数控加工中心加工工件能耗预测方法研究


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 

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 能源是机械制造业必不可少的物质条件,而制造过程是机械制造业产生能置消耗的主要环节之随着人类社会的进步与科技的发展,工件的生产出现批置化与多元化特征B。中国已成为世界上最大的能源消费国,同时,加工中心总量持续位居世界第一,但能量消耗大且效率低,面对日益加剧的能源危机和由此带来的环境恶化问题,开发机械加工仿真模拟技术替代试切过程,节约试切能耗且有效预测出预加工工件所需能耗具有重大意义。同时,制造过程能耗状况分析及能效预测已成为目前值得研究的问题。

目前,国内外对加工能耗状况的分析主要集中在数控加工中心加工零件能耗模型研究,加工设备能耗分析研究和制造过程整体能耗评估当中,文献H建立了基于输入功率检测的和基于输出功率获取的能量效率模型;文献W根据制造过程中能量的不同作用,将能量分为直接能量和间接能置;文献N加工中心空载运行时的启动过程能耗、空载能耗、调速过渡过程能耗等参数进行了测试,总结出了加工中心加工过程中的实际切削能耗;文献曰建立设计了能量信息集成模型表达了设计信息的能量特征,能够适应多角度的能耗分析需求;文献以叶片切肖咖工为例,运用神经网络技术建立了针对车削加工参数的能耗预测模型;文献n数控加工中心进给系统能量流以及能量损耗特性,建立了数控加工中心进给系统功率模型。综上所述,在节能减排作为全球经济“新常态”背景下,以上研究主要侧重于制造加工过程的能耗模型建立与研究,未涉及机加工中数控编程模块的运用与解析,拟运用CAM软件模拟加工中心铣削加工过程,通过解析NC代码得到各耗能元件的运行状态参数信息,提出解析NC代码预测数控加工中心铣削加工能耗的方法。

2数控加工中心加工工件耗预测模型的构建

 

数控加工中心在铣削加工工件过程中能耗可分为负载无关与负载有关两个部分\负载有关的能耗主要包括主轴电机和进给电机的能耗,其中数控加工中心加工工件过程中,空载能耗主要是受机床的运行参数设定的影响,切削能耗则主要受到工艺参数和工件材料的影响;负载无关的能耗主要包括风扇电机、伺服系统和冷却泵等加工中心部件在运行过程中固定的消耗,此类能耗只受开/停状态的影响。从此可以看出,数控车床加工工件能耗是由数控车床各耗能部件在工件加工过程中消耗的能置组成,包括了主轴电机、进给轴电机和冷却系统电机等的能耗以及基础性能耗,数控加工工件能耗可以表达成:

 

总体能耗模型主轴进给十五冷却+五固^                                                                                                                                                    )

 

主轴电机能耗模型:£主#=广乂 •出+丨:"尺咄       (2)

 

进给电机能耗模型:PxW*d«+| /^A+| Pzm-dt (3)冷却系统电机能耗模型:(4基础性耗能部件能耗模型:S固定=(P词服+PJ . ‘束-。(5)式中:数控铁床加工工件的总能耗;£拥、£_、£,4.9、£雌一主轴电机、基础性能耗、冷却系统电机和进给电机等耗能部件的能耗。

3数控加工中心加工工件耗预测模型的求解

通过以上数控加工中心加工工件耗预测模型的建立可知,数控加工中心加工工件时的主要耗能元件是主轴电机、进给电机、冷却系统与伺服系统,采取的是在CAXA制造工程师2013中导入工件CAD模型,对其进行加工工艺设定,自动生成NC代码,解析NC代码获取数控加工中心各部件在加工时的能耗信息。

3.1加工工件NC代码的组成与获取

NC程序具备零件加工的完整的几何信息与工艺信息%可以全面地描述零件的结构形状、加工工艺路线、加工方案、刀具参数等信息。从可行性的角度考虑,为了达到NC代码自动生成的目的,可分为三大模块来实现:特征识别模块、工艺规划模块、刀具选择模块,整个系统的一个框架,如图1所示。

加工特征识别模块:在几何模型中识别出加工工件特征(比如:孔、面、台阶、槽、型腔、倒角等),提取出加工参数,作为工艺规划模块的选择依据。

 

0工艺规划模块:检查性加工工件CAD模型中的每个加工特征的可加工性,确定事宜刀路加工的方向。对加工工件进行工艺规划,规划工件的加工操作顺序。

 

0刀具选择模块:根据加工特征信息与工艺规划信息,给该特征选择合适的刀具,根据加工类型建立加工操作,并给它设置加工区域信息、刀具信息和走刀的方式等。最后,生成刀路轨迹,并自动生成NC代码文件使其直观的呈现在用户眼前。

3.2加工工件NC代码的解析

 

NC代码自动生成采用增量编程,且以电机进行分类来采集计算能耗,主要耗能电机包括:主轴电机与进给轴电机。从数控铣床加工工件耗预测模型公式可知,若求得各电机功率参数与时间参数,即可得到数控加工中心加工工件与负载相关的能耗,最后与负载无关的能耗值进行计算,即可得出数控加工中心整个加工过程的总能耗丨抑。

 

数控加工中心加工工件能耗的计算与刀具加工路径有着直接的关系,其加工运动路径主要分为三种:正交运动方式、斜线运动方式与曲线运动方式。

 

(1)  正交运动方式:当加工中心走刀轨迹为正交运动方式时,所述进给轴各自的工作时间优选分别计算为:

 

E I-t I E k I El^l

 

式中:S l-Y I、Z I r I、2 IZ | —所对应工序部分的NC代码中所有.Y轴、y轴和z轴坐标的绝对值之和;/一数控加工中心进给系统的进给速度。

 

0斜线运动方式:当加工中心走刀轨迹为斜线运动方式时,若某段加工路线斜线的长度用L表示,则某段斜线的长度为:

 

L=V|.Y r + |F I2

 

式中:|X I, |F INC代码中进给轴电机在轴方向所走距离;/ 一数控加工中心进给系统的进给速度。

 

0曲线运动方式:当加工中心走刀轨迹为曲线运动方式时,由走刀路线为曲线部分NC代码的特点可知,圆弧部分的NC代码

分 i?>0 和 i?<0 两种,当 i?>0 H'j', s =arecos | ^     +y ^ J xR-当 /?<0 时,5-277/?- arecos        卜对肺曲线段以相

 

同方式进行计算,由此得到上述弧长之和与加工时间?式中::v:y•—NC代码中代表该圆弧终点相对与圆弧起点的位移量;—该圆弧段的半径值。

对于主轴电机与进给轴电机各个工作阶段功率P,可以采用功率传感器之类的设备来分别测得,其中,对于各个加工阶段的铣削功率可以通过公式进行计算,式中—铣削力;d—铁刀直径;n—铣刀转速t/mhi。铣削力Fe的计算公式

与铣刀类型和工件材料有关M,需根据加工条件来选取铣削力的计算公式,相关的公式可以在金属切削手册中查到。

 

主轴电机空载功率和进给电机的空载功率F,.是关于进给速度的单调递增二次函数,同时进给速度和负载质量均影响进给系统的空载功率,但负载质置对空载功率的影响极小M。通过对进给轴进给功率有关转速的二次函数曲线拟合,可以得到进给功率关于进给速度之间的表达式,譬如:

 

&            +4 % A          +;^ +:y3; =:乂 +以 +=3

 

式中:P,„,—加工中心在主轴处于转速S,.下的空载功率A—加工中心在进给轴处于进给速度5下的进给功率。

 

最后,所获得的各项功率参数和时间参数代入到该能耗预测模型中,计算出各个电机消耗的与负载相关的能耗;将其与负载无关的能耗值相加进行计算,可得出数控加工中心整个加工过程的总能耗,由此完成整个能耗预测工艺过程。

4案例研究

 

实验设备:XK713数控加工中心。刀具:刀具采用三刃高速钢立铣刀,材料为8Cr4V,直径为10mm工件材料:工件材料为45号钢。加工要求:铣削深度S =lmm,铣削加工_段路径。实际加工中,XK713数控加工中心运行实测相关参数,如表1所示。并采用CAM软件CAXA2013制造工程师模拟铣削加工过程,铣削路径及NC代码,如图2所示。

 

1 X K 713数控铁床各部件运行参数信息表Tab.1 The Runnng Parameters hforra atbn Table ofXK713 NC M illiig Machiie Parte

 

耗能原件

 

加工参数

 

运行功率

 

运行时间

 

主轴电机

 

主轴转速

 

空载阶段:374.95W

 

27.6s

 

 

5=200ryfn in

 

负载阶段:406.63W

 

183.9s

 

Z进给轴电机

 

快进阶段:v= 5000m myfn in负载阶段:i;=80m m yfn in

 

408.20W

 

21.34W

 

1.7s

 

183.7s

 

y进给轴电机

 

快进阶段:v= 5000mmyfn in

 

负载阶段:i;=80m m yfn in

 

408.20W

 

21.34W

 

1,7s

 

146.2s

 

Z进给轴电机

 

快进阶段:5000m m/fn in

 

负载阶段:r=80m m yfn in

 

408.20W

 

21.34W

 

5,4s

 

22,4s

 

冷却系统电机

 

 

40.14W

 

211.5s

 

伺服系统电机

 

 

309.89W

 

213.2s

 

总能耗

 

 

257.6kJ

 



对此段模_卩工NC代码进行解析,其分析结果,如表2所示。

基于获取的基础功率数据和通过NC代码提取的各耗能部件运行状态参数,可以得到XK713数控加工中心各耗能部件运行时的功率参数,如表2所示。因此,将各耗能部件的运行状态参数以及功率数据代入数控加工中心加工工件能耗预测模型中,通过式0) ~式Q ,可以预测出该段加工过程在XK713数控锐床上的总能耗及各耗能部件的能耗。

 

主轴"^进给冷〇 +[固定

 

=158.5kJ+9.1kJ+10.5kJ+66kJ=244.1kJ


2 N C代码解析Tab.2 The PatserofNC Code

 

N C代码

 

详细信息

 

耗能部件 运行状态

 

N12G90G54G0X-5

 

0.Y-35.S200M03

 

加工中心伺服系统、主轴电机、进给电机

 

快进到X-50.Y-35,快进时间为1.7s;主轴电机启动,主轴转速为200r/fn in

 

N14Z100.M 07

 

Z轴进给电机、冷却电机

 

切肖!1液开启,Z轴电机快进到Z100快进时间为2s采用增量编程,Z轴电机沿Z

 

N16G91Z-86.

 

Z轴进给电机

 

轴方向快进-86,m m,快进时

 

 

 

间为1.7s

 

 

 

Z轴电机垂直向下运行

 

N18G01Z-15.F80

 

Z轴进给电机

 

15mm,进给速度为

 

 

 

80m m/fn in,加工时间为11.2s铣刀斜线加工运动,进给速

 

N20X50.Y70.

 

X、Y轴进给电机

 

度为80mm/fn in,加工时间为

 

 

 

63.7s

 

N22G17G02X0.Y-70. IO.J-35.

 

X、Y轴进给电机

 

铣刀曲线加工运动,进给速度为80mm A in,加工时间为82.5s

 

直线插补,向X轴方向移动

 

N24G01X-50.Y0.

 

X、Y轴进给电机

 

-50mm,进给速度为80m m yfn in,加工时间为37.5sZ轴电机向上移动15mm,进

 

N26Z15.

 

Z轴进给电机

 

给速度为80m m A in,退刀时

 

 

 

间为11.2s

 

N40G0Z86.

 

Z轴进给电机

 

Z轴电机向上快速移动86mm,快退时间为1.7s

 

N42M 09

 

冷却电机

 

切削液关闭

 

N44M05

 

主轴电机

 

主轴电机停止转动

 

N46M 30

 

风扇电机与伺服系统

 

数控加工中心关机

 

实际加工过程中,由于加工中心机械传动系统中会产生各种机械损耗,通过功率测试仪与秒表测得的实际各部件功率及运行时间与预测值存在一定的误差,实际总能耗为£ s»=257.6kj,将实际能耗与该能耗预测方法获得的能耗的误差为5.34%。通过上述方法以及误差分析可以看出,此数控加工中心加工工件能耗预测方法获取的铣削加工能耗精度较高,与用功率测置仪器测得的数控铣床CK713在该段加工过程的能耗误差基本保持在10%以内,误差值在应用范围之内。因此,在实际工作中有着很好的参考价值。

5总结

 

随着科技的进步,数控加工中心加工工件能耗建模与许多其他科技领域发生交集。例如,数控加工中心加工工件能耗建模技术与信息通信技术、机电控制技术以及智能制造技术具有交集,运用数控加工中心模拟加工能耗预测技术替代试切过程,节约该环节能耗,自动生成加工工件NC代码并解析,预测出加工能耗,最后运用_个加工实例验证了该预测方法的可行性。该能耗预测方法可以运用于车间生产调度与产品工艺方案评价中,为企业生产加工中能源精细化管理打下基础。


 

 

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