基于田口法的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)控加工工藝優(yōu)化方法，具體涉及一種基于田口法的數(shù)控銑削加工工 藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控加工系統(tǒng)量大面廣，能量消耗巨大但能量效率極低。實際加工過程中，工藝參 數(shù)不僅影響加工質(zhì)量、成本、效率等指標，還與能量效率問題緊密相關(guān)，合理的工藝參數(shù)選 擇是實現(xiàn)機床加工系統(tǒng)節(jié)能的重要手段之一。因此，綜合考慮機床能耗及傳統(tǒng)目標進行數(shù) 控加工工藝參數(shù)優(yōu)化是一個亟須解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題。
[0003] 傳統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化主要是以最大利潤、最高生產(chǎn)效率等為優(yōu)化目標，國內(nèi)外學(xué)者 在這方面開展了不少研宄，并取得了良好的進展。近年來，隨著綠色節(jié)能意識的提高，機床 系統(tǒng)工藝參數(shù)節(jié)能優(yōu)化研宄逐步興起，目前相關(guān)研宄可以概況為三個方面。第一方面，開展 研宄分析能量效率與工藝參數(shù)的關(guān)系。如，Diaz等由工藝參數(shù)得出物料切除率并通過銑床 切削試驗分析了其與切削比能的關(guān)系；Kara等分別獲得了干、濕切過程中的物料切除率與 比能耗的方程。Newman等通過精加工與半精加工的數(shù)控加工實驗，指出工藝參數(shù)、物料切除 率等對能量效率存在影響關(guān)系；這些研宄為工藝參數(shù)能效優(yōu)化提供了實驗基礎(chǔ)。
[0004] 在此基礎(chǔ)上，一些學(xué)者開始建立優(yōu)化模型開展工藝參數(shù)能效優(yōu)化研宄。如， Mativenga等以最小成本和最小能耗為目標進行了車削加工工藝參數(shù)優(yōu)化；由于機床的能 量源眾多，能量損耗規(guī)律復(fù)雜，數(shù)控加工過程中功率平衡方程中參數(shù)眾多并難以獲取等問 題使得建立準確實用的能耗數(shù)學(xué)模型較為困難。
[0005] 為此，一些學(xué)者通過設(shè)計優(yōu)化實驗將工藝參數(shù)與能效進行數(shù)值擬合，從而選擇出 最優(yōu)參數(shù)組合，避免了分析機床內(nèi)部能量損耗規(guī)律。如，Campatelli等針對銑削加工中切 削過程和全加工過程設(shè)計優(yōu)化實驗并分析了兩種情況下降低比能的優(yōu)化參數(shù)條件。然而， 上述研宄僅由實驗數(shù)據(jù)選出優(yōu)化組合，最優(yōu)解可能并不在實驗組合內(nèi)。再者，上述研宄多將 多目標關(guān)聯(lián)成一個方程，導(dǎo)致能效目標及其他目標與工藝參數(shù)的相互作用規(guī)律不太明確。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于田口法的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方 法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，并揭示工藝參數(shù)對能效和加工時間的影響規(guī)律。
[0007] 其技術(shù)方案如下：
[0008] 一種基于田口法的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方法，其包括以下步驟：
[0009] 步驟1，分析數(shù)控銑削加工能耗時段特性，建立數(shù)控銑削加工能量效率函數(shù)；
[0010] 步驟2,運用田口法中正交表設(shè)計正交實驗，并采用信噪比分析得出工藝參數(shù)與加 工時間及比能耗的影響關(guān)系；
[0011] 步驟3,采用響應(yīng)面法獲得各目標的回歸方程，進而建立數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高 效節(jié)能多目標優(yōu)化模型；
[0012] 步驟4,采用粒子群算法搜尋出Pareto最優(yōu)解。
[0013] 優(yōu)選地，步驟1中，所述數(shù)控銑削加工能量效率函數(shù)采用面向比能的能量效率函 數(shù)，即：
【主權(quán)項】
1. 一種基于田口法的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟1，分析數(shù)控銑削加工能耗時段特性，建立數(shù)控銑削加工能量效率函數(shù)； 步驟2,運用田口法中正交表設(shè)計正交實驗，并采用信噪比分析得出工藝參數(shù)與加工時 間及比能耗的影響關(guān)系； 步驟3,采用響應(yīng)面法獲得各目標的回歸方程，進而建立數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié) 能多目標優(yōu)化模型； 步驟4,采用粒子群算法搜尋出Pareto最優(yōu)解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于田口法的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方法，其 特征在于：步驟1中，所述數(shù)控銑削加工能量效率函數(shù)采用面向比能的能量效率函數(shù)，即：
式中，SEC表示數(shù)控加工系統(tǒng)能耗與系統(tǒng)產(chǎn)出的比值，S卩比能；Etotal為機床總能耗；MRV為銑削加工所切除掉的工件材料體積；Pin表示機床輸入的總功率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于田口法的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方法，其 特征在于：步驟3中，所述各目標的回歸方程，采用二階響應(yīng)曲面模型，如下：
式中，y表示比能和加工時間；x指的是銑削工藝參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速、每齒進給量、背吃刀量 和側(cè)吃刀量，0 1，2,…，m指的是回歸方程的系數(shù)，e指的是回歸值與實際值的誤差； 采用統(tǒng)計分析軟件對實驗所得數(shù)據(jù)進行擬合，將各自變量背吃刀量\、側(cè)吃刀量ae、主 軸轉(zhuǎn)速n及每齒進給量fz分別做線性變換，具體公式如下：
變換后，A、B、C、D變化范圍均在[-1，1]，比能_及加工時間^的RSM回歸模型為：
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于田口法的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方法，其 特征在于：步驟3中，將主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進給量fz、背吃刀量ap以及側(cè)吃刀量a6四要素作 為優(yōu)化決策變量； 將比能回歸模型作為切削過程比能目標函數(shù)，將加工時間回歸模型作為切削過程時間 目標函數(shù)； 選取機床約束、刀具約束、加工質(zhì)量約束作為約束條件； 數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)多目標優(yōu)化模型的數(shù)學(xué)模型如下：
式中，Xi為決策變量，F(xiàn)max為機床允許切削力，Pmax為機床額定功率，n為機床效率，Tmin 為刀具壽命下限，Las刀具的前角；(：3為刀具的后角，[RJ為工件所允許的最大表面粗糙度 值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于田口法的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能優(yōu)化方法，包括以下步驟：分析數(shù)控銑削加工能耗時段特性，建立數(shù)控銑削加工能量效率函數(shù)；運用田口法中正交表設(shè)計正交實驗，并采用信噪比分析得出工藝參數(shù)與加工時間及比能耗的影響關(guān)系；采用響應(yīng)面法獲得各目標的回歸方程，進而建立數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)高效節(jié)能多目標優(yōu)化模型；采用粒子群算法搜尋出Pareto最優(yōu)解。本發(fā)明通過實驗數(shù)據(jù)和算法優(yōu)化結(jié)果分析了加工過程中比能、加工時間與工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而揭示了數(shù)控銑削加工過程中，機床能耗效率與工藝參數(shù)間的復(fù)雜耦合機理。
【IPC分類】G05B19-18
【公開號】CN104615077
【申請?zhí)枴緾N201510006801
【發(fā)明人】李聰波, 肖溱鴿, 陳行政, 朱巖濤, 易茜, 吳磊
【申請人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月7日