基于BPMN的CNC加工中心能耗多源動態特性建模及應用
海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：面對日益加劇的能源危機和隨之帶來的環境惡化問題，節能減排已成為社會各界的共識。制造業是造成能源消耗和碳排放的主要源頭之一，據國際能源署(International Energy Agency,正A)統計數據：制造業已消耗了全球超過30%的能量，產生約36%的C02排放[1]，且其能耗及C02排放仍會持續增長，到2030年將分別達到2000年的1.3倍和1.5倍[22]。為此，我國在2016年4月簽署的氣候變化協定《巴黎協定》中提出了 INDCs (The intended nationallydetermined contributions)目標：C〇2 排放 2030 年左右達到峰值并爭取盡早達峰、單位國內生產總值C02排放比2005年下降60%?65%,非化石能源占一次能源消費比重達到20%的約束性指標[2]。可見，現在及可以預見的未來，節能減排仍是制約制造業可持續發展的重要因素。 CNC加工中心作為制造業重要的生產設備，量大面廣，能量消耗和隨之帶來的002排放巨大，減少其能量消耗是實現制造業節能減排目標的重要保障[3]。為此，對CNC加工中心能耗特性進行研究，找出其中能量消耗大和浪費嚴重的環節具有十分重要的意義。能耗建模是分析CNC加工中心能耗特性的重要手段,但由于CNC加工中心能耗部件多，且其能耗問題涉及機電液等學科領域，使得建立系統的CNC加工中心能耗多源動態特性模型十分困難。有學者通過大量實驗數據擬合出加工中心運行過程的能耗模型，如MORI等[4]建立了基于切削速度、進給量和切削深度的加工中心加工過程能耗經驗模型。VINCENT等[5]進一步將加工中心分為空載、準備、加工不同運行狀態，依據實驗數據擬合加工中心不同階段的能耗模型。DIETMAIR等[6]分析了加工中心在切削、磨削等不同工藝活動中的能耗，建立了包括加工開始、運行、結束等步驟的加工中心能耗模型。HERRMANN等[7]從宏觀的角度分析了加工路線及加工參數下多加工中心配合關系對能耗的影響，提出了一種基于加工鏈仿真的多加工中心能耗預測模型。以上研究將加工中心作為一個整體進行分析，但由于相比于普通加工中心，CNC加工中心具有更為復雜的能耗部件，使得這些模型難以適用于CNC加工中心的能耗動態性描述。因此，有學者從CNC加工中心的結構出發，對不同子系統的能耗特性進行研究。如重慶大學劉飛教授團隊提出了CNC加工中心服役過程中主傳動系統時段能量模型及能量效率獲取方法[8_9]，并對進給傳動系統、冷卻系統等子系統的能耗特性進行研究.構建了精工加工中心多源能量流數學模型[1W1]。浙江大學唐任仲教授團隊從人因工程動素角度出發，分析了加工過程中不同子系統動作情況，建立CNC加工中心能量供給模型[12_13,16]。以上研究可為CNC加工中心能耗多源動態特性研究提供理論方法，但上述研究多是側重某一個或某幾個子系統的能耗特性，難以對CNC加工中心整體運行過程的能耗狀況進行描述。也有學者利用神經網絡、遺傳算法等智能算法，通過挖掘CNC加工中心運行過程歷史數據中蘊含的能耗信息，建立能耗模型。如宮運啟等[14]基于本體技術對加工中心加工過程能耗知識語義表達，利用神經網絡建立了加工中心能耗預測模型。基于智能算法的能耗模型可通過不斷調節算法參數來提高預測精度，但這種方法往往依賴大量的歷史數據，一旦加工環境改變，如加工設備、 參數等發生變化，這種基于歷史數據的能耗模型將難以適用。綜上所述，國內外在CNC加工中心能耗特性建模方面己開展了大量的研究，取得了不少研究成果，但目前仍缺乏能系統反應其能耗多源動態特性的方法和工具。基于此，本文引入工業工程流程分析思想，提出了一種基于BPMN的CNC加工中心能耗多源動態特性建模方法，利用BPMN2.0符號和語義對CNC加工中心及其能耗部件的工作狀態流程、耦合關系進行規范化描述，建立能耗數據與BPMN模型的關聯，實現CNC加工中心加工過程能耗多源動態特性的系統化表達。1CNC加工中心能耗多源動態特性分析CNC加工中心主要由主傳動系統、進給系統、冷卻系統、CNC系統、照明系統等子系統組成[15]，具有多源性。另外，由于子系統的能量需求主要取決于其工作狀態，正是由于這些子系統工作狀態及工作狀態間的時序配合關系的變化導致了CNC加工中心能耗的變化。因此，構建CNC加工中心能耗多源動態特性模型，不僅需要分析其子系統不同工作狀態的能量特性，還需要研究子系統工作狀態的執行流程及其間的耦合關系。1.1CNC加工中心能耗多源性分析參考文獻[1〇1提出的能量源和能量流，本文將CNC加工中心能量源及相應的子系統視為一個能耗單元,并按•^事#沒將其劃分為時變能耗單元和非時變能耗單元。其中，非時變能耗單元指在加工過程中功率基本不變的單元；時變能耗單元指功率隨著加工過程階段變化而變化的單元。如以CNC加工中心XK713為例，其主要能耗單元如表1所示。海天精工 備注：為保證文章的完整度，本文核心內容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉換瀏覽器嘗試，手機瀏覽可能無法正常使用！結束語： (1) 依據CNC加工中心能耗單元的能量消耗特性，將其劃分為時變能耗單元和非時變能耗單元，并對能耗單元工作狀態及其耦合關系對CNC加工中心能量消耗的影響進行了研究。(2) 利用BP_2.0提供的標準語義符號對CNC加工中心不同能耗單元的工作狀態流程進行描述，并對工作狀態的能耗及工作狀態間的時序配合關系進行了研究，構建了CNC加工中心運行過程的多源動態能耗模型。(3) 案例分析結果表明，上述模型和方法可較好的對CNC加工中心運行過程能量變化的時間節點和能耗值進行描述，可為CNC加工中心能量消耗的多源動態特性分析提供基礎支持，具有較為廣闊的應用前景。本研究的不足之處在于研究范圍僅限于單臺精工加工中心，對于多機多任務機械制造系統，可嘗試將加工中心視為時變能耗單元，輔助設備及環境設施視為非時變能耗單元，加工任務視為工藝活動，將該模型及方法擴展到復雜機械加工系統能耗特性研究中。在今后的研究中，將針對這一問題進行深入的思考，以使本模型具備更好的擴展性和適用范圍。海天精工是一家集銷售、應用及服務于一體的公司。產品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機、石墨機、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產工廠設在廣東省寧波市，目前其生產的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務！聲明：本站文章均來自網絡，所有內容不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任！