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前言：

隨著計算機、控制以及信息技術的迅猛發展，數控機床在車間中的覆蓋率正逐步提高。工件通過數控加工完成由毛坯件向成品件的轉換過程中，勢必伴隨著能量的消耗以及廢棄物的排放，在能源價格飛速増長、環境保護意識日益增強的今天，節能減排的研宄具有重要意義⑴。簡單準確有效的數控加工能耗估算方法是實現節能減排的基礎和關鍵。

現階段對加工能耗估算的研究主要采用分析能耗影響因素，建立能耗模型并據此計算能耗值的方法。Avram以機床為研究對象，建立了機床加工系統的能耗需求模型，并以典型銑削工藝為例，驗證了該模型的有效性^[2]; Li提出了一種基于熱平衡和經驗模型的能耗估算方法，達到了較高的準確度^[3]_;宮運啟等建立了能耗知識模型，明確了該領域的概念及其關系，并提出丁基于神經網絡的工序能耗計算方法^[4]。另外，能耗是功率在時間上的積累，時間計量相對簡單，也有學者展開了對功率模型的研究。Liu以槽銑工藝為研究對象，在推導了切削功率公式的基礎上，通過實驗的方法確定了切削力，進而獲得了功率值^[5];賈順提出了一種基于動素的切削功率建模方法，并通過外圓的車削實驗對該方法進行了驗證^[6]。以上成果對能耗估算的研究起到了極大的推動作用，具有重要的學術價值。

然而，上述成果側重于加工時某種工藝或某道工序耗能的研究，并未涉及到零件整個加工過程的能耗估算。在數控加工方面，Jia提出的一種基于“GM代碼”的能耗估算方法一定程度上彌補了現有研究的不足^[7]，但是IS06983標準缺少零件的頂層信息，令該方法在實施時需補充工件基本信息并計算切削深度，導致其應用時存在困難。產品模型數據交換模型(_Standard_f〇r_the_Exchange_〇fProduct model data，STEP )—數字控制(Numerical Control，NC)完整地表示了與零件加工相關的全部，包r'? j所有與能耗計算相關的內容PI。若能夠基于STEP-NC實現待加工零件能耗值的估算，則不但能夠解決上述問題，而且有利于實現制造系統內能耗信息的廣泛集成，并進一步推動能量有效^[10]制造模式的發展，更好地滿足當今低碳制造的需求，為低能耗的數控加工提供支持。

綜上所述，本文提出了一種基于STEP-NC的數控加工能耗估算方法。首先，在對數控加工能耗分析的基礎上，將數控機床的組件分為基本能耗組件、選擇能耗組件以及運動能耗組件；然后，以STEP-NC中的工步為中心，提出了基于STEP-NC的數控加工能耗估算方法，并著重闡述了工步能耗的計算過程；最后，根據所述方法開發了能耗估算軟件，對一個零件的加工能耗進行了估算，并在機床上實測加工該零件的耗能，結果表明該方法具有一定的實用性。需要指出的是，本文的研宄針對 ISO14649-10、11、201 展開。對于 ISO14649-201 標準僅利用其“_machineJool__{speciflcatlon}”及”device_id”實體標識加工過程所使用的機床。

1數控加工能耗概述

數控加工能耗是數控機床在完成零件加工的過程中所消耗的能量，與普通機床加工相比較，數控機床具有多源能耗特性，即耗能部件眾多，能耗形式復雜多樣，如文獻[11]中所述的YD31125CNC6數控滾齒機，擁有15個子系統，且每個子系統的耗能部件均存在差異，總體能耗特性復雜。另外，

相關研宂者指出，隨著數控機床自動化程度的提高，直接用于切削的能耗占機床總耗能的比重將越來越小[¹²]，絕大多數的能量被輔助系統所消耗。因此對于數控加工過程的能耗估算，不能局限于切削能耗，而應從全局的角度出發，對數控機床的能耗特性有一個全面、清晰的認識。一般可將數控機床在工作時的能耗分為固定能耗與可變能耗。本文基于此將數控機床的組件分為基本能耗組件、選擇能耗組件和運動能耗組件，其中，基本能耗組件和選擇能耗組件的能耗為固定能耗，運動能耗組件的能耗是可變能耗。

(1) 基本能耗組件

該組件指數控機床開啟后或者在加工過程中一定會運行的能耗組件，如顯示器、指示燈和風扇等。這部分能耗起到支撐性的作用，為數控機床的正常運行提供保障。

(2) 選擇能耗組件

該組件指數控機床上電后或者在加工過程中不一定需要運行的組件，如照明燈、切削液以及換刀裝置等。對于此部分能耗值的獲取，可基于控制變量法的思想，通過實驗的方法予以測量，即在機床開啟后，在同一時間內只允許有一個選擇能耗組件運行，計算出該組件的耗能情況。

(3) 運動能耗組件

此部分組件集中體現了數控機床的加工功能，包括主軸和進給軸。其能耗由機床空行程以及材料切削時產生。

根據現有成果，基本能耗和選擇能耗組件的功率值可認為是恒定的，由一個常數表示；運動能耗組件的功率計算相對比較復雜，從簡化運算和保證準確性的角度出發，主軸功率可以看作是主軸轉速《的一次函數^[13]，進給功率也可近似的表示為進給速度的一次函數^[叫，切削功率一般與材料去除率成線性關系[^〗^5]。

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結束語：

本文提出了一種基于STEP-NC的數控加工能耗估算方法。該方法以STEP-NC中的工步為中心，

將其分為特征加工輔助、特征加工、接近制造特征與遠離制造特征四個狀態，在對機床組件分類并指出其功率計算方法的基礎上，可依次推算出每個狀態的耗能，進而得到當前工步的能耗，由于工件的加工是由多個工步構成的，將每個工步的能耗求和即可計算出工件加工的能耗。考慮到機床的功率特性是存在差異的，同一零件在不同機床上加工的能耗值是不同的，因此通過實驗的方法獲得了兩臺數控機床的功率數據并錄入機床功率數據庫，根據所提出的方法開發了能耗估算軟件，達到了輸入零件的STEP-NC文件，輸出其加工能耗值的目的。其誤差主要與功率擬合公式的準確度、加工過程中的刀具磨損以及村料均勻性等因素有關。另外，可更改STEP-NC文件中的工步順序并計算能耗值，從而為考慮能耗因素的工藝優化提供基礎。

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數控加工能耗估算方法

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