面向能效的数控铣削参数与刀具路径优化模型及方法

发布时间：2020-09-23 09:15

　　 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)对面向能效的数控铣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,建立了数控铣削加工过程能耗模型,包括待机能耗模型、空切能耗模型、铣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,对数控铣削参数能效优化问题作了详细描述,选取铣削参数为优化变量,以最低铣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铣削参数优化模型;再采用线性递减粒子群算法进行了优化求解,并对最优铣削参数进行了实际应用验证。然后,分析了数控铣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铣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进行求解;分别针对平面铣削和曲面铣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铣削参数与刀具路径优化模型及方法,利用MATLAB GUI开发了数控铣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,并通过平面铣削和曲面铣削加工案例进行了系统测试和应用。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG547
【部分图文】：

图 3-2 铣削加工过程功率曲线与操作时段划分图Fig.3-2 Power curve and operation time division diagram in milling process由图 3-2 和实际加工操作可知，完成某一零件或工序的加工任务，数控机床需经历不同的操作时段，分别为启动时段、待机时段、主轴启动时段、空切时段、铣削时段、关闭时段以及换刀等外部辅助时段。其中启动时段、主轴启动时段及关闭时段功率变化幅度较大，但时间很短，因此所需的能耗很小，故对其暂不考虑。为此本文研究的铣削加工过程可划分为待机时段、空切时段、铣削时段及换刀等外部辅助时段四个部分。1）待机时段 Pst。该时段指数控机床启动后数控系统、变频器、伺服驱动器、风扇等设备也随之启动并逐步趋于稳定，主要用于加工操作准备工作。其功率主要由动力关联类辅助系统功率 Pau-power、变频器功率 Pinverter、伺服器功率 Pndrives(n=X，Y，Z)组成，即 Pst=Pau-power+Pinverter+ Pndrives。且在稳定加工环境下，待机时间 tst取决于操作人员的数控加工技术水平，可将其视为常数，即：( 0)stt C C 为常数,C (3-1)2）空切时段 Pair。空切时段包括空走刀过程（未进行材料去除，如 G01、G02

西南大学硕士学位论文在实际加工中，生成的刀具路径所覆盖区域一般要大于待加工零件表面，空走刀路径；同时刀具以切削进给速度从进刀点移动到初始切削位置与移动到退刀点时也会出现空走刀现象，进而构成了未进行材料去除的空，该过程保持切削进给速度运行且不会发生突变，其所需时间由刀具空走air与切削进给速度 vf决定。为此，数控加工过程中空切时段所需时间 tair可表示为：rapid rapidair airairf f-rapid z f-rapid+L L LLtv v f nz v 式中，fz为每齿进给量，mm/z；n 为主轴转速，r/min；z 为刀具齿数。

工作台主轴机械臂刀库图 3-4 数控机床正面与内部结构Fig.3-4 The front and internal structure of CNC machine too料械加工、汽车制造、模具生产等制造领域中应用最本实验选用耐腐蚀、易涂层、加工性能佳且加工对象，如图 3-5 所示

【参考文献】

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本文编号：2825137