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典型切削機床能耗模型的研究現（xiàn）狀及發展趨勢

2015-2-3 來源：數控機床市場網作者：大連理工大學（xué）機械工程學院

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

摘要：機（jī）床作為機械製造行業的“母機” ，數量大、能耗高、效率低。近年來，學者們為建立精（jīng）確的機床能耗模型已做大量工作。針對典型切削機床能耗的建模（mó）現（xiàn）狀，從切削單元能耗（hào）、加工階段整機能耗、工藝單元能耗三（sān）個層（céng）次進行綜合分析。進而從節能優（yōu）化、產品綠色性評估、企業資源（yuán）配置、機床綠色（sè）設計四方麵（miàn）對機床能耗模型的應用進行論述。目前，機床能耗的建模逐漸麵向（xiàng）高（gāo）端數控機床，建模的目標性更加（jiā）明確（què），與工業應用的結（jié）合也使得模型的實用價值不斷提升。

關鍵（jiàn）詞：典（diǎn）型切削機床（chuáng）；切削比能；整機能耗；工（gōng）藝單元能耗；節能優化

1 前言

我國是全球機（jī）械製（zhì）造（zào）業大（dà）國，同時也是機床生產（chǎn）、消費第一大國，擁（yōng）有世界（jiè）第一的機床保有量，目前約 800 萬台。若每台機床額定功率平均為 10 kW，則我國機床總額定功率約相當於三峽電站總（zǒng）裝（zhuāng）機容量(2250萬kW)的3倍多。而且，統計（jì）資料表明，機（jī）床能量利用率（lǜ）平均低於 30%，如果我國機械工業的各類機床的能效都（dōu）提高 1%，則帶來的節能效益相當於幾千萬噸標準煤（méi）。由此可（kě）見，機床（chuáng）量大麵廣，耗（hào）能多，但其能量利用率低（dī），節能降耗潛力大，研究機床能量（liàng）消耗對於提高（gāo）資源（yuán）利（lì）用（yòng）率、實現綠色與可（kě）持續製造具有重要意義。同時，機床能耗也是評價機械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 99%是由（yóu）於消耗電能引起的。2010 年 10月 26 日，國際標準化委（wěi）員會（huì）起草了機床的環境評估標準(ISO 14955)，將節能減排的理念貫穿於機床設計到（dào）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產品的一個新指標。鑒於此，國內外學（xué）者針（zhēn）對揭示機床的能量（liàng）特性、建立機床能耗模型（xíng）開展了大量（liàng）的研究工作，以探尋（xún）節能降耗途徑、減少環境汙染、推（tuī）動綠色與可持續製造的（de）發展。

機床能耗是一個多部件多層次的係統問題，其能耗部件繁多，由 ISO14955-1 可（kě）知，機床能耗涉及機床主傳動係統、進給係統、輔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（chuáng）的各部分存在各種性質的能（néng）量損耗，這（zhè）些損耗相互作用、相互（hù）影響，從而使機械加工係統的能量損耗規律變得複雜（zá），國內外學者對（duì）此展開了（le）多方麵的（de）研究工作（zuò）。本文對當前典（diǎn）型機床能耗模型的（de）研究現狀進行了總結，已有的能耗（hào）模（mó）型可以歸結為三個層次：切削單元能耗、加工階（jiē）段整機能（néng）耗、工藝單元能耗的（de）建模研究。切削單元能耗指機床切削過程中，克服材料變形抗力將材料去除所消耗的能（néng）量，是機床總能耗中的有效能部分；加工階段整機能耗是指機床（chuáng）處於切削加工階段時，整個機床係統所消耗（hào）的能量；工藝單元能耗是（shì）指綜合考慮機床不同運行階段(裝夾、啟動、空載、加工、換刀等（děng）)整個機床（chuáng）係統所消耗的（de）能量總（zǒng）和。這三個層次的（de）關係可由（yóu）圖 1 描述。

1 機床能耗模型（xíng）層次（cì）化整合分析（xī）

1.1 切削單元能耗（hào）模型的研究

切削單元能（néng）耗由於受到切削參數工件材（cái）料、刀具參數、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）前該部分的（de）量（liàng）化主要從（cóng）分析切削（xuē）力入手，或在各種理論（lùn）知識支持的基礎上通過分析材料去除機理定（dìng）性地建立（lì）切削力預測公式，或基於實（shí）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，進而對材料去除（chú）能耗進行計算。

1.1.1 基於材（cái）料去除機理的切削能耗模型

(1) 理論切削力模型的建立。金屬切（qiē）削過程的實質是被切削金屬層（céng）在（zài）刀具前刀麵的擠壓（yā）作用下產生剪切滑移的塑性變形過程。雖然切削過（guò）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（kuò）銑削、鑽削、鏜削等在內的（de）不同切削加工方（fāng）法，雖然刀具和工件的相互（hù）作用形式有所不同，但工件材料在切削（xuē）加工過程中的塑性變形（xíng）規律以及切屑形成機理是相同的。本文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（mó）型是在揭示切屑變形本質和現象的基礎（chǔ）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，揭（jiē）示了（le）切削力與切削條件（jiàn）之間的（de）關係式，並（bìng）用最小功原理求出了剪切角。這一理論模（mó）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（zài）此基礎上進行的（de）修正（zhèng）。如圖 2 所示（shì）為MERCHANT 的切削力模型。

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（miàn）積；ach為切屑厚度；γ0為刀具前角；為剪切角（jiǎo）；β為切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為車刀上的合力；Fz為切削速度方（fāng）向的切削（xuē）分力（lì）；Fx為進給方向的切削分力。

根據材料去除（chú）機理及各力間的幾何關係可推導（dǎo）出

式中，τs為工（gōng）件材料（liào）的名義抗剪（jiǎn）強度。自此，國內外（wài）學者對切削力預測爭相研究。

1951 年， LEE 等開始利用滑移線場理論來研究理（lǐ）想塑（sù）性材料的切削（xuē）現象（xiàng）。之後學者們建立了正交（jiāo）切削及斜刃（rèn）切削的切削力模型。提出了考慮刀具磨（mó）損及加工硬化的切削力模型，應（yīng）用摩擦學理論分析了後刀麵與工件的（de）摩擦作用力。張弘弢等考慮了溫度（dù）-速度應變速度效應，不單純用（yòng）力學（xué）方法又考慮了被加（jiā）工材料的物理力學性質，使（shǐ）得模型在大多數切削條件下，計算誤差小於 3%。BARRY 等分析了金屬基（jī）複合材料的局部大應變（biàn）、高應變、高應變率並伴（bàn）有大量熱量生成的切削條件下的本構關係物理模（mó）型。

(2) 切削功率及切削能耗的計算（suàn）。利用（yòng）力與速度（dù）的物理關係可計算切削功率

式中 v ——切削速（sù）度； nw ——工件轉速； f ——進給量；

ap ——背吃刀（dāo）量(在銑（xǐ）削中指銑削深度)；

Pc ——切削功率（lǜ）。

切削能耗為去除一（yī）定體積的材料所消耗（hào）的能量

在假設切削功率不變的前提下，加工時（shí）間

(V 為材料的總去除體積）。於是（shì）整個加（jiā）工過程的切削能耗

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（gǎn）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力、扭矩的數值，然後利用統（tǒng）計分（fèn）析及（jí）數值擬合建立了切削力、切削功率、切削能耗（hào）與切削參數之間的冪率公式。常用（yòng）的典型工藝的經驗模（mó）型如（rú）表 1 所示（shì）。表 1 中，C 為被加（jiā）工金屬（shǔ）和切削條件係數；x、y、z 為指數；K 為修正係數；Ps為銑削功率（lǜ），Ks為單位銑削力，B 為銑削寬度；vf為銑削進給速度；M 切削扭矩；Cm為由材料確（què）定的係數；D 為鑽頭直徑。

這類模（mó）型對於定（dìng）量分析不同工藝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（hěn）好的指導作用。通（tōng）過（guò）這類模型計算得到的結果與實際情況吻合良好，但由於加（jiā）工條件的複雜性，該模型（xíng）中附加了大量（liàng）由實（shí）際情況來（lái）確定的修正係數，相對繁瑣，必須查閱經驗數值表（biǎo）才能確定。

1.2 加工（gōng）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運行，且（qiě）增加了負載能耗，此時（shí）機床的能耗組成如圖 3 所示(以數控機床為（wéi）例)，作為機床的有效（xiào）加工（gōng）狀態（tài），學術界給予了極大關注。由 GUTOWSKI 教授負責的麻省理工學院的（de）環境意（yì）識製造小組對（duì）利（lì）用功率表（biǎo）測量機床能耗（hào）的（de）方法進行了深入研（yán）究：JEFFREY 等通（tōng）過試驗數（shù）據建立了不同機床在加工階（jiē）段各（gè）部分能耗比例分配圖，研究結果表明，機床能耗隨著機床機構的複雜（zá）程度及先進程（chéng）度的增大而提高，一個加工中心的能量利用率平均不足15%，而（ér）對於一個手動機床則在 30%左右。並（bìng）且機床能耗與機床製造的資（zī）金密集程（chéng）度及操作規程密（mì）切相關，機床的能效隨著負載的增大而提高。

由於機床結構多樣，潤滑條件不同（tóng），機床整（zhěng）機能耗組成各有（yǒu）差異。而（ér）研究角度的不同（tóng），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（zhǔ）傳動係統運（yùn）行能耗預測模型主傳動係統的能耗是機床全部（bù）能耗（hào）的主體，臥式車床主傳動係（xì）統的能耗占機床總能耗的 95%以上，有很（hěn）大研究價值。重慶大學（xué）劉飛等從機床電動機和機械傳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（xià），以（yǐ）機電係統和各傳動（dòng）環節的能量流程為基礎，建立了機（jī）床主傳（chuán）動係統的能量傳輸預測數學模（mó）型；提出了普通機床（chuáng）功率和效率計算方法、能量信（xìn）息監控的（de）方法和（hé）數學模型。

該理（lǐ）論認為機床能量消耗由切削能耗、空載能耗及各傳動環節（jiē）的附加載荷損耗構（gòu）成，其中空（kōng）載能耗由各子係統的廣義儲能(機械能、電磁（cí）能等（děng）)構成，是含有主軸轉速、主軸摩擦、阻尼等多個（gè）變量的複（fù）雜函數，與轉速近似成二次函（hán）數關係。圖 4 為機床主傳動係統能量流程圖。圖 4 中，PFe為電動機的鐵耗；PCu為電動機（jī）的（de）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)磁能；Eke為（wéi）電動機轉子動能；Pim為電動（dòng）機的輸出功率；Ekn為機械傳動係（xì）統第 n 個傳動環節的動能；Pmecn 為機械傳動係統第 n 個傳動環節的機械損（sǔn）耗（hào）功率。

一般（bān）形式的機床主（zhǔ）傳動係統穩態下的功率傳輸模型為

式中 Pi ——主（zhǔ）傳（chuán）動係統總輸入功率（lǜ）；

Pu ——機床空載功率；

Pa ——機床載荷損耗功率；

Pc ——機床輸出功率；

PLe ——電（diàn）動機的電損；

b1 ——電動機的載荷係數；

Pam ——機械傳動係統載荷損耗功率；

Pum ——機械傳動（dòng）係統的非載荷損耗功率。

對式(6)中各部（bù）分分別在其相應的工作時間上（shàng）進行積分，即可得到（dào）機械主傳動係統的能量消耗 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（cái）料切削比能（néng）的能（néng）耗模型

切削比能是指去除單位體（tǐ）積的材料所消耗的能量。金屬切削過程是一個材料逐步（bù）去除的過程，切削比能是（shì）工件加（jiā）工時瞬時耗能（néng）量的量（liàng）化，能夠（gòu）反映出切削能耗與材料（liào）去除率之間的（de）映射關係及機床能效能力，便於理解和（hé）計（jì）算。

LI 等利（lì）用不同的材料去除率對不同的材料進行切（qiē）削，建立了材料（liào）的切削比（bǐ）能經驗（yàn）公式

式中 SEC——材（cái）料的切削比能；

MRR——材料去除率； C0，C1——係數（shù）。

他認為材料的（de）切削比能由裝夾比能（néng）、機床運行比能、材料去除比能及非生產比能(即熱（rè）損耗比（bǐ）能等（děng）)四（sì）部分組成。指出模型中的係數（shù） C0、C1並非恒定，定性地分析了材料特性、刀（dāo）具形狀及主軸驅動方式對 C0的（de）影響，機床自身對 C1的影響，但具體關係（xì）需要根據實際情況進（jìn）行確定。這種通（tōng）過切削比能來預測機床能耗的經驗模型，為以後切削比能的研究提供了指引。

早在 1992 年，WARREN建立了切削比能的經驗公式，以及（jí） 100 多種材料的切削比能（néng）基礎數據。

隨著技術的進步（bù），工藝條件的改善，切削比能不斷受（shòu）到國際學者的關注和應用。GUTOWSKI 等在搜集了大（dà）量數據的基礎上基於材料的平均切削（xuē）比能建立了各種工（gōng）藝的切削比能圖（tú）譜，半定（dìng）量地反映不同工藝的能效差異（yì）。ALESSANDRO 等[35]對高速切削條件下的切削比能與刀具幾何（hé）參數與切削速度的關係進行試驗研究。 AWADE 等預測了高（gāo）速（sù）切削鉻鎳鐵合金 718 時，在主剪切區域內的切削比能解析（xī）模型，指出剪（jiǎn）切比能是進給率（lǜ）的函（hán）數，隨（suí）著進給率（lǜ）的減小（xiǎo）而增大，在最低切削速度時，試驗剪切比能達到最大（dà）。DIAZ 等通過試驗（yàn）分（fèn）析一個微加工中心在不同的材料去除率下切削低碳（tàn）鋼的（de）能量需求建立了切削比能模型，指出材料的切削比（bǐ）能隨著材料去除率（lǜ）的（de）增大而（ér）降低，並（bìng）將該規律拓展到大（dà）型機械加工設備中。

1.2.3 基於熱力學（xué）第二定律的機床能耗模型

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

式中 Blost——的減少值即係統（tǒng）能耗；

Bin ——係統的輸入值； Bout ——輸出值。

該思路（lù）比（bǐ）較新穎，但其計算結果的精度取決於熵、焓、的準確性，偏差仍比較大，同時由於各種材料和輔助材料的熵（shāng）、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驗分析。

1.2.4 神經網絡模型

神經網絡方法對複雜不確定問題具有自適應和自（zì）學習能力，可（kě）以（yǐ）有效處理大（dà）量工藝參數之間（jiān）複雜的非線性關（guān）係。謝東等利用 BP 神經網絡法搭建（jiàn）了機（jī）床能耗與切削參數（shù）的模型，從（cóng）輸入層、隱含層、輸出層的設計，網絡（luò）的初始化，訓練算法的選擇，訓練樣本數的選擇，學習速率的（de）選擇方麵建立了 BP 神經網絡，簡化了經驗公式繁瑣的計算過程取得了較好（hǎo）的預測結果。

1.3 工（gōng）藝單元能耗模型

在一個（gè）工件的加工工藝過程中，包括工（gōng）件裝（zhuāng）夾、機加（jiā）工、工件拆卸等步驟（zhòu），在機加工部分機（jī）床的運行包括啟動階（jiē）段、空載階段、加工階段、停機階段等不同的服役時段（duàn）。在上述兩層模型的基礎上，利用萬（wàn）用表或（huò）功率分析儀通過試驗（yàn）測量不同階段機（jī）床運（yùn）行的能耗可建立機床工藝單元能耗模（mó）型。

在工件加工工（gōng）藝中的總能耗是在各子部件、子過程能耗基礎上的累加，因此該（gāi）部（bù）分模型（xíng）主要以宏觀框架模型為主，目前已建立的工（gōng）藝能耗模（mó）型見表2。由（yóu）於研究目的的不同，有些學者也將機床間接能耗：材料（liào）生產能耗、刀（dāo）具製造能耗以及產品清洗能耗考慮（lǜ）在內。

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

2 機床能耗模型應用分析

機械加（jiā）工過程實質上是（shì）一個材料的去除過程，期間將消耗大量的資（zī）源，產生的各種廢棄物和排放（fàng）物對環境將產生很大影響（xiǎng）。機床能（néng）耗模型能夠量化機床整個加工周期的能源消耗及能量利用率，並能夠間接反（fǎn）應整個加工周期物料（liào）的輸入輸出（chū）情況（kuàng）。因此，利用機床（chuáng）能耗（hào）模型可以有效分析機械加工係統的資源能源消耗和環境影響問題。其應用主要可以歸納為以下四個方麵。

(1) 節（jiē）能性工藝優化指導。基於試驗測量數據建立起來的能耗模（mó）型與實際加工（gōng）情況有很好的（de）吻合性，主要用於對特定機（jī）床的加工（gōng）任務進行能耗監控並通（tōng）過對加工參（cān）數的優化得到最佳節能參數。DRAGANESCU 等通過試驗，采用響應麵分析法建立了機床能耗及（jí）能效與切削參數的影響關聯模型，通（tōng）過優化分析得到利用立銑床對鋁合金材（cái）料進行端麵銑削時的最佳節能參數，相對保守參數，去除相同（tóng）體積（jī）的材料，當材料（liào）去除率（lǜ）由 6.4 cm3/min提高到（dào） 818.6 cm3/min 時，節能可達 93.98%。日本森精機有限公司采用正交試驗（yàn）方法建立機床能耗模型（xíng），分析（xī）了不同切削（xuē）參數對（duì）機床（chuáng）能耗的（de）影響，給出鑽削 S45C 碳鋼最佳節能參數，相對於初選參數（shù），在材料去除率提高 25%的情況下材料的切削（xuē）比能可降低 5%。謝東等采用粒子群優化（huà）算法對機床能耗函數進行尋優求解，得出（chū）了加工一低碳鋼零件的節能（néng）性參數，采用優化後的參數能將加工（gōng）能耗降低 22%，但刀具發熱厲害，影響刀具壽命。施金良等（děng）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時停機節能的理（lǐ）論決策模型，通過實際案例分析得到很好（hǎo）的節能應用效（xiào）果。周丹等提出一種數（shù）控機床能量設計因子提取方法，並對提高機床的能量（liàng）效率給出了建設性（xìng）意見。但這些在特定試（shì）驗條件下得出的結論，對機（jī）床節能性使（shǐ）用有一（yī）定的指導作用，但由於（yú）受實際加工質量要求及設備規範性使（shǐ）用的限製，其可（kě）行性及（jí）適用性還需要進（jìn）一步的（de）拓展研究。

(2) 綠色評估支持。將機械加工係統看作一個輸入輸出係統，將其消耗及排（pái）放考慮在內的過程模型對於加工過程的綠色性評估提供了很大支持。美國加州伯克（kè）利分校的綠色設計與製造聯盟（méng）建立了一個將刀具（jù）、切削液、材料及能量消耗考慮在內的加工過（guò）程模型，對（duì）係統產生的廢（fèi）液、切屑、排放物等進（jìn）行加權量化並（bìng）評價加工各環（huán）節產生的毒性、可燃性、放射性等環境影響因子，尋找敏感（gǎn）環節輔助產品的環境設計決策。麻省理工學院的（de）環境意（yì）識小組開發（fā）了一係列機械加工中的銑削加工、磨（mó）削（xuē）加工等製造過程的模型（xíng），對（duì）其（qí）產生的資源環境屬性進行評價（jià），主要考慮了七種不同（tóng）的資（zī）源消耗和環境影響因素：能量、固體廢棄物、回收性、有毒材料、廢水、廢氣、垃圾填埋物等。通過建立設備層模型和物料流模型，評價製造（zào）係統中的（de）多種可（kě）選（xuǎn）製造過程、製造工藝的資源環境屬性。

(3) 資源（yuán）配置，調度安排（pái）決策。近年來，綠色製造與可持續製（zhì）造的（de）理念越來（lái）越受到重視，國內（nèi）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（guò）程的（de）資源能源消耗是綠色製造的重要目（mù）標（biāo）之一。他們在機床能耗（hào）模型的基礎上，從宏觀角度（dù），建（jiàn）立了麵向綠色製造機械（xiè）加工係統任務的調度模型，根據機床規格與（yǔ）零件加工要求的（de）匹（pǐ）配性采用優化分析的方法獲（huò）得滿足最優零件與機床組合方（fāng）案進行節（jiē）能性（xìng）調度，大（dà）大降低了機械加工係統所產生的環境影響和資源消耗。

(4) 綠色設計指導。部件層的機床能耗模型（xíng）不僅分析了機床部（bù）件的能（néng）耗特征及其節能潛力，而且為高效部件的結構設計（jì）提供基礎。ABELE 等分析了（le）機床主（zhǔ）軸單元的能耗特性，並指出了節能潛力。ZULAIKA 等提出（chū）一種加工過程的輕量化設計（jì）方法，同時考（kǎo）慮了減少可（kě）移動部件（jiàn）的質量和最大化材（cái）料去除（chú）率兩個（gè）因素，用該（gāi）方法設（shè）計了一台大型銑床，結果表明該方法可以將生產率提高一倍，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（jìn）年來，隨著（zhe）大量新工藝、新設備、新技術在（zài）機械製（zhì）造領域的應（yīng）用，機床能耗的建模對象逐漸轉向高端設備，麵向特定目標的建模（mó）使得模型的實用（yòng）價值不斷提升。當今機床（chuáng）能耗模型的研究趨勢可歸結為如下。

(1) 對具有機-電-液多源能量融合特征的高端數控機床，從部件層開展深入研究，分析加工過程（chéng）能量在（zài）各子係統流動（dòng）、融合與分布特性，構建高端數控（kòng）機床（chuáng）加工過程能耗模型。重慶大學劉飛教授帶領的團（tuán）隊在建立了普通機床主傳（chuán）動係統的能耗模型的基礎上，建立了變頻調速（sù）數控機床主傳動係統（tǒng）及進給係統的功率平衡方程，揭示了變（biàn）頻（pín）器的能量損耗規律（lǜ），進一步對數控機床空載運行下的能量參數(包括空載功率、空載電流（liú）和功率因數)特性進行（háng）了分析，並揭示了變頻數控機（jī）床當電源頻率小於（yú）基準頻率時空載功率是單調遞增的，電源頻率大於基準頻率時主傳動係統的空載功率的增減性與其結構參（cān）數有關的（de）獨有特性。但這些（xiē）已建立的模型尚處在理論層麵，模型中大量模糊影（yǐng）響係數的存在使得與實際情況的吻（wěn）合性上還有待進一（yī）步的試（shì）驗探究與建模修正。

(2) 建立（lì）加工單元過（guò）程（chéng）能耗、物耗、環境數據清單，支（zhī）持產品生命周期的經濟屬性、環境屬性、社會屬性的評估。MICHAEL 等以（yǐ）鑽削一種特定零（líng）件為例提出了建立單元製造過程離線物耗、能耗分類管理（lǐ）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（néng）量消（xiāo）耗特性的基礎上導出了產品全生命周期能（néng）量過程模型，並加以定（dìng）量化描述（shù），從而（ér）為（wéi）產品設計提供合理和可行的能量分析手段和應（yīng）用方法。該思路的提出為（wéi）推動產品生產（chǎn）的可（kě）持續性提供了有力的量化評估方法（fǎ），所（suǒ）需的清（qīng）單數據尚需進一步健全。

(3) 機床能耗（hào）建（jiàn）模正向（xiàng）多領域交叉化發（fā）展，機床能耗建模技術與（yǔ）機電控製技術、智能製造技術、信（xìn）息通信技術（shù）的交叉集成，將推動能耗模型與工業應用的結合。德國德馬吉公（gōng）司開發出虛擬機器、自動停機（jī）管理、綠色代碼等節能技術（shù）。例如，開發的機（jī）械加工仿真模擬技術替代試切過程，節（jiē）約該環節能耗；建立的機床智（zhì）能管理平台，用戶可通過數據係（xì）統（tǒng）控製麵板設置不同的（de）係統關機時間，控製機床進入休眠（mián）狀態，最大限度降低（dī）能源消耗，還支持喚醒和預熱功能。

4 結論

從切削單元能耗、加工階段整機能耗、工藝單元能耗三個層次對機床能耗的建模進行總結，並對機床能耗模型的應用及研究趨勢進行了分析。通過整合分析發（fā）現機床能耗模型的（de）研究不斷完善，表現在：機床能耗向多層次拓展，向（xiàng）下延伸到材料去除過程的能耗建模，向上（shàng）拓展到機床（chuáng）層、工藝層乃至（zhì）車間（jiān）層；從理論的概念模型細化到具（jù）體機床執行具體工藝的能（néng）耗隨工藝參數變化的精確模型（xíng），模型的精度不斷提升；模型的應用範圍逐漸由單純節能優化擴展到產品生（shēng）產（chǎn）的綠（lǜ）色評（píng）估、綠色設計及企業資源配置（zhì）上，麵向特定目標的建模技術更具針對性。但還有許（xǔ）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特性尚需完善，局部關鍵（jiàn）問題尚待研究；麵向（xiàng）產品生命周期評估的物耗、能耗、環境（jìng）清單數據尚待開發；機床能耗建模（mó）技術尚待與智能（néng）化技術及（jí）工業應用結合拓展。

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