一種基于工件幾何特征優(yōu)化的能耗模型及應(yīng)用**

易 敏 張 華 鄢 威

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

一種基于工件幾何特征優(yōu)化的能耗模型及應(yīng)用**

易 敏 張 華 鄢 威

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

制造過(guò)程中能耗的影響因素很多，加工工藝、工藝路線、工件加工特性等都會(huì)影響制造系統(tǒng)能耗。針對(duì)工件加工制造過(guò)程能耗優(yōu)化問題，首先在工件加工特征層面，提出特征能耗單元概念，并建立特征能耗單元模型。然后利用物元法，結(jié)合工件幾何特征類樹，構(gòu)建了以特征能耗單元為基礎(chǔ)的工件幾何特征能耗物元模型。從該模型中提取能耗影響因子k，優(yōu)化工件幾何特征，直觀地達(dá)到控制工件特征來(lái)優(yōu)化加工制造過(guò)程能耗的目的，為控制需加工實(shí)現(xiàn)的工件幾何特征的目標(biāo)能耗提供理論參考。最后，以軸類工件外圓特征車削加工為例驗(yàn)證分析了該模型的有效性。

特征類樹；特征能耗單元；能耗影響因子；物元模型

近年來(lái)，隨著制造業(yè)資源消耗和環(huán)境影響問題的日益嚴(yán)峻，與綠色制造、低碳制造、可持續(xù)制造、再制造相關(guān)的制造系統(tǒng)及制造過(guò)程的能耗問題研究非?；钴S。國(guó)內(nèi)很多研究人員針對(duì)工件加工特征的能耗特性展開了研究，并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[1]從節(jié)能優(yōu)化、產(chǎn)品綠色性評(píng)估、企業(yè)資源配置、機(jī)床綠色設(shè)計(jì)4方面對(duì)機(jī)床能耗模型的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的論述。文獻(xiàn)[2]提出一種基于能量守恒原理的數(shù)控車削能耗模型。文獻(xiàn)[3]針對(duì)數(shù)控機(jī)床能耗類型復(fù)雜，建模難等問題，提出一種數(shù)控機(jī)床能耗通用模型。該模型將定性的能耗描述轉(zhuǎn)化為能耗的定量方程，為預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床能耗提供依據(jù)。文獻(xiàn)[4]建立數(shù)控車床切削參數(shù)能量消耗和加工效率模型，設(shè)計(jì)了一種基于多目標(biāo)教與學(xué)優(yōu)化算法來(lái)求解切削能量效率優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[5]提出一種利用幾何信息的加工特征識(shí)別方法，建立加工資源、加工表面和加工方法3類信息模型。文獻(xiàn)[6]利用能量模塊劃分的方法，以此來(lái)闡述工件制造系統(tǒng)過(guò)程中的能耗情況。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)分析了機(jī)床切削過(guò)程的固定能耗和變動(dòng)能耗，建立了機(jī)床切削過(guò)程能量消耗模型，并基于鉆削加工實(shí)驗(yàn)指出了工藝參數(shù)對(duì)機(jī)床能耗的影響關(guān)系。文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了面向產(chǎn)品能量?jī)?yōu)化的能量設(shè)計(jì)因子研究，分析產(chǎn)品使用階段的能量因素與能量消耗之間的關(guān)系，并建立能量消耗模型。文獻(xiàn)[9]在面向機(jī)械裝備節(jié)能設(shè)計(jì)的能耗信息描述與集成的基礎(chǔ)上，提出一種開放的能量信息描述模型——能量分解結(jié)構(gòu)(EBS)，并建立設(shè)計(jì)能量信息集成模型以表達(dá)設(shè)計(jì)信息的能量特征，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)能量信息和設(shè)計(jì)信息的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[10]搭建基于支持向量機(jī)數(shù)控機(jī)床能耗與切削參數(shù)的模型，為數(shù)控機(jī)床節(jié)能，能耗定額問題提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)[11]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建數(shù)控機(jī)床能耗與切削參數(shù)的模型，并利用遺傳算法對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]針對(duì)數(shù)控機(jī)床能量源多、加工參數(shù)動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，提出一種數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真方法。

以上研究所探討的重點(diǎn)主要圍繞以切削參數(shù)、加工資源、多能量源等為優(yōu)化目標(biāo)來(lái)建立機(jī)床能耗模型，少部分涉及到面向工件特征的制造過(guò)程能耗優(yōu)化模型的研究。本文通過(guò)以工件幾何特征為切入點(diǎn)，特征能耗單元為基礎(chǔ)，建立基于工件幾何特征優(yōu)化的能耗模型。通過(guò)引入能耗影響因子k來(lái)控制工件幾何特征的改變，即材料去除的量，促使機(jī)床加工各個(gè)幾何特征的能耗發(fā)生相應(yīng)變化，能夠直觀地反映出工件制造過(guò)程能耗優(yōu)化。

1 特征能耗單元模型

1.1 特征能耗單元的概念

特征能耗單元作為一個(gè)工件加工的某一特征能耗表達(dá)的基本單元，主要包括3大部分：制造資源特征能耗、工藝特征能耗及其他損耗能耗。制造資源能耗體現(xiàn)在機(jī)床裝夾刀具、工件等所產(chǎn)生的能耗，工藝特征能耗主要表現(xiàn)在工件從毛坯到目標(biāo)成品的整個(gè)切削過(guò)程所產(chǎn)生的能耗，其他損耗能耗如加工噪音、振動(dòng)等。

特征能耗中的絕大部分能耗主要集中在工藝特征能耗中，即完成改變工件幾何特征而進(jìn)行的切削活動(dòng)所產(chǎn)生的能耗。本文將重點(diǎn)闡述通過(guò)對(duì)工藝特征能耗的控制來(lái)體現(xiàn)對(duì)加工制造過(guò)程能耗模型的優(yōu)化。

1.2 建立特征能耗單元模型

工藝特征能耗以集合的形式描述工件加工過(guò)程的能耗表達(dá)途徑。工藝特征={切削用量，加工余量，加工次數(shù)，…}，切削用量、加工余量等為能耗控制單元，均反映在對(duì)工件幾何特征的改變狀態(tài)上，即材料的去除。k反映工件加工能耗屬性的控制要素。工件的原始幾何特征={C1，C2，…，Cn}，添加能耗影響因子k后的工件目標(biāo)幾何特征={k1C1,k2C2，…，knCn}。

能耗影響因子k作為輔助能耗參數(shù)，是對(duì)工件幾何特征進(jìn)行優(yōu)化，即控制工件的外形尺寸或性能發(fā)生改變，有利于目標(biāo)工件在滿足幾何特征需求的基礎(chǔ)上選擇能耗最少的工件幾何特征，從而進(jìn)行加工；工件的加工方式不同，其產(chǎn)生的能耗也存在明顯差異。在軸的一種幾何特征單元——外圓特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合車削材料去除率來(lái)具體闡述能耗影響因子k的運(yùn)用。

車削材料去除率MRR為

MRR=π(d毛坯·ap-ap2)f·n

(1)

ap=k·d毛坯(kmin≤k≤kmax)

(2)

(3)

(4)

(5)

E=p·T

(6)

綜合式(1)～(6)可得

(7)

式中：k為能耗影響因子；d毛坯表示毛坯軸段的外圓特征直徑；ap為背吃刀深度；f為每轉(zhuǎn)走刀量；n為轉(zhuǎn)速；d目標(biāo)值表示軸段的外圓特征目標(biāo)直徑；r表示吃刀次數(shù),lm表示毛坯軸段的長(zhǎng)度；p表示在線測(cè)試的功率；t表示每次縱走刀時(shí)間；T為加工總時(shí)間；E表示一種特征單元的能耗值。

2 面向工件幾何特征能耗物元模型

2.1 物元理論基礎(chǔ)

物元是描述實(shí)物的基本元，它以有序的三元組來(lái)處理在某些條件下用通常方法無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的不相容問題。描述方式如下式：

R=(M,C,X)

(7)

式中：R為物元；M為描述的實(shí)物；X為M關(guān)于C所取的量值；C為特征的名稱。以上三者稱為物元的三要素。

一個(gè)事物可以由多個(gè)特征，設(shè)R=(M,C,X)是一個(gè)多維物元，C=[c1c2…cn]是特征向量，X=[x1x2…xn]是特征向量C的量值，則多維物元定義為

(8)

其中，Ri=(Mciyi)(i=1,2,…,n)被定義為R的分物元。

2.2 建立工件幾何特征類樹

根據(jù)CAD模型中集成的加工特征信息對(duì)工件CAD模型拆分建立幾何特征類樹，所述特征類樹用于表示各幾何特征類及其層次關(guān)系和結(jié)構(gòu)。建立工件幾何特征類樹的具體方法為：

將工件幾何特征分為簡(jiǎn)單特征和復(fù)雜特征，其中簡(jiǎn)單特征是特征的最小單元；然后再將復(fù)雜特征按加工要求分為基本特征和組合特征，將簡(jiǎn)單特征分為主特征和輔特征兩種，并以特征類樹的結(jié)構(gòu)形式將所有特征遞進(jìn)排列，每個(gè)結(jié)點(diǎn)代表一個(gè)特征類。建立如圖2所示的工件幾何特征類樹。

在幾何實(shí)體造型信息中，簡(jiǎn)單特征是組成工件形體結(jié)構(gòu)的基本單元，復(fù)雜特征可以含有一個(gè)簡(jiǎn)單特征，也可以含有不同的簡(jiǎn)單特征，或者可以包含相同的簡(jiǎn)單特征但是數(shù)目不同。在工件工藝特征能耗中涉及的首要問題是工件幾何特征(C)的改變，同時(shí)工件幾何特征也是工件全生命周期的開端部分。優(yōu)化工件幾何特征是控制工件在加工過(guò)程中產(chǎn)生能耗的關(guān)鍵。通過(guò)特征能耗單元建立工件幾何特征能耗物元模型，如圖3所示。

運(yùn)用可拓學(xué)并結(jié)合能耗特征單元，將有序三元組R=(M,kC,X)作為描述工件從裝夾加工開始到所有幾何特征加工完成的整個(gè)生命周期能耗模型的基本邏輯單元。其中M表示待加工工件，C表示待加工工件幾何特征，kC表示在參數(shù)k(能耗影響因子)作用下而優(yōu)化后的待加工工件幾何特征，X表示待加工工件特征能耗。特征能耗信息主要包含待加工工件各幾何特征對(duì)應(yīng)采取的加工方法，以及加工方法中選用的加工設(shè)備和相應(yīng)的加工參數(shù)。此外，M可代表不同層面的物元，即可表示工件加工過(guò)程中不同的生命周期階段、某一種加工工藝過(guò)程、加工中所采用的某一套加工設(shè)備，或者具體到加工中的加工參數(shù)等。

2.3 調(diào)節(jié)能耗影響因子k

能耗影響因子k的作用是優(yōu)化工件幾何特征(直徑、長(zhǎng)度等)，以此調(diào)節(jié)機(jī)床每加工完單個(gè)幾何特征的所需能耗值。在k(kmin≤k≤kmax)的可調(diào)范圍內(nèi)，選取不同的k值，由式(2)可知，刀具每次背吃深度ap發(fā)生相應(yīng)變化(機(jī)床切削參數(shù)約束范圍內(nèi))；由式(3)可知，完成單特征毛坯尺寸到目標(biāo)尺寸的總吃刀次數(shù)r發(fā)生相應(yīng)變化；因?yàn)閞變化，又由式(4)，導(dǎo)致完成該單特征加工的時(shí)間t發(fā)生變化；最后，由式(6)可知，加工完單特征的能耗將發(fā)生變化。

當(dāng)k值增大，ap增大，在去除同等材料量時(shí)，r將減少；當(dāng)k值減小，ap減小，在去除同等材料量時(shí)，r將增大。二者情況相互制約，于是存在合適的能耗影響因子k，導(dǎo)致完成單特征的加工能耗出現(xiàn)最少能耗臨界趨勢(shì)。通過(guò)應(yīng)用分析，驗(yàn)證了參數(shù)k對(duì)該能耗模型的優(yōu)化作用。某種軸類工件包含內(nèi)外圓柱面，端平面，臺(tái)階面，鍵槽，內(nèi)孔等幾何特征。

則優(yōu)化后的軸類幾何特征表示為：

{內(nèi)外圓柱面，臺(tái)階面，內(nèi)孔…}

={k1C1，k2C2，k3C3，…}

(9)

則各個(gè)幾何特征加工能耗表示為：

{Ek1C1，Ek2C2，Ek3C3，…}

那么加工該種軸類工件的所有幾何特征后的總能耗可以表達(dá)為

Eall=Ek1C1+Ek2C2+Ek3C3+Ek4C4+…EknCn

(10)

其中：Eall表示加工整個(gè)軸的目標(biāo)能耗值；Ek1C1表示加工幾何特征內(nèi)外圓的目標(biāo)能耗值；Ek2C2表示加工幾何特征臺(tái)階面的目標(biāo)能耗值；同理，EknCn表示加工第n個(gè)幾何特征的目標(biāo)能耗值。

3 應(yīng)用分析

下面以軸類工件為例對(duì)該能耗物元模型進(jìn)行應(yīng)用分析。先給出軸類工件的幾何特征結(jié)構(gòu)組成圖，如圖4所示。幾何特征層是工件模型結(jié)構(gòu)組成中的核心部分，每個(gè)幾何特征反映工件制造型面需要經(jīng)過(guò)一系列的加工過(guò)程才能形成。

以軸段的外圓特征加工優(yōu)化為例，現(xiàn)給出該軸段的毛坯直徑為54 mm，長(zhǎng)度為100 mm，需加工得到目標(biāo)直徑為50 mm，長(zhǎng)度為100 cm的軸段。本次選擇CK6136i數(shù)控車床，1～6組為一類，進(jìn)給量為定值0.08 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為定值400 r/min；7～12為一類，進(jìn)給量為定值0.12 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為定值400 r/min；13～18為一類，進(jìn)給量為定值0.08 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為定值450 r/min等。得到如表1的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄。

由以上測(cè)試數(shù)據(jù)和能耗值分布圖5可知，當(dāng)k取0.93%～1.4%時(shí)，背吃刀深度逐漸增大，加工次數(shù)減少，車削加工時(shí)間減少，能耗值的分布呈下降趨勢(shì)；當(dāng)k取1.4%～2.5%時(shí)，背吃刀深度增加，外圓車削功率逐漸增大，導(dǎo)致加工過(guò)程的能耗發(fā)生變化，且能耗值的分布呈上升趨勢(shì)；當(dāng)k取1.2%～1.5%時(shí)，即每次的背吃刀深度為0.6～0.8 mm，車削次數(shù)為5次或者6次時(shí)，完成該外圓特征的加工，呈現(xiàn)最少能耗臨界趨勢(shì)。由此可見，選取合適的能耗影響因子k，進(jìn)行幾何特征優(yōu)化，對(duì)加工過(guò)程能耗優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)有著重要的影響作用。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

序列組號(hào)能耗影響因子k/(%)吃刀次數(shù)r背吃刀深度ap/mm進(jìn)給量f/(mm/r)主軸轉(zhuǎn)速n/(r/min)切削時(shí)間t/s外圓車削功率p/kW能耗值E/(kW·h)12．531．330．08400562．50．49910．07821．8541．000．08400750．00．31430．06531．4850．800．08400937．50．24140．06341．2360．670．084001125．00．22390．07051．0670．570．084001312．50．20780．07660．9380．500．084001500．00．18690．07872．531．330．12400375．00．51690．05481．8541．000．12400500．00．38290．05391．4850．800．12400625．00．29860．052101．2360．670．12400750．00．26090．054111．0670．570．12400875．00．24890．060120．9380．500．124001000．00．22090．061132．531．330．08450500．00．52010．072141．8541．000．08450666．70．35690．066151．4850．800．08450833．40．28130．065161．2360．670．084501000．00．23090．064171．0670．570．084501166．70．20980．068180．9380．500．084501333．40．18920．07019……………………

4 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)工件CAD模型特點(diǎn)，建立工件幾何特征類樹，并給出其描述方式，用于表示各幾何特征類及其層次關(guān)系和結(jié)構(gòu)。

(2)基于物元理論，構(gòu)建了以特征能耗單元為基礎(chǔ)的工件幾何特征能耗物元模型。從該模型中提取能耗影響因子k，優(yōu)化工件幾何特征，直觀的達(dá)到控制工件特征來(lái)優(yōu)化加工制造過(guò)程能耗的目的，為控制需加工實(shí)現(xiàn)的工件幾何特征的目標(biāo)能耗提供理論參考。

(3)本文只提供了從工件幾何特征角度獲取目標(biāo)能耗的思路框架，如何具體的實(shí)現(xiàn)以加工特征為切入點(diǎn)的工件加工能效優(yōu)化是下一步研究重點(diǎn)。

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A model of energy consumption and its application based on workpiece geometry feature optimization

YI Min, ZHANG Hua, YAN Wei

(School of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, CHN)

Many factors affect the energy consumption in the manufacturing process, such as processing technology, process route and workpiece machining characteristics, which will all affect the energy consumption of manufacturing system. According to the problem of energy consumption optimization for workpiece machining manufacturing process, firstly, put forward the concept of feature energy consumption unit and the model of feature energy consumption unit at the workpiece machining feature level. Then, by using matter element method, and combined with the feature of workpiece geometry class tree, construct workpiece geometry characteristics of the matter-element model of energy consumption on the basis of feature energy consumption unit. Extract energy consumption influence factor from the model, optimize the workpiece geometry features, intuitively achieve the purpose to optimize energy consumption of manufacturing process, by controlling the workpiece characteristic, which will provide the theoretical reference to control the goal of energy consumption for machining workpiece geometry features. At last, an example for machining the characteristics of cylindrical of shaft parts is performed to verify the effectiveness of the model.

feature tree; feature energy consumption unit; energy consumption influence factor; matter-element model

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275365)；國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014AA041504)；武漢科技大學(xué)青年科技骨干培育計(jì)劃項(xiàng)目(2015X2049)

TH-39

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.001

易敏，男，1990年生，在讀碩士，研究方向?yàn)榫G色制造。

(編輯 李 靜)

2016-05-03)

161209