当今社会,环境和能源是全民关注的两大热点问题,节约能源、净化环境是新一次工业革命的主要内涵。工业活动对环境和能源均有显著影响,工业领域中的电能消耗约占全球电能消耗总量的60%以上。数控机床作为制造业的主体,具有大功率、高能耗的特点,加工工艺对能耗影响显著,加工工艺的多样性使得数控机床具有较大的节能空间。因此,对数控机床的功率特点开展研究并建立精确的预测模型,能够为加工过程的多目标权衡分析与优化、分析加工过程的节能策略提供理论支撑。然而,现有的数控机床功率模型无论是在机床层面建立的还是在系统层面建立的,都不能与实际加工过程的切削参数等其它加工工艺进行结合,无法根据切削参数等输入条件准确地预测切削功率。因此,从切削原理的角度揭示切削参数、刀具路径、刀具磨损等因素与切削功率之间的关系,开展数控机床功率预测模型的建模及应用研究,分析不同切削参数对能耗的影响重要度等级,能够为面向低能耗制造的加工工艺多目标权衡分析提供理论支撑。结合制造业中低能耗、高效率的要求,本文以机械式主轴的中型立式加工中心为研究对象,分析了该类型数控机床不同工作状态下的功率进行分析,根据数控机床工作过程的时间顺序及其功率的影响因素分类,从非切削状态和切削状态两方面出发建立了数控机床对应工作状态下的功率模型;并将理论模型应用于刀具路径、刀具磨损对能耗、加工效率和表面质量的影响规律研究,在此基础上,开展加工工艺多目标权衡分析与综合优化研究。主要研究工作如下:首先,分析数控机床功率特性及影响因素,结合不同结构或部件的功率消耗特点,从非切削状态和切削状态两方面分别建立了对应的功率模型。对于任意一个加工过程,数控机床的工作状态都包含切削和非切削两种状态。本研究以典型的铣削过程为例,分析了加工过程的功率特点,将数控机床的待机、主轴加速、主轴空转、工作进给(刀具接触工件前)、快速进给这几个阶段归为非切削状态,建立了包含机床自身参数和部分切削参数的非切削状态功率模型;然后从电机工作原理的角度,深入阐释了数控系统中的功率流动特性,初步验证了理论模型的*本文得到“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项—大功率汽车柴油发动机关键零件加工线成套刀具的应用验证与示范(项目编号:2015ZX04003-005)的资助。有效性。对于切削状态的功率模型,因其与诸多加工因素有关,根据P=F·v这一基本原理,采用基于微元切削力的切削功率建模方法,建立了关于切削参数的切削功率模型。最后,通过随机选取不同切削参数的验证实验,对非切削状态和切削状态功率模型的预测精度进行验证,所建立的模型在低速和高速工作范围内均具有较高的预测精度,对功率均值和功率峰值的平均预测误差分别为0.076%和0.208%。其次,运用上述功率模型建立了加工过程的能耗模型,针对不同刀具路径完成同样加工工序所需能耗不同的特点,探究刀具路径对能耗的影响机理及规律,并结合加工效率和表面质量两个目标,对刀具路径进行了综合优化。选取了六种常用的平面铣削刀具路径,运用能耗模型预测不同刀具路径的能耗,并运用实验结果对预测精度进行验证,分析了六种路径对能耗、加工效率和表面质量的综合影响;建立了基于刀具路径的“能耗—加工效率—表面质量”综合分析模型,最终实现基于多目标权衡分析的刀具路径综合优化,达到低能耗、高效率、高表面质量的加工目标。最后,考虑加工过程中刀具磨损量的变化,导致切削力与刀具未发生磨损时相比发生变化,从而间接影响切削功率。为了使加工工艺多目标优化结果更接近实际加工状况,开展了切削参数对能耗、刀具磨损、表面质量的综合影响分析及优化。选用涂层材料不同、几何形状相同的两种刀具,分析其在同一切削参数条件下的磨损特性;利用灰度关联分析理论,分析了切削参数对功率、刀具磨损、表面质量的影响重要度,并研究了切削功率随刀具磨损变化的规律,研究了刀具磨损与功率之间的映射关系,同时考虑刀具磨损对表面质量的影响,建立了“切削功率—表面质量—刀具磨损”的三维权衡分析关系模型,用于求解最优切削参数解集,以使得刀具磨损和切削功率最小化,同时能够最大限度地提高表面质量。本研究将数控机床的功率分为非切削状态功率和切削状态功率两部分,考虑数控机床不同状态功率的影响因素,分别进行功率特性分析及建模研究,能够简化建模过程,同时使得模型的精度得到较大提高。对于非切削状态功率,提出了分段函数建模法;对于切削状态功率,从切削原理角度,提出了基于微元切削力的切削功率建模方法,该建模方法适用于不同型号的机床和刀具,该模型中包含与数控机床、刀具型号等相关的系数,在具体应用模型预测功率时只需重新标定即可。本研究建立的功率模型能够用于切削参数的多目标优化研究、刀具路径优化和刀具磨损状态的在线监测等领域,为加工工艺多目标权衡分析和综合优化提供了理论基础。