三維模型驅(qū)動(dòng)的零件切削過(guò)程碳排放評(píng)估

張 雷 蔣詩(shī)新 張偉偉

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,合肥,230009

?

三維模型驅(qū)動(dòng)的零件切削過(guò)程碳排放評(píng)估

張 雷 蔣詩(shī)新 張偉偉

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,合肥,230009

針對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品生命周期碳排放評(píng)估方法對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的延拓問(wèn)題，將零件切削過(guò)程作為研究對(duì)象，以典型加工工步特征為核心，構(gòu)建了輸入-加工-輸出切削工步系統(tǒng)模型；在分析典型機(jī)床加工特點(diǎn)及其碳排放影響因素的基礎(chǔ)上，建立了零件機(jī)加工工藝過(guò)程碳排放量化公式，提出了基于Pro/E環(huán)境的零件切削過(guò)程碳排放量化評(píng)估方法。該方法在Pro/E平臺(tái)上利用Pro/Toolkit函數(shù)自動(dòng)識(shí)別與提取零件模型信息，再結(jié)合工藝方案與工藝過(guò)程量化公式，在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中就可實(shí)現(xiàn)其工藝碳排放的量化評(píng)估。

切削過(guò)程；碳排放；模型信息提??；Pro/E二次開(kāi)發(fā)

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)械制造工藝過(guò)程中的碳排放進(jìn)行了廣泛研究。伊瑞雪等[1]對(duì)車(chē)削、鑄造、焊接、自由鍛等工藝過(guò)程的碳排放進(jìn)行了分析，并建立了碳排放特性函數(shù)。羅毅等[2]基于GRNN網(wǎng)絡(luò)對(duì)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝碳排放進(jìn)行了建模和參數(shù)優(yōu)化。劉學(xué)平等[3]研究了注塑過(guò)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(píng)估模型，在該模型中認(rèn)為零件材料及金屬去除體積相同的情況下，加工能耗所導(dǎo)致的碳排放一致，忽略了切削參數(shù)對(duì)金屬切削比能耗的影響，因此無(wú)法提供一個(gè)準(zhǔn)確的碳排放評(píng)估結(jié)果。劉瓊等[5]提出了一種基于制造過(guò)程的碳足跡計(jì)算方法，并使用遺傳算法進(jìn)行碳排放優(yōu)化。此外，人們還建立了一些工藝碳排放評(píng)估模型[6-9]。這些研究都集中在產(chǎn)品制造過(guò)程中，再通過(guò)后期環(huán)境評(píng)估結(jié)果對(duì)產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，這一系列的改進(jìn)優(yōu)化過(guò)程會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，甚至?xí)e(cuò)過(guò)商業(yè)機(jī)會(huì)。

基于以上問(wèn)題，本文在分析典型切削過(guò)程碳排放的基礎(chǔ)上，對(duì)Pro/E軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段基于Pro/E平臺(tái)根據(jù)工藝規(guī)劃對(duì)設(shè)計(jì)零件的碳排放做出實(shí)時(shí)的量化評(píng)估，從而選擇出合適的設(shè)計(jì)方案。

1 零件切削過(guò)程碳足跡模型

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

SCP=(I,P,O,C)

(1)

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

基于輸入-加工-輸出系統(tǒng)的零件切削過(guò)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(guò)程碳足跡模型Fig.1 The carbon footprint model of the components cutting process

整個(gè)切削過(guò)程的碳排放是以切削工步系統(tǒng)為核心，逐層累加得到的。零件切削過(guò)程碳排放

(2)

式中，Gi為第i個(gè)切削工步系統(tǒng)的碳排放量；n為切削過(guò)程中所經(jīng)歷的工步數(shù)。

2 零件切削過(guò)程碳足跡分析

2.1 切削過(guò)程碳排放影響因素分析

將零件切削過(guò)程看作IPO系統(tǒng)構(gòu)造切削過(guò)程碳足跡模型，單個(gè)切削工步系統(tǒng)輸入原材料毛坯、能源、輔助材料、刀具，經(jīng)過(guò)加工設(shè)備的加工處理輸出廢物與被加工件。該過(guò)程中碳排放來(lái)源主要有三部分：輸入能源的過(guò)程、物質(zhì)資源的過(guò)程以及輸出的廢氣。生命周期評(píng)價(jià)理論中一般將碳排放分為直接碳排放與間接碳排放兩類(lèi)。直接碳排放是指工藝過(guò)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(zhì)資源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷(xiāo)售等與產(chǎn)品制造相關(guān)的過(guò)程產(chǎn)生的碳排放。由于切削過(guò)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(guò)程中影響機(jī)床能耗的因素包括被加工件材料、刀具材料、切削用量、機(jī)床功率等，而影響機(jī)床物質(zhì)資源消耗的因素包括切削液的使用、刀具的磨損等。詳細(xì)的碳排放影響因素分析如圖2所示。在切削過(guò)程物質(zhì)資源的消耗中，切削液是循環(huán)使用的，且循環(huán)周期較長(zhǎng)(1～3個(gè)月)，分配到單個(gè)零件上的消耗量很少；對(duì)于刀具的磨損，單個(gè)零件切削時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于刀具壽命；此外，切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑也可以回收再利用。由此，切削過(guò)程中物質(zhì)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(zhì)資源的消耗不是切削過(guò)程碳排放的關(guān)鍵影響因素。為了簡(jiǎn)化量化的難度，在進(jìn)行切削過(guò)程碳排放量化時(shí)忽略次要因素，僅考慮關(guān)鍵影響因素，即切削過(guò)程能源的消耗所產(chǎn)生的碳排放。

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

機(jī)床對(duì)切削過(guò)程碳排放的影響表現(xiàn)在機(jī)床的功率與加工時(shí)間上，機(jī)床的功率越大，在切削過(guò)程中消耗電能就越多，產(chǎn)生的碳排放也就越高。加工時(shí)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(shè)定的加工參數(shù)，包括背吃刀量、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)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(guò)程中的能耗，并最終對(duì)切削碳排放量產(chǎn)生影響。切削用量的選擇與被加工件的材料、切削刀具有關(guān)，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?xún)?yōu)化加工過(guò)程的碳排放量。

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

2.2 典型切削工藝能耗計(jì)算

2.2.1 車(chē)削

根據(jù)研究分析，主傳動(dòng)系統(tǒng)的能耗是機(jī)床全部能耗的主體，臥式車(chē)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的能耗占機(jī)床總能耗的95%以上[10]，故可將機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的能耗近似作為車(chē)削過(guò)程總能耗。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的能耗是由車(chē)床功率和車(chē)削時(shí)間決定的。對(duì)于切削功率，在制定加工工藝時(shí)其相應(yīng)的加工設(shè)備型號(hào)已確定，雖然在切削過(guò)程中切削功率會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，但對(duì)于單個(gè)零件其切削時(shí)間較短，故切削功率可以按照加工設(shè)備的額定功率計(jì)算；對(duì)于切削時(shí)間，零件切削時(shí)間一般包括空載時(shí)間、加工時(shí)間和換刀時(shí)間，但由于機(jī)床空載及換刀時(shí)間難以統(tǒng)計(jì)且所占比例較小，此外對(duì)于不同結(jié)構(gòu)方案與工藝方案的零件加工過(guò)程，其空載時(shí)間與換刀時(shí)間近似相等，在對(duì)比分析多個(gè)方案時(shí)，這部分的碳排放量相互抵消，因此，本文只考慮加工時(shí)間。切削過(guò)程中加工時(shí)間t根據(jù)設(shè)備的加工特點(diǎn)可按照下式計(jì)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(jù)上述定義，零件車(chē)削過(guò)程能耗量化公式可近似歸納為

(3)

式中，n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；L為車(chē)削長(zhǎng)度，mm；Δ為加工余量，mm；f為進(jìn)給量，mm/r；ap為背吃刀量，mm；PC為車(chē)床功率，kW。

車(chē)削過(guò)程能耗與車(chē)削的材料體積、材料去除率有關(guān)。車(chē)床是典型的二坐標(biāo)軸機(jī)床，車(chē)削的材料體積主要由切削余量與切削長(zhǎng)度共同決定，加工余量與切削長(zhǎng)度越大，切削過(guò)程能耗越大。單位時(shí)間車(chē)削的體積(即材料去除率)主要由背吃刀量、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，因此通過(guò)提取被加工件模型的加工信息求出車(chē)削時(shí)間后即可量化切削過(guò)程的能耗。

2.2.2 銑削

銑削加工可分為周銑和端銑，兩種類(lèi)型切削方式所用刀具不同，特點(diǎn)也不同，但兩種銑削過(guò)程的切削機(jī)理相似。根據(jù)上節(jié)對(duì)切削功率與切削時(shí)間的定義以及銑床加工特性，歸納出銑削加工過(guò)程中能耗的近似量化公式：

(4)

(5)

2.2.3 磨削

磨削加工類(lèi)型主要有外圓磨削、內(nèi)圓磨削、平面磨削和無(wú)心磨削，不同類(lèi)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(jù)文中對(duì)切削功率與切削時(shí)間的定義以及磨床加工特性，歸納出磨削加工過(guò)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(zhuǎn)速，r/min；fl為縱向進(jìn)給量，mm/r；PM為磨床功率，kW。

2.2.4 鉆削

鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等孔加工工藝刀具運(yùn)動(dòng)軌跡相似，均為沿孔的軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)文中對(duì)切削功率與切削時(shí)間的定義以及鉆床加工特性，歸納出鉆削加工過(guò)程中能耗的近似量化公式：

(8)

式中，H為沿軸線(xiàn)方向加工深度，mm；PZ為所用設(shè)備的功率，kW。

2.3 切削能耗與碳排放折算

目前計(jì)算產(chǎn)品生命周期碳排放的方法總體來(lái)說(shuō)可歸納為兩類(lèi):第一種為通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估算各種參數(shù)，找到近似目標(biāo)函數(shù),此類(lèi)方法雖然計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，卻難以保證其計(jì)算精度，且適用范圍小;第二種常見(jiàn)的方法是以能源為基本輸入，溫室氣體為輸出,通過(guò)各種能源的碳排放系數(shù)，折算成該過(guò)程相應(yīng)的碳排放量[12],該方法雖然可以精確計(jì)算出結(jié)果，但數(shù)據(jù)收集的復(fù)雜性并不利于該方法的推廣。對(duì)零件切削過(guò)程而言，其碳排放主要由各切削工藝產(chǎn)生，典型切削工藝加工過(guò)程中的能耗均按照上述公式計(jì)算獲得,故以第二種方法為基礎(chǔ)，計(jì)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(guó)主要電網(wǎng)碳排放因子見(jiàn)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(gè)過(guò)程電能消耗，kW·h；Eelc為電能碳排放因子，kg/(kW·h)(二氧化碳當(dāng)量)。

上述切削過(guò)程能耗量化模型中，有些參數(shù)(如車(chē)削長(zhǎng)度、鉆削深度、切削用量等)需在Pro/E平臺(tái)下，根據(jù)零件模型信息、人機(jī)交互的工藝信息及后臺(tái)材料數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)特征識(shí)別技術(shù)對(duì)其進(jìn)行提取。由此，加工過(guò)程中零件信息的提取對(duì)實(shí)現(xiàn)Pro/E平臺(tái)下零件工藝過(guò)程碳排放評(píng)估至關(guān)重要。

表1 主要電網(wǎng)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(guò)對(duì)零件特征的拾取及其零件加工工藝的匹配可在Pro/E中實(shí)現(xiàn)對(duì)零件碳排放的量化評(píng)估。在計(jì)算切削過(guò)程碳排放時(shí)有些參數(shù)(如曲面面積、孔深度)可直接作為某道工序的碳排放計(jì)算的參數(shù)；有些參數(shù)不能直接獲得，如車(chē)削階梯軸時(shí)，車(chē)削長(zhǎng)度參數(shù)受到零件上一工步的影響不能直接用于碳排放計(jì)算，就必須通過(guò)拾取多個(gè)特征信息，經(jīng)過(guò)后臺(tái)算法的處理來(lái)進(jìn)行該工步的碳排放計(jì)算。

圖3 零件信息層次結(jié)構(gòu)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(gè)具體的零件由特征的集合構(gòu)成。在Pro/E二次開(kāi)發(fā)技術(shù)中，特征是一種結(jié)構(gòu)體類(lèi)型數(shù)據(jù)，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(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，拉伸模型特征樹(shù)見(jiàn)圖4。特征樹(shù)將特征結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)通過(guò)樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀的表示，一個(gè)特征樹(shù)代表一個(gè)確定的特征，樹(shù)的節(jié)點(diǎn)和分支稱(chēng)為元素，特征樹(shù)包含了一個(gè)特征的全部所需信息：①特征屬性，如旋轉(zhuǎn)掃掠的方向、角度，孔的放置位置坐標(biāo)等；②參照元素，如參照面、基準(zhǔn)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(zhǎng)度尺寸、旋轉(zhuǎn)角度尺寸等。

圖4 拉伸特征樹(shù)Fig.4 Stretch feature tree

3.3 特征信息的提取

在Pro/E中設(shè)計(jì)的零件通常是由實(shí)體、曲面和一些參考基準(zhǔn)面等對(duì)象構(gòu)成的，這些對(duì)象通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征組成，本文通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)程序來(lái)遍歷所有的特征項(xiàng)，從而對(duì)零件模型信息進(jìn)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(shù)對(duì)零件所有特征進(jìn)行訪問(wèn)，并通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)逐個(gè)遍歷零件的特征項(xiàng)，通過(guò)循環(huán)使用動(dòng)作訪問(wèn)函數(shù)ProFeatureVisitAction()和過(guò)濾函數(shù)ProFeatureFilterAction()獲取可見(jiàn)特征項(xiàng)。動(dòng)作訪問(wèn)函數(shù)是控制遍歷的開(kāi)始和結(jié)束，存儲(chǔ)獲取的對(duì)象數(shù)據(jù)，當(dāng)動(dòng)作訪問(wèn)函數(shù)返回值為PRO_TK_NO_ERROR時(shí)表示遍歷結(jié)束。訪問(wèn)過(guò)濾函數(shù)的作用是根據(jù)所設(shè)定的條件有選擇性地遍歷特征，當(dāng)函數(shù)返回PRO_TK_CONTINUE時(shí)表示進(jìn)行遍歷，返回PRO_TK_NO_ERROR時(shí)表示跳過(guò)遍歷。

然后,編寫(xiě)信息檢索函數(shù)對(duì)特征信息進(jìn)行提取，針對(duì)不同的對(duì)象需要編寫(xiě)不同的檢索函數(shù)，如獲取拉伸特征的拉伸長(zhǎng)度需要編寫(xiě)拉伸信息檢索函數(shù)，函數(shù)中調(diào)用Pro/Toolkit中的檢索函數(shù)：

ProDimensionTypeGet ();//獲得尺寸的類(lèi)型，如線(xiàn)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(duì)象

通過(guò)檢索函數(shù)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(guān)聯(lián)映射通過(guò)人機(jī)互動(dòng)方式輸入零件的工藝方案來(lái)完成。

4 零件切削過(guò)程碳排放評(píng)估的實(shí)現(xiàn)

4.1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

切削碳排放評(píng)估(cutting-carbon assessment, CCA)平臺(tái)是在Pro/E環(huán)境下，基于生命周期碳排放理論與Pro/E二次開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)發(fā)的適用于評(píng)估零件切削過(guò)程碳排放的LCA/CAD集成平臺(tái)。Pro/Toolkit二次開(kāi)發(fā)分為同步模式和異步模式。本文插件系統(tǒng)采用同步模式，零件切削過(guò)程碳排放評(píng)估在Pro/E下同步運(yùn)行。開(kāi)發(fā)的主要步驟為：第一，制作用戶(hù)自定義菜單并編寫(xiě)系統(tǒng)UI對(duì)話(huà)框；第二，根據(jù)上述建立的切削過(guò)程量化模型通過(guò)編譯軟件Visual Studio 2010采用VC++語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并生成MFC DLL文件；第三，編寫(xiě)注冊(cè)文件；第四，在Pro/E中通過(guò)注冊(cè)文件讀取DLL文件與資源文件從而驅(qū)動(dòng)插件系統(tǒng)。此種方式開(kāi)發(fā)的插件運(yùn)行速度快且兼容度高、穩(wěn)定性好。

CCA插件系統(tǒng)的運(yùn)行主要有三步：第一步是結(jié)構(gòu)方案的確定，該過(guò)程包括零件三維模型的構(gòu)建、零件材料的選擇；第二步是工藝方案的確定，對(duì)于確定的零件結(jié)構(gòu)與材料，通過(guò)工藝設(shè)計(jì)對(duì)話(huà)框按照步驟完成零件的工藝設(shè)計(jì)，并將工藝信息保存；第三步是零件切削過(guò)程碳排放評(píng)估，通過(guò)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?qū)α慵邢鬟^(guò)程碳排放作出評(píng)估。系統(tǒng)碳排放評(píng)估流程如圖6所示。

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

4.2 數(shù)據(jù)的管理

評(píng)價(jià)零件切削工程碳排放需要大量的數(shù)據(jù)支持，CCA插件系統(tǒng)借助Access建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)建立零件材料數(shù)據(jù)庫(kù)，以ADO作為數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用、修改、添加等訪問(wèn)操作。在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)訪問(wèn)材料數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)選擇零件材料。材料設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 材料的設(shè)置Fig.7 Material setting

此外，插件系統(tǒng)通過(guò)接插件模塊開(kāi)發(fā)支持零件設(shè)計(jì)的零件模型庫(kù)，在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)接插件查詢(xún)，調(diào)用符合要求或近似符合要求的三維模型，實(shí)現(xiàn)三維模型的重用，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。接插件查詢(xún)界面如圖8所示。

5 實(shí)例

以某型號(hào)滾筒洗衣機(jī)的法蘭軸(作用是將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給洗衣機(jī)內(nèi)桶法蘭從而帶動(dòng)洗衣機(jī)內(nèi)桶轉(zhuǎn)動(dòng))為例，按照設(shè)計(jì)要求對(duì)該法蘭軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)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(zhǎng)120 mm的棒料)。應(yīng)用平臺(tái)對(duì)其切削過(guò)程碳排放進(jìn)行量化評(píng)估。

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

圖9 法蘭軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 The structure of flange shaft

在確定零件結(jié)構(gòu)和零件的加工工藝之后，可以運(yùn)用CCA插件對(duì)零件的碳排放進(jìn)行量化評(píng)估(圖10)。評(píng)估步驟如下：

(1)設(shè)計(jì)人員根據(jù)功能要求在Pro/E中進(jìn)行產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定尺寸、公差等參數(shù)，生成零件模型。

表2 法蘭軸的制造工藝

圖10 評(píng)估分析實(shí)例Fig.10 The carbon emission assessment of flange shaft

(2)在系統(tǒng)插件中對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行材料選擇，根據(jù)零件的模型信息進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)并將其輸入制造過(guò)程碳排放評(píng)估模塊的對(duì)話(huà)框中，在填寫(xiě)單個(gè)工步的加工信息時(shí)，需要在零件模型上選擇對(duì)應(yīng)的加工特征從而提取相關(guān)的參數(shù)。如工步3為粗車(chē)外圓，在對(duì)話(huà)框中填寫(xiě)完相應(yīng)的加工信息后，設(shè)計(jì)人員點(diǎn)擊“特征拾取”按鈕并按住“ctrl”鍵依次在模型中選中3個(gè)對(duì)應(yīng)的特征，后臺(tái)根據(jù)程序設(shè)定的算法提取切削長(zhǎng)度信息。

(3)在制造過(guò)程碳排放評(píng)估模塊的對(duì)話(huà)框中按照步驟填寫(xiě)完整工藝過(guò)程。

(4)設(shè)計(jì)人員點(diǎn)擊“評(píng)估計(jì)算”可以對(duì)零件碳排放進(jìn)行計(jì)算。插件后臺(tái)計(jì)算碳排放具體流程如圖11所示。

(5)可根據(jù)實(shí)際中結(jié)構(gòu)、工藝方案多樣性，添加對(duì)比案例，從而優(yōu)選最合適的結(jié)構(gòu)和工藝方案。

圖11 后臺(tái)碳排放計(jì)算流程Fig.11 The carbon emissions calculation process of system

6 結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅需要考慮市場(chǎng)需求、經(jīng)濟(jì)利益、工藝實(shí)現(xiàn)等方面因素，還要將環(huán)境屬性作為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)融入到設(shè)計(jì)中去。在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中評(píng)估出零件加工工藝的碳排放，對(duì)零件結(jié)構(gòu)、工藝改進(jìn)有著重要的意義。

本文在分析零件切削過(guò)程碳排放的基礎(chǔ)上，在Pro/E軟件平臺(tái)上運(yùn)用二次開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)發(fā)出切削過(guò)程碳足跡評(píng)估插件，在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)零件切削過(guò)程碳排放量的實(shí)時(shí)量化計(jì)算。通過(guò)輸入不同的工藝方案、零件材料和不同的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，比較其碳排放量從而選出最優(yōu)方案。

該方法將低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)融入產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，在三維設(shè)計(jì)軟件上通過(guò)插件評(píng)估反饋的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品零件做出相應(yīng)的改進(jìn)，從而優(yōu)化產(chǎn)品的生命周期環(huán)境性能，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品正向的低碳設(shè)計(jì)。此外該方法通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)構(gòu)建了零件的參數(shù)化模塊、模型數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等，實(shí)現(xiàn)了零件模型的快速設(shè)計(jì)與模型重用。與傳統(tǒng)產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)的“設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)-再設(shè)計(jì)”過(guò)程相比，很大程度上縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期。

[1] 伊瑞雪，曹華軍，李洪丞.基于函數(shù)化描述的機(jī)械制造工藝碳排放特性及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2014,20(9):2127-2133． YIN Ruixue, CAO Huajun, LI Hongcheng. Carbon Emission Characteristics of Mechanical Manufacturing Process Based on Functional Description and Its Application[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems,2014,20(9):2127-2133．

[2] 羅毅，曹華軍，李洪丞，等.基于CRNN網(wǎng)絡(luò)的CO2氣體保護(hù)焊工藝碳排放建模與參數(shù)優(yōu)化[J].中國(guó)機(jī)械工程,2013,24(17)：2398-2403. LUO Yi, CAO Huajun, LI Hongcheng, et al. Carbon Emission Model and Parameter Optimization of CO2Shielded Welding Based on GRNN[J]. China Mechanical Engineering,2013,24(17):2398-2403.

[3] 劉學(xué)平，潘灝，向東. 注塑成型工藝的碳排放分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(11):1-3. LIU Xueping, PAN Hao, XIANG Dong. A Carbon Dioxide Emission Analysis Based on Injection Molding[J]. Machinery Design & Manufacture,2012(11):1-3.

[4] SORMAZ D N. Modeling of Manufacturing Feature Interactions for Automated Process Planning[J].Journal of Manufacturing System,2000,19(1):28-45．

[5] 劉瓊, 田有全, SUTHERLAND J W,等. 產(chǎn)品制造過(guò)程碳足跡核算及其優(yōu)化問(wèn)題[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2015,26(17):2336-2343. LIU Qiong, TIAN Youquan, SUTHERLAND J W, et al. Calculation and Optimization of Product Carbon Footprint in Its Manufacturing Processes[J]. China Mechanical Engineering,2015,26(17):2336-2343.

[6] TOUMA S,OHNORI S,KOKULBO K,et al. Evaluation of Environmental Burden in Eco-friendly Machining Method Using Life Cycle Assessment Method-estimation of Carbon Dioxide Emission in Eco-friendly Turing Method[J].Journal of the Japan Society for Precision Engineering,2003,69(6):825-830.

[7] AKBARI J,OYAMADA K,SAITO Y.LCA of Machine Tool with Regard to Their Secondary Effects on Quality of Machined Parts[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing. Washington D C, USA:IEEE, 2001:347-35．

[8] NARITA H,KAWANURA H,NORIHISA T. Development of Prediction System for Environmental Burden for Machine Tool Operation[J]. JSME International Journal,2006,49(4):1188-1193.

[9] HUANG Y A,WEBER C L,MATTEWS H S. Categorization of Scope3emissions for Streamlined Enterprise Carbon Footprinting[J].Environmental Science and Technology,2009,43(22): 8509-8524.

[10] XU Kuangdi. Key Note: Low Carbon Economy and Green Manufacturing[C]//The 5th International Conference on Responsive Manufacturing (ICRM). Ningbo：Curran Associates，Inc.，2010：233-236.

[11] 北京市《金屬切削理論與實(shí)踐》編委會(huì).金屬切削理論與實(shí)踐[M].北京：北京出版社,1980. Beijing “Metal Cutting Theory and Practice” Editorial Board. Metal Cutting Theory and Practice [M]. Beijing: Beijing Press,1980.

[12] 張雷, 馬軍, 符永高,等. 產(chǎn)品裝配過(guò)程碳排放解算[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(3):151-160. ZHANG Lei, MA Jun, FU Yonggao, et al. Carbon Emission Analysis for Product Assembly Process[J]. Journal of Mechanical Engineering,2016,52(3):151-160.

[13] 國(guó)家發(fā)展改革委應(yīng)對(duì)氣候變化司.2014年中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線(xiàn)排放因子[EB/OL].(2017-07-09). http://cdm.ccchina.gov.cn/archiver/cdmcn/UpFile/Files/Default/20150204155537627092.pdf.

NationalDevelopmentandReformCommissiontoDealwiththeDepartmentofClimateChange.ChineseRegionalPowerGridBaselineEmissionsFactorin2014[EB/OL].(2017-07-09).http://cdm.ccchina.gov.cn/archiver/cdmcn/UpFile/Files/Default/20150204155537627092.pdf.

[14] 張雪榮.Pro/ENGINEER環(huán)境下的三維CAPP系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2008.ZHANGXuerong.ResearchandDevelopmentof3D-CAPPunderEnvironmentofPro/ENGINEER[D].Wuhan:WuhanUniversityofTechnology,2008.

(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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575152)

TH122

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

張 雷，男，1978年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)、環(huán)境意識(shí)下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、綠色制造。蔣詩(shī)新(通信作者)，男，1989年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。E-mail:jiangshixinwh@163.com。張偉偉，男，1992年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。