機械加工過程工藝參數(shù)節(jié)能優(yōu)化的實施方法

許春英

（沈陽市汽車工程學(xué)校，遼寧 沈陽 110122）

在機械加工中，工藝參數(shù)的選擇將會對零件的成型質(zhì)量，以及加工的成本、能耗等產(chǎn)生直接影響。在機械加工從“粗放式”向“精細(xì)化”轉(zhuǎn)型的過程中，優(yōu)化工藝參數(shù)成為節(jié)本降耗、提高加工精度的一種有效措施。隨著信息技術(shù)、智能算法的成熟，利用數(shù)學(xué)模型對工藝參數(shù)進行智能優(yōu)化成為一種常用方法。例如使用多元線性回歸模型優(yōu)化切削參數(shù)，提高工件表面的光滑度；或者使用UMDA-PE 算法構(gòu)建約束模型，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高機械加工的效率。近年來，機械加工中的能耗控制逐漸引起重視，探究一種基于工藝參數(shù)優(yōu)化、達到節(jié)能降耗效果的機械加工方法，成為當(dāng)前的熱點研究課題。

1 機械加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及能耗分析

按照運行功能的不同，機械加工系統(tǒng)可分為機床傳動模塊、機床調(diào)整模塊、輔助模塊3 部分組成。其中，傳動模塊又包括了主傳動裝置、進給傳動裝置；輔助模塊則分為電氣控制裝置、冷卻潤滑裝置等。該系統(tǒng)各個模塊的協(xié)調(diào)運行，都需要提供電能，然后利用電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，在PLC的控制下完成機械加工任務(wù)。機械加工過程中發(fā)生的能量流動如圖1 所示。

圖1 機械加工系統(tǒng)的能量流動圖

上圖中，E 為整個機械加工系統(tǒng)總的輸入能量。Ed、EL等分別為換刀模塊、傳動模塊等不同模塊的能量消耗。功率是決定能耗的一個關(guān)鍵因素，兩者存在如下關(guān)系式：

式（1）中，T 為加工時間，單位為s；P 為加工機床總輸入功率，單位為J。P 可以由各用電裝置的功率求和得出，如空載功率、附加載荷功率、換刀電機功率等。

2 機械技工過程工藝參數(shù)節(jié)能優(yōu)化方法

2.1 確定優(yōu)化變量

在機械加工過程中，根據(jù)加工類型的不同，決定加工能耗的具體參數(shù)也存在明顯差別。例如，在切削加工中刀具的刃長、厚度、切削速度等，都是需要重點關(guān)注的變量。而銑削加工中的銑削深度、寬度，以及每齒進給量等，對銑削加工效率及能耗均有直接影響。本文以機械零件的銑削加工為例，對影響加工能耗的工藝參數(shù)進行節(jié)能優(yōu)化。根據(jù)以往的經(jīng)驗，由于切削速度、銑削深度、每齒進給量等工藝參數(shù)均屬于變量，如果對每一項參數(shù)都進行優(yōu)化，一方面是增加了工作量，另一方面也可能出現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化之后，無法應(yīng)用于加工生產(chǎn)的情況。鑒于此，在實際進行節(jié)能優(yōu)化前，必須要提前選定優(yōu)化變量。例如，銑削深度主要受待加工零件的加工余量影響，余量越多，則銑削深度越大；而銑削寬度則由刀具直徑來決定。這些雖然也屬于變量，但是會受到其他已知量的影響，因此不在優(yōu)化范圍之內(nèi)。按照上述要求對所有可能影響銑削加工的參數(shù)進行篩選，最終僅保留切削深度（Vc）和沒齒進給量（fz）兩個變量。

2.2 構(gòu)建優(yōu)化模型

在討論某項加工工藝的節(jié)能效果時，除了考慮直接的能源消耗外，加工成本也是評判能耗的一項關(guān)鍵指標(biāo)。因此本文分別選擇電能消耗、成本花費2 項指標(biāo)，對工藝參數(shù)進行節(jié)能優(yōu)化。為了更加直觀、量化地表示節(jié)電、節(jié)本效果，需要分別構(gòu)建成本目標(biāo)函數(shù)、能耗目標(biāo)函數(shù)。

2.2.1 建立成本目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合銑削加工過程，整個環(huán)節(jié)中包含的成本有單位時間的人力成本（α）、刀具更換成本（β）以及其他輔助成本等。每個零件的加工成本（Cp）函數(shù)可表示為：

式（2）中，T0為輔助加工時間，Tm為工序加工時間，Tc為有效銑削加工時間，Td為換刀時間；T 為刀具壽命。其中，T 可以根據(jù)材料硬度（HB）、銑削速度（Vc）、每齒進給量（fz）等參數(shù)計算得出，公式為：

2.2.2 建立能耗目標(biāo)函數(shù)

按照建立成本目標(biāo)函數(shù)的思路，找出銑削加工中影響加工能耗的因素，主要包括4 部分，即機床能耗（Ec）、空載能耗（Eb）、附加荷載能耗（Ea）和輔助系統(tǒng)能耗（Eo）?？偰芎模‥p）的計算公式為：

2.2.3 設(shè)立約束條件

在實際的銑削加工中，刀具的使用壽命、機床的運行效率等，都是影響銑削能耗的重要因素。因此，在工藝參數(shù)的節(jié)能優(yōu)化研究中，還需要引入約束條件，限制無關(guān)因素的干擾，一來能夠降低本次研究的工作量，二來也能更加直觀地對比切削深度、每齒進給量這兩個關(guān)鍵因素對于節(jié)能效果的影響。按照影響程度從高到低排序，本次研究中需要設(shè)置的約束條件如下：

2.2 收集實施前6個月內(nèi)的患者滿意度(患者對護士告知情況、上門時間是否準(zhǔn)時、輸液技術(shù)如何、服務(wù)態(tài)度如何、每次輸液的停留時間、與患者溝通的內(nèi)容、廢棄物品回收情況等)、投訴率、一次穿刺成功率及靜脈炎發(fā)生率和輸液外滲率等資料。通過信息反饋檢驗實施效果。

第一，主軸轉(zhuǎn)速約束。主軸最低轉(zhuǎn)速（Nmin）和最高轉(zhuǎn)速（Nmax）的約束條件分別為：

第二，進給速度約束。機床允許最大進給速度（Vfmax）和最小進給速度（Vfmin）的約束條件分別為：

第三，銑削力約束。機床允許最大銑削力（Fcmax）的約束條件為：

第四，銑削功率約束。機床額定功率（Pmax）的約束條件為：

上式中η 為機床效率，取值為0.8。

第五，銑削扭矩約束。機床最大扭矩（Mmax）的約束條件為：

2.3 基于APSO 的優(yōu)化模型求解

圖2 APSO 算法流程圖

第一步是通過初始化處理，得到具有一定規(guī)模的粒子群。此時該粒子群中，每一個粒子都獲得了獨立的適應(yīng)值（P）、速度（V）和位置（X）?；诿總€粒子的X 值（即當(dāng)前位置），求得該位置下的適應(yīng)值，并且將其與歷史最佳適應(yīng)值（Pid）進行對比。根據(jù)對比結(jié)果，選出最優(yōu)值。按照此方法對整個粒子群中所有粒子作適應(yīng)度計算、對比，最終得到群體歷史最優(yōu)值（Fp）。然后參考公式（12）分別進行速度、位置的更新。

式（12）中，w 表示慣性權(quán)因子；Vid表示粒子速度；C1和C2為學(xué)習(xí)因子，一般為常數(shù)2；r1和r2為[0,1]區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)，xid為粒子當(dāng)前位置。根據(jù)上式得出計算結(jié)果后，進行“是否達到最大迭代次數(shù)”的條件判斷。如果符合判定要求，則輸出最優(yōu)值；如果不符合判定要求，則返回群體適應(yīng)度計算環(huán)節(jié)，重復(fù)上述流程，直到滿足判定要求。

3 機械加工中工藝參數(shù)節(jié)能優(yōu)化的實例分析

3.1 實驗條件

本次實驗選擇在一臺TH5240 型臥式加工機床上進行。該機床的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 TH5240 型臥式加工中心基本參數(shù)

待加工零件的材質(zhì)為45 鋼，所用刀具是φ16 高速鋼立銑刀，齒數(shù)為5，主偏角k 為90°。要求粗銑尺寸為50mm×50mm，銑削深度為6mm。

3.2 銑削參數(shù)優(yōu)化

基于APSO 的銑削參數(shù)優(yōu)化過程在Matlab 軟件上實現(xiàn)。啟動軟件后，選擇“新建程序”，建立自適應(yīng)粒子群運行程序，如下所示：

程序編寫完畢后，在“設(shè)置”選項，在“加權(quán)系數(shù)”一欄中設(shè)置λ1=λ2=0.5；在“初始參數(shù)”一欄中，將初始種群數(shù)量設(shè)置為50，迭代次數(shù)設(shè)置為150，收斂時間設(shè)置為0.4s，收斂系數(shù)設(shè)置為0.9。完成上述設(shè)施后，運行程序開始進行尋優(yōu)迭代。記錄算法收斂過程，得到收斂曲線圖。本次研究主要對銑削加工中的成本和能耗兩項指標(biāo)進行優(yōu)化，得到以成本為目標(biāo)的銑削速度收斂曲線（圖3）和以能耗為目標(biāo)的銑削速度收斂曲線（圖4）。

圖3 以成本為目標(biāo)的銑削速度收斂

圖4 以能耗為目標(biāo)的銑削速度收斂

按照同樣的方法，將變量有“銑削速度”替換為“每齒進給量”，重新進行尋求迭代，可以得到“每齒進給量- 迭代次數(shù)”的收斂曲線。

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

尋優(yōu)迭代結(jié)束后，統(tǒng)計多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果。以成本為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果和以能耗為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果如表2 所示。

表2 銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知，在銑削加工過程中，如果將控制成本作為優(yōu)化變量，可以將銑削速度設(shè)置為27.4m/min、每齒進給量設(shè)置為0.08mm/z，單個零件的加工用時為44.1s。需要注意的是，選擇上述參數(shù)設(shè)置，雖然能夠保證銑削加工成本最低，但是加工能耗較高，達到了3.364×105J，為同水平下最高。同樣的，如果將控制能耗作為優(yōu)化變量，將銑削速度設(shè)置為31.06m/min、每齒進給量設(shè)置為0.08mm/z，單個零件的加工用時為41.1s，可以達到低能耗的預(yù)期。但是加工成本較高，達到了45.83 分，為同水平下最高。如果將低成本、低能耗均作為優(yōu)化目標(biāo)，則加工成本、能量消耗均位于上述兩者之間。由此可得，對銑削加工參數(shù)進行優(yōu)化時，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，選擇恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，才能達到理想的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

在我國制造業(yè)沖擊高端的背景下，機械加工必然要追求精細(xì)化、高效化。為迎合這一發(fā)展趨勢，一方面要從技術(shù)層面引進先進工藝、使用先進設(shè)備，從而實現(xiàn)機械加工的提質(zhì)增效；另一方面，則需要優(yōu)化工藝參數(shù)，通過調(diào)節(jié)銑削速度、每齒進給量，以及刀具刃長、銑削深度等基本參數(shù)，達到減少能耗、控制成本的目的。