基于切削參數的數控機床加工能耗優化方法研究

劉霞 姚益平

摘 要：數控機床是制造行業中重要的組成部分，目前數控機床的能耗率普遍降低，過多的能源消耗會造成能源負擔增加。針對這一問題，本文提出一種基于切削參數的數控機床加工能耗優化方法，通過確定切削參數優化變量及目標函數、增設數控機床加工能耗約束條件以及求解基于切削參數的數控機床加工能耗優化函數，實現對數控機床加工能耗的優化。對比試驗證明，與傳統數控機床相比，優化后的數控機床能耗明顯降低，因此在實際的工業生產加工中具有更高的應用價值。

關鍵詞：切削參數;數控機床;加工能耗

中圖分類號：TG501文獻標識碼：A文章編號：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

數控機床主軸會出現空轉消耗能源的問題，本文利用切削參數對數控機床加工能源消耗的優化方法進行研究。在數控機床加工過程中，切削參數的選擇會直接影響工業生產的生產效率、加工成本以及加工質量等[1]。因此，人們要選擇合理的切削參數，有效提高工業生產效率，同時降低加工成本[2]。在實際生產的過程中，工業企業通常只考慮加工生產率、加工成本以及加工質量等問題，但隨著社會對環境問題的逐漸重視，加工過程中能源消耗問題日益重要，因此基于切削參數的數控機床加工能耗優化是目前綠色生產制造背景下急需解決的問題。

1 基于切削參數的數控機床加工能耗優化方法設計

1.1 確定切削參數優化變量及目標函數

在實際生產過程中，企業通常只關注生產效率、產品加工質量以及加工成本等，而較少關注能源消耗對環境造成的影響[3]。因此，在確定切削參數優化目標函數時，優化目標不僅要考慮企業的實際生產需要，還要考慮數控機床的高效節能，提高數控機床的生產效率，降低能源消耗。

數控機床的切削參數是指在切削加工過程中金屬元件的切除量，以便達到生產加工要求。人們可以適當增加單位時間內金屬元件的切除量，提升數控機床加工生產效率，使數控機床能耗得到進一步優化，其目標函數具體可表示為：

式中，[M]為基于切削參數的數控機床加工能耗優化方法的目標函數;[m]為數控機床主軸轉速;[q]為每個齒輪的進給量;[l]為每個齒輪的轉速;[xp]為垂直于進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的進給運動方向上測量的吃刀量。

1.2 增設數控機床的加工能耗約束條件

確定切削參數時，取值范圍受到工業生產中其他加工元件的影響。因此，在設計基于切削參數的數控機床加工能耗優化方法時，從實際工業生產需要的角度出發，要增加數控機床加工能耗切削參數優化的約束條件。

切削速度約束條件為：

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

數控機床進給速度的約束條件為：

式中，[vi]為數控機床進給速度;[vimax]為數控機床允許的最大進給速度;[vimin]為數控機床允許的小進給速度。

數控機床切削時，切削刀的進給速度必須在數控機床允許的最大進給速度與最小進給速度之間。

垂直于進給速度方向的切削層吃刀量約束條件為：

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

數控機床的切削加工過程的垂直切削量應小于數控機床最大允許切削量。一般來說，切削時元件的背吃刀量應不超過刀的半徑，以免過大而造成刀具損壞。

平行于工作平面并垂直于切削刃基點的進給運動方向上測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。

數控機床切削加工過程的平行切削量應小于數控機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。

數控機床主軸電機功率的約束條件為：

式中，[Wp]為數控機床主軸電機功率;[η]為數控機床在運行過程中的傳動效率;[Wmax]為數控機床主軸電機的最大傳動功率。

數控機床運行期間，去除材料時功率應不超過數控機床主軸電機產生的最大功率。

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，與刀具、元件材料、切削條件直接相關;[Kb]為刀具合理耐用度。

為了保證數控機床加工效率，人們要選用直接影響切削刀耐用度的參數。

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]為數控機床允許的元件最大表面粗糙度。

在保證數控機床加工質量的基礎上，人們要對切削參數進行優化，元件表面粗糙度應當滿足元件加工質量的最低標準。在進行臥銑和立銑時，約束條件各不相同。

1.3 求解基于切削參數的數控機床加工能耗優化函數

基于切削參數的數控機床加工能耗優化函數的求解過程為：一是通過上文確定的切削參數優化變量、目標函數以及相應約束條件，隨機產生多個不同的優化目標，并將其設置為初始優化目標集合[F（0）]，利用非支配排序后，通過隨機的選擇、變異或交叉等操作，產生多個不同的優化子目標集合[E（0）]，并設置此時[q]=0;二是將初始優化目標集合[F（0）]與優化子目標集合[E（0）]合并，形成新的集合[G（q）];三是對集合[G（q）]進行非支配排序，需要注意的是，在排序過程中，要對每個前端的個體進行擁擠度計算，根據排序的序值以及集合中子目標的擁擠程度，選擇最適當的新初始優化目標集合[F（q+1）];四是對集合[F（q+1）]進行隨機選擇、變異和交叉，產生新的優化子目標集合[E（q+1）];五是判斷最終生成的優化子目標集合[E（q+1）]中的各個子目標是否符合上文設置的約束條件，若符合，則輸出的結果為最終的優化方案，若不符合，則使[q=q+1]，再次進行第二步操作，直到最終結果符合各個約束條件為止。

2 試驗論證分析

2.1 試驗準備

首先利用仿真試驗軟件制作數控機床的切削刀具路徑仿真模塊、加工能耗計算模塊、數控代碼的解析模塊等。然后，利用上文提出的方法對數控機床的各個目標進行優化，將其與優化前的數控機床進行對比。設置試驗組為優化后的數控機床，對照組為優化前的數控機床。最后，分別利用兩組數控機床進行同一種工業產品生產，將加工過程中產生的相關數據進行記錄。

2.2 試驗結果分析

根據上述試驗準備完成對比試驗，并通過記錄的數據計算出兩種數控機床的能源消耗率，繪制出能源消耗率對比曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出，兩種數控機床在同一時間開始進行加工，隨著加工時間的增加，能源消耗率逐漸上升。但是，試驗組的上升趨勢明顯低于對照組的上升趨勢。對比試驗結果表明，采用基于切削參數的數控機床加工能耗優化方法后，優化后的數控機床能耗率遠遠低于未優化的數控機床。

3 結語

工業生產企業的數控機床量大面廣，耗能巨大，為了保證企業的可持續發展，本文提出一種基于切削參數的數控機床加工能耗優化方法，通過對比試驗證明了該方法的有效性。在后續的研究中，人們要進一步分析數控機床的主軸加速、減速、載荷等對能耗的影響，為高效節能的數控機床各個參數的優化提供理論依據。

參考文獻：

[1]宋李俊，潘安大，陳猛，等.基于DE-GPR的數控機床切削能耗預測[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018（11）：52-57.

[2]趙俊花，李麗，李玲玲，等.面向高效節能的復雜曲面分區數控銑削加工優化方法[J].中國機械工程，2019（1）：64-71.

[3]賴旭偉，賈苛珍，鄭軍.電火花線切割加工能耗數據采集及其特征分析[J].浙江科技學院學報，2018（3）：216-223.