目前,数控机床能耗问题己成为当今世界学术界的研宄热点,国际生产工程 学会(CIRP)在2009年和2012年分别对制造过程能耗问题做了专题报告[26’27]。 国内外研宄学者对机械加工制造系统中的数控机床能耗以及能效等方面进行了严 谨细致的研宄。
Draganescu ?[28]等人通过对试验数据进行分析,建立了数控机床能量效率与工 艺参数之间的函数关系,主要用于估算数控机床加工过程中的能耗。英国曼切斯特 大学的Mativenga [29]等分析列出了在刀具切削时空载的功率和刀具变化是影响能 量消耗的关键因素,针对此建立了以减少能源消耗和碳排放为优化目标的参数模 型;美国麻省理工学院的Timothy Gutowski[3Q]等从动力学角度分析阐述建立了机 械加工生产过程的能耗去向及能耗动态平衡方程;斯图加特大学的以扣111^1'[31]在 数控机床的能源消耗预测和优化中介绍了一种基于数控机床能源消耗的建模方 法,其可以预测数控机床的实际耗电量和在任意情况下优化数控机床的能耗,以 精益模型为基础,提出了一种测量实际能源消耗的方法。
文献[32]中曼彻斯特大学的Vincent Aizebeoje Balogun等利用可视化跟踪加工
过程的碳足迹,建立了一个新的数学模型并且逻辑预测加工刀路中的直接电能源 需求,并为数控机床电能需求预算提供了有价值的信息,如机器模块、纺锤波, 辅助单位和运动状态。这些知识在评估和重新设计数控机床以致提高能源效率,降 低电力成本和相关的碳足迹的研宄是非常重要的。
文献[33]中A.Azadeh等人利用人工神经网络的算法在综合考虑了环境和经济 等因素下提出了一种能耗的最优估算方法。澳大利亚的Li和Kara等人[34_36]利用单 位体积能耗和材料去除率得到机床能耗,又通过实验数据分析求出相应的参数。 文献[37]中Gara等人指出在加工中心里机床换刀时间会随着刀位的变化而变化, 并给出了主轴自动换刀时间的理论计算公式。
文献[38]中M.Mori等从数控机床的主轴电机和伺服电机方面进行了重点研 宄,以减少能源消耗。在数控机床中主轴电机和伺服电机能量消耗有两个最主要 的原因:1)主轴转速的改变和工作台的移动2)提供切削力和克服切削阻力。所 以从两个方面来减少能源的消耗:1)控制转速可以减少能源消耗。2)高效率下的 切削环境减少切削阻力和缩短工作时间。
当下国内诸多学者在针对机床能耗方面也展开了许多应用研宄工作,如:
重庆大学与英国诺丁汉大学合作,以产品生命周期为主线,开展了机械加工 过程信息监控技术系统的研宄,为整个机械加工制造过程能耗数据的获取提供了 较为详细的技术支持[39];华中科技大学的高亮等从优化方法与优化模型两方面对 数控加工参数进行研宄,认为切削速度、进给量和切削深度是影响加工设备效率 的重要变量[4()]。而我校绿色制造研宄团队在对机电产品制造企业的生产过程中的 资源环境属性进行系统的研宄基础之上,构建了 24种常见加工制造工艺的资源环 境属性数据库[41],建立了包含能耗指标的绿色制造生产过程多目标集成决策理论
模型[42-43]。
文献[44]中吕景祥等人利用动素分析的方法通过对数控机床加工过程中的加 工参数进行优化,从而完善了以往的数控机床能耗计算模型。文献[45]中首先将数 控机床运行过程分为启动、空载和切削三个部分,然后通过实验测量获取数控机床 启动、闲置和切削过程的离散速度,再通过数据分析拟合出不同加工速度下的数控 机床能耗曲线,从而预测出不同加工速度下的数控机床能耗。文献[46]中何彦等提 出在生产作业的加工过程中也要考虑能源消耗和环境影响,为了达到此目的,需 要建立一个多准则模型,该问题的关键是要先建立一个矩阵,矩阵中的每行每列 数值都是由每台机器上每个零件加工过程的能源消耗和环境影响的估值所确定 的。
文献[47]中提出在制造系统能源消耗中建立一个具有任务导向的建模方法,
以减少加工任务在道具上的能源消耗,分析任务流在制造系统中的能源消耗特 性,得出能源消耗主要取决于任务流的可变性和灵活性,通过运用该论文中提出 的建模方法可以有效提高制造系统中的能源利用效率。施金良[48]等建立了数控机 床主传动系统动态能耗模型关系,深入剖析了机床各组成部分的能耗规律。文献
[49] 中王秋莲等提出了基于数控机床的多能量流的能耗功率平衡方程,通过分析 数控机床各组成部分能耗特性建立了数控机床多源能量系统数学模型。文献[50] 中许建弟等针对数控机床主轴电机空载能效低这一问题,从调节主轴电机电压这 一角度出发,研宄降低数控机床能耗的措施。
文献[51]中贾顺等人提出了一种基于动素的切削功率建模方法,将切削功率分 解为空走刀功率和材料切削功率,将两部分功率映射为动素功率并借助实验建立 切削功率模型。王坚教授与IAC的研宄角度比较类似,都主要针对的是制造企业, 而对制造企业的具体制造过程的能耗研究不足;同济大学李国伟[52]等提出了高能 效制造的概念,从产品全生命周期各个阶段的资源效用评价入手,认为从设备优 化、过程优化和管理优化这几个方面可实现高能效制造;中国科技大学陈华平[53] 等针对工件尺寸,以极小化总完工时间为目标,对批调度的蚁群算法进行了研 宄;浙江大学的唐任仲教授[54]按照加工工序将制造过程分为一系列的基本活动, 提出了一种基于活动的成本法来计算制造过程的碳排放量,碳排放量计算为制造 过程中无效能耗的折算提供了一种方法;哈尔滨工业大学的宫运启[55]教授所在的 研究团队在重点研宄了制造过程能量消耗的特点后,主要利用CBR技术建立了能 耗知识的语义模型,并结合神经网络的方法建立了能耗预测仿真模型。
综上所述,当前国内外的科研工作者对机械加工过程中的数控机床能耗特性 已经展开了大量研究,针对不同工件加工工艺建立了不同的能耗模型,但大多数 集中在数控机床总的能耗分析或能量效率传递方面,在针对数控机床主传动系统 的能量消耗特性领域研宄不是很多,在当前大的环境下,从各个不同的方面对制 造系统展开全面深入细致的研宄工作是必不可少的。
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