一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法

一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，包括机械加工过程能源碳、物料碳、废弃物碳分析、基于制造特征的面向碳排放的工艺BOM(c?PBOM)设计和基于c?PBOM的零件加工过程碳排放计算策略三部分。分析加工过程，定义能源碳、物料碳、废弃物碳，分解机床功能建立三种碳排放的计算模型，并为车间设计三维的能耗计算模型集；考虑零件形状复杂性，分解零件为一组标准特征的组合，设计c?PBOM，以特征为碳排放计算单元；根据c?PBOM设计规则，结合零件工艺路线计算整个零件加工过程碳排放。本发明涵盖了加工过程从物料和能量输入到废弃物处理的碳排放，分解零件降低计算复杂度，设计c?PBOM使量化过程逻辑更加清晰，为低碳制造的实施提供基础数据支持。
【专利说明】
一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法
技术领域：
[0001 ]本发明属于先进制造与自动化技术领域，具体涉及一种基于制造特征的零件机械 加工过程碳排放量化方法。
【背景技术】：
[0002] 近年来，日趋严重的全球变暖问题、海平面上升问题、极端天气频发问题等直接影 响到人类的正常生活和生命安全，造成这一现象的直接原因就是由温室气体大量排放导致 的温室效应。IPCC第五次评估报告明确指出全球气候变暖一半以上是由人类活动造成的， 其中，制造业是温室气体排放的主要源头之一，根据《中国碳排放报告2015》，制造业产生的 碳排放占我国碳排放总额的47%。目前产品生产量的加大和生产自动化的加强，消耗了更 多的物料及碳基燃料，将导致更多二氧化碳的排放。根据《京都议定书》规定，国际上采取碳 排放交易这一环境政策工具，运用市场机制和价格手段控制某个国家、地区和企业的碳排 放量，这意味着我国制造业正面临着严峻的碳排放成本增加压力和技术创新压力，制造过 程节能减排的理论和方法正成为亟需突破的一个新研究领域。
[0003] 准确地量化机械加工工艺过程的碳排放是低碳制造理论的基础工作之一，同时也 是低碳制造面临的一个技术难点：
[0004] (1)零件的机械加工过程具有复杂的输入输出特性，所涉及到的物料、能源和设备 都会随着加工过程影响碳排放，故零件加工的碳排放具有多源性、动态性、间接性等特点， 计算过程与实际加工工艺结合较为困难；
[0005] (2)零件加工设备多采用数控机床，其功能多、动作复杂，需要设计模型全面地计 算其加工过程能耗；
[0006] (3)零件形状结构复杂、工艺路线长，直接计算整个零件加工过程的碳排放难以入 手，需要设计合理的方法将计算过程系统化。

【发明内容】
：
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法， 为低碳制造提供基础数据支持。
[0008] 为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案来实现：
[0009] -种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，包括以下步骤：
[0010] 1)依据加工过程的特点定义零件机械加工过程中的三种碳排放源，包括物料碳、 能源碳和废弃物碳；
[0011] 2)分别给出物料碳、能源碳和废弃物碳的计算公式；
[0012] 3)设计待加工零件面向碳排放的工艺Β0Μ，分析待加工零件的加工特征，完成对待 加工零件的面向碳排放的工艺Β0Μ的零件结构部分和工艺内容部分，根据待加工零件的零 件结构部分和工艺内容部分结合步骤2)给出的物料碳、能源碳和废弃物碳的计算公式，得 到待加工零件每个加工特征的每个切削元的物料碳、能源碳和废弃物碳，同时根据基于加 工零件面向碳排放的工艺BOM的两切削元之间碳排放计算规则计算待加工零件工艺路线相 邻两个阶段因换刀动作和装夹操作产生的能源碳，待加工零件机械加工过程碳排放量即为 工艺路线中所有切削元的物料碳、能源碳和废弃物碳与工艺路线中相邻两个切削元之间因 换刀动作和装夹操作产生的能源碳之和。
[0013] 本发明进一步的改进在于，步骤1)中，物料碳为加工过程消耗工件材料和刀具，以 及切削液的制备过程产生的碳排放；
[0014] 能源碳为加工过程中所消耗能量的制备过程产生的碳排放；
[0015] 废弃物碳为加工过程中产生的废弃切肩、刀具以及切削液废弃物的后期处理产生 的碳排放。
[0016] 本发明进一步的改进在于，步骤2)中，物料碳的计算包括：
[0017] (1)刀具生产碳排放
[0018] 在制造特征的加工过程中，刀具的消耗量如公式（1)所示，对累加得到的达到磨钝 标准的刀具数向下取整，得到报废的刀具总数Nt，消耗刀具碳排放的计算如公式(2):
[0020] 式中，R为所用刀具的允许刃磨次数，t?ttingi为此刀具在特定的切削条件下的切削 时间，Ttc^i为刀具在此切削条件下的刀具寿命，废弃刀具生产导致的碳排放CE_ca取决于 报废的刀具数量：
[0021] CEpt〇〇i = NtXMXEFpt〇〇i (18)
[0022] 式中，Μ为报废刀具的质量，EFptclcli为刀具生产的碳排放因子；
[0023] (2)材料生产碳排放
[0024]切除材料过程产生切肩体积为本次切削前后的体积差，造成间接碳排放CEpc；hiPS: [0025] CEPchiP= AVXpXEFPchiP (19)
[0026]式中，P为工件材料的密度，EFpchip为工件材料生产的碳排放因子，Δ V为材料切除 的体积；
[0027] (3)切削液生产碳排放
[0028]消耗切削液造成的碳排放CEprf计算如公式：
[0030] 式中，To为车间的切削液更换周期，Mo为切削液的初始体积，Ma为更换周期中补充 的切削液体积，EF prf为生产切削液的碳排放因子；
[0031] 综上所述，物料碳的总量为：
[0032] CEmaterial = CEptool+CEpchip+CEpcf ( 21 ) 〇
[0033] 本发明进一步的改进在于，步骤2)中，废弃物碳的计算如下：
[0034] (1)废弃刀具处理碳排放
[0036]式中，EFii为废弃刀具处理的碳排放因子；
[0037] (2)废弃切削液处理碳排放
[0039]式中，EFdcf为废弃切削液处理的碳排放因子；
[0040] (3)废弃切肩处理碳排放
[0041 ] CEdchip = Δ VXp XEFdchip (24)
[0042]式中，EFdchip为废弃切肩处理的碳排放因子；
[0043]所以，废弃物碳的总量为：
[0044] CEwaste = CEdt〇〇i+CEdcf+CEdchiP (25) 〇
[0045] 本发明进一步的改进在于，步骤2)中，能源碳CEa。分解为七个子模块的能源碳， 分别为：
[0046] 机床主传动模块碳排放CESP、进给传动碳排放CEf、刀具切除工件材料过程碳排放 CEmr、机床基础模块运行碳排放CEbm、机床自动换刀过程碳排放CEt。、机床喷切削液过程碳排 放CErfs以及机床自动排肩模块碳排放CEmr，且有计算公式如下：
[0048]式中tsp为主轴旋转的时间，tsp-a为主轴加速的时间，EFelec为电能的碳排放因子， psp为主轴稳定旋转时的功率，Psp-a为主轴加速阶段的功率，η为主轴旋转的转速；
[0050] 式中tf为稳定进给的时间，tf-a为进给加速的时间，tf-d为主轴加速的时间，Pf为稳 定进给时的功率，Pf- a为加速进给阶段的功率，Pf-d为减速进给阶段的功率，vf为旋转的转 速，EF&。为电能的碳排放因子；
[0051] CEmr=[PmrXtcutting] XEFelec (28)
[0052] Pmr为材料切除动作的功率，tcutting为切削时间；
[0053] CEbm = Pbmtbm XEFelec (29)
[0054] Pbm*机床基础模块的运行功率，tbm为机床的运行时间；
[0055] CEtc= [Ptcttc+Etcon+Etcoff] XEFelec (30)
[0056] Ptc为换刀装置的功率，ttc为换刀时间，Et_为换刀装置开启时的突变能耗，E tcclff 为换刀装置关闭时的突变能耗；
[0057] CEcfs = Sgn(X) (Pcfstcutting+Ecfson+Ecfsoff) XEFelec (31)
[0058] prfs为喷切削液的功率，为冷却装置开启时的突变能耗，Erfsoff为冷却装置关 闭时的突变能耗；
[0059] CEcc = sgn(X)(Pcctcutting+Ecc〇n+E cc〇ff) XEFeiec (32)
[0060] P。。为自动排肩装置的功率，Ec^nS自动排肩装置开启时的突变能耗，Ec^ff为自动 排肩装置关闭时的突变能耗。
[0061] 本发明进一步的改进在于，步骤3)中，待加工零件面向碳排放的工艺Β0Μ结构为：
[0062] (1)零件的结构信息，结构信息包括三个等级:零件层，由P表示;组合特征层，由CF 表示;基本特征层，由BF表示;结构信息中重复信息指多个相同的基本特征在同一平面上的 分布排列个数；
[0063] (2)基本特征的工艺信息，包括可选加工方法、每个加工方法的加工阶段、机床、刀 具、装夹信息和切削参数，装夹信息包括夹具和装夹面；
[0064] (3)每个切削元对应的工艺编号；
[0065] (4)每个切削元对应的碳排放信息，包括物料碳、能源碳、废弃物碳及其总碳排放。
[0066] 本发明进一步的改进在于，步骤3)中，切削元定义为连续时间内同一把刀具对同 一加工特征采用同一组切削参数所进行的一次切削过程。
[0067] 本发明进一步的改进在于，步骤3)中，基于加工零件面向碳排放的工艺Β0Μ的两切 削元之间碳排放计算规则为：
[0068] (1)规则1:比较工艺路线中每两个相邻的工艺编号，如果机床编号D的值不同，则 表示这两个切削元之间需要更换机床，这涉及到工件在机床之间的运输过程，不属于零件 加工工艺过程；
[0069] (2)规则2:规则1比较结束的情况下，在保证相同机床的条件下比较刀具编号，如 果刀具编号的值不同，则说明两个相邻切削元间需要进行自动换刀动作；
[0070] (3)规则3:在保证相同机床的条件下比较装夹编号，如果装夹编号的值不同，则说 明两个相邻切削元间所用的夹具或装夹表面不同，需要进行重新装夹操作。
[0071 ]本发明与现有技术相比，其优点在于：
[0072] (1)针对复杂的加工过程机床能耗问题，本发明对机床进行功能分解，并将分解后 的每个动作视为一个个体，每个个体的生命周期包含三个阶段：启动阶段、稳定运行阶段、 关闭阶段。对每个个体的不同阶段的能耗情况分别进行分析建模，得到一种全面计算加工 过程能耗的方法。同时，设计一个三维的能耗模型集以方便组织车间中复杂多变的能耗模 型。
[0073] (2)本发明中以制造特征为基本的碳排放计算单元，避免了直接分析整个零件碳 排放的复杂性，同时降低了计算的复杂性。而且，制造特征是标准形状，其碳排放计算过程 统一，适用性强，易于编程实现。
[0074] (3)本发明所设计的c-PBOM在使用逻辑上与零件的工艺规划一致，因此可以很方 便地对同一零件不同的工艺路线进行碳排放量化，在加工中选用不同的加工顺序，不同的 机床，不同的刀具，都可以根据c-PBOM高效的计算出其碳排放，所以本发明提出的量化策略 是一套适用性强的系统化过程。
【附图说明】：
[0075] 图1加工过程的碳排放边界及流动特性；
[0076] 图2梯形进给速度曲线和三角形进给速度曲线；
[0077]图3三维能耗模型集示意图；
[0078]图4零件的特征分解；
[0079] 图5组合特征的不同加工顺序示意图，其中，图5(a)为组合特征的第一种加工顺序 示意图，图5(b)为组合特征的第二种加工顺序示意图；
[0080] 图6为轴承座的三视图，图6(a)为主视图，图6(b)为剖视图，图6(c)为俯视图，图6 (d)为轴测图；
[0081] 图7为轴承座毛坯的结构示意图，其中，图7(a)为主视图，图7(b)为左视图。
【具体实施方式】：
[0082]以下结合附图对本发明做出进一步的详细说明。
[0083] 机械加工工艺过程是以机械加工方法按一定顺序逐步地改变毛坯形状、尺寸、相 对位置和性能等，直至成为合格零件的过程，在这个过程中，伴随着毛坯材料的减少，设备 的损耗，同时也有能量的消耗和废弃物的产生，因为能量的消耗主要是电能，不直接消耗碳 基燃料，所以机械加工工艺过程只产生间接的碳排放。本文以机械加工工艺过程（以下简称 加工过程)为研究对象，依据加工过程的特点定义三种碳排放源：
[0084] 1)物料碳:加工过程消耗工件材料和刀具，以及切削液的制备过程产生的碳排放；
[0085] 2)能源碳:加工过程中所消耗能量(电能)的制备过程产生的碳排放；
[0086] 3)废弃物碳:加工过程中产生的废弃切肩、刀具以及切削液废弃物的后期处理产 生的碳排放。
[0087] 加工过程的碳排放边界及流动特性可由图1进行概括，可以看出，本文定义的碳排 放从物料及电能的输入开始，依附于加工过程，随着物料流，能量流和废弃物流推进，持续 到形成成品及处理废弃物结束。
[0088] 4.1多源碳排放分析及计算模型
[0089] 根据《IPCC国家温室气体清单指南》，国际上碳排放计量的方法有实测法，物料平 衡法，排放系数法三种，结合研究实际，本发明采用排放系数法:碳排放量=排放系数X活 动强度，其优点在于排放系数可采用宏观数据，容易获取。加工过程中三种碳排放的具体量 化方法如下。
[0090] 4.1.1物料碳
[0091] 物料碳考虑加工过程中报废的刀具、消耗的切削液和切削产生的废弃切肩所导致 的碳排放，所以要计算物料碳首先需要确定各种物料的消耗量。
[0092] (1)刀具生产碳排放
[0093]在制造特征的加工过程中，刀具的消耗量如公式（1)所示，对累加得到的达到磨钝 标准的刀具数向下取整，得到报废的刀具总数Nt。消耗刀具碳排放的计算如公式(2)。
[0095]式中R为所用刀具的允许刃磨次数，t?ttingi为此刀具在特定的切削条件下的切削 时间，T^u为刀具在此切削条件下的刀具寿命。废弃刀具生产导致的碳排放CE_ca取决于 报废的刀具数量：
[0096] CEpt〇〇i = NtXMXEFpt〇〇i (34)
[0097] 式中Μ为报废刀具的质量，EFpt?i为刀具生产的碳排放因子。
[0098] (2)材料生产碳排放
[0099]切除材料过程产生切肩体积为本次切削前后的体积差，造成间接碳排放CEpc；hiPS: [0100] CEPchiP= AVXpXEFPchiP (35)
[0101 ] p为工件材料的密度，EFpc；hiP为工件材料生产的碳排放因子，Δ V为材料切除的体 积。
[0102] (3)切削液生产碳排放
[0103]生产实际中切削液的消耗涉及到切削液的补充与回收利用等很多问题，不能简单 的通过排量计算。消耗切削液造成的碳排放CE#计算如公式：
[0105] To为车间的切削液更换周期，Mo为切削液的初始体积，Ma更换周期中补充的切削液 体积，EFpc；f为生产切削液的碳排放因子。
[0106] 综上所述，物料碳的总量为：
[0107] CEmaterial = CEptool+CEpchip+CEpcf ( 37 )
[0108] 4.1.2废弃物碳：
[0109] 计算加工过程产生的废弃切肩，刀具，切削液在后期处理中产生的碳排放同样需 要先计算产生的废弃物量，三种废弃物量与三种物料的消耗量相同，故其碳排放的计算如 以下公式所示：
[0110] (1)废弃刀具处理碳排放
[0112]式中，EFdt?i为废弃刀具处理的碳排放因子。
[0113] (2)废弃切削液处理碳排放
[0115] EFdrf为废弃切削液处理的碳排放因子。
[0116] (3)废弃切肩处理碳排放
[0117] CEdchiP= AVXpXEFdchip (40)
[0118] EFdchiP为废弃切肩处理的碳排放因子。
[0119] 所以，废弃物碳的总量为：
[0120] CEwaste = CEdtool+CEdcf+CEdchip (41)
[0121] 4.1.3能源碳
[0122] 加工过程中机床的动作复杂，其能耗组成也难以直接得到，分解机床的功能，得到 的子动作主要由表1所示，本发明将每种动作视为一个耗能对象，每个对象的生命周期包括 三个阶段，分析其从启动到结束的耗能情况。
[0123] 表1机床子动作及其生命周期
[0125] 将某个加工阶段中涉及到的各动作所消耗的能量累加即为本次加工能耗，所以重 点是要获得每个动作在其生命周期内的能耗模型。
[0126] (1)主传动碳排放
[0127] 主轴旋转的运动是机床最主要的运动之一，一般作为切削的主运动，带动工件或 刀具旋转，配合着进给运动对工件表面进行切削。主轴旋转能耗也是机床能耗的主要组成 部分之一，主轴旋转功率一方面与机床的性能相关，不同类型数控机床的主轴旋转功率差 异很大；另一方面与加工条件有关，功率随主轴转速的增加而增加，表示为转速的函数P sp (η)，其启动阶段主轴加速到目标转速时间短但功率很大，消耗的电能不能忽略，期间转速 为加速时间的函数，故功率表示为时间的函数P sP-a(t);主轴减速阶段能耗很小，可以忽略 不计，认为主轴停止阶段不产生能耗。
[0129]式中asp为主轴加速阶段的平均加速度，CESP为主运动消耗的电能导致的碳排放， tsp为主轴旋转的时间，EF&。为电能的碳排放因子，E、F、G、Ea、Fa、G a为常数，由试验拟合得 到。
[0130] (2)进给运动碳排放
[0131]进给的功率受机床性能和进给速度两方面的影响，一台机床的进给功率可以表示 为进给速度的函数Pf(vf)，进给的加速和减速阶段都受电机控制，消耗电能，期间进给速度 是时间的函数，故功率表示为时间的函数Pf- a(t)和Pf-d(t)，如果进给距离较短，则只包括加 速进给和减速进给过程(图2)。
[0133] 式中1为进给距离，CEf为进给运动消耗电能导致的碳排放，tf为稳定进给的时间， 3^为进给加速阶段的平均加速度，3^为进给减阶段的平均加速度4』、(：丄儿、(：^ (1』(1、 Cd为常数，由试验拟合得到。
[0134] (3)材料切除碳排放
[0135] 材料切除的能耗包括用于刀尖切除材料的电能和机床负载附加损耗的电能，刀尖 切除材料的功率P?tting作用在工件材料的塑性变形和刀具与工件表面摩擦两方面，主要由 主切削力F。产生，其大小由刀具和工件材料、切削参数共同决定；负载附加损耗? 3是切削负 载作用于主轴传动系统和进给传动系统产生额外损耗，大量实验显*Pa可以表示为P? tting 的二次函数。
[0136] Pcutting = FcXvc
[0137] Pa - aPcutting+￡l Pcutting
[0138] Pmr = Pcutting+Pa
[0139] CEmr=[PmrXtcutting] XEFelec (44)
[0140] Vc为切削速度，主切削力Fc由经验公式得到，a是常数，由试验拟合得到，Pmr为材料 切除动作的功率，t? tting是切削时间。
[0141] (4)基础模块碳排放
[0142] 对具体机床来说，其基础模块(如数控系统、照明等）、自动换刀、喷切削液和自动 排肩的功率一般是恒定的，只与机床的性能有关而不受加工条件的影响，故其功率信息可 由试验获取。
[0143] 机床基础模块运行碳排放：
[0144] CEbm = Pbmtbm XEFelec (45)
[0145] Pb^机床基础模块的运行功率，tbm为机床的运行时间。
[0146] (5)自动换刀动作碳排放
[0147] 自动换刀装置主要包括自动回转刀架、转塔头式换刀装置、带刀库的自动换刀装 置，其换刀能耗取决于转过的刀位数nt，to为转过一个刀位的时间，刀位数决定总换刀时间：
[0148] ttc = t〇Xnt
[0149] CEtc= [Ptcttc+Etcon+Etcoff] XEFelec (46)
[0150] Pt。为换刀装置的功率，Etccin为换刀装置开启时的突变能耗，Etc^ff为换刀装置关闭 时的突变能耗。
[0151 ] (6)喷切削液和自动排肩动作碳排放
[0152] 喷切削液和自动排肩是切削时的辅助，不是必需的动作，假设喷切削液（自动排 肩)在加工过程中存在与否事件为X，存在X为1，不存在X为0。
[0153] CEcfs = Sgn(X) (Pcfstcutting+Ecfson+Ecfsoff) XEFelec (47)
[0154] Prfs为喷切削液的功率，为冷却装置开启时的突变能耗，Erfsciff为冷却装置关 闭时的突变能耗。
[0155] CEcc = Sgn(X) (Pcctcutting+Eccon+Eccoff) XEFelec (48)
[0156] P。。是自动排肩装置的功率，E。。。^自动排肩装置开启时的突变能耗，E_ff是自动 排肩装置关闭时的突变能耗。
[0157] 4.1.4三维能耗模型集
[0158] 由以上讨论可知，能源碳的计算本质上是机床能耗的计算，加工能耗的计算模型 与加工条件密切相关，不同工件材料和机床、刀具的组合对应着不同的能耗及碳排放计算 模型。本文针对具体加工车间分别以工件材料，机床型号，刀具型号为三个维度建立能耗计 算模型集，机床型号决定主轴旋转，快速进给、自动换刀、机床待机、喷切削液、自动排肩动 作的能耗计算模型，工件材料、机床型号、刀具型号共同决定负载阶段的材料切除能耗计算 模型。以D(device)、T(cutting tool)、M(material)三个坐标建立的坐标系中的节点上存 储着对应的能耗计算模型，以此来整合加工车间中的大量加工设备组合所对应的大量能耗 模型，当选择了一组加工设备以后，就可以根据能源碳排放计算模型集选择参数组合确定 碳排放计算模型（图3)，将切削参数代入确定的模型，就可以计算所消耗能量的碳排放。
[0159] 4.2基于特征的(：-?8(11
[0160] 制造特征是零件表面上具有特定形状的部分区域，在STEP标准的AP224应用协议 中提供了多种常见制造特征的参数化定义。一般来说，一个零件包括多个制造特征，比如 孔、面、台阶、槽等。零件的特征结构可分为两个层次，第一层为几何上可继续划分为基本制 造特征的组合特征层，组合特征包括特征交叉、特征嵌套;第二层为基本特征层，指不可分 解的基本形体，一个零件的特征结构如图4。
[0161] 通过特征可以有效的对零件进行描述，而且零件的加工工艺规程就是根据制造特 征设计的，所以从特征着手进行零件加工过程的碳排放分析及计算会使计算过程更符合加 工工艺的设计逻辑同时降低计算的复杂度。
[0162] 零件的特征结构可分为两个层次，第一层为可继续划分为基本制造特征的组合特 征层，组合特征包括特征交叉、特征嵌套;第二层为基本特征层，指不可分解的基本形体，一 个零件的特征结构如图4,每个特征包含材料、形状、尺寸、精度、位置等设计信息。
[0163] 4.2.1设计(3^^(11结构
[0164] 根据零件特征的设计信息推理其加工工艺信息，即零件的工艺规划过程，特征的 工艺信息包括加工方法、加工阶段、加工设备等，通常一个特征可选用的加工方法并不唯 一，而且根据不同的表面精度，特征的加工过程对应加工方法的粗加工、半精加工、精加工 中不同的加工阶段，除此以外，又面临着不同机床和刀具、夹具的选择问题。所以一个特征 一般有多条可选的加工工艺，不同加工工艺产生不同的碳排放，将这些信息组织起来，形成 面向碳排放的零件工艺BOM(c-PBOM)。
[0165] 本发明定义连续时间内相同机床，相同刀具对同一加工特征采用同一组切削参数 所进行的一次切削过程为一个切削元。加工特征的每个加工阶段具有对设备选择的柔性， 对同一加工阶段选择不同的加工设备则为不同的切削元。
[0166] c-PBOM包括以下四个部分的内容：（1)零件的结构信息，结构信息包括三个等级： 零件层，由P表示；组合特征层，由CF表示;基本特征层，由BF表示。结构信息还包括重复信 息，指多个相同的基本特征在同一平面上的分布排列个数；（2)基本特征的工艺信息，包括 可选加工方法、每个加工方法的加工阶段、机床、刀具、装夹信息和切削参数，装夹信息包括 夹具和装夹面；（3)每个切削元对应的工艺编号，工艺编号是连接一个切削元的工艺信息和 碳排放信息的桥梁；（4)每个切削元对应的碳排放信息，包括物料碳、能源碳、废弃物碳及其 总碳排放。
[0167] 4.2.2完成。-卩8(11
[0168] 完成c-PBOM的三个步骤如下：
[0169] 步骤 1:
[0170] 根据零件的几何结构分析和特征识别完成表中的零件结构信息部分，根据结构信 息和车间的加工能力完成每个特征的可选工艺内容。
[0171] 步骤 2:
[0172] 为每个切削元定义工艺编号，工艺编号包括步骤1输入的结构信息和工艺内容，比 如CF2F1R1M1S2D3T2C1，工艺编号是接下来进行碳排放计算的重要依据。
[0173] 步骤 3:
[0174] 根据制造特征的几何信息和相应的工艺编号计算其物料碳及废弃物碳，提取工艺 编号中的机床信息和刀具信息D*T*，在三维能耗模型集中索引相应的能耗计算模型，在切 削加工中，涉及到的机床动作包括材料切除、主运动、进给运动、基础模块运行、喷切削液和 自动排肩，从模型集中获取每个动作相应的功率及能耗模型，将切削参数代入公式中，并以 此计算每道切削元的能源碳，将得到的物料碳、废弃物碳、能源碳填入c-PBOM中的碳排放信 息中，完成整个c-PBOM。
[0175] 需要注意的是，组合特征会产生特征间的形状干涉，构成组合特征的基本特征的 加工顺序会导致碳排放变化，如图5所示的例子，两个槽特征之间有形状的交叉AV，在加工 顺序(a)中，AV属于F2,加工AV的碳排放根据F2的加工条件计算，此时特征F1的碳排放因 为少切除了 A V会产生变化。
[0177] Δ t是加工F1时刀具走过被切除的Δ V的时间。
[0178] ACE= ACEpchiP+ACEdchiP+ACE eiec (50)
[0179] 特别是当特征间的形状干涉破坏了标准的特征形状时，这样计算会更加方便。
[0180] 表2 c-PBOM结构
[0182] 4.3基于c-PBOM的零件加工过程碳排放计算策略
[0183] 零件加工过程的碳排放总量包括工艺路线中每一个切削元产生的碳排放(c-PBOM 表中所示)和每两个切削元之间产生的碳排放。每两个切削元之间的碳排放来自切削元之 间可能存在的自动换刀过程和装夹过程，自动换刀和装夹过程产生的碳排放可以通过工艺 路线中相邻的工艺编号进行识别，结合工艺编号，有三个规则用来推理切削元之间的碳排 放：
[0184] (1)规则1:比较工艺路线中每两个相邻的工艺编号，如过机床编号D的值不同，则 表示这两个切削元之间需要更换机床，这涉及到工件在机床之间的运输过程，不在本发明 的研究范围之内；
[0185] (2)规则2:规则1比较结束的情况下，在保证相同机床的条件下比较刀具编号，如 果刀具编号的值不同，则说明两个相邻切削元间需要进行自动换刀动作。
[0186] 自动换刀过程的碳排放由自动换刀装置产生的碳排放和同时机床基础模块运行 产生的碳排放组成。下式中!^表示j号刀具在刀库(刀架）中的位置。
[0188] (3)规则3:在保证相同机床的条件下比较装夹编号，如果装夹编号的值不同，则说 明两个相邻切削元间所用的夹具或装夹表面不同，需要进行重新装夹操作。
[0189] 装夹过程一般有操作人员完成，其碳排放期间机床基础模块运行产生的碳排放组 成。
[0191] 式中tcda^k取决于操作人员装夹花费的时间。
[0192] 总结上述讨论，零件加工过程的碳排放总量可由下式计算得到：
[0194]物料碳的总量可根据工艺路线由c-PBOM中每个切削元的物料碳累加得到：
[0196]相似的，总的废弃物碳由每个切削元的废弃物碳累加得到：
[0198] 因此，总的能源碳为：
[0199] CEtotal e = CEtotal_CEtotal_m_CEtotal_w (56 )
[0200] 4.4案例验证
[0201 ]以一个轴承座的机加工过程作为案例，完整的解释本文所提出的碳排放量化策略 的应用过程并验证其可行性。图6所示为这个轴承座的三视图。
[0202] 4.4.1工件分析
[0203] 图示轴承座零件材料为铸铁，轴承座的几何结构如表3所示，其主要由孔特征和面 特征构成，包括五个基本特征和两个组合特征，两个组合特征分别由两个基本特征组成，每 个特征的加工余量由毛坯分析得到。图7为轴承座的毛坯，表4为车间内可用来加工这个轴 承座的机床和刀具信息。根据毛坯、特征属性和车间加工能力推理出可选加工工艺，将零件 结构信息和加工工艺信息填入c-PBOM中（表6)，用以计算碳排放信息。
[0204] 表3轴承座的几何结构
[0205]
[0206] 表4车间可选的机床和刀具
[0209] 4.4.2各切削元碳排放计算
[0210] 在完成了 c-PBOM中的零件结构信息和工艺信息后，每个切削元的碳排放可结合工 艺编号和碳排放计算模型进行计算。以粗铣F1为例，其工艺编号为F1R1M1S1D2T2C1。
[0211] (1)物料碳
[0212] 铸铁的密度p是7300kg/m3。生产铸铁的碳排放因子是2.22kgC02/kg。所以本道切削 元的切肩碳排放可由下式计算得到：
[0213] CEPchip= A VXpXEFPchip = 0.082X0.038X0.002X7300X2.22 = 0.101kgC02
[0214] 粗铣FI使用的刀具是T2(铣刀1)，T2的使用寿命取决于切削参数，在本次加工中的 刀具寿命T21c为42min。刀具生产的碳排放因子是33.75kgC0 2/kg，T2的质量是30g。因此因为 报废刀具产生的碳排放可由下式计算：
[0218] 可以看出，在这次切削中，刀具的磨损量并没有达到刀具报废标准，所以报废的刀 具数量为零，也就是说因报废刀具产生的碳排放CE_ca为零。将刀具T2的磨损率δ记录为刀 具信息，用于再次使用时叠加。
[0219] 加工中采用的切削液为水溶性液体切削液，其生产过程的碳排放因子EFpc；f为 0.469kgC02/L。切削液的更换周期为两个月，切削液箱中切削液的初始体积Mo为500L，后期 添加的切削液体积Ma*200L，所以：
[0221 ]粗铣F1过程的物料碳为：
[0222] CEmaterial = CEPt〇〇i+CEPcf+CEPchiP = 0.101+0+0.005 = 0.106kgC〇2
[0223] (2)废弃物碳
[0224] 废弃切削的处理过程的碳排放因子EFdchit*0.361kgC02/kg。切削液的废弃处理碳 排放因子EFdcf为3.782kgC0 2/L。所以粗铣F1过程产生的废弃物碳为：
[0225] CEwaste = CEdchip+CEdtool+CEdcf
[0226] =0 · 046 X 0 · 361+0 · 01 X 3 · 782 = 0 · 017+0 · 039 = 0 · 056kgC〇2
[0227] (3)能源碳
[0228] 提取工艺编号中的机床信息和刀具信息D2T2,在三维能耗模型集中索引相应的能 耗计算模型，代入切削参数得到的能耗信息如表5所示：
[0229] 表5切削元F1R1M1S1D2T2C1的能耗信息
[0230]
[0231] 粗铣F1的切削时间是1.804min;快速进给的时间是0.85s。进给距离短，所以进给 过程只有加速和减速过程没有稳定进给过程。在这次加工中主运动的时间，喷切削液和基 础模块运行的时间都是1.804min.电力的碳排放因子EF eiec为0.7045kgC02/L。
[0232] CEelec = Σ CEmr+ Σ CEsp+ Σ CEf + Σ CEbm+ Σ CEcf s+ Σ CEcc
[0233] =(883.5 X1.804 X 60+3068.6+357.5 X1.804 X 60+62.7+56+
[0234] 364.4 X 1.804 X 60+290.5 X 1.804 X 60 )J X 0.7045kgC02/kwh
[0235] =0.041kgC〇2
[0236] 粗铣F1(F1R1M1S1D2T2C1)的三种碳排放的计算过程如以上，对于其他的切削元， 计算方法都与粗铣F1是相同的，计算c-PBOM中所有特征各切削元的碳排放填入对应的碳排 放?目息中，完成c -PB0M。
[0237] 4.4.3全工艺路线碳排放计算
[0238] 加工本轴承座选用的工艺路线及每道工步在c-PBOM中对应的编号如下：
[0239] 粗铣 F2(F2R2M1S1D2T3C2)_ 粗铣 FI (F1R1M1S1D2T2C1)-精铣 FI (F1R1M1S2D2T2C1 )-扩 F3(CF1F3R1M1S1D3T9C3)_ 铰 F3(CF1F3R1M1S2D3T11C3)_ 镗孔 F4(CF1F4R1M1S1D1T1C3)_ 钻 卩6(0卩2卩61?2115104了8(：1)-钻卩5(卩51?2115104了7(：1)-铰卩5(卩51?21152041!0(：1)-钻卩9 (F 9R1M1S1D4T6C1)_ 锪孔 F7(CF2F7R2M1S1D4T12C1)_ 钻 F8(F8R1M1S1D4T5C3)
[0240] 由以上工艺路线和已完成的c-PBOM计算轴承座加工过程的碳排放总量，根据规则 3对所有相邻的工步编号进行比较，可以知道加工过程中共需要3次重新装夹，根据操作人 员的装夹速度，平均每次装夹需要1分钟，所以装夹过程产生的碳排放为：
[0241 ] CEclamp = Pbm X tclamp X EFelec= (364.4X3X60)JX0.7045kgC〇2/kwh
[0242] =0.013kgC02
[0243] 根据规则2对所有相邻的工步编号进行比较，可以知道加工过程中共有7次自动换 刀过程，以工步F2R2M1S1D2T3C2和工步F1R1M1S1D2T2C1之间的换刀过程为例，机床D2换刀 时每转过一个刀位耗时0.8s，刀具T3在刀库中位置是5号，T2位置是2号，所以装夹过程产生 的碳排放为：
[0244] ttd = ni X to = 3X0.8 = 2.4s
[0245] CEtc= [ (Ptc+Pbm) X tc+EtcOn+EtcOff] XEFelec
[0246] = [ (75.3+364.4) X 2.4+6.2+80.4]JX0.7045kgC02/kwh
[0247] =2.23X10-4kgC02
[0248] 其他换刀过程的碳排放的计算与此相同，得到7次换刀过程的碳排放总量为：
[0250]由以上讨论可知，轴承座加工过程的碳排放总量为：
[0252]总的物料碳通过公式得到，废弃物碳通过公式得到，能源碳通过公式得到：
[0255] CEtotal-e = CEtotal-CEtotal-m-CEtotal-w = 0 · 641kgC〇2
【主权项】
1. 一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其特征在于，包括W下步 骤： 1) 依据加工过程的特点定义零件机械加工过程中的Ξ种碳排放源，包括物料碳、能源 碳和废弃物碳； 2) 分别给出物料碳、能源碳和废弃物碳的计算公式； 3) 设计待加工零件面向碳排放的工艺BOM，分析待加工零件的加工特征，完成对待加工 零件的面向碳排放的工艺BOM的零件结构部分和工艺内容部分，根据待加工零件的零件结 构部分和工艺内容部分结合步骤2)给出的物料碳、能源碳和废弃物碳的计算公式，得到待 加工零件每个加工特征的每个切削元的物料碳、能源碳和废弃物碳，同时根据基于加工零 件面向碳排放的工艺BOM的两切削元之间碳排放计算规则计算待加工零件工艺路线相邻两 个阶段因换刀动作和装夹操作产生的能源碳，待加工零件机械加工过程碳排放量即为工艺 路线中所有切削元的物料碳、能源碳和废弃物碳与工艺路线中相邻两个切削元之间因换刀 动作和装夹操作产生的能源碳之和。2. 根据权利要求1所述的一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其 特征在于，步骤1)中，物料碳为加工过程消耗工件材料和刀具，W及切削液的制备过程产生 的碳排放； 能源碳为加工过程中所消耗能量的制备过程产生的碳排放； 废弃物碳为加工过程中产生的废弃切屑、刀具W及切削液废弃物的后期处理产生的碳 排放。3. 根据权利要求2所述的一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其 特征在于，步骤2)中，物料碳的计算包括： (1) 刀具生产碳排放 在制造特征的加工过程中，刀具的消耗量如公式（1)所示，对累加得到的达到磨纯标准 的刀具数向下取整，得到报废的刀具总数Nt，消耗刀具碳排放的计算如公式(2):(I) 式中，R为所用刀具的允许刃磨次数，twttingi为此刀具在特定的切削条件下的切削时 间，TtDDll为刀具在此切削条件下的刀具寿命，废弃刀具生产导致的碳排放CEptDDl取决于报 废的刀具数量： CEptool = Nt X Μ X EFptool (2) 式中，Μ为报废刀具的质量，EFptDDi为刀具生产的碳排放因子； (2) 材料生产碳排放 切除材料过程产生切屑体积为本次切削前后的体积差，造成间接碳排放CEpehip为： CEpchip 二 Δ V X P X EFpchip (3) 式中，P为工件材料的密度，EFpchip为工件材料生产的碳排放因子，A V为材料切除的体 积； (3) 切削液生产碳排放 消耗切削液造成的碳排放CEpcf计算如公式：巧 式中，To为车间的切削液更换周期，Mo为切削液的初始体积，Ma为更换周期中补充的切 削液体积，EFpd为生产切削液的碳排放因子； 综上所述，物料碳的总量为：(5)。4. 根据权利要求2所述的一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其 特征在于，步骤2)中，废弃物碳的计算如下： (1) 废弃刀具处理碳排放樹 式中，EFdtDDi为废弃刀具处理的碳排放因子； (2) 废弃切削液处理碳排放(7) 式中，EFdd为废弃切削液处理的碳排放因子； (3) 废弃切屑处理碳排放 CEdchip 二 Δ V X P X EFdchip (8) 式中，EFdchip为废弃切屑处理的碳排放因子； 所W，废弃物碳的总量为： CEwaste = CEdtool+CEdcf+CEdchip (9) 〇5. 根据权利要求2所述的一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其 特征在于，步骤2 )中，能源碳CEele。分解为屯个子模块的能源碳，分别为： 机床主传动模块碳排放CEsp、进给传动碳排放CEf、刀具切除工件材料过程碳排放CEmr、 机床基础模块运行碳排放CEbm、机床自动换刀过程碳排放CEt。、机床喷切削液过程碳排放 CEcfs W及机床自动排屑模块碳排放CE?，且有计算公式如下：(III) 式中tsp为主轴旋转的时间，tsp-a为主轴加速的时间，EFelec为电能的碳排放因子，Psp为 主轴稳定旋转时的功率，Psp-a为主轴加速阶段的功率，η为主轴旋转的转速；(II,) 式中tf为稳定进给的时间，tf-a为进给加速的时间，tf-d为主轴加速的时间，Pf为稳定进 给时的功率，Pf-a为加速进给阶段的功率，Pf-d为减速进给阶段的功率，Vf为旋转的转速， EFelec为电能的碳排放因子； CEmr二[Pmr X tcutting] X EFele。 (12) Pmr为材料切除动作的功率，Cutting为切削时间； CEbm=PbmtbmXEFele。 (13) Pbm为机床基础模块的运行功率，tbm为机床的运行时间； CEtc二[Ptc-ttc~l~Etcon~l~Etcoff ] X EFele。 （14) Ptc为换刀装置的功率，tt。为换刀时间，Et。。。为换刀装置开启时的突变能耗，EtcDff为换刀 装置关闭时的突变能耗； CEcfs = Sgn (X) (Pcfstcutting+Ecfson+Ecfsoff ) X EFelec (15) Pcfs为喷切削液的功率，Ecfson为冷却装置开启时的突变能耗，Ecfsoff为冷却装置关闭时 的突变能耗； CEcc二 Sgn(X) (Pcctcutting+Eccon+Eccoff ) X EFele。 (16) Pec为自动排屑装置的功率，Ecc。。为自动排屑装置开启时的突变能耗，Ecceff为自动排屑 装置关闭时的突变能耗。6. 根据权利要求1所述的一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其 特征在于，步骤3)中，待加工零件面向碳排放的工艺B0M结构为： (1) 零件的结构信息，结构信息包括Ξ个等级：零件层，由P表示；组合特征层，由CF表 示;基本特征层，由BF表示;结构信息中重复信息指多个相同的基本特征在同一平面上的分 布排列个数； (2) 基本特征的工艺信息，包括可选加工方法、每个加工方法的加工阶段、机床、刀具、 装夹信息和切削参数，装夹信息包括夹具和装夹面； (3) 每个切削元对应的工艺编号； (4) 每个切削元对应的碳排放信息，包括物料碳、能源碳、废弃物碳及其总碳排放。7. 根据权利要求1所述的一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其 特征在于，步骤3)中，切削元定义为连续时间内同一把刀具对同一加工特征采用同一组切 削参数所进行的一次切削过程。8. 根据权利要求1所述的一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其 特征在于，步骤3)中，基于加工零件面向碳排放的工艺B0M的两切削元之间碳排放计算规则 为： (1) 规则1:比较工艺路线中每两个相邻的工艺编号，如果机床编号D的值不同，则表示 运两个切削元之间需要更换机床，运设及到工件在机床之间的运输过程，不属于零件加工 工艺过程； (2) 规则2:规则1比较结束的情况下，在保证相同机床的条件下比较刀具编号，如果刀 具编号的值不同，则说明两个相邻切削元间需要进行自动换刀动作； (3) 规则3:在保证相同机床的条件下比较装夹编号，如果装夹编号的值不同，则说明两 个相邻切削元间所用的夹具或装夹表面不同，需要进行重新装夹操作。
【文档编号】G05B19/4065GK106094729SQ201610556300
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】周光辉, 周策, 田长乐, 鲁麒
【申请人】西安交通大学