削能耗模型的加工参数优化方法，包括以下步骤：
[0069] 1)分析铣削、车削和钻削过程中能耗特性，建立上述三种加工方式的通用切削能 耗模型：
[0070] 如图2所示，数控机床加工过程的功率曲线反映了机床在不同的加工阶段的能耗 变化。当机床处于待机状态时，由于机床的功率趋于稳定，功率值基本保持不变，因此可以 认为机床的待机功率为固定值。机床从待机状态开始快速进给已达到指定的加工位置，此 时主轴还未开始转动，由于机床的进给轴的快速进给运动，机床功率会产生较大的脉冲。此 后，机床主轴开始转动，主轴突然转动会产生功率脉冲，随后当主轴达到指定转速后，数控 机床处于空转运行状态，此时因主轴转动引起的功率变化的大小与主轴的转速有关。切削 液系统开始工作后，功率发生一定的变化并趋于稳定，故切削液系统工作引起的功率的变 化可以视为固定值。当机床进入空切削阶段时，进给轴的进给运动会引起机床功率的变化， 由于进给系统的伺服电机的功率较低，因而在机床的空切削阶段机床功率的变化并不明 显。机床在切削过程中，刀具切削工件时会引起主轴切削力的变化，增加主轴电机的负载， 功率曲线此时的突出比较明显。机床加工结束后，回到待机状态。从机床功率曲线的分析 可以看出机床在切削阶段的能耗基本有待机能耗、主轴空转能耗、切削液系统能耗、进给系 统能耗和切削加工引起的能耗变化五部分组成。
[0071] 机床切削过程中的能耗可以分为两部分，一部分为固定能耗，另一部分随机床切 削状况的变化而变化，满足如下关系式
[0072] P = Pldle+k · MRR (9-1)
[0073] 式中：MRR--机床加工材料去除率，
[0074] P--切削过程中的功率，
[0075] Pldle--空转功率，
[0076] k一一与切削参数和机床类型有关的经验参数。
[0077] Gutowski等人认为机床加工过程中随材料去除率变化的功率均与材料去除率成 正比关系，即k为常数。然而实际的切削加工表明，k并非为常数，它与切削参数和机床类 型有关，其关系如下。
[0078] (9-2)
[0079] 式中：B0、B1--与机床类型有关的参数。
[0080] 由图2可知，进行切削之前机床空转功率Pldle由待机功率、主轴空转功率以及切削 液消耗功率组成，计算公式如下：
[0081] Pidle= P Standby+Pspindle+Pfluid (9~3)
[0082] 式中：Pldle--空转功率，
[0083] Pstandby--机床待机功率，
[0084] Pspindle一一主轴空转功率，
[0085] Pfiuid--切削液消耗功率。
[0086] 在数控机床加工过程中，考虑到进给功率Pfd在机床切削过程中所占的比重很 小，因此在机床切削阶段的建模过程中可以不考虑进给功率。通过之前的分析，机床的待机 功率P standb^P切削液系统消耗功率p fluid可视为固定值。实际加工经验表明，数控机床主轴 空转功率Pspindle与主轴转速和机床润滑状况之间有直接的关系，机床主轴空转功率p spin& 与主轴转速之间近似为直线关系，可通过如下式计算。
[0087] Pspindle= k !n+a (9-4)
[0088] 式中：η--主轴转速，
[0089] ki--实验获得的常系数，
[0090] a--实验获得的功率常数。
[0091] 将主轴空转功率公式（9-4)代入（9-3)得到
[0092] PldIe= P standby+kin+a+Pfluid (9-5)
[0093] 由式（9_1)、（9_2)和（9_5)可得机床在切削过程中的功率模型
[0095] 式中：k2--切削过程中与机床类型有关的功率常系数，
[0096] k3一一切削过程中与机床类型有关的常数。
[0097] 上式同除以MRR可得
[0099] 式中：k4= P standby+Pfluid+a--切削过程中的常系数。
[0100] 因此，切削过程中的能耗可以由如下的公式计算
[0101] Enornal= SEC-V (9-8)
[0102] 式中：EnOTmal--切削过程中的能耗，
[0103] V 去除材料的体积。
[0104] 对于空切削过程，空切削过程的功率可以由四部分组成，包括待机功率、主轴空转 功率、切削液系统功率和进给系统功率。如图2所示，由此可建立的空切削阶段功率模型。
[0105] Pair= P Standby+Pfluid+Pspindle+Pfeed (9~9)
[0106] Pfeed= k5f+b (9-10)
[0107] 式中：f 进给速率，
[0108] k5、b 进给电机功率常系数。
[0109] 则由式（9_9)和式（9_10)可得空切削功率的模型为
[0110] Pair= P standby+Pfimd+kin+a+ksf+b (9-11)
[0111] Pair= k jn+kgf+c (9-12)
[0112] 式中：c Pstandby+Pf Iuid +a+b-一空切削过程中的常数项。
[0113] 则空切削过程中的能耗计算如下
[0114] Eair=PairAtair (9-13)
[0115] 式中：Eair--空切削过程能耗，
[0116] Atair 一一空切削过程时间。
[0117] 由以上可得切削阶段的能耗计算公式如下
[0118] E = Enornal+Eair= SEC · V+P 31ΓΔ t air (9-14)
[0119] 需要说明的是上述能耗模型经实验验证适用于车削、铣削和钻削加工过程，本发 明以数控铣削加工为例，对提出的优化方法进行详细说明。本实例的能耗建模采用4因素3 水平27组正交实验设计确定加工参数。切削参数的范围和水平如表1所示。随机选择其 中22组实验数据用于能耗建模，另外5组实验数据对能耗模型进行准确性验证。数控铣削 实验能耗如表2所示。
[0120] 表1切削参数的范围和水平
[0121]
[0125] 根据能耗建模实验数据进行拟合得到数控铣削SEC模型及空切削功率模型如下：
[0128] SEC与转速、材料去除率关系模型如图3所示。
[0129] 2)对建立的通用切削能耗模型进行验证，保证能耗模型的预测准确性。切削阶段 的能耗测试实验数据及准确性如表3所示。实验结果表明，数控铣削能耗模型的准确性在 97%以上。
[0130] 表3切削阶段能耗验证
[0133] 3)根据通用能耗模型建立数控加工工艺参数优化的目标函数及约束。
[0134] 在数控铣削加工中，对机床加工能耗和机床加工时间影响最大的参数主要为切削 速度V。、每齿进给量f t、轴向切深ap以及径向切深a y故选择这四组切削用量为优化变量。
[0135] 根据Haas VF2数控加工中心和机床刀具的限制条件以及经验取值，四个参数的取 值范围为
[0137] 确定切削用量的取值范围后，在对机床加工过程优化之前，需要对切削用量进行 编码。采用二进制编码方式对四种切削用量进行编码，编码过程中，每个优化变量都会设置 一定数位的二进制码，再将四个优化变量的二进制码进行拼接组成遗传中所需的基因，构 成"染色体"串。一个随机产生的解可用如下基因组成表示：
[0139] 假定优化中切削速度V。的范围为[V。_，VaiiaJ，有二进制码Sa对应的a位二进制数 X1，则有如下关系式：
[0141] 假定优化中每齿进给量的仁的范围为[f t_，ft_]，用二进制码Sb对应的b位的二 进制数X2，则有如下关系式：
[0143] 假定优化时的轴向切深ap的范围为[a p_，ap_]，有二进制码S。对应的c位二进制 数X3^lj有如下关系式：
[0145] 同理，假定优化时径向切深aj勺范围是[a OTin，a_J，有二进制码Sd对应的d位二 进制数X4，则有如下关系式：
[0147] 切削速度V。、每齿进给量ft、轴向切深ap以及径向切深I这四个优化变量的种群 个体染色体也可表示为SaSbSJd。
[0148] 本发明的能耗主要包括空切削过程能耗以及实际切削过程能耗。根据之前的能耗 建模得到数控加工的能耗模型为
[0150] 式中：m是加工过程中的走刀次数。
[0151] 公式中的材料去除率MRR、主轴转速η和进给速度f与铣削用量的关系分别为
[0155] 最高生产效率是以加工每个零件的所消耗的时间最小或者单位生产时间加工的 零件数量最多来衡量的。零件加工过程中的某一工序的时间包括机床切削加工时间、辅助 时间以及换刀时间。如果选择的切削用量的值越大，加工过程中刀具的磨损就会越严重，刀 具的寿命会越来越小，这样就会导致在加工过程中引起经常的换刀。换刀过程带来的换刀 时间和额外对刀时间会影响零件的平均加工时间，因此，在对加工时间进行建模时也将刀 具寿命考虑在内。由此可以得到加工时间的模型如下
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