端盖加工工艺规程规划研究

端盖加工工艺规程规划研究

双螺杆压缩机在机械工业中被推广应用，具有较大的市场需求，故面

对市场需求的增加，需对产品加工工艺规程合理编排，在保证产品工

艺稳定性基础上提升产品产量。此问题属于机械加工过程中的加工工

艺规程规划问题。加工工艺规程规划问题直接影响零件的加工成本，

并影响零件的工艺稳定性。当前针对加工工艺规程规划问题中合理的

加工工艺序列的编制问题，已有较多人实行研究：文献［1］通过引进

了工艺约束矩阵从而实现对加工序列的合法性识别，综合考虑了降低

装夹次数与工序转换次数，并通过采用遗传算法求解此问题，得到实

用结果;文献［2］则通过建立工艺要素之间的质量相关性并以此建立

一个机床-夹具-刀具-加工方式之间的工艺系统，通过度析所有可能影

响工艺质量的分要素并研究不同质量要素之间的约束关系从而分析出

改进零件工艺质量所需的投入成本;文献［3-4］分别采用与车间资源

匹配最优和加工工序之间关联性较优的方法实行工艺加工路线的选择，取得了一定效果;文献［5］则对加工过程中刀具的空行程路径实行了

规划，采用启发式-遗传混合算法求解取得较好效果;文献［6］则通过

对叶片加工过程中的整个机床系统建立数学约束条件，对叶片各工序

加工时间实行优化从而降低了整体加工成本;文献［7-9］采用遗传算

法对加工工步的排序问题实行研究，从而降低整体加工时间或降低辅

助加工时间。但以上研究均未考虑到当前实际生产中将工序集合归并

为工位的工艺组织方式，并未考虑工位之间的加工效率平滑因素(平滑

因素即工位之间加工时间的平衡性)对实际产量的影响，而当前加工制

造业利润空间增长有限，研究高效率的加工工艺规程规划方案成为紧

迫问题。故本文的研究重点在于为零件所有加工元素所对应的工序实

行归属工位的划分，在工序划分时，需以加工工步间先后关系为约束

条件，以产生逻辑合理、工位间平衡率较高的工位划分方案为目标。

此问题与装配线平衡问题有相似的优化目标，但需考虑零件的加工工

艺约束，称此问题为工艺优化平衡问题(ProcessBalanceOpti-

mizationProblem，PBOP)。最后，对某型双螺杆压缩机的端盖零件作

为应用实例，并分析其工艺编排经济性。

1工艺优化平衡问题工艺约束的实现

文献［1］将一个被加工特征细分为多个加工内容，如将铣面划分为：粗铣、半精铣、精铣、磨削(如有较高平面度和粗糙度要求时)，再将

拆分出的细小不可分加工内容实行再次组合优化。而在实际生产过程中，针对同一被加工要素，粗/精加工往往合并连续加工而不分离，因

为针对同一加工要素的加工内容需要连续操作，方能降低机床定位轴

的往复运动从而提升加工精度(如对于同一定位销孔，能够将初钻孔，

铰孔工序紧凑安排，防止因为粗精加工分离引起机床重复定位误差导

致销孔位置度尺寸的过程控制水平不足)，节约空行时间。针对本文求

解零件模型的复杂性，包含多种类型的被加工要素，如铣面、钻孔/攻

丝组合、钻孔/铰孔组合、钻孔/镗孔组合、深长孔工步组合等，若将

所有要素的加工内容均根据加工工步实行拆分计算，将大大增加问题

的计算规模，故限制最小不可分任务为被加和工要素(即将加工要素的

粗加工工步和精加工工步合并为一个不可拆分的整体)。

明确被优化的最小任务为被加工要素之后，若要检验产生的工位划分

序列是否符合被加工要素之间的逻辑关系(即先后加工次序关系)，则

需定义约束矩阵，本文借鉴了文献［1］的约束矩阵定义方式。1．1加工工艺规程规划及数学模型如图1所示，在零件生产线中，整条生产

线划分为6个工位，每个工位包含不同的加工要素内容组合，被加工

零件在一个工位中一次装夹，完成本工位加工内容后转移到下一工位。图2所示为加工工艺约束图例，t表示要素加工时间，4→8和7→8为

虚约束，表示若要素4已被加工，则要素8可被加工且忽视要素7对8的约束。工位内部的加工要素编排以及工位之间加工要素先后顺序编

排均符合工艺约束矩阵。若将图2所包含的加工要素按图2约束放入

图1的加工生产线中，图3为一种可能的工艺序列编排方案。在图3中，因为要素4早在工位3便完成加工，故与其符合虚约束关系的要

素8可提前至工位4加工，此时已经释放要素7对要素8的约束作用。

而若未引入虚约束的概念，则要素8必须在要素4和7均完成后方可

加工，无疑减少了工艺编排的更多可能性和灵活性。在满足约束矩阵

的前提下，同时加工要素的编排要以平衡化整条生产线为目标，使得

各个工位的加工时间趋于一致而消除瓶颈，即在节拍约束确定条件下

使得生产线机床利用率最高，称此问题为工艺优化平衡问题(ProcessBalanceOptimizationProblem，PBOP)。而本文的研究目的在

于将装配线平衡理论引入工艺优化平衡领域，考虑工艺优化问题特殊

特点的基础上采用高效的装配线优化平衡方法，提升加工工艺规程规

划的平衡率。故机械加工生产线的工艺平衡规划问题数学模型类似于

单边装配线平衡问题，但相关字母的含义已根据加工工艺规程规划问

题而变化。

2工艺平衡优化问题的蚁群算法

蚁群算法的整体算法流程如图4所示，从图4中可知，解的构造为最

关键模块。本文的蚁群算法借鉴了文献［12］，但因为所求解的问题

已发生改变，需针对加工工艺规程规划的问题特征对原算法解构造模

块实行改进。分析图5所示解的构造算法流程，对于所解决的加工工

艺规程规划的问题，关键在于根据工艺约束矩阵以及数学模型的规则

筛选出可被选择的加工要素集合DS。故在算法的具体介绍中，围绕蚁

群算法引入加工工艺规程规划问题的适合性改进而展开。

2．1蚁群算法解的构建解的构建模块：如图5所示解的构建过程中，每只蚂蚁当前工位下实行加工要素的选择时，需首先生成可供直接分

配的加工要素集合DS，再从中采用蚁群综合信息搜索规则选择加工要素。解的构建主要由两个分模块组成，分别为：可供直接分配的要素

集合(DS)生成模块、蚁群综合信息要素搜索规则模块。DS生成模块：

为解决本文所引入的“或”型约束，并考虑工艺约束矩阵的限制条件，可选要素筛选过程算法构建如下：(1)首先根据工艺约束矩阵，查找当

前紧前要素均已被安排完毕的加工要素，生成初始可被分配加工要素

集合IS。对此，因为“或”型约束条件的存有，针对被判断要素j，

有多种情况：(2)在(1)基础上，进一步判断IS中加工要素，是否满足