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前言：

面對(duì)日益加劇的能源危機(jī)和隨之帶來的環(huán)境惡化問題，節(jié)能減排已成為社會(huì)各界的共識(shí)。制造業(yè)是造成能源消耗和碳排放的主要源頭之一，據(jù)國際能源署(International Energy Agency,正A)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：制造業(yè)已消耗了全球超過30%的能量，產(chǎn)生約36%的C0₂排放^[1]，且其能耗及C0₂排放仍會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，到2030年將分別達(dá)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(xié)定《巴黎協(xié)定》中提出了 INDCs (The intended nationallydetermined contributions)目標(biāo)：C〇2 排放 2030 年左右達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰、單位國內(nèi)生產(chǎn)總值C0₂排放比2005年下降60%?65%,非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20%的約束性指標(biāo)[^2]。可見，現(xiàn)在及可以預(yù)見的未來，節(jié)能減排仍是制約制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

CNC加工中心作為制造業(yè)重要的生產(chǎn)設(shè)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(shí)現(xiàn)制造業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)的重要保障^[3]。為此，對(duì)CNC加工中心能耗特性進(jìn)行研究，找出其中能量消耗大和浪費(fèi)嚴(yán)重的環(huán)節(jié)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(jī)電液等學(xué)科領(lǐng)域，使得建立系統(tǒng)的CNC加工中心能耗多源動(dòng)態(tài)特性模型十分困難。有學(xué)者通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出加工中心運(yùn)行過程的能耗模型，如MORI等^[4]建立了基于切削速度、進(jìn)給量和切削深度的加工中心加工過程能耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/span>VINCENT等^[5]進(jìn)一步將加工中心分為空載、準(zhǔn)備、加工不同運(yùn)行狀態(tài)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(dòng)中的能耗，建立了包括加工開始、運(yùn)行、結(jié)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(shù)下多加工中心配合關(guān)系對(duì)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(yù)測(cè)模型。以上研究將加工中心作為一個(gè)整體進(jìn)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(fù)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(dòng)態(tài)性描述。因此，有學(xué)者從CNC加工中心的結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)不同子系統(tǒng)的能耗特性進(jìn)行研究。如重慶大學(xué)劉飛教授團(tuán)隊(duì)提出了CNC加工中心服役過程中主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)段能量模型及能量效率獲取方法^[8_^9]，并對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等子系統(tǒng)的能耗特性進(jìn)行研究.構(gòu)建了數(shù)控加工中心多源能量流數(shù)學(xué)模型^[1W1]。浙江大學(xué)唐任仲教授團(tuán)隊(duì)從人因工程動(dòng)素角度出發(fā)，分析了加工過程中不同子系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)特性研究提供理論方法，但上述研究多是側(cè)重某一個(gè)或某幾個(gè)子系統(tǒng)的能耗特性，難以對(duì)CNC加工中心整體運(yùn)行過程的能耗狀況進(jìn)行描述。也有學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能算法，通過挖掘CNC加工中心運(yùn)行過程歷史數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的能耗信息，建立能耗模型。如宮運(yùn)啟等^[14]基于本體技術(shù)對(duì)加工中心加工過程能耗知識(shí)語義表達(dá)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了加工中心能耗預(yù)測(cè)模型。基于智能算法的能耗模型可通過不斷調(diào)節(jié)算法參數(shù)來提高預(yù)測(cè)精度，但這種方法往往依賴大量的歷史數(shù)據(jù)，一旦加工環(huán)境改變，如加工設(shè)備、

參數(shù)等發(fā)生變化，這種基于歷史數(shù)據(jù)的能耗模型將難以適用。

綜上所述，國內(nèi)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(tǒng)反應(yīng)其能耗多源動(dòng)態(tài)特性的方法和工具。基于此，本文引入工業(yè)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(dòng)態(tài)特性建模方法，利用BPMN2.0符號(hào)和語義對(duì)CNC加工中心及其能耗部件的工作狀態(tài)流程、耦合關(guān)系進(jìn)行規(guī)范化描述，建立能耗數(shù)據(jù)與BPMN模型的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)CNC加工中心加工過程能耗多源動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)化

表達(dá)。

1CNC加工中心能耗多源動(dòng)態(tài)特性分析

CNC加工中心主要由主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成[^15]，具有多源性。另外，由于子系統(tǒng)的能量需求主要取決于其工作狀態(tài)，正是由于這些子系統(tǒng)工作狀態(tài)及工作狀態(tài)間的時(shí)序配合關(guān)系的變化導(dǎo)致了CNC加工中心能耗的變化。因此，構(gòu)建CNC加工中心能耗多源動(dòng)態(tài)特性模型，不僅需要分析其子系統(tǒng)不同工作狀態(tài)的能量特性，還需要研究子系統(tǒng)工作狀態(tài)的執(zhí)行流程及其間的耦合關(guān)系。

1.1CNC加工中心能耗多源性分析

參考文獻(xiàn)[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(yīng)的子系統(tǒng)視為一個(gè)能耗單元,并按•^事#沒將其劃分為時(shí)變能耗單元和非時(shí)變能耗單元。其中，非時(shí)變能耗單元指在加工過程中功率基本不變的單元；時(shí)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。

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結(jié)束語：

(1) 依據(jù)CNC加工中心能耗單元的能量消耗特性，將其劃分為時(shí)變能耗單元和非時(shí)變能耗單元，并對(duì)能耗單元工作狀態(tài)及其耦合關(guān)系對(duì)CNC加工中心能量消耗的影響進(jìn)行了研究。

(2) 利用BP_2.0提供的標(biāo)準(zhǔn)語義符號(hào)對(duì)CNC加工中心不同能耗單元的工作狀態(tài)流程進(jìn)行描述，并對(duì)工作狀態(tài)的能耗及工作狀態(tài)間的時(shí)序配合關(guān)系進(jìn)行了研究，構(gòu)建了CNC加工中心運(yùn)行過程的多源動(dòng)態(tài)能耗模型。

(3) 案例分析結(jié)果表明，上述模型和方法可較好的對(duì)CNC加工中心運(yùn)行過程能量變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和能耗值進(jìn)行描述，可為CNC加工中心能量消耗的多源動(dòng)態(tài)特性分析提供基礎(chǔ)支持，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

本研究的不足之處在于研究范圍僅限于單臺(tái)數(shù)控加工中心，對(duì)于多機(jī)多任務(wù)機(jī)械制造系統(tǒng)，可嘗試將加工中心視為時(shí)變能耗單元，輔助設(shè)備及環(huán)境設(shè)施視為非時(shí)變能耗單元，加工任務(wù)視為工藝活動(dòng)，將該模型及方法擴(kuò)展到復(fù)雜機(jī)械加工系統(tǒng)能耗特性研究中。在今后的研究中，將針對(duì)這一問題進(jìn)行深入的思考，以使本模型具備更好的擴(kuò)展性和適用范圍。

伯特利數(shù)控是一家集銷售、應(yīng)用及服務(wù)于一體的公司。產(chǎn)品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機(jī)、石墨機(jī)、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機(jī)床的生產(chǎn)工廠設(shè)在廣東省東莞市，目前其生產(chǎn)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(wù)！

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基于BPMN的CNC加工中心能耗多源動(dòng)態(tài)特性建模及應(yīng)用

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