何 彥，陳文奇，王禹林，岳冠楠，李育鋒，田小成

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動國家重點(diǎn)試驗室，重慶 400030；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

0 引言

能源對現(xiàn)代社會發(fā)展具有不可或缺的推動作用。隨著世界范圍內(nèi)人口的增長，全球能源的消耗量也在日益增加?；诂F(xiàn)有推測，到2035年全球能源需求會較當(dāng)前水平高出47%[1]。因此節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢[2]。而從產(chǎn)品角度出發(fā)，提升其環(huán)境表現(xiàn)，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要實踐途徑[3]。機(jī)加工是產(chǎn)品制造過程中的重要技術(shù)，美國能源信息署的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，機(jī)床設(shè)備加工工件能耗占制造業(yè)總能耗的50%[4]。對工件機(jī)加工能耗的準(zhǔn)確預(yù)測是制造業(yè)節(jié)能減排的基礎(chǔ)，由于工件的機(jī)加工能耗本質(zhì)上受其設(shè)計階段的設(shè)計參數(shù)和制造階段的制造參數(shù)共同影響，綜合考慮產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)有助于產(chǎn)品設(shè)計者從設(shè)計和制造協(xié)同的角度出發(fā)，對工件機(jī)加工能耗進(jìn)行優(yōu)化。

為獲取工件機(jī)加工能耗，很多學(xué)者采用基于NC(numerical control)代碼的能耗預(yù)測方法。在考慮數(shù)控機(jī)床能耗特性的基礎(chǔ)上，He等[5]構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床中各個能耗部件的能耗模型，并從NC代碼中提取加工參數(shù)和刀具運(yùn)動信息，代入所構(gòu)建的能耗模型中依次預(yù)測單個刀具路徑的能耗，疊加后得到工件機(jī)加工能耗。Kong等[6]考慮了數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸加速減速過程的能耗，探究了刀具路徑類型對工件加工能耗的影響。Aramcharoen等[7]構(gòu)建了G01，G02等插補(bǔ)運(yùn)動下的數(shù)控機(jī)床能耗需求模型。Jia等[8]提出了一種動素嵌入的價值流映射方法，將NC代碼的價值流及污染源可視化。工件的設(shè)計會對其機(jī)加工能耗產(chǎn)生突出影響[9]，但將工件的設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為NC代碼后，便丟失了工件尺寸形狀等設(shè)計參數(shù)，難以分析設(shè)計參數(shù)對工件機(jī)加工能耗的影響。

由于特征技術(shù)有助于設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)的集成，很多研究者基于特征技術(shù)研究工件的尺寸形狀對其機(jī)加工能耗的影響。Sheng等[10-11]建立了特征的加工能耗模型，該模型包含各特征的比能耗(Specific Energy Consumption, SEC)模型及材料實際移除體積(Actual Cutting Volume, ACV)模型，通過將兩個模型相乘，得到特征加工能耗。Hu等[12]通過考慮機(jī)床待機(jī)狀態(tài)、進(jìn)給運(yùn)動等能耗，對SEC模型進(jìn)行了改進(jìn)，在考慮特征加工順序?qū)嶋H切削區(qū)域的影響后對ACV模型進(jìn)行了改進(jìn)，從而增加了特征切削模型的準(zhǔn)確性。Altnta等[13]提出一種預(yù)測棱柱類零件銑削加工理論能耗的預(yù)測模型，該模型依賴“產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范應(yīng)用協(xié)議第224部分基于形狀特征的機(jī)械產(chǎn)品加工工藝規(guī)程定義”(STEP AP224)定義的加工特征所提供的體積信息及材料信息。Hu等[14]以二叉樹的形式表征工件結(jié)構(gòu)，二叉樹上每個節(jié)點(diǎn)代表一個加工特征，特征加工參數(shù)以特征映射的方式從設(shè)計參數(shù)中獲取，依次計算每個加工特征的能耗，累加后得到工件加工能耗。上述能耗預(yù)測方法在預(yù)測特征機(jī)加工能耗時，多采用SEC乘ACV的方式計算，難以反映刀具路徑類型和工藝規(guī)劃等制造參數(shù)對工件加工能耗的影響。

綜合考慮工件設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)對工件機(jī)加工能耗進(jìn)行預(yù)測，有利于實現(xiàn)從工件設(shè)計和制造兩方面出發(fā)對工件加工能耗進(jìn)行優(yōu)化。同時考慮到車削是目前最為廣泛的機(jī)械加工方式之一，車削工件量大面廣，因此本文提出一種集成工件設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)的車削工件機(jī)加工能耗預(yù)測方法。首先，依據(jù)STEP AP224協(xié)議對工件進(jìn)行特征識別，并生成工件的特征字典以對工件設(shè)計參數(shù)進(jìn)行集成。然后，對車削工件進(jìn)行基于特征的工藝規(guī)劃，并生成不同工序執(zhí)行順序下的各加工工序的刀具路徑，提取各加工工序的加工參數(shù)刀具路徑等制造參數(shù)生成token文件以對工件制造信息進(jìn)行集成；在考慮工件機(jī)加工過程動態(tài)能耗行為的基礎(chǔ)上，基于分層面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)(HOONet)構(gòu)建了工件機(jī)加工過程動態(tài)能耗模型。最后，通過生成的token文件驅(qū)動工件機(jī)加工動態(tài)能耗模型獲取車削工件機(jī)加工的能耗。以盤類工件及軸類工件為例，對所提方法進(jìn)行了驗證。

1 集成設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)的工件機(jī)加工能耗預(yù)測方法流程

工件設(shè)計階段所確定的工件設(shè)計信息包括工件形狀尺寸在內(nèi)的幾何信息、材料信息、粗糙度信息及精度信息等，這些設(shè)計信息均對工件機(jī)械加工過程能耗有影響[15]。本文選取設(shè)計信息中工件的幾何信息、表面粗糙度信息及材料信息作為研究重點(diǎn)，這些設(shè)計信息通過參數(shù)的形式表征，稱為設(shè)計參數(shù)。

由于工件機(jī)械加工能耗可看做機(jī)床在完成一系列由刀具路徑觸發(fā)的離散事件時的能耗，對各加工特征加工工序的刀具路徑進(jìn)行區(qū)分，并進(jìn)行基于刀具路徑的工件機(jī)械加工能耗計算，有助于讓工件設(shè)計者明確工件設(shè)計及制造對能耗的影響，同時能獲取更準(zhǔn)確的能耗預(yù)測結(jié)果。因此，本文所定義的制造參數(shù)包括：工件特征工序加工順序、走刀策略、加工參數(shù)、加工刀具、工序冷卻需求、工件裝夾時間。

如圖1所示為集成設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)的工件機(jī)加工能耗預(yù)測方法的流程圖。特征是工件的基本組成單元，工件的優(yōu)化設(shè)計通常是通過優(yōu)化各特征的設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)，因此在工件完成三維建模，確定其形狀和尺寸信息后，首先基于特征技術(shù)對工件進(jìn)行特征識別，同時以工件特征字典的形式對工件的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行存儲。然后基于工件特征字典中各特征的表面粗糙度要求對各特征進(jìn)行工藝規(guī)劃，并確定各加工工序的刀具路徑。通過提取加工工序的刀具路徑信息及工藝規(guī)劃信息生成此加工工序的token M，各加工工序token M組成的集合即為token集。然后通過token集驅(qū)動所構(gòu)建的工件機(jī)加工過程動態(tài)能耗模型，實現(xiàn)對工件機(jī)加工能耗的預(yù)測。由于token集是工件制造參數(shù)的集成，能快速實現(xiàn)不同制造參數(shù)下工件機(jī)加工能耗的預(yù)測。該方法主要針對車削相關(guān)特征開展，適用于車削相關(guān)工藝。

2 集成設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)的工件機(jī)加工能耗預(yù)測

2.1 工件設(shè)計參數(shù)集成

為便于工件設(shè)計者快速修改工件特征的設(shè)計參數(shù)并將工件設(shè)計參數(shù)向后續(xù)的制造階段及能耗預(yù)測階段傳遞，本文通過對工件設(shè)計參數(shù)進(jìn)行整理和提取并基于工件特征字典的形式存儲工件幾何參數(shù)、材料參數(shù)、表面粗糙度參數(shù)，實現(xiàn)對工件設(shè)計參數(shù)的集成。

為實現(xiàn)工件設(shè)計參數(shù)集成，首先對工件進(jìn)行特征識別。由于STEP AP224協(xié)議是支持制造特征并用于單個零件機(jī)械加工的產(chǎn)品信息的表達(dá)與交換的應(yīng)用協(xié)議，是目前較為通用的特征定義方式之一，因此基于STEP AP224協(xié)議中定義的特征對STEP AP203文件進(jìn)行特征識別。目前，常用的特征識別方法包括基于屬性鄰接圖的識別方法、基于體分解的識別方法、基于規(guī)則的識別方法及基于痕跡推理的識別方法等[15]。為了對研究對象進(jìn)行聚焦，本文重點(diǎn)對車削工件中的特征父類外圓特征(Outer_round)、旋轉(zhuǎn)特征(Reveloved_feature)及其下屬的直接子類特征及圓孔特征(Round_hole)等特征進(jìn)行識別。吳江[17]提出一種基于規(guī)則的特征識別方法來實現(xiàn)對STEP AP203文件的識別，該方法主要適用于車削工件的特征識別，對于車削工件中常常出現(xiàn)的幾類典型特征，具有很好的識別效果，且識別效率也很理想[18]。因此，本文采用基于規(guī)則的識別方法完成對STEP AP203文件的識別，具體過程如圖2所示[17]。

工件的三維模型經(jīng)過特征識別后生成了工件的STEP AP224文件。生成的STEP AP224文件中包含特征的幾何信息及從STEP AP203文件中保留下的工件材料信息。因此，工件的幾何信息及材料信息從STEP AP224中提取，而表面粗糙度信息則在特征識別的結(jié)果上對各特征手動賦予。如圖3所示為基于EXPRESS語言描述的outer_diameter特征，EXPRESS語言是STEP的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)語言。圖3所示定義outer_diameter需diameter、feature_length及reduce_size三個定義參數(shù)。其中reduce_size實現(xiàn)了區(qū)別圓柱體和圓錐體，通過diameter_taper或angle_taper定義圓錐體。通過工件特征字典中加工特征的類型、加工特征關(guān)鍵尺寸參數(shù)及加工特征輪廓點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)對加工特征進(jìn)行描述。輸入各加工特征的表面粗糙度要求用于制定工件加工工序及工序刀具路徑。outer_diameter特征在工件特征字典中的表示如表1所示。

表1 outer_diameter特征在工件特征字典中的表示

2.2 工件制造參數(shù)集成

工件制造參數(shù)的集成是對考慮工件設(shè)計參數(shù)基礎(chǔ)上生成的工件制造參數(shù)進(jìn)行存儲，以驅(qū)動工件機(jī)械加工能耗模型對能耗進(jìn)行預(yù)測。其意義在于能方便快速地修改工件的制造參數(shù)，進(jìn)而快速獲取不同制造參數(shù)下的工件機(jī)械加工能耗?？紤]到基于特征加工工序刀具路徑對工件特征機(jī)械加工能耗進(jìn)行預(yù)測能準(zhǔn)確反映工件設(shè)計制造對能耗的影響，因此首先需生成各特征加工工序的刀具路徑。

2.2.1 面向加工工序的刀具路徑生成

面向工件特征的工藝規(guī)劃可在考慮特征表面粗糙度要求的前提下對特征分別設(shè)置粗加工和精加工工序，如對表面粗糙度要求高于某一特定值時設(shè)置精加工工序，否則只設(shè)置粗加工序，而工序的加工參數(shù)可選用刀具生產(chǎn)商的推薦值。由于工序執(zhí)行順序會影響刀具路徑的生成，進(jìn)而影響工件機(jī)加工能耗，為了獲取不同工序執(zhí)行順序下各加工工序的刀具路徑，需先確定各加工工序的切削區(qū)域。以一個外圓車削工件為例(如圖4)，展示3種工藝執(zhí)行順序下各加工工序的切削區(qū)域。圖4中P1、P2和P3分別表示槽特征粗車、外圓特征粗車和外圓特征精車工序，圖4d中網(wǎng)格線及圓點(diǎn)所標(biāo)記的區(qū)域分別為P1和P2及P1和P3的切削交集。觀察圖4a～圖4c可知，當(dāng)工序在執(zhí)行順序中位置改變時，其切削區(qū)域也隨之改變。

工序切削區(qū)域的確定可以看作是集合基數(shù)的確定，而容斥原理是確定集合基數(shù)的有效方法[19]，因此通過容斥原理確定第k道加工工序Pi的切削區(qū)域。面向工序的刀具路徑生成方法的流程如圖5所示，圖中：s為裝夾位置指示變量，sn為總裝夾次數(shù)。算法具體步驟如下：

步驟1確定各工序的裝夾位置及加工順序并設(shè)置s=1，表明當(dāng)前計算裝夾位置1下的各加工工序的刀具路徑。

步驟2將各加工工序在工序執(zhí)行順序表中的位置前置，通過加工特征與毛坯之間的三維實體布爾運(yùn)算確定包括切削交集在內(nèi)的各加工工序的最大切削區(qū)域，如圖4中的R1所示。

步驟3通過各工序最大切削區(qū)域間的三維實體布爾運(yùn)算確定兩個或多個加工工序的切削交集。

步驟4通過容斥原理計算各加工工序的切削區(qū)域，工序Pi在工序執(zhí)行順序第k位置下的切削區(qū)域確定方法如式(1)～式(4)所示：

ri=((Ri-IRi,2)∪IRi,3)-IRi,4,

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：ri表示工序Pi的切削區(qū)域；Ri表示工序Pi的最大切削區(qū)域；IRi,2、IRi,3和IRi,4分別表示由2個、3個及4個工序形成的切削交集，由于4個以上工序形成切削交集的情況較少，本文暫不考慮；Gj表示第j道工序的最大切削區(qū)域；j1和j2是加工順序特定加工位置的指代數(shù)字，為整數(shù)；符號∩、∪和-分別表示三維實體布爾運(yùn)算的交、并和差操作。

步驟5基于各加工工序的切削區(qū)域，并結(jié)合其對應(yīng)的加工參數(shù)和加工策略生成各加工工序的刀具路徑。Shin等[20]給出了刀具路徑目標(biāo)文件的生成方法，刀具路徑包括approach, interpol_nocontact，interpol_contact，rapid，retract五種類型。5種刀具路徑示意圖如圖6所示。相比于NC代碼，所生成的刀具路徑文件對空切過程和切削過程進(jìn)行了區(qū)分，因此能獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

2.2.2 加工工序token M的定義

token是HOONet的驅(qū)動文件，基于HOONet構(gòu)建的工件機(jī)加工能耗模型將在下節(jié)說明。將工件制造參數(shù)以token的形式保存，實現(xiàn)對工件制造參數(shù)的集成。HOONet的token類型有初始型和抽象型兩種。初始型的定義和著色Petri網(wǎng)(Colored Petri Net, CPN)相同[21]，抽象型由多個初始型合成得到。以加工工序作為能耗的仿真單元，提取各加工工序中的信息生成對應(yīng)token M。

token M由7個子token組成，其定義如圖7所示。token M_feature類型為抽象型，包含了特征的基本信息，由3個初始型token組成，其中：token fn保存特征的名稱;token mp為粗精加工指示變量，粗精加工分別用0和1表示;token fm表征材料類型。token M_MA表征機(jī)床的類型。token M_tool表征此加工工序所用刀具代號。token M_function表征加工工序冷卻系統(tǒng)使用的需求，若值為1則代表完成當(dāng)前加工工序時冷卻系統(tǒng)開啟。token M_clamping表征完成此加工工序時工件的裝夾編號。token M_parameters中包含了加工工序的加工參數(shù)，如車削速度，進(jìn)給速度，切削深度等。token M_toolpath類型為抽象型，記錄此加工工序刀具路徑，由2個初始型token組成，其中token tp_coor和token tp_type分別包含當(dāng)前加工工序的刀具路徑坐標(biāo)和類型。token M_time包含token st、token ut和token txt，3個初始型token，分別表示工件裝夾時間、卸載時間及換刀時間。

2.3 基于HOONet的工件機(jī)加工過程動態(tài)能耗模型

圖8為某工件機(jī)加工過程功率曲線，共包含2次裝夾，每次裝夾完成兩個工序的加工。在完成工序2后機(jī)床主軸電機(jī)停止，此時只有風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)耗能，工件進(jìn)行二次裝夾，并進(jìn)入工序3的加工過程中。隨后，主軸電機(jī)啟動，機(jī)床運(yùn)行approach路徑，進(jìn)給軸電機(jī)開啟，如果具有冷卻需求則冷卻系統(tǒng)同時開啟，此時主軸系統(tǒng)、進(jìn)給軸系統(tǒng)、風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)4個系統(tǒng)耗能。當(dāng)工序刀具路徑切換為interpol_nocontact后，進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給速度降低，進(jìn)給軸功率減少，隨著刀具接觸工件即工序刀具路徑變?yōu)閕nterpol_contact后，切削功率產(chǎn)生，主軸系統(tǒng)能耗需求增加。由此可見，工件機(jī)加工過程中多種能耗系統(tǒng)動態(tài)切換，存在動態(tài)能耗行為。

由于工件機(jī)加工過程可看做一系列由刀具路徑觸發(fā)的離散事件，采用離散事件建模方法—分層面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)HOONet對工件加工過程能耗進(jìn)行建模。HOONet是一個三元組(OIP，ION，DD)，其一般結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中：對象識別庫所(OIP)是類的標(biāo)識符；內(nèi)部對象網(wǎng)(ION)對類的行為進(jìn)行描述；數(shù)據(jù)字典(DD)定義類的屬性(包括變量、token和函數(shù)[22])。HOONet的庫所集包含基本庫所PIP和抽象庫所ABP兩種，其中ABP表示抽象狀態(tài)可被細(xì)化。HOONet的變遷集包含基本變遷PIT、抽象變遷ABT和通訊變遷COT三種，COT為方法的調(diào)用。PIP及PIT的定義與基本Petri網(wǎng)相同[23]。后續(xù)模型中PIT、ABT和COT分別用細(xì)線框、粗線框和雙線框表示，PIP及ABP分別用細(xì)線圈和粗線圈表示。所構(gòu)建的工件加工過程動態(tài)能耗模型包含工序?qū)?、刀具路徑層兩個層次。工序?qū)用枋隽斯ば蚋鲌?zhí)行過程的切換。刀具路徑層HOONet能耗模型是對工序?qū)親OONet能耗模型中ABP的細(xì)分，描述了工序不同執(zhí)行過程中能耗系統(tǒng)的啟停，通過COT的形式對各能耗系統(tǒng)的能耗計算方法進(jìn)行調(diào)用。

(1)工序?qū)拥腍OONet能耗模型

工序?qū)拥腍OONet能耗模型如圖10所示。圖中ABP“prepare”表征工序加工前的準(zhǔn)備過程，包括換刀、對刀、工件裝夾等過程；ABP“move”表征空載過程，包括刀具快速進(jìn)給及以既定進(jìn)給速度進(jìn)給但并未與工件接觸的過程，在執(zhí)行類型為approach、rapid及interpol_nocontact的刀具路徑時，機(jī)床處于空載過程；ABP“contact”庫所表征工件與刀具接觸的過程，在執(zhí)行類型為interpol_contact的刀具路徑時，機(jī)床處于該過程；ABP“retract”表征切削結(jié)束，刀具返回退刀點(diǎn)的過程，在執(zhí)行類型為retract的刀具路徑時，機(jī)床處于該過程。工序?qū)拥臄?shù)據(jù)字典DD中由包含當(dāng)前加工工序制造參數(shù)的token M、過程指示變量MX及token state組成，token state包含各能耗系統(tǒng)的狀態(tài)標(biāo)識符，其中bs、ss和cs分別為風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)“BESY”、主軸系統(tǒng)“SPSY”及冷卻系統(tǒng)“COSY”的狀態(tài)標(biāo)志符。bs和cs為1代表系統(tǒng)開啟，為0代表系統(tǒng)關(guān)閉；ss可能出現(xiàn)0，1，2，分別代表系統(tǒng)關(guān)閉、空轉(zhuǎn)和切削3種狀態(tài)。加工任務(wù)下達(dá)時，L1_t1被激發(fā)，ABP“prepare”被標(biāo)記，進(jìn)入工序準(zhǔn)備過程，機(jī)床進(jìn)行換刀和工件裝夾操作。隨后L1_t2被激發(fā)，ABP“move”被標(biāo)記，刀具移動，該過程結(jié)束后，MX的值會根據(jù)刀具路徑重新定義為2A、3A或4A，MX值為2A時表明下一過程仍為“move”，ABP“move”再次被激發(fā)，值為3A時下一過程為“contact”，L1_t3被激發(fā)，ABP“contact”被標(biāo)記。遍歷所有工序的刀具路徑后，L1_t6被激發(fā)，退出能耗模型，等待下一個工件到達(dá)。

(2)刀具路徑層HOONet能耗模型

ABP“prepare”的細(xì)分模型如圖11所示。COT“BESY”和COT“TOSY”分別表示調(diào)用機(jī)床風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)和換刀系統(tǒng)。當(dāng)ABP“prepare”被標(biāo)記時，COT“BESY”被激發(fā)，PIP“BE on”被標(biāo)記，表明此時機(jī)床風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)開啟。隨后COT“TOSY”被激發(fā)，機(jī)床換刀系統(tǒng)運(yùn)行，并將MX賦值為2A。在“prepare”過程中，僅有風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)開啟，因此ABP“prepare”細(xì)分模型的DD中bs為1，ss和cs為0。

ABP“move”的細(xì)分模型如圖12所示，當(dāng)“move”被標(biāo)記時，刀具路徑時間計算系統(tǒng)COT“SRTC”首先被激發(fā)，獲取當(dāng)前刀具路徑的時間，同時PIP“m1”被標(biāo)記。隨后主軸系統(tǒng)COT“SPSY”被激發(fā)，主軸系統(tǒng)空轉(zhuǎn)狀態(tài)PIP“SPidle”被標(biāo)記。PIP“check”是過程選擇庫所，用于判斷下一刀具路徑的類型，同時將工序刀具路徑指示變量pn加1。當(dāng)下一刀具路徑類型為“approach”、“Interpol_uncontact”或“rapid”時，變遷L2_m1被激發(fā)，并對MX賦值2A，表明下一工序執(zhí)行過程仍為“move”，當(dāng)下一刀具路徑類型為“Interpol_contact”時，變遷L2_m2被激發(fā)，并對MX賦值3A，表明下一工序執(zhí)行過程為“contact”。

ABP“contact”的細(xì)分模型如圖13所示。模型包含4個COT，其中COT“COSY”、COT“SPSY”和COT“FESY”分別表示完成工件與刀具接觸過程中的冷卻系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)。DD中冷卻系統(tǒng)指示變量cs基于token M中的初始型token M_function確定，當(dāng)token M_function值為1時，則對cs賦值為1。COT“COSY”被激發(fā)后，若cs=1，則PIP“COon”被標(biāo)記，表示冷卻系統(tǒng)開啟；否則PIP“COoff”被標(biāo)記。

ABP“retract”的細(xì)分模型如圖14所示。當(dāng)工序執(zhí)行過程為“retract”時，COT“COSY”被激發(fā)，機(jī)床冷卻系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)PIP“COoff”被標(biāo)記，冷卻系統(tǒng)關(guān)閉。隨后機(jī)床進(jìn)給軸移動，進(jìn)給系統(tǒng)被調(diào)用，庫所r1被標(biāo)記，并判斷是否存在下一道工序，若存在則變遷L2_r1被激發(fā)，更新token M；否則COT“BESY”被激發(fā)，取下工件，風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)關(guān)閉。

通訊變遷COT中記載了功率及時間的計算方式，包括時間計算系統(tǒng)COT“SRTC”、風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)COT“BESY”、冷卻系統(tǒng)COT“COSY”、換刀系統(tǒng)COT“TOSY”、主軸系統(tǒng)COT“SPSY”及進(jìn)給系統(tǒng)COT“FESY”。本文約定，如無特別說明，長度單位為mm，時間單位為s，能量單位為J，功率單位為W，主軸轉(zhuǎn)速單位為r/min。時間計算系統(tǒng)COT“SRTC”包含機(jī)床走刀的快速移動、空切及材料移除時間的計算方式。當(dāng)走刀路徑類型為approach、retract和rapid時，走刀時間計為快速進(jìn)給時間rt，

(5)

式中：vr為快速進(jìn)給速度，單位為mm/min，Xs和Xe分別為刀具路徑起始點(diǎn)和終點(diǎn)的X軸坐標(biāo)，Zs和Ze分別為刀具路徑起始點(diǎn)和終點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)，上述信息從token M中獲取。當(dāng)走刀路徑類型為interpol_nocontact時，走刀時間計為空切時間it，

(6)

式中：f為進(jìn)給速度(單位：mm/min)；當(dāng)走刀路徑類型為interpol_contact時，走刀時間計為切削時間ct，

(7)

式中l(wèi)為切削路徑長度。

COT“COSY”中保存機(jī)床冷卻系統(tǒng)的功率PCOSY，冷卻系統(tǒng)能耗ECOSY計算方法如式(8)所示：

ECOSY=PCOSY·tCOon-off。

(8)

式中tCOon-off表示冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時間，為PIP“COon”被標(biāo)記到PIP“COoff”被標(biāo)記時，走刀動作的總耗時。

COT“BESY”中保存機(jī)床風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)的功率PBESY，機(jī)床風(fēng)扇及伺服系統(tǒng)能耗EBESY計算方法如式(9)所示：

EBESY=PBESY·tBEon-off。

(9)

式中tBEon-off表示完成工序總耗時，為PIP“BEon”被標(biāo)記到工序結(jié)束即L2_r1或L2_r2被激發(fā)之間的時間總和。

COT“TOSY”中保存機(jī)床換刀系統(tǒng)的功率PTOSY，機(jī)床換刀系統(tǒng)能耗ETOSY計算方法如式(10)所示：

ETOSY=PTOSY·ttxt。

(10)

式中ttxt表示換刀時間，從token M中讀取。

進(jìn)給系統(tǒng)的能耗計算方式保存在COT“FESY”中，進(jìn)給軸功率PFESY計算如式(11)所示：

PFESY=k·f+b。

(11)

式中k和b為系數(shù)。進(jìn)給軸運(yùn)動時間由COT“SRTC”給出。進(jìn)給系統(tǒng)能耗EFESY通過累加各刀具路徑下進(jìn)給軸能耗獲得。

主軸系統(tǒng)的能耗計算方式保存在COT“SPSY”中。當(dāng)?shù)毒呗窂綄親OONet模型中的主軸狀態(tài)指示變量ss=1時，計算主軸空轉(zhuǎn)功率Pa如式(12)所示：

Pa=C1·n2+C2·n+C3。

(12)

式中：C1、C2和C3為系數(shù)；n為主軸轉(zhuǎn)速；當(dāng)ss=2時，同時計算主軸空轉(zhuǎn)功率Pa及材料移除功率Pcc，Pcc的計算方法如式(13)所示[24-25]：

Pc=λ·MRR。

(13)

式中：MRR為材料去除率(單位：cm3/s)，λ為模型系數(shù)(單位：kJ/cm3)，可通過查閱文獻(xiàn)或?qū)嶒灥姆椒ǐ@得。工序加工過程中主軸系統(tǒng)能耗ESPSY通過累加各刀具路徑下主軸能耗獲得。

工序機(jī)加工能耗Epro計算方法如式(14)所示：

Epro=ECOSY+EBESY+ETOSY+EFESY+ESPSY。

(14)

工件第m個特征機(jī)加工能耗Efeature,m計算方法如式(15)所示：

(15)

式中：mi為第m個特征加工工序的代號，Epro,m,mi為第m個特征第mi道加工工序的能耗。

工件機(jī)加工能耗計算方法如式(16)所示：

(16)

3 案例分析

為驗證上述集成設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)的工件機(jī)加工能耗預(yù)測方法的可行性和準(zhǔn)確性，將該方法應(yīng)用在盤類工件及軸類工件上。案例盤類工件及軸類工件中包含了常見的車削特征。其中案例盤類工件包含帶錐度的外徑(outer_diameter)、軸肩的外徑(outer_diameter_to_shoulder)、圓面(circular_face)、圓孔(round_hole)等特征。案例軸類工件包含特征較多(大于10個)，特征種類包含凹槽(groove)、外徑(outer_diameter)、圓面(circular_face)、圓孔(round_hole)等。

3.1 盤類工件案例

盤類工件的工程圖如圖15中①所示?；诠ぜ卣髯R別結(jié)果及各加工特征表面粗糙度要求所生成的包含設(shè)計參數(shù)的工件特征字典如圖15中②所示，盤類工件共包含6個特征，F(xiàn)1～F6為特征代號。為了滿足設(shè)計要求，需對表面粗糙度要求高于Ra3.2的特征設(shè)置精加工工序，工件工藝規(guī)劃結(jié)果及工藝執(zhí)行順序如表2所示，表中vc、f、ap分別表示車削速度、進(jìn)給速度和背吃刀量。工序P1～P9采用山高SNMG120408加工，刀具代號1，工序P10采用山高S25R-MSKNR088加工，刀具代號2，工序加工參數(shù)為刀具生產(chǎn)廠商推薦值。利用面向加工工序的刀具路徑生成方法生成的各加工工序切削區(qū)域及刀具路徑如圖15中③所示。通過提取工序P1中的加工對象、加工參數(shù)、刀具路徑等制造參數(shù)所生成的token M如圖15中④所示，經(jīng)過測量，工件裝夾、換刀和對刀分別耗時37 s、2 s和78 s，因此將工序P1的token M_time中的st設(shè)置為115，txt設(shè)置為2。工件所用毛坯為φ120 mm×38 mm中心帶φ20mm圓孔的棒料，材料為6061鋁合金。加工機(jī)床為C2-6136HK型數(shù)控車床，其冷卻系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)及風(fēng)扇伺服系統(tǒng)換刀系統(tǒng)的功率分別為50 W、90 W及250 W[26]?；趯嶒灥姆椒ù_定式(11)～式(13)中系數(shù)的步驟，在文獻(xiàn)[7]中已有詳細(xì)的描述，本文按其方法取得的結(jié)果如表3所示。

表2 盤類工件工藝規(guī)劃結(jié)果及工序加工參數(shù)

表3 機(jī)床主軸、進(jìn)給軸及材料移除功率計算系數(shù)

所提出的面向工序的刀具路徑生成器及工件機(jī)加工能耗預(yù)測模型通過C++語言實現(xiàn)。利用各加工工序token M驅(qū)動工件機(jī)加工過程HOONet模型，并使用HIOKI3390功率分析儀對工件機(jī)械加工過程能耗進(jìn)行檢測，所得結(jié)果如圖16所示。盤類工件成品圖如圖17所示，使用表面粗糙度測量儀對工件各加工表面的表面粗糙度測量了3次并取平均值，測量結(jié)果與表面粗糙度要求之間的誤差在10%以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。由圖16可知，各加工特征的機(jī)加工能耗預(yù)測誤差均在9%以內(nèi)，對于此盤類工件機(jī)加工能耗估算的準(zhǔn)確度為93%。

3.2 軸類工件案例

案例軸類工件的工程圖如圖18所示?；诠ぜ卣髯R別結(jié)果及各加工特征表面粗糙度要求所生成的包含設(shè)計參數(shù)的工件特征字典如圖19所示，案例軸類工件共包含12個特征，分別通過代號F2.1～F2.12表示。對表面粗糙度要求為Ra6.3的特征設(shè)置粗加工序，而表面粗糙度要求為Ra12.5的特征無需加工，因此對特征F2.3～F2.12依次加工，其中外圓特征、端面特征及圓孔特征粗加工工序的vc、f及ap分別為70 m/min、300 mm/min及1 mm；退刀槽特征加工工序的車削3要素分別為70m/min、120 mm/min及3 mm。外圓車削工序采用刀具1加工，退刀槽工序采用型號為QD-NG-0300-0004-CM 4325切斷刀片，刀具代號3，刀板型號為QD-LR1G33-21D，刀具3的功率模型系數(shù)λ3為0.84。工件所用毛坯為φ100 mm×70 mm中心帶φ20 mm圓孔的棒料，材料為6061鋁合金。

采用本文所提方法對工件機(jī)械加工能耗進(jìn)行仿真后所得的結(jié)果與功率分析儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比的結(jié)果如圖20所示，工件機(jī)械加工能耗總誤差為6.7%，說明該方法應(yīng)用在包含較多特征的軸類工件上也同樣有效。

4 結(jié)束語

本文提出一種集成設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)的車削工件機(jī)加工能耗預(yù)測方法。首先對車削工件進(jìn)行特征識別并生成工件的特征字典，實現(xiàn)了對工件設(shè)計參數(shù)的集成。然后對工件進(jìn)行基于特征的工藝規(guī)劃，利用容斥原理確定了不同工藝執(zhí)行順序下的各加工工序的刀具路徑，并生成各加工工序token M，實現(xiàn)對工件制造參數(shù)的集成?；贖OONet構(gòu)建了工件機(jī)加工過程動態(tài)能耗模型，對工件加工過程的動態(tài)能耗行為進(jìn)行了描述。該方法以工件加工特征的加工工序為能耗預(yù)測單元，累加特征加工工序的機(jī)加工能耗后得到該特征的機(jī)加工能耗，累加工件所有特征的機(jī)加工能耗后得到工件機(jī)加工能耗。通過改變特征字典和加工工序token M中的信息能快速獲得不同設(shè)計參數(shù)和制造參數(shù)下的工件機(jī)加工能耗。以盤類工件及軸類工件為案例，對所提方法進(jìn)行了驗證，結(jié)果顯示，方法預(yù)測準(zhǔn)確性均高于93%。所提方法有助于產(chǎn)品高能效設(shè)計及制定清潔生產(chǎn)措施，減少能源消耗。

工件制造過程中除了電能消耗外，還存在切削液、刀具磨損、機(jī)床折舊等多種資源消耗，這些消耗也是工件加工成本的組成部分。在今后的研究中，可基于HOONet構(gòu)建工件機(jī)加工過程資源動態(tài)消耗模型，描述工件加工過程中資源的動態(tài)消耗過程，讓工件設(shè)計和制造者了解工件加工成本。此外，由于本文采用基于規(guī)則的特征識別方法識別車削工件中的特征，難以對具有復(fù)雜曲面的相交特征進(jìn)行識別，在下一步研究工作中，將考慮針對具有復(fù)雜曲面的相交特征識別能力更強(qiáng)的特征識別方法，以提高所提方法的適用性。