三維模型驅動的零件切削過程碳排放評估

張 雷 蔣詩新 張偉偉

合肥工業大學機械工程學院,合肥,230009

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三維模型驅動的零件切削過程碳排放評估

張 雷 蔣詩新 張偉偉

合肥工業大學機械工程學院,合肥,230009

針對傳統產品生命周期碳排放評估方法對產品開發周期的延拓問題，將零件切削過程作為研究對象，以典型加工工步特征為核心，構建了輸入-加工-輸出切削工步系統模型；在分析典型機床加工特點及其碳排放影響因素的基礎上，建立了零件機加工工藝過程碳排放量化公式，提出了基于Pro/E環境的零件切削過程碳排放量化評估方法。該方法在Pro/E平臺上利用Pro/Toolkit函數自動識別與提取零件模型信息，再結合工藝方案與工藝過程量化公式，在零件設計過程中就可實現其工藝碳排放的量化評估。

切削過程；碳排放；模型信息提取；Pro/E二次開發

0 引言

近年來國內外學者對機械制造工藝過程中的碳排放進行了廣泛研究。伊瑞雪等[1]對車削、鑄造、焊接、自由鍛等工藝過程的碳排放進行了分析，并建立了碳排放特性函數。羅毅等[2]基于GRNN網絡對二氧化碳氣體保護焊工藝碳排放進行了建模和參數優化。劉學平等[3]研究了注塑過程中的碳排放，估算及比較了同一零件在不同切削條件下的工藝碳排放。SORMAZ[4]提出了一種用于干切削、少切削液切削及普通切削碳排放的評估模型，在該模型中認為零件材料及金屬去除體積相同的情況下，加工能耗所導致的碳排放一致，忽略了切削參數對金屬切削比能耗的影響，因此無法提供一個準確的碳排放評估結果。劉瓊等[5]提出了一種基于制造過程的碳足跡計算方法，并使用遺傳算法進行碳排放優化。此外，人們還建立了一些工藝碳排放評估模型[6-9]。這些研究都集中在產品制造過程中，再通過后期環境評估結果對產品零件的結構和制造工藝進行改進，這一系列的改進優化過程會延長產品的開發周期，甚至會錯過商業機會。

基于以上問題，本文在分析典型切削過程碳排放的基礎上，對Pro/E軟件進行二次開發，在產品設計階段基于Pro/E平臺根據工藝規劃對設計零件的碳排放做出實時的量化評估，從而選擇出合適的設計方案。

1 零件切削過程碳足跡模型

本文按照零件切削過程中的工步特征對產品碳足跡進行建模。為了便于描述零件切削過程的碳排放，將切削過程看成一個輸入-加工-輸出(input-process-output, IPO)系統,則切削工步系統(cutting process system, CPS)可表示為

SCP=(I,P,O,C)

(1)

式中，I為切削過程的輸入，包括零件毛坯、輔助材料、能源、刀具等；P為加工過程，本文主要指輔助工藝、切削活動、加工設備等；O為輸出，即加工好的零件及切削過程的排放物；C為切削過程中受到的約束。

基于輸入-加工-輸出系統的零件切削過程碳足跡模型如圖1所示，圖中，GHG為溫室氣體。

圖1 零件切削過程碳足跡模型Fig.1 The carbon footprint model of the components cutting process

整個切削過程的碳排放是以切削工步系統為核心，逐層累加得到的。零件切削過程碳排放

(2)

式中，Gi為第i個切削工步系統的碳排放量；n為切削過程中所經歷的工步數。

2 零件切削過程碳足跡分析

2.1 切削過程碳排放影響因素分析

將零件切削過程看作IPO系統構造切削過程碳足跡模型，單個切削工步系統輸入原材料毛坯、能源、輔助材料、刀具，經過加工設備的加工處理輸出廢物與被加工件。該過程中碳排放來源主要有三部分：輸入能源的過程、物質資源的過程以及輸出的廢氣。生命周期評價理論中一般將碳排放分為直接碳排放與間接碳排放兩類。直接碳排放是指工藝過程中直接向空氣中排放的溫室氣體。間接碳排放是指物料消耗及能源消耗引起的溫室氣體排放，包括能源、物質資源的生產、運輸、銷售等與產品制造相關的過程產生的碳排放。由于切削過程中直接碳排放量很少，主要是間接碳排放，因此本文主要考慮間接碳排放因素。

典型切削加工過程中影響機床能耗的因素包括被加工件材料、刀具材料、切削用量、機床功率等，而影響機床物質資源消耗的因素包括切削液的使用、刀具的磨損等。詳細的碳排放影響因素分析如圖2所示。在切削過程物質資源的消耗中，切削液是循環使用的，且循環周期較長(1～3個月)，分配到單個零件上的消耗量很少；對于刀具的磨損，單個零件切削時間遠遠短于刀具壽命；此外，切削過程中產生的切屑也可以回收再利用。由此，切削過程中物質資源的消耗引起的碳排放占總排量的比例較小(小于5%)，其物質資源的消耗不是切削過程碳排放的關鍵影響因素。為了簡化量化的難度，在進行切削過程碳排放量化時忽略次要因素，僅考慮關鍵影響因素，即切削過程能源的消耗所產生的碳排放。

圖2 切削過程碳排放因素分析Fig.2 The carbon emission factors analysis in cutting process

機床對切削過程碳排放的影響表現在機床的功率與加工時間上，機床的功率越大，在切削過程中消耗電能就越多，產生的碳排放也就越高。加工時間主要由被加工件材料、刀具材料、切削用量等共同決定。切削用量指切削中人為設定的加工參數，包括背吃刀量、進給量和主軸轉速(切削速度)。切削用量的選擇影響切削加工的效率，從而影響加工過程中的能耗，并最終對切削碳排放量產生影響。切削用量的選擇與被加工件的材料、切削刀具有關，不同刀具加工不同材料的零件所選用的切削用量是不同的，因此，選擇合適的切削用量可以優化加工過程的碳排放量。

綜上所述，切削加工過程中能源的消耗是碳排放的關鍵影響因素，而能耗主要由切削時間與切削功率所決定，因此，要量化切削過程的能耗就必須分析確定切削功率與切削時間。

2.2 典型切削工藝能耗計算

2.2.1 車削

根據研究分析，主傳動系統的能耗是機床全部能耗的主體，臥式車床主傳動系統的能耗占機床總能耗的95%以上[10]，故可將機床主傳動系統的能耗近似作為車削過程總能耗。機床主傳動系統的能耗是由車床功率和車削時間決定的。對于切削功率，在制定加工工藝時其相應的加工設備型號已確定，雖然在切削過程中切削功率會隨著負載的變化而變化，但對于單個零件其切削時間較短，故切削功率可以按照加工設備的額定功率計算；對于切削時間，零件切削時間一般包括空載時間、加工時間和換刀時間，但由于機床空載及換刀時間難以統計且所占比例較小，此外對于不同結構方案與工藝方案的零件加工過程，其空載時間與換刀時間近似相等，在對比分析多個方案時，這部分的碳排放量相互抵消，因此，本文只考慮加工時間。切削過程中加工時間t根據設備的加工特點可按照下式計算：

t=V/η

式中，V為需去除材料的體積；η為材料去除率。

根據上述定義，零件車削過程能耗量化公式可近似歸納為

(3)

式中，n為主軸轉速，r/min；L為車削長度，mm；Δ為加工余量，mm；f為進給量，mm/r；ap為背吃刀量，mm；PC為車床功率，kW。

車削過程能耗與車削的材料體積、材料去除率有關。車床是典型的二坐標軸機床，車削的材料體積主要由切削余量與切削長度共同決定，加工余量與切削長度越大，切削過程能耗越大。單位時間車削的體積(即材料去除率)主要由背吃刀量、進給量、主軸轉速決定，因此通過提取被加工件模型的加工信息求出車削時間后即可量化切削過程的能耗。

2.2.2 銑削

銑削加工可分為周銑和端銑，兩種類型切削方式所用刀具不同，特點也不同，但兩種銑削過程的切削機理相似。根據上節對切削功率與切削時間的定義以及銑床加工特性，歸納出銑削加工過程中能耗的近似量化公式：

(4)

(5)

2.2.3 磨削

磨削加工類型主要有外圓磨削、內圓磨削、平面磨削和無心磨削，不同類型的磨削加工方式能耗也各不相同，本文以外圓磨削為例分析其能耗情況。根據文中對切削功率與切削時間的定義以及磨床加工特性，歸納出磨削加工過程中能耗的近似量化公式：

(6)

ZM=πdmnmaefl

(7)

式中，ZM為磨削金屬切削率[12]，mm3/min；dm為待加工零件直徑，mm；nm為待加工零件轉速，r/min；fl為縱向進給量，mm/r；PM為磨床功率，kW。

2.2.4 鉆削

鉆孔、擴孔、鉸孔等孔加工工藝刀具運動軌跡相似，均為沿孔的軸線運動。根據文中對切削功率與切削時間的定義以及鉆床加工特性，歸納出鉆削加工過程中能耗的近似量化公式：

(8)

式中，H為沿軸線方向加工深度，mm；PZ為所用設備的功率，kW。

2.3 切削能耗與碳排放折算

目前計算產品生命周期碳排放的方法總體來說可歸納為兩類:第一種為通過經驗估算各種參數，找到近似目標函數,此類方法雖然計算過程簡單，卻難以保證其計算精度，且適用范圍小;第二種常見的方法是以能源為基本輸入，溫室氣體為輸出,通過各種能源的碳排放系數，折算成該過程相應的碳排放量[12],該方法雖然可以精確計算出結果，但數據收集的復雜性并不利于該方法的推廣。對零件切削過程而言，其碳排放主要由各切削工藝產生，典型切削工藝加工過程中的能耗均按照上述公式計算獲得,故以第二種方法為基礎，計算出零件切削工程的總能耗，再綜合考慮碳排放因子(2014年我國主要電網碳排放因子見表1)即可得到零件切削工程的碳排放量:

(9)

式中，Ei為第i個過程電能消耗，kW·h；Eelc為電能碳排放因子，kg/(kW·h)(二氧化碳當量)。

上述切削過程能耗量化模型中，有些參數(如車削長度、鉆削深度、切削用量等)需在Pro/E平臺下，根據零件模型信息、人機交互的工藝信息及后臺材料數據庫通過特征識別技術對其進行提取。由此，加工過程中零件信息的提取對實現Pro/E平臺下零件工藝過程碳排放評估至關重要。

表1 主要電網碳排放因子[13]

3 零件信息提取

3.1 零件模型信息

零件信息主要由零件層、特征層、特征工藝層、零件工藝層組成(圖3)[14]。通過對零件特征的拾取及其零件加工工藝的匹配可在Pro/E中實現對零件碳排放的量化評估。在計算切削過程碳排放時有些參數(如曲面面積、孔深度)可直接作為某道工序的碳排放計算的參數；有些參數不能直接獲得，如車削階梯軸時，車削長度參數受到零件上一工步的影響不能直接用于碳排放計算，就必須通過拾取多個特征信息，經過后臺算法的處理來進行該工步的碳排放計算。

圖3 零件信息層次結構Fig.3 The information hierarchy of component

3.2 特征定義

特征是零件信息的載體，一個具體的零件由特征的集合構成。在Pro/E二次開發技術中，特征是一種結構體類型數據，其定義如下：

typedef struct pro_model_item

{

ProType type;

Int id;

ProMdl owner;

}ProFeature

在Pro/E中特征采用樹形結構進行描述，拉伸模型特征樹見圖4。特征樹將特征結構體數據通過樹形結構進行直觀的表示，一個特征樹代表一個確定的特征，樹的節點和分支稱為元素，特征樹包含了一個特征的全部所需信息：①特征屬性，如旋轉掃掠的方向、角度，孔的放置位置坐標等；②參照元素，如參照面、基準面、草繪面等；③草繪參照，如同心圓圓心；④確定特征的尺寸值,如拉伸長度尺寸、旋轉角度尺寸等。

圖4 拉伸特征樹Fig.4 Stretch feature tree

3.3 特征信息的提取

在Pro/E中設計的零件通常是由實體、曲面和一些參考基準面等對象構成的，這些對象通過拉伸、旋轉、掃描等特征組成，本文通過二次開發技術設計程序來遍歷所有的特征項，從而對零件模型信息進行提取，提取流程如圖5所示。

圖5 特征信息提取流程Fig.5 The extraction process of feature information

首先,使用ProSolidFeatVisit()函數對零件所有特征進行訪問，并通過循環結構逐個遍歷零件的特征項，通過循環使用動作訪問函數ProFeatureVisitAction()和過濾函數ProFeatureFilterAction()獲取可見特征項。動作訪問函數是控制遍歷的開始和結束，存儲獲取的對象數據，當動作訪問函數返回值為PRO_TK_NO_ERROR時表示遍歷結束。訪問過濾函數的作用是根據所設定的條件有選擇性地遍歷特征，當函數返回PRO_TK_CONTINUE時表示進行遍歷，返回PRO_TK_NO_ERROR時表示跳過遍歷。

然后,編寫信息檢索函數對特征信息進行提取，針對不同的對象需要編寫不同的檢索函數，如獲取拉伸特征的拉伸長度需要編寫拉伸信息檢索函數，函數中調用Pro/Toolkit中的檢索函數：

ProDimensionTypeGet ();//獲得尺寸的類型，如線性、半徑、直徑、角度等

ProDimensionDisplayedValueGet () ; //獲得尺寸的基本值

ProDimensionAttachmentsGet (); //獲得尺寸的附著對象

通過檢索函數獲取模型特征中的信息，由此提取特征層所有信息。此外，特征工藝層到零件工藝層中特征的關聯映射通過人機互動方式輸入零件的工藝方案來完成。

4 零件切削過程碳排放評估的實現

4.1 平臺總體結構

切削碳排放評估(cutting-carbon assessment, CCA)平臺是在Pro/E環境下，基于生命周期碳排放理論與Pro/E二次開發技術開發的適用于評估零件切削過程碳排放的LCA/CAD集成平臺。Pro/Toolkit二次開發分為同步模式和異步模式。本文插件系統采用同步模式，零件切削過程碳排放評估在Pro/E下同步運行。開發的主要步驟為：第一，制作用戶自定義菜單并編寫系統UI對話框；第二，根據上述建立的切削過程量化模型通過編譯軟件Visual Studio 2010采用VC++語言進行程序設計，并生成MFC DLL文件；第三，編寫注冊文件；第四，在Pro/E中通過注冊文件讀取DLL文件與資源文件從而驅動插件系統。此種方式開發的插件運行速度快且兼容度高、穩定性好。

CCA插件系統的運行主要有三步：第一步是結構方案的確定，該過程包括零件三維模型的構建、零件材料的選擇；第二步是工藝方案的確定，對于確定的零件結構與材料，通過工藝設計對話框按照步驟完成零件的工藝設計，并將工藝信息保存；第三步是零件切削過程碳排放評估，通過提取的工藝信息及模型的幾何信息在Pro/E中按照既定程序對零件切削過程碳排放作出評估。系統碳排放評估流程如圖6所示。

圖6 CCA碳排放評估流程圖Fig.6 The carbon emission assessment process of CCA

4.2 數據的管理

評價零件切削工程碳排放需要大量的數據支持，CCA插件系統借助Access建立相應的數據庫管理系統。利用Access數據庫建立零件材料數據庫，以ADO作為數據庫訪問接口實現對數據的調用、修改、添加等訪問操作。在零件結構設計完成后，通過訪問材料數據庫來選擇零件材料。材料設置界面如圖7所示。

圖7 材料的設置Fig.7 Material setting

此外，插件系統通過接插件模塊開發支持零件設計的零件模型庫，在零件結構設計過程中，通過接插件查詢，調用符合要求或近似符合要求的三維模型，實現三維模型的重用，縮短產品開發周期。接插件查詢界面如圖8所示。

5 實例

以某型號滾筒洗衣機的法蘭軸(作用是將電機的動力傳遞給洗衣機內桶法蘭從而帶動洗衣機內桶轉動)為例，按照設計要求對該法蘭軸進行結構設計，其結構如圖9所示，編制該軸的制造工藝,如表2所示(毛坯為直徑40 mm、長120 mm的棒料)。應用平臺對其切削過程碳排放進行量化評估。

圖8 三維模型庫Fig.8 The library of three-dimensional model

圖9 法蘭軸結構示意圖Fig.9 The structure of flange shaft

在確定零件結構和零件的加工工藝之后，可以運用CCA插件對零件的碳排放進行量化評估(圖10)。評估步驟如下：

(1)設計人員根據功能要求在Pro/E中進行產品零件的結構設計，確定尺寸、公差等參數，生成零件模型。

表2 法蘭軸的制造工藝

圖10 評估分析實例Fig.10 The carbon emission assessment of flange shaft

(2)在系統插件中對產品零件進行材料選擇，根據零件的模型信息進行工藝設計并將其輸入制造過程碳排放評估模塊的對話框中，在填寫單個工步的加工信息時，需要在零件模型上選擇對應的加工特征從而提取相關的參數。如工步3為粗車外圓，在對話框中填寫完相應的加工信息后，設計人員點擊“特征拾取”按鈕并按住“ctrl”鍵依次在模型中選中3個對應的特征，后臺根據程序設定的算法提取切削長度信息。

(3)在制造過程碳排放評估模塊的對話框中按照步驟填寫完整工藝過程。

(4)設計人員點擊“評估計算”可以對零件碳排放進行計算。插件后臺計算碳排放具體流程如圖11所示。

(5)可根據實際中結構、工藝方案多樣性，添加對比案例，從而優選最合適的結構和工藝方案。

圖11 后臺碳排放計算流程Fig.11 The carbon emissions calculation process of system

6 結語

產品的設計不僅需要考慮市場需求、經濟利益、工藝實現等方面因素，還要將環境屬性作為一個重要的設計指標融入到設計中去。在零件設計過程中評估出零件加工工藝的碳排放，對零件結構、工藝改進有著重要的意義。

本文在分析零件切削過程碳排放的基礎上，在Pro/E軟件平臺上運用二次開發技術開發出切削過程碳足跡評估插件，在設計過程中實現了所設計零件切削過程碳排放量的實時量化計算。通過輸入不同的工藝方案、零件材料和不同的零件結構設計方案，比較其碳排放量從而選出最優方案。

該方法將低碳優化設計融入產品的詳細設計階段，在三維設計軟件上通過插件評估反饋的結果對產品零件做出相應的改進，從而優化產品的生命周期環境性能，實現了產品正向的低碳設計。此外該方法通過二次開發技術構建了零件的參數化模塊、模型數據庫模塊等，實現了零件模型的快速設計與模型重用。與傳統產品低碳設計的“設計-評價-再設計”過程相比，很大程度上縮短了產品開發的周期。

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(編輯 袁興玲)

Carbon Emission Assessments of Cutting Processes Driven by 3D Models

ZHANG Lei JIANG Shixin ZHANG Weiwei

School of Machinery Engineering, Hefei University of Technology, Hefei,230009

To solve the problems of product development cycle extended caused by the traditional carbon emission assessment methods, taking shaft cutting processes as the research object, a model of cutting process features of input-process-output were proposed based on the cutting characteristics of typical machine tools. On the basis of analyzing the typical machining characteristics and the factors of carbon emissions, the quantitative formulas of carbon emissions in cutting processes were established and a carbon emission quantitative assessment method of components was proposed based on the Pro/E. Firstly, Pro/E was used to describe the characteristics of components and then extracted the informations of models to calculate the carbon emissions. Secondly, combined with manufacturing process plans and the quantitative formulas of carbon emissions, the carbon emissions of the components were quantified in design phases.

cutting process; carbon emission; model information extraction; Pro/E secondary development

2016-07-29

國家自然科學基金資助項目(51575152)

TH122

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.13.016

張 雷，男，1978年生。合肥工業大學機械工程學院教授、博士。主要研究方向為產品生命周期評價、環境意識下的產品設計、綠色制造。蔣詩新(通信作者)，男，1989年生。合肥工業大學機械工程學院碩士研究生。E-mail:jiangshixinwh@163.com。張偉偉，男，1992年生。合肥工業大學機械工程學院碩士研究生。