基于特征事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模及能耗計(jì)算

鄭 軍，王黎航

(1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 引言

目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境資源破壞日益嚴(yán)重，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，需要節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造。2015年的《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》指出，中國在2014年全年的電消耗為240.8百萬噸油當(dāng)量，占全球總電消耗的27.4%，增幅在15.7%[1]；《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2013》指出中國制造業(yè)的電消耗為26 822.46億千瓦時(shí)，占工業(yè)用電消耗的80.46%[2]；《綠色制造工程實(shí)施指南(2016-2020年)》強(qiáng)調(diào)了制造業(yè)發(fā)展對資源環(huán)境的影響的重要性[3]。特別的，以利用化學(xué)能、電能和機(jī)械能對材料進(jìn)行加工的特種加工，在制造業(yè)中發(fā)揮了極其重要和不可替代的作用。數(shù)控電火花線切割屬于特種加工中的一種，是一種直接利用電能進(jìn)行材料加工的加工方法，其加工過程相對于其他傳統(tǒng)材料去除過程是能源更為密集的加工方式[4]，有效的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程模型，是實(shí)現(xiàn)線切割加工節(jié)能的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

目前，針對節(jié)能減排，國內(nèi)外開展了針對機(jī)加工、鑄造、鍛造等方面的研究。傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝過程建模有理論評估法和實(shí)驗(yàn)測量法，Jia等[5]提出理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立了數(shù)控機(jī)床能量供給模型；劉飛等[6]結(jié)合機(jī)床服役過程(Machine Tools Service Process, MTSP)的輸入能耗過程的時(shí)段分類特性，建立了機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)能量模型；馬峰等[7]基于銑削加工特征，建立了機(jī)床服役過程的能效計(jì)算模型。針對鑄造、鍛造等方面的工藝過程建模，尹瑞雪等[8]分析了砂型鑄造生產(chǎn)系統(tǒng)碳排放，建立了能源碳、工藝碳、物料碳的碳排放評估函數(shù)；鄭軍等[9]通過工序碳源對砂型鑄造過程建立了碳排放模型，并計(jì)算了工序碳排放量；李先廣等[10]建立了干式齒輪加工過程的碳排放模型，并將其分為物料碳排放、能源碳排放、廢物處理碳排放3類分別進(jìn)行計(jì)算。線切割加工為特種加工的一種，傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝過程建模的方法和理論難以直接運(yùn)用，且加工工藝過程存在較大差異。

周麗蓉等[11]將機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征分為宏結(jié)構(gòu)特征集合和微結(jié)構(gòu)特征集合，利用特征與能耗進(jìn)行關(guān)聯(lián)建模，但對于線切割加工工藝過程，并不能只通過產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特征就能和能耗進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

Panda等[12]開發(fā)了代碼計(jì)算工件內(nèi)的溫度場，利用該溫度場計(jì)算材料去除率，研究了各種工藝參數(shù)如能量分配、占空系數(shù)、火花半徑對材料去除率的影響；Han等[13]研究了加工參數(shù)(包括脈沖持續(xù)時(shí)間、放電電流、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖間隔時(shí)間、極性效應(yīng)、材料與介質(zhì))對電火花線切割精加工表面粗糙度的影響。加工參數(shù)是為加工工藝過程制定的機(jī)床設(shè)定參數(shù)，有關(guān)加工參數(shù)對材料去除率、表面粗糙度等影響的研究較多，而對能耗的研究較少。Wen等[14]基于經(jīng)驗(yàn)的方法描述電火花加工(Electrical Discharge Machining，EDM)過程中的能量效率，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯DM過程的能量消耗進(jìn)行預(yù)測，且預(yù)測精度超過90%，但該方法需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂?，且EDM與數(shù)控電火花線切割加工在加工工藝過程上存在區(qū)別。

本文提出基于特征事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模方法，首先根據(jù)線切割加工工藝過程的資源特點(diǎn)，將加工工藝過程分解為5類典型事件和4類典型特征；然后從NC代碼中提取工藝過程的事件及能耗特征，基于特征事件對加工工藝過程建模；最后，基于過程模型實(shí)現(xiàn)了數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的能耗計(jì)算。本文以中走絲電火花線切割工藝過程為研究對象。

1 線切割加工工藝過程資源分析

線切割加工建立在火花放電材料電腐蝕的基礎(chǔ)上，即在自激放電作用下伴生的電極材料破壞現(xiàn)象[15]。線切割加工工藝過程中，除了電能消耗外，還伴隨著原材料消耗、電極絲消耗等資源消耗。因此，結(jié)合線切割加工工藝過程的資源特點(diǎn)進(jìn)行的分類如圖1所示。

資源消耗包括電能消耗、物料消耗和人力消耗。電能消耗由基本消耗、運(yùn)動(dòng)消耗、放電消耗構(gòu)成?；鞠臑榫S持機(jī)床待機(jī)的能耗源產(chǎn)生的電能消耗，如電腦；運(yùn)動(dòng)消耗為機(jī)床上運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電能消耗，如運(yùn)絲筒電機(jī)、水泵、工作臺(tái)電機(jī)等；放電消耗為脈沖電源產(chǎn)生的電能消耗。物料消耗包括原料消耗、電極絲消耗、輔助物料消耗。原料消耗為被加工材料加工成所需零件過程中產(chǎn)生的熔化廢料和邊角廢料的消耗；電極絲消耗包括加工工藝過程中電極絲的磨損、磨損到一定程度后的電極絲報(bào)廢、斷絲導(dǎo)致的損耗等；輔助物料消耗包括切削液的報(bào)廢、導(dǎo)輪的磨損、導(dǎo)輪磨損到一定程度的報(bào)廢等。人力消耗發(fā)生在機(jī)床選擇、工藝制定及機(jī)床控制過程中。

由上可知，電能消耗受加工工藝過程中的NC代碼以及電參數(shù)、加工對象材料和厚度的影響。物料消耗中的原料消耗可由毛坯尺寸和成品尺寸獲知；電極絲消耗和輔助物料消耗在單次加工中的消耗極小，在單次加工工藝過程中可忽略不計(jì)；人力消耗在單次加工工藝過程中可以視為無差異化消耗，消耗的結(jié)果為產(chǎn)生線切割加工使用的加工信息、選用加工設(shè)備及該設(shè)備的操作，加工信息包括電參數(shù)和NC代碼。設(shè)備參數(shù)、電參數(shù)、毛坯及成品尺寸、加工對象材料、厚度、NC代碼可以唯一對應(yīng)線切割加工工藝過程。電能消耗同時(shí)受到設(shè)備參數(shù)、電參數(shù)、毛坯尺寸和成品尺寸、加工對象材料和厚度的影響。

2 基于特征事件的加工工藝過程建模

2.1 數(shù)控電火花線切割工藝過程事件及特征分類

根據(jù)線切割加工工藝過程的能耗分布特點(diǎn)，數(shù)控電火花線切割的加工工藝過程可以分為基礎(chǔ)能耗層、空走能耗層、有效加工層和擾動(dòng)層，如圖2所示。其中，基礎(chǔ)能耗層為機(jī)床開始加工前所有能耗源產(chǎn)生的能耗，包括待機(jī)事件和輔助事件；空走能耗層為機(jī)床工作臺(tái)空走過程中相對于基礎(chǔ)能耗層增加的所有能耗源產(chǎn)生的能耗，包括空走事件；有效加工層為切割工件過程中相對于基礎(chǔ)能耗層增加的所有能耗源產(chǎn)生的能耗，包括有效加工事件；擾動(dòng)層為線切割加工工藝過程中出現(xiàn)異常情況時(shí)的能耗源產(chǎn)生的能耗，包括擾動(dòng)事件。

根據(jù)加工工藝過程分析，同時(shí)結(jié)合Luckham對簡單事件的定義[16]，針對上述提出的5類事件進(jìn)行如下定義：

定義1線切割加工工藝過程中，待機(jī)時(shí)所有能耗源部件工作的事件稱為待機(jī)事件，表示為ES。

定義2線切割加工工藝過程中，照明裝置照明、泵運(yùn)動(dòng)、運(yùn)絲筒運(yùn)絲等在待機(jī)后工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)前發(fā)生的輔助加工的事件統(tǒng)稱為輔助事件，表示為EA。包括照明裝置照明事件、泵運(yùn)動(dòng)事件、運(yùn)絲事件。

定義3線切割加工工藝過程中，電極絲快速接近工件和快速離開工件的過程稱為空走事件，表示為EEM。如X軸空走事件、Y軸空走事件。

定義4線切割加工工藝過程中，電極絲切入工件至電極絲切出工件的切割過程稱為有效加工事件，表示為EEP。如直線切割事件、圓弧切割事件、錐度切割事件。

定義5線切割加工工藝過程中，斷絲、二次放電、電弧放電、抖絲等異常發(fā)生過程為擾動(dòng)事件，表示為ED。

線切割加工工藝過程中，需要在特定的資源、能源和加工信息共同作用下完成加工任務(wù)，因此，結(jié)合線切割加工工藝過程中的特點(diǎn)，將特征分為設(shè)備特征、結(jié)構(gòu)特征、電參特征、能耗特征4大類，結(jié)構(gòu)特征表征原料消耗，設(shè)備特征、結(jié)構(gòu)特征、電參特征均影響電能消耗。

定義6設(shè)備特征為線切割加工設(shè)備的參數(shù)，包括機(jī)床型號(hào)、電極絲類型，以及直徑、運(yùn)絲周期、電介質(zhì)類型，代號(hào)CE(Equipment Characteristic)。

定義7結(jié)構(gòu)特征為加工工件的材料類型、毛坯尺寸、成品尺寸的總和，表示為CS。

定義8電參特征為線切割加工時(shí)使用的電參數(shù)，表示為CEP。

定義9能耗特征為線切割加工工藝過程中因能耗產(chǎn)生部件狀態(tài)變化導(dǎo)致的電能消耗突變過程，表示為CEC。能耗特征按照產(chǎn)生機(jī)理分為啟停特征、狀態(tài)突變特征、擾動(dòng)特征。

定義10線切割加工工藝過程中，能耗產(chǎn)生部件的開關(guān)過程的能耗特征稱為啟停特征，表示為CSS。如開始放電加工特征、結(jié)束放電加工特征、運(yùn)絲電機(jī)開特征、運(yùn)絲電機(jī)關(guān)特征、泵開特征、泵關(guān)特征。

定義11線切割加工工藝過程中，能耗產(chǎn)生部件工作過程中的正常狀態(tài)變化的能耗特征稱為狀態(tài)突變特征，表示為CSM。如運(yùn)絲電機(jī)狀態(tài)突變特征、工作臺(tái)電機(jī)狀態(tài)突變特征、錐度調(diào)節(jié)電機(jī)狀態(tài)突變特征。

定義12線切割加工工藝過程中，斷絲、二次放電、電弧放電、抖絲等異常狀態(tài)發(fā)生過程的能耗特征稱為擾動(dòng)特征，表示為CD。

線切割加工工藝過程中，擾動(dòng)事件為異常加工現(xiàn)象，在正常加工工藝過程中不存在。多次加工、線徑補(bǔ)償?shù)炔煌募庸し绞接绊懯录吞卣鞯哪芎?，但不影響事件與特征的區(qū)分。因此，結(jié)合特征事件的線切割加工工藝過程分解圖如圖3所示，整個(gè)加工工藝過程可以分成3類特征和事件的組合，分別為特征+事件+特征，特征+事件(特征)+特征，特征+事件+特征+…+特征+事件+特征。

2.2 基于NC代碼的加工工藝過程事件及能耗特征提取方法

由于電能消耗和NC代碼有關(guān)，如何從NC代碼中提取事件和能耗特征，是將事件和能耗特征與加工工藝過程進(jìn)行關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵。NC代碼是數(shù)字信息控制機(jī)械控制器能識(shí)別的代碼，在線切割中常用的NC代碼為ISO代碼。NC程序結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括程序開始標(biāo)志、程序名、若干程序段、結(jié)束指令、程序結(jié)束標(biāo)志，程序段又包括順序號(hào)、執(zhí)行命令、程序段結(jié)束標(biāo)志。

事件及能耗特征提取方法如圖5所示，通過該方法可以從NC程序中提取出各個(gè)事件和能耗特征。與加工工藝過程相對應(yīng)，NC程序能夠反映待機(jī)事件、照明事件、泵運(yùn)動(dòng)事件、運(yùn)絲事件、X軸空走事件、Y軸空走事件、直線切割事件、圓弧切割事件、錐度切割事件的起始時(shí)間以及與部分事件相關(guān)的參數(shù)；開始放電加工特征、結(jié)束放電加工特征、運(yùn)絲電機(jī)開特征、運(yùn)絲電機(jī)關(guān)特征、泵開特征、泵關(guān)特征、開始空走特征、結(jié)束空走特征、運(yùn)絲電機(jī)狀態(tài)突變特征、工作臺(tái)電機(jī)狀態(tài)突變特征、錐度調(diào)節(jié)電機(jī)狀態(tài)突變特征的位置和數(shù)量均可通過NC程序結(jié)合所得事件獲得；上述事件與能耗特征按照順序發(fā)生的過程即為電能消耗過程。事件及能耗特征提取的步驟如下：

步驟1獲取程序。獲取NC代碼文件，并獲取程序名。

步驟2補(bǔ)齊程序段。對于每一行程序，識(shí)別到X，Y(為ISO代碼中的X方向和Y方向)僅出現(xiàn)其一時(shí)，判斷前端是否有指令代碼，若無則先補(bǔ)充上段程序的G代碼后，再補(bǔ)充另一字母并在該字母后補(bǔ)充數(shù)字0，若有則直接補(bǔ)充另一字母并在該字母后補(bǔ)充數(shù)字0；識(shí)別到I，J僅出現(xiàn)其一時(shí)，補(bǔ)充另一字母并在該字母后補(bǔ)充數(shù)字0；識(shí)別到U，V僅出現(xiàn)其一時(shí)，補(bǔ)充另一字母并在該字母后補(bǔ)充數(shù)字0。

步驟3剔除無用程序段，例如可以剔除補(bǔ)償設(shè)置的程序段；剔除的程序段特點(diǎn)為：僅對事件和能耗特征的能耗產(chǎn)生影響，不對事件和特征的提取產(chǎn)生影響。

步驟4依順序獲取程序段。

步驟5對所獲得程序段進(jìn)行特征及事件提取。識(shí)別帶有特征及事件的部分，同時(shí)結(jié)合上一段程序分析，確定是否存在狀態(tài)突變特征或啟停特征，直至該段程序段結(jié)束。

步驟6重復(fù)步驟4和步驟5，直到程序結(jié)束標(biāo)志“%”后，再執(zhí)行步驟7。

步驟7校正事件與添加能耗特征。校正首個(gè)直線切割事件，分離空走事件，如果無開始空走特征，則添加；校正最后的直線切割事件，判斷是否存在已經(jīng)切割段，如果存在，則將重復(fù)切割的部分修正為空走事件；在最后的切割事件后添加結(jié)束放電加工特征，在最后的空走事件后添加結(jié)束空走特征。

步驟8匯總事件及能耗特征。上述步驟5中的狀態(tài)突變特征或啟停特征的求解方法(不考慮錐度)如下：

(1)當(dāng)本段程序?yàn)镚02程序和G03程序中的任意一個(gè)時(shí)，先判斷本段程序內(nèi)是否有特征，若本段程序所走弧形的切線方向存在與X軸或Y軸平行的點(diǎn)，則該點(diǎn)處存在狀態(tài)突變特征，為工作臺(tái)電機(jī)狀態(tài)突變特征；若本段程序?yàn)門代碼，則先判斷本段程序是否為啟停特征，結(jié)合ISO代碼的原則，可知T80為運(yùn)絲電機(jī)開特征，T81為運(yùn)絲電機(jī)關(guān)特征，T84為泵開特征，T85為泵關(guān)特征。

(2)當(dāng)上一段程序?yàn)镚代碼，本段程序?yàn)镚代碼時(shí)，如果上一段程序?yàn)镚00程序，本段程序?yàn)榉荊00程序，則存在啟停特征，為開始放電加工特征；若上一段程序和本段程序均為G01程序、G02程序、G03程序中的任意一個(gè)，則確定上一段程序結(jié)束瞬間的運(yùn)動(dòng)方向與本段程序開始瞬間的運(yùn)動(dòng)方向所形成的角度，如果所成角度大于或等于45°，則存在狀態(tài)突變特征，為工作臺(tái)電機(jī)狀態(tài)突變特征。

(3)當(dāng)上一段程序?yàn)榉荊代碼，本段程序?yàn)镚代碼時(shí)，存在啟停特征，如果本段程序?yàn)镚00程序，則該啟停特征為開始空走特征；如果本段程序?yàn)镚01程序、G02程序、G03程序中的任意一個(gè)，則該啟停特征為開始放電加工特征。

類似地，在錐度加工情況下，判斷U，V的變化大小以判斷是否存在錐度調(diào)節(jié)電機(jī)狀態(tài)突變特征。錐度加工的突變角度大于或等于45°、錐度加工的開始與結(jié)束的瞬間，均可參照工作臺(tái)的X軸、Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生特征的求解方法。

2.3 數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模

根據(jù)對特征事件的定義，結(jié)合數(shù)控電火花線切割正常加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，總結(jié)正常加工時(shí)的9種基本事件和14種基本特征，如表1所示。

表1 數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的特征事件符號(hào)表示及意義

續(xù)表1

對無擾動(dòng)事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程進(jìn)行建模，如圖6所示。模型中，結(jié)構(gòu)特征表明原料消耗，結(jié)構(gòu)特征、設(shè)備特征、電參特征對特征事件的能耗產(chǎn)生影響。圖中，實(shí)線框內(nèi)所有特征事件均為電能消耗，實(shí)線框內(nèi)的小箭頭表示時(shí)間順序后延；事件內(nèi)部產(chǎn)生的特征加括號(hào)緊跟該事件(如圖6中的運(yùn)絲事件后用括號(hào)緊跟運(yùn)絲電機(jī)狀態(tài)突變特征)。該過程模型可用于規(guī)范化描述整個(gè)加工工藝過程，并利用過程模型進(jìn)行數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的能耗計(jì)算，為后續(xù)優(yōu)化數(shù)控電火花線切割加工工藝奠定理論基礎(chǔ)。

3 基于特征事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程能耗計(jì)算

正如過程模型所描述的，直線框內(nèi)的所有特征事件均為電能消耗，而這些特征事件均可通過NC代碼提?。恢本€框外的設(shè)備特征、結(jié)構(gòu)特征、電參特征均影響虛線內(nèi)的特征事件的能耗。因此，可以基于特征事件，對數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的電能消耗進(jìn)行計(jì)算。

ECES=ECDES·tES。

(1)

式中：ECES為待機(jī)事件的能耗；ECDES為該加工使用設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)待機(jī)時(shí)所有能耗源的能耗；tES為該待機(jī)事件的持續(xù)時(shí)間。

ECEL=ECDEL·tEL。

(2)

式中：ECEL為照明事件的能耗；ECDEL為該加工使用設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)照明裝置的能耗；tEL為該照明事件的持續(xù)時(shí)間。

ECEPM=ECDEPM·tEPM。

(3)

式中：ECEPM為泵運(yùn)動(dòng)事件的能耗；ECDEPM為該加工使用設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)泵的能耗；tEPM為該泵運(yùn)動(dòng)事件的持續(xù)時(shí)間。

ECEW=ECDEW·tEW

(4)

式中：ECEW為運(yùn)絲事件的能耗；ECDEW為該加工使用設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)絲電機(jī)的能耗(忽略電機(jī)反向時(shí)的能耗波動(dòng))；tEW為該運(yùn)絲事件的持續(xù)時(shí)間。

ECEXEM=ECDEXEM·tEXEM·ηS。

(5)

式中：ECEXEM為X軸空走事件的能耗；ECDEXEM為該加工使用設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)工作臺(tái)X軸方向電機(jī)單位速度下空走的能耗；tEXEM為該X軸空走事件的持續(xù)時(shí)間；ηS為速度系數(shù)。

ECEYEM=ECDEYEM·tEYEM·ηS。

(6)

式中：ECEYEM為Y軸空走事件的能耗；ECDEYEM為該加工使用設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)工作臺(tái)Y軸方向電機(jī)單位速度下空走的能耗；tEYEM為該Y軸空走事件的持續(xù)時(shí)間。

ECELC=ECDELC·tELC·ηS·ηM·

ηTh·ηA·ηCo·ηEP。

(7)

式中：ECELC為直線切割事件的能耗；ECDELC為該加工使用設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)以單位速度直線切割單位厚度標(biāo)準(zhǔn)材料的工件的能耗；tELC為該直線切割事件的持續(xù)時(shí)間；ηM為材料系數(shù)；ηTh為厚度系數(shù)；ηA為切割方向與X軸所成角度的角度系數(shù)；ηCo為多次加工、線徑補(bǔ)償?shù)炔煌庸し绞降木C合影響系數(shù)；ηEP為包括脈寬、脈間距、功放管數(shù)、加工電壓等電參數(shù)的影響系數(shù)。

ECEAC=ECDEAC·tEAC·ηS·ηM·

ηTh·ηCu·ηCo·ηEP。

(8)

式中：ECEAC為圓弧切割事件的能耗；ECDEAC為該加工使用的設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)以單位速度沿單位曲率的圓弧切割單位厚度標(biāo)準(zhǔn)材料的工件的能耗；tEAC為該圓弧切割事件的持續(xù)時(shí)間；ηCu為曲率系數(shù)。

ECETC=ECDETC·tETC·ηS·ηM·

ηTh·ηTa·ηCo·ηEP。

(9)

式中：ECETC為錐度切割事件的能耗；ECDETC為該加工使用的設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)以單位速度按照單位錐度切割單位厚度標(biāo)準(zhǔn)材料的工件的能耗；tETC為該錐度切割事件的持續(xù)時(shí)間；ηTa為錐度系數(shù)。

ECCSEDM=ECDCSEDM·ηS·ηM·ηTh·ηCo·ηEP。

(10)

式中：ECCSEDM為開始放電加工特征的能耗；ECDCSEDM為單位速度下切入單位厚度標(biāo)準(zhǔn)材料過程相對于正常切割該工件所增加的能耗。

ECCEEDM=ECDCEEDM·ηS·ηM·ηTh·ηCo·ηEP。

(11)

式中：ECCEEDM為結(jié)束放電加工特征的能耗；ECDCEEDM為單位速度下切出單位厚度標(biāo)準(zhǔn)材料過程相對于正常切割該工件所增加的能耗。

特征中存在一些特征的能耗由機(jī)床特性決定，不隨加工參數(shù)的改變而改變。這些特征直接用確定數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，特征及對應(yīng)符號(hào)分別為：運(yùn)絲電機(jī)開特征的能耗ECCWMO、運(yùn)絲電機(jī)關(guān)特征的能耗ECCWMC、泵開特征的能耗ECCPO、泵關(guān)特征的能耗ECCPC、開始空走特征的能耗ECCSEM、結(jié)束空走特征的能耗ECCEEM、運(yùn)絲電機(jī)狀態(tài)突變特征的能耗ECCWMM。與加工參數(shù)相關(guān)的特征能耗需乘以各類影響系數(shù)，即

ECCPMSM=ECDCPMSM·ηS·ηM·ηTh·ηCo·ηEP·ηCA。

(12)

式中：ECCPMSM為工作臺(tái)電機(jī)狀態(tài)突變特征的能耗；ECDCPMSM為單位速度下單位角度轉(zhuǎn)折切割單位厚度標(biāo)準(zhǔn)材料的過程相對于直線切割該工件所增加的能耗；ηCA為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向變化前后所成角度的變化角度系數(shù)。

ECCTMSM=ECDCTMSM·ηS·ηM·ηTh·ηTa·ηCo·ηEP。

(13)

式中：ECCTMSM為錐度調(diào)節(jié)電機(jī)狀態(tài)突變特征的能耗；ECDCTMSM為單位速度下單位錐度變化切割單位厚度標(biāo)準(zhǔn)材料的過程相對于正常錐度切割該工件所增加的能耗。

ECE=ECES+ECEL+ECEPM+ECEW+

(14)

式中：ECE為事件總能耗；nEXEM為X軸空走事件的數(shù)量；nEYEM為Y軸空走事件的數(shù)量；nELC為直線切割事件的數(shù)量；nEAC為圓弧切割事件的數(shù)量；nETC為錐度切割事件的數(shù)量。

ECC=ECCSEDM+ECCEEDM+ECCWMO+ECCWMC+

ECCPO+ECCPC+ECCSWEM+ECCEWEM+

(15)

式中：ECC為特征總能耗；tC為運(yùn)絲周期；nCPMSM為工作臺(tái)電機(jī)狀態(tài)突變特征的數(shù)量；nCTMSM為錐度調(diào)節(jié)電機(jī)狀態(tài)突變特征的數(shù)量。

ECM=ECE+ECC。

(16)

式中ECM為加工總能耗。

利用上述能耗計(jì)算公式，可以計(jì)算數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的能耗，用于加工前的事前預(yù)測，從而基于能耗對數(shù)控電火花線切割加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

4 實(shí)例

本實(shí)驗(yàn)以DK7740D線切割機(jī)床為測試對象，該機(jī)床的最大切割厚度為500 mm。為了得到前文涉及的必要參數(shù)，本文采用由3個(gè)電壓傳感器和3個(gè)電流傳感器組成的采集裝置，分別檢測三相電壓和電流，傳感器輸出均為電流模擬信號(hào)，通過采樣電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)后輸入電壓采集卡，電壓采集卡輸出的電壓數(shù)字信號(hào)由采集卡底座經(jīng)數(shù)據(jù)線傳至電腦。所獲得的電壓數(shù)字信號(hào)由Labview軟件轉(zhuǎn)化為實(shí)際電壓和實(shí)際電流，通過軟件將電壓與電流相乘獲得功率，再將功率對時(shí)間進(jìn)行積分即可獲得能耗，直接獲得的實(shí)測能耗用于與模型的精度進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型的可靠性?；诓杉b置的實(shí)驗(yàn)采集及分析平臺(tái)如圖7所示，平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)流向如圖8所示，該采集裝置對功率與能耗的采樣間隔設(shè)定為0.1 s。

以某凸模零件加工工藝過程[17]為例，說明所提方法的可行性和有效性。工件材料為Q235鋼，初始尺寸為長度60 mm、寬度40 mm、厚度4 mm，經(jīng)過電火花線切割加工后，完成的工件加工形狀及尺寸如圖9所示。

在保證該工件的表面質(zhì)量達(dá)到粗糙度Ra1.2的前提下，制定加工工藝并設(shè)置電參數(shù)。加工使用的NC代碼如圖10左側(cè)所示。利用事件及能耗特征提取方法從NC代碼中提取加工工藝過程中的事件及能耗特征，如圖10所示。

事件及能耗特征所描述的是資源消耗的電能消耗，結(jié)合結(jié)構(gòu)特征、機(jī)床特征、電參特征和毛坯到成品的幾何變化，即可得到整個(gè)加工工藝過程的資源消耗，并能唯一對應(yīng)這一加工工藝過程。上述凸模零件數(shù)控電火花線切割加工工藝過程模型如圖11所示。

特征事件表2中，所有能耗參數(shù)均通過上文的采集裝置實(shí)驗(yàn)獲得，所有除運(yùn)絲周期的時(shí)間參數(shù)均由程序獲得，運(yùn)絲周期由實(shí)驗(yàn)機(jī)床運(yùn)絲筒上的繞絲長度決定；所有系數(shù)均為實(shí)驗(yàn)擬合所得系數(shù)的函數(shù)。

表2 某凸模零件加工工藝過程特征事件表

特征事件能耗相關(guān)數(shù)據(jù)說明待機(jī)事件ECDES=210.325 J/S;tES=6 347 s待機(jī)事件的持續(xù)時(shí)間為程序總時(shí)長泵運(yùn)動(dòng)事件ECDEPM=315.987 J/S;tEPM=6 343.25 s泵運(yùn)動(dòng)事件的持續(xù)時(shí)間為T84到T85指令間的持續(xù)時(shí)長運(yùn)絲事件ECDEW=129.986 J/S;tEW=6 343.5 s運(yùn)絲事件的持續(xù)時(shí)間為T80到T81指令間的持續(xù)時(shí)長X軸空走事件件ECDEXEM=85.457 J/S;tEXEM=408 s;ηS=1數(shù)量nEXEM=2且速度相同,分別為N60的前部分、N170;累計(jì)兩次X軸空走事件的持續(xù)時(shí)間tEXEM直線切割事件ECDELC=255.824 J/S;ηS=1;tELC1=1 542 s;tELC2=862 s;ηA1=1;ηA2=0.95;ηM=1;ηTh=0.8;ηCo=1;ηEP=1數(shù)量nELC=6且速度相同,分別為N60程序段的后部分對應(yīng)的事件、N80程序段對應(yīng)的事件、N100程序段對應(yīng)的事件、N140程序段對應(yīng)的事件、N70程序段對應(yīng)的事件、N150程序段對應(yīng)的事件。其中:前4次累計(jì)直線切割事件的持續(xù)時(shí)間為tELC1,切割方向與X軸所成角度的角度系數(shù)為ηA1;后兩次累計(jì)直線切割事件的持續(xù)時(shí)間為tELC2,切割方向與X軸所成角度的角度系數(shù)為ηA2圓弧切割事件ECDEAC=265.643 J/S;ηS=1;tEAC1=2 073 s;ηCu1=1.05;tEAC2=1 458 s;ηCu2=1;ηM=1;ηTh=0.8;ηCo=1;ηEP=1數(shù)量nEAC=4且速度相同,分別為:N90程序段對應(yīng)的事件、N120程序段對應(yīng)的事件、N130程序段對應(yīng)的事件,這三次的累計(jì)圓弧切割事件的持續(xù)時(shí)間tEAC1,半徑為5的曲率系數(shù)ηCu1;N110,該圓弧切割事件的持續(xù)時(shí)間tEAC2,半徑為10的曲率系數(shù)ηCu2

續(xù)表2

上述系數(shù)均會(huì)隨設(shè)備特征發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，脈沖電源和電機(jī)參數(shù)不同會(huì)造成系數(shù)規(guī)律不同。對于一個(gè)各個(gè)工藝參數(shù)都確定的線切割加工工藝過程，所有系數(shù)均具有唯一性。

因此，可以利用特征事件表中的數(shù)據(jù)計(jì)算能耗，獲得理論能耗，計(jì)算過程如下：

將表2中的數(shù)據(jù)帶入式(1)，得到待機(jī)事件能耗EES=1 334 932.775 J；帶入式(3)，得到泵運(yùn)動(dòng)事件能耗EEPM=2 004 384.538 J；帶入式(4)，得到運(yùn)絲事件能耗EEW=824 566.191 J；帶入式(5)，得到各個(gè)X軸空走事件的能耗并累計(jì)為EEXEM=34 866.456 J；帶入式(7)，得到各個(gè)直線切割事件的能耗并累計(jì)為EELC=483 179.905 3 J；帶入式(8)，得到各個(gè)圓弧切割事件的能耗并累計(jì)為EEAC=772 415.464 J。將上述數(shù)據(jù)帶入式(14)，得到事件總能耗EE=5 454 345.329 J。

將表2中的數(shù)據(jù)帶入式(10)，得到開始放電加工特征能耗ECSEDM=51.84 J；帶入式(11)，得到結(jié)束放電加工特征能耗ECEEDM=31.68 J；帶入式(12)，得到各個(gè)工作臺(tái)電機(jī)狀態(tài)突變特征的能耗并累計(jì)為ECPMSM=428 J。將上述數(shù)據(jù)及表2中的數(shù)據(jù)帶入式(15)，得到特征總能耗EC=44 504.32 J。

將事件總能耗與特征總能耗帶入式(16)，得到加工總能耗EM=EE+EC=5 498 849.649 J≈5.5×106J。

通過圖7中的實(shí)驗(yàn)采集和分析平臺(tái)，由Labview軟件直接獲得的實(shí)測加工總能耗MECM≈6.1×106J。

5 結(jié)束語

由于當(dāng)前缺乏數(shù)控電火花線切割加工工藝過程模型，本文研究了數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模方法，采用特征事件描述線切割加工工藝過程，提出基于特征事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模方法，根據(jù)數(shù)控電火花線切割加工工藝過程特性，將加工工藝過程分解為5類典型事件和4類典型特征，結(jié)合正常加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，總結(jié)了正常加工時(shí)的9種基本事件和14種基本特征用于計(jì)算電能消耗，最后通過實(shí)例對基于特征事件的線切割過程模型進(jìn)行了驗(yàn)算。下一步將在線切割特征事件過程模型的基礎(chǔ)上，開展優(yōu)化數(shù)控電火花線切割加工工藝研究，從而有針對性地實(shí)施節(jié)能減排措施，提高節(jié)能減排的效果。

參考文獻(xiàn):

[1] BP Group. BP world energy statistics yearbook 2015[EB/OL].[2016-12-03].http://www.bp.com /zh_cn/china/reports-and-publications/_bp_2015.html(in Chinese).[BP集團(tuán). 2015《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[EB/OL].[2016-12-03].http://www.bp.com/zh_cn/china/reports-and-publications/_bp_2015.html.]

[2] National Bureau of Statistics.China statistical yearbook 2013 [M]. Beijing: China Statistics Press,2013(in Chinese).[國家統(tǒng)計(jì)局.《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2013》[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社,2013 .

[3] Ministry of Industry and Information Technology . Green manufacturing engineering implementation guidelines (2016—2020 years) officially released [EB/OL].[2016-12-03].http://www.miit.gov.cn/newweb/n1146285/n1146352/n3054355/n3057542/n3057545/c5253469/content.html (in Chinese).[工業(yè)和信息化部.《綠色制造工程實(shí)施指南(2016—2020年)》正式發(fā)布[EB/OL].[2016-12-03].http://www.miit.gov.cn/newweb/n1146285/n1146352/n3054355/n3057542/n3057545/c5253469/content.html.]

[4] GUTOWSKI T, DAHMUS J, THIRIEZ A. Electrical energy requirements for manufacturing processes[C]∥Proceedings of 13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering.Berlin,Germany:Springer-Verlag,2006(5):560-564.

[5] JIA Shun, TANG Renzhong, LYU Jingxiang. Machining activity extraction and energy attributes inheritance method to support intelligent energy estimation of machining process[J].Journal of Intelligent Manufacturing,2016,27(3):595-616.

[6] LIU Fei, LIU Shuang. Multi-period energy model of electro-mechanical main driving system during the service process of machine tools[J].Journal of Mechanical Engineering,2012,48(21):132-140(in Chinese).[劉 飛，劉 霜.機(jī)床服役過程機(jī)電主傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)段能量模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(21):132-140.]

[7] MA Feng, ZHANG Hua, YAN Wei. Energy efficiency calculation model for main drive system of NC milling machining center during its service process[J].Machine Tool & Hydraulics,2015,43(3)：112-115(in Chinese).[馬 峰，張 華，鄢 威.數(shù)控銑削加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)服役過程能效計(jì)算模型[J].機(jī)床與液壓,2015,43(3)：112-115.]

[8] YIN Ruixue, CAO Huajun, LI Hongcheng, et al.Carbon emission quantification method of sand casting process and its application[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2012,18(5)：1071-1076(in Chinese).[尹瑞雪，曹華軍，李洪丞，等.砂型鑄造生產(chǎn)系統(tǒng)碳排放量化方法及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2012,18(5)：1071-1076.]

[9] ZHENG Jun, TANG Renzhong, HU Luoke.Carbon emission modeling of sand casting based on process carbon sources[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2014,20(4)：898-908(in Chinese).[鄭 軍，唐任仲，胡羅克.基于工序碳源的砂型鑄造過程碳排放建模方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2014,20(4)：898-908.]

[10] LI Xianguang, YANG Yong, LI Congbo,et al.Analysis of carbon emission in gear dry machining process for green manufacturing[J].China Mechanical Engineering,2014,25(16)：2184-2190(in Chinese).[李先廣，楊 勇，李聰波，等.面向綠色制造的干式齒輪加工過程碳排放分析[J].中國機(jī)械工程,2014,25(16)：2184-2190.]

[11] ZHOU Lirong, LI Fangyi, LI Jianfeng,et al.Product manufacturing energy consumption correlation model based on design features[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2016,22(4)：1037-1045(in Chinese).[周麗蓉，李方義，李劍峰，等.基于設(shè)計(jì)特征的機(jī)械產(chǎn)品制造能耗關(guān)聯(lián)建模[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2016,22(4)：1037-1045.]

[12] PANDA M C, YADAVA V. Finite element prediction of material removal rate due to traveling wire electrochemical spark machining[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2009,45(5/6):506-520.

[13] HAN Fuzhu , JIANG Jun,YU Dingwen. Influence of machining parameters on surface roughness in finish cut of WEDM[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,34(5):538-546.

[14] LI Wen,KARA S. Characterising energy efficiency of electrical discharge machining[J].Procedia CIRP,2015,29:263-268.

[15] YU Jiashan, YANG Dayong, FU Jinjuan.Theoretical basis of electrical discharge machining[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2011(in Chinese).[于家珊,楊大勇,伏金娟.電火花加工理論基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.]

[16] LUCKHAM D.The power of events:an introduction to complex event processing in distributed enterprise systems[M]. Boston,Mass.,USA：Addison Wesley，2002.

[17] LI Minghui, YANG Xiaoxin.NC WEDM technology and application[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2010(in Chinese).[李明輝,楊曉欣.數(shù)控電火花線切割加工工藝及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.]