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、隨著能源問題的日益突出，節(jié)能減排的研究吸引了越來越多研究者的關(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滿足的能耗規(guī)律，較少從待加工工件的角度來完成模型的建立，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。針對此問

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，旨在為零件加工過程提供一種相對全面的能耗計算與分析工具:給出了STEP-NC中的能耗影響因素，并對機(jī)床能耗組件進(jìn)行了分類，在此基礎(chǔ)上，建立了面向加工工步加工過程的狀態(tài)機(jī)

3、模型，將該過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)下的能耗計算方法，從而得到了加工完整零件的能量需求。通過加工一個包含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程能耗計算的有力工具，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存在以下問題:缺少用于進(jìn)行能耗計算的信息以及對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對加工過程中的相關(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)系并沒有理順（譬如制造特征與機(jī)床類型的對應(yīng)關(guān)系），導(dǎo)致其在決策方面存在不足。為了解決上述問題，本文建立了一個集成能耗知識的數(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)，由四個子本

5、體構(gòu)成，分別為數(shù)控加工能耗知識本體、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)控加工能耗知識本體用于指明加工過程中的功率/能耗計算方法;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)控加工過程中的加工方法和加工資源。然后，編寫了推理規(guī)則和查詢語句，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，通過一個實(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)，對面向能效的加工工步和加工工步序列問題進(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程;隨后，針對采用傳統(tǒng)蟻群算法

7、在求解該模型時存在維度差異的問題，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。通過一個零件對該求解算法進(jìn)行了測試，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)化問題時，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。