[发明专利]面向能耗的型腔数控铣削加工刀具组合优选方法

摘要

本发明的目的是解决2.5D型腔类零件铣削加工中，由于刀具组合的选择不当而造成的能耗和成本高的问题，即公开了一种面向能耗的型腔数控铣削加工刀具组合优选方法，包括以下步骤：首先系统地分析了刀具组合与数控铣削加工过程能耗的映射关系，揭示刀具直径和刀具可行域对加工能耗的影响，并构建了多刀具数控铣削加工能耗函数；在此基础上，建立了以可行刀具为优化变量，以能耗和成本为优化目标的数控铣削加工刀具组合多目标优化模型；提出一种刀具组合优化求解方法：构建可行刀具集，确定每把刀具的可行域，并运用有向图和Dijkstra算法对优化模型进行求解；最后采用求得的最优刀具组合对型腔进行铣削加工。

主权项

1.一种面向能耗的型腔数控铣削加工刀具组合优选方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：描述数控铣削加工过程能耗构成，系统地分析刀具组合与加工能耗的映射关系，揭示刀具直径和刀具可行域对加工能耗的影响，并构建了多刀具数控铣削加工能耗优化函数；步骤2：阐述型腔状态转变过程的机理，进而建立以能耗和成本为优化目标的数控铣削加工过程刀具组合多目标优化模型；步骤3：提出一种刀具组合优化选择方法：构建可行刀具集Tf，确定刀具可行域Af，并运用有向图和Dijkstra算法对刀具组合模型进行优化求解；步骤4：采用步骤3得到的最优刀具组合对型腔进行铣削加工；步骤1中所述构建多刀具数控铣削加工能耗优化函数为：式中E_total为多刀具数控铣削加工总能耗，S_k为某刀具组合，该刀具组合共有m把可行刀具，第k把刀具T_k，其中k＝1,2,…,m，加工完其对应的可行域后型腔的状态，△E_k(S_k,S_k‑1)为该刀具加工过程的能量消耗；P₀为机床固定功率，P_u为空载功率，P_c为切削功率，P_a为附加载荷损耗功率，其中P_a与P_c成近似的线性比例关系：P_a＝b_mP_c，其中b_m是附加载荷功率损耗系数；t_u为空走刀时间，其中l_u^q、l_u^s和f_v^uq、f_v^us分别是刀具快速进给到下刀点和慢速下切到可行域处的空行程长度和进给速度；t_c分别为切削时间，其中N为刀路层数，l_c为单层切削路径长度，f_v^c为切削时进给速度，h为型腔待加工区域的深度，a_p为一次走刀的切削深度，Gint[·]表示向上取整，△A_f为刀具在型腔中单层实际可行域，ξ为刀具路径间距系数，D(T)为刀具直径；步骤2中所述以能耗和成本为优化目标的数控铣削加工过程刀具组合多目标优化模型为：其中最优刀具组合的各刀具直径为式中Tf为可行刀具集，各可行刀具直径尺寸按照由大到小的规则进行排列，即D(T1)>D(T2)>…>D(Tn)，其中直径最小的关键刀具Tkey，即Tn，是唯一可以无干涉地加工整个型腔的可行刀具；多刀具数控铣削加工总成本Ctotal为：式中△Ck(Sk,Sk‑1)为某刀具组合的第k把刀具Tk加工过程的成本，该刀具组合共有m把可行刀具，其中k＝1,2,…,m；CM为机床折旧费用、CT为刀具损耗费用、CE为能耗费用、CO为操作费；型腔状态转变时能耗和成本变化过程机理可描述为：上式表示当型腔状态由S_k‑1变成S_k的过程中，使用直径为D(T_k)的刀具加工了面积大小为的型腔区域，消耗的总能量为△E_k(S_k,S_k‑1)，付出的加工成本为△C_k(S_k,S_k‑1)；采用加权求和法建立的以能耗和成本为目标的刀具组合评价模型为：△Vk(Sk,Sk‑1)＝w1△Ek(Sk,Sk‑1)+w2△Ck(Sk,Sk‑1)式中wj是权系数，j＝1,2，且w1+w2＝1。