面向能效的多工步数控铣削工艺参数多目标优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及机械加工领域，具体设及数控加工中与能量效率和加工成本相关的工 艺参数优化方法。
【背景技术】
[0002] 现代数控加工往往采用多工步的加工方式，工艺参数和工步数量对加工效率和加 工成本有着重要的影响，一些学者在多工步数控加工效率和加工成本等方面做了相关研 究，得到了相应的工艺参数和工步数优化选择方法。然而，随着机床能耗问题日益受到关 注，如何对多工步加工过程中的工艺参数进行能效优化，是绿色制造背景下一个迫切需要 解决的问题。
[0003] 关于能耗问题的研究主要集中在通过实验揭示工艺参数与能耗关联关系方面。在 上述研究的基础上，开始出现了建立工艺参数与能耗的实验模型和工艺参数优化选择问题 研究。
[0004] 但由于上述研究大多从实验研究揭示工艺参数与能耗规律或者从实验拟合建模 优化着手，未考虑工艺参数和工步数对能耗的影响，也缺乏系统的关于多工步加工过程的 能耗特性分析和综合考虑传统优化目标与能效目标的工艺优化模型。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是解决锐削加工中，由于加工工艺参数的选择不当而造成的能耗和 成本高的问题。
[0006] 多工步数控锐削加工过程能量构成特性分析如下：
[0007] 数控锐削加工系统是一个W数控锐床为主体的实施机械加工的系统，其功能部件 繁多，能量消耗规律复杂。在机床上电启动时，数控系统、润滑系统、显示器等设备的相继或 同时启动需要消耗一部分能量，并且，该些设备耗能将在整个加工过程中持续存在；在切削 加工前，机床一般需要待机一段时间，用W调整加工程序和工件、刀具、夹具位置。在切削加 工阶段，不仅有直接用于去除材料的切削能耗，辅助系统能耗也伴随其中；同时，空载能耗 也随机床主轴转速和进给速度动态变化，并在整个切削过程中持续存在；再者，在切削负载 的作用下，会产生与切削功率成二次函数关系的附加载荷损耗。可见，数控锐削加工系统能 量流构成复杂，下面将结合某多工步数控锐削加工过程的能耗构成特性曲线（图1)作详 细阐述。
[0008] 数控锐削加工系统启动和待机能耗；
[0009] 数控机床接通电源后，数控系统、润滑系统、显示器等设备相继或同时启动，其间 (设启动耗时为t,)会消耗一部分能量，即机床启动能耗氏，该部分能量一般是固定的，由机 床本身性能决定。
[0010] 当机床启动后，处于待机状态（图1中功率曲线稳定部分），用W调整加工程序， 调整工件、夹具位置等，机床待机能耗E，与运转设备总功率P，（即机床运行所必须的最低功 率，持续存在于机床的整个运行过程中）和开机后总运行时间t，（启动时间除外）有关，即
[0011]
(1)
[0012] 数控锐削加工系统空载能耗：
[0013] 空载能耗（即非载荷损耗）主要由机床电机、变频伺服系统、机械传动系统引起的 损耗组成，它贯穿于整个切削加工过程中。由于数控机床主轴系统和进给系统均采用独立 电机驱动，因此，需要对各个部分进行单独分析。主轴系统空载功率巧与主轴转速n、进给 系统空载功率心与进给电机角速度《成二次函数关系，即；
[0016] 其中，为各进给轴角速度分量，《 = 2 31f/化OuL)，L为滚珠丝杠螺距，U为丝 杠螺旋线数，q、a。、ai、32,VVb2是相应系数。因此，机床空载功率可表示为：
[0017] 户u=C+皆 (4)
[0018] 忽略数控加工过程中短暂的无切削空载时间，多工步数控锐削加工空载能耗化 为多步粗加工时系统空载能耗Eut和精加工时系统空载能耗Euf之和（图1为3步粗加工和 1步精加工），即
[0019]
(5)
[0020] 式中，Pu济Puf为粗、精加工功率；巧化f为每步粗、精锐时间。
[0021] 数控锐削加工系统切削能耗：
[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 数学表达式为，P。为切削功率，可进一步表示为
[0023]
[0024] 式中，F。表示切削力，V。表示切削速度，V。= 31Dn/1000。CF为与工件材料和切削 条件有关的主切削力影响系数，3。^,、3。、0、11分别背吃刀量、每齿进给量、锐削宽度、锐刀直 径和主轴转速，Xp、yp、邸、qp、Wp分别为背吃刀量、每齿进给量、锐削宽度、锐刀直径、主轴转 速的切削力影响指数。
[00巧]在多工步锐削加工过程中，切削时间t。可表示为：
[0026]
( 7)
[0027] 式中，（m-1)为粗锐工步数，
Gint[?]为向上取整，A为总加工余量，和胃1分别为粗、精锐最大背吃刀量，a；；,,。-。 和。分别为粗、精锐最小背吃刀量；1济1汾别为每步粗、精锐走刀长度，n嘴nf分别为 粗、精锐主轴转速，/；和//分别为粗、精锐每齿进给量，Zf和Zf分别为粗、精锐锐刀齿数。 [002引 因此，多工步锐削加工切削能耗Ec为：
[0029]
[0030] 数控锐削加工系统附加载荷损耗：
[0031] 附加载荷损耗是指机床主传动系统由于载荷（切削功率）而产生的附加损耗，附 加载荷损耗功率P。与切削功率P。之间呈二次函数关系，即；
[0032]
(9)
[0033] 式中，C。和C1为相关系数。
[0034] 在多工步数控锐削过程中，附加载荷损耗Ea可表示为：
[0035]
(10)
[003引 巧和皆为粗、精加工附加载荷能耗，兮和兮为附加载荷损耗功率。
[0037] 数控锐削加工系统换刀能耗：
[0038] 在多工步锐削加工过程中，当锐刀达到磨纯标准或者由粗加工状态转换为精加工 状态时，需要更换刀具，其间机床所消耗的能量即为换刀能耗。
[0039] (1)当切削刀具达到磨纯标准时，需要将磨纯刀具从机床主轴拆下，更换为新的刀 具，并进行对刀等一系列操作，此过程机床处于待机状态。更换磨纯刀具的换刀能耗主要考 虑一次换刀能耗在本次加工过程内的分摊，因此，此部分换刀能耗Etti可表示为：
[0040]
〇 1)
[00川式中，
Ittti为分摊换刀时间，tmt为一次更换磨 纯刀具所需时间，Tf和Tf分别为粗、精锐刀具实际寿命，WT(刀具寿命）统一表示，
，Cv、Kv、XV、yv、Sv、Qv、Pv、1为与刀具和工件材料有关的相应系数，D 为刀具直径，Z为刀具齿数。
[0042] (2)当由粗加工状态转变为精加工时（如图1所示），数控机床自动换刀（若无此 功能，则忽略），其换刀能耗Eet2和换刀时间t近似为固定常数（忽略由于刀具在刀库中 所处位置的差异而引起的微弱时间变化）。因此，换刀能耗E。,可表示为：
[004引 E"=E"1 巧"2 (。）
[0044] 数控锐削加工系统其他辅助能耗：
[0045] 辅助能耗是指机床润滑累电机、液压油累电机、风扇、照明灯等辅助设备所消耗的 能量。需要指出的是，机床润滑累电机、液压油累电机、风扇、照明灯、数控系统等设备在机 床开机时已经启动，伴随着机床整个运行过程；冷却液（若为干式切削，则无）、排屑电机等 设备只在切削加工时启动，其运行时间等于切削时间t。，设各辅助设备功率为Pi.，则辅 助系统能耗6。"可表示为：
[004引
（13.)
[0047] 在数控锐削加工过程中，当机床处于稳定运行状态时，为便于计算，各部分能耗可 表示为相应功率与时间的乘积。
[0048] 因此，基于上述讨论，多工步数控锐削加工过程总能耗EtMd可表示为：
[0049]
[0050] 在锐削加工过程中，对于确定的加工余量，主轴转速n、每齿进给量f；、背吃刀量 a。、锐削宽度a。和工步数m的不同对加工能耗和加