數(shù)控加工中心加工工件能耗預(yù)測方法研究
海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：海天精工 備注：為保證文章的完整度，本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試，手機(jī)瀏覽可能無法正常使用！能源是機(jī)械制造業(yè)必不可少的物質(zhì)條件，而制造過程是機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)生能置消耗的主要環(huán)節(jié)之隨著人類社會(huì)的進(jìn)步與科技的發(fā)展，工件的生產(chǎn)出現(xiàn)批置化與多元化特征B。中國已成為世界上******的能源消費(fèi)國，同時(shí),加工中心總量持續(xù)位居************，但能量消耗大且效率低，面對日益加劇的能源危機(jī)和由此帶來的環(huán)境惡化問題，開發(fā)機(jī)械加工仿真模擬技術(shù)替代試切過程,節(jié)約試切能耗且有效預(yù)測出預(yù)加工工件所需能耗具有重大意義。同時(shí)，制造過程能耗狀況分析及能效預(yù)測已成為目前值得研究的問題。目前，國內(nèi)外對加工能耗狀況的分析主要集中在精工加工中心加工零件能耗模型研究，加工設(shè)備能耗分析研究和制造過程整體能耗評估當(dāng)中，文獻(xiàn)H建立了基于輸入功率檢測的和基于輸出功率獲取的能量效率模型;文獻(xiàn)W根據(jù)制造過程中能量的不同作用，將能量分為直接能量和間接能置;文獻(xiàn)N對加工中心空載運(yùn)行時(shí)的啟動(dòng)過程能耗、空載能耗、調(diào)速過渡過程能耗等參數(shù)進(jìn)行了測試，總結(jié)出了加工中心加工過程中的實(shí)際切削能耗;文獻(xiàn)曰建立設(shè)計(jì)了能量信息集成模型表達(dá)了設(shè)計(jì)信息的能量特征,能夠適應(yīng)多角度的能耗分析需求;文獻(xiàn)以葉片切肖咖工為例，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了針對車削加工參數(shù)的能耗預(yù)測模型;文獻(xiàn)n對精工加工中心進(jìn)給系統(tǒng)能量流以及能量損耗特性，建立了精工加工中心進(jìn)給系統(tǒng)功率模型。綜上所述，在節(jié)能減排作為全球經(jīng)濟(jì)“新常態(tài)”背景下，以上研究主要側(cè)重于制造加工過程的能耗模型建立與研究，未涉及機(jī)加工中精工編程模塊的運(yùn)用與解析,擬運(yùn)用CAM軟件模擬加工中心銑削加工過程，通過解析NC代碼得到各耗能元件的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)信息，提出解析NC代碼預(yù)測精工加工中心銑削加工能耗的方法。2精工加工中心加工工件耗預(yù)測模型的構(gòu)建精工加工中心在銑削加工工件過程中能耗可分為負(fù)載無關(guān)與負(fù)載有關(guān)兩個(gè)部分\負(fù)載有關(guān)的能耗主要包括主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)的能耗，其中精工加工中心加工工件過程中，空載能耗主要是受機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定的影響，切削能耗則主要受到工藝參數(shù)和工件材料的影響;負(fù)載無關(guān)的能耗主要包括風(fēng)扇電機(jī)、伺服系統(tǒng)和冷卻泵等加工中心部件在運(yùn)行過程中固定的消耗，此類能耗只受開/停狀態(tài)的影響。從此可以看出,精工車床加工工件能耗是由精工車床各耗能部件在工件加工過程中消耗的能置組成,包括了主軸電機(jī)、進(jìn)給軸電機(jī)和冷卻系統(tǒng)電機(jī)等的能耗以及基礎(chǔ)性能耗，精工加工工件能耗可以表達(dá)成：總體能耗模型:£總=£主軸+£進(jìn)給十五冷卻+五固^ 〇)主軸電機(jī)能耗模型:£主#=廣乂 •出+丨:"尺咄 (2)進(jìn)給電機(jī)能耗模型:PxW*d«+| /^A+| Pzm-dt (3)冷卻系統(tǒng)電機(jī)能耗模型:(4基礎(chǔ)性耗能部件能耗模型:S固定=(P詞服+PJ . ‘束-。(5)式中:精工鐵床加工工件的總能耗;£擁、£_、£,4.9、£雌一主軸電機(jī)、基礎(chǔ)性能耗、冷卻系統(tǒng)電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等耗能部件的能耗。3精工加工中心加工工件耗預(yù)測模型的求解 通過以上精工加工中心加工工件耗預(yù)測模型的建立可知，精工加工中心加工工件時(shí)的主要耗能元件是主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)、冷卻系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)，采取的是在CAXA制造工程師2013中導(dǎo)入工件CAD模型，對其進(jìn)行加工工藝設(shè)定，自動(dòng)生成NC代碼，解析NC代碼獲取精工加工中心各部件在加工時(shí)的能耗信息。3.1加工工件NC代碼的組成與獲取 NC程序具備零件加工的完整的幾何信息與工藝信息％可以全面地描述零件的結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝路線、加工方案、刀具參數(shù)等信息。從可行性的角度考慮，為了達(dá)到NC代碼自動(dòng)生成的目的，可分為三大模塊來實(shí)現(xiàn):特征識(shí)別模塊、工藝規(guī)劃模塊、刀具選擇模塊,整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)框架，如圖1所示。 加工特征識(shí)別模塊:在幾何模型中識(shí)別出加工工件特征(比如：孔、面、臺(tái)階、槽、型腔、倒角等)，提取出加工參數(shù),作為工藝規(guī)劃模塊的選擇依據(jù)。0工藝規(guī)劃模塊:檢查性加工工件CAD模型中的每個(gè)加工特征的可加工性，確定事宜刀路加工的方向。對加工工件進(jìn)行工藝規(guī)劃,規(guī)劃工件的加工操作順序。0刀具選擇模塊:根據(jù)加工特征信息與工藝規(guī)劃信息，給該特征選擇合適的刀具,根據(jù)加工類型建立加工操作，并給它設(shè)置加工區(qū)域信息、刀具信息和走刀的方式等。最后，生成刀路軌跡，并自動(dòng)生成NC代碼文件使其直觀的呈現(xiàn)在用戶眼前。3.2加工工件NC代碼的解析NC代碼自動(dòng)生成采用增量編程，且以電機(jī)進(jìn)行分類來采集計(jì)算能耗，主要耗能電機(jī)包括:主軸電機(jī)與進(jìn)給軸電機(jī)。從精工銑床加工工件耗預(yù)測模型公式可知，若求得各電機(jī)功率參數(shù)與時(shí)間參數(shù)，即可得到精工加工中心加工工件與負(fù)載相關(guān)的能耗，最后與負(fù)載無關(guān)的能耗值進(jìn)行計(jì)算，即可得出精工加工中心整個(gè)加工過程的總能耗丨抑。精工加工中心加工工件能耗的計(jì)算與刀具加工路徑有著直接的關(guān)系，其加工運(yùn)動(dòng)路徑主要分為三種:正交運(yùn)動(dòng)方式、斜線運(yùn)動(dòng)方式與曲線運(yùn)動(dòng)方式。(1) 正交運(yùn)動(dòng)方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為正交運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，所述進(jìn)給軸各自的工作時(shí)間優(yōu)選分別計(jì)算為：E I-t I E k I El^l式中：S l-Y I、Z I r I、2 IZ | —所對應(yīng)工序部分的NC代碼中所有.Y軸、y軸和z軸坐標(biāo)的絕對值之和;/一精工加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度。0斜線運(yùn)動(dòng)方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為斜線運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，若某段加工路線斜線的長度用L表示，則某段斜線的長度為：L=V|.Y r + |F I2式中：|X I, |F I—NC代碼中進(jìn)給軸電機(jī)在軸方向所走距離;/ 一精工加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度。0曲線運(yùn)動(dòng)方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為曲線運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，由走刀路線為曲線部分NC代碼的特點(diǎn)可知，圓弧部分的NC代碼分i?>0 和 i?<0 兩種，當(dāng) i?>0 H'j', s =arecos | ^ +y ^ J xR-當(dāng) /?<0 時(shí),5-277/?- arecos 卜對肺曲線段以相同方式進(jìn)行計(jì)算，由此得到上述弧長之和與加工時(shí)間?式中::v、:y•—NC代碼中代表該圓弧終點(diǎn)相對與圓弧起點(diǎn)的位移量;—該圓弧段的半徑值。 對于主軸電機(jī)與進(jìn)給軸電機(jī)各個(gè)工作階段功率P,可以采用功率傳感器之類的設(shè)備來分別測得，其中，對于各個(gè)加工階段的銑削功率可以通過公式進(jìn)行計(jì)算，式中—銑削力;d—鐵刀直徑;n—銑刀轉(zhuǎn)速t/mhi。銑削力Fe的計(jì)算公式 176 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造與銑刀類型和工件材料有關(guān)M,需根據(jù)加工條件來選取銑削力的計(jì)算公式,相關(guān)的公式可以在金屬切削手冊中查到。主軸電機(jī)空載功率和進(jìn)給電機(jī)的空載功率F,.是關(guān)于進(jìn)給速度的單調(diào)遞增二次函數(shù),同時(shí)進(jìn)給速度和負(fù)載質(zhì)量均影響進(jìn)給系統(tǒng)的空載功率,但負(fù)載質(zhì)置對空載功率的影響極小M。通過對進(jìn)給軸進(jìn)給功率有關(guān)轉(zhuǎn)速的二次函數(shù)曲線擬合,可以得到進(jìn)給功率關(guān)于進(jìn)給速度之間的表達(dá)式，譬如：& +4 % A +；^ +:y3; =:乂 +以 +=3。式中:P,„，—加工中心在主軸處于轉(zhuǎn)速S,.下的空載功率A—加工中心在進(jìn)給軸處于進(jìn)給速度5下的進(jìn)給功率。最后，所獲得的各項(xiàng)功率參數(shù)和時(shí)間參數(shù)代入到該能耗預(yù)測模型中，計(jì)算出各個(gè)電機(jī)消耗的與負(fù)載相關(guān)的能耗;將其與負(fù)載無關(guān)的能耗值相加進(jìn)行計(jì)算，可得出精工加工中心整個(gè)加工過程的總能耗,由此完成整個(gè)能耗預(yù)測工藝過程。4案例研究實(shí)驗(yàn)設(shè)備:XK713精工加工中心。刀具:刀具采用三刃高速鋼立銑刀，材料為8Cr4V,直徑為10mm。工件材料:工件材料為45號(hào)鋼。加工要求:銑削深度S =lmm,銑削加工_段路徑。實(shí)際加工中,XK713精工加工中心運(yùn)行實(shí)測相關(guān)參數(shù)，如表1所示。并采用CAM軟件CAXA2013制造工程師模擬銑削加工過程，銑削路徑及NC代碼，如圖2所示。 表1 X K 713精工鐵床各部件運(yùn)行參數(shù)信息表Tab.1 The Runnng Parameters hforra atbn Table ofXK713 NC M illiig Machiie Parte 耗能原件 加工參數(shù) 運(yùn)行功率 運(yùn)行時(shí)間 主軸電機(jī) 主軸轉(zhuǎn)速 空載階段:374.95W 27.6s 5=200ryfn in 負(fù)載階段:406.63W 183.9s Z進(jìn)給軸電機(jī) 快進(jìn)階段：v= 5000m myfn in負(fù)載階段：i；=80m m yfn in 408.20W 21.34W 1.7s 183.7s y進(jìn)給軸電機(jī) 快進(jìn)階段：v= 5000mmyfn in 負(fù)載階段：i；=80m m yfn in 408.20W 21.34W 1,7s 146.2s Z進(jìn)給軸電機(jī) 快進(jìn)階段：5000m m/fn in 負(fù)載階段：r=80m m yfn in 408.20W 21.34W 5,4s 22,4s 冷卻系統(tǒng)電機(jī) 40.14W 211.5s 伺服系統(tǒng)電機(jī) 309.89W 213.2s 總能耗 257.6kJ 對此段模_卩工NC代碼進(jìn)行解析，其分析結(jié)果，如表2所示。 基于獲取的基礎(chǔ)功率數(shù)據(jù)和通過NC代碼提取的各耗能部件運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，可以得到XK713精工加工中心各耗能部件運(yùn)行時(shí)的功率參數(shù)，如表2所示。因此，將各耗能部件的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)以及功率數(shù)據(jù)代入精工加工中心加工工件能耗預(yù)測模型中,通過式0) ~式Q ,可以預(yù)測出該段加工過程在XK713精工銳床上的總能耗及各耗能部件的能耗。主軸"^進(jìn)給冷〇 +[固定=158.5kJ+9.1kJ+10.5kJ+66kJ=244.1kJ 表2 N C代碼解析Tab.2 The PatserofNC Code N C代碼 詳細(xì)信息 耗能部件 運(yùn)行狀態(tài) N12G90G54G0X-5 0.Y-35.S200M03 加工中心伺服系統(tǒng)、主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī) 快進(jìn)到X-50.Y-35,快進(jìn)時(shí)間為1.7s;主軸電機(jī)啟動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速為200r/fn in N14Z100.M 07 Z軸進(jìn)給電機(jī)、冷卻電機(jī) 切肖!1液開啟，Z軸電機(jī)快進(jìn)到Z100快進(jìn)時(shí)間為2s采用增量編程,Z軸電機(jī)沿Z N16G91Z-86. Z軸進(jìn)給電機(jī) 軸方向快進(jìn)-86，m m,快進(jìn)時(shí) 間為1.7s Z軸電機(jī)垂直向下運(yùn)行 N18G01Z-15.F80 Z軸進(jìn)給電機(jī) 15mm,進(jìn)給速度為 80m m/fn in,加工時(shí)間為11.2s銑刀斜線加工運(yùn)動(dòng),進(jìn)給速 N20X50.Y70. X、Y軸進(jìn)給電機(jī) 度為80mm/fn in,加工時(shí)間為 63.7s N22G17G02X0.Y-70. IO.J-35. X、Y軸進(jìn)給電機(jī) 銑刀曲線加工運(yùn)動(dòng),進(jìn)給速度為80mm A in,加工時(shí)間為82.5s 直線插補(bǔ)，向X軸方向移動(dòng) N24G01X-50.Y0. X、Y軸進(jìn)給電機(jī) -50mm,進(jìn)給速度為80m m yfn in,加工時(shí)間為37.5sZ軸電機(jī)向上移動(dòng)15mm,進(jìn) N26Z15. Z軸進(jìn)給電機(jī) 給速度為80m m A in,退刀時(shí) 間為11.2s N40G0Z86. Z軸進(jìn)給電機(jī) Z軸電機(jī)向上快速移動(dòng)86mm,快退時(shí)間為1.7s N42M 09 冷卻電機(jī) 切削液關(guān)閉 N44M05 主軸電機(jī) 主軸電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) N46M 30 風(fēng)扇電機(jī)與伺服系統(tǒng) 精工加工中心關(guān)機(jī) 實(shí)際加工過程中，由于加工中心機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生各種機(jī)械損耗,通過功率測試儀與秒表測得的實(shí)際各部件功率及運(yùn)行時(shí)間與預(yù)測值存在一定的誤差，實(shí)際總能耗為£ s»=257.6kj,將實(shí)際能耗與該能耗預(yù)測方法獲得的能耗的誤差為5.34%。通過上述方法以及誤差分析可以看出,此精工加工中心加工工件能耗預(yù)測方法獲取的銑削加工能耗精度較高，與用功率測置儀器測得的精工銑床CK713在該段加工過程的能耗誤差基本保持在10%以內(nèi)，誤差值在應(yīng)用范圍之內(nèi)。因此，在實(shí)際工作中有著很好的參考價(jià)值。5總結(jié)隨著科技的進(jìn)步，精工加工中心加工工件能耗建模與許多其他科技領(lǐng)域發(fā)生交集。例如，精工加工中心加工工件能耗建模技術(shù)與信息通信技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)以及智能制造技術(shù)具有交集,運(yùn)用精工加工中心模擬加工能耗預(yù)測技術(shù)替代試切過程，節(jié)約該環(huán)節(jié)能耗,自動(dòng)生成加工工件NC代碼并解析，預(yù)測出加工能耗，最后運(yùn)用_個(gè)加工實(shí)例驗(yàn)證了該預(yù)測方法的可行性。該能耗預(yù)測方法可以運(yùn)用于車間生產(chǎn)調(diào)度與產(chǎn)品工藝方案評價(jià)中，為企業(yè)生產(chǎn)加工中能源精細(xì)化管理打下基礎(chǔ)。海天精工是一家集銷售、應(yīng)用及服務(wù)于一體的公司。產(chǎn)品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機(jī)、石墨機(jī)、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機(jī)床的生產(chǎn)工廠設(shè)在廣東省寧波市，目前其生產(chǎn)的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務(wù)！聲明：本站文章均來自網(wǎng)絡(luò)，所有內(nèi)容不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任！