一种面向低碳制造的机械加工参数优化控制方法

摘要

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种面向低碳制造的机械加工参数优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1）设定机械加工设备对工件进行切削加工时，刀具的切削速度为v

说明书

技术领域

本发明涉及机械切削加工领域，特别是一种以降低碳排放为目标的机械加 工设备控制方法。

背景技术

在机械加工的生产过程中，切削用量的选择直接关系到所加工产品的产品 质量、生产效率、生产成本等。合理地选择切削用量对提高生产效率、降低生 产成本有着非常重要的意义。目前，在大多数企业的生产实际中，切削用量的 选择主要依赖于经验或查阅切削用量手册，但按照此种方法所选择的切削用量 通常不是最优的，会导致生产率不高、资源浪费和巨大的环境排放。

目前，国内外涉及切削参数优化的新技术层出不穷。但是，现有的技术大 部分都是以成本、时间、能耗等作为优化目标，以选择合适的机加工参数来对 机械加工设备进行控制。而且，现有技术在建立模型时，极少涉及到加工过程 环境影响（如加工过程碳排放）为目标的加工参数优化控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种以降低碳排放为目标的机械加工设备优化控制方 法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种面向低碳制造的机械 加工参数优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）设定机械加工设备对工件进行切削加工时，刀具的切削速度为v_c、进给 量为f；

2）建立优化目标函数：

$F(v_c,f)=C_p=0.6747\times \left\{\right[P_{u0}+A_1\left(\frac{1000v_c}{{\mathrm{\pi d}}_0}\right)+A_2{\left(\frac{1000v_c}{{\mathrm{\pi d}}_0}\right)}^2]\times T_p+;$

$1.2\times C_{F_C}{a}_{\mathrm{sp}}^{x_{F_C}}{f}^{y_{F_C}}{K}_{F_C}{v}_c^{(n_{\mathrm{Fc}}+1)}{t}_m\}+29.6\times \frac{t_m}{T_t}\times W_t+$

$\frac{T_p}{T_c}\times \{2.85\times (\mathrm{CC}+\mathrm{AC})+0.2\times [(\mathrm{CC}+\mathrm{AC})/\delta \left]\right\}$

其中，$T_p=t_m+t_{\mathrm{ct}}\frac{t_m}{T}+t_{\mathrm{ot}}=\frac{{\mathrm{\pi d}}_0{L}_w\Delta }{1000v_c{\mathrm{fa}}_{\mathrm{sp}}}+\frac{t_{\mathrm{ct}}{\mathrm{\pi d}}_0{L}_w{\mathrm{\Delta x}}_c^{x-1}{f}^{y-1}{a}_{\mathrm{sp}}^{z-1}}{1000C_T}+t_{\mathrm{ot}},$t_m是工序切削时间， t_ct是换刀一次所用时间，t_ot是除换刀外其它辅助时间，T是刀具耐用度，L_w是加 工长度，△是加工余量，n是主轴转速，d₀是工件直径，v_c是切削速度，f是进给 量，a_sp是切削深度，C_T是与切削条件有关的常数，x，y，z是刀具耐用度系数； P_u0是最低空载功率，A₁，A₂是主轴转速系数；C_Fc，x_Fc，y_Fc，n_Fc表示与工件材 料和切削条件有关的系数，K_Fc是切削力修正系数；T_t表示刀具寿命，W_t表示刀 具重量；T_c为切削液更换周期，CC表示初始切削油用量，AC表示附加切削油 用量，δ为切削液浓度。

3）确定约束条件：$S.t\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\pi d}}_0{n}_{\min }}{1000}\le v_c\le \frac{{\mathrm{\pi d}}_0{n}_{\max }}{1000}\\ f_{\min }\le f\le f_{\max }\\ C_{F_c}{a}_{\mathrm{sp}}^{x_{F_c}}{f}^{y_{\mathrm{Fc}}}{v}_c^{n_{F_c}}{K}_{\mathrm{Fc}}\le F_{\max }\\ \frac{F_c{v}_c}{1000\eta }\le P_{\max }\end{array}\right),$

其中，为主轴转速约束（即切削速度约束），n_min，n_max分别表示机床主轴最低和最高转速；f_min≤f≤f_max为进给量约束，f_min，f_max分别 表示机床允许的最小进给量和最大进给量；表示切削力约 束，F_max表示最大进给力；表示机床功率约束，η为机床功率有效系 数；P_max为机床最大有效切削功率。

4）对所述目标函数进行优化，即获得minF(v_c,f)时，所对应的v_c和f的值；

5）采用步骤4）所获得的切削速度值v_c、进给量f对工件进行切削加工。 上述模型中涉及到的符号、名称及类型列表如下：

表1.1符号类型列表

表1.2符号类型列表

表1.3符号类型列表

值得说明的是，本发明对机械加工设备的进给量和切削速度进行优化控制， 以达到降低碳排放之目的。而大部分机械加工设备都会涉及到进给量和切削速 度，因此，本发明所公开的方法可以适用于大部分的机械加工设备，如车床、 滚齿机等。

机械切削加工中碳排放的来源主要包括:加工过程消耗原材料引起的碳排放 C_m、消耗电能引起的碳排放C_e、刀具使用产生的碳排放C_t、切削液使用产生的 碳排放C_c和加工过程产生切屑的后期处理引起的碳排放C_s。然而，所述C_m和 C_s与被加工工件的原材料有关，与我们所能控制的机械加工设备的参数无关， 即不能通过控制机械加工设备对其进行优化。但是所述C_e、C_t和C_c均与机械加 工设备的参数相关，能够通过控制机械加工设备对其进行优化。

综上所述，本发明设定了机械切削加工过程碳排放量为：C_p＝C_e+C_t+C_c。 只要通过求解上述模型，获得C_p最小时相应的机械加工参数，并采用该参数对 机械加工设备进行控制，即可实现降低碳排放的目的。

需要进一步说明的是，所述C_t、C_e和C_c的构成。

1、电能引起的碳排放

所述C_e＝F_e×E_e，式中，F_e表示电能的碳排放因子(kgCO2/kwh)，E_e表示加 工过程电能消耗量(kwh)。

1）关于电能碳排放因子F_e：

电能碳排放因子与电网的构成有着密切的关系，不同的电网的碳排放因子 不同。中国发改委应对气候变化司每年都会公布中国几大电网的碳排放因子的 数据，表1是公布的09年的中国几大电网的排放因子。本发明的技术思想是需 要采用所要优化控制设备所在电网的碳排放因子，但为了简便起见，在计算电 能碳排放时采用表1中几大电网排放因子的平均值0.6747作为电能碳排放因子 F_e，在本技术应用过程中可能会根据官方数据进行调整。

表2电能碳排放因子表

2）加工过程电能消耗量E_e的确定

在数控机床加工过程时间段T_p内，机床的状态可分为加工和空载两种状态。 经过研究，在机床由空载状态（P_c＝0）变为加工状态(P_c≠0)时，即系统处于负 载时，会产生附加损耗功率P_a。机床总的输入功率P_i分为三部分：空载功率P_u、 切削功率P_c、附加载荷损耗功率P_a。机床动态运行时功率平衡方程如下式： P_i(t)＝P_u(t)+P_c(t)+P_a(t)。

机床在实际运行过程中，由于切削力的变化，电压的波动及其它随机因素 的影响，机床的运行状态随时都处在不断变化之中。因此，机床的实际运行过 程是一动态过程。根据机床动态运行时的功率平衡方程可得到机床动态运行时 能量平衡方程如下式：$E_e={\int }_0^{T_p}{P}_i\left(t\right)\mathrm{dt}={\int }_0^{T_p}{P}_u\left(t\right)\mathrm{dt}+{\int }_0^{t_m}{P}_c\left(t\right)\mathrm{dt}+{\int }_0^{t_m}{P}_a\left(t\right)\mathrm{dt}.$

对于一台机床来说，当其主轴在某一固定的转速下稳态运行且负载一定时， 其总的输入功率、空载功率、切削功率、附加载荷功率是一恒定值（含有微小 波动，可忽略不计），则上述机床动态运行能量平衡方程可以转化为下式： E_e＝P_i×T_p＝P_u×T_p+P_c×t_m+P_a×t_m。

实际加工过程中，机床空载功P_u率与传动路线长短、润滑状况及主轴转速 有着密切的关系，在传动路线及润滑状况相同的情况下，机床空载功率与主轴 转速n近似成二次函数变化关系，如下式所示：P_u＝f(P_u0,A₁,A₂)＝P_u0+A₁n+A₂n²，式 中：P_u0是最低空载功率，A₁，A₂是主轴转速系数，最低空载功率和主轴转速系 数的确定方法如下：

首先，由机床功率测试仪测试得到机床主轴各转速下的主转动系统空载功 率测试数据如下表3所示；

表3数控车床主轴转速与主传动系统空载功率对应表

主轴转速(r/min) 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 机床主转动系统空载功率(W) 80 120 150 173 210 230 275 300 345 365

其次，根据表中数据和最小二乘法，有最后，由 即可求出P_u0，A₁，A₂的值分别为40.6，0.227， -0.667×10^-6。

实际加工过程中，切削功率P_c简化计算如下：P_c＝10^-3×F_c×v_c，其中 式中：F_c表示切削力，v_c表示切削速度，K_Fc表示切削力修 正系数，C_Fc，x_Fc，y_Fc，n_Fc表示与工件材料和切削条件有关的系数，可查阅切 削用量手册得到。

对于负载时的附加载荷损耗功率P_a，其附加损耗机理十分复杂，一般无法通 过理论计算准确获得其函数关系，本发明采用近似值，即附加载荷损耗与载荷 成近似的线性比例关系，可用如下公式表示：P_a＝b_mP_c，在工程实际应用中，负 载载荷损耗系数b_m常常凭经验取0.15-0.25的常数。本发明计算时取值为0.2。

综上，可得切削速度为v_c时，加工过程能耗E_e为：

$E_e=[P_{u0}+A_1\left(\frac{1000v_c}{{\mathrm{\pi d}}_0}\right)+A_2{\left(\frac{{1000v}_c}{{\mathrm{\pi d}}_0}\right)}^2]\times T_p+1.2\times C_{F_C}{a}_{\mathrm{sp}}^{x_{F_C}}{f}^{y_{F_C}}{K}_{F_C}{v}_c^{(n_{F_c}+1)}{t}_m.$

2、刀具使用碳排放

刀具引起的碳排放主要刀具制备过程的碳排放在使用过程的分摊，与机加 工参数有关，具体计算方法如下：

1）刀具碳排放因子

确定F_t，需知道刀具制备过程的能耗情况，对于刀具制备过程能耗问题， 通常考虑刀具生产工艺过程的能耗情况。通过实验，刀片制造过程能耗(MJ)为 1—2MJ（平均为1.5MJ）

结合上述电能的碳排放因子（全国平均）0.6747kgCO₂/kwh(1kwh=3.6MJ)， 计算可得刀具的碳排放因子为：29.6kgCO₂/kg。

2）刀具寿命T_t确定

刀具寿命T_t是指一把新刀具到报废为止所经历的切削时间，其中可能包含 多次重磨（重磨次数以N表示）时间，所以刀具寿命等于刀具耐用度和（N+1) 的乘积。即：T_t＝(N+1)T。

对于刀具耐用度T，可根据泰勒广义刀具的耐用度计算公式求得： 其中，v_c是切削速度，f是进给量，a_sp是切削深度，C_T是与切削条 件有关的常数（本发明C_T＝64136），x，y，z是刀具耐用度系数。

3）切削时间其中：L_w是加工长度，△是加工余量，n 是主轴转速，d₀是工件直径，v_c是切削速度，f是进给量，a_sp是切削深度。

4）W_t为刀具质量，本发明可以取常用车刀单个刀片的平均质量9.5g。

3、切削液使用碳排放

如果是干切削，本部分为0。

本发明建模时，切削液引起的碳排放主要考虑两部分：纯的矿物油制备引 起的碳排放(C_o)和切削液废弃后处理引起的碳排放(C_w)。由于切削液更换周期一 般较长，对某具体的加工过程来说，切削液引起的碳排放计算方法与刀具碳排 放一样，采用在其更换周期内按时间标准折算到加工过程的方法，则由切削液 引起的碳排放计算如下：其中：C_o＝F_o×(CC+AC)、 C_w＝F_w×[(CC+AC)/δ]。

进一步，上述公式中，F_o表示纯矿物油排放因子(kgCO2/L)，F_w表示废切削 液处理碳排放因子(kgCO2/L)，CC表示初始切削油用量，AC表示附加切削油用 量，δ为切削液浓度；T_c为切削液更换周期。

1）切削液碳排放因子

对于切削液碳排放因子，分为两部分考虑：一是配置切削液所需的纯的矿 物油制备碳排放因子F_o；二是废切削液处理的碳排放因子F_w。对于纯的矿物油 制备碳排放因子F_o，其碳排放因子计算公式如下：其中：EE_o是矿物油的内含能值（GJ/L），EC_o是矿物油的缺省碳含量（kg C/GJ）。一般油 类物质内含能值为41868-42705KJ/kg（本发明取平均42287KJ/kg），油类物质缺 省碳排放因子为20kgC/GJ，常温常压下油类物质的密度为0.86-0.98g/cm³(本发 明取平均值0.92g/cm³)，计算可得矿物油的碳排放因子为：2.85kgCO2/L。

对于废切削液处理碳排放因子F_w，由于本发明主要涉及水基切削液，水基 切削液一般浓度较低，主要成分是水。为方便计算，可采用废水处理的碳排放 因子代替废切削液处理的碳排放因子。废水处理碳排放因子的确定方法可参考 现有技术资料（如《2006年IPCC国家温室气体清单指南》），取值为: 0.2kgCO₂/L。

2）切削液用量及更换周期的确定

切削液使用周期内往往存在蒸发、渗漏等现象，从而造成切削液不断减少， 并需添加入纯矿物油及水以保证切削液的浓度。初始切削油用量CC、附加切削 油用量AC、切削液浓度δ以及切削液的更换周期T_c可通过实际生产经验数据获 得，均为常数。

通常情况下，切削参数的取值要受到所选机床设备主轴转速、进给量、最 大切削力、最大切削功率、加工质量等条件的限制，只能在满足限制条件的范 围内取值。因此，本发明还需要确定约束条件：

1）主轴转速约束(即切削速度约束)

数控机床都有确定的主轴转速即切削速度约束，切削参数的选择要满足主 轴转速的约束，即：

$\frac{{\mathrm{\pi d}}_0{n}_{\min }}{1000}\le v_c\le \frac{{\mathrm{\pi d}}_0{n}_{\max }}{1000}$

式中，n_min，n_max分别表示机床主轴最低和最高转速。

2）进给量约束

进给量必须在机床允许的最小进给量f_min和最大进给量f_max之间。即：

f_min≤f≤f_max

式中，f_min，f_max分别表示机床允许的最小进给量和最大进给量。

3）切削力约束

车削加工过程中，切削进给力不能超过机床主轴所允许的最大进给力，即：

$C_{F_c}{a}_{\mathrm{sp}}^{x_{F_c}}{f}^{y_{\mathrm{Fc}}}{v}_c^{n_{F_c}}{K}_{\mathrm{Fc}}\le F_{\max }$

其中：F_max表示最大进给力；K_Fc表示切削力修正系数，C_Fc，x_Fc，y_Fc，n_Fc表示与工件材料和切削条件有关的系数，可查阅切削用量手册得到。

4）功率约束

机床功率应小于规定的最大有效切削功率。即：

$\frac{F_c{v}_c}{1000\eta }\le P_{\max }$

式中，η为机床功率有效系数；F_c为切削力，P_max为机床最大有效切削功率。

综上分析，本发明的数学模型是典型的约束优化问题，其数学模型如下：

minF(v_c,f)＝(minC_p)

$S.t\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\pi d}}_0{n}_{\min }}{1000}\le v_c\le \frac{{\mathrm{\pi d}}_0{n}_{\max }}{1000}\\ f_{\min }\le f\le f_{\max }\\ C_{F_c}{a}_{\mathrm{sp}}^{x_{F_c}}{f}^{y_{\mathrm{Fc}}}{v}_c^{n_{F_c}}{K}_{F_c}\le F_{\max }\\ \frac{F_c{v}_c}{1000\eta }\le P_{\max }\end{array}\right);$

单纯形法、复合形法、惩罚函数法、序列二次规划法、可行方向法（可列 举）等均是传统的处理约束最优化问题的方法。本发明所公开的方法在应用过 程中，可以先根据实际情况确定模型中的参数，然后采用上述方法对模型进行 求解，进而获得碳排放量最小时的切削速度值v_c、进给量f,最终通过控制机械 加工设备来实现降低碳排放的目的。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明一个实施例中所加工成的工件；

图2为本发明一个实施例中求得优化值流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明 上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根 据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明 范围内。

本实施例采用数控车床加工某机床主轴上一段车削外圆过程，是一种常见 零部件，如图1所示，毛坯的直径d₀为Φ50mm．加工分两次走刀，第一次车至 Φ46mm，第二次车至Φ38mm。选取第一刀来计算其切削过程碳排放，即将直 径为50mm的毛坯车削至46mm，其中，a_sp=2mm，L_w=75mm。数控车床规格 参数及计算所需相关参数如下表中所示：

表4数控车床规格参数

表7.1实施例中相关参数值

表7.2实施例中相关参数值

表7.3实施例中相关参数值

表7.4实施例中相关参数值

包括以下步骤：

1）设定机械加工设备对工件进行切削加工时，刀具的切削速度为v_c、进给 量为f；

2）建立优化目标函数：

$C_p=0.6747\times \left\{\right[40.6+0.227\times \left(\frac{{1000v}_c}{3.14\times 50}\right)-0.667\times {10}^{-6}{\left(\frac{{1000v}_c}{3.14\times 50}\right)}^2]\times (11.8v_c^{-1}{f}^{-1}+9.3\times {10}^{-3}{v}_c^4{f}^{0.75}+48)/3600$

$+1.2\times {10}^{-3}\times 2795\times 2^1\times f^{0.75}\times 1\times v_c^{(-0.15+1)}\times \frac{3.14\times 50\times 75\times 2}{1000v_{c}f\times 2}\}+29.6\times \frac{3.14\times 50\times 75\times 2}{1000v_{c}f\times 2}\times \frac{v_c^5{f}^{1.75}\times 2^{0.75}}{2\times 64136}\times 15\times {10}^{-3};$

$+\frac{11.8v_c^{-1}{f}^{-1}+9.3\times {10}^{-3}{v}_c^4{f}^{0.75}+48}{2\times 30\times 24\times 3600}\times \{2.85\times (8.5+4.5)+0.2\times [(8.5+4.5)/0.05\left]\right\}$

3）确定约束条件：

$S.t\left(\begin{array}{c}0.2\le v_c\le 3.7\\ 0.1\le f\le 3.4\\ f^{0.75}\times v_c^{-0.15}\le 1.61\\ f^{0.75}\times v_c^{0.85}\le 2.02\end{array}\right);$

4）对所述目标函数进行优化，即获得minF(v_c,f)时，所对应的v_c和f的值 分别为1.262m/s、1.954mm/r；

本实施例采用复合形法进行求解，步骤如图2所示。

5）采用步骤4）所获得的切削速度值v_c、进给量f对工件进行切削加工， 实际碳排放量为43.97g。

作为对比，保证本实施例中其他条件不变，仅仅根据机械加工手册选择切 削速度为v_c＝2.04m/s，进给量为f＝0.5mm/r，将与本实施例相同的毛坯加工 过程。代入步骤2）所述的目标函数，实际碳排放量为57.47g。