[发明专利]面向能耗的数控加工工艺路线与切削参数集成优化方法

说明书

数控加工工艺路线和切削参数对数控加工能耗影响显著。与单独优化工艺路线或单独优化切削参数相比，本发明通过开展工艺路线与切削参数集成优化能进一步降低数控加工能耗。首先提出了面向能耗的数控加工工艺路线与切削参数集成优化的流程框架，其次分析了工艺路线和切削参数集成的能耗特性，然后以总能耗和机床负载最小为多目标建立了数控加工工艺路线和切削参数多目标集成优化模型，并提出了一种基于多目标模拟退火算法的优化求解方法。

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体涉及面向能耗的数控加工工艺路线与切削参数集成优化方法。

背景技术

数控加工系统量大面广，其能耗总量巨大，节能潜力非常大。数控加工工艺路线和切削参数对数控加工系统能耗影响显著。与单独优化工艺路线或单独优化切削参数相比，通过开展工艺路线和切削参数集成优化，能进一步降低数控加工能耗。如何综合考虑加工过程能耗和传统目标(效率、机床负载、成本等)，开展数控加工工艺路线和切削参数集成优化，是当前亟须解决的一个关键科学问题。

工艺规划是在满足加工质量前提下根据企业目标(如生产效率、成本、质量等)对具体某一种原材料或半成品转变成为产品的加工方法、工艺路线、以及所需制造资源种类等进行规划和设计。针对复杂零件工艺规划问题，一些学者基于零件加工特征识别、特征映射和特征成组加工等技术，提出了基于计算机辅助的工艺规划方法。另一些学者则围绕零件机械加工过程的加工方法柔性、机床柔性、刀具柔性、工艺顺序柔性等问题，对零件机械加工工艺路线优化问题开展了研究。如，Petrovic等考虑机床、刀具、进刀方向、加工顺序等柔性，以时间和成本为多目标，建立了柔性数控加工工艺路线优化模型；Wang 等以机床选择、刀具、进刀方向和加工顺序为决策变量，以总成本最小为目标建立了柔性数控加工工艺路线优化模型；Wen等考虑机床、刀具、进刀方向和加工顺序柔性，以总成本为目标建立了工艺路线优化模型，并提出了一种基于蜂群算法的优化求解方法。现有针对工艺路线优化的研究主要着眼于加工时间、成本等传统优化目标，忽略了工艺路线对能耗的影响关系。在实际的零件工艺规划阶段，通过选择合理的加工方法、加工工序、加工机床和刀具等，可有效降低数控加工过程的能耗。

早在1990年代，美国加州大学伯克利分校Srinivasan教授就对机械加工工艺路线的绿色性能评估开展了一系列研究。近年来随着制造业环保意识的逐渐增强，围绕机械加工工艺路线能耗优化问题的研究逐渐涌现。如：Choi等人以某一自动化制造系统为研究对象，建立了一种零件工艺路线的能耗评估模型，对零件制造过程的切削加工能耗、辅助系统能耗、物料运输能耗等进行量化。Zhang等考虑加工成本和物料切除过程的电能消耗，提出了一种零件工艺路线规划方法流程，包括加工方法选择、机床选择和加工顺序确定等环节。课题组在前期研究中，详细分析了零件机械加工工艺路线的电能消耗和刀具消耗等碳排放特性，建立了零件机械加工工艺路线高效低碳优化模型。现有针对零件工艺路线规划的研究，较多围绕时间、成本等传统目标展开，考虑能耗目标的工艺路线优化的研究文献数量非常有限，同时针对柔性数控加工工艺路线的能耗评估模型仍有待进一步研究。

切削参数作为影响零件数控加工能耗的重要因素，已有一些学者通过实验研究揭示了切削参数与能耗的映射关系；在此基础上，一些学者通过开展车削、铣削等加工实验拟合得到了切削参数与能耗的映射关系模型；另一些学者建立了切削参数与能耗的详细关联模型，并采用优化算法对最优切削参数进行求解。如，Bilga等通过开展车削加工实验，揭示了物料去除率与比能的作用规律，并进一步研究了进给速度、切削深度对能耗的影响。Camposeco-Negrete等通过开展铣削实验并采用响应面法建立了铣削参数与能耗的回归方程，通过实验分析得到了最优参数组合。