面向能效的多工步數(shù)控銑削工藝參數(shù)多目標優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機械加工領(lǐng)域，具體設(shè)及數(shù)控加工中與能量效率和加工成本相關(guān)的工 藝參數(shù)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代數(shù)控加工往往采用多工步的加工方式，工藝參數(shù)和工步數(shù)量對加工效率和加 工成本有著重要的影響，一些學(xué)者在多工步數(shù)控加工效率和加工成本等方面做了相關(guān)研 究，得到了相應(yīng)的工藝參數(shù)和工步數(shù)優(yōu)化選擇方法。然而，隨著機床能耗問題日益受到關(guān) 注，如何對多工步加工過程中的工藝參數(shù)進行能效優(yōu)化，是綠色制造背景下一個迫切需要 解決的問題。
[0003] 關(guān)于能耗問題的研究主要集中在通過實驗揭示工藝參數(shù)與能耗關(guān)聯(lián)關(guān)系方面。在 上述研究的基礎(chǔ)上，開始出現(xiàn)了建立工藝參數(shù)與能耗的實驗?zāi)Ｐ秃凸に噮?shù)優(yōu)化選擇問題 研究。
[0004] 但由于上述研究大多從實驗研究揭示工藝參數(shù)與能耗規(guī)律或者從實驗擬合建模 優(yōu)化著手，未考慮工藝參數(shù)和工步數(shù)對能耗的影響，也缺乏系統(tǒng)的關(guān)于多工步加工過程的 能耗特性分析和綜合考慮傳統(tǒng)優(yōu)化目標與能效目標的工藝優(yōu)化模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決銳削加工中，由于加工工藝參數(shù)的選擇不當而造成的能耗和 成本高的問題。
[0006] 多工步數(shù)控銳削加工過程能量構(gòu)成特性分析如下：
[0007] 數(shù)控銳削加工系統(tǒng)是一個W數(shù)控銳床為主體的實施機械加工的系統(tǒng)，其功能部件 繁多，能量消耗規(guī)律復(fù)雜。在機床上電啟動時，數(shù)控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、顯示器等設(shè)備的相繼或 同時啟動需要消耗一部分能量，并且，該些設(shè)備耗能將在整個加工過程中持續(xù)存在；在切削 加工前，機床一般需要待機一段時間，用W調(diào)整加工程序和工件、刀具、夾具位置。在切削加 工階段，不僅有直接用于去除材料的切削能耗，輔助系統(tǒng)能耗也伴隨其中；同時，空載能耗 也隨機床主軸轉(zhuǎn)速和進給速度動態(tài)變化，并在整個切削過程中持續(xù)存在；再者，在切削負載 的作用下，會產(chǎn)生與切削功率成二次函數(shù)關(guān)系的附加載荷損耗?？梢姡瑪?shù)控銳削加工系統(tǒng)能 量流構(gòu)成復(fù)雜，下面將結(jié)合某多工步數(shù)控銳削加工過程的能耗構(gòu)成特性曲線（圖1)作詳 細闡述。
[0008] 數(shù)控銳削加工系統(tǒng)啟動和待機能耗；
[0009] 數(shù)控機床接通電源后，數(shù)控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、顯示器等設(shè)備相繼或同時啟動，其間 (設(shè)啟動耗時為t,)會消耗一部分能量，即機床啟動能耗氏，該部分能量一般是固定的，由機 床本身性能決定。
[0010] 當機床啟動后，處于待機狀態(tài)（圖1中功率曲線穩(wěn)定部分），用W調(diào)整加工程序， 調(diào)整工件、夾具位置等，機床待機能耗E，與運轉(zhuǎn)設(shè)備總功率P，（即機床運行所必須的最低功 率，持續(xù)存在于機床的整個運行過程中）和開機后總運行時間t，（啟動時間除外）有關(guān)，即
[0011]
(1)
[0012] 數(shù)控銳削加工系統(tǒng)空載能耗：
[0013] 空載能耗（即非載荷損耗）主要由機床電機、變頻伺服系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)引起的 損耗組成，它貫穿于整個切削加工過程中。由于數(shù)控機床主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)均采用獨立 電機驅(qū)動，因此，需要對各個部分進行單獨分析。主軸系統(tǒng)空載功率巧與主軸轉(zhuǎn)速n、進給 系統(tǒng)空載功率心與進給電機角速度《成二次函數(shù)關(guān)系，即；
[0016] 其中，為各進給軸角速度分量，《 = 2 31f/化OuL)，L為滾珠絲杠螺距，U為絲 杠螺旋線數(shù)，q、a。、ai、32,VVb2是相應(yīng)系數(shù)。因此，機床空載功率可表示為：
[0017] 戶u=C+皆 (4)
[0018] 忽略數(shù)控加工過程中短暫的無切削空載時間，多工步數(shù)控銳削加工空載能耗化 為多步粗加工時系統(tǒng)空載能耗Eut和精加工時系統(tǒng)空載能耗Euf之和（圖1為3步粗加工和 1步精加工），即
[0019]
(5)
[0020] 式中，Pu濟Puf為粗、精加工功率；巧化f為每步粗、精銳時間。
[0021] 數(shù)控銳削加工系統(tǒng)切削能耗：
[0022] 切削能耗Ec是指直接用于去除工件材料所消耗的那一部分能量，即有用能量，其 數(shù)學(xué)表達式為，P。為切削功率，可進一步表示為
[0023]
[0024] 式中，F(xiàn)。表示切削力，V。表示切削速度，V。= 31Dn/1000。CF為與工件材料和切削 條件有關(guān)的主切削力影響系數(shù)，3。^,、3。、0、11分別背吃刀量、每齒進給量、銳削寬度、銳刀直 徑和主軸轉(zhuǎn)速，Xp、yp、邸、qp、Wp分別為背吃刀量、每齒進給量、銳削寬度、銳刀直徑、主軸轉(zhuǎn) 速的切削力影響指數(shù)。
[00巧]在多工步銳削加工過程中，切削時間t?？杀硎緸椋?br>[0026]
( 7)
[0027] 式中，（m-1)為粗銳工步數(shù)，
Gint[?]為向上取整，A為總加工余量，和胃1分別為粗、精銳最大背吃刀量，a；；,,。-。 和。分別為粗、精銳最小背吃刀量；1濟1汾別為每步粗、精銳走刀長度，n嘴nf分別為 粗、精銳主軸轉(zhuǎn)速，/；和//分別為粗、精銳每齒進給量，Zf和Zf分別為粗、精銳銳刀齒數(shù)。 [002引 因此，多工步銳削加工切削能耗Ec為：
[0029]
[0030] 數(shù)控銳削加工系統(tǒng)附加載荷損耗：
[0031] 附加載荷損耗是指機床主傳動系統(tǒng)由于載荷（切削功率）而產(chǎn)生的附加損耗，附 加載荷損耗功率P。與切削功率P。之間呈二次函數(shù)關(guān)系，即；
[0032]
(9)
[0033] 式中，C。和C1為相關(guān)系數(shù)。
[0034] 在多工步數(shù)控銳削過程中，附加載荷損耗Ea可表示為：
[0035]
(10)
[003引 巧和皆為粗、精加工附加載荷能耗，兮和兮為附加載荷損耗功率。
[0037] 數(shù)控銳削加工系統(tǒng)換刀能耗：
[0038] 在多工步銳削加工過程中，當銳刀達到磨純標準或者由粗加工狀態(tài)轉(zhuǎn)換為精加工 狀態(tài)時，需要更換刀具，其間機床所消耗的能量即為換刀能耗。
[0039] (1)當切削刀具達到磨純標準時，需要將磨純刀具從機床主軸拆下，更換為新的刀 具，并進行對刀等一系列操作，此過程機床處于待機狀態(tài)。更換磨純刀具的換刀能耗主要考 慮一次換刀能耗在本次加工過程內(nèi)的分攤，因此，此部分換刀能耗Etti可表示為：
[0040]
〇 1)
[00川式中，
Ittti為分攤換刀時間，tmt為一次更換磨 純刀具所需時間，Tf和Tf分別為粗、精銳刀具實際壽命，WT(刀具壽命）統(tǒng)一表示，
，Cv、Kv、XV、yv、Sv、Qv、Pv、1為與刀具和工件材料有關(guān)的相應(yīng)系數(shù)，D 為刀具直徑，Z為刀具齒數(shù)。
[0042] (2)當由粗加工狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫庸r（如圖1所示），數(shù)控機床自動換刀（若無此 功能，則忽略），其換刀能耗Eet2和換刀時間t近似為固定常數(shù)（忽略由于刀具在刀庫中 所處位置的差異而引起的微弱時間變化）。因此，換刀能耗E。,可表示為：
[004引 E"=E"1 巧"2 (。）
[0044] 數(shù)控銳削加工系統(tǒng)其他輔助能耗：
[0045] 輔助能耗是指機床潤滑累電機、液壓油累電機、風(fēng)扇、照明燈等輔助設(shè)備所消耗的 能量。需要指出的是，機床潤滑累電機、液壓油累電機、風(fēng)扇、照明燈、數(shù)控系統(tǒng)等設(shè)備在機 床開機時已經(jīng)啟動，伴隨著機床整個運行過程；冷卻液（若為干式切削，則無）、排屑電機等 設(shè)備只在切削加工時啟動，其運行時間等于切削時間t。，設(shè)各輔助設(shè)備功率為Pi.，則輔 助系統(tǒng)能耗6。"可表示為：
[004引
（13.)
[0047] 在數(shù)控銳削加工過程中，當機床處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，為便于計算，各部分能耗可 表示為相應(yīng)功率與時間的乘積。
[0048] 因此，基于上述討論，多工步數(shù)控銳削加工過程總能耗EtMd可表示為：
[0049]
[0050] 在銳削加工過程中，對于確定的加工余量，主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進給量f；、背吃刀量 a。、銳削寬度a。和工步數(shù)m的不同對加工能耗和加