基于數(shù)控機(jī)床運行狀態(tài)的能耗測量及分析

侯 磊 樊留群 邱 瑋 丁春偉

(①同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海201800;②同濟(jì)大學(xué)沈陽機(jī)床研究所，上海201804)

近年來，機(jī)床能耗問題研究已成為學(xué)術(shù)界的一個熱點。2007 年，由德國斯圖加特大學(xué)Alexander Verl教授牽頭，德國多家著名大學(xué)機(jī)械研究所參與的ECOMATION 項目，對機(jī)床能耗測量、預(yù)測、自動優(yōu)化、能耗評估等問題進(jìn)行了長達(dá)6 年的研究。在研究中，德國達(dá)姆斯塔特大學(xué)的Christian Eissele 運用Simscape 對機(jī)床交流電動機(jī)和離心泵搭建了能耗模型，實現(xiàn)了機(jī)床能耗的預(yù)測［1］。德國斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所的Philipp Eberspaecher 在其論文中提出了機(jī)床非加工狀態(tài)下基于圖形化能耗優(yōu)化理論［2］。國內(nèi)對于機(jī)床能耗也進(jìn)行了一定的研究，文獻(xiàn)［3］中，論述了基于產(chǎn)品生命周期為主線的綠色制造技術(shù)發(fā)展框架。以及文獻(xiàn)［4］中，引入人工免疫算法，采用VB 軟件開發(fā)了基于車間層面的能耗維護(hù)調(diào)度系統(tǒng)。

從上述研究中可以看出，已有學(xué)者對加工設(shè)備能耗特性進(jìn)行了大量研究。但研究的方向有兩大特點:(1)大多數(shù)研究方側(cè)重在如何進(jìn)行機(jī)床能耗模型的建立等理論性研究，而針對機(jī)床能耗測量技術(shù)的實踐性研究的相關(guān)文獻(xiàn)比較少;(2)在工業(yè)能耗節(jié)能方面，國內(nèi)對于宏觀車間層面理論研究比較多，對于微觀單個機(jī)床的能耗節(jié)能方案的研究較少。

綜上所述，本次課題選擇以微觀機(jī)床個體作為研究對象，對機(jī)床能耗實際方案設(shè)計進(jìn)行探討。通過實地機(jī)床能耗的測量，希望找到一種準(zhǔn)確有效的測量方案，為機(jī)床能耗的監(jiān)控、預(yù)測及優(yōu)化提供有效的測量數(shù)據(jù)支撐。

1 機(jī)床能耗測量方案設(shè)計

針對機(jī)床加工的能耗或功率，理論上可以通過熱平衡方程或者依據(jù)切削力進(jìn)行計算。如文獻(xiàn)［5］中描述了車床切削參數(shù)與主軸功率之間的關(guān)系。而文獻(xiàn)［6］中所述，無論是粗加工或是精加工階段，實際上用于機(jī)床實際切削所用的能耗占用是相對較小的，約占整個機(jī)床能耗的20% ～25%。如果將準(zhǔn)備階段的時間考慮在內(nèi)，該比例會更小。這部分能量只能夠理解為材料去除所需要的最小能量。雖然該理論適用于材料形變理論與切削能耗之間關(guān)系的研究，但是無法正確反映機(jī)床運行過程總體的能耗。

綜上所述，通用性好的機(jī)床測量方案應(yīng)該具有覆蓋范圍廣、測量時間短、結(jié)果準(zhǔn)確可靠的特點。而機(jī)床本身是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動狀態(tài)多樣的設(shè)備，所以測量方案需對這兩個方面都進(jìn)行討論。

雖然機(jī)床型號種類繁多，但大致可以將其運行狀態(tài)通過圖1 反映。每種狀態(tài)相互關(guān)聯(lián)并按圖中箭頭順序進(jìn)行切換。

機(jī)床的狀態(tài)主要由圖1 所示的9 個狀態(tài)構(gòu)成。所以在機(jī)床測量方案的設(shè)計時，就必須將這9 個狀態(tài)的能耗特性都考慮在內(nèi)。為了有針對性地測量，本文基于機(jī)床實際運行狀態(tài)將測量過程分為4 大階段:開機(jī)階段、CNC 運行階段、PLC 循環(huán)階段、關(guān)機(jī)階段。每個階段包含了多個不同的運動狀態(tài)，上述4 個階段覆蓋了機(jī)床正常運行下的不同場景。

其次，在設(shè)計階段需要解決的一個關(guān)鍵問題是如何對機(jī)床能耗進(jìn)行劃分。澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Wen LI［7］等人提出了將機(jī)床加工能耗分為固有能耗、加工能耗、刀尖能耗和非生產(chǎn)性能耗4 部分。該方法適合于加工階段對于機(jī)床能耗進(jìn)行劃分，但無法描述待機(jī)階段、空載階段的能耗。從能耗角度來看，在整個機(jī)床的運行過程中，電能消耗主要在以下幾個方面:主軸電動機(jī)提供切削動力去除材料，進(jìn)給電動機(jī)帶動工作臺運動，換刀電動機(jī)，冷卻泵電動機(jī)控制冷卻、潤滑等輔助功能，計算機(jī)和PLC 等電力控制系統(tǒng)。所以對于機(jī)床能耗可以基于能耗源進(jìn)行劃分。可將機(jī)床分為6 大子系統(tǒng):主軸系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)，換刀系統(tǒng)，包含冷卻、潤滑的輔助系統(tǒng)，包含PLC、計算機(jī)、伺服驅(qū)動的控制系統(tǒng)，以及電柜風(fēng)扇等外設(shè)系統(tǒng)。

由于測量設(shè)備的限制，6 大子系統(tǒng)不能同時進(jìn)行測量，需要采用分場景測量的方式進(jìn)行。而在測量準(zhǔn)備階段，測量者可以依據(jù)能耗源劃分主、子系統(tǒng)，合理設(shè)置測量場景中所包含的部件。這能大大提高測量效率，防止出現(xiàn)漏測或者多測等錯誤。因此，整個機(jī)床運行階段能耗為

式中:EGes為運動階段總能耗;Ehs為主軸能耗;Eα為進(jìn)給系統(tǒng)能耗;Ew為換刀系統(tǒng)能耗;En為輔助系統(tǒng)能耗;Es為控制系統(tǒng)能耗;Epg為其余外部設(shè)備能耗。

根據(jù)不同的時段可將EGes分為切削階段能耗Ec以及非切削空載階段能耗Ea。

式中:n為切削工序總數(shù);非切削工序總數(shù)比切削工序少1，為n-1;Phsi為i道工序主軸功率;tci為加工時間;Pai為進(jìn)給軸功率;Pb為機(jī)床開機(jī)穩(wěn)定后功率;Pcool為冷卻功率;vi為i工序材料的去除率taj為非加工階段時間;phsj為第j道工序主軸空轉(zhuǎn)功率。

接下來需要對測量場景進(jìn)行劃分，為了減少工作時間，提高測量效率，1 個測量場景中，可以對1 個或多個子系統(tǒng)進(jìn)行同時測量。本次實驗是通過對監(jiān)測各組件輸入功率來獲得機(jī)床能耗。為了測量后可進(jìn)行對比校對，應(yīng)盡量測同一個分支下的電流I和電壓U;如果某些元件能耗過低，可以測量幾個元件的主干電流。

2 測量方法及工具

測量方案的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于測量方法和測量工具的選擇。對于選擇準(zhǔn)確的測量工具取決于被測對象。針對機(jī)床能耗，測量對象為電流I和電壓U。由于機(jī)床運動特性比較復(fù)雜，過程中伴隨著很多不確定因素，所以一般情況下，電流I和電壓U都會具有較大的瞬時波動，如果采用采樣周期長的儀器，測量的最終結(jié)果就會和真實情況差距較大。如采用GA8335B型電能質(zhì)量分析儀，采樣周期為1 s，測量曲線平緩，便于計算，但精度差。此外，電能質(zhì)量分析儀由于測量通道數(shù)目限制，也不能滿足機(jī)床多組部件能耗同時測量的要求。但電能質(zhì)量分析儀可用于對測試結(jié)果對比、糾錯。三相電流系統(tǒng)的功率測量應(yīng)該是基于以下公式:

由于不同相的電網(wǎng)輸出不同，所以需要測量每一個相的U(t)和I(t)，并通過公式算出機(jī)床運行實時功率。所以本次測量實驗將采用DAQ 技術(shù)。利用信號采集盒NI USB 6218，可以實時采集最多16 個通道的電流或電壓，采集的頻率為0.01 s，大大提升了采集樣本的精度和準(zhǔn)確性。測量過程應(yīng)注意對每一個通道做好標(biāo)記，這樣才能將實際電流測量數(shù)據(jù)與計算機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對應(yīng)。本次測量的實驗設(shè)備如圖2 所示，主要有4 個電壓測量儀GE8115，4 個電流鉗CP35/CP305 以及NI USB 6218 信號采集盒。

通過NI USB 信號采集設(shè)備可以將測量中的原始數(shù)據(jù)保存在計算機(jī)中。為了提高數(shù)據(jù)的可視化程度，更直觀地對數(shù)據(jù)變化進(jìn)行檢測計算，本實驗運用MATLAB 圖形化開發(fā)工具GUI，對數(shù)據(jù)的名稱、單位、類型進(jìn)行配置。在右邊視窗中，可以將配對的U和I通過數(shù)學(xué)運算，生成曲線。通過視窗，可更直觀地對數(shù)據(jù)觀測分析。

3 計算實例

本次實驗采用的是沈陽機(jī)床廠ETC3650 型臥式數(shù)控車床，測試過程將依據(jù)元件分7 個場景進(jìn)行，每個場景將完成此前描述的4 個機(jī)床運行階段，通過計算機(jī)對U、I數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采樣，通過后處理在短時間可獲得如圖3 所示的機(jī)床CNC 運行階段能耗曲線圖，該運行階段可分為4 個步驟進(jìn)行。

步驟I:主軸分別以200、400、600、800 r/m、1 000 r/min 的5 個速度空載轉(zhuǎn)動10 s。

步驟II:機(jī)床X方向上，進(jìn)給軸分別以進(jìn)Christian Eissele 速度0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm/s 勻速往復(fù)運行，行程長度為40 mm，隨后在機(jī)床Z軸上完成相同動作。

步驟III:機(jī)床機(jī)械換刀測試，刀架位置以順序1 -2 -4 -7 -4 -2 -1 進(jìn)行切換。

步驟IV:開啟冷卻液20 s。

上述4 個步驟基本涵蓋了機(jī)床CNC 正常運行下的不同運行狀態(tài)。

如圖3a 所示，測量數(shù)據(jù)分為4 幅圖，每幅圖代表著不同的測量元件。從上至下，第1 幅圖中代表的元件有PGes總功率、PCM冷卻電動機(jī)功率、PHM液壓電動機(jī)功率以及PHS主軸電動機(jī)功率;第2 幅圖測量的是交流總變壓器功率PACP和各個分流后的變壓器功率P220C、P220A、P110A和P3×220V;第3 幅圖測量的是由變壓器分壓后220 A 分支下的各部件功率，包括液壓電動機(jī)風(fēng)扇功率，PLC、DAC供電功率，燈的功率，潤滑泵的功率;第4 幅圖中代表的是變壓器3 ×220 V 下的部件功率，包括X進(jìn)給軸電動機(jī)功率PX以及Z進(jìn)給電動機(jī)功率PZ和刀具電機(jī)功率PWZW。

不同部件的能耗通過不同顏色進(jìn)行區(qū)分，能耗的大小可以通過色塊的上邊界減去下邊界積分獲得。具體數(shù)據(jù)可以運用MATLAB 計算。計算結(jié)果顯示(圖3b)，主軸系統(tǒng)消耗的能耗只占到了總能耗的34%，而輔助系統(tǒng)所占能耗最多，達(dá)到了38%。外設(shè)系統(tǒng)所占能耗為16%。

4 結(jié)語

(1)機(jī)床服役過程中的能耗由機(jī)床運行的多個階段所構(gòu)成，不同階段具有不同的能耗特點，所以對于機(jī)床能耗的測量，需要具體情況具體分析，搭建符合實際場景的能耗測量方案，才能準(zhǔn)確地反映機(jī)床在實際工作中的能耗特性。

(2)數(shù)控機(jī)床是一個涵蓋了多部件的復(fù)雜機(jī)械，在對機(jī)床能耗進(jìn)行分析時，測量順序應(yīng)基于機(jī)床能量流動劃分。合理劃分才能準(zhǔn)確快速測量機(jī)床能耗，節(jié)約測量時間和成本。

(3)案例分析的結(jié)果表明，機(jī)床服役過程中，主軸和進(jìn)給系統(tǒng)所消耗的加工能耗只是機(jī)床能耗的40%左右，而大部分能耗都消耗在了輔助、外設(shè)系統(tǒng)。這也表明，機(jī)床能耗節(jié)能優(yōu)化主要可以從降低機(jī)床輔助階段時間及對應(yīng)輔助部件能耗入手。上述能耗測量方案為能耗研究和評估、能耗定額制定、切削工藝優(yōu)化等問題提供了有力支撐，應(yīng)用前景廣泛。

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