基于BPMN的CNC加工中心能耗多源动态特性建模及应用


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 面对日益加剧的能源危机和随之带来的环境恶化问题,节能减排已成为社会各界的共识。制造业是造成能源消耗和碳排放的主要源头之一,据国际能源署(International Energy Agency,A)统计数据:制造业已消耗了全球超过30%的能量,产生约36%C02排放[1],且其能耗及C02排放仍会持续增长,到2030年将分别达到2000年的1.3倍和1.5[22]为此,我国在20164月签署的气候变化协定《巴黎协定》中提出了 INDCs (The intended nationallydetermined contributions)目标:C2 排放 2030 年左右达到峰值并争取尽早达峰、单位国内生产总值C02排放比2005年下降60%?65%,非化石能源占一次能源消费比重达到20%的约束性指标[2]。可见,现在及可以预见的未来,节能减排仍是制约制造业可持续发展的重要因素。

CNC加工中心作为制造业重要的生产设备,量大面广,能量消耗和随之带来的002排放巨大,减少其能量消耗是实现制造业节能减排目标的重要保障[3]。为此,对CNC加工中心能耗特性进行研究,找出其中能量消耗大和浪费严重的环节具有十分重要的意义。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,且其能耗问题涉及机电液等学科领域,使得建立系统的CNC加工中心能耗多源动态特性模型十分困难。有学者通过大量实验数据拟合出加工中心运行过程的能耗模型,如MORI[4]建立了基于切削速度、进给量和切削深度的加工中心加工过程能耗经验模型。VINCENT[5]进一步将加工中心分为空载、准备、加工不同运行状态,依据实验数据拟合加工中心不同阶段的能耗模型。DIETMAIR[6]分析了加工中心在切削、磨削等不同工艺活动中的能耗,建立了包括加工开始、运行、结束等步骤的加工中心能耗模型。HERRMANN[7]从宏观的角度分析了加工路线及加工参数下多加工中心配合关系对能耗的影响,提出了一种基于加工链仿真的多加工中心能耗预测模型。以上研究将加工中心作为一个整体进行分析,但由于相比于普通加工中心,CNC加工中心具有更为复杂的能耗部件,使得这些模型难以适用于CNC加工中心的能耗动态性描述。因此,有学者从CNC加工中心的结构出发,对不同子系统的能耗特性进行研究。如重庆大学刘飞教授团队提出了CNC加工中心服役过程中主传动系统时段能量模型及能量效率获取方法[8_9],并对进给传动系统、冷却系统等子系统的能耗特性进行研究.构建了数控加工中心多源能量流数学模型[1W1]。浙江大学唐任仲教授团队从人因工程动素角度出发,分析了加工过程中不同子系统动作情况,建立CNC加工中心能量供给模型[12_13,16]。以上研究可为CNC加工中心能耗多源动态特性研究提供理论方法,但上述研究多是侧重某一个或某几个子系统的能耗特性,难以对CNC加工中心整体运行过程的能耗状况进行描述。也有学者利用神经网络、遗传算法等智能算法,通过挖掘CNC加工中心运行过程历史数据中蕴含的能耗信息,建立能耗模型。如宫运启等[14]基于本体技术对加工中心加工过程能耗知识语义表达,利用神经网络建立了加工中心能耗预测模型。基于智能算法的能耗模型可通过不断调节算法参数来提高预测精度,但这种方法往往依赖大量的历史数据,一旦加工环境改变,如加工设备、

参数等发生变化,这种基于历史数据的能耗模型将难以适用。

综上所述,国内外在CNC加工中心能耗特性建模方面己开展了大量的研究,取得了不少研究成果,但目前仍缺乏能系统反应其能耗多源动态特性的方法和工具。基于此,本文引入工业工程流程分析思想,

提出了一种基于BPMN的CNC加工中心能耗多源动态特性建模方法,利用BPMN2.0符号和语义对CNC加工中心及其能耗部件的工作状态流程、耦合关系进行规范化描述,建立能耗数据与BPMN模型的关联,实现CNC加工中心加工过程能耗多源动态特性的系统化

表达。

1CNC加工中心能耗多源动态特性分析

CNC加工中心主要由主传动系统、进给系统、冷却系统、CNC系统、照明系统等子系统组成[15],具有多源性。另外,由于子系统的能量需求主要取决于其工作状态,正是由于这些子系统工作状态及工作状态间的时序配合关系的变化导致了CNC加工中心能耗的变化。因此,构建CNC加工中心能耗多源动态特性模型,不仅需要分析其子系统不同工作状态的能量特性,还需要研究子系统工作状态的执行流程及其间的耦合关系。

1.1CNC加工中心能耗多源性分析

参考文献[1〇1提出的能量源和能量流,本文将CNC加工中心能量源及相应的子系统视为一个能耗单元,并按•^事#沒将其划分为时变能耗单元和非时变能耗单元。其中,非时变能耗单元指在加工过程中功率基本不变的单元;时变能耗单元指功率随着加工过程阶段变化而变化的单元。如以CNC加工中心XK713为例,其主要能耗单元如表1所示。

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结束语:

         (1) 依据CNC加工中心能耗单元的能量消耗特性,将其划分为时变能耗单元和非时变能耗单元,并对能耗单元工作状态及其耦合关系对CNC加工中心能量消耗的影响进行了研究。

(2) 利用BP_2.0提供的标准语义符号对CNC加工中心不同能耗单元的工作状态流程进行描述,并对工作状态的能耗及工作状态间的时序配合关系进行了研究,构建了CNC加工中心运行过程的多源动态能耗模型。

(3) 案例分析结果表明,上述模型和方法可较好的对CNC加工中心运行过程能量变化的时间节点和能耗值进行描述,可为CNC加工中心能量消耗的多源动态特性分析提供基础支持,具有较为广阔的应用前景。

本研究的不足之处在于研究范围仅限于单台数控加工中心,对于多机多任务机械制造系统,可尝试将加工中心视为时变能耗单元,辅助设备及环境设施视为非时变能耗单元,加工任务视为工艺活动,将该模型及方法扩展到复杂机械加工系统能耗特性研究中。在今后的研究中,将针对这一问题进行深入的思考,以使本模型具备更好的扩展性和适用范围。

 

 

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