本發明涉及一種構建切削參數能效優化模型的方法，屬于低碳制造研究技術領域。
背景技術：
2015年9月21日發表在《自然-地球科學》的論文《持續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。根據美國能源情報署(EIA)的統計數據，2010年中國能耗為112.914×1015千焦，CO2排放為8.38144×109噸，其中工業能耗占比為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2011年我國各個行業能源消耗情況統計，制造業能源消耗達58％，是我國碳排放的主要來源。因此，制造業的高速發展是造成我國整個工業領域的能源消耗與碳排放激增的主要原因，制造業亟需實現節能減排。
機械加工業作為制造業的基礎行業，為制造業的其他部門提供裝備基礎，是整個國民經濟的物質基礎，也是整個制造業資源消耗與碳排放的主要源頭。因此，積極推進機械制造業低碳化進程，是在應對全球氣候變化新形勢下，我國機械制造業的發展新趨勢新挑戰。
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術熱點并受到國內外學術界的關注，關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的研究尤為受到關注。
技術實現要素：
本發明的目的在于，提供一種構建切削參數能效優化模型的方法，對于產品制造過程能效優化及節能減排都有著至關重要的作用，有利于減少工業生產中溫室氣體的排放，改善環境。
本發明的技術方案：一種構建切削參數能效優化模型的方法，建立了一個涵蓋能耗目標、成本目標、生產率目標的多目標優化模型，以實現切削參數能效優化，并針對該多目標問題，根據機械加工特征建立了一系列約束條件，以獲得最優解，以工步為單元，其模型如下：
其中ep表示切削比能耗(J/mm3)，MRR表示單位時間材料去除率(mm3/s)，ts、tm分別表示機床完成該工步的待機時間及切削時間(s)，Pidle、Pbasic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成本(元)，tc為該工步的換刀時間(s)，CT為在刀具壽命內，與刀具有關的費用(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)；Fc.max為該工步所使用的刀具所承受的負載的最大允許值(N)；Pmax為該工步所使用的機床的最大功率(W)，η為傳動效率；vcmin為最小允許切削速度(m/min)，vcmax為最大允許切削速度(m/min)；fmin最小允許進給量(mm/r)，fmax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總開支及切削時間內刀具磨損及折舊費用。
上述方法中，所述生產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方案，本發明的優點在于：本發明在傳統工藝規劃目標基礎上引入了低能耗規劃目標，與傳統工藝規劃目標構建了一個多目標函數。同時，本發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優化求解限定了搜索區間。因此，本發明對于產品制造過程能效優化及節能減排都有著至關重要的作用，有利于減少工業生產中溫室氣體的排放，改善環境。
具體實施方式
為了使本發明目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明的實施例：一種構建切削參數能效優化模型的方法，該方法中包含了能耗目標、成本目標、生產率目標。
所述的能耗目標指完成該工步加工任務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化依據，即利用指定方法在單位時間內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，可根據相關文獻及數據庫查得；閑置能耗、基本能耗則與設備相關參數有關，通過計算獲得。
成本目標指完成該工步的企業總開支及切削時間內刀具磨損及折舊費用。成本目標包含切削時間內企業成本、為完成該工步加工任務的換刀時間消耗的成本及切削時間內刀具成本。
生產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，相關約束條件應根據相關切削手冊及所使用的設備參數確定具體數值。
根據分析，建立了一個涵蓋能耗目標、成本目標、生產率目標的多目標優化模型，以實現切削參數能效優化，并針對該多目標問題，根據機械加工特征建立了一系列約束條件，以獲得最優解，以工步為單元，其模型如下：
其中ep表示切削比能耗(J/mm3)，MRR表示單位時間材料去除率(mm3/s)，ts、tm分別表示機床完成該工步的待機時間及切削時間(s)，Pidle、Pbasic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成本(元)，tc為該工步的換刀時間(s)，CT為在刀具壽命內，與刀具有關的費用(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)；Fc.max為該工步所使用的刀具所承受的負載的最大允許值(N)；Pmax為該工步所使用的機床的最大功率(W)，η為傳動效率；vcmin為最小允許切削速度(m/min)，vcmax為最大允許切削速度(m/min)；fmin最小允許進給量(mm/r)，fmax最大允許進給量(mm/r)。