一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，將數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)分為待機(jī)、空轉(zhuǎn)、空切和切削四種狀態(tài)，獲得空轉(zhuǎn)狀態(tài)相對(duì)于待機(jī)狀態(tài)需要數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)額外增加的功率Pspindle,空切狀態(tài)相對(duì)于空轉(zhuǎn)狀態(tài)需要數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)額外增加的功率Pfeed，切削狀態(tài)相對(duì)于空切狀態(tài)需要數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)額外增加的功率Ptip和Padd，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率模型為待機(jī)狀態(tài)功率P0、Pspindle、Pfeed、Ptip以及Padd相加。本發(fā)明方法建立的功率模型物理意義明確，合理、簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床的能耗領(lǐng)域，更具體地，涉及一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，2012年中國(guó)消費(fèi)能源達(dá)361732萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，C02排放量達(dá)到 79541萬(wàn)噸，其中制造業(yè)能耗占據(jù)全國(guó)能源消費(fèi)總量比重超過(guò)50%。面對(duì)日益嚴(yán)苛的環(huán)境 立法與高昂的資源成本，制造業(yè)承擔(dān)了降低能耗、減少碳排放的巨大壓力。我國(guó)制造行業(yè)機(jī) 床保有量龐大，現(xiàn)有機(jī)床總裝機(jī)功率在8000萬(wàn)千瓦左右，能量需求量巨大，但是其能量利 用率卻十分低下，在節(jié)能減排上存在巨大的潛力和廣闊的空間。
[0003] 建立完善的、精確的機(jī)床系統(tǒng)加工過(guò)程功率模型，不僅可以明確加工過(guò)程機(jī)床系 統(tǒng)的工作機(jī)制，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者在改進(jìn)機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中采用更加完善的設(shè)計(jì)策略和 節(jié)能組件，而且有助于使用者選擇恰當(dāng)?shù)臋C(jī)床型號(hào)，設(shè)計(jì)合理的加工工藝，設(shè)置高效的切削 參數(shù)。因此，一個(gè)精確的機(jī)床系統(tǒng)加工過(guò)程能量模型，可以節(jié)約能量且提高能量利用效率。 機(jī)床系統(tǒng)加工過(guò)程功率建模，對(duì)于制造業(yè)節(jié)能減排具有戰(zhàn)略性的重要意義，也是當(dāng)前工程 界研究的熱點(diǎn)。
[0004] 麻省理工學(xué)院Gutowski教授的團(tuán)隊(duì)首先提出了機(jī)床系統(tǒng)輸入功率的模型 (Gutowski T, Dahmus J, Thiriez A. Electrical energy requirements for manufacturing processes[C], 13th CIRP international conference on life cycle engineering, Leuven, Be 1 gium: ClRP, 2006, 5:560-564.)，他們經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)床系統(tǒng)輸入功率由固定、 可變兩個(gè)部分組成，其中可變部分能耗與機(jī)床系統(tǒng)材料去除率MRR(material removal rate)成正比。但是，該能耗模型僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析得到，物理意義尚不明確， 且固定部分與可變部分分別所包含的內(nèi)容缺乏清晰明確的定義。加州大學(xué)伯克利分校 Dornfe 1 d教授團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)床系統(tǒng)能耗流向和切削參數(shù)對(duì)機(jī)床能耗的影響進(jìn)行了卓有成效的 石開(kāi)究（Diaz N, Redelsheimer E, Dornfeld D. Energy consumption characterization and reduction strategies for milling machine tool use[M], Glocalized Solutions for Sustainability in Manufacturing. Springer Berlin Heidelberg, 2011:263-267.),并 在此基礎(chǔ)上提出了許多成效顯著的節(jié)能減排的措施，但是，Dornfeld教授團(tuán)隊(duì)研究成果 并沒(méi)有提出量化的、與機(jī)械加工參數(shù)相關(guān)的機(jī)床系統(tǒng)能耗模型。哈爾濱工業(yè)大學(xué)Li L博 士在考慮機(jī)床系統(tǒng)能量流向的前提下（Li L，Yan J H, Xing Z W. Energy requirements evaluation of milling machines based on thermal equilibrium and empirical modelling[J]· Journal of Cleaner Production2013:1-9·)，將主傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械損耗納入 機(jī)床系統(tǒng)功率模型，使得模型精度大幅提升。但是該模型仍然忽略了進(jìn)給系統(tǒng)和附加載荷 造成的功率。
[0005] 申請(qǐng)?zhí)枮?01310695859. 4的中國(guó)專(zhuān)利通過(guò)布置在總電源進(jìn)線端、主軸電機(jī)、進(jìn)給 電機(jī)上的功率分析儀采集到的機(jī)床系統(tǒng)切削階段和空載階段功率，來(lái)檢測(cè)機(jī)床能量效率。 但是該方法對(duì)每組不同切削參數(shù)下的能效檢測(cè)都必須提前試驗(yàn)以獲取機(jī)床空載功率，且 該方法僅限于實(shí)時(shí)檢測(cè)，無(wú)法做到預(yù)測(cè)不同切削條件下的能量效率、機(jī)床能耗。申請(qǐng)?zhí)枮?201210131766. 4的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種機(jī)床系統(tǒng)加工全過(guò)程能耗的預(yù)測(cè)方法，該方法首先 需要查詢(xún)金屬切削手冊(cè)來(lái)建立切削力F。的模型，對(duì)于實(shí)際加工過(guò)程中的刀具狀況和金屬材 料性能來(lái)說(shuō)，套用手冊(cè)系數(shù)建立的切削力F。模型精度較低。由于誤差的積累，由切削力F。 求得附加載荷功率損耗的誤差較大。申請(qǐng)?zhí)枮?01110095627. 6的中國(guó)專(zhuān)利提出了一種只 需采集機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率即可在線檢測(cè)加工過(guò)程能耗的方法，該方法需要提前獲知 機(jī)床主電機(jī)的額定功率己、額定效率L、空載功率P〇,以及主傳動(dòng)系統(tǒng)附加載荷損耗系數(shù) αρ α2。但是，獲知這些參數(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是十分困難的，此外，這種檢測(cè)方法完全忽略了進(jìn) 給系統(tǒng)的損耗功率。
[0006] 總之，由于機(jī)床耗能環(huán)節(jié)多，加工工藝復(fù)雜多變，刀具與毛坯種類(lèi)變換頻繁，使得 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的能量流向十分復(fù)雜，加之電磁損耗大，刀具隨著加工過(guò)程而動(dòng)態(tài)磨損等多 種原因，使得數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)至今仍沒(méi)有一個(gè)合理的功率模型。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建 模方法，其將機(jī)床分為不同的狀態(tài)，分別獲得不同狀態(tài)下的子功率模型，然后將不同狀態(tài)下 的子功率模型相加以獲得可以表征機(jī)床在各個(gè)狀態(tài)下的功率模型，由此解決目前數(shù)控機(jī)床 還沒(méi)有一個(gè)合理、全面的功率模型的技術(shù)問(wèn)題。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于， 將數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)分為待機(jī)、空轉(zhuǎn)、空切和切削四種狀態(tài)，其中，所述待機(jī)狀態(tài)為僅數(shù)控機(jī)床 系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)工作的狀態(tài)，所述輔助系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)， 照明系統(tǒng)以及排屑系統(tǒng)；所述空轉(zhuǎn)狀態(tài)為僅數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)同時(shí)工作 的狀態(tài)；所述空切狀態(tài)為數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)同時(shí)工作，但不進(jìn) 行實(shí)際切削的狀態(tài)；所述切削狀態(tài)為數(shù)控機(jī)床的輔助系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)均工作，且 進(jìn)行切削加工的狀態(tài)；
[0009] 獲得所述空轉(zhuǎn)狀態(tài)相對(duì)于所述待機(jī)狀態(tài)需要數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)額外增加的功率，該功 率由主軸系統(tǒng)的機(jī)械損耗造成，其為主軸損耗功率P spindle;
[0010] 獲得所述空切狀態(tài)相對(duì)于所述空轉(zhuǎn)狀態(tài)需要數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)額外增加的功率，該功 率由進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械損耗造成，為進(jìn)給損耗功率P fMd; toon] 獲得所述切削狀態(tài)相對(duì)于空切狀態(tài)需要數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)額外增加的功率，該功率包 括由刀尖切削待加工件造成的刀尖功率Ptip和由于刀尖載荷引起的附加載荷功率Padd;
[0012] 所述數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率模型為P，
[0013] P = P〇+Pspindle+Pfeed+Ptip +Padd
[0014] 其中，匕為待機(jī)狀態(tài)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的待機(jī)功率，Pspindle為主軸損耗功率，P fMd為進(jìn) 給損耗功率，Ptip為刀尖功率，Padd為附加載荷功率。
[0015] 進(jìn)一步的，所述主軸損耗功率Pspindle為：
[0016] P_die = hn+by
[0017] 其中，為主軸系統(tǒng)機(jī)械損耗系數(shù)，η為主軸轉(zhuǎn)速。
[0018] 進(jìn)一步的，所述進(jìn)給損耗功率Pfeeds :
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于， 將數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)分為待機(jī)、空轉(zhuǎn)、空切和切削四種狀態(tài)，獲得所述空轉(zhuǎn)狀態(tài)相對(duì)于所 述待機(jī)狀態(tài)、所述空切狀態(tài)相對(duì)于所述空轉(zhuǎn)狀態(tài)以及所述切削狀態(tài)相對(duì)于所述空切狀態(tài)分 別需要數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)額外增加的功率，依次為由主軸系統(tǒng)的機(jī)械損耗造成的主軸損耗功率 Pspindle、由進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械損耗造成的進(jìn)給損耗功率PfMd以及由刀尖切削待加工件造成的 刀尖功率P tip和由于刀尖載荷引起的附加載荷功率padd，所述數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率模型為 P ： P = P〇+PSpindle+Pfeed+Ptip +Padd 其中，P〇為待機(jī)狀態(tài)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的待機(jī)功率，Pspin&為主軸損耗功率，PfMd為進(jìn)給損 耗功率，ptip為刀尖功率，padd為附加載荷功率； 其中，所述待機(jī)狀態(tài)為僅數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)工作的狀態(tài)，所述輔助系統(tǒng)包括控 制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，照明系統(tǒng)以及排屑系統(tǒng)； 所述空轉(zhuǎn)狀態(tài)為僅數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)同時(shí)工作的狀態(tài)； 所述空切狀態(tài)為數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)同時(shí)工作，但不進(jìn)行 實(shí)際切削的狀態(tài)； 所述切削狀態(tài)為數(shù)控機(jī)床的輔助系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)均工作，且進(jìn)行切削加工的 狀態(tài)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于，所述主軸損 耗功率Pspindle為： Pspindle = ain+bin2 其中，為主軸系統(tǒng)機(jī)械損耗系數(shù)，η為主軸轉(zhuǎn)速。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于，所述進(jìn)給 損耗功率Ρ feed 為： Pfeed = a2Vf + b2V} = β2^?/' + h2 (nff 其中，a2、b2為進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械損耗系數(shù)，Vf為進(jìn)給速率，n為主軸轉(zhuǎn)速，f為進(jìn)給量。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于，所述刀尖功 率Ptip為： TrdvL PnP = Cl^σγaZp=Cl·^)\ra]) 其中，CF為切削力系數(shù)，V。為切削速率，f為進(jìn)給量，α p為切削深度，X、y、Z為相應(yīng)的 指數(shù)，d為工件或刀柄直徑。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于，所述切削 狀態(tài)的刀尖載荷引起的附加載荷功率Padd為： Padd = αΡ?Ρ =Γ α?> 其中，α為附加載荷損耗系數(shù)，Ptip為刀尖功率，(^為切削力系數(shù)，V。為切削速率，f為 進(jìn)給量，α p為切削深度，X、y、z為相應(yīng)的指數(shù)，d為工件或刀柄直徑。
6. 如權(quán)利要求2-5之一所述的一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于，米用 布置在機(jī)床電源總線上的功率傳感器測(cè)量相同實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)分別在待機(jī)狀態(tài) 下和在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的實(shí)際待機(jī)功率P standby和實(shí)際空轉(zhuǎn)功率Pidle，主軸損耗功率Pspindle 為： Pspindle ^idle ^standby 其中，為主軸系統(tǒng)機(jī)械損耗系數(shù)，n為主軸轉(zhuǎn)速， 測(cè)量至少兩組不同主軸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)條件下的Pidle以及Pstandby，采用最小二乘法計(jì)算獲得 主軸系統(tǒng)機(jī)械損耗系數(shù)ai和
7. 如權(quán)利要求2-6之一所述的一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于，米用 布置在機(jī)床電源總線上的功率傳感器測(cè)量相同實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)分別在空轉(zhuǎn)狀態(tài) 下和在空切狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的實(shí)際空轉(zhuǎn)功率P idle和實(shí)際空切功率P&，所述進(jìn)給損耗功率PfMd 為： Pfd = Pair -pi- = <hvf + 咕=a2nf + b2{nff 其中，a2、b2為進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械損耗系數(shù)，Vf為進(jìn)給速率，n為主軸轉(zhuǎn)速，f為進(jìn)給量， 測(cè)量至少兩組不同主軸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)條件下以及pidle，采用最小二乘法計(jì)算獲得進(jìn)給 系統(tǒng)機(jī)械損耗系數(shù)a2和b2。
8. 如權(quán)利要求2-7之一所述的一種數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功率建模方法，其特征在于，米用 布置在機(jī)床電源總線上的功率傳感器測(cè)量相同實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，在空切狀態(tài)下以及在切削狀態(tài) 下的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)的實(shí)際空切功率P&以及實(shí)際切削功率，所述刀尖功率P tip 和附加載荷功率Padd之和為： TT/jll Ptip = PMg-Pair = 其中，α為附加載荷損耗系數(shù)，CF為切削力系數(shù)，v。為切削速率，f為進(jìn)給量，a p為切 削深度，X、y、z為相應(yīng)的指數(shù)，d為工件或刀柄直徑， 測(cè)量至少四組不同主軸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)條件下Pc;utting與P&，采用取對(duì)數(shù)的方法求解獲得指 數(shù) X、y、z 以及（l+α )CF。
【文檔編號(hào)】G05B19/18GK104281090SQ201410524619
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】黃拯滔, 邵新宇, 張超勇, 羅敏, 毛新勇, 劉紅奇, 謝陽(yáng), 周志恒 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)