高效低碳背景下機械加工工藝路線多目標優化 模型分析

仇 陽

（如皋中等專業學校，南通 226500）

機械加工是將一些毛坯材料通過切削、鏜銑以及刨磨機床加工變為能用的零部件。整個加工過程不僅追求加工效率，也要考慮加工成本與加工質量。因此，如何控制能耗、提高效率一直是機械加工企業的主要技術改進方向。近幾年，隨著數控機床技術與機電一體化技術的不斷發展，大部分國內機械加工機床系統已經實現了智能化控制。智能化、數據化控制系統雖然極大地提高了機械加工的精密度和穩定性，提高了產線產能效率，但由于機電一體化數控機床應用技術的不成熟，在實際應用過程中有相當一部分數控機床系統存在高能耗等問題[1]。本文針對這一問題，嘗試從高效低碳視角探討如何構建機械加工切削工藝多目標優化模型，并通過模型分析得出更加高效環保的機械加工切削工藝路線。

1 機械加工制造系統的能耗特點與能耗模型

機械加工制造系統是一系列將毛坯材料通過車削、銑削、鉆削、鏜削、磨削以及刨削等加工工藝形成能夠實用的半成品零部件。從能耗視角來看，目前機械加工主要依賴于數控機床設備。機床設備根據加工工藝的區別又可以細分為車削加工系統、銑削加工機床以及鉆削加工機床等。除主體加工設備的能耗外，一個完整的機械加工制造系統還會包括空氣壓縮機、照明系統、暖通設備以及材料半成品運輸設備等輔助設備?？梢?，一個完整運作的機械加工工程體系的能耗構成相當復雜，影響最終能耗的因素也相對較多。

總結來說，機械加工工程的能耗由主體加工設備和輔助設備構成，具體公式如下：

式中：Etotal表示機械加工工程體系的總能耗；Emachine表示加工機床能耗；Eauxiliary表示整個加工車間輔助設備能耗。

依據上文分析思路，主體加工機床是整個機械加工工程中能耗最高也是最主要、能耗源最多的部分。下面以某常見金屬零件加工為例，詳細論述常見機械加工過程中的機床能耗模型。

依據金屬零件機械加工切削數控機床作業流程，按照作業時段，將整個作業過程劃分為5 個時段，分別為機床啟動時段、待機時段、主軸作業變速時段、空切時段以及切削作業時段。切削數控機床在不同時段的輸出功率不同，時段的時長也不同[2]。5 個時段的功率與時長關系如圖1 所示。同時，各個時段的能耗源組成也不盡相同。具體各時段的功率構成如圖2所示。

2 面向高效節能的機械技工工藝路線多目標集成優化模型分析

2.1 機械加工能耗問題集成優化問題描述

以切削加工工藝為例，機械加工切削機床作業車間的能耗集成優化的主要目標在于選擇能耗最小、機床負載穩定的加工工藝。切削技工工藝規劃中零件的加工特征、機床類型選用、刀具規格設計與選用、加工流程設計以及切削作業參數設置，都會對最終切削作業的能耗產生影響，因此有必要針對機電能耗影響因素明確機械加工切削作業工藝路線能耗優化步驟[3]。第一，要確定滿足零件加工需求的加工順序、可選的機床類型以及刀具規格，設計出一套切實符合需求且穩定性更好的機床、刀具設備配置方案。第二，為加工工藝設計具體的加工工序方案。第三，基于機床類型和刀具規格，明確主軸轉速、進給量以及背吃刀量等切削工藝參數的約束范圍，為每一道工序制定具體的切削參數方案。第四，將設計的切削參數方案與能耗控制、機床負載、高效率等目標進行對比，滿足優化目標需求，輸出最優加工工藝路線，否則返回第一步繼續迭代。

2.2 機械加工切削參數方案與工藝路線多目標優化模型構建

要構建多目標優化模型，需要確定能耗問題和機床負載均衡問題的決策變量、目標函數和約束條件。

2.2.1 決策變量

決策變量主要包括同一個類型零件的加工順序seqi,j，確定零件加工工序的主加工機床加工狀態的Mi,j,k，確定零件各工序交給你所用刀具規格數據Ti,j,s。

切削參數優化的決策變量包括主軸轉速ni,j、進給速度fi,j以及背吃刀量api,j。

2.2.2 目標函數

本文研究多目標優化模型主要有兩個方面。

（1）能耗目標函數。通過上述分析的機械加工過程中各時段的能耗構成，能夠得出機械加工工藝路線方案（工序加工順序、機床選擇、刀具選擇）會直接影響空切時段、切削作業時段以及換刀時段的能耗[4]。因此，依據上文分析的各時段機械加工能耗構成，得出機械加工過程中切削作業能耗目標函數：

式中：Ep為零件機械加工過程總能耗；Eair為空切時段能耗；Ecutting為切削加工時段能耗；Etc為換刀時段能耗能耗；Pst為待機時段功率；Pauc為機床啟動輔助系統功率；Pu為傳動系統空載功率；Pc為物料去除功率；Pa為附加載荷損耗功率；ttc為換刀時段時長；tcutting為切削加工時段時長；OPi,j表示第i 個零件的第j 道工序；I 為零件序號；k 為機床編號。

（2）機床負載均衡目標函數。通常情況下，在對當前機械加工工藝進行優化時，不僅需要從低能耗角度出發，還要從加工成本和作業效率角度提高整個作業系統的經濟效益[5]。機床負載均衡要求車間生產過程中工藝流程各個工序生產效率的均衡配置，確保上下關系的工序生產效率基本一致，不會因為某一段工序的效率低下導致整個產線生產效率下降。這就要考慮每一種類不同機床類型加工負載均衡的狀態。

設w(k)為車間中第k 臺機床的加工負載。依據上述分析，各工序時段的加工負載與該機床上負責的各項加工工藝時間相關，因此可以通過式（3）計算得到編號k 的機床的加工負載：

式中：PT(OPi,j)表示第i 個零件第j 個工序的總加工時長；Mi,j,k為一個0 到1 之間的變量，若Mi,j,k=1則表示工序OPij在第k 臺機床上進行加工，反之則Mi,j,k=0；I 表示零件序號；mi表示第i 個零件的加工工序總數。

3 約束條件

機械加工切削參數與工藝集成的約束條件如下：當確定機床加工工序的零件特征后，確定能夠滿足零件加工特征約束條件的機床類型和刀具規格，然后計算該機床在加工該零件時的最高主軸轉速nmax(k)與最低主軸轉速nmin(k)，刀具允許進行的最大切削速度vcmax(k)與最小切削速度vcmin(k)，以及能夠滿足工藝系統整體設備負載能力的粗加工最大背吃刀量和最小背吃刀量

若同一個零件采用同一種加工方法，它的加工工序順序是已知且固定不變的，那么可以按照各道工序的已知加工理論順序從小到大為具體工序進行編號。另外，同一種零件的加工工藝順序需要遵循一定的緊前關系約束（基準約束、材料去除約束、工藝結構約束等）。不同編號的零件在同一編號機床上的共類型工序之間，則不存在這種緊前關系約束。

4 結語

本文在高效低碳經濟發展背景下，以能耗控制目標和機床負載均衡目標為優化方向，在充分分析機械加工工藝過程中的能耗構成后，確定了各時段機床加工零件切削參數和工藝路線相關的決策變量，然后分別確定了兩個目標函數，并全面考慮了該函數計算過程中的約束條件，最后得出以高效與低碳為目標的機械加工切削參數和工藝路線的多目標優化模型，可為機械加工產業的可持續發展提供幫助。