李伯州
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摘要:数控机床的能效控制一直都是当今社会关注的热点，为了提高能源利用率，本文针对数控加工能效控制要求，提出一种基于多目标粒子群算法的工艺参数优化模型。通过分析数控加工机床的能耗特性，从成本、比能和时间3个角度构建能效模型，并利用多目标粒子群算法的优势对多目标方程进行求解。最终实验验证了能效模型的有效性。
关键词：数控机床；能效；加工工艺；参数优化
引言
随着资源和环境问题日益严峻，机床的能耗问题越来越受到关注。数控机床是装备制造业中的主体，具有自动化程度高、加工速度快等优势，已广泛应用于制造业的各个领域。然而数控机床结构复杂，能耗关系的衡量和确定也更加复杂，不仅制约着数控机床的发展，也给我国制造业带来了不利影响。因此，必须要加强对数控机床能耗的控制，以促进数控机床的发展。鉴于此，本文从能效控制的角度出发，对数控机床加工工艺参数优化模型及方法进行研究。
1.能量消耗模型构建
数控加工系统的结构主要包括数控机床、夹具、刀具和工件等[1]。有学者认为，数控加工阶段中数控机床是能量消耗的主体。影响数控机床能耗的因素很多，如液压系统、变频器等。但机床能量消耗比较复杂，在实际研究中通常将机床的能量消耗分为3个过程，具体可以用图1来表示。
式中:Etotal为加工总能耗;Est为待机过程消耗的能量;Eair为空载过程消耗的能量;Ecutting为加工过程消耗的能量;Pst为待机过程的功率;Pair为空载过程的功率;Pcutting为加工过程的功率。
2.面向能效的多目标优化模型的建立
根据上述能量消耗的特点，本文从时间目标函数、成本控制目标函数和能效目标函数3个方面构建多目标优化模型。
2．1时间目标函数
在加工工序中，加工工时tp由切削时间tm、换刀时间tc、工序辅助时间tot3个部分构成。在数控切削过程中，选择最短的加工工时，可极大提高零部件的生产效率。因此，时间目标函数可表示为:
tp=tm+tc+tot(3)
其中，切削时间tm与转速等有很密切的关系，具体的关系可以用式(4)表示。
式中:tct为换刀一次所用时间;Ttool为刀具寿命;Cv为综合考虑各种因素影响的常数;D为铣刀直径;Bm，Bh，Bp，Bt为校正系数;λs为表面粗糙度;m，av，uv，rv，nv，qv为相应指数;ap为切削深度;ae为切削宽度。综上所述即可得到最终的时间目标函数。
2．2成本目标函数
对数控机床工艺参数的优化，还涉及另外一个重要问题，那就是机床生产成本控制[2]。机床生产成本构成很复杂，包括运输成本、刀具成本、能耗成本等。为简化研究，只考虑刀具成本和机床消耗的电能成本。电能成本通常是指在数控机床零部件的加工中，直接消耗掉的电能费用;刀具成本是指每一把铣刀的成本，包括购买成本、维护成本等。结合上述的分析，可以将成本目标函数表示为两部分:
式中:Fc为切削力;vc为切削速度;η为数控机床有效系数;CF为工件材料和切削条件的主切削力影响系数;xF，yF，uF，qF，wF为背吃刀量、每齿进给量、铣削宽度、铣刀直径、转速的主切削力影响指数;KF为铣削力修正系数;Fcmax为机床最大切削力;Fd为考虑主轴偏差时所允许的力;E为主轴材料的弹性系数;e为主轴偏差的允许值;da为主轴直径;La为支撑点间距;Ｒa为表面粗糙度值;Ca为刀具的后角;［Ｒa］为工件所允许的最大表面粗糙度值;La为刀具的前角。
上述的多目标优化参数方程中，含义依次为:
(1)主轴转速应介于最高和最低转速之间。
(2)机床可提供最大和最小的进给速度。
(3)在切削功率方面，切削功率Pc应小于机床所能够提供的最大有效功率Pmax。
(4)在切削力方面，不能超过机床所能够提供的最大的切削力，同时主轴的切削力要小于轴所能够承受的切削力。
(5)在数控加工中，切削力应该小于主轴偏差时所能够承受的力。
(6)在加工中，工件的粗糙度应满足最低粗糙度。
3.基于改进粒子群算法的优化模型求解要求解
上述的多目标方程，需要采用合适的求解方法。在对多目标方程的优化中，通常会存在目标函数冲突的问题，如成本目标函数最低时，能量消耗目标函数和时间目标函数却达不到最优。因此在多目标优化过程中，存在很多无法比较优劣的解，也被称作非劣解[3]。对此本文提出一种多目标粒子群算法，通过搜索非劣解集合(即Archive集)的方式，得到最优的非劣解。具体算法的流程可以用图2来表示。
4.实验验证
4．1实验条件
为验证上述算法的可行性和正确性，以某工件加工工艺参数的多目标优化作为具体的研究对象，机床和刀具的参数见表1和表2。
工件加工要求:切削长度为110mm;粗糙度≤6．3μm。
图2基于粒子群算法的多目标算法流程
通过上述的对比可以看出，综合考虑3种因素的实验组1相比成本要高，但是在比能和加工时间方面却要明显低于传统的只考虑2个目标实验组2的结果。由此得出结论，综合考虑3个目标进行优化，要比考虑2个目标函数能量消耗更少。
5.结束语
综上所述，由于如今制造业能源消耗问题的和环境问题的日益严峻，数控机床的能效优化问题变得越发重要和紧迫，如何降低机床的能耗，提高机床的能量利用效率，是当前研究的重点。通过本文的研究可以看出，数控机床能耗的优化可通过求解多目标函数得到其最优解。在综合考虑加工效率、比能和成本的情况下，其加工效率要高于只考虑其中的两个因素，成本虽高，但是其加工效率却得到了保障，更加有利于对能耗的控制。
参考文献：
[1]朱岩涛.面向能效的数控加工工艺参数优化方法研究及应用[D].重庆大学,2016.
[2]肖溱鸽.基于数据分析的数控加工工艺参数能效优化方法研究[D].重庆大学,2016.