[發明專利]一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法

在審

• 申請號: 201910243560.2
• 申請日: 2019-03-28
• 公開（公告）號: CN109933002A
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 顧文斌;李卓;黃主;苑明海;王怡
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: G05B19/18
• 分類號: G05B19/18
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;徐瑛

1.一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：根據機械加工過程能耗特性的不同，將機械加工過程劃分為若干系列機械加工活動和機械加工活動轉移；

其中，所述機械加工活動是指機械加工過程中數控指令執行時的穩態過程，是當前穩態下同時運行的所有行為要素的集合；所述機械加工活動轉移是指機械加工過程中數控指令執行的瞬態過程，對應兩個穩態間的過渡過程；

步驟2：將所述機械加工活動分解為若干行為要素，構建所述行為要素的功率模型和能耗模型；

步驟3：基于分解的所述行為要素的功率模型和能耗模型，構建所述機械加工活動的能耗模型；

步驟4：對所述機械加工活動轉移進行分類并構建各類的能耗模型，結合各類所述機械加工活動轉移的能耗模型建立所述機械加工活動轉移能耗模型；

步驟5：以建立的所述機械加工活動的能耗模型和所述機械加工活動轉移的能耗模型為基礎，構建機械加工全過程的能耗模型，并對機械加工過程能量需求進行分析計算。

2.根據權利要求1所述的一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法，其特征在于，根據能耗部件的特性不同將所述機械加工活動的所述行為要素分為如下6種，主軸空載旋轉、空載進給、切削加工、電氣控制、加工輔助、自動換刀；并分別構建其功率模型和能耗模型。

3.根據權利要求1所述的一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法，其特征在于，根據工業工程中的優化原則確定四種所述機械加工活動轉移；主軸旋轉的高低速切換；進給定位的高低速切換；噴液冷卻的開與關；自動換刀的開與關；并分別構建其能耗模型。

4.根據權利要求3所述的一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法，其特征在于，確定的四種所述機械加工活動轉移的能量需求為所述機械加工活動轉移的總能量需求80％以上。

5.根據權利要求1或2所述的一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法，其特征在于，所述行為要素為機械加工活動時數控機床的基本加工要素，所述基本加工要素構成機械加工活動的基本能耗單元。

6.根據權利要求2所述的一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法，其特征在于，所述空載進給的能耗模型包括X軸方向、Y軸方向、Z軸方向進給運動空載功率；所述切削加工的能耗模型包括切削速度、每齒進給量、背吃刀量、側吃刀量隨時間變化產生的能耗；所述加工輔助的能耗模型為若干加工輔助模塊的能耗總和；所述電氣控制的能耗模型包括數控裝置、主軸控制系統、進給控制系統以及PLC裝置隨時間變化產生的能耗總和；所述自動換刀的能耗模型將刀具的使用壽命均攤到每道加工工序中。

7.根據權利要求3所述的一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法，其特征在于，

1)所述主軸旋轉從低速加速到高速階段，主軸系統的能量需求E_SRT計算為：

式中：P_SR1為主軸從低速加速到高速階段的主軸系統功率，t_SR1為主軸從低速加速到高速階段的時間

2)所述進給定位從低速加速到高速階段的過程能量需求E_FT為：

式中：P_F1(t)為進給定位(低速→高速)活動轉移過程的進給系統功率函數，t_F為進給定位從低速到高速的轉移時間；

3)所述噴液冷卻從關到開活動轉移過程冷卻裝置的能量需求E_CFT以及轉移時間t_CFT為相對穩定的值，通過實驗測量結合統計分析得到；

4)所述自動換刀從關到開活動轉移過程的能量需求E_TC為：

式中，E_TC為活動轉移自動換刀(關→開)的能量需求，為第k次功率峰值部分引起的能量需求，K為功率峰值總數量，通過實驗測量結合統計分析方法獲得。

8.根據權利要求1所述的一種面向節能的機械加工過程數控機床能耗建模方法，其特征在于，構建MATLAB仿真計算模型，包含所述機械加工活動的能耗模型、所述機械加工活動轉移的能耗模型以及所述機械加工全過程的能耗模型，并通過所述MATLAB仿真計算輸出機械加工消耗功率與時間的曲線。