,v2,.,vp。（1）利用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重工藝人員通過對(duì)車間設(shè)備資源和生產(chǎn)條件進(jìn)行分析，根據(jù)具體的生產(chǎn)要求，結(jié)合在生產(chǎn)實(shí)踐中積累的工藝知識(shí)，利用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。構(gòu)建的判斷矩陣如下：a11a12a21a22A=.ap1ap2.a1p.a2p .app115 (1)判斷矩陣中aij代表評(píng)價(jià)要素i與要素j相比的重要性標(biāo)度。根據(jù)判斷矩陣計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，即：Wi= (2)經(jīng)過歸一化處理，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量集：120 WFj=w(Fj)1,w(Fj)2,.,w(Fj)i,.,w(Fj)p (3)其中w(Fj)i0，i=1,2,.,p，wi=1p(Fj)i

16、=1。（2）對(duì)可行加工方案進(jìn)行模糊綜合評(píng)判對(duì)于一個(gè)具體的加工方案，工藝專家根據(jù)其在各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上的表現(xiàn)進(jìn)行模糊打分評(píng)判，得到零件工藝特征所有可行加工方案的評(píng)判矩陣，其中rij表示第j種加工方案在評(píng)價(jià)125 因素i上工藝人員的模糊評(píng)判情況。.r1q.r2q (4) R(Fj).rpq利用各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量集WFj實(shí)現(xiàn)對(duì)各加工方案的綜合評(píng)判，即：B(*Fj)=WFj×R(*Fj)=b1b2.bk.bq (5) r11r12rr2221=.rp1rp2bk表示特征平面Fj的第k種加工方案的綜合評(píng)判結(jié)果。根據(jù)所得的模糊綜合評(píng)判結(jié)果130 *確定各加工方案的優(yōu)先級(jí)集合（按評(píng)判值由高到低排列）

17、：UFj=u1,u2.,ui,.，并從中選取該工藝特征的較優(yōu)加工方案。由于本文建立的是兩級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，故先對(duì)每一個(gè)一級(jí)指標(biāo)下設(shè)的二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行模糊評(píng)判，實(shí)現(xiàn)各一級(jí)指標(biāo)的單因素評(píng)判，并在此基礎(chǔ)上再給一級(jí)指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重，進(jìn)行二階綜合評(píng)判，最終得出對(duì)總體的綜合評(píng)判結(jié)果。通過對(duì)零件各工藝特征的所有可行加工方案- 5 -中國科技論文在線135 進(jìn)行相同的操作后，可以得到各工藝特征較優(yōu)的加工方案，組成零件的工藝特征加工方法鏈。3 基于遺傳算法的工藝路線優(yōu)化決策根據(jù)得到的零件工藝特征加工方法鏈，利用遺傳算法對(duì)基于零件工藝特征的加工方案進(jìn)行工步排序和優(yōu)化，最終得出一條合理并優(yōu)化的工藝路線。3.1 優(yōu)化目標(biāo)

18、函數(shù)140 考慮生產(chǎn)能耗、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)時(shí)間，工藝路線優(yōu)化的各目標(biāo)函數(shù)可以表示為：生產(chǎn)成本函數(shù)：C=fc(X)生產(chǎn)時(shí)間函數(shù)：T=ft(X)生產(chǎn)能耗函數(shù)：R=fr(X)其中自變量X表示工步排序。工藝路線優(yōu)化追求生產(chǎn)成本最低、生產(chǎn)時(shí)間最短、生產(chǎn)145 能耗最低，是一種典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題，其一般表示方式為：F(X)=Optimumft(X);fc(X);fr(X)=minft(X);minfc(X);minfr(X) (6)3.2 約束條件零件的各工藝特征之間存在著各種約束關(guān)系，按照強(qiáng)制性程度的不同，可分為合理性約束和最優(yōu)化約束，在工藝路線的工步排序及優(yōu)化過程中，前者是必須要滿足的，后者需要盡15

19、0 量滿足。合理性約束集Ra約束集一般包括：先基準(zhǔn)后其它；先面后孔，先面后鍵槽；先主后次；非破壞性約束關(guān)系，即后面加工的特征不能破壞前面已形成的特征；特征屬性自身決定的先后順序，例如一個(gè)內(nèi)孔在擴(kuò)孔加工之前必須先鉆孔。最優(yōu)化約束集Rb包括：盡量減少裝夾次數(shù)；盡量減少換刀次數(shù)；聚類約束，即155 為了維持零件所定義的形位公差（直線度、平行度、同軸度等），某些工藝特征的加工最好在一次裝夾中完成。3.3 遺傳算法在工藝路線優(yōu)化中的實(shí)現(xiàn)*F1,F2,.,Fk表示零件的K個(gè)工藝特征，UFj=f1,f2,.,fn表示為特征Fj選取的較優(yōu)加工方案，f1,f2,.,fn表示該加工方案中的工步，零件的工藝路線可以

20、表示成： 160 *UF1,UF2,.,UFj,.,UFk=f1,f2,.,fnF1,f1,f2,.,fnF2,.,f1,f2,.,fnFj,.,f1,f2,.,fnFk工藝路線優(yōu)化就是將基于零件各工藝特征的工步進(jìn)行排序及優(yōu)化，當(dāng)?shù)玫侥繕?biāo)函數(shù)值最優(yōu)并滿足所有合理性約束、最大程度地滿足最優(yōu)化約束的工藝路線時(shí)，就認(rèn)為是該零件的最優(yōu)工藝路線。利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)工藝路線優(yōu)化的流程如圖5所示：- 6 -中國科技論文在線165 圖5 基于遺傳算法的工藝路線優(yōu)化流程Fig.5 The procedure of process route optimization based on GA（1）染色體編碼方案及終

21、止條件設(shè)定由于零件的同一工藝特征可以采用不同的加工方法，同一加工方法也可以在功能類似的170 不同設(shè)備上加工，這將導(dǎo)致切削參數(shù)、刀具等的選擇出現(xiàn)較大的差異，進(jìn)而影響到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值，影響優(yōu)化結(jié)果。所以本文采用集成編碼策略，即：在染色體編碼設(shè)計(jì)階段將工步編號(hào)與設(shè)備編號(hào)、刀具編號(hào)等綁定在一起，作為一個(gè)整體考慮。這樣，染色體中的每一個(gè)基因包含三部分：工步編號(hào)、所選設(shè)備編號(hào)、所選刀具編號(hào)，如圖6所示。175 圖6 染色體編碼方案Fig.6 Chromosome coding schedule需要說明的是，在選取設(shè)備、刀具環(huán)節(jié)，若不考慮車間生產(chǎn)現(xiàn)狀，就有可能導(dǎo)致前期制定的工藝路線，在后續(xù)的生產(chǎn)調(diào)度中遭遇

22、諸如瓶頸資源等問題，不是修改工藝路線，就是修180 改調(diào)度方案，導(dǎo)致制造信息和制造過程的中斷。因此，在工藝路線優(yōu)化階段，就應(yīng)考慮企業(yè)產(chǎn)能利用情況。而車間產(chǎn)能信息的獲取要求實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)信息向工藝規(guī)劃層的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)劃與車間生產(chǎn)調(diào)度的有效集成1112。本文設(shè)定的計(jì)算終止條件包含兩方面：1）事先確定一定的計(jì)算次數(shù)，當(dāng)達(dá)到計(jì)算次數(shù)時(shí)，停止計(jì)算，將適應(yīng)值最高的個(gè)體作為最優(yōu)結(jié)果輸出；2）如果連續(xù)N次最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度185 值不變或變化幅度很少，則停止計(jì)算，將最優(yōu)個(gè)體作為最優(yōu)結(jié)果輸出。- 7 -中國科技論文在線（2）適應(yīng)度函數(shù) 綜合考慮各方面因素，本文設(shè)定的適應(yīng)度函數(shù)包含兩部分：第一部分將優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

23、映射成適應(yīng)度函數(shù)。由于工藝路線優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解的是最小化問題，故這部分適應(yīng)度函數(shù)為：1 F(X)190 Fitf1(X)=(7)第二部分主要考慮最優(yōu)化約束條件，即裝夾次數(shù)、換刀次數(shù)和聚類約束三方面因素，由此構(gòu)建的適應(yīng)度函數(shù)表示為：Fitf2(X)=1Score1+2Score2+3Score3 (8)式中Score1、 Score2、Score3分別表示裝夾得分、換刀得分和聚類得分，每部分得分均為195 滿分100，1、2、3分別表示三部分的權(quán)重，通常取值：1=0.5，2=0.3，3=0.2。a) 裝夾得分（n個(gè)特征，k種裝夾類型，Ns次裝夾）：Score1=100×max(Ns)N

24、s/max(Ns)min(Ns)=100×(nNs)/(nk) (9) b）換刀得分（n個(gè)特征，l種刀具，Nt次換刀）：Score2=100×max(Nt)Nt/max(Nt)min(Nt)=100×(nNt)/(nl) (10) 200 c) 聚類得分：設(shè)存在k個(gè)聚類約束C1,C2,.,Ck，對(duì)于Ci，若該約束能滿足，則(Ci)=1，否則(Ci)=0，則：Score3=100×(Ci)/k （11）i=1k綜上，本文定義的適應(yīng)度函數(shù)可以表示為：205 Fitf(X)=w1Fitf1(X)+w2Fitf2(X)=w1+w2(1Score1+2Score2

25、+3Score3) （12） F(X)式中的w1，w2分別表示兩部分適應(yīng)度函數(shù)的比重，由工藝人員根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)定義。 （3）交叉本文采用部分匹配交叉的方法完成染色體交叉操作。部分匹配交叉（PMX）是對(duì)傳統(tǒng)交叉方法進(jìn)行適當(dāng)修正，從而使其自動(dòng)滿足優(yōu)化問題的約束條件10。由于本文采用自然數(shù)210 編碼，在兩個(gè)父串進(jìn)行交叉操作后，會(huì)出現(xiàn)任務(wù)重復(fù)，即在一條工藝路線中某一工步出現(xiàn)了兩次，產(chǎn)生非法個(gè)體，解決的方法是將兩個(gè)個(gè)體匹配區(qū)域外出現(xiàn)的重復(fù)工步，按照匹配區(qū)域內(nèi)的映射關(guān)系進(jìn)行交換，從而使工步排序成為理論上可行的工藝路線。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：產(chǎn)生非法個(gè)體后的處理策略：215最終得到的兩個(gè)新個(gè)體： - 8 -中國

26、科技論文在線 220（4）變異 圖7 交叉 Fig.7 Crossover 由于本文采用自然數(shù)集成編碼方式，故變異操作采用雙層位點(diǎn)獨(dú)立并行變異。第一層：將基因碼作為一個(gè)整體進(jìn)行變異操作；第二層：將基因碼中的設(shè)備編號(hào)、刀具編號(hào)分別獨(dú)立地通過特殊的變異算子進(jìn)行變異操作。具體變異方法就是以一定的變異概率，將被選擇的基225 因變?yōu)橐愿怕蔬x擇的其他基因，同時(shí)為了消除非法性，將其他基因所在的基因座上的基因變?yōu)楸贿x擇基因。實(shí)現(xiàn)過程如下：變異前變異后230（5）運(yùn)行參數(shù) 圖8 變異Fig.8 Mutation利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)工藝路線優(yōu)化，主要的運(yùn)行參數(shù)包括：種群規(guī)模大小M、交叉概率Pc、變異概率Pm、遺傳算

27、法計(jì)算次數(shù)N。4 實(shí)例應(yīng)用235 如圖所示的零件有9個(gè)工藝特征，包括平面（F1,F3,F9），外圓表面（F8），孔（F2,F4,F5,F6,F7），括號(hào)中的內(nèi)容表示工藝特征編號(hào)。240 圖9 某零件三維圖 Fig.9 Three-dimension graph of a part4.1 基于模糊綜合評(píng)判的工藝特征加工方案析取及優(yōu)化決策針對(duì)每一個(gè)工藝特征，根據(jù)加工精度和表面粗糙度，從相應(yīng)的加工方法集中析取出可行的加工方案，并利用模糊綜合評(píng)判從中選取較優(yōu)的加工方案。以孔F5為例，從孔系加工方法集中，可以析取出5種適合該孔的加工方案，分別是：u1=鉆粗鉸精鉸；u2=鉆245 擴(kuò)粗鉸精鉸；u3=粗鏜半

28、精鏜精鏜；u4=鉆粗?jǐn)U精擴(kuò)鉸；u5=粗鏜- 9 -中國科技論文在線 半精鏜磨孔。工藝人員利用模糊綜合評(píng)判對(duì)這5種加工方案進(jìn)行評(píng)判。首先，針對(duì)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。構(gòu)建的判斷矩陣如下：132 11A=1321212250 計(jì)算并通過歸一化處理，得到一級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重為WF5=0.54,0.16,0.3，其余二級(jí)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重采用相同的計(jì)算方法得到，計(jì)算結(jié)果如表1中所示。其次，工藝專家根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)各加工方案在評(píng)價(jià)指標(biāo)上進(jìn)行綜合打分，打分情況如表1所示。255 表1 F5評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配及打分情況Tab.1 Evaluation indexs weight alloc

29、ation and estimation of F5一級(jí)指標(biāo)及權(quán)重 二級(jí)指標(biāo)及權(quán)重 特征加工方案 u5 u1 u2 u3 u490 85 95 85 90 生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間（0.25） 生產(chǎn)時(shí)間95 90 85 92 80 機(jī)加工時(shí)間（0.6） （0.54）93 90 90 90 85 生產(chǎn)輔助時(shí)間（0.15）85 80 80 80 75 生產(chǎn)能耗 生產(chǎn)能量消耗（0.4）90 90 85 90 85 廢棄物排放量（0.3） （0.16）90 90 85 90 80 環(huán)境污染程度（0.3）95 95 90 95 85 生產(chǎn)成本 工人工資（0.25）100 100 95 100 90 設(shè)備費(fèi)（0.4）

30、 （0.3）93 90 92 90 90 刀具費(fèi)用（0.15）90 90 85 90 83 工裝夾具費(fèi)用（0.1）91.04 87.56 85.78 88.21 81.39 模糊綜合評(píng)判結(jié)果*根據(jù)表中評(píng)判結(jié)果，為特征F5選取的較優(yōu)加工方案為UF同5=u1=鉆粗鉸精鉸。理，可以為其它工藝特征選取較優(yōu)的加工方案。260 4.2 基于遺傳算法的工藝路線優(yōu)化通過模糊綜合評(píng)判，為每一個(gè)工藝特征選取的加工方案、具體的工步內(nèi)容以及每一工步的可選設(shè)備和刀具如表4所示，所有的設(shè)備列表如表2 所示，刀具列表如表3所示。表2 設(shè)備列表Tab.2 Equipments list設(shè)備編號(hào) 設(shè)備M01 普通銑床M02 三

31、軸立式銑床M03 數(shù)控立式銑床M04 鉆床M05 萬能外圓磨床- 10 - 265 270中國科技論文在線275 表3 刀具列表Tab.3 Tools list刀具編號(hào) 刀具 刀具編號(hào) 刀具T01 T08 銑刀1 鉸刀1T02 T09 銑刀2 鉸刀2T03 T10 銑刀3 鉸刀3T04 T11 鉆刀1 鉸刀4T05 T12 鉆刀2 锪鉆T06 T13 鉆刀3 砂輪T07 鉆刀4表4 各工藝特征的工步內(nèi)容及可選設(shè)備和刀具Tab.4 Working-step and alternative equipments and tools per process feature工藝特征及編號(hào) 加工方案 工

32、步內(nèi)容 可選設(shè)備編號(hào) 可選刀具編號(hào) 4個(gè)側(cè)面F1 銑 01.粗銑 M01，M02，M03 T01，T02，T0302.半精銑 M01，M02，M03 T01，T02，T03T12 锪 03锪孔 M01，M02，M03，M04 底面斜孔F2底面F3 銑 04.粗銑 M01，M02，M03 T01，T02，T0305.精銑 M01，M02，M03 T01，T02，T03T04 孔F4 鉆 06.鉆孔 M01，M02，M03，M04 T08 07.鉸孔 M01，M02，M03，M04T05 鉆 中心孔F5 08.鉆孔 M01，M02，M03，M04 T09 09.粗鉸 M01，M02，M03，M04

33、T09 10.精鉸 M01，M02，M03，M04T06 鉆 11.鉆孔 M01，M02，M03，M04 斜孔F6T10 12.粗鉸 M01，M02，M03，M04T10 13.精鉸 M01，M02，M03，M04T07 4個(gè)定位孔F7 鉆 14.鉆孔 M01，M02，M03，M04 T11 15.鉸孔 M01，M02，M03，M04M05 T13 磨 16.精磨 凸臺(tái)側(cè)面F8上表面F9 銑 17.粗銑 M01，M02，M03 T01，T02，T0318.精銑 M01，M02，M03 T01，T02，T03280 該零件的9個(gè)工藝特征需要18個(gè)工步完成加工，其工藝路線就是這18個(gè)工步的有序集合

34、，各工步編號(hào)如表4中所示。利用遺傳算法對(duì)工藝路線進(jìn)行優(yōu)化時(shí)染色體表現(xiàn)形式如圖10所示。285 圖10 染色體表現(xiàn)形式Fig.10 Manifestation of chromosome計(jì)算參數(shù)設(shè)置：初始種群大小為M=50，遺傳算法計(jì)算次數(shù)N=1000，交叉概率Pc=0.7，基因碼整體變異概率Pm1=0.1，設(shè)備編號(hào)、刀具編號(hào)的獨(dú)立變異概率Pm2=0.05。當(dāng)計(jì)算到第1000代時(shí)，得到最優(yōu)個(gè)體，如圖11所示。290 圖11 最優(yōu)染色體Fig.11 Optimal chromosome根據(jù)最優(yōu)染色體轉(zhuǎn)化成的最優(yōu)工藝路線如表5所示：295- 11 -中國科技論文在線加工順序工步編號(hào)設(shè)備編號(hào)刀具編號(hào)加

35、工順序工步編號(hào)設(shè)備編號(hào)刀具編號(hào) 表5 最優(yōu)工藝路線 Tab.5 Optimal process route 1 2 3 4 5 6 7 8 9 01 04 02 05 17 18 08 09 10 M02 M02 M02 M02 M02 M02 M04 M04 M04 T02 T02 T02 T02 T02 T02 T05 T09 T09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 06 07 14 15 11 12 13 03 16 M04 M04 M04 M04 M04 M04 M04 M04 M05 T04 T08 T07 T11 T06 T10 T10 T12 T13300 5 結(jié)論工藝路線優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)