面向能耗的数控加工刀具直径及工艺参数集成优化模型与方法研究

摘要

面对日益严峻的资源消耗和碳排放问题，以低能耗、高能效为核心的“低碳经济”制造模式正逐步兴起。针对我国机械制造业高能耗、低能效的特点，分析数控加工过程中的机床能耗特性，研究降低机床能耗、提高机床能效的方法是我国经济可持续发展的必然选择。而在实际加工中，刀具直径及工艺参数不仅影响成本、时间以及加工质量等指标，还与能耗问题紧密相关。本论文在国家高技术研究发展计划(863计划)课题“机床产品机械加工制造系统能效优化提升技术及应用”(编号：2014AA041506)和国家自然科学基金面上项目“面向广义能量效率的数控加工工艺规划理论与方法研究”(编号：51475059)的资助下，对面向能耗的数控加工刀具直径及工艺参数集成优化选择模型和方法进行了研究，可为我国机械制造企业的转型升级，实现节能减排提供理论参考，具有重要的研究意义。
　　首先，研究了面向能耗的单刀具平面数控铣削加工刀具直径及工艺参数集成优化问题。详细分析了单刀具平面数控铣削加工过程的能耗构成特性；以刀具直径及工艺参数为优化变量，建立了以能耗和时间最小为优化目标的平面数控铣削刀具直径及工艺参数多目标集成优化模型；并提出一种基于多目标粒子群算法的模型求解方法。
　　其次，研究了面向能耗的多刀具2.5D型腔数控铣削加工刀具组合的优化选择问题。系统地分析了刀具组合与2.5D型腔数控铣削加工过程能耗的映射关系，揭示刀具直径和刀具可行域对加工能耗的影响；建立了以能耗和成本最小为优化目标的型腔数控铣削加工刀具组合多目标优化模型；并提出一种基于有向图和Dijkstra算法的刀具组合优化求解方法。
　　再次，研究了面向能耗的多刀具孔加工刀具直径及工艺参数集成优化问题。分析了先钻后铣的多刀具孔加工过程的能耗特性；建立了以钻头和铣刀直径及其工艺参数为优化变量，以能耗和时间最小为优化目标的多刀具孔加工刀具直径及工艺参数多目标集成优化模型；并采用多目标粒子群算法求解优化模型。
　　最后，通过实际加工案例对论文提出的单刀具平面加工、多刀具2.5D型腔加工以及多刀具孔加工刀具直径及工艺参数多目标集成优化模型与方法进行了应用分析，验证论文所提模型与方法的可行性和实用性。

目录

1 绪 论

1.1论文的选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究目的意义及项目来源

1.4 论文的主要研究内容

1.5 本章小结

2 面向能耗的单刀具平面数控铣削刀具直径及工艺参数集成优化

2.1 问题描述

2.2 刀具直径及工艺参数与平面数控铣削加工能耗的映射关系

2.3 单刀具平面加工刀具直径及工艺参数多目标集成优化模型

2.4 基于粒子群算法的优化模型求解

2.5 本章小结

3 面向能耗的多刀具2.5D型腔数控铣削加工刀具组合优选

3.1 问题描述

3.2 刀具组合与2.5D型腔数控铣削加工能耗的映射关系

3.3多刀具2.5D型腔数控铣削加工刀具组合多目标优化模型

3.4多刀具2.5D型腔数控铣削加工刀具组合优选方法

3.5 本章小结

4 面向能耗的多刀具孔加工刀具直径及工艺参数集成优化

4.1 问题描述

4.2 多刀具孔加工过程能耗构成特性分析

4.3 多刀具孔加工刀具直径及工艺参数多目标集成优化模型

4.4 基于多目标粒子群算法的优化模型求解

4.5 本章小结

5 应用案例

5.1电机底座台阶面数控铣削加工刀具直径及工艺参数集成优化

5.2端盖型腔数控铣削加工刀具组合优化选择

5.3同心轴外罩孔加工刀具直径及工艺参数集成优化

5.4本章小节

6 结论与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表或录用的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间获得授权或申请的发明专利及软件著作权

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

D. 作者在攻读硕士学位期间所获奖励