基于STEP-NC面向高能效數(shù)控加工的工藝規(guī)劃方法研究.pdf

1、隨著能源問(wèn)題的日益突出，節(jié)能減排的研究吸引了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。制造業(yè)是能耗大戶，也是節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。機(jī)械加工是完成產(chǎn)品制造的重要手段，為待加工零件制定合理的數(shù)控加工方案（即工藝規(guī)劃）是實(shí)現(xiàn)高能效、低能耗加工的有效方法。
　　能耗模型的建立是完成零件高能效工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)和前提，現(xiàn)階段的能耗模型主要用于揭示加工時(shí)滿足的能耗規(guī)律，較少?gòu)拇庸すぜ慕嵌葋?lái)完成模型的建立，從而導(dǎo)致基于此的能耗優(yōu)化局限于工件加工的某一步工藝。針對(duì)此問(wèn)

2、題，本研究以Standard for the Exchange of Product model data-Numerical Control(STEP-NC)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為載體，結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)基于制造特征面向加工工步的特點(diǎn)，建立了以加工工步為核心的數(shù)控加工能耗模型，旨在為零件加工過(guò)程提供一種相對(duì)全面的能耗計(jì)算與分析工具:給出了STEP-NC中的能耗影響因素，并對(duì)機(jī)床能耗組件進(jìn)行了分類(lèi)，在此基礎(chǔ)上，建立了面向加工工步加工過(guò)程的狀態(tài)機(jī)

3、模型，將該過(guò)程分為制造特征加工輔助狀態(tài)、接近制造特征狀態(tài)、制造特征加工狀態(tài)和遠(yuǎn)離制造特征狀態(tài)，然后分別給出了每種狀態(tài)下的能耗計(jì)算方法，從而得到了加工完整零件的能量需求。通過(guò)加工一個(gè)包含STEP-NC典型制造特征的零件驗(yàn)證了該模型的有效性。
　　基于STEP-NC的數(shù)控加工能耗模型是零件加工過(guò)程能耗計(jì)算的有力工具，但應(yīng)用此模型的前提是已經(jīng)擁有了一個(gè)依從STEP-NC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整加工方案，為此需根據(jù)STEP-NC完成零件加工方案的制

4、定。從高能效數(shù)控加工工藝規(guī)劃的角度出發(fā)，STEP-NC存在以下問(wèn)題:缺少用于進(jìn)行能耗計(jì)算的信息以及對(duì)加工方案制定起著重要作用的表面粗糙度和形位公差信息，除此之外，盡管STEP-NC對(duì)加工過(guò)程中的相關(guān)概念進(jìn)行了定義并給出了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是相互之間的關(guān)系并沒(méi)有理順（譬如制造特征與機(jī)床類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系），導(dǎo)致其在決策方面存在不足。為了解決上述問(wèn)題，本文建立了一個(gè)集成能耗知識(shí)的數(shù)控加工工藝本體，該本體以STEP-NC中原有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，由四個(gè)子本

5、體構(gòu)成，分別為數(shù)控加工能耗知識(shí)本體、STEP-NC制造特征擴(kuò)展本體、數(shù)控加工方法本體和加工資源本體。其中，數(shù)控加工能耗知識(shí)本體用于指明加工過(guò)程中的功率/能耗計(jì)算方法;制造特征擴(kuò)展本體在STEP-NC制造特征數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了表面粗糙度和形位公差信息;數(shù)控加工方法本體和加工資源本體提供了描述了數(shù)控加工過(guò)程中的加工方法和加工資源。然后，編寫(xiě)了推理規(guī)則和查詢(xún)語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)零件初步加工方案的生成并提供必要的數(shù)據(jù)支持。最后，通過(guò)一個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了該本

6、體功能的可行性和有效性。
　　工藝本體的輸出是零件初步加工方案，需要從中尋找出滿足高能效數(shù)控加工要求的最優(yōu)加工方案。為此，結(jié)合STEP-NC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)面向能效的加工工步和加工工步序列問(wèn)題進(jìn)行了形式化描述;在此基礎(chǔ)上，建立了面向能效的加工工步和加工工步序列優(yōu)化模型，討論了優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)以及限制條件;利用蟻群算法求解該模型，給出了求解過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，重點(diǎn)論述了解空間的生成以及加工方案的選擇過(guò)程;隨后，針對(duì)采用傳統(tǒng)蟻群算法

7、在求解該模型時(shí)存在維度差異的問(wèn)題，提出了基于局部多次迭代的蟻群算法，抵消維度差異造成的影響。通過(guò)一個(gè)零件對(duì)該求解算法進(jìn)行了測(cè)試，并比較了傳統(tǒng)蟻群算法和改進(jìn)的蟻群算法，結(jié)果表明，在解決該優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，基于局部多次迭代的蟻群算法可以有效降低迭代次數(shù)并縮短迭代時(shí)間;進(jìn)一步地，據(jù)此方案實(shí)際加工該零件，并進(jìn)行了零件加工質(zhì)量要求的檢測(cè)以及經(jīng)驗(yàn)法擬定的加工方案與本文方法生成的加工方案在能效上的對(duì)比，從而驗(yàn)證了該方法生成的高能效數(shù)控加工方案的有效性。