[发明专利]一种面向低碳制造的加工中心刀具决策方法

权利要求书

1.一种面向低碳制造的加工中心刀具决策方法，其特征在于，该方法适用情境为单台加工中心制造系统，该单台加工中心制造系统中包括n个分配到加工中心上的工件和m种可用刀具类型，每个工件由多个工步组成，每种刀具类型有多把刀具个体且不同个体剩余可用寿命不同，用uⁱ表示第i个工件包含的工步数，c^d表示第d种刀具类型包含的刀具个体数，该方法包括如下步骤：

步骤1：确定每一可用刀具个体的剩余寿命；刀具的剩余寿命S_r通过如下方式表示：

其中，刀具加工工件i工步j的寿命损耗r^ij为其加工时间t^ij与相应切削参数下刀具的总寿命时间S^ij之比；

步骤2：确定每个工件各工步的可用刀具类型及使用不同刀具类型加工对应的切削参数：

v_c^ij(d)---工件i的工步j使用刀具类型d的切削速度；

f^ij(d)---工件i的工步j使用刀具类型d的进给速度；

a_p^ij(d)---工件i的工步j使用刀具类型d的背吃刀量；

步骤3：对每一工步，依据其可用刀具类型对应的切削参数依次计算每一刀具类型的加工能力，得到工步-刀具类型匹配表，刀具类型加工能力计算包括以下几项：

t^ij(d)---工件i的工步j使用刀具类型d的加工过程时间；

P^ij(d)---工件i的工步j使用刀具类型d的机床加工功率；

r^ij(d)---工件i的工步j使用刀具类型d的刀具的损耗率；

对于工件i的工步j，其可用刀具类型d加工能力的评价步骤为：

步骤3.1：确定工件i的工步j的加工余量:工件直径D^ij，加工长度L^ij，加工余量Δ^ij；

步骤3.2：确定工件i的工步j对应刀具类型d的切削参数：切削速度v_c^ij(d)、进给速度f^ij(d)、背吃刀量a_p^ij(d)；

步骤3.3：计算工件i的工步j使用刀具类型d的加工时间t^ij(d)、机床加工功率P^ij(d)及刀具的损耗率r^ij(d)，各部分的计算方法如下：

其中，P_u0为加工中心最低空载功率，A₁、A₂为主轴转速系数，C_F为与工件材料和刀具材料有关的系数，K_F为与切削用量、刀具角度、刀具磨损以及切削液有关的系数，C_T为与切削条件有关的系数，x、y、z、α、β、γ为指数；

步骤4：以工步-刀具类型匹配表为输入，使用多目标遗传算法解算，综合考虑生产成本与碳排放得到最优染色体；具体过程如下：

4.1初始化

设定种群规模N、迭代次数M、不可行度的阈值B及不可行解的比例Q，不可行解为不可行度大于0的染色体；

4.2生成初始种群

随机生成染色体作为初始种群，其规模为N，染色体编码由(0,1)范围内的随机数组成，每条染色体编码包括两部分：前半部分编码为工件加工顺序编码，其长度等于总工件数，每个编码位对应一工件；后半部分编码为工步的加工刀具决策编码，其长度等于所有工件总工步数，每个编码位对应一工步；

4.3解码计算

依次对种群中的每一染色体解码，得到工件的加工顺序与各工步的加工刀具，之后计算染色体的不可行度Φ、生产成本C与碳排放E；解码过程如下：

工件加工顺序解码过程为：提取染色体加工顺序编码，依据各个编码位编码的大小对对应的工件号进行重排列，得到工件的加工顺序；

工步加工刀具解码过程为：

(1)提取工步可用刀具类型及不同类型下刀具个体的损耗率，得到工步可用刀具类型集合S1；

(2)提取工步可用刀具类型下所有刀具个体及其剩余可用寿命，得到工步可用刀具个体集合S2；

(3)筛选工步可用刀具个体集合S2中剩余寿命大于需求损耗率的刀具，得到工步备选刀具集合S3，可用刀具个体集合中没有剩余寿命满足要求的个体，则将工步可用刀具个体集合S2作为备选刀具集合S3；

(4)工步备选刀具集合S3中刀具的总数与染色体中工步对应的编码相乘并取整，与备选刀具集合S3对应得到当前工步所选用刀具个体；

(5)更新刀具个体的剩余寿命；

(6)重复以上步骤直至所有工步的加工刀具确定；

染色体的不可行度、生产成本与碳排放计算过程如下：

染色体I的不可行度Φ(I)为按照当前染色体编码确定的刀具使用方案得到所有刀具的寿命超出损耗量，其计算方法为：

其中，R^dg为加工完该批任务刀具类型d的个体g的总寿命损耗，S_r^dg为刀具类型d的个体g的初始剩余寿命；

依据工步选定加工刀具的类型查询工步-刀具类型匹配表，得到工步的加工时间、机床加工功率与刀具损耗率，依次计算每一工步的加工成本与碳排放，工件i的工步j的加工成本C_m^ij及碳排放E_m^ij计算如下：

其中，t^ij为工件i的工步j的加工时间,P^ij为工件i的工步j的机床加工功率,r^ij为工件i的工步j的刀具损耗率,c_m为加工中心单位时间成本，c_t为刀具成本，c_l为切削液单位时间的成本，W为刀具质量，p_e为电能消耗碳排放因子，p_t为刀具物料消耗碳排放因子，e_l为切削液单位时间碳排放率，由切削液制备、废弃处理碳排放及更换周期计算得到；

依据工件的加工顺序将该批任务划分为多个区间进行加工，保证同一工件的工步在一个区间内连续加工且每个区间刀库所装刀具数目不大于刀库容量，由加工区间的划分情况得到各个工件的完工时间及整批任务加工过程的刀库装载次数，据此计算总生产成本C与总生产碳排放E：

其中，uⁱ为工件i包含的工步数,C_m^ij为工件i的工步j的加工成本,qⁱ为工件i的拖期惩罚系数，Tⁱ为工件i的完工时间，Jⁱ为工件i的交货期，c_s为刀库装卸一次的成本，s为刀库装卸次数，E_m^ij为工件i的工步j的加工碳排放，e_s为刀库装卸一次的碳排放；

4.4非支配排序

以各染色体信息计算得到整批任务的生产成本C与碳排放E为输入，通过非支配排序计算各染色体的非支配等级I_rank与拥挤度I_d；

4.5遗传操作

随机选取种群中的两条染色体，基于不可行度Φ、不可行阈值B、非支配等级I_rank与拥挤度I_d进行比较，选择更优的染色体放入父染色体集；

对父染色体集中的染色体进行多点交叉与多项式变异得到子染色体集，将原种群与子染色体集合并得到合并种群，之后，计算合并种群中各染色体的不可行度Φ、生产成本C、生产碳排放E、非支配等级I_rank与拥挤度I_d；两染色体比较选优过程如下：

对于任意两染色体I1与I2，其优劣比较过程如下：

(1)当Φ(I1)0且Φ(I2)0时，则Φ(I)小者为优；

(2)当Φ(I1)＝0且Φ(I2)B时，则染色体I1为优；

(3)当Φ(I1)＝0且0≤Φ(I2)≤B时，个体I1优于I2当且仅当I1_rankI2_rank或I1_rank＝I2_rank且I1_dI2_d；

4.6选择操作

由不可行度Φ、不可行阈值B、非支配等级I_rank与拥挤度I_d指标选择其中优良的染色体形成规模为N的子种群；染色体选择过程如下：

(1)若合并种群中不可行度Φ小于不可行阈值B的染色体数目不大于N：优先选择非支配等级I_rank低的染色体，对于非支配等级I_rank相同的染色体，优先选择拥挤度I_d大的染色体，直到子种群规模达到N；

(2)若合并种群中不可行度Φ小于不可行阈值B的染色体数目大于N：将所有不可行度Φ小于不可行阈值B的染色体放入子种群，对于剩余染色体，优先选择不可行度Φ小的染色体，直到子种群规模达到N；

4.7不可行阈值的更新

统计子种群中不可行解的比例，对不可行阈值B进行更新，当种群中不可行解的比例大于预先设定的值Q时适当缩小不可行阈值；反之，则适当增大不可行阈值；

4.8得到最优染色体

重复过程4.4-4.6直至达到规定的迭代次数M，得到最终种群；

对于最终种群中所有可行染色体，提取非支配等级最低的染色体得到最优解集，对最优解集中染色体的生产成本及碳排放进行综合评价得到最优染色体，可行染色体的不可行度等于0；

步骤5：依据最优染色体信息得出工件加工序列及各工步加工刀具决策方案，将分配到单台加工中心上的任务划分为多个加工区间，由此得到各个区间的加工任务及需要装载的刀具集，据此安排准备活动并付诸生产。

2.根据权利要求1所述的一种面向低碳制造的加工中心刀具决策方法，其特征在于，步骤4中4.8染色体综合评价指标P^I计算如下：

其中，O_k^I为染色体I的第k个目标值，O_k^A为最优解集中所有染色体第k个目标的最优值。