数控机床能耗建模与切削参数节能优化研究

发布时间：2019-09-19 04:38

【摘要】：机床作为装备制造业的基础单元,量大面广,耗能巨大。随着环境和能源问题的日益严峻,机床能耗问题受到了国际社会的广泛关注。针对数控机床高能耗、低能量效率的特点,分析数控机床能耗特性、探寻数控机床节能优化方法对于我国实现绿色制造具有重要意义。机床能耗过程的评估和分析是机床节能优化研究的基础,为此,本文首先建立了数控机床的能耗模型,然后对机床的能量效率以及切削参数的节能优化开展了研究,具体内容概况如下。根据数控机床各能耗部件的特性及与加工过程的关联性,将数控机床整机能耗分解为四大部分：主传动系统空载能耗、进给系统空载能耗、辅助系统能耗、切削能耗(包括刀刃去除材料能耗和附加载荷损耗)。根据耗能机理和实验统计规律分别对四大部分进行建模,进而建立机床整机一般能耗模型。在一台立式加工中心上开展相关能耗实验,系统分析研究了该机床的能耗特性及规律,初步验证了能耗模型的适应性和准确性。为了探究数控机床能量效率与切削参数的关系,开展了铣削45钢的单因素实验和双因素实验,研究在改变单个或两个切削参数的情况下机床能量效率的变化规律。研究发现：增大切削参数中的任一参数均有利于提高机床生产率和机床能量效率；当工艺系统刚度较小时,从机床节能角度考虑,优先选取大的铣削速度、每齿进给量和侧吃刀量；当工件材料去除率保持不变且机床主轴转速小于主传动系统空载功率的最大值点时,选择减小铣削速度而增大每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量中的任一参数均有利于降低机床加工比能；当工件材料去除率保持不变时,改变每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量中的任意两个参数对机床加工比能影响作用大致相同,结合工艺系统刚度、强度方面影响,优先选择增大每齿进给量或侧吃刀量而减小背吃刀量；为降低机床能耗,应尽量避免机床主轴在主传动系统空载功率的最大值点附近运转。以数控铣削加工的切削参数为优化变量,建立了面向高效节能的数控铣削切削参数优化数学模型；然后基于带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)运用MATLAB语言编程对优化模型进行求解；最后通过优化案例研究初步验证了优化模型的可行性和有效性。优化案例结果表明：在满足加工要求和约束条件的情况下,采用大的每齿进给量,有利于在提高机床生产率的同时降低机床能耗；切削参数优化值比经验值计算得到的结果在工件材料去除率目标和机床能耗目标均有较大改善,该优化方法能为面向高效节能的机床切削参数优化选择提供科学依据。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG659

【参考文献】