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前言：

隨著計(jì)算機(jī)、控制以及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在車間中的覆蓋率正逐步提高。工件通過數(shù)控加工完成由毛坯件向成品件的轉(zhuǎn)換過程中，勢(shì)必伴隨著能量的消耗以及廢棄物的排放，在能源價(jià)格飛速増長(zhǎng)、環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益增強(qiáng)的今天，節(jié)能減排的研宄具有重要意義⑴。簡(jiǎn)單準(zhǔn)確有效的數(shù)控加工能耗估算方法是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

現(xiàn)階段對(duì)加工能耗估算的研究主要采用分析能耗影響因素，建立能耗模型并據(jù)此計(jì)算能耗值的方法。Avram以機(jī)床為研究對(duì)象，建立了機(jī)床加工系統(tǒng)的能耗需求模型，并以典型銑削工藝為例，驗(yàn)證了該模型的有效性^[2]; Li提出了一種基于熱平衡和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪芎墓浪惴椒ǎ_(dá)到了較高的準(zhǔn)確度^[3]_;宮運(yùn)啟等建立了能耗知識(shí)模型，明確了該領(lǐng)域的概念及其關(guān)系，并提出丁基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工序能耗計(jì)算方法^[4]。另外，能耗是功率在時(shí)間上的積累，時(shí)間計(jì)量相對(duì)簡(jiǎn)單，也有學(xué)者展開了對(duì)功率模型的研究。Liu以槽銑工藝為研究對(duì)象，在推導(dǎo)了切削功率公式的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)的方法確定了切削力，進(jìn)而獲得了功率值^[5];賈順提出了一種基于動(dòng)素的切削功率建模方法，并通過外圓的車削實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證^[6]。以上成果對(duì)能耗估算的研究起到了極大的推動(dòng)作用，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

然而，上述成果側(cè)重于加工時(shí)某種工藝或某道工序耗能的研究，并未涉及到零件整個(gè)加工過程的能耗估算。在數(shù)控加工方面，Jia提出的一種基于“GM代碼”的能耗估算方法一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究的不足^[7]，但是IS06983標(biāo)準(zhǔn)缺少零件的頂層信息，令該方法在實(shí)施時(shí)需補(bǔ)充工件基本信息并計(jì)算切削深度，導(dǎo)致其應(yīng)用時(shí)存在困難。產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換模型(_Standard_f〇r_the_Exchange_〇fProduct model data，STEP )—數(shù)字控制(Numerical Control，NC)完整地表示了與零件加工相關(guān)的全部，包r'? j所有與能耗計(jì)算相關(guān)的內(nèi)容PI。若能夠基于STEP-NC實(shí)現(xiàn)待加工零件能耗值的估算，則不但能夠解決上述問題，而且有利于實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)內(nèi)能耗信息的廣泛集成，并進(jìn)一步推動(dòng)能量有效^[10]制造模式的發(fā)展，更好地滿足當(dāng)今低碳制造的需求，為低能耗的數(shù)控加工提供支持。

綜上所述，本文提出了一種基于STEP-NC的數(shù)控加工能耗估算方法。首先，在對(duì)數(shù)控加工能耗分析的基礎(chǔ)上，將數(shù)控機(jī)床的組件分為基本能耗組件、選擇能耗組件以及運(yùn)動(dòng)能耗組件；然后，以STEP-NC中的工步為中心，提出了基于STEP-NC的數(shù)控加工能耗估算方法，并著重闡述了工步能耗的計(jì)算過程；最后，根據(jù)所述方法開發(fā)了能耗估算軟件，對(duì)一個(gè)零件的加工能耗進(jìn)行了估算，并在機(jī)床上實(shí)測(cè)加工該零件的耗能，結(jié)果表明該方法具有一定的實(shí)用性。需要指出的是，本文的研宄針對(duì) ISO14649-10、11、201 展開。對(duì)于 ISO14649-201 標(biāo)準(zhǔn)僅利用其“_machineJool__{speciflcatlon}”及”device_id”實(shí)體標(biāo)識(shí)加工過程所使用的機(jī)床。

1數(shù)控加工能耗概述

數(shù)控加工能耗是數(shù)控機(jī)床在完成零件加工的過程中所消耗的能量，與普通機(jī)床加工相比較，數(shù)控機(jī)床具有多源能耗特性，即耗能部件眾多，能耗形式復(fù)雜多樣，如文獻(xiàn)[11]中所述的YD31125CNC6數(shù)控滾齒機(jī)，擁有15個(gè)子系統(tǒng)，且每個(gè)子系統(tǒng)的耗能部件均存在差異，總體能耗特性復(fù)雜。另外，

相關(guān)研宂者指出，隨著數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化程度的提高，直接用于切削的能耗占機(jī)床總耗能的比重將越來越小[¹²]，絕大多數(shù)的能量被輔助系統(tǒng)所消耗。因此對(duì)于數(shù)控加工過程的能耗估算，不能局限于切削能耗，而應(yīng)從全局的角度出發(fā)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的能耗特性有一個(gè)全面、清晰的認(rèn)識(shí)。一般可將數(shù)控機(jī)床在工作時(shí)的能耗分為固定能耗與可變能耗。本文基于此將數(shù)控機(jī)床的組件分為基本能耗組件、選擇能耗組件和運(yùn)動(dòng)能耗組件，其中，基本能耗組件和選擇能耗組件的能耗為固定能耗，運(yùn)動(dòng)能耗組件的能耗是可變能耗。

(1) 基本能耗組件

該組件指數(shù)控機(jī)床開啟后或者在加工過程中一定會(huì)運(yùn)行的能耗組件，如顯示器、指示燈和風(fēng)扇等。這部分能耗起到支撐性的作用，為數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行提供保障。

(2) 選擇能耗組件

該組件指數(shù)控機(jī)床上電后或者在加工過程中不一定需要運(yùn)行的組件，如照明燈、切削液以及換刀裝置等。對(duì)于此部分能耗值的獲取，可基于控制變量法的思想，通過實(shí)驗(yàn)的方法予以測(cè)量，即在機(jī)床開啟后，在同一時(shí)間內(nèi)只允許有一個(gè)選擇能耗組件運(yùn)行，計(jì)算出該組件的耗能情況。

(3) 運(yùn)動(dòng)能耗組件

此部分組件集中體現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的加工功能，包括主軸和進(jìn)給軸。其能耗由機(jī)床空行程以及材料切削時(shí)產(chǎn)生。

根據(jù)現(xiàn)有成果，基本能耗和選擇能耗組件的功率值可認(rèn)為是恒定的，由一個(gè)常數(shù)表示；運(yùn)動(dòng)能耗組件的功率計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜，從簡(jiǎn)化運(yùn)算和保證準(zhǔn)確性的角度出發(fā)，主軸功率可以看作是主軸轉(zhuǎn)速《的一次函數(shù)^[13]，進(jìn)給功率也可近似的表示為進(jìn)給速度的一次函數(shù)^[叫，切削功率一般與材料去除率成線性關(guān)系[^〗^5]。

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結(jié)束語：

本文提出了一種基于STEP-NC的數(shù)控加工能耗估算方法。該方法以STEP-NC中的工步為中心，

將其分為特征加工輔助、特征加工、接近制造特征與遠(yuǎn)離制造特征四個(gè)狀態(tài)，在對(duì)機(jī)床組件分類并指出其功率計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，可依次推算出每個(gè)狀態(tài)的耗能，進(jìn)而得到當(dāng)前工步的能耗，由于工件的加工是由多個(gè)工步構(gòu)成的，將每個(gè)工步的能耗求和即可計(jì)算出工件加工的能耗。考慮到機(jī)床的功率特性是存在差異的，同一零件在不同機(jī)床上加工的能耗值是不同的，因此通過實(shí)驗(yàn)的方法獲得了兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床的功率數(shù)據(jù)并錄入機(jī)床功率數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)所提出的方法開發(fā)了能耗估算軟件，達(dá)到了輸入零件的STEP-NC文件，輸出其加工能耗值的目的。其誤差主要與功率擬合公式的準(zhǔn)確度、加工過程中的刀具磨損以及村料均勻性等因素有關(guān)。另外，可更改STEP-NC文件中的工步順序并計(jì)算能耗值，從而為考慮能耗因素的工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

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數(shù)控加工能耗估算方法

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