一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，包括：根据CAD模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征树，用特征类树表示各几何特征类及其层次关系；利用物元法建立工件几何特征物元模型，再从物元模型中提取工件几何特征和加工方式，建立映射关系，结合加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，建立基于几何特征的工件加工能耗模型，并通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；将各参数信息带入能耗模型，计算出加工此几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。本发明专利技术围绕工件几何特征的能耗属性展开，只需根据拆分出的几何特征，就可以对工件加工过程能耗进行预测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法
本专利技术涉及机械制造加工领域，尤其涉及一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法。
技术介绍
机械加工过程主要是对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量。随着能效制造及低碳制造等一系列降低制造过程能耗、减少环境排放的制造模式的推进，实施节能优化已成为机械制造业发展的趋势。机械加工过程中工件能耗预测是其降低能耗、提高能效的首要步骤之一，近年来正在国内外迅速兴起并逐渐成为研究热点问题。工件加工过程的能量消耗包括错综复杂的能源流、物料流和废物流，并贯穿于工件的各种加工工艺、加工设备和辅助设施中，具有复杂的动态特性。CN103235554A公开《一种基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法》，其公开的方案是通过对数控机床NC代码的解析获取各能耗部件运行参数，并通过实验获取基础功率数据，最后将上述运行参数和基础功率输入到建立的数控机床各能耗部件的能耗模型中，通过计算获取工件的能耗。CN102621932A公开的《一种数控机床服役过程的能量消耗预测方法》，其公开的方案是根据工件加工工艺，将数控机床服役过程分为启动、空载和加工三个子过程，对每个子过程进行能耗预测，该方法只适用于工件加工工艺信息详细，且需要人工划分服役过程。现有预测方法中，工件能耗预测主要通过实验测量获取机床加工过程中的主要功率和工艺参数，再利用模型公式对工件能耗进行估算，目前还缺乏利用工件几何特征来预测其能耗的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，使用本方法能方便的获取工件加工能耗。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，包括以下步骤：1)根据cad模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征类树，所述特征类树用于表示各几何特征类及其层次关系和结构；2)利用物元法建立工件几何特征物元模型，从物元模型中识别并提取工件几何特征和加工方式，建立几何特征和加工方式间的映射关系；3)根据加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，通过物元法建立的工件几何特征物元模型对工件各几何特征能量信息进行提取；4)根据几何特征和加工方式间的映射关系和工件各几何特征能量信息，建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗模型；5)通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；6)根据各能耗部件的运行参数和能耗模型，计算各加工工件几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。按上述方案，所述步骤1)中利用CAD模型中集成的几何特征信息，建立工件几何特征类树的具体方法为：首先按照工件特征的复杂程度将工件几何特征分为简单特征和复杂特征，简单特征是特征的最小单元，简单特征是独立的形状结构；复杂特征为简单特征的组合结构，然后再将复杂特征按加工要求分为基本特征和组合特征，将简单特征分为主特征和辅特征两种，并以几何特征类树的结构形式将所有特征递进排列，每个结点代表一个几何特征类。按上述方案，所述步骤2)中建立几何特征与加工行为之间的映射关系为：利用物元法建立工件几何特征的能耗物元模型R＝(P,F,E)，物元表示如下：其中P代表工件，F代表工件几何特征，E代表特征能耗；所述特征能耗信息包括各几何特征对应的加工方法，还包括加工方法中选用的设备及相应的加工参数。按上述方案，所述步骤2)中工件几何特征物元模型为：按上述方案，步骤4)中基于几何特征的数控机床加工过程能耗模型为：设工件由n个几何特征MF构成：MF＝{MF1,MF2,…,MFn}，其某一几何特征和工件能耗的数学模型可以表述为：其中EMF可表示为：于是可得工件加工过程总能耗：其中代表机床加工几何特征i时工序j的能耗，m表示加工某一几何特征时所需的加工工序数。本专利技术产生的有益效果是：1.本专利技术围绕工件几何特征的能耗属性展开，只需根据拆分出的几何特征，结合数控机床NC代码与加工几何特征有关的参数信息，分别分析工件主辅特征的能量消耗状况及与加工过程能耗间的映射关系，进而建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗预测模型，就可以对工件加工过程能耗进行预测；2.本专利技术还可以提供分解到工件各加工特征的能耗数据，这些数据信息可为机床加工过程节能优化分析提供支持。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的流程示意图；图2是工件几何特征分类图；图3是本专利技术实施例的机床刀具运行轨迹图；图4是本专利技术实施例的机床进给轴直线插补图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术公开了一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，首先，利用CAD模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征树，用几何特征类树表示各几何特征类及其层次关系和结构；然后，先利用物元法建立工件几何特征物元模型，再从物元模型中识别和提取工件几何特征和加工方式，建立映射关系，结合加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗模型，并通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；最后，将各参数信息带入能耗模型，计算出加工此几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。1、工件CAD模型拆分建立特征树：工件几何特征分为简单特征和复杂特征，复杂特征可分为基本特征和组合特征，而简单特征又可分为主特征和辅特征两种，基本特征由一个主特征和多个辅特征组成，如轴段和孔段等，组合特征由多个基本特征组成，如同轴孔和均布孔等，主特征通常表示用以构成工件的基本形体结构，如孔、槽等；辅特征则依附于主特征，构成零件模型的完整结构，如倒角、退刀槽等。设工件P由M个复杂特征组成，每一个复杂特征又是由N个组合特征构成，每个组合特征由K个基本特征组成，每个基本特征由一个主特征和U个辅特征组成，经过层层分解，一个复杂工件可分割为由若干个主特征和辅特征组合排列而构成，如图2所示。2、识别和提取工件几何特征和加工方式，建立工件几何特征的能耗模型：2.1、建立几何特征与加工行为之间的映射关系为：一个工件(记为P)，可以通过各种各样的几何特征(记为F)来体现。描述事物实体的特征称为实义特征.如长、宽、质量等。事物关于某一特征的数量、程度或范围等称为该事物关于这一特征的量值。特征F的取值范围.称为它的量域，记作V。给定事物的名称P，它关于特征F的量值为V，以有序三元组作为描述事物的基本元，简称为物元.记作R(P,F,V)。对步骤1中拆分出的主特征和辅特征利用上述介绍的物元法建立工件加工特征的能耗物元模型R＝(P,F,E)，然后对工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据CAD模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征类树，所述特征类树用于表示各几何特征类及其层次关系和结构；2)利用物元法建立工件几何特征物元模型，从物元模型中识别并提取工件几何特征和加工方式，建立几何特征和加工方式间的映射关系；3)根据加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，通过物元法建立的工件几何特征物元模型对工件各几何特征能量信息进行提取；4)根据几何特征和加工方式间的映射关系和工件各几何特征能量信息，建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗模型；5)通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；6)根各能耗部件的运行参数和能耗模型，计算各加工工件几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。

【技术特征摘要】
1.一种基于几何特征的工件加工能耗预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据CAD模型中集成的几何特征信息对工件CAD模型拆分建立特征类树，所述特征类树用于表示各几何特征类及其层次关系和结构；2)利用物元法建立工件几何特征物元模型，从物元模型中识别并提取工件几何特征和加工方式，建立几何特征和加工方式间的映射关系；3)根据加工过程中机床各能耗部件的能耗特性，通过物元法建立的工件几何特征物元模型对工件各几何特征能量信息进行提取；4)根据几何特征和加工方式间的映射关系和工件各几何特征能量信息，建立基于CAD模型几何特征的工件加工能耗模型；5)通过解析几何特征的NC代码获取对应数控机床各能耗部件的运行参数；6)根据各能耗部件的运行参数和能耗模型，计算各加工工件几何特征的能耗值，再通过对每个几何特征的能耗求和获取工件加工过程的总能耗。2.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢威，马峰，谢玉婷，张华，江志刚，陈薇薇，张辉，向琴，肖永茂，龚青山，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42