随着能源问题的日益突出,节能减排的研究吸引了越来越多研究者的关注。制造业是能耗大户,也是节能减排的重点领域。机械加工是完成产品制造的重要手段,为待加工零件制定合理的数控加工方案(即工艺规划)是实现高能效、低能耗加工的有效方法。能耗模型的建立是完成零件高能效工艺规划的基础和前提,现阶段的能耗模型主要用于揭示加工时满足的能耗规律,较少从待加工工件的角度来完成模型的建立,从而导致基于此的能耗优化局限于工件加工的某一步工艺。针对此问题,本研究以 Standard for the Exchange of Product model data-Numerical Control(STEP-NC)标准中的相关数据结构为载体,结合该标准基于制造特征面向加工工步的特点,建立了以加工工步为核心的数控加工能耗模型,旨在为零件加工过程提供一种相对全面的能耗计算与分析工具:给出了 STEP-NC中的能耗影响因素,并对机床能耗组件进行了分类,在此基础上,建立了面向加工工步加工过程的状态机模型,将该过程分为制造特征加工辅助状态、接近制造特征状态、制造特征加工状态和远离制造特征状态,然后分别给出了每种状态下的能耗计算方法,从而得到了加工完整零件的能量需求。通过加工一个包含STEP-NC典型制造特征的零件验证了该模型的有效性。基于STEP-NC的数控加工能耗模型是零件加工过程能耗计算的有力工具,但应用此模型的前提是已经拥有了一个依从STEP-NC数据结构的完整加工方案,为此需根据STEP-NC完成零件加工方案的制定。从高能效数控加工工艺规划的角度出发,STEP-NC存在以下问题:缺少用于进行能耗计算的信息以及对加工方案制定起着重要作用的表面粗糙度和形位公差信息,除此之外,尽管STEP-NC对加工过程中的相关概念进行了定义并给出了数据结构,但是相互之间的关系并没有理顺(譬如制造特征与机床类型的对应关系),导致其在决策方面存在不足。为了解决上述问题,本文建立了一个集成能耗知识的数控加工工艺本体,该本体以STEP-NC中原有数据结构为基础,由四个子本体构成,分别为数控加工能耗知识本体、STEP-NC制造特征扩展本体、数控加工方法本体和加工资源本体。其中,数控加工能耗知识本体用于指明加工过程中的功率/能耗计算方法;制造特征扩展本体在STEP-NC制造特征数据结构的基础上增加了表面粗糙度和形位公差信息;数控加工方法本体和加工资源本体提供了描述了数控加工过程中的加工方法和加工资源。然后,编写了推理规则和查询语句,实现零件初步加工方案的生成并提供必要的数据支持。最后,通过一个实例验证了该本体功能的可行性和有效性。工艺本体的输出是零件初步加工方案,需要从中寻找出满足高能效数控加工要求的最优加工方案。为此,结合STEP-NC数据结构的特点,对面向能效的加工工步和加工工步序列问题进行了形式化描述;在此基础上,建立了面向能效的加工工步和加工工步序列优化模型,讨论了优化变量、优化目标以及限制条件;利用蚁群算法求解该模型,给出了求解过程中的关键步骤,重点论述了解空间的生成以及加工方案的选择过程;随后,针对采用传统蚁群算法在求解该模型时存在维度差异的问题,提出了基于局部多次迭代的蚁群算法,抵消维度差异造成的影响。通过一个零件对该求解算法进行了测试,并比较了传统蚁群算法和改进的蚁群算法,结果表明,在解决该优化问题时,基于局部多次迭代的蚁群算法可以有效降低迭代次数并缩短迭代时间;进一步地,据此方案实际加工该零件,并进行了零件加工质量要求的检测以及经验法拟定的加工方案与本文方法生成的加工方案在能效上的对比,从而验证了该方法生成的高能效数控加工方案的有效性。借助UGNX平台的二次开发能力,开发了一个原型系统,实现了本文提出的方法,并编写了交互式人机界面,操作者可以通过选择典型制造特征完成零件数字化模型的建立,随后即可得到高能效的数控加工方案。