CN112558558A - 一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，定义智能制造单元工件成型过程中的车间运载能耗、车间装载能耗和车间切削能耗；设计智能制造单元基于加工制造过程的零件工艺流程，分析智能制造单元的加工工作流程，完成智能制造车间面向加工工艺过程的动作结构和工艺流程部分，根据智能制造单元的动作结构和工艺流程部分结合定义的车间运载能耗、车间装载能耗和车间切削能耗，得到智能制造单元加工设备在加工工件所产生的的运载能耗、装载能耗和切削能耗。本发明方法能准确、实时、快速地计算出智能制造单元的总能耗、各个设备的能耗、每个动作元的能耗、工件成型各阶段的能耗。

Description

一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法
技术领域
本发明属于先进制造与自动化技术领域，具体涉及一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法。
背景技术
近年来，全球气候恶化、能源短缺、原油危机和环境污染等问题不断加剧，已对世界工业化和再工业化进程提出了巨大挑战，节能减排已成为全球制造业技术及产业发展的重要方向。2019年国家统计局的统计数据显示，装备制造业增长值为6.7％，占规模以上工业增加值的比重为32.5％。可见，机械装备行业越来越成为能源消耗的主要领域，加工车间的能源实时监控对机械装备行业设备运行过程中的电能消耗和节能分析、控制提供了平台支持和数据支持。因此对制造单元各个设备运行阶段的能源实时监测的理论和方法研究，已成为急需解决的问题和亟待突破的领域。
当前，很多学者聚焦在基于制造特征对机床系统设备进行能耗量化，或者是基于广义边界形式对单机床加工系统进行能耗量化，亦或是基于传统机加工工艺(下料、锻造、机加工、热处理等)建立典型工艺碳排放量化模型，而这些对能耗的量化研究仅停留在只对机床设备或者是提出一个广义的量化计算方法，面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法仍是一个有待解决的关键科学问题，开展相关方面的研究对于减少设备运行过程的电能消耗具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，通过以智能制造为能耗实时能耗计算的对象，在制造单元整个运行阶段中，根据加工流程和电能消耗的特点，提供制造单元整个运行过程中的能耗数据实时在线采集、计算，为制造单元管理人员提供平台支撑和决策依据，有助于提高制造单元现有设备的加工效率，实现节能减排、高效生产。
本发明采用以下技术方案：
一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，定义智能制造单元工件成型过程中的车间运载能耗、车间装载能耗和车间切削能耗；设计智能制造单元基于加工制造过程的零件工艺流程，分析智能制造单元的加工工作流程，完成智能制造车间面向加工工艺过程的动作结构和工艺流程部分，根据智能制造单元的动作结构和工艺流程部分结合定义的车间运载能耗、车间装载能耗和车间切削能耗，得到智能制造单元加工设备在加工工件所产生的运载能耗、装载能耗和切削能耗，通过优化AGV小车的运输距离减少运输能耗，通过优化机械手的装夹运动路径优化装载能耗，通过优化机床加工工件的加工路线优化切削能耗，实现对车间的加工工艺过程能耗优化。
具体的，车间运载能耗为制造单元加工过程中工件往返于机床与仓库之间、机床与机床之间运输所产生的电能消耗；车间装载能耗为制造单元加工过程中工件从仓库到AGV小车、AGV小车到机床过程中机械手所消耗的电能消耗；车间切削能耗为制造单元加工过程中切削工件材料、主轴电机旋转、点亮操作面板、排屑等机床相关操作的部件运行所消耗的电能。
进一步的，车间运载能耗Etra-mw包括制造单元中的运输设备所消耗的电能，具体为：
Etra-mw＝∑Ee-agv
其中，Ee-agv表示AGV小车在机床与仓库之间运输工件所产生的AGV小车能耗。
进一步的，车间装载能耗Egra-mw包括仓库机械手能耗Ee-whm和机床机械手能耗Ee-mtm，具体为：
Ee-whm＝Estb-whm+Eair-whm+Egra-whm
其中，Estb-whm为仓库机械手待机能耗，Eair-whm为仓库机械手空载能耗，Egra-whm为仓库机械手负载能耗；
Ee-mtm＝Estb-mtm+Eair-mtm+Egra-mtm
其中，Estb-mtm为机床机械手待机能耗，Eair-mtm为机床机械手空载能耗，Egra-mtm为机床机械手负载能耗。
进一步的，车间切削能耗Ecut-part包括数控车床能耗Ee-cnc和数控铣床能耗Ee-nc，具体为：
Ee-cnc＝Estb-cnc+Eair-cnc+Ecut-cnc
其中，Estb-cnc为数控车床待机能耗，Eair-cnc为数控车床空切能耗，Ecut-cnc为数控车床切削能耗；
Ee-nc＝Estb-nc+Eair-nc+Ecut-nc
其中，Estb-nc为数控铣床待机能耗，Eair-nc为数控铣床空切能耗，Ecut-nc为数控铣床切削能耗。
具体的，制造单元能耗计算具体为：
S301、根据毛坯的几何物理尺寸和零件的工艺特征完成零件每阶段的加工特征信息和加工设备的加工工艺内容；
S302、根据切削设备的加工工艺内容，给每一次切削动作编号，编号内容包括步骤S301中加工特征、加工阶段、加工方法以及刀具信息，用于划分切削设备每一次切削过程；
S303、根据切削设备的加工工艺内容和相应的切削动作编号，以及编号中的机床、刀具信息，在制造单元模型集中所引出与之对应的能耗计算模型，获取切削加工过程中每阶段对应的功率及能耗模型，计算每一次切削加工过程的待机、空载以及负载能耗；
S304、根据制造单元对工件进行加工的加工流程以及RFIF读取到的识别信息，对各个设备的加工状态进行划分；根据划分后的加工阶段以及相应的功率曲线，计算制造单元各设备加工运输工件所消耗的电能，得到智能制造单元在所有工件加工过程中的总电能消耗。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，采用以加工设备为边界的工件能耗量化方法，将制造单元中各设备对工件所进行的操作视为一个个体，每个个体在零件加工过程内，一般会包含三个状态：待机状态、空载状态和稳定运行状态。对其加工过程内的不同状态的电能消耗情况分别进行数据分析、处理以及搭建能耗模型，有利于对智能制造车间加工流程所消耗的电能、各设备所消耗的电能以及设备各阶段的电能进行快速、全面、精确的量化。
进一步的，将制造单元对工件所进行的实际加工过程和工件位置信息的获取实现过程分别进行活动拆解，依据设备对工件所进行的不同动作，将其划分为三个阶段，有利于清晰地反映出不同的功能设备在某一阶段对工件进行活动所产生的电能消耗，为下一级的能耗计算奠定一定的基础。
进一步的，由于制造单元加工过程中所进行的活动类型杂、数量大，因此有必要对同一类或同一动作的设备进行分类、归类，在此基础上，有利于对同一类动作设备运行阶段进行划分，这样可以直接对应于与加工能耗曲线的某一区间，从而有效地、快速地计算出该类设备在工件运输过程中所产生的电能消耗。
进一步的，出于设备对工件所进行的操作动作的分析，分离出每一个工件处于装夹阶段时所使用的时间，在此基础上，将装夹设备工作的能耗曲线进行分时分段处理，从而得到每一个工件处于装夹状态的时间段以及对应的能耗曲线，从而得到每一个工件的装载能耗，也能得到装载设备在对工件进行操作时的车间装载能耗。
进一步的，通过对车间进行负载能耗的设置，可以高效地分析出数控切削设备在对工件进行加工时所处的时间段以及对应的加工能耗曲线，进而根据能耗建模、能耗计算公式，得到切削设备对每一个工件进行切削加工所消耗的电能以及对所有工件进行加工时所消耗的电能。
进一步的，由于智能制造加工过程中，往往是以一个制造单元为基础，对加工订单中的工件进行加工，因此，以制造单元为基本的能耗量化对象，能实时地计算出智能制造单元在加工工件过程中的总能耗，为以后的制造单元能耗预测与优化方法研究作了一定的铺垫。
进一步的，所使用的加工工艺信息表有效地对加工过程进行区别和划分，可以清晰地、直观地找到工件在设备上加工所产生的的能耗信息，有利于计算出每个工步的电能消耗。
综上所述，本发明方法能准确、实时地、快速地计算出智能制造单元的总能耗、各个设备的能耗、每个动作元的能耗、工件成型各阶段的能耗。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为制造单元实时能耗监测系统网络构型示意图；
图2为加工工件的三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为侧视图，(d)为立体图；
图3为工件毛坯的结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图；
图4为某工步实际车削加工过程的功率分析图；
图5为某工步实际铣削加工过程的功率分析图；
图6为仓库机械手在某一时间段内运动过程的功率分析图；
图7为机床机械手在某一时间段内运动过程的功率分析图。
具体实施方式
本发明提供了一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，通过制造单元工艺过程、能耗流特性分析，给出制造单元能耗叠加原理；建立工件成型生命周期阶段的能耗边界模型，基于加工制造过程给出车间能耗量化原理；依据工件成型生命周期阶段的特点，得到面向加工工艺过程的具体能耗计算公式。本发明根据智能制造单元加工制造过程，采用以加工设备为边界的工件能耗量化方法为智能制造单元产品加工提供能耗数据支持，为智能制造单元以加工能耗最小化为目标的研究提供了方法，保证了智能制造单元能耗边界和计算结果的可用性和一致性，有助于提高智能制造单元各设备的加工效率。
本发明一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，包括以下步骤：
S1、根据制造加工工艺的特点，定义智能制造单元工件成型过程中三种能耗，包括车间运载能耗、车间装载能耗和车间切削能耗；
请参阅图1，车间运载能耗为制造单元加工过程中工件往返于机床与仓库之间、机床与机床之间运输所产生的电能消耗；
车间装载能耗为制造单元加工过程中工件从仓库到AGV小车、AGV小车到机床过程中机械手所消耗的电能消耗；
车间切削能耗为制造单元加工过程中切削工件材料、主轴电机旋转、点亮操作面板、排屑等机床相关操作的部件运行所消耗的电能。
制造车间单元能耗分析及计算模型
加工过程中，各设备的动作复杂，其能耗组成也比较难以直接获得，分解各设备的功能，得到工件在各设备上的子动作由表1所示，本发明将工件在每一个设备上的动作元视为一个能耗对象，每个对象的生命周期包括三个阶段，分析其待机到稳定运行的能耗情况。
表1工件成型时各设备的动作元及其生命周期
Figure BDA0002740497320000061
Figure BDA0002740497320000071
将制造单元加工过程中工件在每一个设备上的子阶段所消耗的电能累加即为本次动作元能耗，所以首先是要获得设备上的子阶段在其生命周期内的能耗模型。
S2、分别给出车间运载能耗、车间装载能耗和车间负载能耗的计算公式；
A、车间运载能耗Etra-mw包括制造单元中的运输设备所消耗的电能，其可由下式来表示。
Etra-mw＝∑Ee-agv
其中，Ee-agv表示AGV小车在机床与仓库之间运输工件所产生的AGV小车能耗。
AGV小车能耗
根据制造单元加工零件的加工流程计算零件全工艺链的电能消耗，除了包括车间负载能耗、车间装载能耗，还包括车间运载能耗。一般来说，工件在从机床到仓库的过程中，需要依靠AGV小车来进行运输。由于AGV小车是装备有电磁自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，并且以可充电的蓄电池为其动力来源，依靠电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。因此，在本发明中将通过AGV小车对工件的运输过程看作是恒速率恒功率过程，其能耗由运输过程的路径长短决定。但是，在导轨的路径已经被磁条所确定了之后，其路程的长短是根据AGV小车工作的时间来决定的。
Figure BDA0002740497320000072
Figure BDA0002740497320000081
其中，
Figure BDA0002740497320000082
表示AGV小车从仓库到机床时运输工件i时的搬运时间，
Figure BDA0002740497320000083
表示AGV小车从机床到仓库时运输工件i时的搬运时间，s表示AGV小车按照得到的指令在规定的导轨上运动的距离，
Figure BDA0002740497320000084
表示AGV小车从仓库到机床时运输工件i时的平均速度，
Figure BDA0002740497320000085
表示AGV小车从机床到仓库时运输工件i时的平均速度。
AGV小车待机能耗
Figure BDA0002740497320000086
AGV小车待机能耗是AGV小车运输工件i时的AGV小车处于待机状态的电能消耗。
AGV小车运输能耗
Figure BDA0002740497320000087
AGV小车运输能耗是AGV小车运输工件i时的AGV小车运输能量。
Figure BDA0002740497320000088
其中，
Figure BDA0002740497320000089
表示AGV小车充满电所能储存的电池电量，
Figure BDA00027404973200000810
表示AGV小车充满电后所能工作的时长。
B、车间装载能耗Egra-mw的计算包括：
仓库机械手能耗Ee-whm
从时间维度上的电能消耗来看，机械手运动过程对机械手工作状态进行划分为启动阶段、待机阶段、空载阶段和负载阶段四个阶段，注意，机械手的启动阶段是瞬时的，在这些状态下的电能消耗可以忽略。因此，剩下的阶段所分别对应的电能消耗为仓库机械手待机能耗Estb-whm、仓库机械手空载能耗Eair-whm和仓库机械手负载能耗Egra-whm。
Ee-whm＝Estb-whm+Eair-whm+Egra-whm
仓库机械手待机能耗
仓库机械手待机能耗是机械手在放置工件和切削工具时机械手处于待机状态所消耗的电能。
Figure BDA0002740497320000091
其中，Estb-whm表示机械手启动后未进行下一步操作时的待机能量，Pstb-whm表示机械手启动后未进行下一步操作时的待机功率，
Figure BDA0002740497320000092
表示机械手启动后未进行下一步操作的待机开始时间点，
Figure BDA0002740497320000093
表示机械手启动后未进行下一步操作的待机结束时间点。
仓库机械手空载能耗
在机械手开始夹持工件过程前，出于安全考虑和接近工件的需要，必须进行机械手的路径规划以及运行速度控制的操作。在空载过程中，机械手各个轴按照输入的代码指令进行转动和移动，而没有接触到仓库中指定位置的工件。它包含各轴电机、液压夹紧、气缸等机械手相关操作的部件运动所消耗的电能。由于工件进出AGV小车的过程是通过一次夹进、一次夹出进行操作的，因此，如等式所示来计算空载能耗。
Figure BDA0002740497320000094
其中，Eair-whm是表示机械手各轴电机开始旋转、移动但夹持工具还未接触到工件时的空载能量，
Figure BDA0002740497320000095
是表示机械手将工件i从仓库的库存位置夹进AGV小车前所消耗的空载能量，
Figure BDA0002740497320000096
是表示机械手将工件i从AGV小车夹出到仓库前所消耗的空载能量。
Figure BDA0002740497320000097
其中，Paircli-whm表示机械手将工件从仓库的库存位置夹进AGV小车前未进行下一步操作时的空载功率，
Figure BDA0002740497320000098
表示机械手将工件从仓库的库存位置夹进AGV小车前未进行下一步操作时的空载开始时间点，
Figure BDA0002740497320000099
表示机械手将工件从仓库的库存位置夹进AGV小车前未进行下一步操作时的空载结束时间点。
Figure BDA00027404973200000910
其中，Pairback-whm表示机械手将工件从AGV小车夹出到仓库前所未进行下一步操作时的空载功率，
Figure BDA0002740497320000101
表示机械手将工件从AGV小车夹出到仓库前所未进行下一步操作时的空载开始时间点，
Figure BDA0002740497320000102
表示机械手将工件从AGV小车夹出到仓库前所未进行下一步操作时的空载结束时间点。
仓库机械手负载能耗
在夹持工件过程中，机械手各个轴按照输入的代码指令进行转动和移动，将工件从指定的一个位置移动到另一个位置。它包含各轴电机、液压夹紧、气缸等机械手相关操作的部件运动所消耗的电能。由于工件进出AGV小车的过程是通过一次夹进、一次夹出进行操作的，因此，如等式所示来计算负载能耗。
Figure BDA0002740497320000103
其中，Egra-whm是表示机械手夹持工具已经接触到工件并进行夹持移动、旋转时的负载能量，
Figure BDA0002740497320000104
是表示机械手将工件i从仓库的库存位置夹进AGV小车时所消耗的负载能量，
Figure BDA0002740497320000105
是表示机械手将工件i从AGV小车夹出到仓库时所消耗的负载能量。
Figure BDA0002740497320000106
其中，Pgracli-whm表示机械手将工件从仓库的库存位置夹进AGV小车时的负载功率，
Figure BDA0002740497320000107
表示机械手将工件从仓库的库存位置夹进AGV小车时的负载开始时间点，
Figure BDA0002740497320000108
表示机械手将工件从仓库的库存位置夹进AGV小车时的负载结束时间点。
Figure BDA0002740497320000109
其中，Pgraback-whm表示机械手将工件从AGV小车夹出到仓库时的负载功率，
Figure BDA00027404973200001010
表示机械手将工件从AGV小车夹出到仓库时的负载开始时间点，
Figure BDA00027404973200001011
表示机械手将工件从AGV小车夹出到仓库时的负载结束时间点。
机床机械手能耗
通常，机械手的电能消耗随着时间的变化而动态变化。如图所示给出了机械手将工件夹进、夹出仓库时的功率曲线。从时间维度上的电能消耗来看，机械手运动过程对机械手工作状态进行划分为启动阶段、待机阶段、空载阶段和负载阶段四个阶段，注意，机械手的启动阶段是瞬时的，在这些状态下的电能消耗可以忽略。因此，剩下的阶段所分别对应的电能消耗为机床机械手待机能耗Estb-mtm、机床机械手空载能耗Eair-mtm和机床机械手负载能耗Egra-mtm，其分别对应的功率为机床机械手待机功率Pstb-mtm、机床机械手空载功率Pair-mtm和机床机械手负载功率Pgra-mtm。
Ee-mtm＝Estb-mtm+Eair-mtm+Egra-mtm
机床机械手待机能耗
出入机床待机能耗是机械手在放置工件和切削工具时机械手处于待机状态所消耗的电能。
Figure BDA0002740497320000111
其中，Estb-mtm表示机械手启动后未进行下一步操作时的待机能量，Pstb-mtm表示机械手启动后未进行下一步操作时的待机功率，
Figure BDA0002740497320000112
表示机械手启动后未进行下一步操作的待机开始时间点，
Figure BDA0002740497320000113
表示机械手启动后未进行下一步操作的待机结束时间点。
机床机械手空载能耗
在机械手开始夹持工件过程前，出于安全考虑和接近工件的需要，必须进行机械手的路径规划以及运行速度控制的操作。在空载过程中，机械手各个轴按照输入的代码指令进行转动和移动，而没有接触到机床中指定位置的工件。它包含各轴电机、液压夹紧、气缸等机械手相关操作的部件运动所消耗的电能。由于工件进出机床的过程是通过一次夹进、一次夹出进行操作的，因此，如等式所示来计算空载能耗。
Figure BDA0002740497320000114
其中，Eair-mtm是表示机械手各轴电机开始旋转、移动但夹持工具还未接触到工件时的空载能量，
Figure BDA0002740497320000115
是表示机械手将工件i从AGV小车夹进机床前所消耗的空载能量，
Figure BDA0002740497320000116
是表示机械手将工件i从机床夹出到AGV小车前所消耗的空载能量。
Figure BDA0002740497320000121
其中，Paircli-mtm表示机械手将工件从AGV小车夹进机床前未进行下一步操作时的空载功率，
Figure BDA0002740497320000122
表示机械手将工件从AGV小车夹进机床前未进行下一步操作时的空载开始时间点，
Figure BDA0002740497320000123
表示机械手将工件从AGV小车夹进机床前未进行下一步操作时的空载结束时间点。
Figure BDA0002740497320000124
其中，Pairback-mtm表示机械手将工件从机床夹出到AGV小车前所未进行下一步操作时的空载功率，
Figure BDA0002740497320000125
表示机械手将工件从机床夹出到AGV小车前所未进行下一步操作时的空载开始时间点，
Figure BDA0002740497320000126
表示机械手将工件从机床夹出到AGV小车前所未进行下一步操作时的空载结束时间点。
机床机械手负载能耗
在夹持工件过程中，机械手各个轴按照输入的代码指令进行转动和移动，将工件从指定的一个位置移动到另一个位置。它包含各轴电机、液压夹紧、气缸等机械手相关操作的部件运动所消耗的电能。由于工件进出机床的过程是通过一次夹进、一次夹出进行操作的，因此，如等式所示来计算负载能耗。
Figure BDA0002740497320000127
其中，Egra-mtm是表示机械手夹持工具已经接触到工件并进行夹持移动、旋转时的负载能量，
Figure BDA0002740497320000128
是表示机械手将工件i从AGV小车夹进机床时所消耗的负载能量，
Figure BDA0002740497320000129
是表示机械手将工件i从机床夹出到AGV小车时所消耗的负载能量。
Figure BDA00027404973200001210
其中，Pgracli-mtm表示机械手将工件从AGV小车夹进机床时的负载功率，
Figure BDA00027404973200001211
表示机械手将工件从AGV小车夹进机床时的负载开始时间点，
Figure BDA0002740497320000131
表示机械手将工件从AGV小车夹进机床时的负载结束时间点。
Figure BDA0002740497320000132
其中，Pgraback-mtm表示机械手将工件从机床夹出到AGV小车时的负载功率，
Figure BDA0002740497320000133
表示机械手将工件从机床夹出到AGV小车时的负载开始时间点，
Figure BDA0002740497320000134
表示机械手将工件从机床夹出到AGV小车时的负载结束时间点。
C、车间切削能耗Ecut-mw的计算包括：
[1]数控车床能耗Ee-cnc
从时间维度上的电能消耗来看，车床加工过程对车床加工状态进行划分为启动阶段、待机阶段、空载阶段和负载阶段四个阶段，注意，车床的启动阶段、主轴加减速状态是瞬时的，在这些状态下的电能消耗可以忽略。因此，剩下的阶段所分别对应的电能消耗为数控车床待机能耗Estb-cnc、数控车床空载能耗Eair-cnc和数控车床负载能耗Ecut-cnc。
Ee-cnc＝Estb-cnc+Eair-cnc+Ecut-cnc
数控车床待机能耗
数控车床待机能耗是机械手在放置工件和切削工具时车床处于待机状态所消耗的电能，它包含操作面板、风扇、照明、润滑等机床相关操作的部件启动所消耗的电能。
Figure BDA0002740497320000135
其中，Estb-cnc表示机床启动后未进行下一步操作时的待机能量，Pstb-cnc表示机床启动后未进行下一步操作时的待机功率，
Figure BDA0002740497320000136
表示机床启动后未进行下一步操作的待机阶段开始时间点，
Figure BDA0002740497320000137
表示机床启动后未进行下一步操作的待机阶段结束时间点。
数控车床空载能耗
在机床开始切削过程前，出于安全考虑和接近刀具的需要，必须进行空切操作。在空切过程中，车床的主轴按照输入的NC代码指令进行旋转，而没有去除工件材料。它包含主轴电机、冷却液、泵电机、液压夹紧等机床相关操作的部件运动所消耗的电能。由于工件的多余材料是通过n个切削道和m个切削层去除的，因此，如等式所示来计算空载能耗。
Figure BDA0002740497320000141
其中，Eair-cnc是表示车床主轴开始旋转、泵电机开始工作但切削工具还未接触到工件材料时的空载能量，
Figure BDA0002740497320000142
是使用第k个切削工具对工件进行的第i个切削层的第j个切削道的空载能耗，其可以进一步用等式来表示。
Figure BDA0002740497320000143
其中，
Figure BDA0002740497320000144
表示使用第k个切削工具对工件进行的第i个切削层的第j个切削道的空载功率，
Figure BDA0002740497320000145
表示第i个切削层的第j个切削道的空载阶段开始时间点，
Figure BDA0002740497320000146
表示第i个切削层的第j个切削道的空载阶段结束时间点。
数控车床负载能耗
在切削状态下，工件的多余材料将被切削工具去除。数控车床负载能耗是车床在材料去除过程中的电能消耗。它包含排屑、工件尖端去除工件材料、切削负荷产生的机床功率损失等机床相关操作的部件运动所消耗的电能。由于工件的多余材料是通过n个切削道和m个切削层去除的，因此，如等式所示来计算负载能耗。
Figure BDA0002740497320000147
其中，Ecut-cnc是表示车床主轴开始旋转、泵电机开始工作但切削工具还未接触到工件材料时的负载能量，
Figure BDA0002740497320000148
是使用第k个切削工具对工件进行的第i个切削层的第j个切削道的负载能耗，其可以进一步用等式来表示：
Figure BDA0002740497320000149
其中，
Figure BDA0002740497320000151
是使用第k个切削工具对工件进行的第i个切削层的第j个切削道的负载功率，
Figure BDA0002740497320000152
是第i个切削层的第j个切削道的负载阶段开始时间点，
Figure BDA0002740497320000153
是第i个切削层的第j个切削道的负载阶段结束时间点。
[2]数控铣床能耗Ee-nc
从时间维度上的电能消耗来看，铣床加工过程对铣床加工状态进行划分为启动阶段、待机阶段、空切阶段和切削阶段四个阶段，注意，铣床的启动阶段、主轴加减速状态是瞬时的，在这些状态下的电能消耗可以忽略。因此，剩下的阶段所分别对应的电能消耗为数控铣床待机能耗Estb-nc、数控铣床空载能耗Eair-nc和数控铣床负载能耗Ecut-nc。
Ee-nc＝Estb-nc+Eair-nc+Ecut-nc
数控铣床待机能耗
铣削加工待机能耗是机械手在放置工件和切削工具时铣床处于待机状态所消耗的电能，它包含操作面板、风扇、照明、润滑等机床相关操作的部件启动所消耗的电能。
Figure BDA0002740497320000154
其中，Estb-nc表示铣床启动后未进行下一步操作时的待机能量，表示铣床启动后未进行下一步操作时的待机功率，
Figure BDA0002740497320000155
表示铣床启动后未进行下一步操作的待机阶段开始时间点，
Figure BDA0002740497320000156
表示铣床启动后未进行下一步操作的待机阶段结束时间点。
数控铣床空载能耗
在铣床开始切削过程前，出于安全考虑和接近刀具的需要，必须进行空切操作。在空切过程中，铣床的主轴按照输入的NC代码指令进行旋转和移动，而没有去除工件材料。它包含主轴电机、冷却液、泵电机、液压夹紧等机床相关操作的部件运动所消耗的电能。由于工件的多余材料是通过n个切削道和m个切削层去除的，因此，如等式所示来计算空载能耗。
Figure BDA0002740497320000157
其中，Eair-nc是表示铣床主轴开始旋转、泵电机开始工作但切削工具还未接触到工件材料时的空载能量，
Figure BDA0002740497320000161
是使用第k个切削工具对工件进行的第i个切削层的第j个切削道的空载能耗，其可以进一步用等式来表示；
Figure BDA0002740497320000162
其中，
Figure BDA0002740497320000163
表示使用第k个切削工具对工件进行的第i个切削层的第j个切削道的空载功率，
Figure BDA0002740497320000164
表示第i个切削层的第j个切削道的空载阶段开始时间点，
Figure BDA0002740497320000165
表示第i个切削层的第j个切削道的空载阶段结束时间点。
数控铣床负载能耗
在切削状态下，工件的多余材料将被切削工具去除。数控铣床负载能耗是铣床在材料去除过程中的电能消耗。它包含排屑、工件尖端去除工件材料、切削负荷产生的机床功率损失等机床相关操作的部件运动所消耗的电能。由于工件的多余材料是通过n个切削道和m个切削层去除的，因此，如等式所示来计算负载能耗。
Figure BDA0002740497320000166
其中，Ecut-nc是表示铣床切削工具尖端开始接触工件并将其去除时所消耗的切削能量，
Figure BDA0002740497320000167
是使用第k个切削工具对工件进行的第i个切削层的第j个切削道的切削能耗，其可以进一步用等式来表示。
Figure BDA0002740497320000168
其中，
Figure BDA0002740497320000169
是使用第k个切削工具对工件进行的第i个切削层的第j个切削道的负载功率，
Figure BDA00027404973200001610
是第i个切削层的第j个切削道的负载阶段开始时间点，
Figure BDA00027404973200001611
是第i个切削层的第j个切削道的负载阶段结束时间点。
S3、设计智能制造单元基于加工制造过程的零件工艺流程，分析智能制造单元的加工工作流程，完成智能制造车间面向加工工艺过程的动作结构和工艺流程部分，根据智能制造单元的动作结构和工艺流程部分结合步骤S2给出的车间运载能耗、车间装载能耗和车间负载能耗的计算公式，得到智能制造单元加工每个工件的运载能耗、装载能耗和负载能耗。
本发明定义连续时间段内同一个加工设备对同一个工件采用同一串动作指令所进行的一次动作过程为一个动作元。制造单元的每个工件加工都具有对操作指令的有序选择，对同一工件加工选择不同的操作指令则为不同的动作元。
智能制造单元的加工工艺包括：
智能制造单元的结构信息，包括三个等级：车间级，由W来表示；设备级，由D来表示；工件级，由WPL来表示；工件级的能耗信息，包括工件出入仓库运载能耗、出入AGV装载能耗、出入机床装载能耗、车削加工能耗、铣削加工能耗等等；
每个动作元对应的工步动作编号；
动作元定义为同一个加工设备对同一个工件采用同一串动作指令所进行的一次动作过程。
制造单元能耗计算过程具体为：
S301、根据毛坯的几何物理尺寸和零件的工艺特征完成表中零件每阶段的加工特征信息和加工设备的加工工艺内容；
S302、根据切削设备的加工工艺内容，给每一次切削动作编号，编号内容包括步骤一中加工特征、加工阶段、加工方法以及刀具信息等，例如P1E2M1G2F3N2T6C1，编号是用来划分切削设备每一次切削过程的主要依据；
S303、根据切削设备的加工工艺内容和相应的切削动作编号，以及编号中的机床、刀具等信息，在制造单元模型集中所引出与之对应的能耗计算模型，获取切削加工过程中每阶段对应的功率及能耗模型，根据切削设备在加工该工件的时间段内的能耗曲线，以及每一阶段的能耗计算公式，以此计算其每一次切削加工过程的待机、空载以及负载能耗；
S304、根据制造单元对工件进行加工的加工流程，通过安置在机床机械手、仓库机械手处的RFID读卡器所识别的工件位置信息，以此判断工件处于进机床、出机床或进仓库、出仓库的哪个阶段，对各个设备的加工状态进行划分；根据表1所示的各设备工作模块的不同，加上对工件位置、当前时间段以及划分后的加工阶段以及相应的功率曲线分析，计算制造单元各设备加工运输工件所消耗的电能，从而得到智能制造单元在所有工件加工过程中的总电能消耗。
根据制造单元加工零件的加工流程计算零件全工艺链的电能消耗，除了包括车间负载能耗、车间装载能耗，还包括车间运载能耗。一般来说，工件在从机床到仓库的过程中，需要依靠AGV小车来进行运输。由于AGV小车是装备有电磁自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，并且以可充电的蓄电池为其动力来源，依靠电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。
因此，在本发明中将通过AGV小车对工件的运输过程看作是恒速率恒功率过程，其能耗由运输过程的路径长短决定。但是，在导轨的路径已经被磁条所确定了之后，其路程的长短是根据AGV小车工作的时间来决定的。以仓库机械手获取松开指令一直到机床机械手获得夹紧指令之间的的时间段为每一个工件的运输时间，从而计算出每一个工件的运输能耗。
现在很多制造业企业都在进行智能产线的绿色升级改造，那么就需要对智能制造车间的加工过程进行节能减排规划。通过本发明可以清晰、直观地看到车间加工设备在加工工件时，每一个阶段车间级、设备级所消耗的电能。得到的每个阶段的能耗之后，在后续的能耗优化方面可以通过优化AGV小车的运输距离来减少运输能耗，可以通过优化机械手的装夹运动路径来优化装载能耗，可以通过优化机床加工工件的加工路线来优化切削能耗，通过以上三方面的研究来对车间的加工工艺过程进行能耗优化，从而达到产线绿色升级改造的要求，实现智能车间的节能减排。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
以一个六角螺栓头的制造单元加工工艺过程作为案例，完整的阐释一下本专利所提出的能耗量化方法的应用过程并验证其可行性。图2为这个六角螺栓头的三视图。
工件分析
图示法兰盘零件材料为铸铁，其主要由外圆加工和面加工构成，每次加工的加工余量由毛坯和加工设备分析得到。图3为法兰盘零件的毛坯，表2为制造单元内加工运输法兰盘零件的机床、AGV小车和机械手信息。根据毛坯、加工类型和制造单元零件加工能力分析得出可选的加工工艺过程，将制造单元设备组成信息和加工工艺过程填入表6，用以计算能力信息。
表2制造单元可选的机床和刀具
Figure BDA0002740497320000191
表3法兰盘零件的加工工艺信息
Figure BDA0002740497320000192
Figure BDA0002740497320000201
制造单元电能消耗计算
在完成了智能制造单元的零件结构信息和工艺信息后，每个阶段的能耗可结合工艺编号和能耗计算模型进行计算。
工件切削能耗分为车削和铣削。
[1]数控车床能耗
以粗车F3为例，其工艺编号为P1E2M1G2F3N2T6C1，整个加工过程分为待机、空载以及负载，其功率曲线如图4所示。
数控车床待机能耗
从图4中可以看出，从1秒开始到第29秒以及从91开始到第119秒为数控车床待机时间，故其能耗可由下面公式计算得出。
Figure BDA0002740497320000202
数控车床空载能耗
从图4中可以看出，从29秒开始到第58秒以及从80开始到第91秒为数控车床空载时间，故其能耗可由下面公式计算得出。
Figure BDA0002740497320000203
数控车床负载能耗
从图4中可以看出，从58秒开始到第80秒为数控车床负载时间，故其能耗可由下面公式计算得出。
Figure BDA0002740497320000211
粗车F8过程的数控车床能耗为：
Figure BDA0002740497320000212
粗车F3(P1E2M1G2F3N2T6C1)的数控车床能耗计算过程如以上，对于其它的数控车床能耗，计算方法和流程都与粗车F8是相同的。
[2]数控铣床能耗
以钻孔F1为例，其工艺编号为P1E1M1G1F1N4T3C2，整个加工过程分为待机、空载以及负载，其功率曲线如图5所示。
数控铣床待机能耗
从图中可以看出，从1秒开始到第27秒以及从95开始到第124秒为数控铣床待机时间，故其能耗可由下面公式计算得出。
Figure BDA0002740497320000213
数控铣床空载能耗
从图中可以看出，从27秒开始到第32秒以及从82开始到第95秒为数控铣床空载时间，故其能耗可由下面公式计算得出。
Figure BDA0002740497320000214
数控铣床负载能耗
从图中可以看出，从32秒开始到第82秒为数控铣床负载时间，故其能耗可由下面公式计算得出。
Figure BDA0002740497320000215
钻孔F1过程的铣削加工能耗为：
Figure BDA0002740497320000221
钻孔F1(P1E1M1G1F1N4T3C2)的铣削加工能耗计算过程如以上，对于其它的铣削加工能耗，计算方法和流程都与钻孔F1是相同的。
车间装载能耗
以加工法兰盘零件为例，工件从仓库转运到AGV小车的过程以及从机床转运到AGV小车的过程中，工件的夹持能耗分为仓库机械手和机床机械手能耗，仓库机械手能耗由一系列的仓库机械手运动产生，机床机械手能耗由一系列的机床机械手运动产生。
仓库机械手能耗
由于机械手在抓取完工件之后，会返回到一个特定的位置(该位置不会影响AGV小车的运行)，因此，根据仓库机械手的功率曲线，将仓库机械手的整个运动过程分为待机、空载以及负载三个阶段，其功率曲线如图6所示。
表4机械手各阶段的能耗信息
Figure BDA0002740497320000222
仓库机械手从启动到接收指令以及从抓取完工件到返回空载原点之间的待机时间为23s，其余各阶段的能耗信息如表4所示。
Eenc-agp＝Est-ag+Eaircli-ag+Eairback-ag+Egracli-ag+Egrabacl-ag
＝80.4×23+3890.8+3832.4+3890.8+3832.4
＝17295.6J
出入机床装载能耗
同理，可以将机床机械手的整个运动过程分为待机、空载以及负载三个阶段，其功率曲线如图7所示。
机床机械手从启动到接收指令以及从抓取完工件到返回空载原点之间的待机时间为23s，其余各阶段的能耗信息如表4所示。
Eenc-agp＝Est-ag+Eaircli-ag+Eairback-ag+Egracli-ag+Egrabacl-ag
＝80.4×23+3760.4+4796+3760.4+4796
＝18962J
工件运载能耗
由于本案例中，用于运输工件的设备为一台AGV小车，故工件运载能耗＝出入仓库运载能耗。
出入仓库运载能耗
由于AGV小车是装备有电磁自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，并且以可充电的蓄电池为其动力来源，依靠电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。导轨设定的距离为7.26m，AGV小车设置运输工件的平均速度为0.242m/s，故AGV小车从仓库到机床时运输工件i时的搬运时间与从机床到仓库时运输工件i时的搬运时间是一样的。
Figure BDA0002740497320000231
经测量，AGV小车充满电所能储存的电池电量
Figure BDA0002740497320000232
为0.564kw·h，工作总时长
Figure BDA0002740497320000233
为65535s，进行一次完整出入库的搬运时间为60s。由于AGV小车待机功率太小，在这种状态下的电能消耗可以忽略。
所以，AGV小车搬运工件进行一次完整的出入库所消耗的电能为
Figure BDA0002740497320000241
制造单元全生命周期的能耗计算
车床加工法兰盘零件的工艺路线及每道工艺所对应的编号如下：
粗车F1(P1E2MAG1F1N1T5C1)—粗车F3(P1E2M1G2F3N2T6C1)—精车F2(P1E2M1G3F3N2T6C1)
由以上工艺路线和已完成的能耗量化来计算数控车床能耗，总的数控车床能耗通过公式得到：
Figure BDA0002740497320000242
铣床加工法兰盘零件的工艺路线及每道工艺所对应的编号如下：
钻孔F1(P1E1M1G1F1N4T3C2)由以上工艺路线和已完成的能耗量化来计算数控铣床能耗，总的数控铣床能耗通过公式得到：
Figure BDA0002740497320000243
总的车间切削能耗通过公式得到，车间装载能耗通过公式得到，车间运载能耗通过公式得到：
Figure BDA0002740497320000244
Egra-mw＝Ee-whm+Ee-mtm＝36257.6J
Etra-mw＝Ee-agv＝1740.26J
本案例中，智能制造单元包含一台数控车床、一台数控铣床、一台仓库机械手、一台机床机械手以及一台AGV小车，设备与设备之间由于工件的有序流动，故各个设备都存在着除了运行阶段中的待机时间之外的等待时间。由于只进行了一个工件的加工，因此各个设备的运行等待时间如表5所示。
表5制造单元各设备运行等待时间
Figure BDA0002740497320000251
表6法兰盘的加工工艺信息
Figure BDA0002740497320000252
智能制造单元各设备等待能耗通过公式得到：
数控铣床等待时长为727s，故其等待能耗可由下式计算：
Ewt-nc＝727×380＝276260J
数控车床等待时长为727s，故其等待能耗可由下式计算：
Ewt-cnc＝1167×1350＝1575450J
机床机械手等待时长为1424s，故其等待能耗可由下式计算：
Ewt-cnc＝1424×80.4＝114489.6J
仓库机械手等待时长为1439s，故其等待能耗可由下式计算：
Ewt-cnc＝1439×80.4＝115695.6J
智能制造单元加工工件全生命周期所消耗的电能通过公式得到：
Eenc-mw＝Ewt-nc+Ewt-cnc+Ewt-cnc+Ewt-cnc+Ee-cnc+Ee-nc+Ee-mtm+Ee-whm+Ee-agv
＝276260+1575450+114489.6+115695.6+604420+646338.5+18962+17295.6+1740.26
＝3370651.56J。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
(1)根据智能制造单元加工制造过程，采用以加工设备为边界的工件能耗量化方法，将制造单元中各设备对工件所进行的操作视为一个个体，每个个体在零件加工过程整个生命周期内，一般会包含三个状态：待机状态、空载状态和稳定运行状态。对其整个生命周期内的不同状态的电能消耗情况分别进行数据分析、处理以及搭建模型，得到一种全面量化智能制造车间加工流程所消耗电能的计算方法。
(2)本发明以制造单元加工工艺过程为依据来分析计算工件加工电能消耗，清晰、有效地分析出整个工件加工过程中每个动作元所消耗的电能，同时降低了计算的复杂性。与此同时，所包含的三个状态是每个设备运行所要经历的标准阶段，其能耗计算过程适用范围广，可操作性强。
(3)本发明所使用的加工工艺信息表有效地对加工过程能耗曲线进行区别和划分，可以清晰、直观地找到工件在设备上加工所产生的能耗曲线，有利于计算出每个动作元的电能消耗；根据制造单元加工工艺流程，依次计算出工件所处的每个阶段所消耗的电能，从而计算出每个零件成型所消耗的电能，也能方便地计算出设备所处的每个阶段所消耗的电能。所以面向加工工艺过程的能耗量化方法求解过程简单有效、易于实现，是一套适用范围广泛的系统化过程。
综上所述，本发明一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，能准确、实时地、快速地计算出智能制造单元的各阶段能耗以及各类能耗、各个设备的分时能耗以及分类能耗、每个动作元的分类能耗、工件成型各阶段的能耗。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，其特征在于，定义智能制造单元工件成型过程中的车间运载能耗、车间装载能耗和车间切削能耗；设计智能制造单元基于加工制造过程的零件工艺流程，分析智能制造单元的加工工作流程，完成智能制造车间面向加工工艺过程的动作结构和工艺流程部分，根据智能制造单元的动作结构和工艺流程部分结合定义的车间运载能耗、车间装载能耗和车间切削能耗，得到智能制造单元加工设备在加工工件所产生的运载能耗、装载能耗和切削能耗，通过优化AGV小车的运输距离减少运输能耗，通过优化机械手的装夹运动路径优化装载能耗，通过优化机床加工工件的加工路线优化切削能耗，实现对车间的加工工艺过程能耗优化。
2.根据权利要求1所述的面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，其特征在于，车间运载能耗为制造单元加工过程中工件往返于机床与仓库之间、机床与机床之间运输所产生的电能消耗；车间装载能耗为制造单元加工过程中工件从仓库到AGV小车、AGV小车到机床过程中机械手所消耗的电能消耗；车间切削能耗为制造单元加工过程中切削工件材料、主轴电机旋转、点亮操作面板、排屑等机床相关操作的部件运行所消耗的电能。
3.根据权利要求2所述的面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，其特征在于，
车间运载能耗Etra-mw包括制造单元中的运输设备所消耗的电能，具体为：
Etra-mw＝∑Ee-agv
其中，Ee-agv表示AGV小车在机床与仓库之间运输工件所产生的AGV小车能耗。
4.根据权利要求2所述的面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，其特征在于，车间装载能耗Egra-mw包括仓库机械手能耗Ee-whm和机床机械手能耗Ee-mtm，具体为：
Ee-whm＝Estb-whm+Eair-whm+Egra-whm
其中，Estb-whm为仓库机械手待机能耗，Eair-whm为仓库机械手空载能耗，Egra-whm为仓库机械手负载能耗；
Ee-mtm＝Estb-mtm+Eair-mtm+Egra-mtm
其中，Estb-mtm为机床机械手待机能耗，Eair-mtm为机床机械手空载能耗，Egra-mtm为机床机械手负载能耗。
5.根据权利要求2所述的面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，其特征在于，车间切削能耗Ecut-part包括数控车床能耗Ee-cnc和数控铣床能耗Ee-nc，具体为：
Ee-cnc＝Estb-cnc+Eair-cnc+Ecut-cnc
其中，Estb-cnc为数控车床待机能耗，Eair-cnc为数控车床空切能耗，Ecut-cnc为数控车床切削能耗；
Ee-nc＝Estb-nc+Eair-nc+Ecut-nc
其中，Estb-nc为数控铣床待机能耗，Eair-nc为数控铣床空切能耗，Ecut-nc为数控铣床切削能耗。
6.根据权利要求1所述的面向加工工艺过程的智能制造单元能耗量化方法，其特征在于，制造单元能耗计算具体为：
S301、根据毛坯的几何物理尺寸和零件的工艺特征完成零件每阶段的加工特征信息和加工设备的加工工艺内容；
S302、根据切削设备的加工工艺内容，给每一次切削动作编号，编号内容包括步骤S301中加工特征、加工阶段、加工方法以及刀具信息，用于划分切削设备每一次切削过程；
S303、根据切削设备的加工工艺内容和相应的切削动作编号，以及编号中的机床、刀具信息，在制造单元模型集中所引出与之对应的能耗计算模型，获取切削加工过程中每阶段对应的功率及能耗模型，计算每一次切削加工过程的待机、空载以及负载能耗；
S304、根据制造单元对工件进行加工的加工流程以及RFIF读取到的识别信息，对各个设备的加工状态进行划分；根据划分后的加工阶段以及相应的功率曲线，计算制造单元各设备加工运输工件所消耗的电能，得到智能制造单元在所有工件加工过程中的总电能消耗。
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