基于曲面复杂度的复杂曲面类零件高效低碳优化加工方法与关键技术

Faced with the extensive application of complex surface parts and market competition, environmental and resource pressure of modern manufacturing, this project focuses on the study of optimization methods and key technologies with high efficiency and low carbon for complex surface parts based on surface complexity. Firstly, through the analysis of complex geometry features of complex surface parts, surface subdivision strategy, calculation model and quantitative method for complexity of the surface are proposed. Secondly, through the analysis of the impact of surface complexity on carbon emission of CNC machining system for complex surface parts, the model of carbon emission and its quantitative method are presented. Through revealing the relationship among surface complexity, cutting parameters, tool path and low carbon, optimization model and generation neural network model for cutting parameters selection are presented, based on surface complexity. Subsequently, tool path planning model and the corresponding database and knowledge base are also proposed. Finally, splitter blade of the wind turbine and portrait sculpture are applied to verify our proposed methodologies. Research results of this project will develop an optimization methodologies and technologies of machining with high-efficiency and low carbon for complex surface parts, and improve the ability of competition and sustainable development of manufacturing enterprises.

随着复杂曲面类零件的广泛应用和制造业面临市场竞争和资源环境压力问题，本项目围绕基于曲面复杂度的复杂曲面类零件高效低碳优化加工方法与关键技术展开研究。通过分析曲面复杂几何特性，提出曲面区域划分策略，建立曲面复杂度的计算模型及量化方法；分析复杂曲面类零件数控加工系统碳排放影响因素及其特性，以物料流、能量流、废物流为主线建立数控加工系统的碳排放模型，并进行优化求解；揭示曲面复杂度、切削参数、刀具路径、碳排放间的关联关系和作用规律；建立基于曲面复杂度的复杂曲面类零件切削参数高效低碳优化模型及泛化神经网络模型，实现切削参数高效低碳择优的预测和仿真；建立基于曲面复杂度的复杂曲面类零件刀具路径高效低碳优化模型及其数据库和知识库；最后以风力机叶片和人像雕塑五轴加工为工程背景进行应用验证。本项目研究成果将形成一套复杂曲面类零件高效低碳优化加工方法与技术，对提高我国制造企业竞争力和可持续发展能力具有重要意义。

本项目以全球能源消耗量大和环境污染严重，以及数控加工制造业中存在能量消耗总量大、能量利用率低且对环境污染大等问题日益突出，加之现代先进曲面造型技术的快速发展与人们对曲面类产品的需求的增加等为背景。在保证复杂曲面类零件表面加工质量的前提下，以提高数控加工效率、减少加工成本、降低碳排放和对环境的污染为目的，对复杂曲面类零件高效低碳优化加工方法展开研究，主要从复杂曲面类零件的曲面复杂度分析及其计算方法、复杂曲面类零件数控加工系统碳排放建模与量化、复杂曲面类零件数控加工切削参数高效低碳建模与优化方法、数控加工刀具路径高效低碳优化方法以及试验研究与应用验证几个方面进行研究。首先，提出了曲面加工复杂度概念和曲面区域划分策略，建立了曲面复杂度的计算模型及量化方法；其次，分析了铣削数控加工系统碳排放影响因素及其特性，建立了铣削加工工艺的能耗模型；提出了复杂曲面类零件切削参数高效低碳优化模型及泛化神经网络模型，实现了切削参数高效低碳择优的预测；随后，建立了复杂曲面类零件刀具路径优化模型，并通过混合遗传算法进行了求解，案例结果表明本项目所提出的方法生成的刀具路径在实际切削长度和空切路径长度上有一定的减少，总加工时间相对传统加工方法减少了16.37%，机床能耗和碳排放量分别减少了21.05%和21.03%；最后，通过加工案例，证明本项目提出曲面复杂度计算模型、铣削能耗模型、切削参数优化模型以及刀具路径优化模型是有效地和实用地。在保证曲面加工质量的前提下，可在一定程度提高复杂曲面加工效率降低机床能量消耗，减少加工过程的碳排放，对复杂曲面数控加工实现高效的、可持续绿色制造具有重要意义。