一種基于通用切削能耗模型的加工參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種加工參數(shù)優(yōu)化方法，具體涉及一種考慮機(jī)床切削能耗的加工參數(shù) 優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 合理的選擇機(jī)械加工中的切削用量不但能夠提高切削加工的效率，而且能夠有效 地降低機(jī)床的加工能耗，進(jìn)一步降低機(jī)床加工過(guò)程對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。
[0003] 目前，機(jī)床切削用量的優(yōu)化方面的研究多集中于機(jī)床加工效率的研究，考慮機(jī)床 能耗的研究相對(duì)較少。并且在工程實(shí)踐中，數(shù)控加工人員通常根據(jù)實(shí)際的加工經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定 機(jī)床在加工過(guò)程的切削用量，而這些加工經(jīng)驗(yàn)往往來(lái)自機(jī)床廠家和刀具成產(chǎn)廠家或者根據(jù) 自己的實(shí)際加工來(lái)確定。這樣的加工方式往往缺乏理論的指導(dǎo)導(dǎo)致機(jī)床在加工中產(chǎn)生的能 耗過(guò)多。
[0004] 另外，目前也有一些注重機(jī)床切削能耗的切削加工方法，而這些考慮機(jī)床切削能 耗的加工方法，往往忽略了機(jī)床加工的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的注重加工效率的切削加工方法導(dǎo)致的機(jī)床產(chǎn)生能耗過(guò)多 的問(wèn)題。
[0006] 一種基于通用切削能耗模型的加工參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、分析銑削、車削、鉆削過(guò)程中能耗特性，建立上述加工方式的通用切削能耗 模型：
[0008] E = SEC · V+PairA t air (I)
[0009] 對(duì)于每次走刀則有
[0010] E1= SEC1-V^Pairi -Atairi (2)
[0011] 其中，E是切削能耗；V是去除材料的體積；Pall^空切削功率；Λ t _是空切削過(guò) 程時(shí)間；角標(biāo)i為走刀的序號(hào)，E1、SEC1、V1、P al"、Λtal"分別為第i次走刀對(duì)應(yīng)的E、SEC、V、
[0013] 其中，Pnmial是切削階段功率;MRR是材料去除率；k 1是實(shí)驗(yàn)獲得的常系數(shù)；η為主 軸轉(zhuǎn)速；k2是切削過(guò)程中與機(jī)床類型有關(guān)的功率常系數(shù)；1^是切削過(guò)程中與機(jī)床類型有關(guān) 的常數(shù)；k 4= P standby+Pfluid+a是切削過(guò)程中的常系數(shù)；Pstandby是機(jī)床待機(jī)功率；P fluid是切削 液消耗功率；a是實(shí)驗(yàn)獲得的功率常數(shù)；
[0014] Pair= P standty+Pfi^d+kin+a+ksf+b
[0015] f是進(jìn)給速率，k5、b是進(jìn)給電機(jī)功率常系數(shù)；
[0016] 步驟2、根據(jù)公式（2)確定銑削、車削、鉆削過(guò)程中切削總能耗：
[0018] 其中，E總為切削總能耗；m是加工過(guò)程中的走刀次數(shù)；
[0019] 步驟3、建立零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)tw，分別將零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)t w和切 削總能耗E,&進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化處理后的零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)t/和切削總 能耗；
[0020] 步驟4、以歸一化處理后的零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)t/和切削總能耗筆的加權(quán) 和為優(yōu)化目標(biāo)，采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解，獲得最優(yōu)的切削參數(shù)。
[0021] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0022] 采用本發(fā)明獲得的切削參數(shù)進(jìn)行切削加工，兼顧了加工效率和機(jī)床能耗。相比現(xiàn) 有的只注重加工效率的切削加工方法，采用本發(fā)明獲得的切削參數(shù)進(jìn)行切削加工產(chǎn)生的能 耗可以降低20%左右。相比現(xiàn)有的只注重機(jī)床切削能耗的切削加工方法，采用本發(fā)明獲得 的切削參數(shù)進(jìn)行切削加工的加工效率可以提高37 %左右。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0024] 圖2為實(shí)施例加工過(guò)程功率曲線圖；
[0025] 圖3為SEC與轉(zhuǎn)速、材料去除率關(guān)系圖；
[0026] 圖4為遺傳算法的賦權(quán)值優(yōu)化步驟流程圖；
[0027] 圖5為錦標(biāo)賽-輪盤(pán)賭選擇過(guò)程圖；其中，圖5_(a)為原始種群個(gè)體，圖5_(b)為 錦標(biāo)賽選擇并淘汰后的種群個(gè)體，圖5_(c)為輪盤(pán)賭選擇后的種群個(gè)體；
[0028] 圖6為目標(biāo)收斂曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0029] 一：結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，
[0030] 一種基于通用切削能耗模型的加工參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0031] 步驟1、分析銑削、車削、鉆削過(guò)程中能耗特性，建立上述加工方式的通用切削能耗 模型：
[0032] E = SEC · V+PairA t air (I)
[0033] 對(duì)于每次走刀則有
[0034] E1= SEC1-V^Pairi -Atairi (2)
[0035] 其中，E是切削能耗；V是去除材料的體積；Pall^空切削功率；Λ t _是空切削過(guò) 程時(shí)間；角標(biāo)i為走刀的序號(hào)，E1、SEC1、V1、P al"、Λtal"分別為第i次走刀對(duì)應(yīng)的E、SEC、V、 P .、t .. 1 air ' ^air ?
[0037] 其中，Pnmial是切削階段功率;MRR是材料去除率；k屬實(shí)驗(yàn)獲得的常系數(shù)；η為主 軸轉(zhuǎn)速；k2是切削過(guò)程中與機(jī)床類型有關(guān)的功率常系數(shù)；1^是切削過(guò)程中與機(jī)床類型有關(guān) 的常數(shù)；k 4= P standby+Pfluid+a是切削過(guò)程中的常系數(shù)；Pstandby是機(jī)床待機(jī)功率；P fluid是切削 液消耗功率；a是實(shí)驗(yàn)獲得的功率常數(shù)；
[0039] f是進(jìn)給速率，k5、b是進(jìn)給電機(jī)功率常系數(shù)；
[0040] 步驟2、根據(jù)公式⑵確定銑削、車削、鉆削過(guò)程中切削總能耗：
[0042] 其中，E總為切削總能耗；m是加工過(guò)程中的走刀次數(shù)；
[0043] 步驟3、建立零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)tw，分別將零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)t w和切 削總能耗E,&進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化處理后的零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)t/和切削總 能耗厶；
[0044] 步驟4、以歸一化處理后的零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)t/和切削總能耗$的加權(quán) 和為優(yōu)化目標(biāo)，采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解，獲得最優(yōu)的切削參數(shù)。
[0045] 【具體實(shí)施方式】二：本實(shí)施方式步驟3所述的建立零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)tj? 下：
[0047] 式中：d是刀具直徑；Z為刀齒數(shù)；U是換刀一次所消耗的時(shí)間；Ct是系數(shù)，與工件 材料、切削條件以及刀具本身相關(guān)；X、y、u、w、q為指數(shù)，分別代表各銑削用量對(duì)刀具耐用度 的影響程度；U是換刀過(guò)程之外的輔助時(shí)間；V。是切削速度；。是每齒進(jìn)給量；ap是軸向切 削深度；是徑向切削深度。
[0048] 其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0049] 【具體實(shí)施方式】三：本實(shí)施方式步驟3所述的將零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)tw進(jìn)行歸 一化處理的過(guò)程如下：
[0051] 式中：t:為歸一化處理后的零件加工過(guò)程的時(shí)間函數(shù)；t ^和t w_是僅對(duì)加工時(shí) 間優(yōu)化的最小和最大值。
[0052] 其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0053] 【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式步驟3所述的將切削總能耗E,&進(jìn)行歸一化處理的過(guò) 程如下：
[0055] 式中：/T為歸一化處理后的切削總能耗；E,&nu，E 是僅對(duì)加工能耗優(yōu)化的最 小和最大值。
[0056] 其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0057] 【具體實(shí)施方式】五：本實(shí)施方式步驟4所述的優(yōu)化目標(biāo)如下：
[0059] 式中：wJPI w 2是權(quán)重系數(shù)，且w Jw2= 1。
[0060] 采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解的過(guò)程中，
[0061] 輪盤(pán)賭選擇策略隨機(jī)的對(duì)個(gè)體進(jìn)行選擇，有利于保持種群個(gè)體的隨機(jī)性，避免優(yōu) 化過(guò)程中遺傳算法出現(xiàn)局部最優(yōu)解。錦標(biāo)賽選擇策略將種群個(gè)體中的劣解淘汰，保證了遺 傳算法的優(yōu)化效率。針對(duì)以上兩種選擇策略，提出一種錦標(biāo)賽-輪盤(pán)賭的選擇方法，既可以 保證算法的搜索效率，又可以提高種群的多樣性。首先是要用錦標(biāo)賽選擇法對(duì)種群個(gè)體中 的劣解進(jìn)行淘汰，在淘汰的過(guò)程中淘汰率的設(shè)定影響遺傳散發(fā)的有效性。如果淘汰率太高， 選擇出的大部分個(gè)體就會(huì)被淘汰，那么遺傳算法就很有可能陷入局部收斂；如果淘汰率的 設(shè)定太低，那么錦標(biāo)賽-輪盤(pán)賭的選擇策略就會(huì)跟輪盤(pán)賭的選擇策略基本相同。
[0062] 所以采用錦標(biāo)賽-輪盤(pán)賭選擇方法進(jìn)行種群選擇操作，錦標(biāo)賽-輪盤(pán)賭選擇方法 的具體步驟如下：
[0063] 步驟4. 1、設(shè)種群的數(shù)量為h，計(jì)算每個(gè)種群?jiǎn)挝籆,的相對(duì)適應(yīng)度R,，j = {1，2，···， h}；
[0064] 步驟4. 2、根據(jù)每個(gè)單位的相對(duì)適應(yīng)度1^對(duì)C ,進(jìn)行排序，設(shè)定淘汰率，淘汰相對(duì)適 應(yīng)度低的單位；
[0065] 步驟4. 3、在[0, R]范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生h組隨機(jī)數(shù)，按照輪盤(pán)賭的方法，與產(chǎn)生的隨 機(jī)數(shù)相對(duì)應(yīng)的相對(duì)適應(yīng)度的個(gè)體即為選中的個(gè)體，其中R為步驟4. 2中未被淘汰個(gè)體的相 對(duì)適應(yīng)度的和。
[0066] 實(shí)施例：
[0067] 以數(shù)控銑削加工為例，以Haas VF-2數(shù)控加工中心為研究對(duì)象，對(duì)考慮能耗的數(shù)控 加工過(guò)程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。使用刀具為TiN涂層的兩齒合金銑刀（Φ 16mm)，工件材料為45# 鋼，尺寸規(guī)格為IOOmmX 55mmX40mm。優(yōu)化過(guò)程采用平面銑削的加工工藝，銑削深度為5mm， 材料去除量為27500mm3。
[0068] 一種基于通用切