典型切削機床能耗模型（xíng）的研究現狀及發展趨勢-螺紋加工機床網-數控機床市場網

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典型（xíng）切削機床能耗模（mó）型的研究現狀及（jí）發展趨勢

2015-2-3 來（lái）源（yuán）：數控機床市場網作者：大連理工大學機械工程學院

(大連理工大學機械工程學（xué）院李濤孔露露張洪潮 ASIF Iqbal )

摘要：機床作為機械製造行業的“母機” ，數量（liàng）大、能耗高、效率低。近年來，學者們為建立精確的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、加工階段整機能耗、工藝單元能耗三個層（céng）次進行（háng）綜合分析。進而從節能優化、產品綠色性評估、企業（yè）資源配置、機（jī）床綠（lǜ）色設計四（sì）方麵（miàn）對機（jī）床能耗模型的應用進行論述。目前，機床（chuáng）能耗的建模逐漸麵向（xiàng）高端數控（kòng）機床，建模的目標性更加明確，與工業應用（yòng）的結合也使得模型的實用價值不斷提升。

關鍵詞：典型切削機床；切削比能；整（zhěng）機能耗；工藝單元能耗；節能優（yōu）化

1 前言

我國是全球機械（xiè）製造業大國，同時也是機床生產、消費第一大國，擁有世界第一的機（jī）床保有量，目前約（yuē） 800 萬台。若每台機床額定功率平均為 10 kW，則我國機床總額（é）定功率約相當於三峽電站總裝機容（róng）量(2250萬kW)的3倍多。而且，統計資料表明，機床能量利用（yòng）率平均低於 30%，如果我國（guó）機械工業的各類機床的能（néng）效都提高 1%，則（zé）帶（dài）來的節能效益相當於幾千萬噸標準煤。由此可見，機床量大麵廣，耗能多，但其（qí）能量利用率低，節能降耗潛力大，研究機床能量消耗對於提高資源利用率、實現綠色（sè）與可持續製造具有重要意義。同時，機床（chuáng）能耗（hào）也是評價機械（xiè）加工環境性能的重要指標之一，研究表明，離散加工行業(車、銑等)機床對環境的影響（xiǎng） 99%是由於（yú）消耗電能引起的。2010 年 10月（yuè） 26 日，國際標準化委員會起草了（le）機床的環境評估標準(ISO 14955)，將節能減排的理（lǐ）念貫（guàn）穿（chuān）於機床設計到機床使（shǐ）用等主要耗能階段。可以預見，未來能耗指標將成為評價機床（chuáng）產品的一個新指標。鑒於此，國（guó）內外學者針對揭（jiē）示機（jī）床的能量特性、建立機床（chuáng）能（néng）耗模型開展了大量的研究工作（zuò），以探尋節能降耗途徑、減少環境汙染、推動綠色與可持續（xù）製造的發展。

機床能耗（hào）是（shì）一個多部件多層（céng）次的係統問題，其能耗部件繁多，由 ISO14955-1 可知，機（jī）床能耗（hào）涉及機床主（zhǔ）傳動係統、進給係統、輔（fǔ）助係統等多個能耗子係統，涵蓋機電液三種類型，具有多源能耗特性。此外，文獻[3]在機床的運行過程中，機床的各部分存在各種性質的能量損耗，這些損耗相互作用（yòng）、相互（hù）影響，從而使（shǐ）機械加工係統的能量損耗規律變得複雜，國內外學者對此展開了多方麵的研究（jiū）工作。本文對當（dāng）前典（diǎn）型機床能耗模型的研究現狀進行（háng）了總（zǒng）結（jié），已（yǐ）有（yǒu）的能耗模（mó）型可以歸結為三個層次：切削單（dān）元能耗、加工階段（duàn）整機能耗、工（gōng）藝單（dān）元能耗的建模研究。切削單元能耗指機床（chuáng）切削過程中，克服材料變形抗力將材料去除所消耗的能量，是（shì）機床總能耗中的有效能部分；加工（gōng）階段整機能耗是指機床處於切削加工階段時，整個機床係統所消耗的（de）能量；工藝（yì）單元能耗是指綜合考慮機床不同運行階（jiē）段(裝夾（jiá）、啟動、空載、加工、換刀等)整個機床係統所消耗的能量總和（hé）。這三個層次的關係可由圖 1 描述（shù）。

1 機床能耗（hào）模型層次化整合分析

1.1 切削單元能耗模型的研究

切削單元能耗由於受到切削參數（shù）工（gōng）件材料、刀具參數、工藝（yì）條件、外部環境等各（gè）種變量的影響，這（zhè）部分能耗難以進行精確量（liàng）化。目前該部分（fèn）的量化主要從分析切削力（lì）入手，或在各種理（lǐ）論知識支持（chí）的基礎上通過分析材料去除機理定（dìng）性地建（jiàn）立切削力預測公式，或基於實際加工經驗數據運用數學擬（nǐ）合方法進行切削力的定量建模（mó），進而對材（cái）料去除能耗進行計算。

1.1.1 基於材料去除機理的切削能耗模型（xíng）

(1) 理（lǐ）論切（qiē）削力模型的建立。金屬切削過程的實質（zhì）是被切（qiē）削金屬層在刀（dāo）具前刀麵的擠壓作用下（xià）產生剪切滑移的塑性變形過（guò）程。雖然切削過程中產生彈性變形，但其變形量與塑性變形相比可忽略不計。針對包括銑削（xuē）、鑽削、鏜削等在內的（de）不同切削加工方法，雖然刀具和工件的相互作用形式有所不同，但工件材料在切削加（jiā）工過程中的塑性變形（xíng）規律以及切屑形成機理是相同的。本（běn）文（wén）采用直角切削模型從理論上說明金屬切削加工的變形過程。直角切削模型是在揭示切屑變形本（běn）質和現象的（de）基礎上忽略一些次要因素建立起來的簡化物理模型。該模型由美國學者 MERCHANT[8-9]在 1945 年提出（chū），揭示了切削力與切削條件之間的關係式，並用（yòng）最小（xiǎo）功原（yuán）理（lǐ）求（qiú）出了剪（jiǎn）切角。這一（yī）理論模型的提出奠定了進行切削力理論預測的（de）基礎，一直沿用至今，此後的理論模型大多在此基礎上進行的（de）修正。如圖 2 所示為MERCHANT 的切削力模型。

圖 2 中（zhōng），ac為切削層（céng）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為切（qiē）屑與刀具前刀麵間的平均摩擦角；Fns為剪切麵上的正壓力；Fs為剪切力；Fr為（wéi）車（chē）刀（dāo）上的合力；Fz為切削速度（dù）方向的（de）切削分（fèn）力；Fx為進給方向的切削分力。

根據材料去除機理及各力間的幾何關係可推導出

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

1951 年， LEE 等開始利用滑（huá）移線（xiàn）場理論來研究（jiū）理想塑性材（cái）料的切削現象。之後學者們建立了正交切削及（jí）斜刃切削的切削力模型。提出（chū）了考慮刀具磨損及加工（gōng）硬化的切（qiē）削力模型，應用摩擦學理論分析了（le）後刀麵與工（gōng）件的摩擦作用力。張弘弢等考慮了溫度-速度應變速度效應，不單（dān）純用（yòng）力學方法又考慮了被加工材料的物理（lǐ）力學性（xìng）質，使（shǐ）得模型在大多數切削條件下，計算（suàn）誤差小於 3%。BARRY 等分析了金屬基複合材料的局部大應變（biàn）、高應變、高應變率（lǜ）並伴（bàn）有大量熱量生成的切削（xuē）條件（jiàn）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（lì）與速（sù）度的物（wù）理關係可計算切削功率

式中 v ——切削速度； nw ——工件轉速； f ——進給（gěi）量；

ap ——背吃刀量(在銑削中（zhōng）指銑削深度)；

Pc ——切削（xuē）功（gōng）率。

切削能耗（hào）為去除一定體積的（de）材料所消耗的能量（liàng）

在假設切削功率不（bú）變的前提下，加工時間（jiān）

(V 為材料的總去除（chú）體積（jī））。於是整個（gè）加工過程（chéng）的切削能耗

1.1.2 基於實際加工的經驗公式切削能耗模型

基於試驗測量的經驗公式切削能耗模型是利用測力傳感器、扭矩測試儀等，通過大量試驗，測定不同加工參數下切削力、扭矩的數值，然後利用統計分（fèn）析及數值擬合建立了切削力、切削功率、切（qiē）削能耗與切削參數之間的冪率公式。常用的（de）典（diǎn）型工藝的經驗（yàn）模型如表 1 所示。表 1 中，C 為（wéi）被加工金屬和切削條件係數；x、y、z 為指數；K 為修正係（xì）數；Ps為銑削功率，Ks為單位銑削（xuē）力，B 為銑（xǐ）削寬度；vf為銑削進給速度；M 切削扭矩；Cm為（wéi）由材料（liào）確定的係數；D 為鑽頭（tóu）直徑。

這類模型對於定（dìng）量分析不同工藝不同切削條件下的能耗大小（xiǎo）、指導工藝路線的製定（dìng）、優化分析等有很好的指導（dǎo）作（zuò）用。通過這類模型計算得到的結果與實際情況吻合良好，但由於加工條件的複雜性，該模型中附加了大量由實際情況來確定的修正係數，相對繁瑣，必須查閱（yuè）經驗數值表才能確定。

1.2 加工階段整機能耗模型

在切削加工階段，機床幾乎所有的係（xì）統都參與（yǔ）運行，且增加了負載能耗（hào），此時（shí）機床（chuáng）的能（néng）耗（hào）組成如圖 3 所示(以數（shù）控機床為（wéi）例)，作為機床（chuáng）的有效加（jiā）工狀態，學術界給予了（le）極大（dà）關注。由 GUTOWSKI 教授負責（zé）的麻省（shěng）理工學院的環境意識製造小組對利用功率（lǜ）表測量（liàng）機床能（néng）耗的方（fāng）法進行了深入研（yán）究：JEFFREY 等（děng）通過試驗數據建（jiàn）立了不同機床在加工階段各部分能（néng）耗比例分配圖，研究結果表明，機（jī）床能耗隨著機床機構的複雜程度及先進（jìn）程度的增（zēng）大而提高，一個加工中心的能量利用率平均不足15%，而對於一個手動機床則在 30%左右。並且機床能（néng）耗與機床製造的資金密集程度及操作（zuò）規程（chéng）密切相關，機（jī）床的能效隨著負載（zǎi）的增大而提高。

由於機床結構多樣，潤滑條件不同，機床整機能（néng）耗組（zǔ）成各有差異。而研究角度（dù）的不同，學者們對機床單（dān）元整（zhěng）機能耗的建模也各有特色。1.2.1 機床主傳動係統（tǒng）運行能（néng）耗預測模型主傳動係統的能耗是機床全部能耗的主體，臥式車床主傳動係統的能耗占機床總能耗的 95%以上，有很大研（yán）究價值。重（chóng）慶大學（xué）劉飛等從機床電動（dòng）機（jī）和機械（xiè）傳（chuán）動係統一體化的角度出發，在考慮機床運行（háng）中多種能（néng）量損耗並存的情況下，以（yǐ）機（jī）電係統和各傳動環節的能量流程為基礎，建立（lì）了機床主傳動係統的能量傳輸預測數學模（mó）型（xíng）；提出了普通機床功率和效率計算方法（fǎ）、能量信息監控（kòng）的方法（fǎ）和數學模型。

該理論認為機（jī）床能量消耗由切削能耗、空載能耗及各傳動環（huán）節的附加載荷損耗構成，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（děng）多個變量的複雜函數，與轉速近似成二次函數關係。圖 4 為（wéi）機床主傳動係統（tǒng）能量流程圖。圖 4 中，PFe為電動機的鐵耗；PCu為電動機的銅耗；Pad為電動機的附加損耗；Pmec0 為電動機的機械損耗；Em 為耦合場(電磁場)磁（cí）能；Eke為電動機轉子動（dòng）能；Pim為電動機的（de）輸出（chū）功率；Ekn為機械傳動係統第 n 個傳動環（huán）節的動能；Pmecn 為機械傳動係統第 n 個傳動環節的機械損耗功率。

一般形（xíng）式的機床主傳動係統穩態下的（de）功率傳輸模型為

式中 Pi ——主傳動係統總輸入功率；

Pu ——機床空載（zǎi）功率；

Pa ——機床載荷損耗功率；

Pc ——機床輸出功率；

PLe ——電動機的電損；

b1 ——電動機的載荷係數；

Pam ——機械（xiè）傳動係統載荷損耗功率；

Pum ——機械傳動係（xì）統的非載荷（hé）損耗功率。

對式(6)中各部分分別在其相應的工作時間上進行積分，即可得到機械主（zhǔ）傳動係（xì）統的能量消耗 Ein為

式中 t ——機床（chuáng）總運行時間；

t1 ——空載時間；

t2 ——切削時間。

1.2.2 基於材料切削（xuē）比能的能耗模型

切（qiē）削比能是指去除單位體積的材料所消耗的能量。金屬切削過程（chéng）是（shì）一個材料逐步去除的過程，切削比能是工（gōng）件（jiàn）加工時瞬時耗能量的量化，能夠反映出切削能耗與材料（liào）去除率之間的映射關係及機床能效能力，便於理解和計算。

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

式中 SEC——材料的切削比能；

MRR——材料（liào）去除率； C0，C1——係數。

他認為材料的切削比能由裝夾比能、機床運行比能、材料去除比能及非生產比能(即熱損耗比能（néng）等)四部分組成。指出模型中的係數 C0、C1並非恒定，定（dìng）性地分析（xī）了材料特性、刀具形狀及主軸驅動方式對（duì） C0的影響（xiǎng），機床自身對 C1的影響，但（dàn）具體關係需要根據實（shí）際情況進行確定。這種通過切（qiē）削比能來預測機床能耗的經驗模型，為以後切削比能（néng）的研究提供了指引。

早在 1992 年，WARREN建立了切（qiē）削比能（néng）的經（jīng）驗公（gōng）式，以及 100 多種材料的切削比（bǐ）能基（jī）礎數據。

隨著技術的進步，工藝條件的改善，切削比能不斷（duàn）受到國際學者的關注和應用。GUTOWSKI 等在搜集了大量數據的基礎上基於材料的（de）平均切削比能建立了各種工藝的切（qiē）削比能圖譜，半定量地反（fǎn）映不同工藝（yì）的能效差異。ALESSANDRO 等（děng）[35]對高速切削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 718 時，在主剪（jiǎn）切區域內的切削比能解析模型，指出剪切比能是進給率的函數，隨（suí）著（zhe）進給率（lǜ）的（de）減小而（ér）增大，在（zài）最低切削速（sù）度時，試驗剪切比能達到最大。DIAZ 等（děng）通（tōng）過試驗分析一個微加（jiā）工中心在不同的材料去除率下切削低碳鋼的能量需求建立了切削比能（néng）模型，指出材料的切削比能隨著材料去除率（lǜ）的增大而降低，並將該規（guī）律拓展到大型機械加工設備（bèi）中。

1.2.3 基於熱力學第二定律的機床能耗（hào）模型

BRANHAM 等（děng）[38]從熱力學（xué）角（jiǎo）度把機床係（xì）統看做一個（gè）輸入輸出（chū）係統，利用熱力學第二定律（lǜ）通過（guò）計算輸入輸出過程（chéng）中的減少值作為（wéi）加（jiā）工係統的能耗 

式中 Blost——的減少值（zhí）即係統能耗（hào）；

Bin ——係統的輸入值； Bout ——輸出值。

該思路比較新穎，但其計算結果的精度取決於（yú）熵、焓、的準（zhǔn）確性，偏（piān）差仍比（bǐ）較大，同時（shí）由於各種材料和輔助材料的熵、焓、值難以直接獲得，目前該方法僅在特定條件下進行了試驗分析（xī）。

1.2.4 神經網絡模型

神經網絡（luò）方法（fǎ）對複雜不確定（dìng）問題具有自（zì）適應和自學習能力，可以有（yǒu）效處（chù）理大量工藝參數之間複雜的非線性關係。謝（xiè）東等利（lì）用 BP 神經網絡（luò）法搭（dā）建了（le）機床能耗與切削參數的模型，從（cóng）輸入層、隱含層、輸出層的設計，網絡的初（chū）始化，訓練算法的選擇，訓練樣本數的（de）選（xuǎn）擇，學習速率的選擇方麵建立了 BP 神經網絡，簡化了經驗公式繁瑣的計（jì）算（suàn）過程取得了較好的預測結果。

1.3 工藝單元（yuán）能耗模型

在一個工件的加工工藝過程中，包括（kuò）工件裝夾、機加工、工件拆卸等步驟，在機加工部分機（jī）床的運行（háng）包括啟動階段、空載階段、加工（gōng）階段、停機階段等不同的（de）服役時段（duàn）。在上述兩（liǎng）層模型的基礎上，利用萬用表或功率分析儀通過試驗測量（liàng）不同（tóng）階段機床（chuáng）運（yùn）行的能耗可建（jiàn）立機床工藝（yì）單元能（néng）耗模型。

在工件（jiàn）加工（gōng）工藝中的總（zǒng）能耗是在各子部件、子過程能耗基礎上的累加，因此該部分模（mó）型主要以宏觀框架模型為主，目前已建立的工藝能耗模型見表2。由於研究目（mù）的的不同，有些學者也將（jiāng）機床間接能耗：材料生產能耗、刀具製造能耗以及產品清洗能（néng）耗考（kǎo）慮在內。

表 2 中，Et為機床總能耗（hào）；Es為啟動能耗（hào）；EU為空載能（néng）耗；EM為加工能（néng）耗；Eprod為（wéi）產品生產（chǎn）總能耗；Ematerial為材（cái）料生產能量；Estep,i為每個加（jiā）工階段能耗； Ewaste為浪費的（de）能量；Emachine為機床總能耗；Econst 為機床（chuáng）功率恒定部分能耗；Ecut 為切（qiē）削能耗；Evar-steady 為主軸等（děng）達到特定運行狀態的（de）能耗；Evar-trans 為主軸等啟動機加減速階段變化能耗；P0為空載（zǎi）功（gōng）率；k 為係數；v 為材料去除率；T 為刀具（jù）壽命（mìng）；yE為刀具製造能耗；t3為換刀（dāo）時間；t4為刀具製（zhì）造時間；Pb為基礎功率；Pr為準（zhǔn）備狀態功率；Pcool為冷卻（què）係統（tǒng）功率；Pair為空載功率；tb、tr、tair、tc 分別為對應的（de）時間；Epart為加工一（yī）個工件的能耗；Eprocess 為（wéi）製造過程能耗；Ehandling為自（zì）動裝夾係統（tǒng）及傳送係統能耗；Eindirect為與保持環境清潔有關的非直接（jiē）能耗。

2 機床能耗模（mó）型應（yīng）用分析

機械加工過程實質上是一個材料的去除過程，期間將消耗大量的資源，產生的各種廢（fèi）棄物和排放物對環境將產生很（hěn）大（dà）影（yǐng）響。機床能耗模（mó）型能夠量化機床整個加工周期的能源消（xiāo）耗及能量利用率，並能夠間接反應整個（gè）加工周期物料（liào）的輸入輸出情況。因此，利用機床能耗模型可以有效分析機械加工係統（tǒng）的資源能源消耗和（hé）環境影響問題。其應用主要可以歸納為以下四（sì）個方麵。

(1) 節能性工（gōng）藝優（yōu）化指導。基（jī）於試驗（yàn）測量數據建（jiàn）立起來（lái）的能耗模型與實（shí）際加工（gōng）情況有很好的吻合（hé）性（xìng），主要用於對特定機床的（de）加工任務進（jìn）行能耗監控並通過（guò）對加工參（cān）數的優化得到最（zuì）佳（jiā）節能參數。DRAGANESCU 等通過試驗，采用響應麵分析法建立了（le）機床（chuáng）能耗及能效與切削參數的影響關聯模型（xíng），通過優化分析得到利用立銑床對鋁合金材料進行端麵銑削時的最佳節能參數，相對（duì）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（gāo）到 818.6 cm3/min 時，節能可達 93.98%。日本森精機有限公司采用正（zhèng）交試驗方法建立（lì）機床能耗模型，分析了不同切削參（cān）數對機床能耗的（de）影響，給出鑽削 S45C 碳（tàn）鋼（gāng）最佳節（jiē）能參（cān）數，相對於初選參數，在材料去除率提高（gāo） 25%的情況下材料的切削比能可降低 5%。謝東等采用（yòng）粒子群優化算法對機床能耗函數進行（háng）尋優求解，得出了加工一低碳鋼零件的（de）節能性參（cān）數，采用優化後（hòu）的參數能將加工能耗降低 22%，但刀具發熱厲（lì）害，影響刀具壽（shòu）命。施金良等根據數控機床主傳動係統功率方程，建立了數控機床工步間空載運行（háng）時停機（jī）節能的理論決策（cè）模型，通過實際案例分析（xī）得（dé）到很好的節能應用效果（guǒ）。周丹等提出（chū）一（yī）種數控（kòng）機床能量設計因子提取方法（fǎ），並對提（tí）高（gāo）機床的能量（liàng）效率給（gěi）出了建設性（xìng）意（yì）見。但這些在特定試驗條件下得出的結論，對機床（chuáng）節能性使用有一定的指導作用，但由於受實際加工質量要求及設備規範性使用（yòng）的限製，其可行（háng）性及（jí）適用性（xìng）還需（xū）要進一（yī）步的拓展研究。

(2) 綠色（sè）評估（gū）支持。將機械加工係統看作一個輸入（rù）輸出係統，將其消耗及排放考慮在內的過程模型對於加工（gōng）過程（chéng）的綠（lǜ）色性評估提供（gòng）了很（hěn）大支持。美國加州伯克利分校的綠色（sè）設計與製造聯盟建立了一個將刀具、切（qiē）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（de）廢液、切屑、排放物等進行（háng）加權量化（huà）並評價加工各環節產生的毒（dú）性、可燃性、放射性等環境影（yǐng）響因子，尋找敏感環節輔助產品的環境設計決策。麻（má）省理工學院的環（huán）境意識（shí）小組開發了一係列（liè）機械加工中的銑削加工（gōng）、磨削加工等製造過程的模型，對其產生的資源環境屬性（xìng）進行評價，主要考慮了七（qī）種不同的資源消耗和環境影響因素：能量、固體廢棄物、回收性、有毒材料、廢（fèi）水、廢氣、垃圾填埋物等。通過建立設備層模型和（hé）物料流模型，評價製造係統中的（de）多種可選製造過程、製造工（gōng）藝的資源環境屬性。

(3) 資源配置，調度安排決策。近年來，綠色製造（zào）與（yǔ）可持續製造的理念越來越受到重視（shì），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製造過程的資源能（néng）源消耗是綠色（sè）製造的重要目標之一（yī）。他們在機床能耗（hào）模型的基礎（chǔ）上，從宏觀角度，建立了麵向綠色製造機械加工係統任務的調度模型，根據（jù）機床規格與零件加工（gōng）要求的匹配性（xìng）采（cǎi）用優化分析的方法獲得滿足最優零件與機床組合方案進行節能性調度，大大降（jiàng）低（dī）了機械加工係統所產生的環（huán）境影響和資源消耗。

(4) 綠色設計指導。部件層的機床能耗模型不僅（jǐn）分析了機（jī）床部件的能耗特征及其節能潛力，而且為高效部件的結構設計提供基礎（chǔ）。ABELE 等分（fèn）析了機床主軸單元的能耗特性，並指出了節能潛力。ZULAIKA 等提出一種加工過（guò）程的輕量化設計方法，同時考慮了（le）減少可移動（dòng）部件的質量和最大化材料去除率（lǜ）兩個（gè）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（tí）高一（yī）倍，同時因可移動部件質量減少 20%可降低能耗 13%。

3 機（jī）床能耗模型研究趨勢

近年來，隨著大量新工藝、新設備、新技術在機械製造（zào）領域的應用，機床能耗的建模對象逐漸轉向高端設備，麵向特定目標的建（jiàn）模使得模型（xíng）的實用價值不（bú）斷提（tí）升。當今機床能耗模型的研究趨勢可（kě）歸結為如下（xià）。

(1) 對具有機-電-液多源能量融合特征的（de）高端數控機床，從部（bù）件層開展深入研究，分析加工過程能量在各子係統流動、融合（hé）與分布特性，構建高（gāo）端數控機床加工（gōng）過程能耗模型。重慶大（dà）學劉飛教授（shòu）帶領的團隊在建（jiàn）立了普通機床主傳（chuán）動係統的（de）能耗模型的基礎上（shàng），建立了變頻調速數控機床主傳動係統及進給（gěi）係（xì）統的功率平衡方程，揭（jiē）示（shì）了變頻器的能量損耗規律，進一步對數控機床空載運行下的能量參數(包括空載功率（lǜ）、空（kōng）載電流和功（gōng）率因數)特性進行了分析，並揭示了（le）變頻數控（kòng）機（jī）床當電源頻率小於基準頻率時空載功率是（shì）單調遞增的，電源頻（pín）率大於基準頻率時主傳動係（xì）統（tǒng）的空載（zǎi）功率的增減性與其結構參數有關的獨有特性。但這些已建立的（de）模型（xíng）尚處在理論層麵（miàn），模（mó）型中大量模糊影響係數的存（cún）在（zài）使得（dé）與實際情況的吻（wěn）合（hé）性（xìng）上還有（yǒu）待進一步的（de）試驗探究（jiū）與建（jiàn）模（mó）修正。

(2) 建立加工單元（yuán）過程（chéng）能耗、物（wù）耗、環境數據清單，支持產品生命周期的經濟屬性、環境屬性、社（shè）會屬性的評估。MICHAEL 等以鑽削一種特定零件為例提出了建（jiàn）立單元製造過程離線物耗、能耗分類管理數據清單，為產品設計生命周期評價提供數據支（zhī）持。黃海鴻等從產品設計角度出發，在分析產品能量消耗特性的基礎上導出了（le）產品全生命周期能量過程模型，並加以定量化描述，從而為產品設計（jì）提供合理和可行的能量分析手（shǒu）段和應用方法。該思路的提出為推動產品生（shēng）產的可（kě）持續（xù）性提供了有力的量化評估方法，所需（xū）的清單數據尚（shàng）需進一（yī）步健全。

(3) 機床能耗建（jiàn）模正向多領域交叉化發展，機床能耗建模技術與機電（diàn）控製技術、智能製造技術、信息通信技術的交叉集成，將推動能（néng）耗模型與工業應用的結合。德國德馬（mǎ）吉公司開發出（chū）虛擬機器、自動停（tíng）機管理（lǐ）、綠（lǜ）色代碼等節能技術。例如，開發的機械加工仿真模擬（nǐ）技術替代試切過程，節約該環節能耗；建立的機床智能管理平台，用戶可通過數據係統控製麵板設置不同的係統（tǒng）關機時間，控製機床進入休眠狀（zhuàng）態，最大限度降低能源消耗，還（hái）支持喚醒和預熱功能。

4 結論

從切削單元能耗、加工階段（duàn）整機能（néng）耗、工藝單元能耗（hào）三個層次對機床能耗的建模進行（háng）總（zǒng）結，並對機床能耗模型的應用及研究趨勢進行了分析。通過（guò）整合分析發現機床能耗模型（xíng）的研究不斷完善，表（biǎo）現在（zài）：機床能耗向多（duō）層次拓展，向下延伸到材料去除過（guò）程的能耗（hào）建模（mó），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（zhí）行具體工藝的能耗隨工藝參數變化（huà）的精（jīng）確（què）模型，模型的精度不斷提升；模型的（de）應用範（fàn）圍逐漸由單純節能（néng）優化擴展到產品生產的綠色評估、綠色設計及企業資源配置上，麵向（xiàng）特定目標的建模技術更具針對性（xìng）。但還有許多方（fāng）麵需要進一步探究：麵向高（gāo）端數控機床的多源能量流耦合特性尚需完善（shàn），局部關鍵問題尚（shàng）待研究；麵向產品生命周（zhōu）期評估的物耗、能耗、環境清單數據尚待開發；機床能（néng）耗建（jiàn）模技術尚待與智能化技術及工業應用結合拓展。

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