一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法技术

本发明专利技术公开一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法,根据机械加工过程能耗特性的不同，将机械加工过程划分为若干系列机械加工活动和机械加工活动转移；分别构建所述机械加工活动和机械加工活动转移的能耗模型；以建立的所述机械加工活动的能耗模型和所述机械加工活动转移的能耗模型为基础，构建机械加工全过程的能耗模型，并对机械加工过程能量需求进行分析计算。为机床节能提供指导，有利于减少机械加工过程能量消耗引起的二氧化碳排放，从而推动制造业的节能减排。

【技术实现步骤摘要】
一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法
本专利技术涉及到机加过程中能耗建模方法，具体涉及到一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法。
技术介绍
我国是全球机械制造业大国，同时也是机床生产、消费第一大国，拥有世界第一的机床保有量，目前约800万台。而且，统计资料表明，我国机床能量利用率平均低于30％，如果我国机械工业的各类机床的能效都提高1％，则带来的节能效益相当于几千万吨标准煤。由此可见，机床节能降耗潜力大，研究机床能量消耗对于提高资源利用率、实现绿色与可持续制造具有重要意义。为了提高机床能源利用效率，国内外竞相开展了机床能耗特性研究：德国斯图加特大学Verl教授团队通过建立仿真模型对制造系统运行过程的能量消耗进行预测。国内重庆大学刘飞教授团队重点在机床主传动系统能量模型、能量效率模型与机床能耗监测等方面开展研究。但现有的研究主要集中在机床加工过程稳定运行时的能耗模型问题上，缺乏对加工过程瞬态能耗的分析，而实际上加工瞬态过程会引起功率峰值，也是加工过程能耗分析不可或缺的一部分。例如，浙江大学唐任仲教授团队重点研究机械加工工艺活动能量需求建模，提出了一种机械加工全过程能量需求建模方法，该建模方法中提及了机械加工瞬态过程，但他将瞬态过程归结为主轴启动瞬间所消耗的能量而忽略不计，仅对机械加工稳态过程进行能量需求计算，最终计算所得的机械加工全过程能耗预测值与实测值的接近程度不到90％。机械加工活动转移(瞬态)会导致功率瞬间增大，引起功率峰值现象，这种功率峰值现象已在许多文献中得到体现。但现有文献只是在给出的功率曲线中出现功率峰值现象，并没有对功率峰值出现的原因及能量需求规律进行进一步研究与分析：瑞士学者Avram等研究了机床使用过程中的能量需求，建立一种基于转矩与角速度乘积的主轴和进给轴加减速功率模型，然而模型中涉及的摩擦转矩、克服主轴转动惯量所需的转矩等参数非常难以获取，导致模型难以在实际中应用。施金良等将主轴启动过程能量看作整体进行研究，采用实验方法测量主轴从静止启动至不同转速时的能耗，釆用二次函数进行拟合得到主轴启动过程能量模型，该模型适用于计算主轴从静止启动到指定转速下的启动能量，当主轴从初始转速不为零，从低转速加速至高转速时，该模型则不适用，另外该模型只能计算主轴启动能量，并不能评估主轴启动过程的功率变化，无法计算主轴启动过程的功率峰值。加工过程瞬态能耗数据的缺失或计算不准确，会影响整个加工过程能耗数据的准确性，在加工设计过程中，难以事先确定最优的每道加工工序，使后续加工过程中的能耗增加，不利于节能减排。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法。建立一套充分考虑机械加工过程稳态和瞬态的全过程能耗计算模型，实现机械加工过程能耗精确计算，为机床节能提供指导，有利于减少机械加工过程能量消耗引起的二氧化碳排放，从而推动制造业的节能减排。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，包括如下步骤：步骤1：根据机械加工过程能耗特性的不同，将机械加工过程划分为若干系列机械加工活动和机械加工活动转移；其中，所述机械加工活动是指机械加工过程中数控指令执行时的稳态过程，是当前稳态下同时运行的所有行为要素的集合；所述机械加工活动转移是指机械加工过程中数控指令执行的瞬态过程，对应两个稳态间的过渡过程；步骤2：将所述机械加工活动分解为若干行为要素，构建所述行为要素的功率模型和能耗模型；步骤3：基于分解的所述行为要素的功率模型和能耗模型，构建所述机械加工活动的能耗模型；步骤4：对所述机械加工活动转移进行分类并构建各类的能耗模型，结合各类所述机械加工活动转移的能耗模型建立所述机械加工活动转移能耗模型；步骤5：以建立的所述机械加工活动的能耗模型和所述机械加工活动转移的能耗模型为基础，构建机械加工全过程的能耗模型，并对机械加工过程能量需求进行分析计算。具体的，根据能耗部件的特性不同将所述机械加工活动的所述行为要素分为如下6种，主轴空载旋转、空载进给、切削加工、电气控制、加工辅助、自动换刀；并分别构建其功率模型和能耗模型。具体的，根据工业工程中的优化原则确定四种所述机械加工活动转移；主轴旋转的高低速切换；进给定位的高低速切换；喷液冷却的开与关；自动换刀的开与关；并分别构建其能耗模型。确定的四种所述机械加工活动转移的能量需求为所述机械加工活动转移的总能量需求80％以上。具体的，所述步骤4与所述步骤2和步骤3之间无先后顺序关系；所述行为要素为机械加工活动时数控机床的基本加工要素，所述基本加工要素构成机械加工活动的基本能耗单元。所述空载进给的能耗模型包括X轴方向、Y轴方向、Z轴方向进给运动空载功率；所述切削加工的能耗模型包括切削速度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量随时间变化产生的能耗；所述加工辅助的能耗模型为若干加工辅助模块的能耗总和；所述电气控制的能耗模型包括数控装置、主轴控制系统、进给控制系统以及PLC装置随时间变化产生的能耗总和；所述自动换刀的能耗模型将刀具的使用寿命均摊到每道加工工序中。具体的，步骤3中分解的6种行为要素功率模型和能耗模型如下：1)所述主轴空载旋转的功率模型PS为：PS＝An2+Bn2+C(1)则所述主轴空载旋转的能耗模型ES为：式中，n为主轴空载转速，A,B和C为主轴转速系数，tS为主轴旋转时间；2)所述空载进给在每个轴上的功率模型为：式中：为i轴方向进给空载功率；为i轴方向进给速度，ai、bi和ci为i轴方向进给特性系数，i轴为X轴或Y轴或Z轴；则所述空载进给的功率模型Pf为：式中：和分别为X轴方向、Y轴方向、Z轴方向进给运动空载功率；则所述空载进给的能耗模型Ef为：式中：tX、tY和tZ分别为X轴、Y轴和Z轴方向进给运动时间；其中，所述主轴空载旋转的能耗模型(2)并没有单独区分主轴的加速和减速过程，由于主轴的加速和减速所需时间很短；主轴减速时机床能量回收机制将主轴动能转化为电能并反馈给电网，抵消了部分加速能耗，主轴加速和减速过程主传动系统空载能耗的均值可近似用式(2)表示。所述主轴空载旋转的功率模型中的主轴旋转系数A、B、C借助功率分析仪测量并计算，在确定了主轴空载转速后，进行主轴空载旋转实验：在每次主轴空载旋转时测量主轴空载转速n，选取13组以上空载转速数据进行空载旋转实验，将空载转速n代入公式(1)得到一个超静定方程组，基于最小二乘法计算主轴旋转系数A、B和C。所述空载进给的功率模型中的进给特性系数ai、bi和ci同样借助功率分析仪测量并计算，在确定了i轴方向进给速度后，进行空载进给实验：在每次空载进给时时测量i轴方向进给速度选取13组以上i轴方向进给速度数据进行空载旋转实验，将i轴方向进给速度代入公式(3)得到一个超静定方程组，基于最小二乘法计算进给特性系数ai、bi和ci。3)所述切削加工的功率模型Pc为：式中：为切削功率系数；v,fZ,ap,ae分别为切削速度，每齿进给量，背吃刀量,侧吃刀量；wp,yp,xp,up分别为切削速度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量的指数；式中的各个指数和系数均可由金属切削手册查得,则所述切削加工的能耗模型Ec为：式中：tc为切削时间；4)所述加工辅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据机械加工过程能耗特性的不同，将机械加工过程划分为若干系列机械加工活动和机械加工活动转移；其中，所述机械加工活动是指机械加工过程中数控指令执行时的稳态过程，是当前稳态下同时运行的所有行为要素的集合；所述机械加工活动转移是指机械加工过程中数控指令执行的瞬态过程，对应两个稳态间的过渡过程；步骤2：将所述机械加工活动分解为若干行为要素，构建所述行为要素的功率模型和能耗模型；步骤3：基于分解的所述行为要素的功率模型和能耗模型，构建所述机械加工活动的能耗模型；步骤4：对所述机械加工活动转移进行分类并构建各类的能耗模型，结合各类所述机械加工活动转移的能耗模型建立所述机械加工活动转移能耗模型；步骤5：以建立的所述机械加工活动的能耗模型和所述机械加工活动转移的能耗模型为基础，构建机械加工全过程的能耗模型，并对机械加工过程能量需求进行分析计算。

【技术特征摘要】
1.一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据机械加工过程能耗特性的不同，将机械加工过程划分为若干系列机械加工活动和机械加工活动转移；其中，所述机械加工活动是指机械加工过程中数控指令执行时的稳态过程，是当前稳态下同时运行的所有行为要素的集合；所述机械加工活动转移是指机械加工过程中数控指令执行的瞬态过程，对应两个稳态间的过渡过程；步骤2：将所述机械加工活动分解为若干行为要素，构建所述行为要素的功率模型和能耗模型；步骤3：基于分解的所述行为要素的功率模型和能耗模型，构建所述机械加工活动的能耗模型；步骤4：对所述机械加工活动转移进行分类并构建各类的能耗模型，结合各类所述机械加工活动转移的能耗模型建立所述机械加工活动转移能耗模型；步骤5：以建立的所述机械加工活动的能耗模型和所述机械加工活动转移的能耗模型为基础，构建机械加工全过程的能耗模型，并对机械加工过程能量需求进行分析计算。2.根据权利要求1所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，根据能耗部件的特性不同将所述机械加工活动的所述行为要素分为如下6种，主轴空载旋转、空载进给、切削加工、电气控制、加工辅助、自动换刀；并分别构建其功率模型和能耗模型。3.根据权利要求1所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，根据工业工程中的优化原则确定四种所述机械加工活动转移；主轴旋转的高低速切换；进给定位的高低速切换；喷液冷却的开与关；自动换刀的开与关；并分别构建其能耗模型。4.根据权利要求3所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，确定的四种所述机械加工活动转移的能量需求为所述机械加工活动转移的总能量需求80％以上。5.根据权利要求1或2所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，所述行...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾文斌，李卓，黄主，苑明海，王怡，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32