204] 是在后续的解优化过程中确定，是中间变量。
[020 引成本函数表示为；CtMai=Cmt+Cia+Ct"+Cfd+Ce;
[0206] 式中，机床折旧成本Cmt、人工成本Cia、刀具成本Ct。、切削液成本Cfd、电能成本Ce;
[0207] 3)设定约束条件：
[020引约束条件①n《n m。,，rimi。和n m。,分别为机床最低和最高主轴转速；
[0209]约束条件②f《fm"，fmi。和f分别为机床的最小和最大进给量，f进给量， 在优化过程中动态变化；
[0210] 约束条件⑨apmh《aapm"，apmi。和apm"分别表示机床允许的最小和最大背吃刀 量，且
，a；；为每步粗加工背吃刀量，为每步精加工背吃刀量，a;为每 步粗加工背吃刀量，为每步精加工背吃刀量，A为工件总加工余量。
[0211] 约束条件④P。^nPmay，n为机床效率，Pmay表示机床额定功率； 邮1引约束条件⑥T>T。，T。为刀具最大经济寿命；
[0213]约束条件⑧
，R。为加工后的表面粗趟度值， Ra胃为表面粗趟度允许最大值，L。为刀具前角，C。为刀具后角；
[0214] 4)获得在上述约束条件下，minF(n,f,, a。, a。,m)时，对应的主轴转速n、每齿进给 量f,、背吃刀量a。、锐削宽度a。和工步数m。
[0215] 值得说明的是，本实施例解优化的过程可W采用通用算法，也可W采用如图2的 算法。
[0216] 本实施例优化过程中采用Matl油语言编程，初始种群大小为60,迭代次数为200， 如表16所示，得到了分别W高能效、低成本为优化目标的优化结果和W高能效低成本为优 化目标的Pareto解，并根据相应工艺参数和工步数计算得到其加工时间
[0217]表16优化结果 [021 引
[0221]
[0222] 本实施例的优化结果分析如下；
[0223] 对比上述优化结果可W发现：
[0224] (1)高能效目标、低成本目标和高能效低成本目标取得最优值时，锐削工步数取得 最小值巧步粗锐，1步精锐）；粗加工每齿进给量f,、背吃刀量和切削宽度a。取值基本达 到机床允许的最大值（分别为0.Imm/z，1mm，11. 3mm)。当W能效SEC为优化目标时，对应 的主轴转速n取值较大（2085r/min) ;W成本CtMd为优化目标时，对应的主轴转速n较小 (1411r/min) 高能效低成本为优化目标时，对应的主轴转速n取值（1841r/min)居于前 两者之间。并且，当W高能效为优化目标，比能取得最优值时，总加工时间取值最小，即在提 高能量效率的同时也能提高生产效率。该是因为：
[0225] 在多工步数控锐削过程中，对于确定的锐削余量（即本文粗锐长a宽b高C 的工件），其锐削工步数为Gint[c/a。]，每一工步的加工长度为aXGint比/a。]，粗锐 总时间为
即主轴转速n、每齿进给量f,、背吃刀量a。和切 削宽度a。任一变量增大1倍，锐削时间缩短为原来的0.5倍；但是，由刀具寿命公式
可知，当n增大1倍时，刀具寿命缩短为原来的0. 125倍，而每齿进 给量f,、背吃刀量a。和切削宽度a。分别增大1倍时，刀具寿命仅缩短为原来的0. 44倍、0. 54 倍和0. 54倍，即背吃刀量a。和切削宽度a。对刀具寿命的影响比主轴转速n和每齿进给量 f,小，在刀具条件允许的范围内，增大每齿进给量f,、背吃刀量a。和切削宽度a。能显著减少 每一工步的锐削时间和锐削工步数，即减少锐削时间，提高加工效率。
[0226] (2)W高能效为优化目标时，主轴转速n取值相对较大，该是因为当每齿进给量 f,、背吃刀量ap和切削宽度a。一定，主轴转速n取值较大时，虽然切削功率、系统空载功率 和附加载荷损耗功率有所增大，但是由于切削能耗E。、系统空载能耗Eu和附加载荷损耗E。 占加工系统总能耗EtMd的比重较小，而加工系统的辅助能耗E等机床固定能耗是机床耗 能的主体，在去除相同材料体积的条件下，选取较大的主轴转速n能进一步提高加工效率， 缩短加工时间（比低成本加工时缩短13. 9%，比高能效低成本加工时缩短6. 7% )，因此也 就能减少能量消耗，提高能量效率（比低成本加工时提高能量效率17. 3%，比高能效低成 本加工时提高6.3% )。
[0227]做W低成本CtMd为优化目标时，由于刀具寿命T受主轴转速n影响较大，在采用 大的主轴转速n时，刀具磨损较快，需要频繁更换刀具，在刀具成本较高的情况下，加工成 本增大。因此，考虑到刀具成本在加工过程中占总成本CtMdi比重较大的该一因素，选取的 主轴转速n相对较小，但是又使比能值增加，能量效率不高。
[022引 （4)W高能效低成本为优化目标时，综合考虑了多工步锐削过程能量效率和加工 成本两个因素与切削参数和工步数的相互关系，得到了较优的切削参数；能量效率比采取 经验参数提高了 26. 5%，加工成本减少了 21.8%。
[0229] (5)精加工切削参数基本相同，是由于加强了约束条件，用W获得满足加工要求的 表面质量。
【主权项】
1. 一种面向能效的多工步数控铣削工艺参数多目标优化方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 测定铣削加工过程中，主轴转速n、每齿进给量fz、背吃刀量ap、铣削宽度和工步 数m ; 2) 建立面向能效的多工步数控铣削工艺参数多目标优化模型： minF (n, fz, ap, ae, m) = (min SEC, min Ctotal) 其中： 比能函数SEC为：式中，机床启动能SEs，机床待机能SEw，单步粗加工时系统空载能SEm，精加工时系 统空载能耗Euf，单步粗加工切削能耗疋，精加工切削能耗￡/，刀具磨钝时换刀能耗Ertl， 机床自动换刀时的能耗E rf2，单步粗加工时系统附加载荷损耗圮，精加工时系统附加载荷 损耗&7，辅助设备功率，总切削时间t。，去除材料总体积V 成本函数表不为：Ctotal = Cmt+Cla+Ct JCf d+ce; 式中，机床折旧成本Cnit、人工成本Cla、刀具成本Ct。、切削液成本C fd、电能成本ce; 3) 设定约束条件： 约束条件①nmin彡η彡n max，nmil^P n max分别为机床最低和最高主轴转速； 约束条件②fmin< f < f max，fmin和f _分别为机床的最小和最大进给量，f进给量，在 优化过程中动态变化； 约束条件③心S < βΡΜΛ.，心,_和5_分别表示机床允许的最小和最大背吃 m-1 刀量，且』=Σ 4 + ?；；为每步粗加工背吃刀量，为每步精加工背吃刀量，Δ为 1 = 1 工件总加工余量。 约束条件④ρ。^ η P _，η为机床效率，Pmax表示机床额定功率； 约束条件⑤τ多Te，1；为刀具最大经济寿命； 约束条件⑥Ra为加工后的表面粗糙度值，Ramax 为表面粗糙度允许最大值，La为刀具前角，C a为刀具后角； 4) 获得在上述约束条件下，111；[1^(11，；^，31)，3(;，1]1)时，对应的主轴转速11、每齿进给量；^、 背吃刀量a p、铣削宽度\和工步数m ; 5) 采用步骤4)获得的参数对工件进行铣削加工。
【专利摘要】本发明的目的是解决铣削加工中，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。即公开一种面向能效的多工步数控铣削工艺参数多目标优化方法。通过对铣削加工过程中，主轴转速n、每齿进给量fz、背吃刀量ap、铣削宽度ae和工步数m的优化，实现其发明目的。
【IPC分类】G05B19/18
【公开号】CN104880991
【申请号】CN201510118325
【发明人】李聪波, 陈行政, 刘飞, 朱岩涛, 肖溱鸽, 李月, 沈欢
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年3月18日