基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化方法研究

劉霞 姚益平

摘 要：數(shù)控機(jī)床是制造行業(yè)中重要的組成部分，目前數(shù)控機(jī)床的能耗率普遍降低，過(guò)多的能源消耗會(huì)造成能源負(fù)擔(dān)增加。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一種基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化方法，通過(guò)確定切削參數(shù)優(yōu)化變量及目標(biāo)函數(shù)、增設(shè)數(shù)控機(jī)床加工能耗約束條件以及求解基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床加工能耗的優(yōu)化。對(duì)比試驗(yàn)證明，與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床相比，優(yōu)化后的數(shù)控機(jī)床能耗明顯降低，因此在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)加工中具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：切削參數(shù);數(shù)控機(jī)床;加工能耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TG501文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）05-0073-03

Abstract： CNC machine tools are an important part of the manufacturing industry， at present， the energy consumption rate of CNC machine tools is generally reduced， and excessive energy consumption will cause an increase in energy burden. In view of this problem， this paper proposed a method for optimizing machining energy consumption of CNC machine tools based on cutting parameters， and achieved optimization of machining energy consumption of CNC machine tools by determining the optimization parameters and objective functions of cutting parameters， adding constraints on the machining energy consumption of CNC machine tools， and solving the optimization functions of machining energy consumption based on cutting parameters. The comparative experiment proves that compared with the traditional CNC machine tools， the energy consumption of the optimized CNC machine tools is significantly reduced， so it has higher application value in actual industrial production and processing.

Keywords： cutting parameters;CNC machine tools;processing energy consumption

數(shù)控機(jī)床主軸會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)消耗能源的問(wèn)題，本文利用切削參數(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床加工能源消耗的優(yōu)化方法進(jìn)行研究。在數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中，切削參數(shù)的選擇會(huì)直接影響工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率、加工成本以及加工質(zhì)量等[1]。因此，人們要選擇合理的切削參數(shù)，有效提高工業(yè)生產(chǎn)效率，同時(shí)降低加工成本[2]。在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，工業(yè)企業(yè)通常只考慮加工生產(chǎn)率、加工成本以及加工質(zhì)量等問(wèn)題，但隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的逐漸重視，加工過(guò)程中能源消耗問(wèn)題日益重要，因此基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化是目前綠色生產(chǎn)制造背景下急需解決的問(wèn)題。

1 基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1 確定切削參數(shù)優(yōu)化變量及目標(biāo)函數(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，企業(yè)通常只關(guān)注生產(chǎn)效率、產(chǎn)品加工質(zhì)量以及加工成本等，而較少關(guān)注能源消耗對(duì)環(huán)境造成的影響[3]。因此，在確定切削參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)不僅要考慮企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需要，還要考慮數(shù)控機(jī)床的高效節(jié)能，提高數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率，降低能源消耗。

數(shù)控機(jī)床的切削參數(shù)是指在切削加工過(guò)程中金屬元件的切除量，以便達(dá)到生產(chǎn)加工要求。人們可以適當(dāng)增加單位時(shí)間內(nèi)金屬元件的切除量，提升數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)效率，使數(shù)控機(jī)床能耗得到進(jìn)一步優(yōu)化，其目標(biāo)函數(shù)具體可表示為：

式中，[M]為基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化方法的目標(biāo)函數(shù);[m]為數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速;[q]為每個(gè)齒輪的進(jìn)給量;[l]為每個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速;[xp]為垂直于進(jìn)給速度方向的切削層最大尺寸;[xe]為平行于工作平面并垂直于切削刃基點(diǎn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上測(cè)量的吃刀量。

1.2 增設(shè)數(shù)控機(jī)床的加工能耗約束條件

確定切削參數(shù)時(shí)，取值范圍受到工業(yè)生產(chǎn)中其他加工元件的影響。因此，在設(shè)計(jì)基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化方法時(shí)，從實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)需要的角度出發(fā)，要增加數(shù)控機(jī)床加工能耗切削參數(shù)優(yōu)化的約束條件。

切削速度約束條件為：

數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速必須處于數(shù)控機(jī)床所能提供的最高轉(zhuǎn)速以及最低轉(zhuǎn)速之間，因此必須介于切削刀最大速度和切削刀最小速度之間。

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度的約束條件為：

式中，[vi]為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度;[vimax]為數(shù)控機(jī)床允許的最大進(jìn)給速度;[vimin]為數(shù)控機(jī)床允許的小進(jìn)給速度。

數(shù)控機(jī)床切削時(shí)，切削刀的進(jìn)給速度必須在數(shù)控機(jī)床允許的最大進(jìn)給速度與最小進(jìn)給速度之間。

垂直于進(jìn)給速度方向的切削層吃刀量約束條件為：

式中，[xp]為垂直于進(jìn)給速度方向的切削量;[xpmax]為垂直于進(jìn)給速度方向的切削層最大尺寸。

數(shù)控機(jī)床的切削加工過(guò)程的垂直切削量應(yīng)小于數(shù)控機(jī)床最大允許切削量。一般來(lái)說(shuō)，切削時(shí)元件的背吃刀量應(yīng)不超過(guò)刀的半徑，以免過(guò)大而造成刀具損壞。

平行于工作平面并垂直于切削刃基點(diǎn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上測(cè)量的吃刀量約束條件為：

式中，[xe]為平行吃刀量;[xemax]為最大平行吃刀量。

數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程的平行切削量應(yīng)小于數(shù)控機(jī)床最大允許的切削量。通常情況下，平行吃刀量要小于刀具的直徑。

數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)功率的約束條件為：

式中，[Wp]為數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)功率;[η]為數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中的傳動(dòng)效率;[Wmax]為數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)的最大傳動(dòng)功率。

數(shù)控機(jī)床運(yùn)行期間，去除材料時(shí)功率應(yīng)不超過(guò)數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)產(chǎn)生的最大功率。

刀具耐用程度的約束條件為：

式中，[K]為刀具耐用度;[Kt]為刀具耐用系數(shù)，與刀具、元件材料、切削條件直接相關(guān);[Kb]為刀具合理耐用度。

為了保證數(shù)控機(jī)床加工效率，人們要選用直接影響切削刀耐用度的參數(shù)。

工作表面粗糙度的約束條件為：

式中，[Ra]為元件的表面粗糙程度;[Ra]為數(shù)控機(jī)床允許的元件最大表面粗糙度。

在保證數(shù)控機(jī)床加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，人們要對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，元件表面粗糙度應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足元件加工質(zhì)量的最低標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行臥銑和立銑時(shí)，約束條件各不相同。

1.3 求解基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化函數(shù)

基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化函數(shù)的求解過(guò)程為：一是通過(guò)上文確定的切削參數(shù)優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)以及相應(yīng)約束條件，隨機(jī)產(chǎn)生多個(gè)不同的優(yōu)化目標(biāo)，并將其設(shè)置為初始優(yōu)化目標(biāo)集合[F（0）]，利用非支配排序后，通過(guò)隨機(jī)的選擇、變異或交叉等操作，產(chǎn)生多個(gè)不同的優(yōu)化子目標(biāo)集合[E（0）]，并設(shè)置此時(shí)[q]=0;二是將初始優(yōu)化目標(biāo)集合[F（0）]與優(yōu)化子目標(biāo)集合[E（0）]合并，形成新的集合[G（q）];三是對(duì)集合[G（q）]進(jìn)行非支配排序，需要注意的是，在排序過(guò)程中，要對(duì)每個(gè)前端的個(gè)體進(jìn)行擁擠度計(jì)算，根據(jù)排序的序值以及集合中子目標(biāo)的擁擠程度，選擇最適當(dāng)?shù)男鲁跏純?yōu)化目標(biāo)集合[F（q+1）];四是對(duì)集合[F（q+1）]進(jìn)行隨機(jī)選擇、變異和交叉，產(chǎn)生新的優(yōu)化子目標(biāo)集合[E（q+1）];五是判斷最終生成的優(yōu)化子目標(biāo)集合[E（q+1）]中的各個(gè)子目標(biāo)是否符合上文設(shè)置的約束條件，若符合，則輸出的結(jié)果為最終的優(yōu)化方案，若不符合，則使[q=q+1]，再次進(jìn)行第二步操作，直到最終結(jié)果符合各個(gè)約束條件為止。

2 試驗(yàn)論證分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

首先利用仿真試驗(yàn)軟件制作數(shù)控機(jī)床的切削刀具路徑仿真模塊、加工能耗計(jì)算模塊、數(shù)控代碼的解析模塊等。然后，利用上文提出的方法對(duì)數(shù)控機(jī)床的各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，將其與優(yōu)化前的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行對(duì)比。設(shè)置試驗(yàn)組為優(yōu)化后的數(shù)控機(jī)床，對(duì)照組為優(yōu)化前的數(shù)控機(jī)床。最后，分別利用兩組數(shù)控機(jī)床進(jìn)行同一種工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)，將加工過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)準(zhǔn)備完成對(duì)比試驗(yàn)，并通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算出兩種數(shù)控機(jī)床的能源消耗率，繪制出能源消耗率對(duì)比曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出，兩種數(shù)控機(jī)床在同一時(shí)間開(kāi)始進(jìn)行加工，隨著加工時(shí)間的增加，能源消耗率逐漸上升。但是，試驗(yàn)組的上升趨勢(shì)明顯低于對(duì)照組的上升趨勢(shì)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，采用基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化方法后，優(yōu)化后的數(shù)控機(jī)床能耗率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未優(yōu)化的數(shù)控機(jī)床。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)控機(jī)床量大面廣，耗能巨大，為了保證企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，本文提出一種基于切削參數(shù)的數(shù)控機(jī)床加工能耗優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)證明了該方法的有效性。在后續(xù)的研究中，人們要進(jìn)一步分析數(shù)控機(jī)床的主軸加速、減速、載荷等對(duì)能耗的影響，為高效節(jié)能的數(shù)控機(jī)床各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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