CN103722621B - 一种低噪声圆锯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低噪声圆锯片及其制备方法。该圆锯片包括基体，基体的外缘分布有齿型节块，基体的中央开有安装孔，安装孔与齿型节块之间的基体周向均布开有曲线槽，其特征在于所述基体上周向均布开有的曲线槽为NURBS曲线槽，且该曲线槽为引进模拟退火机制改进的遗传算法优化设计获得的NURBS曲线槽。该制备方法包括以下工序：（1）基体材料的选择与制备；（2）刀头与基体之间过渡层的制备；（3）刀头制备；（4）刀头与基体的焊接；（5）依照优化设计的NURBS曲线槽对基体进行激光切槽。

Description

一种低噪声圆锯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料加工技术,具体为一种低噪声圆锯片及其制备方法。

背景技术

国家卫生部颁布的《工业企业噪声卫生标准（试行草案）》规定，工人每个工作日接触噪声时间为8小时的环境噪声值不得超过90dB；接触噪声时间为1小时的环境噪声值不得超过94dB。金刚石圆锯片在切割石材时，由于与石材的相互摩擦及冲击，基体产生剧烈振动并伴随有强烈的噪声。普通金刚石圆锯片切割石材时的噪声值可达110dB左右，而低噪声金刚石圆锯片比普通圆锯片辐射噪声值可降低10～15dB。

目前，低噪声圆锯片的制备方法主要有两种:一是改变基体结构，在基体上用激光加工特定沟槽，槽中可填充高阻尼材料；二是阻尼夹层圆锯片，一般为多层基体结构或以高阻尼合金材料作为基体，通过振动衰减实现降低噪声的目的。

基体开槽圆锯片是用激光切割机在锯片基体上切0.1～1.5mm左右宽度的细缝，其降噪机理是负载时产生的从锯片边缘到中心的振动线被细缝隔断，从而减弱了基体的噪声共鸣反弹以及振动；阻尼夹层圆锯片可有效消除圆锯片空载时的“啸声”及锯切时的噪声，然而在使用过程中常因周向焊接不牢而开裂；并且锯片局部产生的温度可能导致夹层材料变质，从而使降噪效果消失。

近年来，依据圆锯片基体开槽减振降噪机理，形成了多种基体开槽方式，如径向型、弧形、鱼钩形、S型以及其它一些镂空曲线槽等等。其设计要点是：给定几组槽几何结构参数，通过试验模态分析计算不同槽结构对锯片振动与辐射噪声的影响，然后选择振动与噪声辐射较小的槽形。

非均匀有理B样条（NURBS）技术具有统一、通用、有效的标准算法，具备设计自由型曲线的强大功能，是最广泛流行的形状数学描述方法之一，不仅能够描述如前述所示的径向型、弧形、鱼钩形、S型槽几何结构形式，而且可以将开槽形状进行扩充到任意自由形状。利用遗传算法对NURBS曲线槽进行自动优化是一种可行的方法，然而随着曲线控制点的复杂程度增大以及设计变量的增多，优化算法容易过早陷入局部极值而导致早熟现象，最终无法得到一个满意的结果。引进模拟退火机制的遗传算法改进了遗传算法的不足，充分利用遗传算法的全局搜索能力和模拟退火算法的局部搜索能力，使搜索过程避免陷入局部最优解，提高优化过程运行效率和求解质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种低噪声圆锯片及其制备方法。该圆锯片基体上开有NURBS曲线槽，工作时噪声大幅降低，有益于工人身心健康和环境卫生。该制备方法优化设计算法中搜索能力的不足，改进传统的给定参数的设计方法，克服现有的遗传算法优化设计容易陷入局部极值的缺陷，具有工艺简单，算法独到，工业化容易实施的特点。

本发明解决所述圆锯片技术问题的技术方案是：设计一种低噪声圆锯片,包括基体，基体的外缘分布有齿型节块，基体的中央开有安装孔，安装孔与齿型节块之间的基体周向均布开有曲线槽，其特征在于所述基体1上周向均布开有的曲线槽为NURBS曲线槽，且该曲线槽为引进模拟退火机制改进的遗传算法优化设计获得的NURBS曲线槽。

本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是：设计一种低噪声圆锯片制备方法。该制备方法包括以下工序：（1）基体材料的选择与制备；（2）刀头与基体之间过渡层的制备；（3）刀头制备；（4）刀头与基体的焊接；（5）依照优化设计的NURBS曲线槽对基体进行激光切槽；

在进行NURBS曲线槽优化设计时，采用引进模拟退火机制改进的遗传算法，并通过以下工艺步骤实现：

（1）确定圆锯片基体开槽形状，设置优化参数；生成种群个体，并对个体进行二进制编码，形成染色体基因；

（2）初始化模拟退火遗传算法参数；随机产生初始种群；

（3）构造适应度函数，通过有限元谐响应分析与优化算法的交互计算每个个体的适应度函数值；

（4）利用遗传算法进行优化，得到新的种群；

（5）基于模拟退火法对新的种群个体进行训练，如不符合终止条件，转到步骤（6），判断是否是最大迭代次数，如为否，则重新计算适应度值，转到步骤（3），继续进化过程；

（6）设置最大迭代代数，判断遗传代数是否达到最大迭代代数；若达到，输出最优值W_n，否则，遗传代数D＝D+1，重复步骤（3）～（6）。

与现有技术相比，本发明制备方法在遗传算法中引入模拟退火机制，可避免算法陷入局部最优的缺陷，提高优化NURBS曲线槽的全局搜索能力，有效地指导低噪声圆锯片开槽的设计，并具有工艺简单，算法独到，工业化容易实施的特点。利用模拟退火遗传算法实施优化设计所得的低噪声圆锯片降噪效果明显，能有效改善石材切割工作环境和工人身心健康。

附图说明

图1是本发明低噪声圆锯片一种实施例的结构示意图。

图2是本发明低噪声圆锯片制备方法一种实施例的工艺流程图。

图3是本发明低噪声圆锯片制备方法一种实施例的单个NURBS曲线槽所在的可行设计域。

图4是本发明低噪声圆锯片制备方法一种实施例的开槽优化设计所采用的算法流程图。

图5是普通圆锯片与经过本发明设计方法优化后的开槽圆锯片切割石材噪声幅频响应特性比较图。其中，

图5（a）是普通圆锯片切割石材时的幅频响应特性曲线；

图5（b）是经过模拟退火遗传算法优化后开NURBS曲线槽锯片切割石材时的幅频响应特性曲线。

图6是经过遗传算法优化后的圆锯片结构及其有限元谐响应特征分析图。其中，

图6（a）是经过单纯遗传算法优化后的开槽圆锯片结构示意图；

图6（b）是该锯片结构的谐响应特征分析图。

图7是引入模拟退火机制的遗传算法优化后的圆锯片结构及其谐响应特征分析图。其中，

图7（a）是引入模拟退火机制的遗传算法优化后的开槽圆锯片结构示意图；

图7（b）是该锯片结构的谐响应特征分析图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步详细说明。

本发明设计的低噪声圆锯片（简称圆锯片，参见图1、3、6和7），包括基体1，基体1的外缘分布有齿型节块2，基体1的中央开有安装孔3，安装孔3与齿型节块2之间的基体1周向均布开有曲线槽4，其特征在于所述基体1上周向均布开有的曲线槽4为NURBS曲线槽，且该曲线槽4为引进模拟退火机制改进的遗传算法优化设计获得的NURBS曲线槽4。

本发明所述圆锯片的厚度为1～3mm，基体1开的曲线槽4为通槽，开槽个数可参考圆锯片直径，随着直径的增大，开槽个数可适当增加。曲线槽4中可填充阻尼材料。本实施例中锯片厚度为2mm，曲线槽4的开槽个数一般为1～8个。实施例的NURBS曲线槽4为8个。

本发明同时设计了所述低噪声圆锯片制备方法（简称制备方法，参见图2-7）包括：

（1）基体材料的选择与制备；

（2）刀头与基体之间过渡层的制备；

（3）刀头制备；

（4）刀头与基体的焊接；

（5）依照优化设计的NURBS曲线槽对基体进行激光切槽。

其中，步骤（1）～（4）为现有技术。本发明主要特征在于步骤（5）中，开槽形状的设计，设计槽为k(k≥1)次NURBS曲线形式，可开1～8个曲线槽4，且曲线槽4沿圆锯片周向均匀分布。

本发明所述的带有NURBS曲线消音槽的圆锯片体，其特征在于，所述NURBS曲线槽的端点及中间控制点在锯片体半径的1/3～4/5的范围内，相邻两槽的始末端相距不小于槽长的1/5。

所述圆锯片开的NURBS曲线槽4需要进行模拟退火遗传算法优化，该优化算具体实施过程为（参见图4）：

本发明基于模拟退火遗传算法进行基体开NURBS曲线槽的设计优化，其算法实施遵循如下过程：

（1）确定所设计的槽曲线几何形式、控制曲线槽位置和形状的变量、权因子、开槽个数，从而确定遗传算法中种群。对每个设计变量进行取值，合成一个数组，并对个体进行二进制编码，形成染色体基因。

为了提高算法实施的效率，所述锯片实施例为二次NURBS曲线槽形式，其表达式如下：

$p\left(u\right)=\frac{{(1-u)}^2{b}_0+2u(1-u)w_1{b}_1+u^2{b}_2}{{(1-u)}^2+2u(1-u)w_1+u^2}---\left(1\right)$

式中：p(u)为曲线上任意一点的位置向量；u为节点矢量；b₀(x₁,x₂)为起点位置；b₁(x₃,x₄)为中间控制点位置；b₂(x₅,x₆)为终点位置；w₁为权因子。

设计变量定义为起点、终点、控制点坐标值以及权因子和开槽个数，其中点的坐标需要两个变量表示，因此设计变量表示为X＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈]^T。其中前6项的坐标值为连续变量，x₇为权因子，属于连续变量；x₈为个数，属于离散变量。

所述实施例二次NURBS曲线槽，其权因子w₁用来控制已知点的NURBS曲线形状，当w₁取值过大，会出现尖角，如果用在圆锯片上则会出现应力集中现象，从而导致在使用过程中产生脆性裂纹以及疲劳裂纹，对于二次NURBS曲线，通过分析，设置权因子w₁在0～7范围内。

所述实施例锯片直径为300mm，在满足锯片切割强度的前提下，设计锯片槽分布的可行域，依据实践经验，开槽个数取值范围为[2～8]，假设开n个槽，则构成NURBS曲线槽的控制点被限制为1/n区域内，其极径在锯片体半径的1/3～4/5的范围内，相邻两槽的始末端相距不小于槽长的1/5。其设计可行域如图3中ABCD区域所示，需要将控制点的参数进行直角坐标与圆坐标的转换，用圆坐标系(ρ,θ)表示控制点，其取值范围为：

控制点的极径坐标取值范围：0.05＜x₁,x₃,x₅＜0.12

控制点的极轴坐标取值范围：0＜x₂,x₄,x₆＜2/nπ

（2）初始化模拟退火遗传算法参数。其中种群大小P＝40，交叉概率PC＝0.8，变异概率PM＝0.001，最大遗传代数T_max＝1000，初始种群随机产生，记个体i为X_i＝[x_1i,x_2i,x_3i,x_4i,x_5i,x_6i,x_7i,x_8i]^T。给定初始退火温度T₀，退火过程中具体参数设置为：初始温度T₀＝1，终止温度T₁＝10^-8，退火过程为指数形式，在相同温度下重复计算20次。

（3）依据步骤（1）中的设计参数进行二维曲线造型，将图形格式文件导入ANSYS前处理模块进行网格划分以及模态分析，进而通过谐响应分析计算步骤（2）中每个个体的适应度目标函数值。本实施例中在对锯片进行谐响应分析时，其APDL语言可以将结果输出到指定文件，以便C语言读出，并作为遗传算法的适应度值。其中C语言通过以下语句启动ANSYS软件，并进行自动分析。WinExec("C:\\Program Files\\Ansys Inc\\v100\\ANSYS\\bin\\intel\\ANSYS100.exe",1)

如上所述，可通过类似C语言程序完成对ANSYS的控制，并实现整个优化程序。

锯片辐射的声功率和锯片各个节点振动的速度的平方值有关。本实施例通过点激励方式考查锯片振动与噪声的大小，振动能量集中在1000Hz以内的低频范围内。本实施例中在步骤（2）中将锯片在[0-800Hz]低频段幅频响应曲线中响应共振频率下幅值最小设定为目标函数。从物理上看，它从能量的角度反映了振动与噪声幅值的大小，在评价过程中，目标函数小，则认定所对应的设计变量达到优选值。

由于遗传算法中适应度用于评价个体的优劣程度，适应度越大个体越好，反之适应度越小则个体越差；根据适应度的大小对个体进行选择，以保证适应性能好的个体有更多的机会繁殖后代，使优良特性得以遗传。因此，遗传算法要求适应度函数值必须是非负数，本实施方式通过以下公式构造算法中的适应度函数：

$F\left(f\left(X\right)\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Max}-f\left(X\right),f\left(X\right)<\mathrm{Max}\\ 0\end{array}\right\}$

其中，f(x)为原实例问题的目标函数；Max为构造适应度函数的上限，在本实施例中Max取1000。

（4）采用轮盘赌选择方法，从当前种群中根据个体的适应度值，按某种准则挑选优良的个体进入下一代种群；其中，每个个体进入下一代的概率等于该个体的适应度值与整个种群中个体适应度值和的比例，适应度值越高，被选中的概率越大。将选出的个体送入杂交池，并将其进行任意的两两配对，形成父代个体，对于每一个父代个体，进行单点交叉，交叉后的新子代个体则通过交换父代个体中交叉点后相应的元素部分来获得。对于交叉之后的个体，根据步骤（2）设定的变异概率，取出一部分个体进行变异。

（5）由模拟退火状态函数产生新个体。

本实施方式中以遗传算法作为主体流程，在步骤V中引进模拟退火机制，用以进一步调整优化群体。其基本执行过程是先随机产生初始群体，通过选择、交叉、变异等遗传操作产生一组新的个体，然后再独立通过对所产生的个体分别进行模拟退火，将其结果作为下一代群体中的个体。算法的执行过程分为两部分：首先通过遗传算法的进化操作进行全局搜索，产生一个比较优良的群体；再利用模拟退火算法的退火操作进行局部搜索，进一步优化调整基因个体。其主要流程为：对步骤III经过选择、交叉、变异后的群体模型中每一个个体进行扰动产生一个新模型X,计算相应的适应度函数值F(f(X))，得到ΔF＝F(f(X))-F(f(X₀))。若ΔF＜0，则新模型X被接受；若ΔF＞0，则新模型X按概率P＝exp(-ΔF/T)进行接受，T为温度。当模型被接受时，置X₀＝X，F＝F(X₀)-E(X)。在温度T下，重复一定次数的扰动和接收过程，缓慢降低温度T，重复以上步骤。

（6）设置最大迭代代数D_max＝1000，判断遗传代数是否达到最大迭代代数；若达到，输出最优值W_n，否则，遗传代数D＝D+1，重复步骤（4）～（7）。

本发明圆锯片的明显降噪效果经实验已经证明（参见图5-7）：

图5（a）为普通圆锯片切割石材噪声幅频响应特性图；图5（b）为本发明低噪声圆锯片切割石材噪声幅频响应特性图。如图5所示，当激励频率接近圆锯片固有频率时，幅频响应曲线中会出现典型的振幅跳跃的非线性现象，系统产生共振，从而响应幅值增大。对比分析图5（a）、图5（b）可知，经过优化后的基体开NURBS曲线槽金刚石圆锯片在2000Hz左右共振频率下的振动幅值降低了约70%，在1000Hz左右共振频率下的振动幅值降低了约30%。

图6（a）是经过遗传算法优化后的锯片结构；图6(b)为该锯片在点激励下[0～800Hz]频率段内的谐响应特征曲线。

图7（a）是本实施例引进模拟退火机制的遗传算法优化后的锯片结构；图7(b)是该锯片在点激励下[0～800Hz]频率段内的谐响应特性曲线。

可以看出，在[0～800Hz]频率段内，引入模拟退火机制的遗传算法优化后的锯片比单一遗传算法优化后的锯片相应共振频率下的振动幅值均有不同程度的降低，其最大降低相对幅值为66.7%。减振降噪效果明显，验证了引进模拟退火机制的遗传算法的可行性和功能效果。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种低噪声圆锯片,包括基体，基体的外缘分布有齿型节块，基体的中央开有安装孔，安装孔与齿型节块之间的基体周向均布开有曲线槽，其特征在于所述基体上周向均布开有的曲线槽为NURBS曲线槽，且该曲线槽为引进模拟退火机制改进的遗传算法优化设计获得的NURBS曲线槽。

2.根据权利要求1所述的低噪声圆锯片,其特征在于所述圆锯片的厚度为1～3mm；所述的曲线槽为通槽，曲线槽的开槽个数为2～8个。

3.根据权利要求1所述的低噪声圆锯片,其特征在于所述曲线槽中填充有阻尼材料。

4.一种权利要求1-3任一项所述低噪声圆锯片的制备方法，该制备方法包括以下工序：(1)基体材料的选择与制备；(2)刀头与基体之间过渡层的制备；(3)刀头制备；(4)刀头与基体的焊接；(5)依照优化设计的NURBS曲线槽对基体进行激光切槽；

在进行NURBS曲线槽优化设计时，采用引进模拟退火机制改进的遗传算法，并通过以下工艺步骤实现：

(1)确定圆锯片基体开槽形状，设置优化参数；生成种群个体，并对个体进行二进制编码，形成染色体基因；

(2)初始化模拟退火遗传算法参数；随机产生初始种群；

(3)构造适应度函数，通过有限元谐响应分析与优化算法的交互计算每个个体的适应度函数值；

(4)利用遗传算法进行优化，得到新的种群；

(5)基于模拟退火法对新的种群个体进行训练，计算适应度函数值，如符合条件，则接受新模型并输出；如不符合条件，则转到步骤(6)；

(6)设置最大迭代代数，判断遗传代数是否达到最大迭代代数；若达到，输出最优值W_n，否则，遗传代数D＝D+1，重复步骤(3)～(6)。