面向电梯零部件智能制造的切削参数优化及知识库研究与开发

硕士学位论文

题目：面向电梯零部件智能制造的切削参数优化

及知识库研究与开发

英文并列题目：The research of optimization of cutting parameters

and development of knowledge base for intelligent

manufacturing of elevator parts

研究生：张国祥

专业：机械工程

研究方向：机械制造及其自动化

导师：吉卫喜教授

指导小组成员：

学位授予日期：2017年6月19号

答辩委员会主席：武美萍

江南大学

地址：无锡市蠡湖大道1800号

二○一七年六月

随着中国制造2025计划的提出，制造业迎来了发展的新方向——向智能制造方向发展，切削参数的智能优化选择是智能制造技术的重要环节。合理的切削参数有助于提高工件的加工效率、改善工件的加工质量以及延长刀具的使用寿命等。目前，切削参数的选择主要依靠工艺人员的实践经验或是通过查询切削手册来获得，对人的依赖性较大，切削参数参数的选择较为保守，将制约制造资源发挥其最大的效益。针对以上问题，结合目前人工智能技术已有的研究成果，对切削参数智能选择过程中切削参数知识的表示、推理和优化选择等问题进行了研究与探索，建立电梯零部件切削参数知识库。本文主要展现以下几个方面的研究内容：

（1）对电梯零部件制造过程特点进行分析，并进一步阐述实现电梯零部件制造工艺参数智能选择意义，在研究切削参数优化及知识库的国内外研究现状基础上，发现电梯零部件制造过程中在切削参数优选方面存在的问题，总结该方向研究的发展趋势，整理出本课题要研究的重点内容和章节安排。

（2）阐述电梯零部件离散制造加工过程切削过程原理，结合某电梯零部件企业实际情况，对所研究电梯零部件进行分类并结合具体零件分析电梯零部件加工工艺。研究优化理论在机械制造中的应用，为进一步建立切削参数优化模型和进行切削参数的智能选择的研究奠定理论基础。

（3）研究电梯零部件实际加工过程中的相关因素，融入绿色低碳制造的理念，以加工时间和CO2排放量为优化目标，建立连续工步条件下的切削参数优化模型。研究多目标的优化方法，提出基于Pareto的改进人工鱼群算法，并对算法性能进行测试，将改进算法应用于实际切削加工案例中，为知识库构建提供案例知识。

（4）在对电梯零部件加工过程切削参数优化选择理论分析的基础上，结合某电梯零部件制造企业实际情况，确定电梯零部件切削参数知识库的整体结构。综合运用各种技术和方法建立符合本课题研究的电梯零部件切削参数知识表示方法，并确定基于CBR 和RBR的切削参数智能选择方法。

（5）基于以上研究理论，利用PowerBuilder作为客户端开发工具，以SQL Server 2012作为数据库管理工具，结合Matlab开发语言对系统进行了设计与实现，并以此为基础设计一套能初步够适应企业实际需求的切削参数智能选择原型系统，初步实现电梯零部件切削参数的智能优选。

关键词：智能制造；电梯零部件；切削参数优化；多目标优化；知识库；智能选择

With the proposal of the “Made in China 2025”plan, the manufacturing industry is ushered in a new direction of development ——the intelligent manufacturing。Intelligent selection of cutting parameters plays an important role in intelligent manufacturing technology. The selection of cutting parameters has a great influence on the production efficiency, machining quality and tool life. At present, the selection of cutting parameters mainly depends on the experience of technologists or the cutting parameter handbook, so it has a great dependence on people. Due to the existence of human subjectivity, it will restrict the manufacturing resources to maximize their effectiveness. To solve the above problems, the paper investigates the optimization of cutting parameters and the representation of cutting parameters in knowledge base and reasoning method combined with the findings of artificial intelligence technology. The main contents of the research are as follows:

(1)The paper gives a brief introduction to the intelligent manufacturing of elevator parts, and analyzes the research status of selection of cutting parameters and knowledge base system at home and abroad. Then, it analyzes the problems existing in the enterprises of the selection of cutting parameters. Finally the paper summarizes the development trend of this direction, and sorts out the key contents and chapters arrangement of this subject.

(2)The paper analyzes the principle of cutting parameters in the discrete manufacturing process of elevator parts, and summarizes the cutting performance of the materials used in the elevator parts and the reasonable selection principle of cutting conditions in the cutting process, then takes analysis and planning for machining a key parts of the elevator process routes.

(3)The paper analyzes the optimization method of cutting parameters of elevator parts, and determines the optimal variables. By studying on the related factors of the actual process, and with the concept of green and low-carbon manufacturing, the paper establishes the cutting process optimization model for continuous work step which has the cutting objective function of the minimum processing time and minimum CO2emissions. Researching on the implementation method of multi-objective optimization, the paper proposes an improved artificial fish swarm algorithm which based on Pareto to the multi-objective optimization, and then applies it to the actual cutting process to provide case knowledge for knowledge base.

(4)On the basis of the analysis of the factors of the manufacturing process of the elevator parts, the paper gives the whole structure of the knowledge base of the cutting parameters of elevator parts. Using various techniques and methods to establish the knowledge representation of cutting parameters, and then the intelligent selection method of cutting parameters based on CBR and RBR is determined.

(5)Lastly,based on the theory of the research, the paper shows a prototype system of cutting parameters which is designed by using PowerBuilder as the front-end development tools and Microsoft SQL Server 2012 as the background database. Also the MATLAB language has used during the development of the prototype system which can initially realize intelligent selection of cutting parameters.

Key words:Intelligent manufacturing; Elevator parts; Cutting parameters optimization; Multi-objective optimization; Knowledge base; Intelligent selection.

目录

摘要......................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 目录...................................................................................................................................... I V 第一章绪论 (1)

1.1 课题的研究背景和意义 (1)

1.1.1 课题研究背景及来源 (1)

1.2.2 研究意义 (1)

1.2 电梯零部件智能制造概述 (2)

1.1.1 智能制造技术概述 (3)

1.1.2 电梯关键零部件智能制造概述 (3)

1.3 切削参数智能优化选择的国内外研究现状分析 (5)

1.3.1 切削参数优化的国内外研究现状分析 (5)

1.3.2 切削参数知识库的国内外研究现状分析 (6)

1.3.3 存在的问题及发展趋势 (6)

1.4 本文研究内容 (7)

1.5 本章小结 (8)

第二章离散型电梯零部件切削加工工艺分析 (9)

2.1 切削加工基本原理 (9)

2.1.1 金属切削过程原理 (9)

2.1.2 切削力理论 (10)

2.1.3 切削热和切削温度理论 (12)

2.2 离散型电梯零部件加工分析 (13)

2.3 机械加工工艺分析中新方法的应用 (17)

2.4 本章小结 (18)

第三章电梯零部件切削参数多目标优化模型研究与建立 (19)

3.1 切削参数优化问题分析 (19)

3.2 切削参数模型的建立 (20)

3.2.1 优化变量的确定 (20)

3.2.2 优化目标函数 (20)

3.2.3 约束条件的确定 (23)

3.2.4 多目标优化模型的确定 (24)

3.3 基于改进人工鱼群算法的多目标优化算法研究 (25)

3.3.1 基本人工鱼群算法描述 (25)

3.3.2 改进多目标人工鱼群算法研究 (28)

3.4 算法测试及实例应用 (30)

3.4.1 算法测试 (30)

3.4.2 优化实例 (32)

3.4.3 优化结果 (32)

3.4.4 基于Deform-3D的优化切削参数仿真验证 (33)

3.5 本章小结 (37)

第四章电梯零部件切削参数知识库构建与智能选择技术研究 (38)

4.1 基本理论 (38)

4.1.1 知识的概念 (38)

4.1.2 知识库与知识库系统 (40)

4.2 电梯零部件切削参数知识库的构建 (41)

4.2.1 切削条件的合理选择 (41)

4.2.2 电梯零部件切削参数知识库的整体结构 (44)

4.2.3 基于加工特征的零件数控加工信息知识表示 (45)

4.2.4 基于EER的制造资源知识表示 (49)

4.2.5 切削工艺规则知识表示 (52)

4.3 电梯零部件切削参数智能选择技术研究 (54)

4.3.1 智能选择技术概述 (54)

4.3.2 电梯零部件切削参数智能选择机制 (55)

4.4 实例验证 (59)

4.5 本章小结 (59)

第五章基于知识库的电梯零部件切削参数智能选择系统设计与实现 (60)

5.1 电梯零部件切削参数智能选择系统功能建模及功能模块 (60)

5.1.1 电梯零部件切削参数智能选择系统功能建模 (61)

5.1.2 电梯零部件切削参数智能选择系统功能模块 (62)

5.2 电梯零部件切削参数智能选择系统开发平台设计 (63)

5.2.1 系统体系结构模式 (63)

5.2.2 系统开发环境 (64)

5.3 电梯零部件切削参数智能选择系统数据库设计 (66)

5.3.1 数据库概念设计 (66)

5.3.2 数据库逻辑设计 (66)

5.4 电梯零部件切削参数智能选择系统功能实现 (67)

5.4.1 系统主界面 (67)

5.4.2 制造资源管理模块 (68)

5.4.3 零件信息管理模块 (72)

5.4.4 切削参数推理模块 (75)

5.4.5 切削参数优化模块 (76)

5.5 本章小结 (77)

第六章结论与展望 (78)

6.1 总结 (78)

6.1.1 主要工作 (78)

6.1.2 主要创新点 (78)

6.2 展望 (79)

致谢 (80)

参考文献 (81)

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文 (85)

第一章绪论

第一章绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.1.1 课题研究背景及来源

对于整个制造行业来说，智能制造已然成为我国制造业发展的潮流，其目的就是提高生产力，促进产业升级。通过研究近年来数控加工技术的发展历程我们得出，实现高速、高效、高精生产的关键所在就是要有效提高机床的生产效率、减小制造成本、改善加工质量。要解决这一关键问题，首先是对加工设备和生产过程进行自动化改造；其次就是要在确保加工质量的前提下提高材料切除速率（Material Remove Rate，MRR），缩短加工时间。针对前者，目前我国已经建立起以数控机床为基础的柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，FMC），采用柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）和自动化工厂（Automatic Factory，AF）技术来提高加工全过程的自动化程度和连续性，缩短产品生产周期。对于后者，由于我国对基础加工工艺的研究较为薄弱，对切削动力学建模及切削过程仿真等先进技术应用较少，缺乏可靠的方法和实用性强的工具，因此加工效率低和加工成本高等问题始终困扰我们。

作为下游电梯整机厂商的供应商，电梯零部件制造企业是典型的按订单生产的离散制造型加工企业，因此，企业要想稳定发展，就要保持长期稳定的合作关系，不断提高本身的市场竞争力，能够快速、灵活地响应客户的需求，这是目前整个电梯零部件制造企业面临的最严峻的问题。该问题反映在具体电梯零部件加工制造过程中就是要提高产品加工质量和加工效率，目前行业数控机床、计算机集成制造等先进加工技术的应用已经开始普及，这就要求企业选对加工参数进行优化选择。在实际的零件加工过程中，要求工艺人员仅凭金属切削手册或是日积月累的经验确定出一组最优的切削参数通常是非常困难的，甚至在某些情况下可能会找不到相应的切削参数组合，这就导致了切削效率低和成本高等问题，以至于先进加工设备的高效性不能完全发挥，且刀具寿命严重不足，过去传统的切削参数选择方法已经越来越不适应现代生产发展的需要。随着智能制造时代的来临，知识的浪潮席卷整个工业领域，为了适应时代发展的潮流，基于知识的切削参数智能优化选择将逐步进入到实用的阶段。

本课题来源于与海安某电梯零部件制造企业合作的智能化工厂项目，以电梯零部件的切削加工为研究对象，利用科学的手段和先进的计算机技术为其优化和推荐合理的切削参数。

1.2.2 研究意义

就目前来说，金属切削加工在机械加工中仍占有主要地位，随着数控加工技术的普及，以及各种先进制造技术的应用，生产辅助时间大大降低，切削加工时间在生产时间中所占比重也不断增加，选用合理的切削参数对提高加工效率具有显著的作用，并且，

江南大学硕士学位论文

合理的切削参数也能保证切削加工的质量。

基于现代切削理论、数学建模、智能算法以及人工智能的方法获得合理的切削参数，

在保证加工质量的前提下，缩短加工时间，降低加工成本已经成为切削加工领域的一个

研究热点。因此，在现代数据库、智能算法、专家系统等理论和技术的支撑下，建立实

用的金属切削专家系统有着极大的理论意义

目前电梯零部件加工行业的数控机床普及率也是逐年增长，而切削参数的选择一般

是依靠工艺人员的经验、刀具厂商推荐亦或是查询切削手册获得，这样往往会带来加工

设备不能充分发挥最大的效能、刀具磨损严重等问题，更甚者过大的切削参数还会引起

工艺系统故障，影响生产。所以，电梯零部件切削参数的优化选择就显得极为重要。针

对电梯零部件加工行业的特点建立电梯零部件切削参数知识库，发挥计算机的运算优势，选择最优切削参数组合，以获得最佳加工效果，并充分发挥设备的能力。本文利用切削

知识库系统为实际加工过程智能选择所需要的最优切削参数组合，提高电梯零件加工过

程的效率、积累加工经验，逐步优化电梯零件加工工艺参数，解决电梯零件加工效率低、

加工质量难以保证等工艺瓶颈问题，可以有效改善企业对于切削工艺知识的运用和管理

水平。

1.2 电梯零部件智能制造概述

近年来，世界经济进入增长低迷期，各国开始对各自的发展战略进行重新审视，制

造业作为实体经济的主体逐渐成为各国发展的重点，“再工业化”以及“制造业回归”

等就是发达国家为振新本国制造业提出的新的发展战略。随着新一轮科技革命和产业变革的悄然兴起，加之人工智能技术与先进制造技术的交互式影响，制造业正向智能制造

方向迈进。因此，许多发达国家都针对智能制造制定出相应的发展战略，例如德国的

工业”（Industry 4.0）战略，美国的“先进制造伙伴关系”（AMP）计划以及“4.0

日本的“智慧制造系统”（IMS）等等都是对智能制造的具体定义，其根本目的就是提

升本国制造业对经济增长的贡献率[1-5]。

经过多年的发展，我国已成长为当之无愧的制造业大国，拥有健全完善的产业体系，

这对我国工业化进程具有重要的推动作用。但是，创新性差、高新技术产业不足等问题

也一直困扰我们，给制造业转型升级带来一定的困难。我们必须把握新一轮的科技革命

和产业变革带来的发展机遇，加快经济转型，实现跨越式发展。目前我国工业的发展已

经到了关键节点，产业转型升级刻不容缓，站在制造业大发展的风口，我国相应地提出

“中国制造2025计划”，确定了“以智能制造为突破口，大力推动两化深度融合”的

方针，将智能制造作为推进工业化和信息化“两化”深度融合、提升制造业的影响力以

及应对经济低迷的突破点[6-8]。

每一次的工业革命都给制造业的发展带来质的飞跃，伴随新一轮的科技革命，智能

制造将成为引领全球制造业发展的潮流。大力发展智能制造已然成为提升我国制造业层

次、迈向制造强国的动力，对加快产业转型升级、实现由“中国制造”向“中国创造”

转变、振兴经济发展具有重大意义。

第一章绪论

电梯装备制造行业作为基础装备制造行业可以看作是制造业的一个缩影，其智能化程度也展现了我国制造行业智能化的发展程度。

1.1.1 智能制造技术概述

智能制造的概念伴随着对人工智能的研究应运而生，其包含智能制造技术及系统两个重要部分，前者是运用当前最先进的人工智能技术对制造业进行升级改造的技术，后者则是运用智能制造技术实现实践经验的积累，具备自我学习和搜集与理解环境信息的能力，并且拥有分析决策能力的系统工程。

智能制造是一个以信息物理系统（cyber-physical system，CPS）和工业互联网为基础，融合高新化技术、大数据技术、云计算技术以及智能制造执行系统等关键技术的系统工程。由图1-1可知，系统的推进可以从产品、生产、模式、基础四个维度进行，形成以产品为主体，生产为主线，用户至上的产业模式，如图1-2给出的智能制造微笑曲线[7]。

产业模式变革是主题

智能制造未来的发展方向是形成其特有的基础理论，实现装备、系统和服务三个方面的智能化。

1.1.2 电梯关键零部件智能制造概述

现在以海安某电梯零部件制造有限公司为例，该公司为某知名电梯公司提供各种电梯零部件产品，图1-3中给出部分该公司生产的部分电梯零部件产品图。为减小生产周期，提高生产质量，以便能够更好的适应市场的需求，该公司进行了产业升级，以电梯零部件数字化车间为基础，大力推进电梯零部件智能制造。图1-4给出了海安某电梯零部件制造有限公司的智能车间系统的整体业务流程图，该智能车间系统的主要内容是实现计划、物流、质量、工艺和制造资源五个部分的集成管理智能化，从而实现电梯零部件的智能制造。智能化车间系统就是要打破企业内部“信息孤岛”现象，将人、设备、物料、管理、知识等资源统筹安排，实现资源价值利用最大化。

江南大学硕士学位论文

（a）钳式制动器（b）鼓式制动器（c）盘式制动器图1-3 海安某公司生产的电梯用制动器产品

图1-4 海安某电梯零部件制造有限公司的智能车间系统业务流程图

第一章绪论

在该系统中，将OA、CAD、CAE、CAPP、ERP、MES、SPC、DNC等系统进行

全面集成，整个制造系统中的信息能够无障碍到达系统中的每一个节点，人员与支撑的软、硬件相互配合，实现管理智能化。设计开发层采用CAD/CAM系统软件，保证产品和结构合理性和可制造性。车间层采用自主研发的MES系统进行制造过程智能化管理。设备层大部分采用进口高度自动化加工中心，能够自动装卸加工件，全程自动化加工，智能检测，零件制造工序集中，减少工序转移，缩短产品制造周期，减少人工操作，提高产品的加工精度，实现工序自动化、智能化。车间实现现场数据采集和画面监控，生产数据能够及时展现在管理层的面前，及时掌握生产进程，实现生产过程透明化。1.3 切削参数智能优化选择的国内外研究现状分析

1.3.1 切削参数优化的国内外研究现状分析

在传统的切削过程当中，切削参数的选择往往依赖于数控编程或是加工人员的经验，造成工件的加工质量完全取决于人的决策，以致于造成长期的加工效率低下，制造资源效益不能最大化。随着数控加工设备的普及，切削参数对于加工效率和加工质量的影响也随之提高，为获得更加准确合理的切削参数，切削参数的优化逐渐成为研究的热点，其研究的主要内容多为优化模型和优化方法。

Ching-Kao Chang等人采用灰色关联分析法分析多性能侧铣削过程的切削参数优化问题，该方法能够简单快速的确定最优切削参数组合[9]。Hou Y针对复杂零件的工艺匹配约束提出切削参数最优组合的方法[10]。Jiang Z等提出将切削液的消耗和切削过程的成本作为切削参数优化的目标函数，并采用混合的遗传算法进行优化计算，结果切削过程中的加工成本具有明显的降低[11]。Abbas A T等提出一种针对无硬质合金涂层刀具，无润滑情况下在车削经过热处理的合金钢过程中保证切除率和表面质量的多目标优化模型，采用M-EGO算法权衡两个优化目标，能够快速确定切削参数的合理取值范围[12]。Li L等提出基于神经网络模型的切削参数与加工时间、能耗以及表面质量之间的关系，并运用反向传播神经网络建立切削参数的预测模型，实例验证该方法具有可行性[13]。Chen Dong等人针对薄壁圆柱壳类难加工零件提出以切削力、切削功率、切削稳定性为约束，加工效率为目标函数的数学模型，采用正交试验表和粒子群算法进行目标优化，使得材料去除率提高近8%[14]。Fu Tao等针对高硬度高强度材料的铣削加工建立以切削力和表面加工质量为优化目标的数学模型，运用分解多目标进化算法获得切削参数最优组合并用于指导实际生产[15]。

曹宏瑞等在主轴-切削交互过程模型的基础上提出针对高速铣削过程进行切削参数优化的方法，使得某型直升机的铝合金变速箱盖前面内侧壁的加工效率提高了近275%[16]。陈志同等为解决优化目标权重不确定和不同工序间参数耦合问题，提出单元切削过程的概念，以单位时间制造利润为优化目标，为切削参数的优化提供了一种新的思路[17]。随着绿色环保观念深入人心，节能减排逐渐成为切削参数优化的又一个重要的优化目标，李聪波等提出在单一工步条件下以加工时间和碳排放量为优化目标的数学模型，建立了切削参数和CO2排放量之间的联系[18]。李新鹏等提出的元胞粒子群算法

江南大学硕士学位论文

（CPSO）求解铣削加工参数优化问题，并将其应用于实际案例中，验证了该算法的可靠性和准确性[19]。陈建玲等提出以扩展非支配排序的方法来改进遗传算法的种群多样性与均匀性，从而在多目标的铣削参数优化过程中获得不错的效果[20]。徐玲等采用神经网络学习算法估测刀具使用寿命并对切削参数进行优化，结果获得更加精确的刀具使用寿命[21]。

1.3.2 切削参数知识库的国内外研究现状分析

随着上世纪60年代国际上第一个切削数据库的产生，随后各国掀起了对于切削参数数据库的研究热潮，其中典型的代表有德国的INFOS、美国的CUTDATA、瑞典的CRVEF COROCUT、英国的PERAM ACBANK、日本的TRI、比利时的CRIF以及法国的CETIM 等[22]，这些数据库面向的对象较为广泛，并且数据都是经过多年的积累获得，因此开发周期长、工作量大，这就造成数据会有一定的滞后性，并且对于具体的用户来说，是不能满足他们的一些特殊的需求。

上世纪末，切削数据库开始向着专业化、小型化方向发展。W.B.Rowe等人建立的磨削数据库系统、A.B.Khairy等人建立的基于知识的电化学加工数据库系统以及I.Black 等人建立的激光束加工陶瓷零件数据库系统均是这段时期研究开发的成果[22, 23]。

进入二十一世纪以来，人工智能逐渐兴起，对于人工智能技术和数据库系统融合的研究使得切削数据库的研究开始向智能方向发展。人们对于切削参数数据库的研究热点大多为具体类型和切削数据的获取两个方面。

B.Y.Lee等针对车削加工方式构建专用数据库，采用自组织多项式网络学习算法进行参数优化[24]。S-L Chen等针对五多轴加工中心的加工质量，通过神经网络算法对切削数据库进行了研究与开发[25]。北京理工大学的众多研究人员和刀具生产企业合作，建立针对硬质合金及涂层刀具的切削数据库系统[26]。上海交通大学的众多研究人员针对钛合金的高速铣削建立切削物理模型理论，通过遗传算法、神经模糊算法等进行参数优化，建立切削参数智能优选数据库系统[27]。山东大学的众多研究人员针对高速加工采用基于Web的三层结构构建削数据库系统，并针对高速切削加工工艺参数匮乏的现状，提出利用切削加工试验的方法来获得加工实例以实现切削数据库的智能推理功能[28-30]。南京航空航天大学的众多研究人员进一步开发和完善了KBMDBS切削数据库系统，针对航空领域建立典型材料的专用切削数据库，并通过引入专家系统实现切削数据库系统的智能化[31]。

1.3.3 存在的问题及发展趋势

1 存在的主要问题

（1）切削参数知识的信息形式不够多样化。

当前关于切削参数知识的研究大多围绕切削三要素进行，较为重要的制造资源信息（刀具信息、机床信息、加工过程信息等）还未融入其中，并且信息形式也只有单一的数据，与之相关的图片、声音、视频等元素没有融入切削参数数据库当中。

（2）切削参数知识更新方式单一且更新速度较缓慢。

第一章绪论

系统的可靠性取决于数据的准确性，试验加工数据准确但耗时耗力耗成本，目前切削参数知识主要来源是实际生产，而且数据的更新一般靠人工维护，效率低下。

（3）切削参数优化没有涵盖零件的整个制造过程。

目前的方法主要是针对某一道工序进行优化，而且优化的目标也限于生产效率、制造成本和加工精度，没有涵盖零件的整个制造过程。

2 发展趋势

现代制造业向着智能化发展的趋势不可阻挡，制造业中的一些关键问题需要不断的用新的理论和技术去解决，比如伴随着新材料、新工艺、新能源的出现，金属切削技术也得到不断地更新、完善。切削参数优选在知识驱动、算法改进以及模型完善等几个方面向着智能化方向发展。

（1）切削参数优选向智能化发展。

切削参数的优选逐渐涵盖零件的整个制造过程，实现全局优化，充分挖掘工艺系统的制造能力，发挥知识的作用，将知识转化为切削参数智能优化选择的驱动力。实现在合理利用各种制造资源、保障加工环境的前提下的切削参数智能选择。

（2）优化方法向智能化方向发展。

优化算法不断向着解决非线性、动态等复杂问题的方向发展，方法的进化过程也是愈发的智能化，因此应用于切削参数优化上的方法也是更加的高效、智能。近几年群体智能优化算法逐渐成为主流，如有遗传算法、粒子群算法、鱼群算法、蜂群算法及其混合形式等。

1.4 本文研究内容

本文拟定课题为“面向电梯零部件智能制造的切削参数优化及知识库研究与开发”，文章的整体思路为：首先提出要研究的问题及主要的研究内容；接下来对切削参数原理及切削过程要素的选择进行分析，为切削参数优化和建立切削参数知识库打下基础；通过建立优化模型，获得较优的切削参数，运用有限元仿真技术，对优化的切削参数进行仿真，为切削参数知识库提供案例知识；通过建立切削参数知识库，进行切削参数的智能选择；最后通过软件实现切削参数的智能选择。论文的结构图如图1-5所示，其中每个章节的具体研究内容安排如下：

第一章对电梯零部件制造过程特点进行分析，并进一步阐述实现电梯零部件制造工艺参数智能选择意义，在研究切削参数优化及知识库的国内外研究现状基础上，发现电梯零部件制造过程中在切削参数优选方面存在的问题，总结该方向研究的发展趋势，整理出本课题要研究的重点内容和章节安排。

第二章阐述电梯零部件离散制造加工过程切削过程原理，结合某电梯零部件企业实际情况，对所研究电梯零部件进行分类并结合具体零件分析电梯零部件加工工艺。研究优化理论在机械制造中的应用，为进一步建立切削参数优化模型和进行切削参数的智能选择的研究奠定理论基础。

第三章研究电梯零部件实际加工过程中的相关因素，融入绿色低碳制造的理念，

江南大学硕士学位论文

以加工时间和CO2排放量为优化目标，建立连续工步条件下的切削参数优化模型。研究多目标的优化方法，提出基于Pareto的改进人工鱼群算法，并对算法性能进行测试，将改进算法应用于实际切削加工案例中，为知识库构建提供案例知识。

第四章在对电梯零部件加工过程切削参数优化选择理论分析的基础上，结合某电梯零部件制造企业实际情况，确定电梯零部件切削参数知识库的整体结构。综合运用各种技术和方法建立符合本课题研究的电梯零部件切削参数知识表示方法，并确定基于CBR 和RBR的切削参数智能选择方法。

第五章基于以上研究理论，利用PowerBuilder作为客户端开发工具，以SQL Server 2012作为数据管理工具，结合Matlab开发语言对系统进行了设计与实现，并以此为基础设计一套能够适应企业实际需求的切削参数智能选择原型系统，初步实现电梯零部件切削参数的智能选择功能。

第六章总结与展望。

图1-5 论文的整体结构

1.5 本章小结

本章分析电梯零部件制造过程的特点，进一步阐述实现电梯零部件制造工艺参数智能选择的重要意义，并提出要研究的问题。在阅读国内外文献的基础上，总结切削参数优化和知识库研究的现状、不足以及发展趋势。给出文章的整体思路和所研究的主要内容。

第二章离散型电梯零部件切削加工工艺分析

第二章离散型电梯零部件切削加工工艺分析

目前，高效率、高质量的数控加工在机械加工过程中已经普及，这给整个制造业带来革命性的变化。对于离散型电梯零部件的切削加工来说，数控加工也是获得极大的应用，数控机床是数控加工的硬件基础，其性能对于加工精度、加工效率等具有决定性影响，合理的加工程序是实现高效、高精加工的手段，其中切削参数的选择尤为重要。因此，了解金属加工的基本原理及电梯零部件加工工艺对于如何进行切削参数优化选择具有重要意义。

2.1 切削加工基本原理

2.1.1 金属切削过程原理

金属切削过程是指工件的多余材料层在刀具前刀面的作用下发生大塑性变形，使得工件切削层与工件分离的过程[32]，塑性变形、切削力、切削热、刀具磨损等物理现象会伴随该过程产生。

材料塑性变形和切屑的产生是金属切削过程的两个最为重要的研究内容。为方便理解，本文根据金属材料挤压变形试验将切削过程简化为二维切削模型，简化后的刀具只有前角和后角两个参数，前刀面与切屑底面接触，后刀面和已加工面接触，工件切削层在刀具的挤压作用下发生剪切滑移后形成切屑从前刀面流出。如图2-1所示，整个切削区可大致划分为三部分。

图2-1 切削过程三大变形区示意图图2-2 I

切削过程第变形区示意图在图2-1中由OA至OM之间形成AOM变形区就是第I变形区，也就是刀具挤压工件使其发生塑性变形的主要区域。观察图2-2中的质点P，随着切削运动的进行，质点P逐渐向刀具方向移动，当运动到超过OA上点1的位置时，工件材料的屈服强度无法平衡剪切应力，故工件发生塑性变形。之后由于刀具运动和质点的滑移运动同时存在，所以质点从点1移动到点2的过程中，其在图2-2中产生22’的滑移量。当质点P到达点4处时，此时质点的运动方向与前刀面平行，已不存在使其发生沿OE线的滑移运动的作用力，工件切削层完全脱离工件，形成切屑，切屑的形成过程速度快，时间短。

当切屑脱离工件沿刀具前刀面滑出过程中，切屑底层与前刀面接触，就形成了第Ⅱ变形区，如图2-1中的II指向的区域。此时的切屑流动受到刀具前刀面的阻碍，两者之

江南大学硕士学位论文

间发生挤压和摩擦作用，切屑发生二次变形，刀-屑摩擦过程会产生大量的热集聚在此处，导致切屑在高温高压下与刀具粘结，造成刀具的磨损，而且此区域内还容易产生积屑瘤。

图2-1中III 所指向的区域为切削过程的第Ⅲ变形区，该区域出现在已加工表面上。由于该区域会在后刀面及刀尖钝圆部分挤压和摩擦作用下进一步发生弹塑性变形，从而影响已加工表面的质量[33]。

2.1.2 切削力理论

切削力在金属切削过程中具有重要影响，是设计和使用机床、刀具、夹具以及在自动化生产中实施质量监控的重要因素。切削力对切削过程中的切削功率、切削热以及刀具寿命等的影响较大，进而影响到零件表面加工质量和加工效率。因此，在生产实际当中对切削力的分析研究具有重大意义。

1 切削力的来源

切削力是指刀具施加在工件上使切削层发生大塑性变形并使之脱离工件形成切屑的力。分析切削加工过程可知，切削力主要来源于[34]：（1）用于克服切削层发生弹、塑性变形而产生的反抗力；（2）克服刀具-切屑以及刀具-工件间的摩擦阻力。这些力的具体展示见图2-3，分别为作用在刀具的前刀面上的弹、塑性变形的抗力n F γ和摩擦阻力f F γ，在前刀面上合成力r F γ；作用在刀具的后刀面上的弹、塑性变形的抗力n F α和摩擦阻力f F α，在后刀面上合成力r F α；r F γ和r F α合成总的作用在刀具上的力r F 。要使得切

削过程得以顺利地进行，切削力必须克服上述的抗力，因此切削力的来源是对切削抗力 的克服。

图2-3 切削力的来源

在实际的应用当中，为方便机床、工装设计以及工艺系统的分析，一般情况下会把合力F 分解为互相垂直的三个方向的分力，如图2-4所示，分别为沿主运动方向的主切削力c F 、进给运动方向的进给力和背吃刀方向的背向力f p F F ，一般情况下，其大小按

主切削力c F ，进给力f F ，背向力p F 的排列顺序依次减小。

第二章 离散型电梯零部件切削加工工艺分析

图2-4 切削力分解示意图

在加工过程中，对于各切削分力的求解一般采用经验指数公式进行计算，具体的公式表达如式（2-1）：

F F F c c c c c F F F p p p p p F F F f f c f f x y z c F p c F x y z p F p c F x y z f F p c F F C a f v K F C a f v K F C a f v K ?=??????=??????=??????

（2-1） 式中，c P f F F F C C C 、、分别为被加工材料的切削条件影响系数，c P f F F F x x x 、、为背吃刀量

对三个分力的影响程度，c P f F F F y y y 、、为进给量对三个分力的影响程度，

c P f F F F z z z 、、为切削速度对三个分力的影响程度，c P f F F F K K K 、、为在加工和经验公式两者的要求相异

时的修正系数。

2 切削力的影响因素

在实际生产中，影响切削力的因素较多，其中工件材料、刀具材料、切削用量是主要因素，另外，刀具几何参数、磨损情况以及切削液等因素也对切削力有一定的影响。

（1）工件材料对切削力的影响

根据已有的研究可知[35, 36]，工件材料对切削时刀具受到的加工抗力影响较大。当材料的硬度和强度的增大时，其剪切屈服强度随之增大，刀具加工过程中受到的抗力就会增大，即切削力增大；材料的塑性和韧性增大，较难截断的切屑会增大与前刀面间的摩擦，故切削力就会增大。切削层材料的微观金相组织形态、加工过程中产生的硬化程度大小以及材料中含有的合金元素种类等等，这些都会对加工过程中的切削力产生影响。

（2）刀具材料对切削力的的影响

刀具材料对切削力的影响主要体现摩擦力上，材料与材料间存在一定的摩擦系数，材料不同，系数就不相同。在给定的切削条件下，刀具材料按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢的顺序切削力逐渐增大。

（3）切削用量对于切削力的影响

1）切削速度。在低速切削阶段时，切削力随切削速度的增大而增大，进入高速阶段后，切削力随着切削速度的增加而减小。

2）背吃刀量p a 与进给量f 。背吃刀量p a 和进给量f 主要通过影响切削面积从而对

江南大学硕士学位论文

切削力产生影响，切削面积变大使得变形力和摩擦阻力变大，故切削力也就变大。由面积公式D p A a f =?可知，切削面积与p a 和f 成正比关系，但增大f ，切削层变形反而会

减小，因此相较p a ，f 对切削力影响程度小，这就是为什么在实际加生产过程中为增

大材料切除率会采取增加进给量的原因。

（4）刀具几何参数对于切削力的影响

大量的试验与仿真研究表明，相比其他几个角度，前角对主切削力的影响程度较为突出，而主偏角0γ和刃倾角s λ对背向力F p 和进给力F f 影响较大[37]。在合理的范围内，当刀具的前角每增加1°，切削力大小会在原有基础上相应的减小1%左右。

2.1.3 切削热和切削温度理论

在切削过程中，切削热以及由它产生的切削温度也是一项重要研究内容。由于切削热的存在，工艺系统受热会发生变形，这对刀具寿命和工件表面质量都有较大的影响。 1 切削热的产生和传导

切削热的来源就是切削过程中的三个变形区，如图2-5所示，是切削力做功的结果。由图2-6可知，切削热以切削变形区为中心向四周传散。

图2-5 切削热来源示意图 图2-6 切削热传导示意图

由热平衡方程可知，产生的切削热和散出的切削热是等量的，因此，切削过程产生的切削热Q 可表示为式（2-2）：

刀工屑介Q Q Q Q Q +++= （2-2）

式中，屑Q 表示散入切屑的热量，刀Q 表示散入刀具的热量，工Q 表示散入工件的热量，介Q 表示散入外部介质（空气、切削液等）的热量。

在切削过程中，由切削力做功产生的大量切削热集中在切削变形区，如若散发不及时，则使得该区域的温度迅速升高。切削温度升高，可以使切削区内的材料的切削性能有所改善，同时增加刀具的韧性，延长刀具寿命，但是也会带来刀具磨损加重和工件受热变形的问题。

2 影响切削温度的因素

切削过程中切削温度与切削热的产生和传导两个方面有关。因此影响切削温度的要素可概括为工件材料、刀具参数、切削用量和切削介质。

（1）工件材料

工件材料的强度和硬度主要从切削热的产生方面对切削温度产生影响，强度和硬度