面向高效低碳的数控加工参数多目标优化模型

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Multi-obj ective NC Machining Parameters Optimization Model for HighEfi ciency and Low CarbonLI Congbo CUI Longguo LIU Fei LI Li 1，2(1.State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400030；2.Post-doctoral Study Center of Management Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing400030)Abstract：The NC machining is a widely used processing method in the mechanical manufacturing system.In order to realize the lowcarbon of the NC machining，the NC turning parameters optimization problem for high eficiency and low carbon is studied.Theprocessing time objective function and carbon emissions objective function including electric power carbon emissions，cuting toolcarbon emissions，cuting fluid carbon emissions are established.Considering the machine tool property and processing qualityconstraints，a multi-objective optimization model is established，which takes the NC machining cuting speed and feed as thevariables，the minimum processing time and the lowest carbon emission as the optimization objectives.The weight coeficients areintroduced to transform it into a single objective optimization model and the complex method is applied to solve it.An experimentcase is performed to verify the efectiveness of the optimization model，and the machining parameters optimization results and thesensitivity of optimization variables are analyzed。

Key words：NC machining High eficiency and low carbon Cuting parameters Multi-objective optimizationComplex method0 前言数控加工是机械制造系统广泛采用的-种加工方法。在数控加工的实际生产过程中，切削用量的选择直接关系到所加工产品的产品质量、生产效率、生产成本等。合理地选择切削用量对提高生产·国家自然科学基金(51035001)、中央高校基本科研业务费专项基会(CDJZR12110076)、中国博士后科学基(2012M521671)和重庆市博士后科研(XM2012007)资助项目。20121010收到初稿，20130109收到修改稿效率率、降低生产成本有着非常重要的意义。企业在实际加工过程中，以往通常主要关注的目标是时间和成本。随着企业对环境保护和节能减排工作的越来越重视，加工过程的环境影响问题(如碳排放问题)显得愈来愈重要。综合考虑加工过程效率和碳排放问题对工艺参数进行优化选择，是低碳制造背景下-个迫切需要解决的基雌学问题。

目前，国内外已有多位学者针对切削参数的优化决策问题进行了研究。陈志同等L2以单位时间利润为优化 目标函数研究了面向单元的切削过程参数88 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 9期优化模型；谢书童等3基于分布估算法研究了数控车削中成本最低的切削参数优化方法；石峰等[4基于遗传算法和神经网络法研究了冷挤压工艺参数的模糊优化模型；赵茂俞等5研究了多目标质量的覆盖件成形工艺参数优化模型；李建广等6基于遗传算法研究了车削过程中时间和成本最小为目标的车削用量优化方法：蒋亚军等 基于模糊粗糙集理论对模具加工成本最低的切削参数优化方法进行了研究；SARAVANAN等 j以最小生产成本为目标，利用模拟退火算法和 GA对连续轮廓车削的切削参数优化进行了研究；、ⅣU 等9J在研究高速加工切削参数优化的理论和方法的基础上，研究了以最大生产率为优化目标，应用遗传算法优化高速加工的切削参数的方法；SCHLOSSER等 研究了切削用量和切削能耗及能效的关系，RAJEMI等nlJ研究了能耗最低 目标下的最优车削条件 的选择优化方法；MORI等u 研究了不同切削用量与机床设备能效间的关系，得出了切削用量与设备能效之间有密切关系的结论。上述研究成果大部分以成本，时间或者利润等为优化 目标，少部分开始关注了能耗 目标，但这些研究大部分是只考虑单目标优化方法，少数考虑多目标的研究也是考虑成本、时间等传统目标的优化，较少涉及加工过程环境影响(如加工过程碳排放)为优化目标的多目标优化研究。

基于此，本文对数控车削加工中切削参数的高效低碳优化问题进行了研究。综合考虑机床设备和加工质量的实际约束，建立了以最杏工时间(高效)和最低碳排放(低碳)为优化 目标的切削参数数学优化模型，应用复合形法对所建模型进行寻优求解，并通过实例验证所建模型的有效性。

1 切削参数优化模型的建立1.1 优化变量确定在数控切削加工中，切削速度 v。、进给量 厂和切削深度 % 称为切削用量三要素u]。这三要素是主要的优化变量，但由于切削深度对刀具耐磨度的影响较切削速度和进给量要小，而且在车削加工时，切削深度可根据工件余量和具体的加工要求来确定，本文视为已知量，不进行优化。因此，优化变量主要为切削速度 Vc和进给量 厂。

1.2 优化目标函数本文主要从高效(加工时间短)、低碳(碳排放少)两大方面对加工过程进行优化，优化 目标为时间和碳排放。

1.2.1 切削加工过程时间函数- 个工序加工过程的加工工时包括切削时间、换刀时间、工序辅助时间。最短加工工时的切削用量可实现最高的生产效率(高效)。加工过程时间函数的数学模型可表示为tmfcf tof (1)ndoLwAnJa (2)印 lUUU.，口印泰勒广义刀具的耐用度计算公式为[14] - f31/ -式中， 是工序切削时间， 是换刀-次所用时间，是除换刀外其他辅助时间， 是刀具寿命， 是加工长度， 是加工余量，n是主轴转速， 是工件直径，v 是切削速度， 是进给量，a印是切削深度， 是与切削条件有关的常数， ，Y，z是刀具寿命系数。则加工过程时间函数为了-ru-t oLwAo00Ja ! 兰1 。 。 。二c (4)1 ∞ -1.2.2 切削加工过程碳排放函数切削加工过程的碳排放主要包括加工过程消耗原材料引起的碳排放 C埘、消耗电能引起的碳排放、 加工过程中所用辅助物料(如刀具使用产生的碳排放 Cf和切削液使用产生的碳排放 Cc)以及由加工过程产生切屑的后期处理引起的碳排放 C，如图 1所示。

图 1 切削加工过程碳排放构成图原材料消耗量(即物料资源利用率)在很大程度上是由工艺设计阶段决定的，同时加工过程产生的废屑的后期处理-般是在加工完成后进行。因此，加工过程对原材料消耗引起的碳排放 和废屑处理碳排放 C优化力度有限，因此，对于切削参数优化问题，碳排放主要应考虑切削加工过程中电能消2013年 5月 李聪波等：面向高效低碳的数控加工参数多 目标优化模型耗引起的碳排放 ，刀具使用引起的碳排放 G，切削液使用引起的碳排放 Cc(如果是干式加工，则无)，则切削加工过程碳排放 可以表示为上述三部分碳排放之和，如式(5)所示C Ce cc (5)(1)电能引起的碳排放 。在数控加工过程中，需要消耗大量电能。数控加工过程由于电能消耗而引起的碳排放计算如下ceFeEe (6)式中， 表示电能的碳排放因子(kgCO2/kWh)，Ee表示加工过程电能消耗量。

电能碳排放因子 与电网的构成有着密切的关系，不同的电网的碳排放因子不同。中国发改委应对气候变化司每年都会公布中国几大电网的碳排放因子的数据，如表 1是 2009年公布的中国几大电网的排放因子 。本文在计算电能碳排放时采用几大电网排放因子的平均值作为电能碳排放因子。

表 1 电能碳排放因子表电网名称 电网碳排放因FJ(kgCO2Wh)华北 电网东北 电网华东 电网华中电网西北电网南方 电网全国平均加工过程电能消耗量 的确定。在数控机床加工过程时间段 内，机床的状态可分为加工和空载两种状态。刘飞等 6J研究指出机床由空载状态(尸0)变为加工状态( so)时，即系统处于负载时，会产生附加损耗功率 。机床总的输入功率P1分为三部分：空载功率 、切削功率Pc、附加载荷损耗功率 。机床动态运行时功率平衡方程如下(f) (f)Pc(f)Po(f) (7)机床在实际运行过程中，由于切削力的变化，电压的波动及其他随机因素的影响，机床的运行状态随时都处在不断变化之中。因此，机床的实际运行过程是-动态过程。根据机床动态运行时的功率平衡方程可得到机床动态运行时能量平衡方程如下 (f)df (f)df Pc(f (f)df(8)对于-台机床来说，当其主轴在某-固定的转速下稳态运行且负载-定时，其总的输入功率、空载功率、切削功率、附加载荷功率是-恒定值㈣(含有微小波动，可忽略不计)，则上述机床动态运行能量平衡方程可以转化为ee tm (9)实际加工过程中，机床空载功 率与传动路线长短、润滑状况及主轴转速有着密切的关系，在传动路线及润滑状况相同的情况下，机床空载功率与主轴转速 n近似成二次函数变化关系，如下 o4n 刀 (10)式中， o是最低空载功率， 1， 2是主轴转速系数，0、 l、 2的确定方法可