CN106777660A - 一种构建切削参数低碳优化模型的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种构建切削参数能效优化模型的方法，基于对切削加工能耗情况分析，建立了一个涵盖能耗目标、成本目标、生产率目标的多目标优化模型，以实现切削参数能效优化，并针对该多目标问题，根据机械加工特征建立了一系列约束条件，以获得最优解。本发明在传统工艺规划目标基础上引入了低能耗规划目标，与传统工艺规划目标构建了一个多目标函数。同时，本发明中引入了多个约束条件，包括切削力约束、切削功率约束、进给量约束以及切削速度约束，为面向低能耗切削参数优化求解限定了搜索区间。因此，本发明对于产品制造过程能效优化及节能减排都有着至关重要的作用，有利于减少工业生产中温室气体的排放，改善环境。

Description

一种构建切削参数低碳优化模型的方法
技术领域
本发明涉及一种构建切削参数能效优化模型的方法，属于低碳制造研究技术领域。
背景技术
2015年9月21日发表在《自然-地球科学》的论文《持续增长的二氧化碳排放总量对达成气候造成影响》显示，2013年，全球的二氧化碳排放量再创历史新高，达到361亿吨左右。其中，中国排放二氧化碳100亿吨，美国52亿吨，欧盟28国35亿吨，印度24亿吨。这意味着，当年中国的碳排放超过美国和欧盟的总和，占世界总排放量的近3成。根据美国能源情报署(EIA)的统计数据，2010年中国能耗为112.914×1015千焦，CO2排放为8.38144×109吨，其中工业能耗占比为71.3％；同比美国的能耗为103.703×1015千焦，CO2排放为5.6006×109吨，工业能耗占比为30％。可见，我国已成为全球能源消耗及二氧化碳排放大国，其中，根据2011年我国各个行业能源消耗情况统计，制造业能源消耗达58％，是我国碳排放的主要来源。因此，制造业的高速发展是造成我国整个工业领域的能源消耗与碳排放激增的主要原因，制造业亟需实现节能减排。
机械加工业作为制造业的基础行业，为制造业的其他部门提供装备基础，是整个国民经济的物质基础，也是整个制造业资源消耗与碳排放的主要源头。因此，积极推进机械制造业低碳化进程，是在应对全球气候变化新形势下，我国机械制造业的发展新趋势新挑战。
在全球气候变化压力以及各国纷纷提出碳排放减排具体承诺指标的背景下，低碳制造的研究已成为新的学术热点并受到国内外学术界的关注，关于工艺过程的能效及碳排放的定量计算、碳排放减量化理论及技术的研究尤为受到关注。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种构建切削参数能效优化模型的方法，对于产品制造过程能效优化及节能减排都有着至关重要的作用，有利于减少工业生产中温室气体的排放，改善环境。
本发明的技术方案：一种构建切削参数能效优化模型的方法，建立了一个涵盖能耗目标、成本目标、生产率目标的多目标优化模型，以实现切削参数能效优化，并针对该多目标问题，根据机械加工特征建立了一系列约束条件，以获得最优解，以工步为单元，其模型如下：
其中ep表示切削比能耗(J/mm3)，MRR表示单位时间材料去除率(mm3/s)，ts、tm分别表示机床完成该工步的待机时间及切削时间(s)，Pidle、Pbasic分别表示机床的平均闲置功率、基本功率(W)；M为备选加工方案的单位时间的企业成本(元)，tc为该工步的换刀时间(s)，CT为在刀具寿命内，与刀具有关的费用(包括刀具刃磨费用、及折旧等)(元)，T为刀具的寿命(s)；V是该工步去除的总余量的体积(mm3)；Fc.max为该工步所使用的刀具所承受的负载的最大允许值(N)；Pmax为该工步所使用的机床的最大功率(W)，η为传动效率；vcmin为最小允许切削速度(m/min)，vcmax为最大允许切削速度(m/min)；fmin最小允许进给量(mm/r)，fmax最大允许进给量(mm/r)。
上述方法中，所述的能耗目标指完成该工步加工任务的直接用于切削的切削比能耗、机床的基本能耗以及机床的闲置能耗。
上述方法中，所述的成本目标指完成该工步的企业总开支及切削时间内刀具磨损及折旧费用。
上述方法中，所述生产效率目标指利用指定加工方法去除工件余量的切削时间。
由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：本发明在传统工艺规划目标基础上引入了低能耗规划目标，与传统工艺规划目标构建了一个多目标函数。同时，本发明中引入了多个约束条件，包括切削力约束、切削功率约束、进给量约束以及切削速度约束，为面向低能耗切削参数优化求解限定了搜索区间。因此，本发明对于产品制造过程能效优化及节能减排都有着至关重要的作用，有利于减少工业生产中温室气体的排放，改善环境。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的实施例：一种构建切削参数能效优化模型的方法，该方法中包含了能耗目标、成本目标、生产率目标。
所述的能耗目标指完成该工步加工任务的直接用于切削的切削比能耗、机床的基本能耗以及机床的闲置能耗。能耗目标采用比能耗作为优化依据，即利用指定方法在单位时间内去除单位体积材料的能耗，包含了三个部分：切削比能耗、闲置能耗、基本能耗。切削比能耗与所使用的加工方法及被加工材料有关，可根据相关文献及数据库查得；闲置能耗、基本能耗则与设备相关参数有关，通过计算获得。
成本目标指完成该工步的企业总开支及切削时间内刀具磨损及折旧费用。成本目标包含切削时间内企业成本、为完成该工步加工任务的换刀时间消耗的成本及切削时间内刀具成本。
生产效率目标指利用指定加工方法去除工件余量的切削时间。生产率目标直接采用总的材料去除体积除以该加工方法单位时间去除率获得。
此外，相关约束条件应根据相关切削手册及所使用的设备参数确定具体数值。
根据分析，建立了一个涵盖能耗目标、成本目标、生产率目标的多目标优化模型，以实现切削参数能效优化，并针对该多目标问题，根据机械加工特征建立了一系列约束条件，以获得最优解，以工步为单元，其模型如下：
其中ep表示切削比能耗(J/mm3)，MRR表示单位时间材料去除率(mm3/s)，ts、tm分别表示机床完成该工步的待机时间及切削时间(s)，Pidle、Pbasic分别表示机床的平均闲置功率、基本功率(W)；M为备选加工方案的单位时间的企业成本(元)，tc为该工步的换刀时间(s)，CT为在刀具寿命内，与刀具有关的费用(包括刀具刃磨费用、及折旧等)(元)，T为刀具的寿命(s)；V是该工步去除的总余量的体积(mm3)；Fc.max为该工步所使用的刀具所承受的负载的最大允许值(N)；Pmax为该工步所使用的机床的最大功率(W)，η为传动效率；vcmin为最小允许切削速度(m/min)，vcmax为最大允许切削速度(m/min)；fmin最小允许进给量(mm/r)，fmax最大允许进给量(mm/r)。

Claims (4)

1.一种构建切削参数能效优化模型的方法，其特征在于：基于机加工切削能耗情况分析，建立了一个涵盖能耗目标、成本目标、生产率目标的多目标优化模型，以实现切削参数能效优化，并针对该多目标问题，根据机械加工特征建立了一系列约束条件，以获得最优解，以工步为单元，其模型如下：
其中ep表示切削比能耗(J/mm3)，MRR表示单位时间材料去除率(mm3/s)，ts、tm分别表示机床完成该工步的待机时间及切削时间(s)，Pidle、Pbasic分别表示机床的平均闲置功率、基本功率(W)；M为备选加工方案的单位时间的企业成本(元)，tc为该工步的换刀时间(s)，CT为在刀具寿命内与刀具有关的费用(元)，T为刀具的寿命(s)；V是该工步去除的总余量的体积(mm3)；Fc.max为该工步所使用的刀具所承受的负载的最大允许值(N)；Pmax为该工步所使用的机床的最大功率(W)，η为传动效率；vcmin为最小允许切削速度(m/min)，vcmax为最大允许切削速度(m/min)；fmin最小允许进给量(mm/r)，fmax最大允许进给量(mm/r)。
2.根据权利要求1所述的构建切削参数能效优化模型的方法，其特征在于：所述的能耗目标指完成该工步加工任务的直接用于切削的切削比能耗、机床的基本能耗以及机床的闲置能耗。
3.根据权利要求1所述的构建切削参数能效优化模型的方法，其特征在于：所述的成本目标指完成该工步的企业总开支及切削时间内刀具磨损及折旧费用。
4.根据权利要求1所述的构建切削参数能效优化模型的方法，其特征在于：所述生产效率目标指利用指定加工方法去除工件余量的切削时间。
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