本發(fā)明涉及一種構(gòu)建切削參數(shù)能效優(yōu)化模型的方法，屬于低碳制造研究技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2015年9月21日發(fā)表在《自然-地球科學(xué)》的論文《持續(xù)增長的二氧化碳排放總量對達成氣候造成影響》顯示，2013年，全球的二氧化碳排放量再創(chuàng)歷史新高，達到361億噸左右。其中，中國排放二氧化碳100億噸，美國52億噸，歐盟28國35億噸，印度24億噸。這意味著，當年中國的碳排放超過美國和歐盟的總和，占世界總排放量的近3成。根據(jù)美國能源情報署(EIA)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2010年中國能耗為112.914×1015千焦，CO2排放為8.38144×109噸，其中工業(yè)能耗占比為71.3％；同比美國的能耗為103.703×1015千焦，CO2排放為5.6006×109噸，工業(yè)能耗占比為30％。可見，我國已成為全球能源消耗及二氧化碳排放大國，其中，根據(jù)2011年我國各個行業(yè)能源消耗情況統(tǒng)計，制造業(yè)能源消耗達58％，是我國碳排放的主要來源。因此，制造業(yè)的高速發(fā)展是造成我國整個工業(yè)領(lǐng)域的能源消耗與碳排放激增的主要原因，制造業(yè)亟需實現(xiàn)節(jié)能減排。

機械加工業(yè)作為制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，為制造業(yè)的其他部門提供裝備基礎(chǔ)，是整個國民經(jīng)濟的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是整個制造業(yè)資源消耗與碳排放的主要源頭。因此，積極推進機械制造業(yè)低碳化進程，是在應(yīng)對全球氣候變化新形勢下，我國機械制造業(yè)的發(fā)展新趨勢新挑戰(zhàn)。

在全球氣候變化壓力以及各國紛紛提出碳排放減排具體承諾指標的背景下，低碳制造的研究已成為新的學(xué)術(shù)熱點并受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注，關(guān)于工藝過程的能效及碳排放的定量計算、碳排放減量化理論及技術(shù)的研究尤為受到關(guān)注。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種構(gòu)建切削參數(shù)能效優(yōu)化模型的方法，對于產(chǎn)品制造過程能效優(yōu)化及節(jié)能減排都有著至關(guān)重要的作用，有利于減少工業(yè)生產(chǎn)中溫室氣體的排放，改善環(huán)境。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種構(gòu)建切削參數(shù)能效優(yōu)化模型的方法，建立了一個涵蓋能耗目標、成本目標、生產(chǎn)率目標的多目標優(yōu)化模型，以實現(xiàn)切削參數(shù)能效優(yōu)化，并針對該多目標問題，根據(jù)機械加工特征建立了一系列約束條件，以獲得最優(yōu)解，以工步為單元，其模型如下：

其中e_p表示切削比能耗(J/mm³)，MRR表示單位時間材料去除率(mm³/s)，t_s、t_m分別表示機床完成該工步的待機時間及切削時間(s)，P_idle、P_basic分別表示機床的平均閑置功率、基本功率(W)；M為備選加工方案的單位時間的企業(yè)成本(元)，t_c為該工步的換刀時間(s)，C_T為在刀具壽命內(nèi)，與刀具有關(guān)的費用(包括刀具刃磨費用、及折舊等)(元)，T為刀具的壽命(s)；V是該工步去除的總余量的體積(mm³)；F_c.max為該工步所使用的刀具所承受的負載的最大允許值(N)；P_max為該工步所使用的機床的最大功率(W)，η為傳動效率；v_cmin為最小允許切削速度(m/min)，v_cmax為最大允許切削速度(m/min)；f_min最小允許進給量(mm/r)，f_max最大允許進給量(mm/r)。

上述方法中，所述的能耗目標指完成該工步加工任務(wù)的直接用于切削的切削比能耗、機床的基本能耗以及機床的閑置能耗。

上述方法中，所述的成本目標指完成該工步的企業(yè)總開支及切削時間內(nèi)刀具磨損及折舊費用。

上述方法中，所述生產(chǎn)效率目標指利用指定加工方法去除工件余量的切削時間。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明在傳統(tǒng)工藝規(guī)劃目標基礎(chǔ)上引入了低能耗規(guī)劃目標，與傳統(tǒng)工藝規(guī)劃目標構(gòu)建了一個多目標函數(shù)。同時，本發(fā)明中引入了多個約束條件，包括切削力約束、切削功率約束、進給量約束以及切削速度約束，為面向低能耗切削參數(shù)優(yōu)化求解限定了搜索區(qū)間。因此，本發(fā)明對于產(chǎn)品制造過程能效優(yōu)化及節(jié)能減排都有著至關(guān)重要的作用，有利于減少工業(yè)生產(chǎn)中溫室氣體的排放，改善環(huán)境。

具體實施方式

為了使本發(fā)明目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

本發(fā)明的實施例：一種構(gòu)建切削參數(shù)能效優(yōu)化模型的方法，該方法中包含了能耗目標、成本目標、生產(chǎn)率目標。

所述的能耗目標指完成該工步加工任務(wù)的直接用于切削的切削比能耗、機床的基本能耗以及機床的閑置能耗。能耗目標采用比能耗作為優(yōu)化依據(jù)，即利用指定方法在單位時間內(nèi)去除單位體積材料的能耗，包含了三個部分：切削比能耗、閑置能耗、基本能耗。切削比能耗與所使用的加工方法及被加工材料有關(guān)，可根據(jù)相關(guān)文獻及數(shù)據(jù)庫查得；閑置能耗、基本能耗則與設(shè)備相關(guān)參數(shù)有關(guān)，通過計算獲得。

成本目標指完成該工步的企業(yè)總開支及切削時間內(nèi)刀具磨損及折舊費用。成本目標包含切削時間內(nèi)企業(yè)成本、為完成該工步加工任務(wù)的換刀時間消耗的成本及切削時間內(nèi)刀具成本。

生產(chǎn)效率目標指利用指定加工方法去除工件余量的切削時間。生產(chǎn)率目標直接采用總的材料去除體積除以該加工方法單位時間去除率獲得。

此外，相關(guān)約束條件應(yīng)根據(jù)相關(guān)切削手冊及所使用的設(shè)備參數(shù)確定具體數(shù)值。

根據(jù)分析，建立了一個涵蓋能耗目標、成本目標、生產(chǎn)率目標的多目標優(yōu)化模型，以實現(xiàn)切削參數(shù)能效優(yōu)化，并針對該多目標問題，根據(jù)機械加工特征建立了一系列約束條件，以獲得最優(yōu)解，以工步為單元，其模型如下：

其中e_p表示切削比能耗(J/mm³)，MRR表示單位時間材料去除率(mm³/s)，t_s、t_m分別表示機床完成該工步的待機時間及切削時間(s)，P_idle、P_basic分別表示機床的平均閑置功率、基本功率(W)；M為備選加工方案的單位時間的企業(yè)成本(元)，t_c為該工步的換刀時間(s)，C_T為在刀具壽命內(nèi)，與刀具有關(guān)的費用(包括刀具刃磨費用、及折舊等)(元)，T為刀具的壽命(s)；V是該工步去除的總余量的體積(mm³)；F_c.max為該工步所使用的刀具所承受的負載的最大允許值(N)；P_max為該工步所使用的機床的最大功率(W)，η為傳動效率；v_cmin為最小允許切削速度(m/min)，v_cmax為最大允許切削速度(m/min)；f_min最小允許進給量(mm/r)，f_max最大允許進給量(mm/r)。