數(shù)控銑床加工過程能耗計算預(yù)測方法
2019-8-19 來源： 山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院 作者：侯春宏，趙國勇，喬建芳
摘要: 文章分析了數(shù)控機床的多源能耗系統(tǒng)，將數(shù)控加工過程的能耗分為固定能耗、空載能耗、銑削能耗三個部分，推導(dǎo)構(gòu)建這類加工過程的能耗估算模型，提出了一種基于 Master CAM 和 VB 的數(shù)控機床能耗在線檢測方法。利用 Master CAM 軟件建模并模擬加工生成數(shù)控加工程序，運用能耗模型和自行編寫 vb程序讀取數(shù)控程序代碼，設(shè)定不同的銑削參數(shù)自動進行能耗計算，并對能耗結(jié)果進行比對分析。實驗結(jié)果表明，上述模型可預(yù)測出數(shù)控銑床加工過程能量消耗，并能為后續(xù)的工藝參數(shù)優(yōu)化和節(jié)能等實際問題提供一種理論支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控銑床; 能耗估算模型; Master CAM 軟件; VB 程序
0 引言
在制造業(yè)能源消耗總量中，能源消耗大部分來自機加工過程，而此過程對環(huán)境產(chǎn)生的影響，99% 來源于該過程中的電能消耗。制造業(yè)在消耗大量能源的同時，對環(huán)境造成很大壓力，隨著全球能源價格上漲以及環(huán)境保護重視程度的提高，優(yōu)化機加工過程中產(chǎn)生的能耗引起格外重視，越來越多的學(xué)者將機加工過程中的能耗列為工藝優(yōu)化的參考指標(biāo)，通過改變工藝加工路線與工藝參數(shù)來提高加工效率，減少能耗。
因此一個準(zhǔn)確的能耗預(yù)測模型不僅能在工藝規(guī)劃過程中預(yù)測能量消耗，還能對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，使得機床加工過程中的能量消耗最小。針對數(shù)控機床多能量源的特性，建立數(shù)控機床的多源能量流的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，本文提出了一種基于數(shù)控銑床加工過程中的能耗模型，對機床整體加工能耗實施在線檢測。構(gòu)建數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)和進給傳動系統(tǒng)的功率平衡方程和能耗模型，利用 Master-CAM 軟件建模并進行模擬加工生成數(shù)控加工代碼，利用 VB 語言設(shè)計開發(fā)相應(yīng)的計算機程序，通過讀取和分析數(shù)控加工 G 代碼，得到加工過程中的參數(shù)及刀位軌跡變化，進而結(jié)合已建立的銑削能耗方程，計算得到具體的銑削能耗值，并對結(jié)果進行比較研究。
1 、數(shù)控銑床的能量流模型
一個完整的加工過程應(yīng)包含 3 個典型的機床狀態(tài):機床待機階段、空載階段、加工( 切削) 階段，如圖 1 所示。因此本文將傳動系統(tǒng)的輸入功率 Pi簡化為待機功率 Pstandby、空載功率 Pu和切削功率 Pc三個階段。
圖 1 機加工過程能耗構(gòu)成
( 1) 待機功率 Pstandby的測量
機床的照明系統(tǒng)，冷卻風(fēng)扇，潤滑等都是與機加工過程并無直接關(guān)系的功能單元，機床加工狀態(tài)對這部分能耗幾乎沒有影響，且當(dāng)機床處于待機狀態(tài)時，這部分功能單元依舊處于工作狀態(tài)，所以，也將機床的固定能耗認(rèn)為是機床的待機能耗，通常認(rèn)為這部分值為常量，決定這部分能耗大小的只有這部分功能單元的工作時間。測量方法為: 數(shù)控銑床在開機回參考點后，主軸、各進給軸不運動情況下，用功率分析儀可測得機床的待機功率。
( 2) 主軸空載功率 Psu的計算：
Pidle: 設(shè)置特定的主軸轉(zhuǎn)數(shù)，啟動銑床主軸，機床系統(tǒng)進入空轉(zhuǎn)狀態(tài)，待銑床主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后其功率即為空轉(zhuǎn)狀態(tài)的數(shù)控銑床系統(tǒng)實際空轉(zhuǎn)功率。Pstandby: 開啟數(shù)控銑床系統(tǒng)電源，機床輔助系統(tǒng)即被激活而進入工作狀態(tài)，此時數(shù)控銑床系統(tǒng)的功率為實際待機功率。參數(shù) a ，b 的求法: 以主軸轉(zhuǎn)速 n 為自變量，以實際測量得到的主軸機械損耗 Pidle－ Pstandby為因變量，輸入多組實驗數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計軟件二次擬合求得。進給軸空載功率:
參數(shù)c，d 的求法，也利用多組實驗數(shù)據(jù)，二次擬合求得。
( 3) 主軸銑削功率 Pc的計算加工過程中需要主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的相互配合才能完成材料的切除。因此在銑削過程中，主軸電機和進給電機的功率也就是材料去除所需要的功率。而對于銑削加工，加工參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、軸向切深和徑向切深四個因素，因此，材料去除率可用公式( 3) 表達:
式中，MＲＲ —材料去除率;F —進給速度;ap—軸向切深;ae—徑向切深。銑床的銑削功率模型為:
其中，k 是系數(shù)，可通過多組實驗擬合測得。
由上述分析可得，數(shù)控銑削加工過程中能源消耗功率模型為:
根據(jù)功率平衡方程創(chuàng)建的數(shù)控機床系統(tǒng)的能耗模型如下:
2、基于 Master CAM 的數(shù)控編程
對于復(fù)雜幾何形狀的零件，可以首先利用 Master-CAM 模擬加工軟件中的 CAD 模塊進行建模，創(chuàng)建出零件的幾何模型，并通過工藝分析來制定加工過程方案; 利用軟件的 CAM 功能，選擇銑削參數(shù)、刀具及參數(shù)，指定合理的加工路線，軟件程序就能自動計算出刀具的加工路徑，最后可利用自己改寫的后處理功能得到相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控加工程序。根據(jù)加工零件的幾何形狀、尺寸精度、技術(shù)要求等進行綜合分析制定不同的工藝路線。
采用不同的刀路軌跡，設(shè)定不同的切削用量模擬出的加工路線，如圖 2和圖 3 所示。
圖 2 雙向切削的方式
圖 3 由內(nèi)而外的等距環(huán)切
3 、基于 VB 的數(shù)控 G 代碼加工參數(shù)的讀取
由于人工記錄數(shù)控加工程序 X、Y 坐標(biāo)及其它加工參數(shù)較為繁瑣，利用計算機自動讀取并儲存能耗公式所需參數(shù)，設(shè)計的程序流程如圖 4 所示。
圖 4 參數(shù)讀取流程圖
4 、數(shù)控銑床能耗優(yōu)化實例
現(xiàn)用由雙向銑削的方法銑削橢圓槽，為驗證所提出的能耗估算模型，采用不同的加工參數(shù) ，在三軸CINCINNATI 數(shù)控立式銑床上進行多組銑削加工實驗，銑削參數(shù)見表 1。所 用 鋁 合 金 毛 坯 塊 尺 寸 是100mm × 60mm × 20mm，橢圓槽尺寸如圖 5 所示; 將Master Cam 生產(chǎn)的數(shù)控加工程序載入編寫的 VB 程序，程序界面如圖 6、圖 7 所示。
表 1 銑削參數(shù)
圖 5 橢圓槽尺寸圖
圖 6 組號 1 的能耗計算程序界面
圖 7 組號 2 的能耗計算程序界面
圖 6 和圖 7 是基于不同加工方式和加工參數(shù)下產(chǎn)生不同的數(shù)控加工程序，從而利用 VB 編寫的數(shù)控 G代碼讀取和能耗計算軟件，進行自動計算預(yù)測數(shù)控銑削過程產(chǎn)生的能耗結(jié)果。從圖中結(jié)果可看出數(shù)控銑床加工過程中參數(shù)不同能耗結(jié)果也有所區(qū)別，在針對三軸 CINCINNATI 數(shù)控立式銑床進行的 2 組銑削驗證實驗中，實際測得的能耗值和模型估算能耗值較為接近:2 組銑削驗證試驗的實際能耗分別為 43957、48752，由圖 6 和圖 7 可知，通過模型估算的能耗分別為42705． 36、46987. 07，誤差分別為 － 2. 847% 、－ 3. 620% 。誤差較小，進一步證明了能耗估算模型在數(shù)控加工過程中作為能耗估算方式的可行性。
5 、結(jié)論
本文針對數(shù)控銑床加工過程中的能耗問題，將機加工過程分為固定能耗、空載能耗和銑削能耗，建立了機加工過程的能耗估算模型，并運用 Master Cam 軟件進行模擬加工生成數(shù)控加工代碼，利用高級語言 VB編寫自動讀取加工參數(shù)并計算能耗結(jié)果的程序，能夠自動預(yù)測出加工過程中的能源消耗，并在立式銑床證明了該估算模型的準(zhǔn)確性和實用性，為后續(xù)的工藝參數(shù)優(yōu)化及確定合理的加工工藝奠定基礎(chǔ)。
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