基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法研究

刘霞 姚益平

摘 要：数控机床是制造行业中重要的组成部分，目前数控机床的能耗率普遍降低，过多的能源消耗会造成能源负担增加。针对这一问题，本文提出一种基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法，通过确定切削参数优化变量及目标函数、增设数控机床加工能耗约束条件以及求解基于切削参数的数控机床加工能耗优化函数，实现对数控机床加工能耗的优化。对比试验证明，与传统数控机床相比，优化后的数控机床能耗明显降低，因此在实际的工业生产加工中具有更高的应用价值。

关键词：切削参数;数控机床;加工能耗

中图分类号：TG501文献标识码：A文章编号：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

数控机床主轴会出现空转消耗能源的问题，本文利用切削参数对数控机床加工能源消耗的优化方法进行研究。在数控机床加工过程中，切削参数的选择会直接影响工业生产的生产效率、加工成本以及加工质量等[1]。因此，人们要选择合理的切削参数，有效提高工业生产效率，同时降低加工成本[2]。在实际生产的过程中，工业企业通常只考虑加工生产率、加工成本以及加工质量等问题，但随着社会对环境问题的逐渐重视，加工过程中能源消耗问题日益重要，因此基于切削参数的数控机床加工能耗优化是目前绿色生产制造背景下急需解决的问题。

1 基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法设计

1.1 确定切削参数优化变量及目标函数

在实际生产过程中，企业通常只关注生产效率、产品加工质量以及加工成本等，而较少关注能源消耗对环境造成的影响[3]。因此，在确定切削参数优化目标函数时，优化目标不仅要考虑企业的实际生产需要，还要考虑数控机床的高效节能，提高数控机床的生产效率，降低能源消耗。

数控机床的切削参数是指在切削加工过程中金属元件的切除量，以便达到生产加工要求。人们可以适当增加单位时间内金属元件的切除量，提升数控机床加工生产效率，使数控机床能耗得到进一步优化，其目标函数具体可表示为：

式中，[M]为基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法的目标函数;[m]为数控机床主轴转速;[q]为每个齿轮的进给量;[l]为每个齿轮的转速;[xp]为垂直于进给速度方向的切削层最大尺寸;[xe]为平行于工作平面并垂直于切削刃基点的进给运动方向上测量的吃刀量。

1.2 增设数控机床的加工能耗约束条件

确定切削参数时，取值范围受到工业生产中其他加工元件的影响。因此，在设计基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法时，从实际工业生产需要的角度出发，要增加数控机床加工能耗切削参数优化的约束条件。

切削速度约束条件为：

数控机床的主轴转速必须处于数控机床所能提供的最高转速以及最低转速之间，因此必须介于切削刀最大速度和切削刀最小速度之间。

数控机床进给速度的约束条件为：

式中，[vi]为数控机床进给速度;[vimax]为数控机床允许的最大进给速度;[vimin]为数控机床允许的小进给速度。

数控机床切削时，切削刀的进给速度必须在数控机床允许的最大进给速度与最小进给速度之间。

垂直于进给速度方向的切削層吃刀量约束条件为：

式中，[xp]为垂直于进给速度方向的切削量;[xpmax]为垂直于进给速度方向的切削层最大尺寸。

数控机床的切削加工过程的垂直切削量应小于数控机床最大允许切削量。一般来说，切削时元件的背吃刀量应不超过刀的半径，以免过大而造成刀具损坏。

平行于工作平面并垂直于切削刃基点的进给运动方向上测量的吃刀量约束条件为：

式中，[xe]为平行吃刀量;[xemax]为最大平行吃刀量。

数控机床切削加工过程的平行切削量应小于数控机床最大允许的切削量。通常情况下，平行吃刀量要小于刀具的直径。

数控机床主轴电机功率的约束条件为：

式中，[Wp]为数控机床主轴电机功率;[η]为数控机床在运行过程中的传动效率;[Wmax]为数控机床主轴电机的最大传动功率。

数控机床运行期间，去除材料时功率应不超过数控机床主轴电机产生的最大功率。

刀具耐用程度的约束条件为：

式中，[K]为刀具耐用度;[Kt]为刀具耐用系数，与刀具、元件材料、切削条件直接相关;[Kb]为刀具合理耐用度。

为了保证数控机床加工效率，人们要选用直接影响切削刀耐用度的参数。

工作表面粗糙度的约束条件为：

式中，[Ra]为元件的表面粗糙程度;[Ra]为数控机床允许的元件最大表面粗糙度。

在保证数控机床加工质量的基础上，人们要对切削参数进行优化，元件表面粗糙度应当满足元件加工质量的最低标准。在进行卧铣和立铣时，约束条件各不相同。

1.3 求解基于切削參数的数控机床加工能耗优化函数

基于切削参数的数控机床加工能耗优化函数的求解过程为：一是通过上文确定的切削参数优化变量、目标函数以及相应约束条件，随机产生多个不同的优化目标，并将其设置为初始优化目标集合[F（0）]，利用非支配排序后，通过随机的选择、变异或交叉等操作，产生多个不同的优化子目标集合[E（0）]，并设置此时[q]=0;二是将初始优化目标集合[F（0）]与优化子目标集合[E（0）]合并，形成新的集合[G（q）];三是对集合[G（q）]进行非支配排序，需要注意的是，在排序过程中，要对每个前端的个体进行拥挤度计算，根据排序的序值以及集合中子目标的拥挤程度，选择最适当的新初始优化目标集合[F（q+1）];四是对集合[F（q+1）]进行随机选择、变异和交叉，产生新的优化子目标集合[E（q+1）];五是判断最终生成的优化子目标集合[E（q+1）]中的各个子目标是否符合上文设置的约束条件，若符合，则输出的结果为最终的优化方案，若不符合，则使[q=q+1]，再次进行第二步操作，直到最终结果符合各个约束条件为止。

2 试验论证分析

2.1 试验准备

首先利用仿真试验软件制作数控机床的切削刀具路径仿真模块、加工能耗计算模块、数控代码的解析模块等。然后，利用上文提出的方法对数控机床的各个目标进行优化，将其与优化前的数控机床进行对比。设置试验组为优化后的数控机床，对照组为优化前的数控机床。最后，分别利用两组数控机床进行同一种工业产品生产，将加工过程中产生的相关数据进行记录。

2.2 试验结果分析

根据上述试验准备完成对比试验，并通过记录的数据计算出两种数控机床的能源消耗率，绘制出能源消耗率对比曲线，如图1所示。

由图1可以看出，两种数控机床在同一时间开始进行加工，随着加工时间的增加，能源消耗率逐渐上升。但是，试验组的上升趋势明显低于对照组的上升趋势。对比试验结果表明，采用基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法后，优化后的数控机床能耗率远远低于未优化的数控机床。

3 结语

工业生产企业的数控机床量大面广，耗能巨大，为了保证企业的可持续发展，本文提出一种基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法，通过对比试验证明了该方法的有效性。在后续的研究中，人们要进一步分析数控机床的主轴加速、减速、载荷等对能耗的影响，为高效节能的数控机床各个参数的优化提供理论依据。

参考文献：

[1]宋李俊，潘安大，陈猛，等.基于DE-GPR的数控机床切削能耗预测[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018（11）：52-57.

[2]赵俊花，李丽，李玲玲，等.面向高效节能的复杂曲面分区数控铣削加工优化方法[J].中国机械工程，2019（1）：64-71.

[3]赖旭伟，贾苛珍，郑军.电火花线切割加工能耗数据采集及其特征分析[J].浙江科技学院学报，2018（3）：216-223.