[發(fā)明專利]一種面向節(jié)能的機(jī)械加工過程數(shù)控機(jī)床能耗建模方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910243560.2
• 申請(qǐng)日: 2019-03-28
• 公開（公告）號(hào): CN109933002A
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧文斌;李卓;黃主;苑明海;王怡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)常州校區(qū)
• 主分類號(hào): G05B19/18
• 分類號(hào): G05B19/18
• 代理公司: 南京縱橫知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;徐瑛

本發(fā)明公開一種面向節(jié)能的機(jī)械加工過程數(shù)控機(jī)床能耗建模方法,根據(jù)機(jī)械加工過程能耗特性的不同，將機(jī)械加工過程劃分為若干系列機(jī)械加工活動(dòng)和機(jī)械加工活動(dòng)轉(zhuǎn)移；分別構(gòu)建所述機(jī)械加工活動(dòng)和機(jī)械加工活動(dòng)轉(zhuǎn)移的能耗模型；以建立的所述機(jī)械加工活動(dòng)的能耗模型和所述機(jī)械加工活動(dòng)轉(zhuǎn)移的能耗模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建機(jī)械加工全過程的能耗模型，并對(duì)機(jī)械加工過程能量需求進(jìn)行分析計(jì)算。為機(jī)床節(jié)能提供指導(dǎo)，有利于減少機(jī)械加工過程能量消耗引起的二氧化碳排放，從而推動(dòng)制造業(yè)的節(jié)能減排。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到機(jī)加過程中能耗建模方法，具體涉及到一種面向節(jié)能的機(jī)械加工過程數(shù)控機(jī)床能耗建模方法。

背景技術(shù)

我國(guó)是全球機(jī)械制造業(yè)大國(guó)，同時(shí)也是機(jī)床生產(chǎn)、消費(fèi)第一大國(guó)，擁有世界第一的機(jī)床保有量，目前約800萬臺(tái)。而且，統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)機(jī)床能量利用率平均低于30％，如果我國(guó)機(jī)械工業(yè)的各類機(jī)床的能效都提高1％，則帶來的節(jié)能效益相當(dāng)于幾千萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。由此可見，機(jī)床節(jié)能降耗潛力大，研究機(jī)床能量消耗對(duì)于提高資源利用率、實(shí)現(xiàn)綠色與可持續(xù)制造具有重要意義。

為了提高機(jī)床能源利用效率，國(guó)內(nèi)外競(jìng)相開展了機(jī)床能耗特性研究：德國(guó)斯圖加特大學(xué)Verl教授團(tuán)隊(duì)通過建立仿真模型對(duì)制造系統(tǒng)運(yùn)行過程的能量消耗進(jìn)行預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)劉飛教授團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)在機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)能量模型、能量效率模型與機(jī)床能耗監(jiān)測(cè)等方面開展研究。但現(xiàn)有的研究主要集中在機(jī)床加工過程穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的能耗模型問題上，缺乏對(duì)加工過程瞬態(tài)能耗的分析，而實(shí)際上加工瞬態(tài)過程會(huì)引起功率峰值，也是加工過程能耗分析不可或缺的一部分。例如，浙江大學(xué)唐任仲教授團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究機(jī)械加工工藝活動(dòng)能量需求建模，提出了一種機(jī)械加工全過程能量需求建模方法，該建模方法中提及了機(jī)械加工瞬態(tài)過程，但他將瞬態(tài)過程歸結(jié)為主軸啟動(dòng)瞬間所消耗的能量而忽略不計(jì)，僅對(duì)機(jī)械加工穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行能量需求計(jì)算，最終計(jì)算所得的機(jī)械加工全過程能耗預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的接近程度不到90％。

機(jī)械加工活動(dòng)轉(zhuǎn)移(瞬態(tài))會(huì)導(dǎo)致功率瞬間增大，引起功率峰值現(xiàn)象，這種功率峰值現(xiàn)象已在許多文獻(xiàn)中得到體現(xiàn)。但現(xiàn)有文獻(xiàn)只是在給出的功率曲線中出現(xiàn)功率峰值現(xiàn)象，并沒有對(duì)功率峰值出現(xiàn)的原因及能量需求規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究與分析：瑞士學(xué)者Avram等研究了機(jī)床使用過程中的能量需求，建立一種基于轉(zhuǎn)矩與角速度乘積的主軸和進(jìn)給軸加減速功率模型，然而模型中涉及的摩擦轉(zhuǎn)矩、克服主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所需的轉(zhuǎn)矩等參數(shù)非常難以獲取，導(dǎo)致模型難以在實(shí)際中應(yīng)用。施金良等將主軸啟動(dòng)過程能量看作整體進(jìn)行研究，采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量主軸從靜止啟動(dòng)至不同轉(zhuǎn)速時(shí)的能耗，釆用二次函數(shù)進(jìn)行擬合得到主軸啟動(dòng)過程能量模型，該模型適用于計(jì)算主軸從靜止啟動(dòng)到指定轉(zhuǎn)速下的啟動(dòng)能量，當(dāng)主軸從初始轉(zhuǎn)速不為零，從低轉(zhuǎn)速加速至高轉(zhuǎn)速時(shí)，該模型則不適用，另外該模型只能計(jì)算主軸啟動(dòng)能量，并不能評(píng)估主軸啟動(dòng)過程的功率變化，無法計(jì)算主軸啟動(dòng)過程的功率峰值。

加工過程瞬態(tài)能耗數(shù)據(jù)的缺失或計(jì)算不準(zhǔn)確，會(huì)影響整個(gè)加工過程能耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在加工設(shè)計(jì)過程中，難以事先確定最優(yōu)的每道加工工序，使后續(xù)加工過程中的能耗增加，不利于節(jié)能減排。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種面向節(jié)能的機(jī)械加工過程數(shù)控機(jī)床能耗建模方法。建立一套充分考慮機(jī)械加工過程穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的全過程能耗計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程能耗精確計(jì)算，為機(jī)床節(jié)能提供指導(dǎo)，有利于減少機(jī)械加工過程能量消耗引起的二氧化碳排放，從而推動(dòng)制造業(yè)的節(jié)能減排。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種面向節(jié)能的機(jī)械加工過程數(shù)控機(jī)床能耗建模方法，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)機(jī)械加工過程能耗特性的不同，將機(jī)械加工過程劃分為若干系列機(jī)械加工活動(dòng)和機(jī)械加工活動(dòng)轉(zhuǎn)移；

其中，所述機(jī)械加工活動(dòng)是指機(jī)械加工過程中數(shù)控指令執(zhí)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)過程，是當(dāng)前穩(wěn)態(tài)下同時(shí)運(yùn)行的所有行為要素的集合；所述機(jī)械加工活動(dòng)轉(zhuǎn)移是指機(jī)械加工過程中數(shù)控指令執(zhí)行的瞬態(tài)過程，對(duì)應(yīng)兩個(gè)穩(wěn)態(tài)間的過渡過程；