一种平面磨削加工过程能量效率评估方法技术

本发明专利技术公开一种平面磨削加工过程能量效率评估方法，通过建立平面磨削加工过程能量效率评估模型，并计算能量效率模型的时间历程、测量平面磨削加工过程固定功率值、建立平面磨削加工过程可变功率拟合模型，实现平面磨削加工过程能量效率综合评估。本发明专利技术可为企业提供磨削加工过程能量利用特性的综合分析与优化设计，促进磨削及其他精密制造行业节能减排。促进磨削及其他精密制造行业节能减排。促进磨削及其他精密制造行业节能减排。

【技术实现步骤摘要】
一种平面磨削加工过程能量效率评估方法


[0001]专利技术应用于可持续设计与制造
，涉及一种精密加工过程能量效率评估方法，特别是涉及一种平面磨削加工过程能量效率评估方法。

技术介绍

[0002]数控机床作为工业的“工作母机”，在离散制造业中量大面广，节能减排潜力巨大。根据国际能源机构(IEA)统计，加工制造业约占全球能源消费的1/3，占全球净碳排放量的36%。
[0003] 目前，对数控机床能量效率评估方法研究已有初步探索。中国专利技术专利CN109491323B公开一种《面向节能减排的数控机床负荷
‑
能量效率评估与监测方法》，通过计算单件零件理想加工能耗值和监测单件零件实际加工能耗值，得到数控机床负荷
‑
能量效率，构建数控机床负荷
‑
能量效率与数控机床负荷率间的关系模型，实现数控机床负荷
‑
能量效率监测和超限报警，使数控机床负荷
‑
能量效率控制在要求的范围之内。中国专利技术专利CN103676782B公开一种《数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法》，利用功率分析仪测量数控铣床待机功率、主轴、x轴、y轴、z轴的空载和切削功率，根据功率分析仪的测量结果计算数控铣床的能量效率。中国专利技术专利CN109634238B公开一种《一种数控机床加工过程质量
‑
能量效率评估与监控方法》，根据数控机床加工质量合格率和数控机床在给定周期内有不合格品、无不合格品时的能耗，构建数控机床质量
‑
能量效率与加工质量合格率间的关系模型，对数控机床加工过程质量
‑
能量效率进行实时监测和超限报警与控制。
[0004]与车削、钻削、铣削加工过程相比，磨削相对高效、低成本，磨床占有率现已超过43%。但在去除单位体积材料时，能量消耗更多，例如，磨削钢材料需30
–
50 J/mm3的比能，陶瓷材料甚至达到120 J/mm3比能，远高于熔化铁或镍(10 J/mm3)。同时，在磨削加工生产中为保证产品加工质量，能量效率甚至低于10%，比如磨削钢材料案例研究中，在不考虑机床电气系统、冷却系统和进给系统能耗时，主轴能量效率甚至降低至2.76%。因此，如何提高磨削加工过程能量利用率、降低电能消耗成为磨削技术亟需解决的关键问题之一。
[0005]对比现有机床能量效率分析评估相关研究，数控机床加工过程能量效率评估方法主要针对车削、铣削和钻削加工过程的机床负荷和加工质量—能量效率在线评估或监测、预警和控制，并未考虑加工参数、加工距离设定对加工过程能量效率的影响，也无法对数控机床加工过程能量效率进行优化设计以提高能量利用率。尤其是对于磨削加工过程而言，其通过磨床主轴和x、y、z轴的反复间歇进给，利用磨具表面大量不规则磨粒的不均匀磨损，逐段行程去除工件表面材料，能量消耗规律更为复杂。因此，如何精确评估磨削加工过程的能量效率，对于分析数控磨床的能量特性，优化磨削加工参数，提升磨削加工过程能量利用率和降低加工过程能源消耗，具有重要的指导意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种平面磨削加工过程能量效率评估方法，通过计算平面磨
削加工过程时间历程，测量数控磨床子系统固定功率及建立与磨削加工参数相关的可变功率模型，精确评估平面磨削加工过程能量效率，进而分析数控磨床的能量利用特性，促进磨削加工过程节能减排。
[0007]本专利技术所述一种平面磨削加工过程能量效率评估方法，包括以下步骤：1）建立平面磨削加工过程能量效率评估模型；2）计算平面磨削加工过程时间历程；3）测量平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数无关的子系统功率值；4）建立平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数相关的子系统功率模型；5）设计主轴转速、工件进给速度、磨削深度的不同水平磨削实验，构造磨削实验样本点，利用高斯
‑
牛顿梯度法，拟合能效评估模型中的待定系数；6）评估平面磨削加工过程能量效率。
[0008]步骤1：建立平面磨削加工过程能量效率评估模型。
[0009]所述平面磨削加工过程能量效率η定义为有功能耗即材料去除能耗E
mrr
与数控磨床总能耗E
total
之比：（1）其中，数控磨床总能耗E
total
包括电气控制能耗E
e
、冷却过程能耗E
c
、主轴旋转能耗E
s
、工作台x轴左右进给能耗E
x
、砂轮y轴向下进给能耗E
y
和工作台z轴前后进给能耗E
z
，材料去除能耗E
mrr
具体指材料去除阶段电气控制能耗E
em
、冷却过程能耗E
cm
、主轴能耗E
sm
和工作台x轴左右进给能耗E
xm
。
[0010]公式（1）所述各部分能耗为各部件实时功率与作用时间的乘积进一步表示为：（2）其中，电气控制功率P
e
、冷却功率P
c
、砂轮y轴进给功率P
y
和工作台z轴进给功率P
z
与磨削加工工艺参数无关，为恒定值，电气控制作用时间为磨床待机、空行程和加工整个时间历程，冷却作用时间为磨削空行程和加工时间历程，砂轮y轴进给时间t
y
和z轴进给时间t
z
与磨床电机加减速特性、磨削工件尺寸、磨削量和间隙设定有关；主轴旋转功率包括两部分，空磨功率P
sa
和材料去除功率P
sm
，其中，P
sa
作用时间为前后空磨阶段、左右空磨阶段和材料去除阶段时间历程t
a1
、t
a2
和t
m
，P
sm
作用时间为材料去除阶段时间历程t
m
，工作台x轴左右进给功率包括两部分，工作台进给功率P
xm
和工作台转向最大功率P
x
，其中，P
xm
作用时间为材料去除阶段时间历程t
m
和前后空磨阶段时间历程t
a1
，P
x
作用时间为左右空磨阶段时间历程t
a2
。
[0011]步骤2：计算平面磨削加工过程时间历程。
[0012]所述平面磨削加工过程时间历程包括4个时间阶段，待机阶段、前后空磨阶段、左右空磨阶段、材料去除阶段，其中，待机阶段时间t
sb
为常量，前后空磨阶段时间t
a1
、左右空磨阶段时间t
a2
和材料去除阶段时间t
m
根据磨削加工间隙、磨削宽度、磨削参数和工件尺寸几何关系，确定为（3）
（4）（5）其中，c
y
和c
z
分别为y轴和z轴一次进给时间，为常量，L为待加工工件的长度，b为工件左右侧加工间隙，V...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面磨削加工过程能量效率评估方法，其特征在于，包括以下步骤：1）建立平面磨削加工过程能量效率评估模型；2）计算平面磨削加工过程时间历程；3）测量平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数无关的子系统功率值；4）建立平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数相关的子系统功率模型；5）设计主轴转速、工件进给速度、磨削深度的不同水平磨削实验，构造磨削实验样本点，利用高斯
‑
牛顿梯度法，拟合能效评估模型中的待定系数；6）评估平面磨削加工过程能量效率；步骤1：建立平面磨削加工过程能量效率评估模型，所述能量效率η定义为有功能耗即材料去除能耗E
mrr
与数控磨床总能耗E
total
之比，其中，数控磨床总能耗E
total
包括电气控制能耗E
e
、冷却过程能耗E
c
、主轴旋转能耗E
s
、工作台x轴左右进给能耗E
x
、砂轮y轴向下进给能耗E
y
和工作台z轴前后进给能耗E
z
，所述材料去除能耗E
mrr
具体指材料去除阶段电气控制能耗E
em
、冷却过程能耗E
cm
、主轴能耗E
sm
和工作台x轴左右进给能耗E
xm
，（1）其中，所述各部分能耗为实时功率与作用时间的乘积，进一步表示为：（2）其中，t
sb
、t
a1
、t
a2
、t
m
、t
y
、t
z
分别为机床待机时间、前后空磨时间、左右空磨时间、材料去除时间、y轴进给时间和z轴进给时间，P
e
、P
c
、P
y
和P
z
分别为电气控制功率、冷却功率、砂轮y轴向下进给功率和工作台z轴前后进给功率，为恒定值，P
sa
、P
sm
、P
xm
和P
x
分别为主轴空磨功率、主轴材料去除功率、工作台x轴左右进给功率和工作台转向最大功率，与磨削加工参数有关；步骤2：计算平面磨削加工过程时间历程，包括4个时间阶段，待机阶段、前后空磨阶段、左右空磨阶段、材料去除阶段，其中，待机阶段时间t
sb
为常量，前后空磨阶段时间t
a1
、左右空磨阶段时间t
a2
、材料去除阶段时间t
m
根据磨削加工间隙、磨削宽度、磨削参数、工件尺寸几何关系确定，其中，前后空磨阶段时间t
a1
包括实际空磨时间和y轴进给时间，左右空磨阶段时间t
a2
包括实际空磨时间和z轴进给时间，一次y轴和z轴进给时间为常量；步骤3：测量平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数无关的子系统功率值，将功率计接入磨床电源空气断路器U、V、W三相输出端，打开所述磨床空气断路器开关和CNC控制台开关，等待磨床和CNC控制台启动完毕，测量此...

【专利技术属性】
技术研发人员：田业冰，王进玲，胡鑫涛，韩金国，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：