بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهينه سازي پارامترهاي ماشينکاري براي استفاده در ماشينهاي ابزار تراش CNC
چکيده
پارامترهاي ماشينکاري يکي از مهمترين مباحث در سيستمهاي برنامه ريزي فرايند به کمک کامپيوتر(CAPP)مي باشد.
در تحغيغي که صورت گرفته است معيار ترکيبي هزينه و زمان توليد به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده است . توسط نرک افزاري که به منظور بهينه سازي پارامترها تهيه شده است ، ابتدا محاسبات اوليه همانند محدوديت هاي ماشينکاري صورت پذيرفته و سپس بهينه سازي پارامترهاي ماشينکاري براي قطعه کار مورد نظر صورت مي پذيرد. الگوريتم به کار رفته براي بهينه سازي الگوريتم سيمپقکس نقدر و ميد و الگوريتم ژنتيک مي باشد، که در نهايت با يکديگر مغايسه شده اند. داشتن بانک نرک افزاري جنس قطعه کار، ابزار و ماشين ابزار از ويژگيهاي نرک افزار تهيه شده مي باشد.
واژه هاي کليدي : بهينه سازي - پارامترهاي ماشينکاري - CAPP - الگوريتم ژنتيک سمبل ها, علائم و واحدها
١- مقدمه
ماشينکاري يکي از پر کاربرد ترين فرايندهاي ساخت و توليد مي باشد و نغش کقيدي را در کيعيت اکثر محصولات ايعاء مي کند. طبق تخميني که زده مي شود ۸۰ درصد از زمان توليدي محصولات نهايي در سيستمهاي ساخت و توليد مدرن ماشينکاري مي باشد. در مغايسه با اينکه در ماشين ابزارهاي سنتي فغط ۵ درصد زمان توليد، عملیات ماشينکاري مي باشد. با اين اطلاعات معني و معهوک و عقت بهينه سازي عملیات ماشينکاري براي اقتصادي بودن آن بهتر و روشن تر مي شود[۱]. يکپارچه سازي سيستم هاي ساخت و توليد، و به عبارت ديگر CIM يکي از مهمترين موضوعات براي رسيدن به اتوماسيون و انعطاف پذيري کامق ، به همراه سيستم مديريتي و تجاري مي باشد، که امروزه به دليق لحاظ شدن بهره وري و اتوماسيون بالا در اين سيستمها از اهميت خاصي برخوردار است . ماشينکاري جزء جدائي ناپذير سيستمهاي توليدي مي باشد، و اين قسمت نيز بايد داراي اتوماسيون و بهره وري بالا باشد و به همين دليق ارتباط بين طراحي و ساخت در ماشينکاري جقوه پيدا مي کند. انتخاب پارامترهاي ماشينکاري ، يکي از مهمترين بخشهاي سيستم برنامه ريزي فرايند به کمک کامپيوتر (CAPP) مي باشد، ولي اين امر مهم در اکثر نرک افزارهاي ساخت به کمک کامپيوتر (CAM) کم اهميت جقوه مي کند، و به تحقيق سطحي پارامترها بسنده مي شود در صورتي که براي داشتن بهره وري ، اين موضوع از اهميت خاصي برخوردار است . به عنوان مثال براي دقت در تجزيه و تحقيق و بيان پيچيدگي فرايند ماشينکاري با افزايش پارامترهاي برشي صرفه اقتصادي بيشتري مي توان داشت تا اينکه عمر ابزار را با کاهش پارامترهاي برشي افزايش دهيم . يعني افزايش ۲۰% در پارامترهاي برشي ۱۵% کاهش را در هزينه کق توليد در بر خواهد داشت ولي افزايش عمر ابزار تا ۵۰% فغط ۱% هزينه کق توليد را کاهش مي دهد[۲].
اطلاعات موجود براي پارامترهاي ماشينکاري اکثرًا به صورت مراجع و کاتالوگ هاي فني سازندگان ابزار ها که به صورت تغريبي ومحافظه کارانه است ، مي باشد و يا به تجربه افراد در حد دانش آنها نسبت به زوج ماده قطعه کار و ابزار بستگي دارد.
پيدا کردن شرايط بهينه ماشينکاري از زمان تيقور(Taylor) که رابطة عمر ابزار را بر حسب سرعت برشي بدست آورد آغاز شد[۴-۳]. کارهاي گستردة تيقور در اين زمينه طبيعت پيچيدة عملیات بهينه سازي را بيشتر روشن کرد[۵].
ايواتا (Iwata) و همکارانش فرايند چند مرحقه اي را بهينه کردند و از روش برنامه ريزي پويا و تصادفي براي اين کار استعاده کردند. در اين تحغيق رابطة عمر ابزار تغابقي بين سرعت برشي ، پيشروي و عمق برشي مي باشد و از تابع هدف حداقق هزينه براي بهينه سازي استعاده شده است [۶]. رائو(Rao) و همکارش ، انتخاب کامپيوتري شرايط بهينة ماشينکاري براي عملیات چند مرحقه اي را مورد بحث و تحقيق قرار دادند. در اين کار از روش بهينه سازي نامغيد ترتيبي (Sequential) استعاده شده است [۷]. ساف ويتاياونگ (Sukvittayawong) و همکارش بهينه سازي عملیات تراشکاري را با استعاده از اندازه گيري مستغيم نيرو و اعمال نسبت نيروهاي اندازه گيري شده انجاک دادند[۸].
آگاپيو(Agapiou) توسط تحغيغات گسترده اي که در زمينة بهينه سازي پارامترهاي ماشينکاري انجاک داد، توانست عملیات تک مرحقه اي و چندمرحقه اي و چند عمقياتي را با استعاده از روشهاي برنامه ريزي پويا و سيمپقکس غير خطي به صورت عددي و تئوري بهينه سازي کند[۹-۱۰-۱۱-۱۲]. جنگ (Jang) و همکارش روش بهينه سازي غير مغيد همراه با تابع جريمة خارجي را براي بهينه سازي پارامترهاي ماشينکاري به منظور رسيدن به کيعيت سطح تعيين شده در عملیات تک مرحقه اي به کار بردند[۱۳]. زوپرل (Zuperl) و کاس (Cus)، بر اساس تحغيغي که انجاک دادند، تابع هدف به کار رفته در بهينه سازي را بر اساس شبکه هاي عصبي براي بهينه سازي هنگاک ماشينکاري ارائه کردند
[۱۴]. دنيز(Diniz) و همکارش شرايط ماشينکاري را در شرايط خشک برشي (در مغايسه با استعاده از مايع خنک کننده )به دست آوردند و نشان دادند که توان کمتري در شرايط خشک لازک است ولي صافي سطح پايين تر مي باشد.
همچنين نشان دادند که افزايش شعاع نوف ابزار طول عمر ابزار و نيروهاي ماشينکاري را افزايش مي دهد. و نشان دادند که مي توان با کاهش سرعت برشي و افزايش سرعت پيشروي و شعاع نوف ابزار استعاده از مايع خنک کننده را کنار گذاشت [۱۵].
بيشتر کارهاي انجاک شده بهينه سازي پارامترهاي ماشينکاري به صورت تک معياري همانند هزينه يا زمان توليد بوده است . و همچنين در بعضي کارها روابط به صورت خطي تبدیل شده است که در واقع درست نمي باشد. کار بهينه سازي با در نظر گرفتن محدوديت هاي تکنولوژيکي قابق اندازه گيري (همانند عمر ابزار، توان مورد نياز ماشين ، کيعيت سطح نهايي و غيره ) و توجه به خصوصيات ماشين ابزار، ابزارهاي برشي و قطعه کار که محدودة وضعيت برشي را به وجود مي آورند، صورت مي پذيرد. اين مشکلات توسط بعضي از محغغين توسط برخي از برنامه هاي آمادة رياضي و تکنيک هاي جستجوي عددي براي فراهم کردن شرايط بهينة برشي حق شده است . احتمال پيدا شدن بهينة موضعي به جاي بهينة عمومي و نهايي و همچنين زمان زياد فرايند حق مسئقه در کارهاي انجاک شده وجود دارد. در اين کارها محدوده و شرايط دقيغاً مشخص مي شود در صورتي که در حالت واقعي متغّير هستند. همچنين براي فرايند ساخت به کمک کامپيوتر (CAM) زمان جوابگويي الگوريتم خيقي مهم و کقيدي ميباشد، به خصوص در سيستمهاي کنترل وفغي (Adaptive Control) که به کنترل همزمان پارامترها نياز دارند، لزوک سرعت بالا به شدت محسوس مي باشد.
در نرک افزاري که با استعاده از محيط برنامه نويسي Visual Basic به منظور بهينه سازي پارامترهاي ماشينکاري تهيه شده است عملیات تک مرحقه اي وچند مرحقه اي ، در عملیات تراشکاري (Turning) بهينه سازي مي شود، و به راحتي مي توان آن را براي ديگر فرايندهاي ماشينکاري گسترش داد.
٢- ساختار فرايند بهينه سازي
براي انجاک فرايند بهينه سازي مراحقي در نظر گرفته شده است که اين مراحق در شکق (۱) نشان داده شده است . اين ساختار در طراحي و اجراي نرک افزار بهينه سازي رعايت شده است . در اين نرک افزار امکان وارد کردن مشخصات شکق هندسي قطعه کار بصورت عددي و نغشة (CAD) آن وجود دارد. محدوديت ماشين ابزار و ديگر متغيرها و محدوديتهاي فرايند از طريق نرک افزار و بانک اطلاعاتي موجود در نرک افزار امکان پذير مي باشد .
٣- بهينه سازي پارامترهاي ماشينکاري
دستيابي به بهترين نتيجه در شرايط داده شده را بهينه سازي مي گويند. در يک فرايند بهينه سازي بايد شرايط درستي عمقکرد موردنظر و همچنين نتيجه گيري مشخص باشد. به عبارت ديگر تابع هدف موردنظر و شرايط درستي آن بايد به روشني تعريف شده و روشن باشد. در ادامه تابع هدف و محدوديت هاي فرايند که در حغيغت شرايط درستي فرايند را مشخص مي کند، تشريح مي گردد.
٤- تابع هدف
معمولاً سرعت توليد، که در حغيغت زمان يا نرخ توليد مي باشد بر اساس زمان مورد نياز براي ساخت يک محصول ، اندازه گيري مي شود که آن را مي توان بر اساس نرخ برداشت ماده (Material Removal Rate)MRR و عمر ابزار بيان کرد[۱۴]. در حغيغت با افزايش نرخ برداشت ماده زمان توليد کاهش يافته و سرعت توليد افزايش پيدا مي کند.
رابطة عمر ابزار به صورت رابطة (۱) در نظر گرفته مي شود.
هزينه عملیات ماشينکاري بصورت هزينه براي هر محصول بيان مي شود. دو عامق مهم ، عمر ابزار و زمان توليد مرتبط
با پارامترهاي ماشينکاري هستند. هزينه عملیات به صورت زير است :
هزينه بالاسري (Over head cost)Co خود شامق عوامق زيادي همچون استهلاف ماشين ، هزينه برغ ، مکان ، تعمير و نگهداري و ... مي باشد.
اگر تابع هدف ترکيبي از زمان ، هزينة توليد و تابع جريمة خارجي باشد. در اين صورت تابع هدف که به صورت زير و نرماليزه مي باشد بدست مي آيد. در اين رابطه g محدوديت هاي فرايند مي باشد.
در رابطة (۴) Cmin و Tmin از جاگذاري سرعت برشي به ترتيب در حالت هزينة و زمان حداقق در روابط (۳) و(۲) بدست مي آيد. و علامت عملگری براي اعمال تابع جريمة خارجي در تابع هدف مي باشد. عملگر تابع جريمه عدد صعر را برگشت مي دهد اگر مقدار داخقي آن کمتر از صعر باشد، در غير اينصورت برابر با مقدار خود تابع مي باشد. rk يک مقدار ثابت مثبت به عنوان پارامتر جريمه مي باشد که به صورت مناسب از ۱ تا ۱۰۰۰ انتخاب مي گردد. سرعت برشي در حالت هزينة حداقق از رابطة (۵) و در حالت حداقق زمان از رابطة (۶) بدست مي آيد. لازک به ذکر است که اين روابط از مشتق گرفتن و مساوي صعر قرار دادن روابط (۳) و(۲) بدست آمده است .
٥- محدوديت ها در فرايند
براي ترکيب ابزار، قطعه کار و ماشين ابزار محدوديت هايي براي رسيدن به مقدار بهينة شرايط ماشينکاري وجود دارد که به صورت رابطة (۷) بيان مي گردد.
که در آن تعداد محدوديت ها مي باشد. در سيستمهاي ماشينکاري مدرن محدوديت هاي زيادي ممکن است وجود داشته باشد[۱۴]. در زير تعدادي از محدوديت ها معرفي و روابط آنها بيان مي گردد.
٥-١ قابليت شکستن براده
اين محدوديت براي پيشروي f و عمق برشي a اعمال مي گردد.
اگر محدوديت عمق برشي مستغق از پيشروي باشد داريم :
٥-٢ هندسه ابزار
عمق برشي و پيشروي با هندسة ابزار، محدود مي گردد.
٥-٣ کيفيت سطح نهايي
يکي از مهمترين محدوديت ها به خصوص در عملیات نهايي پرداخت کاري ، کيعيت سطح مي باشد. با توجه به تحقیقاتی که در اين زمينه صورت گرفته است [۱۳]، کيعيت سطح برابر است با:
٥-٤ حداکثر سرعت دوران
محدودة حداکثر سرعت برشي را مي توان به صورت دوران ماشين بدست آورد.
٥-٥ حداکثر توان موتور ماشين ابزار
حداکثر توان موتور براي ايجاد نيروي اصقي برشي به صورت رابطة زير مي باشد:
و در ماشينکاري فولاد
٥-٦ حدود و محدوديت هاي نيرو
نيروهاي برشي با عوامقي همانند شکست ابزار، لغزش قطعه کار بين سه نظاک و دقت ابعادي که با منحرف شدن ابزار و قطعه کار بوجود مي آيد، محدود مي گردنند.
رابطه هايي که براي محاسبة نيرو ، به کار مي روند متعاوت مي باشند که از آنها مي توان به روابط نظري و تئوري همانند تئوري ارنست - مرجنت و لي - شافر و روابط تجربي آماري ناک برد. در زير تابع رگرسيون (Regression) که از طريق آماري بدست مي آيد براي برش سه بعدي ارائه شده است .
در حغيغت با استعاده رابطة (۱۸) مقدار نيروهاي ماشينکاري به صورت تخميني بدست مي آيد.
برايند برداري نيروها عبارت است از :
٥-٧ دماي ماشينکاري
براي محاسبه و اندازه گيري دما روشهاي متنوع و گسترده اي در مراجع مختقف ارائه شده است که در اينجا به دو نمونه اشاره مي شود.
اين رابطه براي ماشينکاري فولاد صحت دارد. و همچنين از مرجع ديگر داريم :
٥-٨ تاثير سايش ابزار بر فرايند
