设计与研究Ｄｅｓ－ｇｎ（，ｎｄＲｅ。ｅ　ｈ　

智能化的切削参数优化系统设计　

毛新华①黄婷婷②　

（①河南科技学院，河南新乡４５３００３；　

②河北农业大学机电工程学院，河北保定０７１０００）　

摘要：针对切削参数选择的优化问题，根据冗余思想，提出了可进化的数学模型和可进化的切削参数数据　库两种方法相结合的优化方法，通过建立切削参数优化评价机制，使得到的优化数据比原来单一优　

化行为得到的数据更精准，从理论上和实践上都印证了优化结果的可行性，系统引入用户评价模块，　使得优化的数据更反映用户思想，给用户选择参数带来了便利，也使得机床的加工效率大为提高。　

关键词：切削参数智能可进化数据库　

Ｄｅｓｉｇｎ　Ａｎ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　Ｏｐｔｉｍｉｚｅ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ＭＡＯ　Ｘｉｎｈｕａ①，ＨＵＡＮＧ　Ｔｉｎｇｔｉｎｇ②　

（①Ｈｅｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｘｉｎｘｉａｎｇ　４５３００３，ＣＨＮ；　②Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｅｂｅｉ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７　１　０００，ＣＨＮ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｂｙ　ｔｈｅ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｔｈｏｕｇｈｔｓ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｕｔ　

ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｄａｔａｂａｓｅ　ｔｈａｔ　ｂｏｔｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｖｏｌｖｅｄ．Ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐａ—　ｒａｍｅｔｅｒｓ，ｆｉｎａｌ　ｄａｔａｓ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｍｏｒｅ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｔｈａｎ　ｓｉｎｇｌｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｄａｔａｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ｔｅｓｔｉｆｉｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅｒｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃ—　ｒｉｓｅ　ｔｈａｔ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｄａｔａｓ　ａｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Ａ　ｕｓｅｒｓ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．．Ｉｔ　ｍａｋｅｓ　ｏｐｔｉ—　ｍｉｚｅｄ　ｄａｔａｓ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ　ｕｓｅｒｓ、ｏｐｉｎｉｏｎ，ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｓｅｌｅｃｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｕｓｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　

ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ；Ｅｖｏｌｖａｂｌｅ；Ｄａｔａｂａｓｅ　

切削参数的选择和优化一直是困扰智能制造技术　

提升的一个难题。切削参数的合理选择不仅能够提高　

加工工件的表面质量，还能提高加工效率。目前其有　

关研究方法主要有三种：一是数值计算法，即通过建立　切削参数优化数学模型，采用多目标优化方法，通过数　

值计算获得最优解。但影响切削参数的因素很多，并　

且是非线性的、多目标的，建立起的数学模型误差大，　而且计算繁杂，不易求解，甚至求解出来的参数和实际　

差距很大；另一种是经验法，即根据熟练操作工人积累　

的经验和手册上的数据。此方法实际应用较多，但工　人一般都选择保守的参数值，不仅生产效率低下还受　

熟练工人经验、资料繁杂等所限；第三种是试验法，即　

通过对某一个机床和切削工件进行切削实验，利用正　交试验法（或其它方法）分析研究切削参数，以获得合　理的切削参数。此方法获得的切削参数虽然较为容易　

和可靠，但是不同的机床强度等因素各异，不同材质、　

不同构型的工件需要的切削参数也是不一样的，所以　其通用性不强，无法大规模推广使用¨　。　

本文根据冗余思想将数学模型方法和经验方法相　结合，并且充分发挥各自优点。利用模糊推理法则，合　

理设计出切削参数优化评价机制，建立智能的切削参　

数选择系统，进而最大限度的优化切削参数，为实现高　

效高精切削加工提供参考依据。　

１　智能切削参数优化系统设计　

１．１系统功能设计　

开发本系统的主要目的就是将数学模型优化方法　

和工人多年的好的实际经验、手册中的数据等整合在　

一起，利用计算机技术和数据库技术开发一个具有可　

进化性、可记忆性的智能切削参数优化系统。依据系　统开发目的，设计其功能模型如图１所示。　

１．２系统工作原理　

智能化的切削参数优化系统主要从３个不同方面　

按照各自方法来优化参数。依据冗余技术思想，实现　

等等　…ｕ　ｑ

　参数优化结果的精准。一是数学模型方法，即按照初　

始信息建立目标函数和约束条件，寻求生产率、加工成　本、工件质量等多目标优化的方法；二是建立切削参数　

数据库，把工人的好的实际经验、手册资料数据和经过　本系统优化得到的用户满意的切削参数植入数据库，　通过初始信息匹配机制优化切削参数；三是经过本系　

统优化如果得到的参数用户觉得不合理，植入非优切　削参数数据库，以保证本系统优化不会出现同样的错　误。三种方法的优化的结果再按照一定的切削参数优　

化评价机制来实现最终的优化（图２）。　

图１智能切削参数优化系统功能模型　

图２优化系统工作原理图　

２系统的实现　

２．１可进化的数学模型优化　（１）约束条件影响切削参数的因素有很多，但　

主要有机床信息、刀具信息、工件信息、夹具信息、工艺　信息等，这些因素可作为切削参数优化的约束条件。　（２）目标函数和多目标优化一般来说可把加工　

时间ｔ、加工成本ｃ、表面加工质量ｒ等作为优化的目标　

２Ｏ　ｌＯ￣÷４　ｉ；　Ｄｅｓ＿ｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｆｃｈ设计与研究　

函数。在生产制造中，我们追求的是短的加工时间、低　的加工成本和合理的表面加工质量。因此要满足这些　要求就必须按照公式（１）实行多目标优化　Ｊ。　

Ｆ（　）＝｛ｔ（　），ｃ（　），ｒ（　）｝　（１）　

＝（　，０　，　）　（２）　ｔ（　）＝ｔ　＋ｆ　ｔ　／Ｔ＋ｔ０　（３）　

ｃ（　）＝ｔｍｃｏ＋ｔｏｔ　ｃ０／Ｔ＋ｔｍ￣１／Ｔ＋ｔｏｃ０　（４）　ｒ（　）≤Ｒ…　（５）　式中：Ｆ（　）为多目标函数；优化因子　、ｏ。、　分别为每　齿进给量、切削深度、主轴转速；ｔ　为切削时间；ｔ　为换　

刀时间；ｔ。为工序辅助时间；Ｔ为刀具耐用度；Ｃ。为单　

位时间生产成本；ｃ　为刀具成本。　（３）数学模型进化　是系统适应加工环境的体　现，它是个阶段性的变化而非连续性的变化。其进化　方法可通过添加修正系数或者罚函数的方法来使得数　学模型更为精准，更能满足要求，其原理如图３ｌ５　Ｊ。　

图３数学模型进化原理　

２．２可进化的切削参数数据库　

（１）数据关系和数据匹配切削参数数据库主要　包含切削参数数据表（进给速度、切削深度、主轴转速　等）、加工环境信息表（机床信息、刀具信息、工件信　息、工艺信息）、用户评价信息表等，其数据之间对应　关系如图４所示。该数据库植入的数据都是经过实践　检验可用的，或者是资料手册数据，或者是经过本系统　优化并且是用户满意的。因此数据库的参数信息都是　合理的、可用的。。　。　

对应关系　进给速度　一　切　合理　加　削　工　切削深度卜一　参　一般　环　主轴转速卜一　数　境　不合理　

图４数据关系模型　

当采用切削数据库方法优化参数时，所给的初始　

加工环境信息将与数据库环境信息表相匹配，可得到　

・４９　・

　设计与研究Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

对应的切削参数信息。因为切削参数库中的数据都是　

合理的，因此匹配的结果也应该是合理的、可用的。　（２）数据库进化切削参数数据库的进化主要来　

源有两方面：一是新的知识和经验的积累，如特殊环境　中的经验或者实验方法得到的切削参数，或者是新的　设备提供的新的资料；二是经过本系统优化得到的并　

被用户或专家认可的切削参数。两者都能保证数据库　能够不断得到更新和进化。　２．３切削参数优智能化机制（图５）　

利用模糊控制理论来优化三种切削参数信息。切　削参数信息表１为数学模型优化方法得到的数据，切　削参数信息表２为基于经验、知识和本系统优化并得　

到用户满意的数据。优化机制模糊推理规则为：如果　表１与表２数据相似，则优化参数为合理参数，否则优　

化失败。如果输出参数与不合理参数数据表不相似，　则优化成功，否则优化失败　。　

图５切削参数智能优化机制模型　２．４切削参数评价系统　

经过优化的切削参数只有经过加工实践的检验并　得到用户或者专家的认可，才是合理的参数，并且将这　

一合理参数植入切削参数数据库。切削参数评价系统　标准为合理、一般、不合理三种情况。用户根据自己的　

使用情况作出评价，系统会根据评价结果自动处理该　参数。如果合理或是一般可用的，则植入切削参数数　据库，否则植入非优切削参数数据库　］。　

３设计实例　

以Ｖｉｓｕａｌ　ｃ＋＋６．０语言和ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ２００５数据库　为开发平台，开发设计出了智能参数优化系统软件。　

实验采用某公司生产的ＸＤ－４０数控铣床为实验机床，　选择直径为１２　ｍｍ的整体立式钨钢立铣刀，加工对象　的材质为４５钢、槽状工件。依据公式１～５、图４数据　

・　５０　・　关系匹配原理和图１智能优化原理可分别计算或匹配　

出切削参数的值，其结果见表１。从表１可知，单一的　数学模型方法不能够保证所计算的参数一定合理；单　

一的数据库优化方法虽然能满足加工要求，但是会造　成加工时间长、机床利用率低下等情况；利用智能优化　方法可保证优化结果的可行性，同时相对数据库方法　

又极大缩短了加工时间、提高了加工效率。　表１三种切削参数选择结果　

每齿　切削深度　主轴转速　表面　优化方法　进给量　粗糙度　加工时　ｎ　／ｍｍ　／（ｍ／ｍｉｎ）　Ｔ／ｓ　｛　／ｍｍ　Ｒ。／Ｉｚｍ　

数学模型方法　０．８４　ｌ２　９０　Ｉ＞３．２　１６８　数据库方法　０．４８　３　７５　≤３．２　６５４　智能优化方法　０．７２　６　９５　≤３．２　２６５　

４　结语　

利用冗余思想，通过数学模型方法和切削数据库　方法来优化切削参数，不仅从理论上保证优化得到的　切削参数合理、正确，还从实践上证明了优化结果的可　

行性。通过对数学模型的修正和切削数据库数据的不　断更新，实现了智能优化系统的可进化性。引入用户　

评价系统，不仅使更新的数据反映了用户的思想，也从　根本上避免了优化的不合理的数据两次出现。该系统　经过试用，使用户对切削参数的选择变得更为容易，所　

选的参数也合理、可用，极大提高了机床的加工效率。　参考文献　［１］白璃，曹岩杨，小斐．基于实例推理的发动机叶片切削参数数据库系　统［Ｊ］．机械设计与制造，２００８（１１）：１９５—１９７，　［２］王华侨，张颖，孙焕军．提高数控加工效率与潜能的关键技术应用研　究［Ｊ］．金属加工（冷加工），２００８（１２）：６５—６８．　［３］孙剑飞，周威，陈五一．基于特征的可进化切削数据库的设计［Ｊ］．中　国制造业信息化，２００８，３７（３）：３６—３９．　［４］周炜，陶华，高晓兵．切削参数智能优选数据库应用研究［Ｊ］．航空制　造技术，２００９（１８）：７８—８１．　［５］宋志坤，赵永立．数控雕铣加工铝合金材料进给速度的优化与实验　验证［Ｊ］．北京交通大学学报，２００９，３３（１）：５９—６１．　［６］陈志同，陈五一，林东．优化型切削参数数据库的数据结构［Ｊ］．计算　机集成制造系统，２００７，１３（１　１）：２１８４—２１８８．　［７］高彦军，陈五一．切削参数评价系统的构建［Ｊ］．工具技术，２００９，４３　（１）：６３－６６．　［８］李建勇．机电一体化技术［Ｍ］．北京：科学技术出版社，２００４：２９２—　３０４．　第一作者：毛新华，男，１９７６年生，讲师，硕士，主　要从事计算机辅助设计、机电一体化方向研究。　（编辑周富荣）　（收修改稿日期：２００９—１０～１ｏ）　

文章编号：１０４１６　。　如果您想发表对本文的看法．请将文章编号填入读者意见调查表中的相应自　置　

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