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行業(yè)動(dòng)態(tài)
數控銑床加工過(guò)程能耗計算預測方法
2021-08-29 10:03:50
0 引言
在制造業(yè)能源消耗總量中，能源消耗大部分來(lái)自機加工過(guò)程，而此過(guò)程對環(huán)境產(chǎn)生的影響，來(lái)源于該過(guò)程中的電能消耗。制造業(yè)在消耗大量能源的同時(shí)，對環(huán)境造成很大壓力，隨著(zhù)能源價(jià)格上漲以及環(huán)境保護重視程度的提高，優(yōu)化機加工過(guò)程中產(chǎn)生的能耗引起格外重視，越來(lái)越多的學(xué)者將機加工過(guò)程中的能耗列為工藝優(yōu)化的參考指標，通過(guò)改變工藝加工路線(xiàn)與工藝參數來(lái)提高加工效率，減少能耗。
因此一個(gè)準確的能耗預測模型不僅能在工藝規劃過(guò)程中預測能量消耗，還能對工藝參數進(jìn)行優(yōu)化，使得機床加工過(guò)程中的能量消耗小。針對數控機床多能量源的特性，建立數控機床的多源能量流的系統數學(xué)模型，本文提出了一種基于數控銑床加工過(guò)程中的能耗模型，對機床整體加工能耗實(shí)施在線(xiàn)檢測。構建數控機床的主傳動(dòng)系統和進(jìn)給傳動(dòng)系統的功率平衡方程和能耗模型，利用 Master-CAM 軟件建模并進(jìn)行模擬加工生成數控加工代碼，利用 VB 語(yǔ)言設計相應的計算機程序，通過(guò)讀取和分析數控加工 G 代碼，加工過(guò)程中的參數及刀位軌跡變化，進(jìn)而結合已建立的銑削能耗方程，計算具體的銑削能耗值，并對結果進(jìn)行比較研究。
1 、數控銑床的能量流模型
一個(gè)完整的加工過(guò)程應包含 3 個(gè)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(dòng)系統的輸入功率 Pi簡(jiǎn)化為待機功率 Pstandby、空載功率 Pu和切削功率 Pc三個(gè)階段。
圖 1 機加工過(guò)程能耗構成
( 1) 待機功率 Pstandby的測量
機床的照明系統，冷卻風(fēng)扇，潤滑等都是與機加工過(guò)程并無(wú)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(méi)有影響，且當機床處于待機狀態(tài)時(shí)，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為是機床的待機能耗，通常認為這部分值為常量，決定這部分能耗大小的只有這部分功能單元的工作時(shí)間。測量方法為: 數控銑床在開(kāi)機回參考點(diǎn)后，主軸、各進(jìn)給軸不運動(dòng)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: 設置特定的主軸轉數，啟動(dòng)銑床主軸，機床系統進(jìn)入空轉狀態(tài)，待銑床主軸轉速穩定后其功率即為空轉狀態(tài)的數控銑床系統實(shí)際空轉功率。Pstandby: 開(kāi)啟數控銑床系統電源，機床輔助系統進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)數控銑床系統的功率為實(shí)際待機功率。參數 a ，b 的求法: 以主軸轉速 n 為自變量，以實(shí)際測量的主軸機械損耗 Pidle－ Pstandby為因變量，輸入多組實(shí)驗數據，利用統計軟件二次擬合求得。進(jìn)給軸空載功率:
參數c，d 的求法，也利用多組實(shí)驗數據，二次擬合求得。
( 3) 主軸銑削功率 Pc的計算加工過(guò)程中需要主軸系統和進(jìn)給系統的相互配合才能完成材料的切除。因此在銑削過(guò)程中，主軸電機和進(jìn)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，加工參數包括主軸轉速、進(jìn)給速度、軸向切深和徑向切深四個(gè)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(jìn)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，可通過(guò)多組實(shí)驗擬合測得。
由上述分析可得，數控銑削加工過(guò)程中能源消耗功率模型為:
根據功率平衡方程創(chuàng )建的數控機床系統的能耗模型如下:
2、基于 Master CAM 的數控編程
對于復雜幾何形狀的零件，可以首先利用 Master-CAM 模擬加工軟件中的 CAD 模塊進(jìn)行建模，創(chuàng )建出零件的幾何模型，并通過(guò)工藝分析來(lái)制定加工過(guò)程方案; 利用軟件的 CAM 功能，選擇銑削參數、刀具及參數，指定合理的加工路線(xiàn)，軟件程序就能自動(dòng)計算出刀具的加工路徑，可利用自己改寫(xiě)的后處理功能相應數控系統的數控加工程序。根據加工零件的幾何形狀、尺寸精度、技術(shù)要求等進(jìn)行綜合分析制定不同的工藝路線(xiàn)。
采用不同的刀路軌跡，設定不同的切削用量模擬出的加工路線(xiàn)，如圖 2和圖 3 所示。
圖 2 雙向切削的方式
圖 3 由內而外的等距環(huán)切
3 、基于 VB 的數控 G 代碼加工參數的讀取
由于人工記錄數控加工程序 X、Y 坐標及其它加工參數較為繁瑣，利用計算機自動(dòng)讀取并儲存能耗公式所需參數，設計的程序流程如圖 4 所示。
圖 4 參數讀取流程圖
4 、數控銑床能耗優(yōu)化實(shí)例
現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 ，在三軸CINCINNATI 數控立式銑床上進(jìn)行多組銑削加工實(shí)驗，銑削參數見(jiàn)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)的數控加工程序載入編寫(xiě)的 VB 程序，程序界面如圖 6、圖 7 所示。
表 1 銑削參數
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下產(chǎn)生不同的數控加工程序，從而利用 VB 編寫(xiě)的數控 G代碼讀取和能耗計算軟件，進(jìn)行自動(dòng)計算預測數控銑削過(guò)程產(chǎn)生的能耗結果。從圖中結果可看出數控銑床加工過(guò)程中參數不同能耗結果也有所區別，在針對三軸 CINCINNATI 數控立式銑床進(jìn)行的 2 組銑削驗證實(shí)驗中，實(shí)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(shí)際能耗分別為 43957、48752，由圖 6 和圖 7 可知，通過(guò)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(jìn)一步證明了能耗估算模型在數控加工過(guò)程中作為能耗估算方式的可行性。
5 、結論
本文針對數控銑床加工過(guò)程中的能耗問(wèn)題，將機加工過(guò)程分為固定能耗、空載能耗和銑削能耗，建立了機加工過(guò)程的能耗估算模型，并運用 Master Cam 軟件進(jìn)行模擬加工生成數控加工代碼，利用語(yǔ)言 VB編寫(xiě)自動(dòng)讀取加工參數并計算能耗結果的程序，能夠自動(dòng)預測出加工過(guò)程中的能源消耗，并在立式銑床證明了該估算模型的準確性和實(shí)用性，為后續的工藝參數優(yōu)化及確定合理的加工工藝奠定基礎。
