鄭 軍，王黎航

(1.浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 引言

目前，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境資源破壞日益嚴重，為實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，需要節(jié)約資源，實現(xiàn)可持續(xù)制造。2015年的《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》指出，中國在2014年全年的電消耗為240.8百萬噸油當量，占全球總電消耗的27.4%，增幅在15.7%[1]；《中國能源統(tǒng)計年鑒2013》指出中國制造業(yè)的電消耗為26 822.46億千瓦時，占工業(yè)用電消耗的80.46%[2]；《綠色制造工程實施指南(2016-2020年)》強調(diào)了制造業(yè)發(fā)展對資源環(huán)境的影響的重要性[3]。特別的，以利用化學(xué)能、電能和機械能對材料進行加工的特種加工，在制造業(yè)中發(fā)揮了極其重要和不可替代的作用。數(shù)控電火花線切割屬于特種加工中的一種，是一種直接利用電能進行材料加工的加工方法，其加工過程相對于其他傳統(tǒng)材料去除過程是能源更為密集的加工方式[4]，有效的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程模型，是實現(xiàn)線切割加工節(jié)能的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

目前，針對節(jié)能減排，國內(nèi)外開展了針對機加工、鑄造、鍛造等方面的研究。傳統(tǒng)的機械加工工藝過程建模有理論評估法和實驗測量法，Jia等[5]提出理論和實驗相結(jié)合的方法，建立了數(shù)控機床能量供給模型；劉飛等[6]結(jié)合機床服役過程(Machine Tools Service Process, MTSP)的輸入能耗過程的時段分類特性，建立了機床主傳動系統(tǒng)能量模型；馬峰等[7]基于銑削加工特征，建立了機床服役過程的能效計算模型。針對鑄造、鍛造等方面的工藝過程建模，尹瑞雪等[8]分析了砂型鑄造生產(chǎn)系統(tǒng)碳排放，建立了能源碳、工藝碳、物料碳的碳排放評估函數(shù)；鄭軍等[9]通過工序碳源對砂型鑄造過程建立了碳排放模型，并計算了工序碳排放量；李先廣等[10]建立了干式齒輪加工過程的碳排放模型，并將其分為物料碳排放、能源碳排放、廢物處理碳排放3類分別進行計算。線切割加工為特種加工的一種，傳統(tǒng)機械加工工藝過程建模的方法和理論難以直接運用，且加工工藝過程存在較大差異。

周麗蓉等[11]將機械產(chǎn)品設(shè)計特征分為宏結(jié)構(gòu)特征集合和微結(jié)構(gòu)特征集合，利用特征與能耗進行關(guān)聯(lián)建模，但對于線切割加工工藝過程，并不能只通過產(chǎn)品的設(shè)計特征就能和能耗進行關(guān)聯(lián)。

Panda等[12]開發(fā)了代碼計算工件內(nèi)的溫度場，利用該溫度場計算材料去除率，研究了各種工藝參數(shù)如能量分配、占空系數(shù)、火花半徑對材料去除率的影響；Han等[13]研究了加工參數(shù)(包括脈沖持續(xù)時間、放電電流、脈沖持續(xù)時間、脈沖間隔時間、極性效應(yīng)、材料與介質(zhì))對電火花線切割精加工表面粗糙度的影響。加工參數(shù)是為加工工藝過程制定的機床設(shè)定參數(shù)，有關(guān)加工參數(shù)對材料去除率、表面粗糙度等影響的研究較多，而對能耗的研究較少。Wen等[14]基于經(jīng)驗的方法描述電火花加工(Electrical Discharge Machining，EDM)過程中的能量效率，結(jié)合經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯DM過程的能量消耗進行預(yù)測，且預(yù)測精度超過90%，但該方法需要結(jié)合經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪褂?，且EDM與數(shù)控電火花線切割加工在加工工藝過程上存在區(qū)別。

本文提出基于特征事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模方法，首先根據(jù)線切割加工工藝過程的資源特點，將加工工藝過程分解為5類典型事件和4類典型特征；然后從NC代碼中提取工藝過程的事件及能耗特征，基于特征事件對加工工藝過程建模；最后，基于過程模型實現(xiàn)了數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的能耗計算。本文以中走絲電火花線切割工藝過程為研究對象。

1 線切割加工工藝過程資源分析

線切割加工建立在火花放電材料電腐蝕的基礎(chǔ)上，即在自激放電作用下伴生的電極材料破壞現(xiàn)象[15]。線切割加工工藝過程中，除了電能消耗外，還伴隨著原材料消耗、電極絲消耗等資源消耗。因此，結(jié)合線切割加工工藝過程的資源特點進行的分類如圖1所示。

資源消耗包括電能消耗、物料消耗和人力消耗。電能消耗由基本消耗、運動消耗、放電消耗構(gòu)成?；鞠臑榫S持機床待機的能耗源產(chǎn)生的電能消耗，如電腦；運動消耗為機床上運動部件運動所產(chǎn)生的電能消耗，如運絲筒電機、水泵、工作臺電機等；放電消耗為脈沖電源產(chǎn)生的電能消耗。物料消耗包括原料消耗、電極絲消耗、輔助物料消耗。原料消耗為被加工材料加工成所需零件過程中產(chǎn)生的熔化廢料和邊角廢料的消耗；電極絲消耗包括加工工藝過程中電極絲的磨損、磨損到一定程度后的電極絲報廢、斷絲導(dǎo)致的損耗等；輔助物料消耗包括切削液的報廢、導(dǎo)輪的磨損、導(dǎo)輪磨損到一定程度的報廢等。人力消耗發(fā)生在機床選擇、工藝制定及機床控制過程中。

由上可知，電能消耗受加工工藝過程中的NC代碼以及電參數(shù)、加工對象材料和厚度的影響。物料消耗中的原料消耗可由毛坯尺寸和成品尺寸獲知；電極絲消耗和輔助物料消耗在單次加工中的消耗極小，在單次加工工藝過程中可忽略不計；人力消耗在單次加工工藝過程中可以視為無差異化消耗，消耗的結(jié)果為產(chǎn)生線切割加工使用的加工信息、選用加工設(shè)備及該設(shè)備的操作，加工信息包括電參數(shù)和NC代碼。設(shè)備參數(shù)、電參數(shù)、毛坯及成品尺寸、加工對象材料、厚度、NC代碼可以唯一對應(yīng)線切割加工工藝過程。電能消耗同時受到設(shè)備參數(shù)、電參數(shù)、毛坯尺寸和成品尺寸、加工對象材料和厚度的影響。

2 基于特征事件的加工工藝過程建模

2.1 數(shù)控電火花線切割工藝過程事件及特征分類

根據(jù)線切割加工工藝過程的能耗分布特點，數(shù)控電火花線切割的加工工藝過程可以分為基礎(chǔ)能耗層、空走能耗層、有效加工層和擾動層，如圖2所示。其中，基礎(chǔ)能耗層為機床開始加工前所有能耗源產(chǎn)生的能耗，包括待機事件和輔助事件；空走能耗層為機床工作臺空走過程中相對于基礎(chǔ)能耗層增加的所有能耗源產(chǎn)生的能耗，包括空走事件；有效加工層為切割工件過程中相對于基礎(chǔ)能耗層增加的所有能耗源產(chǎn)生的能耗，包括有效加工事件；擾動層為線切割加工工藝過程中出現(xiàn)異常情況時的能耗源產(chǎn)生的能耗，包括擾動事件。

根據(jù)加工工藝過程分析，同時結(jié)合Luckham對簡單事件的定義[16]，針對上述提出的5類事件進行如下定義：

定義1線切割加工工藝過程中，待機時所有能耗源部件工作的事件稱為待機事件，表示為ES。

定義2線切割加工工藝過程中，照明裝置照明、泵運動、運絲筒運絲等在待機后工作臺運動前發(fā)生的輔助加工的事件統(tǒng)稱為輔助事件，表示為EA。包括照明裝置照明事件、泵運動事件、運絲事件。

定義3線切割加工工藝過程中，電極絲快速接近工件和快速離開工件的過程稱為空走事件，表示為EEM。如X軸空走事件、Y軸空走事件。

定義4線切割加工工藝過程中，電極絲切入工件至電極絲切出工件的切割過程稱為有效加工事件，表示為EEP。如直線切割事件、圓弧切割事件、錐度切割事件。

定義5線切割加工工藝過程中，斷絲、二次放電、電弧放電、抖絲等異常發(fā)生過程為擾動事件，表示為ED。

線切割加工工藝過程中，需要在特定的資源、能源和加工信息共同作用下完成加工任務(wù)，因此，結(jié)合線切割加工工藝過程中的特點，將特征分為設(shè)備特征、結(jié)構(gòu)特征、電參特征、能耗特征4大類，結(jié)構(gòu)特征表征原料消耗，設(shè)備特征、結(jié)構(gòu)特征、電參特征均影響電能消耗。

定義6設(shè)備特征為線切割加工設(shè)備的參數(shù)，包括機床型號、電極絲類型，以及直徑、運絲周期、電介質(zhì)類型，代號CE(Equipment Characteristic)。

定義7結(jié)構(gòu)特征為加工工件的材料類型、毛坯尺寸、成品尺寸的總和，表示為CS。

定義8電參特征為線切割加工時使用的電參數(shù)，表示為CEP。

定義9能耗特征為線切割加工工藝過程中因能耗產(chǎn)生部件狀態(tài)變化導(dǎo)致的電能消耗突變過程，表示為CEC。能耗特征按照產(chǎn)生機理分為啟停特征、狀態(tài)突變特征、擾動特征。

定義10線切割加工工藝過程中，能耗產(chǎn)生部件的開關(guān)過程的能耗特征稱為啟停特征，表示為CSS。如開始放電加工特征、結(jié)束放電加工特征、運絲電機開特征、運絲電機關(guān)特征、泵開特征、泵關(guān)特征。

定義11線切割加工工藝過程中，能耗產(chǎn)生部件工作過程中的正常狀態(tài)變化的能耗特征稱為狀態(tài)突變特征，表示為CSM。如運絲電機狀態(tài)突變特征、工作臺電機狀態(tài)突變特征、錐度調(diào)節(jié)電機狀態(tài)突變特征。

定義12線切割加工工藝過程中，斷絲、二次放電、電弧放電、抖絲等異常狀態(tài)發(fā)生過程的能耗特征稱為擾動特征，表示為CD。

線切割加工工藝過程中，擾動事件為異常加工現(xiàn)象，在正常加工工藝過程中不存在。多次加工、線徑補償?shù)炔煌募庸し绞接绊懯录吞卣鞯哪芎模挥绊懯录c特征的區(qū)分。因此，結(jié)合特征事件的線切割加工工藝過程分解圖如圖3所示，整個加工工藝過程可以分成3類特征和事件的組合，分別為特征+事件+特征，特征+事件(特征)+特征，特征+事件+特征+…+特征+事件+特征。

2.2 基于NC代碼的加工工藝過程事件及能耗特征提取方法

由于電能消耗和NC代碼有關(guān)，如何從NC代碼中提取事件和能耗特征，是將事件和能耗特征與加工工藝過程進行關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵。NC代碼是數(shù)字信息控制機械控制器能識別的代碼，在線切割中常用的NC代碼為ISO代碼。NC程序結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括程序開始標志、程序名、若干程序段、結(jié)束指令、程序結(jié)束標志，程序段又包括順序號、執(zhí)行命令、程序段結(jié)束標志。

事件及能耗特征提取方法如圖5所示，通過該方法可以從NC程序中提取出各個事件和能耗特征。與加工工藝過程相對應(yīng)，NC程序能夠反映待機事件、照明事件、泵運動事件、運絲事件、X軸空走事件、Y軸空走事件、直線切割事件、圓弧切割事件、錐度切割事件的起始時間以及與部分事件相關(guān)的參數(shù)；開始放電加工特征、結(jié)束放電加工特征、運絲電機開特征、運絲電機關(guān)特征、泵開特征、泵關(guān)特征、開始空走特征、結(jié)束空走特征、運絲電機狀態(tài)突變特征、工作臺電機狀態(tài)突變特征、錐度調(diào)節(jié)電機狀態(tài)突變特征的位置和數(shù)量均可通過NC程序結(jié)合所得事件獲得；上述事件與能耗特征按照順序發(fā)生的過程即為電能消耗過程。事件及能耗特征提取的步驟如下：

步驟1獲取程序。獲取NC代碼文件，并獲取程序名。

步驟2補齊程序段。對于每一行程序，識別到X，Y(為ISO代碼中的X方向和Y方向)僅出現(xiàn)其一時，判斷前端是否有指令代碼，若無則先補充上段程序的G代碼后，再補充另一字母并在該字母后補充數(shù)字0，若有則直接補充另一字母并在該字母后補充數(shù)字0；識別到I，J僅出現(xiàn)其一時，補充另一字母并在該字母后補充數(shù)字0；識別到U，V僅出現(xiàn)其一時，補充另一字母并在該字母后補充數(shù)字0。

步驟3剔除無用程序段，例如可以剔除補償設(shè)置的程序段；剔除的程序段特點為：僅對事件和能耗特征的能耗產(chǎn)生影響，不對事件和特征的提取產(chǎn)生影響。

步驟4依順序獲取程序段。

步驟5對所獲得程序段進行特征及事件提取。識別帶有特征及事件的部分，同時結(jié)合上一段程序分析，確定是否存在狀態(tài)突變特征或啟停特征，直至該段程序段結(jié)束。

步驟6重復(fù)步驟4和步驟5，直到程序結(jié)束標志“%”后，再執(zhí)行步驟7。

步驟7校正事件與添加能耗特征。校正首個直線切割事件，分離空走事件，如果無開始空走特征，則添加；校正最后的直線切割事件，判斷是否存在已經(jīng)切割段，如果存在，則將重復(fù)切割的部分修正為空走事件；在最后的切割事件后添加結(jié)束放電加工特征，在最后的空走事件后添加結(jié)束空走特征。

步驟8匯總事件及能耗特征。上述步驟5中的狀態(tài)突變特征或啟停特征的求解方法(不考慮錐度)如下：

(1)當本段程序為G02程序和G03程序中的任意一個時，先判斷本段程序內(nèi)是否有特征，若本段程序所走弧形的切線方向存在與X軸或Y軸平行的點，則該點處存在狀態(tài)突變特征，為工作臺電機狀態(tài)突變特征；若本段程序為T代碼，則先判斷本段程序是否為啟停特征，結(jié)合ISO代碼的原則，可知T80為運絲電機開特征，T81為運絲電機關(guān)特征，T84為泵開特征，T85為泵關(guān)特征。

(2)當上一段程序為G代碼，本段程序為G代碼時，如果上一段程序為G00程序，本段程序為非G00程序，則存在啟停特征，為開始放電加工特征；若上一段程序和本段程序均為G01程序、G02程序、G03程序中的任意一個，則確定上一段程序結(jié)束瞬間的運動方向與本段程序開始瞬間的運動方向所形成的角度，如果所成角度大于或等于45°，則存在狀態(tài)突變特征，為工作臺電機狀態(tài)突變特征。

(3)當上一段程序為非G代碼，本段程序為G代碼時，存在啟停特征，如果本段程序為G00程序，則該啟停特征為開始空走特征；如果本段程序為G01程序、G02程序、G03程序中的任意一個，則該啟停特征為開始放電加工特征。

類似地，在錐度加工情況下，判斷U，V的變化大小以判斷是否存在錐度調(diào)節(jié)電機狀態(tài)突變特征。錐度加工的突變角度大于或等于45°、錐度加工的開始與結(jié)束的瞬間，均可參照工作臺的X軸、Y軸運動時所產(chǎn)生特征的求解方法。

2.3 數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模

根據(jù)對特征事件的定義，結(jié)合數(shù)控電火花線切割正常加工時的運動特性，總結(jié)正常加工時的9種基本事件和14種基本特征，如表1所示。

表1 數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的特征事件符號表示及意義

續(xù)表1

對無擾動事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程進行建模，如圖6所示。模型中，結(jié)構(gòu)特征表明原料消耗，結(jié)構(gòu)特征、設(shè)備特征、電參特征對特征事件的能耗產(chǎn)生影響。圖中，實線框內(nèi)所有特征事件均為電能消耗，實線框內(nèi)的小箭頭表示時間順序后延；事件內(nèi)部產(chǎn)生的特征加括號緊跟該事件(如圖6中的運絲事件后用括號緊跟運絲電機狀態(tài)突變特征)。該過程模型可用于規(guī)范化描述整個加工工藝過程，并利用過程模型進行數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的能耗計算，為后續(xù)優(yōu)化數(shù)控電火花線切割加工工藝奠定理論基礎(chǔ)。

3 基于特征事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程能耗計算

正如過程模型所描述的，直線框內(nèi)的所有特征事件均為電能消耗，而這些特征事件均可通過NC代碼提取；直線框外的設(shè)備特征、結(jié)構(gòu)特征、電參特征均影響虛線內(nèi)的特征事件的能耗。因此，可以基于特征事件，對數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的電能消耗進行計算。

ECES=ECDES·tES。

(1)

式中：ECES為待機事件的能耗；ECDES為該加工使用設(shè)備單位時間內(nèi)待機時所有能耗源的能耗；tES為該待機事件的持續(xù)時間。

ECEL=ECDEL·tEL。

(2)

式中：ECEL為照明事件的能耗；ECDEL為該加工使用設(shè)備單位時間內(nèi)照明裝置的能耗；tEL為該照明事件的持續(xù)時間。

ECEPM=ECDEPM·tEPM。

(3)

式中：ECEPM為泵運動事件的能耗；ECDEPM為該加工使用設(shè)備單位時間內(nèi)泵的能耗；tEPM為該泵運動事件的持續(xù)時間。

ECEW=ECDEW·tEW

(4)

式中：ECEW為運絲事件的能耗；ECDEW為該加工使用設(shè)備單位時間內(nèi)運絲電機的能耗(忽略電機反向時的能耗波動)；tEW為該運絲事件的持續(xù)時間。

ECEXEM=ECDEXEM·tEXEM·ηS。

(5)

式中：ECEXEM為X軸空走事件的能耗；ECDEXEM為該加工使用設(shè)備單位時間內(nèi)工作臺X軸方向電機單位速度下空走的能耗；tEXEM為該X軸空走事件的持續(xù)時間；ηS為速度系數(shù)。

ECEYEM=ECDEYEM·tEYEM·ηS。

(6)

式中：ECEYEM為Y軸空走事件的能耗；ECDEYEM為該加工使用設(shè)備單位時間內(nèi)工作臺Y軸方向電機單位速度下空走的能耗；tEYEM為該Y軸空走事件的持續(xù)時間。

ECELC=ECDELC·tELC·ηS·ηM·

ηTh·ηA·ηCo·ηEP。

(7)

式中：ECELC為直線切割事件的能耗；ECDELC為該加工使用設(shè)備單位時間內(nèi)以單位速度直線切割單位厚度標準材料的工件的能耗；tELC為該直線切割事件的持續(xù)時間；ηM為材料系數(shù)；ηTh為厚度系數(shù)；ηA為切割方向與X軸所成角度的角度系數(shù)；ηCo為多次加工、線徑補償?shù)炔煌庸し绞降木C合影響系數(shù)；ηEP為包括脈寬、脈間距、功放管數(shù)、加工電壓等電參數(shù)的影響系數(shù)。

ECEAC=ECDEAC·tEAC·ηS·ηM·

ηTh·ηCu·ηCo·ηEP。

(8)

式中：ECEAC為圓弧切割事件的能耗；ECDEAC為該加工使用的設(shè)備在單位時間內(nèi)以單位速度沿單位曲率的圓弧切割單位厚度標準材料的工件的能耗；tEAC為該圓弧切割事件的持續(xù)時間；ηCu為曲率系數(shù)。

ECETC=ECDETC·tETC·ηS·ηM·

ηTh·ηTa·ηCo·ηEP。

(9)

式中：ECETC為錐度切割事件的能耗；ECDETC為該加工使用的設(shè)備在單位時間內(nèi)以單位速度按照單位錐度切割單位厚度標準材料的工件的能耗；tETC為該錐度切割事件的持續(xù)時間；ηTa為錐度系數(shù)。

ECCSEDM=ECDCSEDM·ηS·ηM·ηTh·ηCo·ηEP。

(10)

式中：ECCSEDM為開始放電加工特征的能耗；ECDCSEDM為單位速度下切入單位厚度標準材料過程相對于正常切割該工件所增加的能耗。

ECCEEDM=ECDCEEDM·ηS·ηM·ηTh·ηCo·ηEP。

(11)

式中：ECCEEDM為結(jié)束放電加工特征的能耗；ECDCEEDM為單位速度下切出單位厚度標準材料過程相對于正常切割該工件所增加的能耗。

特征中存在一些特征的能耗由機床特性決定，不隨加工參數(shù)的改變而改變。這些特征直接用確定數(shù)值進行計算，特征及對應(yīng)符號分別為：運絲電機開特征的能耗ECCWMO、運絲電機關(guān)特征的能耗ECCWMC、泵開特征的能耗ECCPO、泵關(guān)特征的能耗ECCPC、開始空走特征的能耗ECCSEM、結(jié)束空走特征的能耗ECCEEM、運絲電機狀態(tài)突變特征的能耗ECCWMM。與加工參數(shù)相關(guān)的特征能耗需乘以各類影響系數(shù)，即

ECCPMSM=ECDCPMSM·ηS·ηM·ηTh·ηCo·ηEP·ηCA。

(12)

式中：ECCPMSM為工作臺電機狀態(tài)突變特征的能耗；ECDCPMSM為單位速度下單位角度轉(zhuǎn)折切割單位厚度標準材料的過程相對于直線切割該工件所增加的能耗；ηCA為工作臺運動方向變化前后所成角度的變化角度系數(shù)。

ECCTMSM=ECDCTMSM·ηS·ηM·ηTh·ηTa·ηCo·ηEP。

(13)

式中：ECCTMSM為錐度調(diào)節(jié)電機狀態(tài)突變特征的能耗；ECDCTMSM為單位速度下單位錐度變化切割單位厚度標準材料的過程相對于正常錐度切割該工件所增加的能耗。

ECE=ECES+ECEL+ECEPM+ECEW+

(14)

式中：ECE為事件總能耗；nEXEM為X軸空走事件的數(shù)量；nEYEM為Y軸空走事件的數(shù)量；nELC為直線切割事件的數(shù)量；nEAC為圓弧切割事件的數(shù)量；nETC為錐度切割事件的數(shù)量。

ECC=ECCSEDM+ECCEEDM+ECCWMO+ECCWMC+

ECCPO+ECCPC+ECCSWEM+ECCEWEM+

(15)

式中：ECC為特征總能耗；tC為運絲周期；nCPMSM為工作臺電機狀態(tài)突變特征的數(shù)量；nCTMSM為錐度調(diào)節(jié)電機狀態(tài)突變特征的數(shù)量。

ECM=ECE+ECC。

(16)

式中ECM為加工總能耗。

利用上述能耗計算公式，可以計算數(shù)控電火花線切割加工工藝過程的能耗，用于加工前的事前預(yù)測，從而基于能耗對數(shù)控電火花線切割加工工藝進行優(yōu)化。

4 實例

本實驗以DK7740D線切割機床為測試對象，該機床的最大切割厚度為500 mm。為了得到前文涉及的必要參數(shù)，本文采用由3個電壓傳感器和3個電流傳感器組成的采集裝置，分別檢測三相電壓和電流，傳感器輸出均為電流模擬信號，通過采樣電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號后輸入電壓采集卡，電壓采集卡輸出的電壓數(shù)字信號由采集卡底座經(jīng)數(shù)據(jù)線傳至電腦。所獲得的電壓數(shù)字信號由Labview軟件轉(zhuǎn)化為實際電壓和實際電流，通過軟件將電壓與電流相乘獲得功率，再將功率對時間進行積分即可獲得能耗，直接獲得的實測能耗用于與模型的精度進行對比，以驗證模型的可靠性?；诓杉b置的實驗采集及分析平臺如圖7所示，平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)流向如圖8所示，該采集裝置對功率與能耗的采樣間隔設(shè)定為0.1 s。

以某凸模零件加工工藝過程[17]為例，說明所提方法的可行性和有效性。工件材料為Q235鋼，初始尺寸為長度60 mm、寬度40 mm、厚度4 mm，經(jīng)過電火花線切割加工后，完成的工件加工形狀及尺寸如圖9所示。

在保證該工件的表面質(zhì)量達到粗糙度Ra1.2的前提下，制定加工工藝并設(shè)置電參數(shù)。加工使用的NC代碼如圖10左側(cè)所示。利用事件及能耗特征提取方法從NC代碼中提取加工工藝過程中的事件及能耗特征，如圖10所示。

事件及能耗特征所描述的是資源消耗的電能消耗，結(jié)合結(jié)構(gòu)特征、機床特征、電參特征和毛坯到成品的幾何變化，即可得到整個加工工藝過程的資源消耗，并能唯一對應(yīng)這一加工工藝過程。上述凸模零件數(shù)控電火花線切割加工工藝過程模型如圖11所示。

特征事件表2中，所有能耗參數(shù)均通過上文的采集裝置實驗獲得，所有除運絲周期的時間參數(shù)均由程序獲得，運絲周期由實驗機床運絲筒上的繞絲長度決定；所有系數(shù)均為實驗擬合所得系數(shù)的函數(shù)。

表2 某凸模零件加工工藝過程特征事件表

特征事件能耗相關(guān)數(shù)據(jù)說明待機事件ECDES=210.325 J/S;tES=6 347 s待機事件的持續(xù)時間為程序總時長泵運動事件ECDEPM=315.987 J/S;tEPM=6 343.25 s泵運動事件的持續(xù)時間為T84到T85指令間的持續(xù)時長運絲事件ECDEW=129.986 J/S;tEW=6 343.5 s運絲事件的持續(xù)時間為T80到T81指令間的持續(xù)時長X軸空走事件件ECDEXEM=85.457 J/S;tEXEM=408 s;ηS=1數(shù)量nEXEM=2且速度相同,分別為N60的前部分、N170;累計兩次X軸空走事件的持續(xù)時間tEXEM直線切割事件ECDELC=255.824 J/S;ηS=1;tELC1=1 542 s;tELC2=862 s;ηA1=1;ηA2=0.95;ηM=1;ηTh=0.8;ηCo=1;ηEP=1數(shù)量nELC=6且速度相同,分別為N60程序段的后部分對應(yīng)的事件、N80程序段對應(yīng)的事件、N100程序段對應(yīng)的事件、N140程序段對應(yīng)的事件、N70程序段對應(yīng)的事件、N150程序段對應(yīng)的事件。其中:前4次累計直線切割事件的持續(xù)時間為tELC1,切割方向與X軸所成角度的角度系數(shù)為ηA1;后兩次累計直線切割事件的持續(xù)時間為tELC2,切割方向與X軸所成角度的角度系數(shù)為ηA2圓弧切割事件ECDEAC=265.643 J/S;ηS=1;tEAC1=2 073 s;ηCu1=1.05;tEAC2=1 458 s;ηCu2=1;ηM=1;ηTh=0.8;ηCo=1;ηEP=1數(shù)量nEAC=4且速度相同,分別為:N90程序段對應(yīng)的事件、N120程序段對應(yīng)的事件、N130程序段對應(yīng)的事件,這三次的累計圓弧切割事件的持續(xù)時間tEAC1,半徑為5的曲率系數(shù)ηCu1;N110,該圓弧切割事件的持續(xù)時間tEAC2,半徑為10的曲率系數(shù)ηCu2

續(xù)表2

上述系數(shù)均會隨設(shè)備特征發(fā)生動態(tài)變化，脈沖電源和電機參數(shù)不同會造成系數(shù)規(guī)律不同。對于一個各個工藝參數(shù)都確定的線切割加工工藝過程，所有系數(shù)均具有唯一性。

因此，可以利用特征事件表中的數(shù)據(jù)計算能耗，獲得理論能耗，計算過程如下：

將表2中的數(shù)據(jù)帶入式(1)，得到待機事件能耗EES=1 334 932.775 J；帶入式(3)，得到泵運動事件能耗EEPM=2 004 384.538 J；帶入式(4)，得到運絲事件能耗EEW=824 566.191 J；帶入式(5)，得到各個X軸空走事件的能耗并累計為EEXEM=34 866.456 J；帶入式(7)，得到各個直線切割事件的能耗并累計為EELC=483 179.905 3 J；帶入式(8)，得到各個圓弧切割事件的能耗并累計為EEAC=772 415.464 J。將上述數(shù)據(jù)帶入式(14)，得到事件總能耗EE=5 454 345.329 J。

將表2中的數(shù)據(jù)帶入式(10)，得到開始放電加工特征能耗ECSEDM=51.84 J；帶入式(11)，得到結(jié)束放電加工特征能耗ECEEDM=31.68 J；帶入式(12)，得到各個工作臺電機狀態(tài)突變特征的能耗并累計為ECPMSM=428 J。將上述數(shù)據(jù)及表2中的數(shù)據(jù)帶入式(15)，得到特征總能耗EC=44 504.32 J。

將事件總能耗與特征總能耗帶入式(16)，得到加工總能耗EM=EE+EC=5 498 849.649 J≈5.5×106J。

通過圖7中的實驗采集和分析平臺，由Labview軟件直接獲得的實測加工總能耗MECM≈6.1×106J。

5 結(jié)束語

由于當前缺乏數(shù)控電火花線切割加工工藝過程模型，本文研究了數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模方法，采用特征事件描述線切割加工工藝過程，提出基于特征事件的數(shù)控電火花線切割加工工藝過程建模方法，根據(jù)數(shù)控電火花線切割加工工藝過程特性，將加工工藝過程分解為5類典型事件和4類典型特征，結(jié)合正常加工時的運動特性，總結(jié)了正常加工時的9種基本事件和14種基本特征用于計算電能消耗，最后通過實例對基于特征事件的線切割過程模型進行了驗算。下一步將在線切割特征事件過程模型的基礎(chǔ)上，開展優(yōu)化數(shù)控電火花線切割加工工藝研究，從而有針對性地實施節(jié)能減排措施，提高節(jié)能減排的效果。

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