一種面向綠色高效的數(shù)控銑削參數(shù)優(yōu)化方法

《一種面向綠色高效的數(shù)控銑削參數(shù)優(yōu)化方法》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、釤論壇咖uM—種面向綠色高效的數(shù)控銑削參數(shù)優(yōu)化方法水王培建1’2，劉強(qiáng)L2，王健1’2，李堯L2(1．北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191)(2．國防科技工業(yè)高效數(shù)控加工技術(shù)研究應(yīng)用中心，北京100191)【摘要】針對數(shù)控切削加工過程的高效綠色發(fā)展要求，基于數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)能耗模型，以最小單位切削能耗作為優(yōu)化目標(biāo)，建立了銑削加工優(yōu)化模型，進(jìn)一步采用人工魚群算法對目標(biāo)函數(shù)求解。通過銑削加工實(shí)例對銑削加工優(yōu)化模型進(jìn)行驗(yàn)證，并將優(yōu)化后的參數(shù)與切削手冊的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及取得最大材料去除率的參數(shù)相比，發(fā)現(xiàn)單位切削能耗分別減少12．7％和13．8％。研

2、究表明，所提出的切削參數(shù)優(yōu)化模型能有效提高加工過程的能效，可為后續(xù)銑削加工過程切削參數(shù)選擇提供參考。關(guān)鍵詞：銑削；主傳動系統(tǒng)；切削參數(shù)優(yōu)化模型；能效；人工魚群算法DoI：10．1608伽．isSnl671．833x．2016．07．050王培建北京航空航天大學(xué)碩士研究生。研究方向?yàn)閿?shù)控加工仿真優(yōu)化。數(shù)控加工在機(jī)械加工中具有重要的地位，合理的切削參數(shù)選擇對于充分發(fā)揮機(jī)床的使用性能，提高加工效率和表面質(zhì)量具有重要意義。大量學(xué)者基于機(jī)床一刀具一工件材料·基金項目：國家重大專項(2016雙04004006)。50航空翻造技術(shù)·2016年第7期等約束條件，以加工效

3、率和切削利潤作為優(yōu)化目標(biāo)，提出一系列的切削參數(shù)優(yōu)化模型。然而，隨著化石燃料的日益枯竭，機(jī)床能效問題日益得到關(guān)注，提高機(jī)床的能效水平，降低加工過程的能耗成為機(jī)床行業(yè)乃至整個制造行業(yè)都亟需解決的問題。針對數(shù)控加工過程的能效優(yōu)化，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，Mativenga等Ⅲ研究了切削加工過程的能源足跡，以最小能源足跡為優(yōu)化目標(biāo)對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；Mori等【2l通過試驗(yàn)研究了鉆孔和平面銑削的能量消耗，給出了孔和平面加工的最優(yōu)能效策略，并通過同步主軸加，減速與進(jìn)給系統(tǒng)減少快速移動階段的能量消耗；Li等p1研究了不同材料單位切削能耗與材料去除率的關(guān)系，但模型精

4、度較低；Aggarwal等嗍采用響應(yīng)面法和田口法研究車削AISIP20工具鋼的能量消耗；李堯等同研究了數(shù)控銑削系統(tǒng)的碳排放，建立了以碳排放量和切削利潤為綜合優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化模型；何純等【6l在機(jī)床主傳動系統(tǒng)空載能耗模型的基礎(chǔ)上，提出了空載狀況下的停機(jī)節(jié)能方案，并通過外部控制器實(shí)現(xiàn)空載停機(jī)。在模型求解上，Jafarian等【_”采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)車削過程切削力、表面粗糙度和刀具壽命的優(yōu)化；劉海江等降1采用粒子群算法對車銑過程的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；汪振華等【91采用遺傳算法獲得滿足不同表面粗糙度要求的最優(yōu)切削參數(shù)。本文對數(shù)控銑削過程主傳動系統(tǒng)的能耗模型進(jìn)行

5、研究，綜合考慮機(jī)床一刀具一工件系統(tǒng)的實(shí)際物理約束條件，以單位切削能耗作為優(yōu)化目標(biāo)，采用人工魚群算法對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立了一種面向綠色高效的數(shù)控銑削參數(shù)優(yōu)化方法。主傳動系統(tǒng)單位切削能耗模型數(shù)控機(jī)床的能耗主要由傳動系統(tǒng)能耗、電氣控制系統(tǒng)能耗和輔助系統(tǒng)能耗3部分組成，其中傳動系統(tǒng)又HighE怖。。GyM。。h咖kh?？Ц咝Ъ庸ぜ夹g(shù)分為主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給傳動系統(tǒng)【10’。由于電氣控制系統(tǒng)能耗和輔助系統(tǒng)能耗受加工過程影響較小，可認(rèn)為是恒定值，進(jìn)給傳動系統(tǒng)能耗相較于主傳動系統(tǒng)能耗較小，可忽略不計，因此主要考慮主傳動系統(tǒng)能耗。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合切削加工過程的材料去除率

6、，建立主傳動系統(tǒng)單位能耗模型并作為優(yōu)化目標(biāo)。1主傳動系統(tǒng)的能耗模型對于機(jī)床的主傳動系統(tǒng)，平穩(wěn)加工時，其能耗主要由空載能耗、切削能耗和附加載荷能耗3部分組成，其能量平衡方程可表示為：E=Pu瓦+Pmk+Pa瓦，(1)式中，E、兄、Pm、Pa分別為輸入總能量、空載功率、切削功率和附加載荷功率；疋和咒分別為主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時間和切削加工時間。空載功率P。主要由電機(jī)鐵損、銅損以及主傳動系統(tǒng)機(jī)械損耗組成，存在于整個加工過程，大小與驅(qū)動電機(jī)、伺服系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)有關(guān)，并隨著主軸轉(zhuǎn)速甩的改變而改變，可表示為【I”：尸u=Puo卅l刀卅∥，(2)式中，Pu0、彳。、彳：

7、為常數(shù)，可通過查詢機(jī)床手冊或進(jìn)行空載試驗(yàn)獲得。切削功率P。是指切削加工過程中去除工件材料所消耗的功率，其大小與加工材料、加工環(huán)境和切削參數(shù)有關(guān)，對于某一特定的切削過程，切削功率取決于切削參數(shù)的選擇，可表示為：R《圪=揣，(3)其中，只為切削加工的主切削力，可通過經(jīng)驗(yàn)公式或建立相應(yīng)的銑削力模型進(jìn)行求解，圪為切削線速度，D為刀具直徑。附加載荷功率P。是由于切削加工中切削力和扭矩的增加而導(dǎo)致的電機(jī)和傳動系統(tǒng)損耗的增加，其大小與切削功率成正比，可表示為：只=6Pm，(4)其中，6為切削附加載荷損耗系數(shù)，范圍為0．15—0．25，一般取6=O．2。因此切削加工過程

8、主傳動系統(tǒng)的總能耗為：點(diǎn)三(Pu0．“l(fā)甩卅2以)瓦+!：蘭墾坐7’r氣、600