[发明专利]数控机床能耗建模与加工过程优化的方法

说明书

本发明提供了一种数控机床能耗建模与加工过程优化的方法，包括：数据采集步骤：根据能耗建模实验，采集能耗数据；空载功率模型建立步骤：根据能耗数据拟合机床空载功率模型，测量机床空载能耗；铣削功率模型建立步骤：根据梯度提升回归树算法和能耗数据，训练铣削功率模型；实时功率预测步骤：对空载功率和铣削功率进行叠加；加工参数优化步骤：以加工的切削比能和加工时间为目标函数，建立加工参数优化模型并进行求解；加工顺序优化步骤：以相邻空走刀能耗之和为目标，建立加工顺序优化模型并进行约束。本发明实现节能高效制造；通过结合公式拟合和机器学习方法构建数控机床能耗模型，达到了较高预测精度，具有更好的泛化性能。

技术领域

本发明涉及绿色制造领域，具体地，涉及一种数控机床能耗建模与加工过程优化的方法。

背景技术

从加工状态来看，数控机床会经历启动、待机、空载运行、加工、停机等多个阶段，每个阶段又对应着不同的能耗子系统停启和工作状态，因此建立数控机床的能耗模型是一项困难并具有挑战性的工作。为了应对能源价格上涨、资源短缺、全球变暖、环境污染等日益严重的国际问题，提高制造业中的能源利用率和生产效率显得十分必要。

目前对数控机床能耗的研究集中在对其加工过程材料移除能耗的研究，即实际铣削加工时，通过建立以单位时间材料移除率或铣削参数为变量构建的经验公式，建立起加工能耗与变量的映射关系，一些研究也将刀具参数、刀具磨损情况考虑进去。但该模型中通常包含大量难以推导的系数，通过实验数据拟合相关系数可以实现模型的建立，但模型局限性大，不具备很好的泛化性能。同时实际加工中，非加工状态消耗的能量同样不能忽视，对这部分能耗的建模需要建立起各部件的能耗模型，包括主轴、进给轴、辅助部件等。目前相关研究集中在三轴机床上，而对五轴机床额外的两个旋转轴的能耗模型缺少相关的研究。

降低数控机床使用能耗可以通过机床本身的轻量化和节能设计、车间层级的高效管理和调度、以及加工过程的优化等方面实现，其中优化加工过程是实现制造业节能减排最可行有效的方法之一。加工过程优化的目的是在更合理、更节能的加工方式下实现所需的加工效果。在加工过程的工艺参数主要包括切宽、切深、主轴转速、进给速度等加工参数，优化方法主要可以通过方差分析(ANOVA)、响应曲面分析、灰色关联分析等为代表的实验数据统计分析方法以及以退火算法、遗传算法、粒子群优化算法等为代表的智能优化算法。加工过程能耗也可以通过调整特征加工顺序，合理规划进给轴，在工序层实现节能优化。

专利文献CN109933002A(申请号：201910243560.2)公开了一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，根据机械加工过程能耗特性的不同，将机械加工过程划分为若干系列机械加工活动和机械加工活动转移；分别构建所述机械加工活动和机械加工活动转移的能耗模型；以建立的所述机械加工活动的能耗模型和所述机械加工活动转移的能耗模型为基础，构建机械加工全过程的能耗模型，并对机械加工过程能量需求进行分析计算。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种数控机床能耗建模与加工过程优化的方法。

根据本发明提供的数控机床能耗建模与加工过程优化的方法，包括：

数据采集步骤：根据能耗建模实验，采集能耗数据；

空载功率模型建立步骤：根据能耗数据拟合机床空载功率模型，测量机床空载能耗；

铣削功率模型建立步骤：根据梯度提升回归树算法和能耗数据，训练铣削功率模型；

实时功率预测步骤：对空载功率和铣削功率进行叠加；

加工参数优化步骤：以加工的切削比能和加工时间为目标函数，建立加工参数优化模型并进行求解；

加工顺序优化步骤：以相邻空走刀能耗之和为目标，建立加工顺序优化模型并进行约束。

优选地，所述数据采集步骤包括：使用异常值剔除和均值滤波对采集的数据进行去噪；