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1、硕士学位论文面向能效的数控铳削参数与刀具路径 优化模型及方法学科专业：机电系统工程研究方向：可持续制造目录左哥 IABSTRACT.Ill第1章文献综述.11.1.1 数控机床能耗模型研究现状.11.1.2 数控加工参数能效优化研究现状.21.1.3 数控加工刀具路 化研现状4第2章绪论.72.1 J U IJ:C、72.1.1 研究背景.72.1.2 研究意义.72.2 目与 I 口）l*内 82.2.1 课题项目来源.82.2.2 主要研究内容.8第3章 数控铳削加工过程能耗模型研究.113.1 数控 削加工过程月匕耗特性分析113.1.1 数控机床多能量源特性.113.1.2 数控削加工
2、过程月匕耗时段特性 123.2 数控削加工过程月匕耗建模 153.2.1 待机能耗建模.153.2.2 空切能耗建模.163.2.3 5t肖iJ月匕耒毛163.2.4 辅助系统能耗建模.173.3 数控铳削加工过程能耗模型相关系数实验拟合.18332待机能耗.213.3.3空切能耗.21334铳削能耗.26335辅助系统能耗.293.4 数控铳削加工过程能耗模型精度验证.293.5 本章小结.32第4章 面向能效的数控铳削参数多目标优化模型与方法.334.1 数控铳削参数能效优化问题描述.334.2 面向能效的数控铳削参数多目标优化模型建立.334.2.1 优化变量选取.33422优化目标函数
3、.34423约束条件.374.3 基于线性递减粒子群算法的铳削参数优化求解方法.384.4 案例优化结果及分析.404.5 本章小结.42第5章 面向能效的数控铳削刀具路径优化模型与方法.435.1 数控铳削刀具路径相关概念及问题描述.435.2 面向能效的数控铳削刀具路径优化模型建立.445.2.1 优化变量选取.44522优化目标函数.44523约束条件.455.3 数控f5t削刀具路优化求斛万法46531合理刀位点数的生成.465.3.2基于改进遗传算法的数控铳削刀具路径优化求解.485.4 案例优化结果及分析.555.4.1 平面铳削刀具路径优化案例分析.555.4.2 曲面铳削刀具路
4、径优化案例分析.605.5 本章小结.66第6章 数控铳削参数及刀具路径能效优化支持系统.676.1 系统总体框架.676.2 月匕LJ JI 686.2.1 系统开发环境.686.2.2 系统功能模块开发.696.3 系统测试与应用实施.726.4 本章小结.74参考文献.77发表论文及参加课表.83作者在攻读硕士学位期间授权专利与软件著作权.85摘要摘要机械制造业是我国国民经济的重要支柱产业。目前我国机械制造业普遍存在 能耗高、效率低等问题，是国家实施节能减排、绿色环保等重大战略的重点关注领 域。数控机床作为机械制造业的能耗主体，其能量源多、能耗特性和能耗流程复杂 多变，具有很大的节能优化
5、空间。因此，如何实现数控机床的低能耗、高效加工，是一个具有重要研究意义的基础问题。本论文依托国家自然科学基金项目“基于曲 面复杂度的复杂曲面类零件高效低碳优化加工方法与关键技术”（编号：51405396）和教育部中央高校重点项目“复杂曲面零部件数控加工工艺高效低碳优化方法研 究”（编号：XDJK2014B007）对面向能效的数控铳削参数与刀具路径优化模型及方 法展开了研究。主要工作如下：首先，分析了数控机床的多能量源特性和能耗时段特性，建立了数控铳削加工 过程能耗模型，包括待机能耗模型、空切能耗模型、铳削能耗模型及辅助系统能耗 模型；在此基础上，采用非线性回归拟合等方法对能耗模型中相关系数进行
6、实验拟 合，并通过将实际加工过程的能耗数据与能耗模型理论计算结果进行对比，验证了 所建立能耗模型的精度与可靠性。其次，对数控铳削参数能效优化问题作了详细描述，选取铳削参数为优化变量,以最低铳削功率和最大材料去除率为优化目标函数；基于灰色关联分析法和实验 数据确定了优化目标权重，进而建立了面向能效的数控铳削参数优化模型；再采用 线性递减粒子群算法进行了优化求解，并对最优铳削参数进行了实际应用验证。然后，分析了数控铳削刀具路径能效优化问题，以加工能耗最小和加工效率最 大为目标，建立了面向能效的数控铳削刀具路径优化模型；根据零件网格离散化生 成可行刀位点，在此基础上采用改进遗传算法对刀具路径优化模型
7、进行求解；分别 针对平面铳削和曲面铳削刀具路径优化问题开展了案例应用验证，并将刀具路径 的能耗实测值与理论计算值进行了对比分析。最后，根据所提出的面向能效的数控铳削参数与刀具路径优化模型及方法，利 用MATLAB GUI开发了数控铳削参数及刀具路径能效优化支持系统，详细介绍了 该系统的总体框架与功能模块界面开发，并通过平面铳削和曲面铳削加工案例进 行了系统测试和应用。关键词：数控铳削；能耗模型；铳削参数优化；刀具路径优化；支持系统ABSTRACTABSTRACTMachinery manufacturing industry is an important pillar industry of
8、 China national economy,which consumes a significant portion of total energy consumption and has low efficiency,and becomes a key field focused on energy conservation and environmental protection in China national sustainability-reform implementation.CNC machine tools,as the main body of energy cons
9、umption in machinery manufacturing industry,has many energy sources,energy consumption characteristics and energy consumption processes that are complex and varied,and have great energy-saving potentials.How to achieve low energy consumption and high efficiency machining of CNC machine tools is a fu
10、ndamental issue of great research significance.Relying on the project of the National Natural Science Foundation of China(No.51405396)and the key project of Central University(No.XDJK2014B007),the optimization model and method of NC milling parameters and tool path for energy efficiency is studied i
11、n this thesis.The main work is as follows:Firstly,the characteristics of multi-energy sources and energy consumption period of CNC machine tools are analyzed,and the energy consumption model of NC milling process is established,including standby energy consumption model,empty cutting energy consumpt
12、ion model,milling energy consumption model and auxiliary system energy consumption model.Based on this,the correlation coefficient in the energy consumption model is fitted experimentally by nonlinear regression fitting,and the energy consumption data of the actual milling process are compared with
13、the theoretical results of the energy consumption model,and the accuracy and reliability of the established energy consumption model are verified.Secondly,the energy efficiency optimization problem of NC milling parameters is described in detail.The optimized objective function of the minimum millin
14、g power and the maximum material removal rate is established by selecting milling parameters as the optimization variable,and the weight of the optimized target is determined based on the grey relational analysis and experimental data,then,an energy-efficient optimization model for NC milling parame
15、ters is established.The optimization is solved by linear decrement particle swarm optimization algorithm,and the practical application of the optimal milling parameters is verified.Thirdly,the energy efficiency optimization problem of NC milling tool path is ill西南大学硕士学位论文analyzed,and the optimizatio
16、n model of NC milling tool path for energy efficiency is establish,which takes the minimum energy consumption and maximum machining efficiency as the objective.The tool path optimization model is solved by improved genetic algorithm based on the feasible cutter location points generated by mesh disc
17、retization of parts.The case verification of tool path optimization for plane milling and curved surface milling is carried out respectively,and the measured values of tool path energy consumption are compared with the calculated values.Finally,according to the proposed optimiazation model and metho
18、d of NC milling parameters and tool path for energy efficiency,a NC milling parameter and tool path energy efficiency optimization support system is developed by using MATLAB GUL The system framework and function module interface development are introduced in detail,and the system test and applicati
19、on are carried out by plane milling and curved surface milling.Key words：NC milling;Energy consumption model;Milling parameters optimization;Tool path optimization;Support systemIV第1章文献综述第1章文献综述1.1 国内外研究现状1.1.1 数控机床能耗模型研究现状近年来，机械加工制造的高效节能优化问题已成为国内外学者与制造企业关 注的焦点。数控机床作为机械加工制造过程中最常用的生产设备，其能耗特性复杂,如何系统揭示
20、数控机床能量消耗特性并建立详细的能耗模型，是实现机械加工制 造过程高效节能生产的基础与关键。目前，国内外学者对数控机床能耗特性与能耗 评估模型作了一系列研究。如下：Rajemi等从机床加工操作过程出发，选取加工设置过程、实际加工过程与换 刀过程为研究对象，考虑刀具寿命与切削刃对机床能耗的影响，建立了单工步车削 能耗模型。Diaz等研究了加工操作过程中主轴加速、减速以及平稳运行时的能耗规律，并将机床能耗划分成了基础操作能耗Econst、主轴加速与减速能耗Evar-trans、主轴平 稳运行能耗Evar-steady以及切削能耗后疝四个部分,从而构建了机床整体能耗模型。Calvanese和Frig
21、erio均以机床结构组成为研究对象，详细分析了机床各功能 部件在不同加工状态下的能耗，分别建立了由机床各功能部件能耗模型组成的加 工过程总能耗模型，并通过切削加工实验验证了所建模型的有效性3久Yoon等对机床能耗特性进行了理论分析与实验研究，将机床能耗划分成了基 本能耗Ebasic、主轴能耗Espindle、进给轴能耗Efeed以及切削能耗后而四个部分；随 后，在此基础上研究了刀具磨损和切削参数对切削功率的影响，并利用二阶响应面 法构建了切削功率与切削参数和刀具磨损的关系模型叵6。Greg等基于进化遗传算法、支持向量回归法和多元自适应回归法三种方法分 别构建了切削参数与机床能耗和刀具寿命的关系
22、模型，并通过拟合度比较发现进 化遗传算法拟合模型更好，同时指出切削速度对模型影响最大。Shin等详细分析了机床加工过程的固定能耗，主要包括伺服驱动、主轴驱动、液压系统、冷却润滑系统等运转产生的电能消耗，并建立了各功能组件的能耗评估 模型网。Zhou等通过开展机床切削实验研究了切削力与切削能耗的关联关系，并通过 实验拟合建立了两者的关联模型凹。Jiang等详细分析了磨床的能耗构成特性，并将其总能耗分为磨砂轮系统能耗、砂轮夹板系统能耗和辅助系统能耗，在此基础上建立了磨床切削过程能量消耗模 型。重庆大学刘飞教授研究团队对机械加工系统能耗特性和能耗模型作了大量研 西南大学硕士学位论文究口2久例如，文献
23、11通过分析数控机床能量源的多样性与各能量流的功率平衡 方程，构建了数控机床多源能量流的能量流程；文献12将机床服役过程划分成了 启动、空载、加工和待机四个子过程，并建立了以各子过程能耗预测为基础的机床 服役过程能量消耗和能量效率预测模型。随后，文献13与14将零件加工过程分 成了待机、启动、空载、切削、间停、转运六个过程，构建了各过程的能耗模型，并在此基础上提出了一种以零件加工过程能耗预测为基础的零件加工能耗定额制 定方法。浙江大学唐任仲教授团队对典型切削机床的能耗模型进行了研究5/6。将机 床加工过程能耗分为切削稳定状态能耗和切削瞬态能耗，其中切削瞬态能耗为机 床在待机、主轴加减速、空切、
24、切削加工等各状态之间进行转换时的能量消耗。施金良等对变频类数控机床主电动机系统和机械传动系统的功率传输特性与 能量损耗规律展开了深入研究，构建了整个主传动系统的动态功率平衡方程，为机 床节能途径探索、刀具磨损监控技术等实施奠定了理论基础“支胡韶华等以机床能耗部件为研究对象，从系统层面分析了各部件能耗特性，将 机床能耗分为了负载无关能耗子系统和负载相关能耗子系统两个部分，建立了数 控机床能耗通用模型1网。孔露露研究了数控机床的结构及各部件能耗特性，将机床系统划分为加工动 力系统与辅助系统两部分，基于此建立了机床实用能耗模型，同时提出了机床层切 削比能模型口 9】。由此可见，数控机床能耗模型构建得
25、到了国内外学者的广泛关注，并从机床加 工操作过程、机床结构组成、机床加工运行状态、机床能耗构成以及加工设备类型 等不同方面进行了能耗特性与能耗模型研究，为机床节能优化、能耗监测、绿色评 估等奠定了理论基础。然而，少有学者以机床加工过程的操作时段划分为基础构建 数控铳削加工过程能耗模型，且少有学者对数控机床能耗模型进行精度与可靠性 验证；同时鲜有学者对数控机床进给轴在不同运动方式下作快速进给运动时的能 量消耗进行研究。1.1.2 数控加工参数能效优化研究现状数控加工过程中，当数控机床型号、刀具型号以及工件材料等加工条件确定后,数控加工参数的合理选择是影响加工能耗、加工效率以及加工质量等的重要因素
26、，对机床实施高效节能优化加工具有重要意义。因此加工参数优化是实现机床低能 耗、高效加工的重要方式之一，也是国内外学者关注的焦点。Bhushan等研究了切削参数与刀尖半径对机床能耗和刀具寿命的影响规律，并 采用多目标优化方法对切削参数与刀尖半径进行了优化，结果表明优化后的切削 2第1章文献综述参数与刀尖半径能有效降低机床能耗和提高刀具寿命。Addona等以车削参数为优化变量，建立了以加工时间、加工质量、加工成本 为目标的多目标优化模型，并采用遗传算法对车削参数进行了优化求解。Hanafi与Kant分别在不同工件材料条件下，均以最低能量消耗与最佳加工质 量为优化目标，采用不同优化方法进行车削参数优
27、化（前者采用灰色关联理论与田 口法，后者采用主成分分析和响应面法），分别获得了加工不同工件材料时的最优 车削参数，同时指出切削速度和切削深度对目标影响较大卬，2叫Campatelli等通过干切削加工实验分析了切削参数与切削功率的相互关系，建 立了两者的关联数学模型，并采用响应面法获得了最优模型系数与最优切削加工 参数侬。Manivel等以无切削液铸铁车削实验为研究对象，研究了车削参数对表面粗糙 度与刀具磨损的影响关系，并通过方差分析与信噪比分析获得了最优车削参数组 合25。Camposeco-Negrete等采用鲁棒性实验设计方法，在保持物料去除率恒定不变 的情况下，揭示了轴类零件车削参数对能
28、耗的影响规律，并通过实验分析得到了最 优车削参数组合12%Albertelli等以最低加工能耗和最短加工时间为目标，建立了平面铳削过程高 效节能的铳削参数多目标优化模型，并通过优化算法获得了最优铳削参数PL李聪波等通过对数控加工特性的分析，以加工参数为优化变量，考虑机床性能、刀具性能和加工质量等实际约束条件，分别构建了以最短加工时间与最低碳排放、高能效与高效率、最高能量效率与最短加工时间的不同多目标优化模型，并分别采 用复合形法、多目标粒子群算法以及连续禁忌算法进行了优化求解，获得了各目标 优化模型的最优加工参数组合.SO。谢科磊等以切削加工工艺参数为设计变量，构建了以最低加工成本、最高生产
29、率为优化目标的数控切削加工数学模型，并采用一种新的结合遗传算法与模拟退 火算法的混合优化算法进行了切削加工参数优化求解。周志恒等以加工能耗最低和加工效率最高为优化目标，并基于多目标教与学 的思想开发了一种新型优化求解算法,获得了车削加工参数优化的Pareto前沿解，结果表明所提出方法是有效可行的囱。杨成云以车削参数为优化变量，建立了以最大生产率、最低加工成本和最大材 料率为目标的优化模型，运用罚函数法对约束条件进行处理，并采用遗传算法进行 优化求解获到了最优车削参数组合3引。王宸等建立了以最低加工成本和最高加工效率为目标的数控加工非线性数学 优化模型，并结合多目标粒子群算法和模拟退火算法的优点
30、，提出了一种混合多目 3西南大学硕士学位论文标粒子群优化算法网。邓朝辉等考虑机床能耗与加工时间为目标，构建了平面铳削参数多目标优化 模型，并提出了一种基于改进遗传算法的铳削参数优化求解方法RM前期学者主要以加工时间、加工成本、加工效率、刀具寿命等为优化目标，构 建相应加工参数优化模型，然后采用响应面法、复合形法、连续禁忌算法等对加工 参数优化模型求解进行研究；并逐步展开了以加工能耗为目标的加工参数优化研 究，各研究均取得了较好的效果。但大部分研究多为车削加工参数优化，且在多目 标优化问题中，少有研究涉及以材料去除率与铳削能耗为优化目标；同时以上文献 所研究的多目标优化转化为单目标优化，大多是在
31、已知各目标期望程度的主观条 件下进行权重确定，鲜有学者在未知各目标期望程度下根据实验数据结果来确定 各目标的权重。1.1.3 数控加工刀具路径优化研究现状在加工参数优化并取得最优值后，数控加工刀具路径则是影响加工质量、加工 效率和机床能量消耗的另一重要因素。合理高效的刀具路径是实现数控机床节能 优化、高效加工的重要措施之一，也是实现绿色可持续加工的关键环节。因此，如 何得到合理高效的刀具路径也是当前国内外学者关注与研究的重点。Manav等提出了一种基于多准则优化的刀具路径智能选择方法，对曲面模型中 受平均合力、残留高度和加工时间影响的刀具路径进行了优化【38。Fountas等围绕加工表面误差和
32、加工效率问题，对机床动力学特性和曲面加工 几何误差进行分析，设计了一种基于病毒遗传算法的曲面加工刀具路径优化方法,有效地降低了加工误差国】。Bagci等针对曲面零件铳削加工效率低的问题，采用声压实时监测方法研究了 刀具路径和切削参数对表面误差和瞬时物料去除率的影响，提出了刀具路径自适 应优化方法38】。Medinarodriguez等提出了一种基于并行方案的蚁群优化算法，优化得到了平面 孔加工过程中的最佳G代码、最优加工顺序以及最短刀具路径，缩短了平面孔的 加工时间网。Pezer基于旅行商问题的原理，采用遗传算法对孔群加工顺序进行了优化，得 到了孔群加工的最短刀具路径，提高了孔群加工效率约。A
33、ramcharoen等通过加工实验指出由NC代码生成的不同刀具路径影响着机床 电能需求与加工时间，并与数控铳削能耗模型存在一定关系，同时指出刀具路径选 择对能量节约具有重要意义】。Kong等采用两种不同的加工分析软件研究了加工操作过程中不同刀具路径与 4第1章文献综述机床能耗间的关系，结果表明采用不同刀具路径加工相同工件时，机床能量消耗不 同42】。Balogun等选用标准NC刀具路径进行铳削加工实验，研究了相同刀具路径下 不同机床型号和工件装夹位置对机床能耗和碳排放的影响规律网。季国顺等针对数控多轮廓加工走刀空行程问题，结合蚁群算法和最近邻算法,提出了一种多轮廓走刀空行程路径优化方法%支赵鹏
34、等对刀具路径几何特性进行了分析，提出了一种基于非均匀B样条曲线 拟合的刀具路径优化方法，解决了曲面加工中刀具路径不连续问题，提高了曲面加 工精度与效率14叫吴福忠以曲面刀具路径为研究对象，分析了在满足一定条件时由测量点直接生 成刀具路径的不足，并基于最小二乘支持向量机，提出了一种点云曲面三坐标加工 残留高度刀具路径生成方法，有效解决了加工精度与效率问题US。侯媛彬等围绕多轮廓零件加工过程中走刀空行程与刀具起落次数问题，结合贪 心算法与遗传算法的特点，提出了一种新型多轮廓加工刀具路径优化方法，有效地 减少了走刀空行程与刀具起落次数，提高了加工效率HL雷伟军等针对多模型整体加工过程中的路径规划问题
35、，采用改进遗传算法对同 一毛坯上多模型加工之间的刀具路径进行优化求解，有效地减少了多模型整体加 工时间网。肖军民等为缩短孔群间空走刀行程，提出了一种基于改进遗传算法的孔群加工 空行程刀具路径优化方法，有效地缩短了刀具空行程路径1491。马建伟等考虑自由曲面切削过程的切削力动态变化特性，提出了一种基于切削 力微小波动约束的刀具路径优化方法，通过求解最优的刀位点和刀具轨迹间隔实 现了加工质量最优5。目前大部分文献是围绕不同加工对象的加工精度差、加工效率低、刀具路径不 连续以及工序间走刀空行程等问题，采用不同优化方法进行刀具路径优化的相关 研究；或是针对平面孔群加工中加工顺序、走刀空行程以及最短刀具
36、路径的刀具路 径优化研究，同时有学者指出了刀具路径与机床能耗存在一定影响。但鲜有学者研 究加工刀具路径优化对机床能耗和加工效率的综合影响规律，为此开展刀具路径 优化研究具有重要意义。综上分析可知，本文将针对当前数控机床能耗模型、加工参数优化与刀具路径 优化研究的不足，对其展开进一步的研究，以实现数控机床高效、低能耗的绿色可 持续加工。5西南大学硕士学位论文6第2章绪论第2章绪论2.1 研究背景及意义2.1.1 研究背景能源资源在国家长期发展战略中扮演着不可或缺的角色，并对国民经济发展 的可持续性具有重要意义。然而，随着社会的不断进步、经济的高速发展以及人类 日益增长的物质需求，使得能源需求越来
37、越大，能源使用过程中造成的生态环境恶 化问题也日益突出，能源短缺与环境污染成为了人类面临的共同挑战。2017年BP 世界能源统计年鉴指出2016年我国占全球能源消费量的23%,占能源消费增长 的27%,二氧化碳排放量占全球排放量的27.3%,是最大的能源消费与碳排放国 Ki】。过多的能源消耗与污染物排放使我国资源环境承载能力已接近极限，加快推 进绿色可持续发展迫在眉睫。在工业化进程中，我国对节能减排与环境保护工作一直非常重视。早在1998 年，我国就出台了中华人民共和国节约能源法，随后对其不足进行了多次修订 与补充，使其成为我国一项较为完善的基本国策国。2014年国务院印发了2014-2015
38、年节能减排低碳发展行动方案，意在加强节能减排，实施低碳发展战略.I。2015年中国制造2025指出加大节能环保技术、工艺和装备的研发力度，提高 制造业资源利用率，降低加工能耗、物耗水平，构建绿色制造体系61。工信部于 2016年发布了工业绿色发展规划（2016-2020年）,从“大力推进能效提升、扎实推进清洁生产、加强资源综合利用、消减温室气体排放、加快构建绿色制造体 系”等方面作了具体任务部署1561。随后，十三五节能减排综合工作方案指出到 2020年实现全国万元国内生产总值能耗与污染物排放总量分别比2015年下降15%与10%卬】。2017年，工信部制定了2017工业节能减排综合利用工作要
39、点,提 出制造业全面推行节能减排的绿色化改造与升级158。随着众多节能减排、绿色环保政策的提出与实施，可见减少制造业的能源消耗 与污染排放是当前制造业面向绿色可持续发展的必然趋势。数控机床作为制造业 最主要的生产装备，也是最主要能耗源，如何降低数控机床加工过程中的能耗与提 高效率是实现机械制造业绿色可持续加工的一个重要研究方向。2.1.2 研究意义目前，据估计我国机床总量在800万台左右，拥有量居世界第一59。若每台 机床额定功率为510kw,其总的额定功率将达40008000万千瓦，相当于三峡电 站总装机容量2250万千瓦的1.83.6倍。文献28-31指出零件加工过程中，加工 参数优化值相
40、对于经验值能有效提高加工效率7%16%左右。美国Gutowski教授 7西南大学硕士学位论文通过大量的加工能耗实验得出：一条自动化机械加工生产线的能量利用率仅有 14.8%,且一台主轴功率为22kW的数控机床工作一年消耗电能所排放的CO2相当 于61辆SUV汽车的排放量础。英国Newman教授研究发现机械加工过程中，机床用于材料去除的切削能量利用率大约为20%俗叫 国内刘飞教授通过实验研究 发现机床加工过程中用于切削的能量利用率平均却低于30%,同时指出如果我国 每台机床的能量利用率能提高1%,每年将减少几千万吨标准煤的消耗631。由此可见，数控机床在加工中存在能耗大、加工效率与能量利用率低等
41、问题，具有巨大的节能减排潜力。数控机床运行过程中，各加工环节均涉及到能量消耗，是一个多能耗源和能耗环节复杂的加工系统；如何降低机床使用过程中的能耗以 及提高能量利用率与加工效率是当前亟待解决的科学问题，对能源节约与环境保 护具有重要意义。基于此，本文将结合铳削参数优化与刀具路径优化对数控机床高 效节能加工方法展开研究，达到数控机床低能耗、高效加工的目的，具有重要的理 论与实际意义。2.2 课题项目来源与主要研究内容2.2.1 课题项目来源本论文课题的主要研究工作来源于以下项目的支持：1、国家自然科学基金项目“基于曲面复杂度的复杂曲面类零件高效低碳优 化加工方法与关键技术”（项目编号：51405
42、396）,2015.01-2017.12o2、教育部中央高校重点项目“复杂曲面零部件数控加工工艺高效低碳优化方 法研究”（项目编号：XDJK2014B007）,2014.l-2016.12o2.2.2 主要研究内容围绕论文研究目的与意义，重点分析了数控铳削加工过程的能耗特性，对面向 能效的铳削参数与刀具路径优化模型及方法展开了研究。论文组织结构安排与技 术路线分别如图2-1与2-2所示，论文主要研究内容如下：（1）从数控机床结构组成出发，对数控铳削加工过程的能耗特性进行分析，并进行铳削加工操作过程时段划分，建立相应数控铳削加工能耗模型；在此基础上,采用非线性回归拟合等方法对能耗模型中相关系统进
43、行实验拟合，并通过将实际 加工过程的能耗数据与能耗模型理论计算结果进行对比分析，以验证所建立铳削 加工过程能耗模型的精度与可靠性。（2）考虑当前采用数控铳削参数经验值进行加工时出现能耗高、效率低等问 题，为此展开数控铳削参数能效优化研究。首先对数控铳削参数能效优化问题作了 详细描述，选取主轴转速、进给速度、铳削深度与铳削宽度为优化变量，以最低铳 8第2章绪论削功率和最大材料去除率为优化目标函数，基于灰色关联分析法和实验数据确定 各优化目标函数权重，以此建立面向能效的数控铳削参数优化模型；再采用线性递 减粒子群算法进行了优化求解，并通过实验对最优铳削参数进行实际应用验证。(3)针对当前刀具路径优
44、化研究较少涉及加工能耗与加工效率，对此展开刀 具路径能效优化研究。首先分析数控铳削刀具路径能效优化问题，考虑实际加工条 件，以此建立面向能效的数控铳削刀具路径优化模型；接着采用改进遗传算法分别 进行了平面铳削与曲面铳削刀具路径优化求解，并结合不同铳削参数与不同刀具 路径集成进行数控铳削加工效率仿真与加工能耗实验，验证所提出方法的有效性 与实用性。(4)根据所提出的面向能效的数控铳削参数与刀具路径优化模型及方法，利 用MATLAB GUI开发数控铳削参数及刀具路径能效优化支持系统，对该系统的总 体框架与功能模块界面开发进行阐述，并通过不同零件模型应用案例对该系统的 有效性进行验证。图2-1论文组
45、织结构图Fig.2-1 Organization chart of the thesis9西南大学硕士学位论文数控铳削加工过程研究对象文献查阅及其 他准备工作论文研究方 案制定方案可行性分 析并确认实验设备及实 验材料准备数控铳削加工过程能耗特性分析及建模研究数控机床能耗一 数控铳削加工过程一 能耗模型系数实验拟合特性分析能耗模型建立及精度验证缭能量源特性居 能耗时段特性,较验方案确定、数据3 集、数据处理与分析数控铳削加工过程能效优化研究铳削参数能效优化研究 优化变量 目标函数建立及权重确定 约束条件刀具路径能效优化研究优化问题描述刀具路径优化模型建立可行刀位点获取线性递减粒f子群算法P=改
46、进遗传一算法_O_最优铳削参数组合最优铳削刀具路径不同铳削参数与不同刀具路径集成加工效率与加工能耗 验证及结果对比分析数控铳削加工过程高效节能优化数控铳削参数及刀具路径能效优化支持系统开发主体框架-1/功能模块界面开发-!系统测试图2-2论文技术路线Fig.2-2 Technology roadmap of the thesis10第3章数控铳削加工过程能耗模型研究第3章 数控铳削加工过程能耗模型研究数控机床作为机械制造业的重要组成部分，广泛应用于航空、汽车制造等生产 领域，但其在生产过程中能量消耗大、加工效率低等特点，造成了能量浪费。如何 实现数控机床低能耗、高效率铳削加工是当前迫切需要解决
47、的问题。本章首先对数 控铳削加工过程能耗特性进行分析，在此基础上建立了铳削加工过程能耗模型；再 通过实验对能耗模型中的相关系数进行了拟合，并通过加工实验对铳削加工过程 能耗模型的精度进行了验证。3.1 数控铳削加工过程能耗特性分析3.1.1 数控机床多能量源特性数控机床(Numerical Control Machine Tools)是一种采用计算机，利用数字技 术进行控制且自动化程度与工作效率高并装有程序控制系统的加工机床俗支 数控 机床的基本结构组成包括输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、反馈装置、辅助控制装置以及机床本体。其中各结构组成由不同的功能系统构成，输入/输出 装置包括显示系
48、统、操作面板系统等；数控装置包括计算机系统、存储系统等；伺 服驱动装置包括主轴伺服系统、进给轴伺服系统等；反馈装置包括开环系统、半闭 环系统与闭环系统；辅助控制装置包括换刀系统、冷却系统以及排屑系统等；机床 本体则由床身模块、工作台、机床底座等组成。其结构组成如图3-1所示。输入输出装置工机床数控系统(NC)图3-1数控机床的组成结构Fig.3-1 Composition of CNC machine tool数控机床的构成特性决定了其具有能量源多、能耗组成复杂等特性。数控机床 的能量源主要来自电能，并经电动机的电磁耦合转换为机械能，这些能量被分配到 数控机床的各个能耗子系统中。其中，一部分用
49、于维持机床系统中各功能部件的正 11西南大学硕士学位论文常工作，另一部分则转换为材料去除过程所需的动能和势能，同时还存在其他形式 的能量损耗，如电机损耗、机械传动损耗、废热等。数控机床各能耗子系统的划分、组成部件及相应功能描述如表3-1所示。表3-1数控机床能耗子系统组成Table 3-1 Composition of energy consumption subsystem of CNC machine tool能耗子系统主要功能部件功能描述主轴伺服驱动系统主轴伺服电机完成主轴旋转运动，提供切削动力进给轴伺服驱动系统进给轴伺服电机控制X/Y/Z轴的进给运动液压系统液压泵电机提供夹紧压力润滑系
50、统润滑泵电机提供润滑油控制面板数控指令转换成电信号输出控制系统主轴/进给轴驱动器转换主轴/进给轴的数控指令为电信号主轴/进给轴变频器改变调速性能和调速范围照明灯照亮机床内部工作区域基础系统散热风扇电控柜散热计算机及显示器显示加工过程实时数据信息冷却泵电机提供冷却液外部辅助系统换刀马达选择刀具并提供换刀动力排屑电机提供切屑运输动力空气压缩电机提供机床加工所需气压由表3-1知，数控机床是一个能耗子系统多、功能部件多且能耗特性复杂的多 能量源能耗系统，其整个加工过程的能耗即为所有子系统能耗的集成。在数控加工 过程中，机床各子系统随着加工操作过程的动态变化特性而呈现出不同的能耗时 段特性，从而引起数控