優(yōu)化某數(shù)控加工中心主軸變頻器加速時(shí)間及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證|加工中心
5.4優(yōu)化某精工加工中心主軸變頻器加速時(shí)間及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.4.1 XK713型精工加工中心參數(shù)分析精工加工中心XK713型銑床，接下來對(duì)該型機(jī)床的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)進(jìn)行一下介紹。精工加工中心供電需采用380V, 50Hz三相四線制交流電源供電, 該型精工加工中心的理想工作室溫在20°C左右，另外該型精工加工中心同樣具有較好的剛 性和加工精度，對(duì)于大多數(shù)較為常見的加工特征如：平面、曲面、孔以及溝槽等 都能夠較為準(zhǔn)確的加工出來。XK713型精工加工中心主要由底座、立柱、工作臺(tái)、滑鞍、主軸箱、冷卻箱、全 防護(hù)、電氣箱和集中操作按鈕站等部分組成，精工加工中心的外觀圖如圖5.1所示， 電氣箱安裝在精工加工中心背面，冷卻箱安放在精工加工中心全防護(hù)的下面，集中操作按 鈕站固定在精工加工中心全防護(hù)的正右方，精工加工中心總體布局緊湊，操作方便，占用 面積較小。 該型精工加工中心的主傳動(dòng)電機(jī)采用的是YPNC系列5.5KW/6000rmp的主軸異步 變頻專用電機(jī)，并配備變頻器經(jīng)過兩檔齒輪機(jī)械變速以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的無(wú)極變速， 主軸采用兩支撐結(jié)構(gòu)，前支撐采用高精度成組結(jié)構(gòu)的哈軸7212ACTA/P4DBA角 接觸主軸軸承，這種結(jié)構(gòu)的軸承承載能力大，極限轉(zhuǎn)速高，并能夠同時(shí)承載徑向 力和兩向的軸向推力，后支撐采用一只D110向心軸承，在軸承內(nèi)孔里設(shè)有刀具 自動(dòng)卡緊機(jī)構(gòu)；而本精工加工中心的進(jìn)給傳動(dòng)均采用高精度、高剛性的角接觸軸承構(gòu) 成，本精工加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5.2所示，主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比圖如圖5.3 所示。由圖5.2可以看出主電動(dòng)機(jī)1通過齒輪3、4、9、10的機(jī)械傳動(dòng)，可以使數(shù) 控銑床主軸在較低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，即精工加工中心主軸的低速檔位，而通過齒輪3、4、 6、8的機(jī)械傳動(dòng)，可以使精工加工中心主軸在較高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，即精工加工中心主軸的高 速檔位，精工加工中心主軸通過主電動(dòng)機(jī)和上述兩檔齒輪的相互配合，可以實(shí)現(xiàn)精工 銑床主軸的無(wú)極調(diào)速。由圖5.3可以計(jì)算得出各傳動(dòng)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。據(jù)此可以看出，該型精工加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的能量利用率是比較低的，因此基 于該型精工加工中心開展提升其能效研宄是很有必要的。5.4.2基于XK713型精工加工中心開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.4.2.1驗(yàn)證主軸旋轉(zhuǎn)加速功率方程和能耗模型精工加工中心XK713型銑床為例，對(duì)上述節(jié)能方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證，該型機(jī)床分兩個(gè)檔位，低速檔和高速檔，主軸轉(zhuǎn)速可在0~6000rmp內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú) 極變速，由于出于技術(shù)保護(hù)等原因，在購(gòu)買精工加工中心后其待機(jī)功率、空載功率、 主軸功率等參數(shù)廠商不愿提供，因此首先需要經(jīng)過試驗(yàn)得到該型精工加工中心的待機(jī) 功率，通過多功能功率采集儀多次測(cè)量精工加工中心主軸靜止時(shí)的待機(jī)功率，最后計(jì) 算得出精工加工中心的待機(jī)平均功率為328.5w，具體測(cè)量值如表5.1所示。 表5.1待機(jī)功率值 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 1 2 3 4 5 6 平均待機(jī)功率 待機(jī)功率(W) 298.7 341.6 323.9 310.7 336.5 359.6 328.5 控制精工加工中心主軸在0~1600rpm內(nèi)每隔lOOrmp為一檔做主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在 各級(jí)轉(zhuǎn)速下待精工加工中心平穩(wěn)運(yùn)行后，通過多功能功率采集儀連接一次性測(cè)取多組對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的主軸銑削空載功率p„，然后將各級(jí)轉(zhuǎn)速下的精工加工中心主軸空切削功 率減去待機(jī)平均功率便可得到表5.2所示的主軸旋轉(zhuǎn)功率表。 表5.2主軸旋轉(zhuǎn)功率表 主軸轉(zhuǎn)速(rmp) 100 200 300 400 主軸旋轉(zhuǎn)功率(w) 175.3 286.7 387.6 489.7 主軸轉(zhuǎn)速(rmp) 500 600 700 800 主軸旋轉(zhuǎn)功率(W) 603.2 678.8 809.6 936.7 主軸轉(zhuǎn)速（rmp) 900 1000 1100 1200 主軸旋轉(zhuǎn)功率(W) 1047.2 1198.6 1252.3 1289.6 主軸轉(zhuǎn)速（rmp) 1300 1400 1500 1600 主軸旋轉(zhuǎn)功率(W) 1328.4 1419.7 1523.7 1734.6 對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和擬合，繪制轉(zhuǎn)速與功率之間的曲線圖，其中在繪制時(shí) 以主軸轉(zhuǎn)速n為橫坐標(biāo)，主軸旋轉(zhuǎn)功率Pm為縱坐標(biāo)繪制，具體如圖4.3所示，從 圖中可以很明顯的看出在lOOOrmp和1400rmp時(shí)曲線的斜率變化明顯，因此以轉(zhuǎn) 速lOOOrmp和1400rmp為分界點(diǎn)得出主軸旋轉(zhuǎn)功率的分段函數(shù)，接下來對(duì)通過以上所得的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率方程和能耗模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證，以便確保后續(xù)在改變銑床主軸變頻器加速時(shí)間后利用該公式計(jì)算出的主軸能耗結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨機(jī)選取六組主軸旋轉(zhuǎn)加速的初始轉(zhuǎn)速^及 主軸旋轉(zhuǎn)加速的最終轉(zhuǎn)速詳細(xì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表5.3所示，在查閱了精工加工中心XK713的電氣說明書后知道主軸變頻器的加速時(shí)間h=3.2x,帶入主軸旋轉(zhuǎn)加速 功率和能耗公式中即可求得相應(yīng)能耗。測(cè)試實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試裝置圖如圖5.5所示。 表5.3主軸轉(zhuǎn)速參數(shù)表 參數(shù)(rmp) 實(shí)驗(yàn)i 實(shí)驗(yàn)2 實(shí)驗(yàn)3 實(shí)驗(yàn)4 實(shí)驗(yàn)5 實(shí)驗(yàn)6 n〇 0 0 500 500 1200 1500 ni 1000 1200 1400 1600 1400 1600 通過前文所述的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率方程和能耗模型可以計(jì)算得出主傳動(dòng)系統(tǒng) 的能耗預(yù)測(cè)值，為了驗(yàn)證該計(jì)算值的準(zhǔn)確度需進(jìn)行上述主軸能耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將理 論預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，證明該模型的實(shí)用性。在進(jìn)行該模型可靠性分析時(shí)主要通過精確度的指標(biāo)來判定，而預(yù)測(cè)精度計(jì)算 式如式(5-17)所示，分析結(jié)果如表5.4所示。 £1 -能耗測(cè)量值；在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)主要用到的實(shí)驗(yàn)儀器為：XK713型精工加工中心、橫河WT1800 功率測(cè)試儀以及一些輔助器材如電流鉗等。在眾多功率分析儀器中，橫河WT1800 具有體積輕巧、精度高及便于安放和測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，能精確滿足能耗數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn) 的要求，因此選用該型功率儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在測(cè)量的過程中主要是通過電流鉗 將功率測(cè)試儀串聯(lián)進(jìn)精工加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸電機(jī)的輸出端，通過測(cè)量電壓和電 流從而間測(cè)算出主軸電機(jī)加速過程的能耗值。 表5.4分析結(jié)果表 類目 實(shí)驗(yàn)1 實(shí)驗(yàn)2 實(shí)驗(yàn)3 實(shí)驗(yàn)4 實(shí)驗(yàn)5 實(shí)驗(yàn)6 能耗計(jì)算值(J) 9941.23 15609.04 12545.54 16722.76 2593.45 1477.15 能耗測(cè)試值(J) 9432.24 15232.86 14007.05 15103.87 2688.58 1322.34 預(yù)測(cè)精度(％) 94.60 97.53 89.57 89.28 92.74 88.29 通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果表后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用前文所述的精工加工中心主軸旋轉(zhuǎn)加速能耗計(jì)算 方法得出的能耗計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值之間存在一定的誤差，但誤差在合理范圍以 內(nèi)，能耗預(yù)測(cè)精度在88%以上，說明了該能耗模型具有一定的實(shí)用性，可以作為在 改變主軸變頻器加速時(shí)間后重新預(yù)測(cè)精工加工中心主軸能耗的理論公式。5.4.2.2驗(yàn)證基于主軸變頻器加速時(shí)間的主傳動(dòng)系統(tǒng)能耗優(yōu)化方法首先設(shè)定精工加工中心主軸旋轉(zhuǎn)加速的初始主軸轉(zhuǎn)速和最終轉(zhuǎn)速，在變頻器加速 時(shí)間變化范圍內(nèi)改變其加速時(shí)間，然后帶入主軸旋轉(zhuǎn)加速功率計(jì)算公式及能耗計(jì) 算公式中，通過計(jì)算得出主軸旋轉(zhuǎn)加速功率峰值及能耗的不同取值，然后經(jīng)過篩 選，剔除計(jì)算出的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率峰值大于主軸額定功率的方案，最后在剩下 的方案中選取最優(yōu)解。XK713型精工加工中心為例，根據(jù)機(jī)床參數(shù)列出了 4種可供選 擇的主軸變頻器加速時(shí)間，方案1的？4為5.4s，方案2的為4s,方案3的;4為精工加工中心原始變頻器加速時(shí)間3.2s，方案4的;4為2.6s。本實(shí)驗(yàn)所選初始主軸轉(zhuǎn)速均為0,最終轉(zhuǎn)速為主軸旋轉(zhuǎn)的******轉(zhuǎn)速1600rmp,由于變頻器加速時(shí)間不同導(dǎo)致主軸同樣從0加速到1600rmp的時(shí)間不同，具體如表5.4所示。將上述己知 量帶入前文公式中即可計(jì)算得到四個(gè)方案的主軸旋轉(zhuǎn)功率和能耗的理論值，具體 計(jì)算結(jié)果如表5.4所示。表5.4計(jì)算結(jié)果表 方案 主軸旋轉(zhuǎn)加速功率公式 主軸旋轉(zhuǎn)加速時(shí)間(s) ******功率(w) 能耗⑴ 方案1 ^(0 = =280.64? H h 1203.88 6.2 2943.85 12857.36 方案2 KM - = 434.14^ h 1635.88 4.6 3632.92 12118.25 方案3 ^ (0 = = 609.33?+ 2056.88 3.9 4908.19 12655.86 方案4 ^(0 = = 844.53?+ 2531.88 3.7 5656.64 15148.84 由精工加工中心的參數(shù)值可知，精工加工中心主軸電機(jī)的額定功率為5500w，而方案 4的******功率超過了 5600w,超出了主軸電機(jī)的******額定負(fù)荷，不滿足我們的要 求，應(yīng)該選擇在主軸額定功率以下且能耗值低的為最優(yōu)加速時(shí)間，因此首先剔除 方案4。對(duì)比其他三個(gè)方案，方案2的加速時(shí)間比方案1短，卻比精工加工中心原變 頻器加速時(shí)間3.2s要長(zhǎng)，但方案2的能耗比方案1的能耗降低了 5.7%，比方案3 的能耗降低了 4.2% ,因此優(yōu)先選擇方案2的主軸變頻器加速時(shí)間為最優(yōu)方案， 最終通過計(jì)算分析驗(yàn)證了本論文所提出的主傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方法的有效性，通 過選取合適的主軸變頻器加速時(shí)間確實(shí)可以降低主軸能耗。通過觀察計(jì)算結(jié)果還可以看出，在精工加工中心實(shí)際加工過程中，主軸變頻器的 加速時(shí)間并不是越短主軸能耗越小，也不是越長(zhǎng)主軸能耗越小，主軸能耗和變頻 器的加速時(shí)間之間的關(guān)系并不是單調(diào)的，但是可以通過計(jì)算，從有限個(gè)方案中選 擇合適的主軸變頻器加速時(shí)間方案，從而降低銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸的能耗，進(jìn)而 降低主傳動(dòng)系統(tǒng)的總能耗。5.5本章小結(jié) 本章主要圍繞如何選取合適的主軸變頻器加速時(shí)間來優(yōu)化主傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸 能耗展開，通過降低主軸能耗達(dá)到降低主傳動(dòng)系統(tǒng)能耗的目的。首先分別給出了 主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸旋轉(zhuǎn)加速功率和能耗方程的詳細(xì)獲取方法，然后基于精工加工中心 XK713進(jìn)行了實(shí)例分析，最后根據(jù)精工加工中心參數(shù)列出了 4種可供選擇的精工加工中心 主軸變頻器旋轉(zhuǎn)加速時(shí)間方案，根據(jù)方案分別計(jì)算出了各自方案下的精工加工中心主 軸能耗，并最終通過對(duì)結(jié)果的分析給出了最優(yōu)的主軸變頻器旋轉(zhuǎn)加速時(shí)間方案， 當(dāng)選取此種方案時(shí)，確實(shí)可以起到降低精工加工中心主軸能耗的效果，提升了主傳動(dòng) 系統(tǒng)的能效，從而實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能的目的。本文采摘自“精工加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)能耗特性及運(yùn)行節(jié)能技術(shù)研究”，因?yàn)榫庉嬂щy導(dǎo)致有些函數(shù)、表格、圖片、內(nèi)容無(wú)法顯示，有需要者可以在網(wǎng)絡(luò)中查找相關(guān)文章！本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！