CN113177296B - 一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，具体步骤如下：S1初始化滚齿参数原始组和滚齿参数对照组；S2实现碳排放评价以及精英滚齿参数的初次获取；S3：更新滚齿参数原始组；S4：更新滚齿参数对照组；S5：更新碳排放评价以及精英滚齿参数，S6：判断是否满足截止条件；S7：输出精英滚齿参数GearElite以及对应的最优碳排放。本发明中，滚齿中的主轴转速、进给量参数与碳排放同步改进与求解，利用精英滚齿参数不断引导滚齿参数对照组和原始组的更新迭代，不断寻找最低的碳排放，让主轴转速、进给量参数与碳排放同时达到最优状态。

Description

一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法

技术领域

本发明涉及一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，属于齿轮加工技术领域。

背景技术

国家低碳化、智能化政策给齿轮加工提出了更高的要求，在实际滚齿加工中，工艺人员建立了滚齿碳排放模型之后，难以求解该模型，人工求解加工参数耗时较高，难以完成滚齿工艺参数与碳排放的协同优化，对生产效率、碳排放降低存在重大影响。

国内对滚齿过程中的滚齿工艺参数与碳排放协同优化研究较少，所以使用一种不断进化迭代的方法去优化滚齿工艺参数，并使得碳排放值最低，从而指导滚齿加工是新颖的，目前在这方面的研究是欠缺的。

发明内容

为解决现有的技术问题，本发明提供一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，能够有效避免人工求解带来的难题，达到降低碳排放、优化滚齿工艺参数的目的。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，对已知的滚齿碳排放模型进行以最低碳排放为目标的滚齿工艺参数迭代求解，完成滚齿工艺参数与碳排放协同优化，具体步骤如下：

S1：初始化滚齿参数原始组和滚齿参数对照组，其中，

滚齿参数原始组Gear表示为{Gear₁,Gear₂,···,Gear_n}，Gear_i表示滚齿参数原始组Gear内第i个成员，1≤i≤n，i为正整数，Gear的每个成员属性为{s₁,s₂}，s₁表示主轴转速，s₂表示进给量；

滚齿参数对照组GearCP表示为{GearCP₁,GearCP₂,···,GearCP_n}，GearCP_j表示滚齿参数对照组GearCP内第j个成员，1≤j≤n，j为正整数，GearCP的每个成员属性与原始组成员属性相同，为{s₁,s₂}；

滚齿参数原始组内成员的数量与滚齿参数对照组内成员数量相等，均用n表示，n为正整数；

设定迭代最大次数为maxiter，且maxiter为正整数，计数变量t初始值为0，s₁的取值最小值为UC1，s₁的取值最大值为LD1，s₂的取值最小值为UC2，s₂的取值最大值为LD2，UC1、LD1、UC2和LD2均为正实数；

S2：实现碳排放评价以及精英滚齿参数的初次获取，将已知的滚齿碳排放模型作为评价函数CE，计算滚齿参数对照组GearCP内成员对应的碳排放，选择滚齿参数对照组GearCP内碳排放值最小的成员作为精英滚齿参数GearElite；

S3：更新滚齿参数原始组；

S4：更新滚齿参数对照组；

S5：更新碳排放评价以及精英滚齿参数，搜索滚齿参数对照组GearCP中的碳排放最小值，如果小于当前GearElite，则将该碳排放最小值对应的滚齿参数对照组GearCP赋值给GearElite，覆盖原先的GearElite；

S6：如果t≥maxiter，转至S7；否则，转至S3；

S7：输出精英滚齿参数GearElite以及对应的最优碳排放。

优选地，所述S3的具体步骤如下：

S3-1：滚齿参数原始组Gear内成员采用轮盘赌的方法选择滚齿参数对照组GearCP内成员，且GearCP每位成员只能被选中一次，保证一一对应的关系；

S3-2：逐渐变换取值范围，使用公式(1)和(2)更新Gear成员的取值最小值c和取值最大值d；

其中，c^t、c^t-1分别是第t和t-1次迭代时取值最小值，d^t、d^t-1分别是第t和t-1次迭代时取值最大值，c⁰＝(UC1,UC2)，d⁰＝(LD1,LD2)，I是比率，公式如(3)所示：

滚齿参数原始组Gear内成员取值范围会受到与之对应的滚齿参数对照组GearCP内成员的影响，则滚齿参数原始组Gear内成员取值范围计算如公式(4)和(5)所示：

其中，c_i ^t表示第t代Gear内第i个成员取值最小值，

表示第t代Gear内第i个成员取值最大值，GearCP_j ^t表示第t代Gear内第i个成员对应的滚齿参数对照组成员；

S3-3：采用公式(6)进行Gear成员在取值范围内的随机变换；

其中，X_i ^t是第t代Gear第i个成员在取值范围内随机变换函数，consume表示累计和函数，e_k表示0和1之间的随机数，1≤k≤maxiter，k为正整数，r(e_k)如公式(7)所示：

采用公式(8)做标准化处理，a_i表示

的最小值，b_i表示

的最大值；

S3-4：更新第t代滚齿参数原始组Gear成员，如公式(9)所示：

其中，RG_i ^t是第t次迭代时Gear成员围绕对应的GearCP成员的随机变换，即采用公式(1)-(8)计算出来的X_i ^t；RE_i ^t是第t次迭代时围绕GearElite的随机变换，采用公式(1)-(8)计算得到，其中，将公式(4)和(5)中的GearCP_j ^t替换为GearElite，Gear_i ^t表示第t代第i个滚齿参数原始组成员。

优选地，所述S4的具体步骤如下：如果滚齿参数原始组Gear成员碳排放比对应的滚齿参数对照组GearCP成员小，则用该滚齿参数原始组Gear成员替换对应的滚齿参数对照组GearCP成员，公式如(10)所示：

有益效果：本发明提供一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，具有如下优点：滚齿中的主轴转速、进给量参数与碳排放同步改进与求解，利用精英滚齿参数不断引导滚齿参数对照组和原始组的更新迭代，不断寻找最低的碳排放，让主轴转速、进给量参数与碳排放同时达到最优状态。

附图说明

图1为本发明的滚齿工艺参数与碳排放协同优化流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，对已知的滚齿碳排放模型进行以最低碳排放为目标的滚齿工艺参数迭代求解，完成滚齿工艺参数与碳排放协同优化，具体步骤如下：

S1：初始化滚齿参数原始组和滚齿参数对照组，其中，

滚齿参数原始组Gear表示为{Gear₁,Gear₂,···,Gear_n}，Gear_i表示滚齿参数原始组Gear内第i个成员，1≤i≤n，i为正整数，Gear的每个成员属性为{s₁,s₂}，s₁表示主轴转速，s₂表示进给量；

滚齿参数对照组GearCP表示为{GearCP₁,GearCP₂,···,GearCP_n}，GearCP_j表示滚齿参数对照组GearCP内第j个成员，1≤j≤n，j为正整数，GearCP的每个成员属性与原始组成员属性相同，为{s₁,s₂}；

滚齿参数原始组内成员的数量与滚齿参数对照组内成员数量相等，均用n表示，n为正整数；

设定迭代最大次数为maxiter，且maxiter为正整数，计数变量t初始值为0，s₁的取值最小值为UC1，s₁的取值最大值为LD1，s₂的取值最小值为UC2，s₂的取值最大值为LD2，UC1、LD1、UC2和LD2均为正实数；

S2：实现碳排放评价以及精英滚齿参数的初次获取，将已知的滚齿碳排放模型作为评价函数CE，计算滚齿参数对照组GearCP内成员对应的碳排放，选择滚齿参数对照组GearCP内碳排放值最小的成员作为精英滚齿参数GearElite；

S3：更新滚齿参数原始组；

S4：更新滚齿参数对照组；

S5：更新碳排放评价以及精英滚齿参数，搜索滚齿参数对照组GearCP中的碳排放最小值，如果小于当前GearElite，则将该碳排放最小值对应的滚齿参数对照组GearCP赋值给GearElite，覆盖原先的GearElite；

S6：如果t≥maxiter，转至S7；否则，转至S3；

S7：输出精英滚齿参数GearElite以及对应的最优碳排放。

优选地，所述S3的具体步骤如下：

S3-1：滚齿参数原始组Gear内成员采用轮盘赌的方法选择滚齿参数对照组GearCP内成员，且GearCP每位成员只能被选中一次，保证一一对应的关系；

S3-2：逐渐变换取值范围，使用公式(1)和(2)更新Gear成员的取值最小值c和取值最大值d；

其中，c^t、c^t-1分别是第t和t-1次迭代时取值最小值，d^t、d^t-1分别是第t和t-1次迭代时取值最大值，c⁰＝(UC1,UC2)，d⁰＝(LD1,LD2)，I是比率，公式如(3)所示：

滚齿参数原始组Gear内成员取值范围会受到与之对应的滚齿参数对照组GearCP内成员的影响，则滚齿参数原始组Gear内成员取值范围计算如公式(4)和(5)所示：

其中，c_i ^t表示第t代Gear内第i个成员取值最小值，

表示第t代Gear内第i个成员取值最大值，GearCP_j ^t表示第t代Gear内第i个成员对应的滚齿参数对照组成员；

S3-3：采用公式(6)进行Gear成员在取值范围内的随机变换；

其中，X_i ^t是第t代Gear第i个成员在取值范围内随机变换函数，consume表示累计和函数，e_k表示0和1之间的随机数，1≤k≤maxiter，k为正整数，r(e_k)如公式(7)所示：

采用公式(8)做标准化处理，a_i表示

的最小值，b_i表示

的最大值；

S3-4：更新第t代滚齿参数原始组Gear成员，如公式(9)所示：

其中，RG_i ^t是第t次迭代时Gear成员围绕对应的GearCP成员的随机变换，即采用公式(1)-(8)计算出来的X_i ^t；RE_i ^t是第t次迭代时围绕GearElite的随机变换，采用公式(1)-(8)计算得到，其中，将公式(4)和(5)中的GearCP_j ^t替换为GearElite，Gear_i ^t表示第t代第i个滚齿参数原始组成员。

优选地，所述S4的具体步骤如下：如果滚齿参数原始组Gear成员碳排放比对应的滚齿参数对照组GearCP成员小，则用该滚齿参数原始组Gear成员替换对应的滚齿参数对照组GearCP成员，公式如(10)所示：

实施例1：

一次走刀的某次滚齿加工，主轴转速s₁单位为r/min，进给量s₂单位为mm/r，已知该次滚齿加工的碳排放模型如式(11)所示：

根据本发明的具体步骤进行滚齿工艺参数与碳排放协同优化，UC1＝351.5r/min、LD1＝388.5r/min、UC2＝1.66mm/r、LD2＝1.83mm/r、刀尖半径r_a＝0.4mm、粗糙度阈值[Ra]＝3.2μm，切入行程d_in＝24.846mm，齿宽d_w＝13mm，切出行程d_out＝4.861mm，齿轮齿数z₁＝41，滚刀头数z₀＝1，切削时间阈值[time]＝2s，最大迭代次数设置为100。得到滚齿工艺参数{388.5r/min,1.83mm/r}，切削碳排放为0.0303kgCO₂。

从结果数据可知，本发明所提方法在处理滚齿工艺参数与碳排放协同优化问题时可以获得很好的解决方案，具有很好的可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，其特征在于，对已知的滚齿碳排放模型进行以最低碳排放为目标的滚齿工艺参数迭代求解，完成滚齿工艺参数与碳排放协同优化，具体步骤如下：

S1：初始化滚齿参数原始组和滚齿参数对照组，其中，

滚齿参数原始组Gear表示为{Gear₁,Gear₂,···,Gear_n}，Gear_i表示滚齿参数原始组Gear内第i个成员，1≤i≤n，i为正整数，Gear的每个成员属性为{s₁,s₂}，s₁表示主轴转速，s₂表示进给量；

滚齿参数对照组GearCP表示为{GearCP₁,GearCP₂,···,GearCP_n}，GearCP_j表示滚齿参数对照组GearCP内第j个成员，1≤j≤n，j为正整数，GearCP的每个成员属性与原始组成员属性相同，为{s₁,s₂}；

滚齿参数原始组内成员的数量与滚齿参数对照组内成员数量相等，均用n表示，n为正整数；

设定迭代最大次数为maxiter，且maxiter为正整数，计数变量t初始值为0，s₁的取值最小值为UC1，s₁的取值最大值为LD1，s₂的取值最小值为UC2，s₂的取值最大值为LD2，UC1、LD1、UC2和LD2均为正实数；

S2：实现碳排放评价以及精英滚齿参数的初次获取，将已知的滚齿碳排放模型作为评价函数CE，计算滚齿参数对照组GearCP内成员对应的碳排放，选择滚齿参数对照组GearCP内碳排放值最小的成员作为精英滚齿参数GearElite，其中，

已知的滚齿碳排放模型如式(11)所示：

式中，s₁为主轴转速；s₂为进给量；UC1、LD1、UC2和LD2均为正实数；r_a为刀尖半径；Ra为粗糙度阈值；d_in为切入行程；d_w为齿宽；d_out为切出行程；z₁为齿轮齿数；z₀为滚刀头数；time为切削时间阈值；

S3：更新滚齿参数原始组；

S4：更新滚齿参数对照组；

S5：更新碳排放评价以及精英滚齿参数，搜索滚齿参数对照组GearCP中的碳排放最小值，如果小于当前GearElite，则将该碳排放最小值对应的滚齿参数对照组GearCP赋值给GearElite，覆盖原先的GearElite；

S6：如果t≥maxiter，转至S7；否则，转至S3；

S7：输出精英滚齿参数GearElite以及对应的最优碳排放。

2.根据权利要求1所述的一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，其特征在于，所述S3的具体步骤如下：

S3-1：滚齿参数原始组Gear内成员采用轮盘赌的方法选择滚齿参数对照组GearCP内成员，且GearCP每位成员只能被选中一次，保证一一对应的关系；

S3-2：逐渐变换取值范围，使用公式(1)和(2)更新Gear成员的取值最小值c和取值最大值d；

其中，c^t、c^t-1分别是第t和t-1次迭代时取值最小值，d^t、d^t-1分别是第t和t-1次迭代时取值最大值，c⁰＝(UC1,UC2)，d⁰＝(LD1,LD2)，I是比率，公式如(3)所示：

滚齿参数原始组Gear内成员取值范围会受到与之对应的滚齿参数对照组GearCP内成员的影响，则滚齿参数原始组Gear内成员取值范围计算如公式(4)和(5)所示：

其中，c_i ^t表示第t代Gear内第i个成员取值最小值，

表示第t代Gear内第i个成员取值最大值，GearCP_j ^t表示第t代Gear内第i个成员对应的滚齿参数对照组成员；

S3-3：采用公式(6)进行Gear成员在取值范围内的随机变换；

其中，X_i ^t是第t代Gear第i个成员在取值范围内随机变换函数，consume表示累计和函数，e_k表示0和1之间的随机数，1≤k≤maxiter，k为正整数，r(e_k)如公式(7)所示：

采用公式(8)做标准化处理，a_i表示

的最小值，b_i表示

的最大值；

S3-4：更新第t代滚齿参数原始组Gear成员，如公式(9)所示：

其中，RG_i ^t是第t次迭代时Gear成员围绕对应的GearCP成员的随机变换，即采用公式(1)-(8)计算出来的X_i ^t；RE_i ^t是第t次迭代时围绕GearElite的随机变换，采用公式(1)-(8)计算得到，其中，将公式(4)和(5)中的GearCP_j ^t替换为GearElite，Gear_i ^t表示第t代第i个滚齿参数原始组成员。

3.根据权利要求2所述的一种滚齿工艺参数与碳排放协同优化方法，其特征在于，所述S4的具体步骤如下：如果滚齿参数原始组Gear成员碳排放比对应的滚齿参数对照组GearCP成员小，则用该滚齿参数原始组Gear成员替换对应的滚齿参数对照组GearCP成员，公式如(10)所示：

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