2數控加工中心加工工件耗預測模型的構建
數控加工中心在銑削加工工件過程中能耗可分為負載無關與負載有關兩個部分\負載有關的能耗主要包括主軸電機和進給電機的能耗，其中數控加工中心加工工件過程中，空載能耗主要是受機床的運行參數設定的影響，切削能耗則主要受到工藝參數和工件材料的影響;負載無關的能耗主要包括風扇電機、伺服系統(tǒng)和冷卻泵等加工中心部件在運行過程中固定的消耗，此類能耗只受開/停狀態(tài)的影響。從此可以看出,數控車床加工工件能耗是由數控車床各耗能部件在工件加工過程中消耗的能置組成,包括了主軸電機、進給軸電機和冷卻系統(tǒng)電機等的能耗以及基礎性能耗，數控加工工件能耗可以表達成：
總體能耗模型:£總=£主軸+£進給十五冷卻+五固^ 〇)
主軸電機能耗模型:£主#=廣乂 •出+丨:"尺咄 (2)
進給電機能耗模型:PxW*d«+| /^A+| Pzm-dt (3)冷卻系統(tǒng)電機能耗模型:(4基礎性耗能部件能耗模型:S固定=(P詞服+PJ . ‘束-。(5)式中:數控鐵床加工工件的總能耗;£擁、£_、£,4.9、£雌一主軸電機、基礎性能耗、冷卻系統(tǒng)電機和進給電機等耗能部件的能耗。
3數控加工中心加工工件耗預測模型的求解
通過以上數控加工中心加工工件耗預測模型的建立可知，數控加工中心加工工件時的主要耗能元件是主軸電機、進給電機、冷卻系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)，采取的是在CAXA制造工程師2013中導入工件CAD模型，對其進行加工工藝設定，自動生成NC代碼，解析NC代碼獲取數控加工中心各部件在加工時的能耗信息。
3.1加工工件NC代碼的組成與獲取
NC程序具備零件加工的完整的幾何信息與工藝信息％可以全面地描述零件的結構形狀、加工工藝路線、加工方案、刀具參數等信息。從可行性的角度考慮，為了達到NC代碼自動生成的目的，可分為三大模塊來實現(xiàn):特征識別模塊、工藝規(guī)劃模塊、刀具選擇模塊,整個系統(tǒng)的一個框架，如圖1所示。
加工特征識別模塊:在幾何模型中識別出加工工件特征(比如：孔、面、臺階、槽、型腔、倒角等)，提取出加工參數,作為工藝規(guī)劃模塊的選擇依據。
0工藝規(guī)劃模塊:檢查性加工工件CAD模型中的每個加工特征的可加工性，確定事宜刀路加工的方向。對加工工件進行工藝規(guī)劃,規(guī)劃工件的加工操作順序。
0刀具選擇模塊:根據加工特征信息與工藝規(guī)劃信息，給該特征選擇合適的刀具,根據加工類型建立加工操作，并給它設置加工區(qū)域信息、刀具信息和走刀的方式等。最后，生成刀路軌跡，并自動生成NC代碼文件使其直觀的呈現(xiàn)在用戶眼前。
3.2加工工件NC代碼的解析
NC代碼自動生成采用增量編程，且以電機進行分類來采集計算能耗，主要耗能電機包括:主軸電機與進給軸電機。從數控銑床加工工件耗預測模型公式可知，若求得各電機功率參數與時間參數，即可得到數控加工中心加工工件與負載相關的能耗，最后與負載無關的能耗值進行計算，即可得出數控加工中心整個加工過程的總能耗丨抑。
數控加工中心加工工件能耗的計算與刀具加工路徑有著直接的關系，其加工運動路徑主要分為三種:正交運動方式、斜線運動方式與曲線運動方式。
(1) 正交運動方式：當加工中心走刀軌跡為正交運動方式時，所述進給軸各自的工作時間優(yōu)選分別計算為：
E I-t I E k I El^l
式中：S l-Y I、Z I r I、2 IZ | —所對應工序部分的NC代碼中所有.Y軸、y軸和z軸坐標的絕對值之和;/一數控加工中心進給系統(tǒng)的進給速度。
0斜線運動方式：當加工中心走刀軌跡為斜線運動方式時，若某段加工路線斜線的長度用L表示，則某段斜線的長度為：
L=V|.Y r + |F I2
式中：|X I, |F I—NC代碼中進給軸電機在軸方向所走距離;/ 一數控加工中心進給系統(tǒng)的進給速度。
0曲線運動方式：當加工中心走刀軌跡為曲線運動方式時，由走刀路線為曲線部分NC代碼的特點可知，圓弧部分的NC代碼
分 i?>0 和 i?<0 兩種，當 i?>0 H'j', s =arecos | ^ +y ^ J xR-當 /?<0 時,5-277/?- arecos 卜對肺曲線段以相
同方式進行計算，由此得到上述弧長之和與加工時間?式中::v、:y•—NC代碼中代表該圓弧終點相對與圓弧起點的位移量;—該圓弧段的半徑值。
對于主軸電機與進給軸電機各個工作階段功率P,可以采用功率傳感器之類的設備來分別測得，其中，對于各個加工階段的銑削功率可以通過公式進行計算，式中—銑削力;d—鐵刀直徑;n—銑刀轉速t/mhi。銑削力Fe的計算公式
與銑刀類型和工件材料有關M,需根據加工條件來選取銑削力的計算公式,相關的公式可以在金屬切削手冊中查到。
主軸電機空載功率和進給電機的空載功率F,.是關于進給速度的單調遞增二次函數,同時進給速度和負載質量均影響進給系統(tǒng)的空載功率,但負載質置對空載功率的影響極小M。通過對進給軸進給功率有關轉速的二次函數曲線擬合,可以得到進給功率關于進給速度之間的表達式，譬如：
& +4 % A +；^ +:y3; =:乂 +以 +=3。
式中:P,„，—加工中心在主軸處于轉速S,.下的空載功率A—加工中心在進給軸處于進給速度5下的進給功率。
最后，所獲得的各項功率參數和時間參數代入到該能耗預測模型中，計算出各個電機消耗的與負載相關的能耗;將其與負載無關的能耗值相加進行計算，可得出數控加工中心整個加工過程的總能耗,由此完成整個能耗預測工藝過程。
4案例研究
實驗設備:XK713數控加工中心。刀具:刀具采用三刃高速鋼立銑刀，材料為8Cr4V,直徑為10mm。工件材料:工件材料為45號鋼。加工要求:銑削深度S =lmm,銑削加工_段路徑。實際加工中,XK713數控加工中心運行實測相關參數，如表1所示。并采用CAM軟件CAXA2013制造工程師模擬銑削加工過程，銑削路徑及NC代碼，如圖2所示。
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表1 X K 713數控鐵床各部件運行參數信息表Tab.1 The Runnng Parameters hforra atbn Table ofXK713 NC M illiig Machiie Parte
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耗能原件
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加工參數
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運行功率
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運行時間
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主軸電機
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主軸轉速
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空載階段:374.95W
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27.6s
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5=200ryfn in
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負載階段:406.63W
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183.9s
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Z進給軸電機
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快進階段：v= 5000m myfn in負載階段：i；=80m m yfn in
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408.20W
21.34W
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1.7s
183.7s
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y進給軸電機
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快進階段：v= 5000mmyfn in
負載階段：i；=80m m yfn in
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408.20W
21.34W
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1,7s
146.2s
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Z進給軸電機
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快進階段：5000m m/fn in
負載階段：r=80m m yfn in
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408.20W
21.34W
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5,4s
22,4s
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冷卻系統(tǒng)電機
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40.14W
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211.5s
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伺服系統(tǒng)電機
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309.89W
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213.2s
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總能耗
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257.6kJ
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對此段模_卩工NC代碼進行解析，其分析結果，如表2所示。
基于獲取的基礎功率數據和通過NC代碼提取的各耗能部件運行狀態(tài)參數，可以得到XK713數控加工中心各耗能部件運行時的功率參數，如表2所示。因此，將各耗能部件的運行狀態(tài)參數以及功率數據代入數控加工中心加工工件能耗預測模型中,通過式0) ~式Q ,可以預測出該段加工過程在XK713數控銳床上的總能耗及各耗能部件的能耗。
主軸"^進給冷〇 +[固定
=158.5kJ+9.1kJ+10.5kJ+66kJ=244.1kJ
表2 N C代碼解析Tab.2 The PatserofNC Code
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N C代碼
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詳細信息
耗能部件 運行狀態(tài)
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N12G90G54G0X-5
0.Y-35.S200M03
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加工中心伺服系統(tǒng)、主軸電機、進給電機
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快進到X-50.Y-35,快進時間為1.7s;主軸電機啟動，主軸轉速為200r/fn in
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N14Z100.M 07
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Z軸進給電機、冷卻電機
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切肖!1液開啟，Z軸電機快進到Z100快進時間為2s采用增量編程,Z軸電機沿Z
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N16G91Z-86.
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Z軸進給電機
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軸方向快進-86，m m,快進時
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間為1.7s
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Z軸電機垂直向下運行
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N18G01Z-15.F80
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Z軸進給電機
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15mm,進給速度為
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80m m/fn in,加工時間為11.2s銑刀斜線加工運動,進給速
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N20X50.Y70.
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X、Y軸進給電機
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度為80mm/fn in,加工時間為
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63.7s
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N22G17G02X0.Y-70. IO.J-35.
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X、Y軸進給電機
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銑刀曲線加工運動,進給速度為80mm A in,加工時間為82.5s
直線插補，向X軸方向移動
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N24G01X-50.Y0.
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X、Y軸進給電機
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-50mm,進給速度為80m m yfn in,加工時間為37.5sZ軸電機向上移動15mm,進
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N26Z15.
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Z軸進給電機
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給速度為80m m A in,退刀時
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間為11.2s
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N40G0Z86.
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Z軸進給電機
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Z軸電機向上快速移動86mm,快退時間為1.7s
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N42M 09
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冷卻電機
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切削液關閉
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N44M05
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主軸電機
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主軸電機停止轉動
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N46M 30
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風扇電機與伺服系統(tǒng)
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數控加工中心關機
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實際加工過程中，由于加工中心機械傳動系統(tǒng)中會產生各種機械損耗,通過功率測試儀與秒表測得的實際各部件功率及運行時間與預測值存在一定的誤差，實際總能耗為£ s»=257.6kj,將實際能耗與該能耗預測方法獲得的能耗的誤差為5.34%。通過上述方法以及誤差分析可以看出,此數控加工中心加工工件能耗預測方法獲取的銑削加工能耗精度較高，與用功率測置儀器測得的數控銑床CK713在該段加工過程的能耗誤差基本保持在10%以內，誤差值在應用范圍之內。因此，在實際工作中有著很好的參考價值。
5總結
隨著科技的進步，數控加工中心加工工件能耗建模與許多其他科技領域發(fā)生交集。例如，數控加工中心加工工件能耗建模技術與信息通信技術、機電控制技術以及智能制造技術具有交集,運用數控加工中心模擬加工能耗預測技術替代試切過程，節(jié)約該環(huán)節(jié)能耗,自動生成加工工件NC代碼并解析，預測出加工能耗，最后運用_個加工實例驗證了該預測方法的可行性。該能耗預測方法可以運用于車間生產調度與產品工藝方案評價中，為企業(yè)生產加工中能源精細化管理打下基礎。
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