高效低碳背景下机械加工工艺路线多目标优化 模型分析

仇 阳

（如皋中等专业学校，南通 226500）

机械加工是将一些毛坯材料通过切削、镗铣以及刨磨机床加工变为能用的零部件。整个加工过程不仅追求加工效率，也要考虑加工成本与加工质量。因此，如何控制能耗、提高效率一直是机械加工企业的主要技术改进方向。近几年，随着数控机床技术与机电一体化技术的不断发展，大部分国内机械加工机床系统已经实现了智能化控制。智能化、数据化控制系统虽然极大地提高了机械加工的精密度和稳定性，提高了产线产能效率，但由于机电一体化数控机床应用技术的不成熟，在实际应用过程中有相当一部分数控机床系统存在高能耗等问题[1]。本文针对这一问题，尝试从高效低碳视角探讨如何构建机械加工切削工艺多目标优化模型，并通过模型分析得出更加高效环保的机械加工切削工艺路线。

1 机械加工制造系统的能耗特点与能耗模型

机械加工制造系统是一系列将毛坯材料通过车削、铣削、钻削、镗削、磨削以及刨削等加工工艺形成能够实用的半成品零部件。从能耗视角来看，目前机械加工主要依赖于数控机床设备。机床设备根据加工工艺的区别又可以细分为车削加工系统、铣削加工机床以及钻削加工机床等。除主体加工设备的能耗外，一个完整的机械加工制造系统还会包括空气压缩机、照明系统、暖通设备以及材料半成品运输设备等辅助设备。可见，一个完整运作的机械加工工程体系的能耗构成相当复杂，影响最终能耗的因素也相对较多。

总结来说，机械加工工程的能耗由主体加工设备和辅助设备构成，具体公式如下：

式中：Etotal表示机械加工工程体系的总能耗；Emachine表示加工机床能耗；Eauxiliary表示整个加工车间辅助设备能耗。

依据上文分析思路，主体加工机床是整个机械加工工程中能耗最高也是最主要、能耗源最多的部分。下面以某常见金属零件加工为例，详细论述常见机械加工过程中的机床能耗模型。

依据金属零件机械加工切削数控机床作业流程，按照作业时段，将整个作业过程划分为5 个时段，分别为机床启动时段、待机时段、主轴作业变速时段、空切时段以及切削作业时段。切削数控机床在不同时段的输出功率不同，时段的时长也不同[2]。5 个时段的功率与时长关系如图1 所示。同时，各个时段的能耗源组成也不尽相同。具体各时段的功率构成如图2所示。

2 面向高效节能的机械技工工艺路线多目标集成优化模型分析

2.1 机械加工能耗问题集成优化问题描述

以切削加工工艺为例，机械加工切削机床作业车间的能耗集成优化的主要目标在于选择能耗最小、机床负载稳定的加工工艺。切削技工工艺规划中零件的加工特征、机床类型选用、刀具规格设计与选用、加工流程设计以及切削作业参数设置，都会对最终切削作业的能耗产生影响，因此有必要针对机电能耗影响因素明确机械加工切削作业工艺路线能耗优化步骤[3]。第一，要确定满足零件加工需求的加工顺序、可选的机床类型以及刀具规格，设计出一套切实符合需求且稳定性更好的机床、刀具设备配置方案。第二，为加工工艺设计具体的加工工序方案。第三，基于机床类型和刀具规格，明确主轴转速、进给量以及背吃刀量等切削工艺参数的约束范围，为每一道工序制定具体的切削参数方案。第四，将设计的切削参数方案与能耗控制、机床负载、高效率等目标进行对比，满足优化目标需求，输出最优加工工艺路线，否则返回第一步继续迭代。

2.2 机械加工切削参数方案与工艺路线多目标优化模型构建

要构建多目标优化模型，需要确定能耗问题和机床负载均衡问题的决策变量、目标函数和约束条件。

2.2.1 决策变量

决策变量主要包括同一个类型零件的加工顺序seqi,j，确定零件加工工序的主加工机床加工状态的Mi,j,k，确定零件各工序交给你所用刀具规格数据Ti,j,s。

切削参数优化的决策变量包括主轴转速ni,j、进给速度fi,j以及背吃刀量api,j。

2.2.2 目标函数

本文研究多目标优化模型主要有两个方面。

（1）能耗目标函数。通过上述分析的机械加工过程中各时段的能耗构成，能够得出机械加工工艺路线方案（工序加工顺序、机床选择、刀具选择）会直接影响空切时段、切削作业时段以及换刀时段的能耗[4]。因此，依据上文分析的各时段机械加工能耗构成，得出机械加工过程中切削作业能耗目标函数：

式中：Ep为零件机械加工过程总能耗；Eair为空切时段能耗；Ecutting为切削加工时段能耗；Etc为换刀时段能耗能耗；Pst为待机时段功率；Pauc为机床启动辅助系统功率；Pu为传动系统空载功率；Pc为物料去除功率；Pa为附加载荷损耗功率；ttc为换刀时段时长；tcutting为切削加工时段时长；OPi,j表示第i 个零件的第j 道工序；I 为零件序号；k 为机床编号。

（2）机床负载均衡目标函数。通常情况下，在对当前机械加工工艺进行优化时，不仅需要从低能耗角度出发，还要从加工成本和作业效率角度提高整个作业系统的经济效益[5]。机床负载均衡要求车间生产过程中工艺流程各个工序生产效率的均衡配置，确保上下关系的工序生产效率基本一致，不会因为某一段工序的效率低下导致整个产线生产效率下降。这就要考虑每一种类不同机床类型加工负载均衡的状态。

设w(k)为车间中第k 台机床的加工负载。依据上述分析，各工序时段的加工负载与该机床上负责的各项加工工艺时间相关，因此可以通过式（3）计算得到编号k 的机床的加工负载：

式中：PT(OPi,j)表示第i 个零件第j 个工序的总加工时长；Mi,j,k为一个0 到1 之间的变量，若Mi,j,k=1则表示工序OPij在第k 台机床上进行加工，反之则Mi,j,k=0；I 表示零件序号；mi表示第i 个零件的加工工序总数。

3 约束条件

机械加工切削参数与工艺集成的约束条件如下：当确定机床加工工序的零件特征后，确定能够满足零件加工特征约束条件的机床类型和刀具规格，然后计算该机床在加工该零件时的最高主轴转速nmax(k)与最低主轴转速nmin(k)，刀具允许进行的最大切削速度vcmax(k)与最小切削速度vcmin(k)，以及能够满足工艺系统整体设备负载能力的粗加工最大背吃刀量和最小背吃刀量

若同一个零件采用同一种加工方法，它的加工工序顺序是已知且固定不变的，那么可以按照各道工序的已知加工理论顺序从小到大为具体工序进行编号。另外，同一种零件的加工工艺顺序需要遵循一定的紧前关系约束（基准约束、材料去除约束、工艺结构约束等）。不同编号的零件在同一编号机床上的共类型工序之间，则不存在这种紧前关系约束。

4 结语

本文在高效低碳经济发展背景下，以能耗控制目标和机床负载均衡目标为优化方向，在充分分析机械加工工艺过程中的能耗构成后，确定了各时段机床加工零件切削参数和工艺路线相关的决策变量，然后分别确定了两个目标函数，并全面考虑了该函数计算过程中的约束条件，最后得出以高效与低碳为目标的机械加工切削参数和工艺路线的多目标优化模型，可为机械加工产业的可持续发展提供帮助。