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齒輪加工機床

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典型切削機床能耗(hào)模型的研究現狀及發展趨勢
2015-2-3  來源:數控機床市場網(wǎng)  作者:大連理工大學機械工程學院(yuàn)

  
(大連理工大學機械工程學院  李(lǐ)濤 孔露露 張洪潮(cháo) ASIF Iqbal 
 
       摘要:機床作為機械製造行業的“母機” ,數(shù)量大、能耗高、效率低。近年來,學者們為建立精確的(de)機床能耗模型已做大量工作。針對典型切削機床能(néng)耗的建模現狀,從切削單元能耗、加工階段整機(jī)能耗、工藝單元能耗三個(gè)層次進行綜合分析。進而從節能優化、產品綠色性(xìng)評估、企業資源配置(zhì)、機床綠色設計四方麵對機(jī)床能耗模(mó)型的應用進行論述。目前,機床能耗的建模逐漸麵向高端(duān)數控機床,建模的目標性更加(jiā)明確,與工業應用(yòng)的結合也(yě)使得模型的實用價(jià)值不斷提升。 

       關鍵詞:典型切削(xuē)機床;切削比能;整機能耗;工藝單元能耗;節(jiē)能優化 

       1  前言  

       我國是全球(qiú)機械製造業大國,同時也是機床生(shēng)產、消費第一大國,擁有世界第一的(de)機床保(bǎo)有量,目(mù)前約 800 萬台。若每台機床額定功(gōng)率平均為 10 kW,則我國機床總額定功率約相當(dāng)於三峽電站總裝(zhuāng)機容量(2250萬kW)的(de)3倍多。而(ér)且,統計資料表明,機床能量利用率平均低於 30%,如果我國機械工業(yè)的各類機床的能效都提高 1%,則帶來的節能效益相當於幾千萬噸標準煤(méi)。由此(cǐ)可見(jiàn),機床量大麵廣(guǎng),耗能多,但其能量利用率低,節能降耗潛力(lì)大,研究機床能量消耗對於提高資源(yuán)利用率、實現綠色與可(kě)持續製造具有重要意義(yì)。同時,機床能耗也是評價機械加工(gōng)環境性能的(de)重要指標之一,研究(jiū)表(biǎo)明,離散加工行業(車(chē)、銑等)機床(chuáng)對環境的影響 99%是由於消耗電能引起的。2010 年 10月 26 日,國際標準化(huà)委員會起草了機床的環境評估標準(zhǔn)(ISO 14955),將節(jiē)能減排(pái)的理(lǐ)念貫穿於機床設計到機床(chuáng)使用等主要耗能階段。可以(yǐ)預見,未來能耗指標將成為(wéi)評價機床產品的一個新指標。鑒於此,國(guó)內外學者針對揭示機(jī)床的能(néng)量特性、建立機床能耗模型開展了大(dà)量的研究(jiū)工作,以探尋節能降耗途徑、減少環境汙染、推動綠色與可(kě)持(chí)續製造的發展。 

       機床能耗是一個(gè)多部件多層次的係統問題,其(qí)能(néng)耗部(bù)件繁多,由 ISO14955-1 可知,機(jī)床能耗涉及機床主(zhǔ)傳動係統、進給係統、輔助係(xì)統等多(duō)個能耗子係統,涵蓋機電液三種類型,具有多源能耗特性。此外,文獻[3]在機(jī)床的運(yùn)行過程中(zhōng),機床的各部分存在(zài)各種性質的能量損耗,這些損耗相互作用(yòng)、相互影響,從而使機械加工係統的能量損耗規律變得複雜,國內外(wài)學者對此展開了多(duō)方(fāng)麵的研究工作。本文對當前典型機床(chuáng)能耗模型的研究現狀(zhuàng)進行了總結,已有的能耗(hào)模型可以歸結為三個層次:切削單元能耗、加工(gōng)階(jiē)段整機能耗、工藝單元能(néng)耗的建模研究。切削(xuē)單元能耗指機床切削過程中,克服材(cái)料變形抗力將材料去(qù)除(chú)所消耗的能量(liàng),是機床(chuáng)總能耗中的有效能部分;加工階段整機能耗是指機床處於切削加工階段時,整個機床係統所(suǒ)消耗的能量;工藝單元能耗是指綜合考慮機床不(bú)同運行階段(duàn)(裝夾、啟動、空載、加工、換刀等)整個(gè)機床係(xì)統所消(xiāo)耗的能量總和(hé)。這三個層次的關係(xì)可由圖 1 描述。

圖1 機床能耗層次示意圖

       1  機床能耗模型層次(cì)化整合分析 

       1.1  切削單元能耗模型(xíng)的研究 

       切削單元能耗由於受到(dào)切(qiē)削(xuē)參數工件(jiàn)材料、刀具(jù)參數、工藝條件、外部環境等各種變量的影響,這部分能耗難以進行精確量化。目(mù)前該部(bù)分的量化主要從分析切削力入手,或在各(gè)種理論知識支持的基礎上通過分析材料去除機理定性地建立切削力預測公式,或基於實際加工經驗數據運用數(shù)學擬合方法進行切削力的定量建模,進而對材(cái)料去除能耗進行計算。 

       1.1.1  基於材料去除(chú)機理的切削能耗模型(xíng) 

       (1) 理(lǐ)論切削力模(mó)型的建立。金屬(shǔ)切削過程的實質是被切削金屬層(céng)在(zài)刀具前刀麵的擠壓作用下產生剪切滑移的塑性變形過程。雖然切削過程中產生彈(dàn)性變形,但其變形量與塑(sù)性變形相比可(kě)忽略不計。針(zhēn)對包括銑削、鑽削、鏜削等在內的不同切削加工方法,雖然刀具和工件的相(xiàng)互作用形式有所不同,但工件材料在切削加工過程中(zhōng)的塑性變形規律以及切屑形成機理是相同的(de)。本(běn)文采用直角切削模型從(cóng)理論(lùn)上說明金屬切(qiē)削加工的變形過程。直角切削模型是在揭示切屑變形本質和現象的基礎上忽略一些次(cì)要因素建立起來的簡化物理模型。該模型由美國(guó)學者 MERCHANT[8-9]在 1945 年提出,揭示了切削力與切(qiē)削條(tiáo)件之間的關係式,並用最小功原(yuán)理求出了剪切角。這一理論(lùn)模(mó)型的提出奠定了進行切削(xuē)力理論預測的(de)基礎(chǔ),一直沿用至今,此後(hòu)的(de)理論模型大多在此基礎(chǔ)上進行的修正。如圖 2 所示為MERCHANT 的切削力模型。 

圖2 MERCHANT 切削力學模型

       圖 2 中,ac為切削層厚度;Ao為未切削前的切削層麵積;Ac為切屑截麵麵積;ach為切屑厚度;γ0為刀具前角;為剪切角;β為(wéi)切屑與刀具前(qián)刀麵間的平均摩擦角;Fns為剪切(qiē)麵上的正壓(yā)力(lì);Fs為剪切力(lì);Fr為車(chē)刀上的合力(lì);Fz為切削速度方(fāng)向的切削分力;Fx為進給方向的(de)切削分力。 

       根據材料去除機理及各(gè)力間的幾何關係可(kě)推導出


      式中,τs為工件材料的名義抗剪強度。 自此,國內外學(xué)者對(duì)切削力預測爭相研究。

       1951 年, LEE 等開始利用滑移線場理論來(lái)研究理想塑性材料(liào)的(de)切削現象。之後學者(zhě)們建立了正交切(qiē)削及斜刃切削的切削力模型。提出了考慮刀具磨損及加工硬化的切削力模型,應用摩擦學理論(lùn)分析(xī)了(le)後刀麵(miàn)與工件的摩擦作用力。張弘弢等考慮了溫度-速度應變速(sù)度效(xiào)應,不單純用力學方法又考慮了被加工材料(liào)的物理力學性質,使得模型在大多數切削條件(jiàn)下,計算(suàn)誤差小於 3%。BARRY 等分(fèn)析了金屬(shǔ)基複合材料的局部大應變、高應變、高應變率並伴有大(dà)量熱量生成的切削條件下的本構關係物理模型。  

     (2) 切(qiē)削功率及切削能耗的計算。利用力與速度的物理關係可計算切削功率 
  
 
         式中 v ——切削速度;  nw ——工件轉(zhuǎn)速; f ——進給量; 

            ap ——背吃刀量(在銑削中指銑(xǐ)削深度); 

            Pc ——切(qiē)削功率(lǜ)。 

         切(qiē)削能耗(hào)為去除一(yī)定體積的(de)材料所消耗的能量

             在(zài)假設切削功率不變的前提下,加工時(shí)間 


              (V 為(wéi)材料的總去(qù)除體積)。於是整個加工過程的切削能耗 
 

       1.1.2  基於實際(jì)加工的經(jīng)驗公式切削(xuē)能耗模(mó)型 

       基(jī)於試驗測量的經驗公式切削能耗模型是利用(yòng)測力傳(chuán)感器、扭矩測試(shì)儀等,通過(guò)大量試驗,測定不同加工參數下切削(xuē)力、扭矩(jǔ)的數值,然後利用統計分析及數值擬合建(jiàn)立(lì)了(le)切削力、切削功率、切削能耗與切削參數之間的冪率公式。常用的典型工藝的經驗模型如表 1 所示。表(biǎo) 1 中,C 為被加工金屬和切削條件係數;x、y、z 為指數;K 為修(xiū)正係(xì)數(shù);Ps為銑削功率,Ks為單位銑削力,B 為銑削寬度;vf為銑削進給速度;M 切(qiē)削扭矩;Cm為由材料確定的係數;D 為(wéi)鑽頭直(zhí)徑。 

表 1  不同加工(gōng)方式下的切削(xuē)力切削功率模型(xíng)
 
       這類模型對於定量分析不同工藝(yì)不同切削條件下的能耗大小、指導工藝路線的製定、優化分析等有很好的指導(dǎo)作用。通過這類模型計算得到的結(jié)果與實際(jì)情況吻合良(liáng)好,但由於加工條件(jiàn)的複雜性,該模型中附加了大量由實際情況來確定的修正係數,相(xiàng)對繁瑣,必(bì)須(xū)查閱經驗(yàn)數值表才能確定(dìng)。


       1.2  加工階段整機能耗模型 

       在切削(xuē)加工階段(duàn),機床幾乎所有的係統都參與(yǔ)運行,且增加了負載能耗,此(cǐ)時機床的能耗組成如圖 3 所示(shì)(以數控機床為例),作為機床的有效加工狀態,學術界給予了極大關(guān)注。由 GUTOWSKI 教授負責的(de)麻省理工學院的環境意識製造小組對(duì)利用功率表測量機床能耗的方(fāng)法進行了(le)深入研究:JEFFREY 等通過試驗數據建立了不同機床在(zài)加工階段各部分能耗比例分配圖,研究(jiū)結果表明,機床能耗隨(suí)著機床機(jī)構的(de)複雜程度及先進程度(dù)的增大而提(tí)高,一個加工中(zhōng)心的能量利用率平均不足15%,而對於一個手動機床則在(zài) 30%左右。並且機床能耗與機(jī)床製造(zào)的資金密集程度及操作(zuò)規(guī)程密切相(xiàng)關,機床的能效隨著負載的增大而提高。
 
                              

       由(yóu)於機床結(jié)構多樣,潤滑條件不同,機床整(zhěng)機(jī)能耗組成各有(yǒu)差異。而研(yán)究角度的不同,學者們對機床單元整機能耗的建模也各有特色。1.2.1 機床主傳動係統運行能耗預測模型 主(zhǔ)傳動(dòng)係統的能耗是機床全部能耗的主體,臥式車床(chuáng)主(zhǔ)傳動係統的能耗占機床總能耗(hào)的 95%以上,有很大研究價值。重慶大學劉(liú)飛等從機床電動機和機械傳動係統(tǒng)一體化的角度出發,在考慮機床運行中多種能量(liàng)損耗並存的情況下,以機電係統和各傳動環節的能量流程為基礎,建立(lì)了機(jī)床主傳動(dòng)係統的能量傳(chuán)輸預測數(shù)學模型;提出了普通機床功率和效率計算方法(fǎ)、能量信息監(jiān)控的方法(fǎ)和(hé)數學模型。 

       該理(lǐ)論認為機床能量消耗由切(qiē)削能耗、空載能耗(hào)及(jí)各傳動環節的附加載荷損(sǔn)耗構成,其中空載能耗由各子係統的廣義儲能(機械能、電磁能等)構成,是含有主軸轉速、主軸摩擦、阻尼等多個變量的複(fù)雜函數,與轉速近似成二次函數(shù)關係。圖 4 為機床主傳動係(xì)統能量流程圖。圖 4 中,PFe為電動機的(de)鐵耗;PCu為電動機(jī)的銅耗;Pad為電動機的附加(jiā)損耗;Pmec0 為電動機的機械損(sǔn)耗;Em 為耦合(hé)場(電磁場)磁能;Eke為電動機轉子(zǐ)動(dòng)能;Pim為電動機的輸出功率;Ekn為機械傳動(dòng)係統第 n 個傳動環節(jiē)的動能;Pmecn 為機械傳動係統第 n 個傳動環節的機械損耗  功率(lǜ)。
 
圖4 機床(chuáng)主傳動係統能量流程(chéng)圖

       一般形式的機床主傳動係統(tǒng)穩態下的(de)功率傳輸(shū)模型為(wéi) 
 

       式中 Pi ——主傳動係統總輸入功率; 

            Pu ——機床空載功率; 

            Pa ——機床載荷(hé)損耗功率; 

            Pc ——機床輸出功率; 

            PLe ——電動機的電損; 

            b1 ——電(diàn)動機(jī)的載荷(hé)係數; 

            Pam ——機(jī)械傳動係統載荷損耗功率(lǜ); 

            Pum ——機(jī)械傳動係統的非載荷損耗功率。 

       對式(6)中各部分分(fèn)別在其相應的工作時間(jiān)上進行積分,即可得到機械主傳(chuán)動係統的能量消耗 Ein為 

 
       式中 t ——機床總運行時間; 

            t1 ——空載時間; 

            t2 ——切削時(shí)間。 

        1.2.2  基於材料切削比能的能耗模型 

        切削比能是指(zhǐ)去除單位體積的材料所消耗的能量。金屬(shǔ)切削過程是一(yī)個材料逐步去除的過程,切削比能是工件加工時瞬時耗能量的量化,能夠(gòu)反映出切削能耗與材料去(qù)除率之間的映射關(guān)係及機床能(néng)效能力,便於(yú)理解和計算。 

        LI 等利用不同的材料去除率對不同(tóng)的材料進行切削,建立了(le)材料的切(qiē)削比能經驗公式

       式中  SEC——材料的切削比能; 

       MRR——材料去(qù)除(chú)率(lǜ); C0,C1——係數。 

       他認為材料的切削比能由裝夾比(bǐ)能、機床運行比能、材料去除比能及非生產比能(即熱損耗比能等)四部分組成。指出模型中的係數 C0、C1並非恒定,定性地分(fèn)析了材料特性、刀具形狀及主軸驅動方式對 C0的影響,機床自身對 C1的影響,但具體關(guān)係需要根據實際情況進行確定。這種通過切削(xuē)比(bǐ)能來預測(cè)機床能耗的經驗模型(xíng),為以後切削比能的研究提供了指引。 

       早在 1992 年,WARREN建(jiàn)立了切削比能的經驗公(gōng)式,以及 100 多種材料的切削比能基礎數(shù)據。

       隨著技術的進步,工藝條件的改善,切削比(bǐ)能不(bú)斷受到國際學者的關注(zhù)和應用。GUTOWSKI 等(děng)在搜集了大量數據的基礎上基於材料的平均切削比能建立了各種工藝(yì)的切削比能圖譜,半(bàn)定量地(dì)反映不同(tóng)工藝的能效差異。ALESSANDRO 等[35]對高速切削(xuē)條件下的切削比能與刀具幾何參數與切削速度的關係進行試驗研究。 AWADE 等 預測了高速切削鉻鎳鐵合金(jīn) 718 時,在(zài)主剪切區域內的切(qiē)削比能解析(xī)模型,指出剪切比能是進給率(lǜ)的函數,隨著進(jìn)給(gěi)率的減小而(ér)增大,在最(zuì)低切削速度時,試驗剪(jiǎn)切比能達到最大。DIAZ 等通過試驗分析一個微加工中心在(zài)不同的材料去除(chú)率下切削低碳鋼的能量需求建立了切削比能模型,指出材料的切(qiē)削(xuē)比能隨著材料去(qù)除率的增大而降低,並將(jiāng)該規律拓展到(dào)大型(xíng)機械加工設備中。 

       1.2.3  基於熱力學第二定(dìng)律的機床能耗模型 

       BRANHAM 等[38]從熱力學角度把機床係統看做一個輸入輸出係統,利用熱(rè)力學第二定律通過計算輸入輸出過程中的減少(shǎo)值作為加工係統的能耗 
 

       式中  Blost——的(de)減少值即係統能耗; 

             Bin ——係統的(de)輸(shū)入值;  Bout ——輸出值。 

       該思路比較新穎(yǐng),但其計算結果的精度取決於熵、焓、的準確性,偏差仍比(bǐ)較大,同時由於各(gè)種材(cái)料和輔助材料的熵、焓、值難以直接獲(huò)得,目前該方法僅在特定條件下進行了試(shì)驗分析。 

       1.2.4  神經網絡模型 

       神經網絡方法對複(fù)雜不確定問題具有(yǒu)自適應和自學習能力,可(kě)以(yǐ)有(yǒu)效處理大量工藝參數之間複雜的非線性關係。謝東等(děng)利用 BP 神經網絡法搭建了機床能耗與切削參數的(de)模型,從輸入層(céng)、隱含層、輸出層的設計,網(wǎng)絡的初始(shǐ)化,訓練算法的選擇,訓練樣本數的選擇,學習速(sù)率的(de)選擇方麵建立了 BP 神經網絡,簡化了經驗公(gōng)式繁瑣的計算過程取得(dé)了較好的預測結果。 

       1.3  工藝單元(yuán)能耗模型(xíng) 

       在一個工件的加工工藝(yì)過程中,包括工件裝夾、機加工(gōng)、工件拆卸等步(bù)驟,在機加工部分機床的運行包括啟動階段、空載(zǎi)階段、加工階段、停機階段等(děng)不同(tóng)的服役時段。 在上述(shù)兩層模型的基礎上,利用萬用表或功率分析(xī)儀通過試驗測量不同階段機(jī)床運行(háng)的能耗可建立機床工藝單元能耗模型。 

       在工件加工工藝中的總能耗是在各子部件、子過程能耗基礎上的累(lèi)加,因此該部分模型主要以宏觀框架模型為主,目前已建立的工(gōng)藝能耗模型見表2。由於研究目的(de)的(de)不同,有些學者也將機床間(jiān)接能耗:材(cái)料生產能耗、刀(dāo)具製造能耗以及產品清洗(xǐ)能(néng)耗考(kǎo)慮在內。 

表(biǎo)2 工藝單元能耗模(mó)型


       表 2 中(zhōng),Et為機床總能耗;Es為啟動能耗;EU為空載能耗;EM為加(jiā)工(gōng)能耗;Eprod為(wéi)產品生產總(zǒng)能耗;Ematerial為材料生產能量;Estep,i為每個加工階(jiē)段能耗; Ewaste為浪費的能量;Emachine為機床總能(néng)耗;Econst 為機床功率恒定部分能耗;Ecut 為切削能耗;Evar-steady 為主軸等達到(dào)特定運行狀態的能耗;Evar-trans 為主(zhǔ)軸等啟動(dòng)機加減速階段(duàn)變化能耗;P0為空載(zǎi)功率;k 為係數;v 為(wéi)材料去除率;T 為刀具壽命;yE為刀(dāo)具(jù)製造能耗;t3為換刀時間;t4為(wéi)刀具製造時間;Pb為基礎功率;Pr為準備狀態功率;Pcool為冷卻係統功率;Pair為(wéi)空載(zǎi)功率;tb、tr、tair、tc 分別為對應的時間;Epart為加(jiā)工一個工件的能耗;Eprocess 為製造過程能耗(hào);Ehandling為自動裝夾係統及傳送係統能耗;Eindirect為(wéi)與保持環境清潔有關(guān)的(de)非直接能耗。 

       2  機床能耗模(mó)型應用分(fèn)析 

       機械加工過程實質上是一(yī)個材料的去除過程,期間將消耗大量的資源,產生的各種廢棄物和排放物對環境將產生很大影響(xiǎng)。機床能(néng)耗模型(xíng)能夠量化機床整個加工周期的能源消耗(hào)及能量利用率,並能夠間接反應整個加工周期物料的輸入輸出情(qíng)況。因(yīn)此,利用機(jī)床能耗模型可以有效分析機械加工係統的資源能源消耗和環(huán)境影響(xiǎng)問題。其應用主要可以歸納(nà)為以下四個方麵。 

       (1) 節能性工(gōng)藝(yì)優化指導。基於試驗測量數(shù)據建立起來(lái)的能耗模型與實(shí)際加工情況有很好的吻合性,主要用於(yú)對特定(dìng)機(jī)床的加工任務進行能耗監(jiān)  控並通過對加工參數的優化得到最佳節能參數(shù)。DRAGANESCU 等通(tōng)過(guò)試驗,采用響應麵分析法建(jiàn)立(lì)了機床(chuáng)能耗及能效與切削參數的影響關聯模型,通過優化分析得到利用立銑床對鋁合金材料進行(háng)端麵銑削時的最佳(jiā)節能(néng)參數,相對保守參數,去除相同體積的材料,當材料去除率由 6.4 cm3/min提高到 818.6 cm3/min 時,節能可達 93.98%。日本森精機有(yǒu)限公司采(cǎi)用正交(jiāo)試驗方法建立(lì)機床能耗模(mó)型,分析(xī)了(le)不同切削參數對機床能耗的影響,給出鑽削 S45C 碳(tàn)鋼(gāng)最佳節能參數,相(xiàng)對於初選參數,在材料去除率提高 25%的(de)情(qíng)況下材料的切削比能可降低 5%。謝(xiè)東等采用粒子群優化算法對機床能耗函數進行尋優求(qiú)解,得(dé)出(chū)了加工一低碳鋼零件的節能性參數,采用優化後的參數能將加工能耗降低 22%,但刀具發熱厲害,影響刀具壽(shòu)命。施金良等根據數(shù)控(kòng)機床主傳動係統(tǒng)功率方(fāng)程,建立了數控機床工步間空載運行時停機節能的理論(lùn)決策模型,通過實際案例分析(xī)得到很(hěn)好的節能應用效果。周丹(dān)等提出一種數控機床能(néng)量設計(jì)因子提取方法,並對(duì)提高機床的(de)能量效率(lǜ)給出了建設性意見(jiàn)。但這些在特定試驗條件下得出的結論,對機床節能性使用有一定的(de)指導作用,但由於受實際加工質量要求(qiú)及設(shè)備規範性使用的限製,其可行性及適(shì)用(yòng)性還需要進一步的拓展研(yán)究。 

       (2) 綠色評估支持。將(jiāng)機械(xiè)加工係統看作一個輸入輸出係統,將其消(xiāo)耗及排放考慮在內的過程模型對於加工(gōng)過程的綠色性評估提供了很大支持。美國加州伯克利分校的(de)綠色設計與製造聯盟建立了一(yī)個將刀具、切削液、材料及能量消耗考慮在內的加工過程模型,對係統產生的廢液、切屑、排放物等進行加權量化並評價加工各環節產生的毒性、可燃性、放射性等環境(jìng)影響因子,尋找敏感環節輔助產(chǎn)品的(de)環境設計決策。麻省理工學院的環境意識小組開發(fā)了一係列機械加工中的銑削加工、磨削加工等製造過程的模(mó)型(xíng),對其產生的資源環境屬性(xìng)進行評價,主要考(kǎo)慮了七種不同的資源(yuán)消耗和環(huán)境影響因素(sù):能量、固體廢棄(qì)物、回收性、有毒(dú)材料、廢水、廢氣、垃圾填埋(mái)物等。通(tōng)過建(jiàn)立設(shè)備層(céng)模型和物料流模型,評價製造係統中的多種可選製造過程、製造工藝的資源環境屬(shǔ)性。 

       (3) 資源配置,調度安排決策。近年來,綠(lǜ)色製造與可持續製造(zào)的理(lǐ)念越來越受到(dào)重視,國內重慶大學劉飛課題組提出的綠色製造理論中指出減少(shǎo)製造過程的資源能源消耗是綠色製造的重要目標(biāo)之一。他(tā)們在機床能耗模型的基礎上,從宏觀角度,建(jiàn)立(lì)了(le)麵向綠(lǜ)色製造機(jī)械加工係統任務的調度模型,根(gēn)據機床規格與零件(jiàn)加工要(yào)求的匹配性采用優(yōu)化分析的方法獲得滿(mǎn)足最優零件與機床組合方(fāng)案(àn)進行節能性調度,大大降低了機械加工係統所(suǒ)產生的環境影響(xiǎng)和資源消耗。 

       (4) 綠色設計指導。部件層(céng)的機(jī)床能耗模型不僅分析了機床部件的能耗特征及其節能潛力,而(ér)且為高效部件的結構設計(jì)提供基礎。ABELE 等分析了機床主軸單元的能耗特性,並指出了節能潛力。ZULAIKA 等提出一(yī)種加工過程的輕量化設計(jì)方法,同(tóng)時考慮了減少可移動部件的質量和最(zuì)大化材料去除率兩個因素,用該方法設計了一台大型銑床,結果表明該方法可以將生產(chǎn)率提高一倍(bèi),同時因可移動部件質量減少 20%可降低能耗 13%。 

       3  機床能耗模型研究趨勢 

       近年來,隨著大量(liàng)新工藝、新設備、新技術在機(jī)械製造領域的應用,機床能耗的建模對象逐漸轉向高端(duān)設備,麵向特定目標的建模使(shǐ)得(dé)模(mó)型的實(shí)用價值不斷(duàn)提(tí)升。當今機床能(néng)耗模型(xíng)的研究趨勢可歸結為如下。 

       (1) 對具有機-電-液(yè)多(duō)源能量融合特征的高端數控機床,從部件(jiàn)層開展深入研究,分(fèn)析加工(gōng)過程能量在各子係統流動、融合與分(fèn)布特性,構建高端數控機床加工過程(chéng)能耗模型。重(chóng)慶大(dà)學劉飛教授帶領的團隊在建立了普通機床主傳動係統的能耗模型的基(jī)礎上,建立了(le)變頻調速數控機床主傳動係統及進(jìn)給係統的功率平(píng)衡方程,揭示了變頻器的能量(liàng)損耗規律(lǜ),進一步對數控(kòng)機床空載運行下的能量參數(包(bāo)括空載功率、空載電流(liú)和功率因數)特性進(jìn)行了分析(xī),並(bìng)揭示了變頻數控機床當電源頻率小於基準頻率時空載功(gōng)率是單調遞增的,電源頻率大於基準頻率時主傳動係統的空載功率的(de)增(zēng)減性與其結構參數有關的獨有(yǒu)特性。但這(zhè)些已建立的模型尚處(chù)在理論(lùn)層(céng)麵,模(mó)型中(zhōng)大量模糊影響係數的存在使得與實際情況的吻合性上還(hái)有待進一步的試驗探(tàn)究與建模修(xiū)正。 

       (2) 建立加工單元過程能耗、物耗、環境數據清單,支持產品生命周期的經濟屬性(xìng)、環境屬性、社會屬性的評估。MICHAEL 等(děng)以鑽削一(yī)種特定零件為例提出了建(jiàn)立單元製造過程離線物(wù)耗、能耗(hào)分類管理數據清單(dān),為產品設計生命周期評價提(tí)供數據支持。黃海鴻等從產品設計角度出發,在分析產品能(néng)量消耗特性的基礎(chǔ)上導出了產品全生命周期能量過程模型,並加以定量化描述,從而為(wéi)產品設計提供合理和可行的能量分析手段和應用方法。該思路的提出(chū)為(wéi)推動產品生產的可持續性提供了有(yǒu)力的量(liàng)化評估方法,所需的清(qīng)單(dān)數據尚需進一步健全。 

       (3) 機床能耗建模正向多領域交叉化發展,機床能耗建模技術與機電控製技術、智能製造技術(shù)、信息通信技術的交叉集成,將推動(dòng)能耗模型與工業(yè)應用的(de)結合。德國德馬吉公司開發出虛擬機器、自(zì)動停機管理、綠色代(dài)碼等節能技術。例如,開發的機械加工仿真模擬技術替代試切過程,節約該(gāi)環節能耗;建立的機床智能管理平台,用戶可通過數據係統控製(zhì)麵板設置不同的係統關機時間,控製機(jī)床進入休眠狀態,最大限度降低能源消耗,還支持喚(huàn)醒和預熱(rè)功能。 

       4  結論 

       從切削單元能耗、加(jiā)工階段整機(jī)能耗、工藝單元(yuán)能耗三個層次對機床能耗(hào)的(de)建模進行總結,並對機床能耗模(mó)型的應用及研究趨勢進行了分(fèn)析。通過整合分析發現機床能耗模型的研究不斷完善,表現在:機床能耗向多層次拓展,向下延伸到材料去除過程的能耗(hào)建模,向上拓展到機床層、工藝層乃至車間層;從理論的概念模型細化到具體機床執行具體工藝的(de)能耗隨工藝(yì)參數變化的精確模型,模型的精度不斷提升;模型的應用範圍逐漸(jiàn)由單(dān)純節能優化擴展到產(chǎn)品生產的綠色評估、綠色設計及企業資源配置上,麵(miàn)向特定目標的建模技術更具針對性。但(dàn)還有許多方麵需要進一步探究:麵向高端數控機床的多源能量流耦合(hé)特性尚需(xū)完善,局部(bù)關鍵問題尚待研究;麵向產品生命周期評估的物(wù)耗、能耗、環(huán)境清單數據尚待開發;機床能耗建模技(jì)術尚待與智能化技術及工業應用結合拓(tuò)展。 


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