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數控銑床（chuáng）加工（gōng）過程能耗計算預測方法

2019-8-19 來源：山東理工大學機械工程學院作者：侯（hóu）春宏（hóng），趙國勇（yǒng），喬建芳

摘（zhāi）要: 文章分析了數控機（jī）床的多源（yuán）能耗係統，將數控加工過程的能（néng）耗分為固定能（néng）耗、空載（zǎi）能耗、銑削（xuē）能耗三個部分，推導（dǎo）構建這類加工過程的能耗估算模型，提出了（le）一種基於 Master CAM 和 VB 的數控機床能（néng）耗在線檢（jiǎn）測方法。利用（yòng） Master CAM 軟件建（jiàn）模（mó）並模擬加工生成數控（kòng）加工程序，運用能耗（hào）模型和（hé）自行編寫 vb程序讀取數控程序代碼，設定不同的銑削參數（shù）自動進行能耗計算，並對能（néng）耗（hào）結果進行比對分（fèn）析（xī）。實驗結果表明，上述模型可預測出數控（kòng）銑（xǐ）床加工（gōng）過（guò）程能量消耗，並能為後續的工藝參數優化和節能等實（shí）際（jì）問題提供一種理論支持，具有廣闊的應（yīng）用前景。

關鍵詞: 數控銑床; 能耗估算模型; Master CAM 軟件; VB 程序

0 引言

在製造業能源消耗總量中，能源消耗大部分來自機加工過程（chéng），而此過程對環境產生的影響，99% 來源於該過程中的電能消耗。製造業在消耗大量能源的同時，對環境造成很大壓力，隨著全球能源價格上漲以（yǐ）及環境（jìng）保護重（chóng）視程（chéng）度（dù）的提高，優化機加工過程（chéng）中產生的能耗引起格外重視，越來越多的學者將機加工過程中的能耗列為工藝優化的參考指（zhǐ）標，通過改變工（gōng）藝（yì）加工路線與工藝參數來提高加工（gōng）效率（lǜ），減少能耗。

因此一（yī）個準確的能耗預測模型不僅能（néng）在工藝（yì）規劃過程中預測能量消耗，還能對工（gōng）藝（yì）參數進行優化，使（shǐ）得機床加工（gōng）過程中的能量消耗最小。針對數控機床多能量源的特性，建立（lì）數控（kòng）機床的多源能量流的係統數學模（mó）型，本文提出了一（yī）種基於數（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（xiàn）檢測。構建數控機床的主傳動係（xì）統和進給傳動係統的功率平衡方程和能耗模型，利用 Master-CAM 軟件（jiàn）建模並進行模擬加工生成數控加工（gōng）代碼（mǎ），利用（yòng） VB 語言設計開發相（xiàng）應的計算機程序，通過讀取和分析數控加工 G 代碼，得到加工過程中的（de）參數及刀位軌跡變化，進而結合已建立的銑削能（néng）耗（hào）方程，計算得到具體的銑削能耗值，並對結果進行比較研究。

1 、數控銑床的能量流模型

一個完整的加工過程應包含 3 個（gè）典型的機床狀態:機床（chuáng）待（dài）機階段、空載（zǎi）階（jiē）段、加工( 切削) 階段，如圖 1 所（suǒ）示。因此本文將傳動係統的輸（shū）入功率 Pi簡化為待機（jī）功率 Pstandby、空（kōng）載功率 Pu和切削功率 Pc三個階段。

圖 1 機加工過程能耗構成

( 1) 待機功率 Pstandby的測量

機床的照明係統，冷卻風扇，潤滑等都是與機加（jiā）工過程並無直接關係的功能單元，機床（chuáng）加工狀態對這部分能耗幾乎沒有影（yǐng）響，且當機床處（chù）於待機（jī）狀態時，這部分功（gōng）能單元依舊處於（yú）工（gōng）作狀態，所以，也將機床（chuáng）的（de）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（zhè）部分能耗（hào）大小的（de）隻（zhī）有這部分功能單元的工作（zuò）時間。測量方（fāng）法為（wéi）: 數控銑床（chuáng）在開機回參考點後，主軸、各進（jìn）給軸不運（yùn）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: 設置特定（dìng）的主軸轉數，啟動銑床主軸，機（jī）床（chuáng）係統進入（rù）空轉狀態，待（dài）銑床主軸轉速穩定後其功率即為空轉狀（zhuàng）態（tài）的數控銑床係統實際空轉功率。Pstandby: 開啟數控銑床係統電源，機床輔助係統（tǒng）即被激（jī）活而進入工（gōng）作狀態（tài），此時數控（kòng）銑床係統的功率為實際待機功率。參數 a ，b 的求法: 以（yǐ）主軸轉速 n 為自變量，以實際測量得到的主軸機械損耗 Pidle－ Pstandby為因（yīn）變量，輸入多組實驗數據，利用統計（jì）軟件二次擬合求得。進給軸空載功率:

參數c，d 的求法，也利用多組實驗數據，二次擬（nǐ）合求得。

( 3) 主軸銑削功率 Pc的計算加（jiā）工過程中（zhōng）需要主軸（zhóu）係統和（hé）進給係統的相互配合才能完成材料的切除。因此在（zài）銑（xǐ）削過程中，主軸電機和進給電機的功率也就（jiù）是材料去除所需要的功率。而對於銑削加工，加工參數包括主（zhǔ）軸轉速、進給速度、軸向切深和徑向（xiàng）切深四個因素，因此，材（cái）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（shì）係數，可通過多組實驗擬合測得。

由上述分析可得，數控銑削加工過（guò）程中能源消耗功率模（mó）型為:

根據功率（lǜ）平衡方程創建的數控機床係統的能耗模（mó）型如（rú）下:

2、基於 Master CAM 的數控編程

對於複雜幾何形狀的零件，可以首先利用 Master-CAM 模擬加工軟件中的 CAD 模（mó）塊進（jìn）行建模，創建出零件的幾何模型，並通過工藝（yì）分析來製定加工過程方案; 利（lì）用軟件（jiàn）的 CAM 功能，選擇（zé）銑（xǐ）削參數、刀具及參數，指定合理的加工路線，軟件程序就能自動計算出刀（dāo）具的加（jiā）工路徑，最後可利用自己改寫的後處理功能得到相應數控係統的數控加工程序。根據加工零件的幾（jǐ）何（hé）形狀、尺寸精度、技術要求等進行綜合分析（xī）製定不同的工藝路線。

采用不同的刀路軌跡，設定不同的切削用（yòng）量（liàng）模擬出（chū）的加工路線，如圖 2和圖 3 所示。

圖 2 雙向切削的方式（shì）

圖 3 由（yóu）內而外（wài）的等距環切

3 、基於 VB 的數控 G 代碼（mǎ）加工參數的讀取

由於人工記錄數控加工（gōng）程（chéng）序（xù） X、Y 坐標及（jí）其它加工參數較（jiào）為繁瑣，利用計算機自動讀取並儲存能耗公（gōng）式所需參數，設計（jì）的（de）程序流（liú）程如圖 4 所示。

圖 4 參數讀取流程圖

4 、數控銑床能耗優化實例

現用由雙向銑削（xuē）的方法銑削橢圓槽，為驗證所提出的能耗估算（suàn）模型，采用不同的加工參數，在三軸CINCINNATI 數控立式銑床上進行（háng）多組銑削加工實驗，銑削參數見表 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 生產的數控加工程序載入編寫的 VB 程序，程序界麵如（rú）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 的能耗計算程序界麵

圖 7 組號 2 的能耗（hào）計算程序界（jiè）麵

圖 6 和圖 7 是基於不同加工（gōng）方式（shì）和加工參數下（xià）產生不同的數控加工程序，從而利用 VB 編寫的數控 G代碼讀取（qǔ）和能耗計算軟件，進行自動計算預測（cè）數控銑削過程產生的能（néng）耗結果。從圖中結（jié）果可看出數（shù）控（kòng）銑床加工過程中參（cān）數不同能耗結果也有所區（qū）別，在針對三（sān）軸 CINCINNATI 數控立式銑床進（jìn）行的 2 組（zǔ）銑削驗證（zhèng）實驗中，實際測得的能耗值和模型（xíng）估（gū）算能耗值較為接近:2 組（zǔ）銑削驗證試驗的實際能耗分別為（wéi） 43957、48752，由圖 6 和圖（tú） 7 可知，通（tōng）過模型估算的能耗分別（bié）為42705． 36、46987. 07，誤差分（fèn）別為－ 2. 847% 、－ 3. 620% 。誤差較小，進一步證明了能耗估算模型（xíng）在數控加（jiā）工過程中作為能耗估（gū）算方式的可行性。

5 、結（jié）論

本文針對數（shù）控（kòng）銑床加工過程中的能耗問題，將機加工過程分為固（gù）定能耗、空載能耗和銑削能耗，建立了機加工過程的能（néng）耗估算模型，並（bìng）運用 Master Cam 軟件進行（háng）模擬加工生成數控加工代碼，利用高級語言 VB編寫自動讀取加工參數並計算能耗結果的程（chéng）序，能夠自動（dòng）預測出加工過程中的能源消耗，並在（zài）立式銑床證（zhèng）明了該估算模型的準確性和實用性，為後續的工藝（yì）參數優化及確定（dìng）合理的加工（gōng）工藝奠定基礎。

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