CN103971019B - 一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，包括：根据CAD模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征树，用特征类树表示各几何特征类及其层次关系；利用物元法建立工件几何特征物元模型，再从物元模型中提取工件几何特征和加工方式，建立映射关系，结合加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，建立基于几何特征的工件加工能耗模型，并通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；将各参数信息带入能耗模型，计算出加工此几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。本发明围绕工件几何特征的能耗属性展开，只需根据拆分出的几何特征，就可以对工件加工过程能耗进行预测。

Description

一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法

技术领域

本发明涉及机械制造加工领域，尤其涉及一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法。

背景技术

机械加工过程主要是对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量。随着能效制造及低碳制造等一系列降低制造过程能耗、减少环境排放的制造模式的推进，实施节能优化已成为机械制造业发展的趋势。机械加工过程中工件能耗预测是其降低能耗、提高能效的首要步骤之一，近年来正在国内外迅速兴起并逐渐成为研究热点问题。

工件加工过程的能量消耗包括错综复杂的能源流、物料流和废物流，并贯穿于工件的各种加工工艺、加工设备和辅助设施中，具有复杂的动态特性。CN103235554A公开《一种基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法》，其公开的方案是通过对数控机床NC代码的解析获取各能耗部件运行参数，并通过实验获取基础功率数据，最后将上述运行参数和基础功率输入到建立的数控机床各能耗部件的能耗模型中，通过计算获取工件的能耗。CN102621932A公开的《一种数控机床服役过程的能量消耗预测方法》，其公开的方案是根据工件加工工艺，将数控机床服役过程分为启动、空载和加工三个子过程，对每个子过程进行能耗预测，该方法只适用于工件加工工艺信息详细，且需要人工划分服役过程。

现有预测方法中，工件能耗预测主要通过实验测量获取机床加工过程中的主要功率和工艺参数，再利用模型公式对工件能耗进行估算，目前还缺乏利用工件几何特征来预测其能耗的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，使用本方法能方便的获取工件加工能耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，包括以下步骤：

1)根据cad模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征类树，所述特征类树用于表示各几何特征类及其层次关系和结构；

2)利用物元法建立工件几何特征物元模型，从物元模型中识别并提取工件几何特征和加工方式，建立几何特征和加工方式间的映射关系；

3)根据加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，通过物元法建立的工件几何特征物元模型对工件各几何特征能量信息进行提取；

4)根据几何特征和加工方式间的映射关系和工件各几何特征能量信息，建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗模型；

5)通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；

6)根据各能耗部件的运行参数和能耗模型，计算各加工工件几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。

按上述方案，所述步骤1)中利用CAD模型中集成的几何特征信息，建立工件几何特征类树的具体方法为：

首先按照工件特征的复杂程度将工件几何特征分为简单特征和复杂特征，简单特征是特征的最小单元，简单特征是独立的形状结构；复杂特征为简单特征的组合结构，然后再将复杂特征按加工要求分为基本特征和组合特征，将简单特征分为主特征和辅特征两种，并以几何特征类树的结构形式将所有特征递进排列，每个结点代表一个几何特征类。

按上述方案，所述步骤2)中建立几何特征与加工行为之间的映射关系为：

利用物元法建立工件几何特征的能耗物元模型R＝(P,F,E)，物元表示如下：

$R=\left[\begin{array}{ccc}P& F_1& E_1\\ & F_2& E_2\\ & .& .\\ & .& .\\ & .& .\\ & F_n& E_n\end{array}\right]$

其中P代表工件，F代表工件几何特征，E代表特征能耗；所述特征能耗信息包括各几何特征对应的加工方法，还包括加工方法中选用的设备及相应的加工参数。

按上述方案，所述步骤2)中工件几何特征物元模型为：

按上述方案，步骤4)中基于几何特征的数控机床加工过程能耗模型为：

设工件由n个几何特征MF构成：MF＝{MF₁,MF₂,…,MF_n}，其某一几何特征和工件能耗的数学模型可以表述为：

$E_{process}=E_{{\mathrm{MF}}_i}$

其中E_MF可表示为：

$E_{{\mathrm{MF}}_i}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\∫}_{T_{step1}}^{T_{stepi}}{P}_{i}dt$

于是可得工件加工过程总能耗：

$E_{process}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{E}_{{\mathrm{mf}}_{ij}}$

其中代表机床加工几何特征i时工序j的能耗，m表示加工某一几何特征时所需的加工工序数。

本发明产生的有益效果是：

1.本发明围绕工件几何特征的能耗属性展开，只需根据拆分出的几何特征，结合数控机床NC代码与加工几何特征有关的参数信息，分别分析工件主辅特征的能量消耗状况及与加工过程能耗间的映射关系，进而建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗预测模型，就可以对工件加工过程能耗进行预测；

2.本发明还可以提供分解到工件各加工特征的能耗数据，这些数据信息可为机床加工过程节能优化分析提供支持。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的流程示意图；

图2是工件几何特征分类图；

图3是本发明实施例的机床刀具运行轨迹图；

图4是本发明实施例的机床进给轴直线插补图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明公开了一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，首先，利用CAD模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征树，用几何特征类树表示各几何特征类及其层次关系和结构；然后，先利用物元法建立工件几何特征物元模型，再从物元模型中识别和提取工件几何特征和加工方式，建立映射关系，结合加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗模型，并通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；最后，将各参数信息带入能耗模型，计算出加工此几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。

1、工件CAD模型拆分建立特征树：

工件几何特征分为简单特征和复杂特征，复杂特征可分为基本特征和组合特征，而简单特征又可分为主特征和辅特征两种，基本特征由一个主特征和多个辅特征组成，如轴段和孔段等，组合特征由多个基本特征组成，如同轴孔和均布孔等，主特征通常表示用以构成工件的基本形体结构，如孔、槽等；辅特征则依附于主特征，构成零件模型的完整结构，如倒角、退刀槽等。

设工件P由M个复杂特征组成，每一个复杂特征又是由N个组合特征构成，每个组合特征由K个基本特征组成，每个基本特征由一个主特征和U个辅特征组成，经过层层分解，一个复杂工件可分割为由若干个主特征和辅特征组合排列而构成，如图2所示。

2、识别和提取工件几何特征和加工方式，建立工件几何特征的能耗模型：

2.1、建立几何特征与加工行为之间的映射关系为：

一个工件(记为P)，可以通过各种各样的几何特征(记为F)来体现。描述事物实体的特征称为实义特征.如长、宽、质量等。事物关于某一特征的数量、程度或范围等称为该事物关于这一特征的量值。特征F的取值范围.称为它的量域，记作V。给定事物的名称P，它关于特征F的量值为V，以有序三元组作为描述事物的基本元，简称为物元.记作R(P,F,V)。

对步骤1中拆分出的主特征和辅特征利用上述介绍的物元法建立工件加工特征的能耗物元模型R＝(P,F,E)，然后对工件主特征和辅特征进行提取，物元表示如下：

$R=\left[\begin{array}{ccc}P& F_1& E_1\\ & F_2& E_2\\ & .& .\\ & .& .\\ & .& .\\ & F_n& E_n\end{array}\right]$

其中P代表工件，F代表工件加工特征，E代表特征能耗；

进一步将上述几何特征信息和特征能耗信息利用物元法进行分解。几何特征信息主要包括几何信息和加工信息，特征能耗信息包括各几何特征对应的加工方法，还包括加工方法中选用的设备及相应的加工参数，为了能够建立几何特性到能耗的映射关系，还需要对物元模型进行进一步分解。利用物元的逐层迭代，建立三层的统一物元模型，将工件几何特征与各具体的加工参数进行关联，统一单元物元模型如下：

工件几何特征不但具有几何信息,还必须具有加工信息,具有可加工性，因此工件的几何特征与加工行为之间存在着对应关系。

2.2、数控机床几何特征NC代码的解析：

数控机床一般采用NC代码(又称数控程序)编程，NC代码编程语言属过程控制语言，其语句是控制数控机床运作的指令集。在数控机床用ISO编码表中,英文字母大都赋给了确切的含义。一个英文字母后边跟上一定范围的数码就构成了一个N C代码指令，主要包括了G代码、M代码、S代码、F代码、X代码、Y代码和Z代码，数控加工工件NC代码与机床运行的关联性如表1所示。

表1

2.3、建立基于几何特征的数控机床加工过程能耗模型为：

设工件由n个几何特征MF构成：MF＝{MF₁,MF₂,…,MF_n}，其中MF可表示为：

MF＝{X(t),Y(t),M(t),S(t)}

其中，X(t)为切削用量特性；Y(t)为加工设备特性；M(t)为加工工件的材料特性；S(t)为工件形状特性。

某一几何特征与加工能耗的数学模型可以表述为：

$E_{process}=E_{{\mathrm{MF}}_i}---\left(1\right)$

其中E_MF可进一步表示为：

$E_{{\mathrm{MF}}_i}=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\∫}_{T_{step1}}^{T_{stepi}}{P}_{i}dt---\left(2\right)$

表示几何特征MF_i需进行m工序加工，对每步工序的能耗求和就可以得出该几何特征的能耗。

于是可得工件加工过程总能耗：

$E_{process}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{E}_{{\mathrm{mf}}_{ij}}---\left(3\right)$

其中代表机床加工特征i时工序j的能耗。

2.4、基于CAD模型几何特征的工件加工能耗的获取：

工件加工过程中能耗主要由数控机床主轴电机切削能耗E_C和进给电机能耗E_F构成，主轴电机能耗主要与工件材料去除过程相关，进给电机消耗的能量用于工作台和切削刀具在给定的进给速度下的进给。

1)主轴电机切削能耗模型为：

$E_C={\∫}_{t_{cs}}^{t_{ce}}{P}_{c}dt---\left(4\right)$

其中切削功率P_c和切削时间参数需要获取，切削时间t可以通过NC代码文件中获取的刀具路径和进给速度V_C来计算。切削功率P_c可以表示式(5)，

P_C＝F_C×V (5)

其中F_c表示切削力，切削力主要与切削厚度和长度有关，在实际切削过程中切削力的影响因素很多，主要有工件、刀具材料、切削用量、刀具几何参数、刀具磨损状态以及切削液等，如标准切削实验，车削时的Fc可以表示为式(6)，

其中a_p、f、v_c分别为背吃刀量、进给速度、切削速度，K_Fc详见《切削用量手册》表1.28，C_Fc为修正系数，x_Fc、y_Fc、n_Fc为指数，具体常用数值可见表2所示。

表2

2)进给电机能耗模型为：

数控机床进给电机一般包括X轴进给电机和Y轴进给电机以及Z轴进给电机，进给电机能耗可以表达为(式7)，

$E_{iF}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\ω}}{\Σ}}{\∫}_{t_{Fs}}^{t_{Fe}}{P}_f\·dt---\left(7\right)$

其中P_f，t_Fs、t_Fe分别代表第i个进给轴的功率、开始时间和结束时间。

进给系统能耗一般包括两部分，一部分为工件加工之前，三轴进行快进和进给运动消耗的能量主要是为了进行对刀和将夹具移动到指定位置等准备工作，另一部分为工件加工过程中给定进给轴速度，平面移动加工工件所消耗的能量

①的获取：

主要与进给速度、进给时间和刀具运行轨迹有关，现结合图3讲述具体获取方法，假设刀具的路径为A→C→D→B，进给系统快给速度为V_r，首先三个方向的进给电机同时运转，刀具从点A移动到点C；然后Z向进给电机停止运转，X和Y向进给电机继续运转，刀具从点C移动到点D；最后只有X向电机运转，刀具从点D移动到点B。

假设三个进给电机的功率分别为则可由(式8)求得，

$E_{iF}^R={\∫}_{t_A}^{t_B}{P}_x^r\·dt+{\∫}_{t_A}^{t_D}{P}_y^r\·dt+{\∫}_{t_A}^{t_C}{P}_z^r\·dt---\left(8\right)$

由于三个进给电机都是相同的速度V_r，因此(式8)可以改写为(式9)，

$\begin{array}{c}{E}_{iF}^R=(P_x^r+P_y^r+P_z^r)(t_C-t_A)+(P_x^r+P_y^r)(t_D-t_C)\\ +P_x^r(t_B-t_D)\end{array}---\left(9\right)$

其中：

$\begin{array}{c}{t}_C=t_A=(z_2-z_1)/v_r\\ t_D-t_C=(y_2-z_1)/v_r\\ t_B-t_D=(x_2-y_1)/v_r\end{array}---\left(10\right)$

②的获取：

和相似，也主要与进给速度、进给时间和刀具运行轨迹有关，但在加工过程中刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线，常用计算规则有直线插补计算规则、圆弧插补计算规则以及特殊循环计算规则。

本发明以直线插补计算规则为例，现结合图4来进一步解释的获取方法，在点A(0，0)、点B(x_b，y_b)和点C(x_c，y_c)之间进行直线插补，进给系统X轴电机和Y轴电机的能耗如(式11)所示：

$E_{iF}^T={\∫}_{t_A}^{t_B}(P_x^t+P_y^t)\·dt---\left(11\right)$

其中分别为进给轴X和进给轴Y在电机速度v_x和v_y下的功率，v_x和v_y可以通过进给速度v_f求得，如(式12)所示：

$\begin{array}{c}{v}_x=v_f\·\cos \∂\\ v_y=v_f\·sin\∂\end{array}---\left(12\right)$

在忽略掉进给轴加速和减速的影响后，进给矢量速度v_f为刀具从点A运动到点B时的速度，由于各分量上的运动时间是相同的，则(式11)可进一步改写为(式13)：

$E_{iF}^T=(P_x^t+P_y^t)\·(t_B-t_A)---\left(13\right)$

其中时间可表示为(式14)所示：

$t_B-t_A=\frac{\sqrt{x_b^2+y_b^2}}{v_f}---\left(14\right)$

公式(10)和(14)中的参数可以通过前述步骤中对NC代码的解析获取。

3、机械加工过程工件能耗的获取：

将式(5)和式(6)带入式(4)可获得在工件加工特征i下主轴电机切削能耗模型：

$E_{iC}={\∫}_{t_{cs}}^{t_{ce}}{C}_{Fc}\·{a_p}^{x_{Fc}}\·f^{x_{Fc}}\·{v_c}^{n_{Fc}}\·K_{Fc}\·Vdt---\left(15\right)$

将式(8)～(14)经过整理后可得在工件加工特征i进给轴电机能耗模型：

$E_{iF}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\ω}}{\Σ}}\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}\left(P_x^r+P_y^r+P_z^r\right)(z_2-z_1)/v_r+(P_x^r+P_y^r)(y_2-z_1)/v_r\\ +P_x^r(t_B-t_D)(x_2-y_1)/v_r\end{array}\right]\\ +\[(P_x^t+P_y^t)\·\frac{\sqrt{x_b^2+y_b^2}}{v_f}\]\end{array}\right\}---\left(16\right)$

最后将式(15)和式(16)带入式(3)可得基于加工特征的工件加工过程总能耗模型：

$E_{process}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}(E_{Cij}+E_{Fij})---\left(17\right)$

其中E_Cij和E_Fij分别代表机床加工特征i时工序j的主轴能耗和进给轴能耗。

通过上述基于几何特征的工件加工能耗获取方法可以看出，本发明可以应用于数控加工工件能耗评估与预测，可为工件加工过程能耗的节能优化提供一定的支持。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据CAD模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征类树，所述特征类树用于表示各几何特征类及其层次关系和结构；

2)利用物元法建立工件几何特征物元模型，从物元模型中识别并提取工件几何特征和加工方式，建立几何特征和加工方式间的映射关系；

3)根据加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，通过物元法建立的工件几何特征物元模型对工件各几何特征能量信息进行提取；

4)根据几何特征和加工方式间的映射关系和工件各几何特征能量信息，建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗模型；

5)通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；

6)根据各能耗部件的运行参数和能耗模型，计算各加工工件几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。

2.根据权利要求1所述的加工能耗预测方法，其特征在于，所述步骤1)中利用CAD模型中集成的几何特征信息，建立工件几何特征类树的具体方法为：

首先按照工件特征的复杂程度将工件几何特征分为简单特征和复杂特征，其中简单特征是特征的最小单元；然后再将复杂特征按加工要求分为基本特征和组合特征，将简单特征分为主特征和辅特征两种，并以几何特征类树的结构形式将所有特征递进排列，每个结点代表一个几何特征类。

3.根据权利要求1所述的加工能耗预测方法，其特征在于，所述步骤2)中建立几何特征与加工方式之间的映射关系为：

利用物元法建立工件几何特征的能耗物元模型R＝(P,F,E)，物元表示如下：

$R=\left[\begin{array}{ccc}P& F_1& E_1\\ & F_2& E_2\\ & .& .\\ & .& .\\ & .& .\\ & F_n& E_n\end{array}\right]$

其中P代表工件，F代表工件几何特征，E代表特征能耗；所述特征能耗信息包括各几何特征对应的加工方法，还包括加工方法中选用的设备及相应的加工参数。