智能數控提高機床能效的研究

丁春偉，樊留群，，邱瑋，侯磊

（1.同濟大學中德學院，上海 201804；2.同濟大學沈陽機床上海研究院，上海 200082）

智能數控提高機床能效的研究

丁春偉1，樊留群1，2，邱瑋2，侯磊1

（1.同濟大學中德學院，上海 201804；2.同濟大學沈陽機床上海研究院，上海 200082）

為了研究數控機床的能耗問題，設計了機床能耗的整體測試方案，對數控機床能耗進行分析，確定機床各個相關部件的能耗情況，采用Matlab工具建立機床能耗仿真模型。在加工循環中，測量機床運行總能耗，根據加工循環及相關參數，利用能耗仿真模型對機床能耗進行仿真，將仿真結果和實際測量能耗進行了對比，驗證了模型的準確性。研究了在數控系統中集成能耗的監視及預測等功能，并給出了基于能耗的智能化數控系統的架構，該架構為進一步研究提高智能數控機床能效提供了依據。

數控機床；能效；仿真；系統構架

0 引言

近年來由于全球氣候變暖，資源越發緊張，低碳、節能制造開始成為各國新的研究熱點。為了研究評判機床能耗情況，歐盟制定了專門針對機床的環境評價的ISO/TC39/WG12標準。

美國的研究學者得出結論：加工能耗占總能耗的比例很小［1］。德國ECOMATION項目中有學者運用Simscape對機床交流電機和離心泵搭建了能耗模型，實現了機床能耗的預測［2］，另一位德國學者提出了機床非加工狀態下基于圖形化的能耗優化理論［3］。

國內一些科研人員［4，5］建立了普通機床主傳動系統的能耗模型，不僅分別建立了主傳動系統的電機部分和機械傳動部分的能量模型，同時還建立了兩者的集成模型。

隨著數控機床的普及，機床高能效必然要在數控系統中有所體現。為了實現高能效，需對機床能耗進行深入研究、建立模型并進行仿真等工作，可在此能耗研究的基礎上在機床設計及使用這兩個階段對機床能耗進行優化。本課題闡述了機床能耗測量、建模、仿真等關鍵步驟，并給出了智能化數控系統能耗仿真平臺的整體構架。

1 能耗測量

以一臺實際機床（SMTCL ETC 3650）為例，提供一種實用的測量方法。將機床運行狀態進行細分，分析在各種運行狀態下機床部件的工作情況，對機床部件的能耗進行測量，并對能耗進行分析，記錄機床部件的能耗值。

1.1機床系統層次劃分

數控機床具有能量源多、能流環節多、能量運動規律和損耗規律復雜等特點［6］。首先分析機床的電氣原理圖，對機床的各個電氣元件劃分等級（見圖1）。可基于能耗流向特性將機床分為與負載相關能耗和與負載無關能耗，如圖2所示，分為6大子系統［7］，與負載有關部分：主軸系統、進給系統，與負載無關部分：潤滑與冷卻系統、液壓系統、輔助系統（計算機系統、換刀系統等）以及外設系統（電柜風扇、照明系統等）。

圖1　主要電氣元件Fig.1 Main electrical components

圖2　數控機床能耗模型Fig.2 Energy consumption model CNC machine tool

1.2測量方案

根據上述機床的耗能系統歸納為6大子系統：Ems主軸能耗系統、Ef進給能耗系統、Ee換刀能耗系統、Ea輔助能耗系統、Ec控制能耗系統、Eoe其余外部設備能耗系統。并對機床運行狀態進行了劃分，主要分為7種狀態：機床關、控制器關、急停、控制開、待機、操作準備就緒以及操作生產。

為了盡可能簡化測試過程，必須合理安排測量過程。根據測試設備，在保證覆蓋所有機床的耗能部件的前提下，本次測量共設置了7個測試場景。此外還設置了機床在這7個場景中要完成的一致的動作（即上文提到的7種狀態），這樣數據處理時可方便的將不同場景的相應部件能耗拼接在一起，此外該過程要盡可能保證每個場景中機床的各個動作時間一致。測量負載相關能耗時應盡量保證時間及測量的有效性。

1.3記錄并分析結果

研究與負載無關部件能耗時相對簡單，而分析與負載有關部件的能耗情況時，還需同時記錄負載及切削過程中相關參數。與空載時相比有負載能耗的主要變化與主傳動系統有關，機床主傳動系統一般包括電機驅動和機械傳動兩個部分，每個部分的能量消耗都十分復雜［8］。通過NI USB-6218 BNC采集器讀取到所需的電壓以及電流信號，由于數據采集量很大，故借助Matlab工具進行數據處理。如圖3（a）所示為主傳動系統及總能耗的測量數據，整理分析所有部件能耗圖后可得到在各狀態下的機床子系統以及整體能耗情況，見圖3（b）。

圖3　機床系統耗能Fig.3 The energy consumption of machine tool system

2 機床能耗建模及仿真

2.1機床能耗的數學模型

機床總體能耗既與機床運行狀態相關也與機床負載相關，建立整個機床能耗模型不僅需要機床操作狀態信息，還需要機床負載信息。機床運行過程中的電能消耗在上述中提到的6大子系統上，不同階段具有不同的能耗特點。要準確地反映機床在實際工作中的能耗特性、獲得機床數學能耗模型，要對機床各個系統進行具體分析。整個機床運行階段能耗為：

式中：ETotal—運動階段總能耗；Ems—主軸能耗；Ef—進給系統能耗；Ee—換刀系統能耗；Ea—輔助系統能耗；Ec—控制系統能耗；Eoe—其余外部設備能耗。式（1）中與負載無關系統中耗能部件的功率一般為定值，其運行時間與功率的乘積為其能耗值，而與負載有關的能耗還需考慮負載情況，主軸功率和進給系統的能耗可表示為：

式中：Pme、Pmc分別為主軸空轉和有負載時的功率（W）；m、n分別為主軸空轉和有負載的工序總數；ti1、ti2和tj1、tj2為主軸第i、j道工序時間起始點。對于車床：

式中：ap—切削深度（mm）；f—每轉進給量（mm/rev）；vc—切削速度（m/min）；Kc—特定工件材料的比切削力（MPa）。進給系統能耗有：

式中：Pie、Pic分別為第i個進給軸空載和負載切削時的功率；α—與切削要素和進給速度有關的系數；T1、T2分別為第i個進給軸空載和切削運行時間。

2.2機床能耗仿真模型

根據上述數學模型以及實際測量的部件能耗數據，就可建立機床能耗仿真模型以計算機床的實際功率。根據上述分別建立7種狀態與各個部件能耗的對應模型，以及記錄的各個部件在不同狀態下的能耗值，利用Matlab/Simulink中Stateflow工具箱建立基于機床狀態轉換的能耗模型，對機床的能耗進行仿真。

機床狀態之間的轉換是由機床對應部件的開關信號決定的，故將部件開關信號作為仿真模型的輸入量。根據機床狀態轉換順序和時間，可確定相應的輸入信號。

部件的狀態特性既可以通過文字也可以通過圖形來建模（見圖4）。如冷卻馬達具有兩種狀態“開”和“關”。冷卻馬達的初始狀態為“關”。功率P_CM為0。出現操作冷卻開關指令時，冷卻馬達切換到“開”。初始時冷卻馬達的峰值功率P_CoolingMotor_Peak。持續運行時，功率大小保持為P_CoolingMotor。下一個冷卻開關指令發出時冷卻馬達將再次關閉。結合模型與機床各個部件的能耗數據和運行時間參數，就可以很準確地仿真出機床的總能耗。但這里要特別注意機床的主軸和進給軸的能耗與負載有關，故其能耗還需根據負載和其他相關因素確定。

圖4　圖形及文本模型Fig.4 Graphics and text model

2.3仿真與測量結果對比

選取一個機床的加工循環作為能耗仿真和測量對比的實驗。首先測量一個指定的加工循環的能耗，并記錄數據，根據該加工循環確定仿真輸入，如圖5所示。加工循環共有5個切削過程，以75s前的第一次切削過程為例，動作順序依次為：打開主開關和控制器、急停開關、設置驅動器使能、照明開啟后復位，切削并冷卻。5個切削加工完成后在350s左右快速急停并關閉控制器，照明隨即關閉，最后在375s左右主開關斷開。

圖5　仿真輸入Fig.5 Simulation input

其中主軸及進給系統能耗需根據切削過程計算，例如本次實驗為車削奧氏體不銹鋼外圓，工件硬度HB200，工件直徑75mm，第一次切深為1mm，走刀量0.1mm/r，切削速度100m/min，材料單位切削力為2900N/mm2，加工長度為100mm，那么功率可根據公式（3），計算得切削功率P為483W。同樣方法計算主軸和進給軸功率并將相關數據輸入仿真程序，利用輸入信號對機床功率進行仿真，得到功率圖形，并將其與所測量的實際功率作對比（如圖6所示）。根據其功率圖形數據進行計算處理得實際測量總能耗為：158.56Wh，仿真能耗為148.26Wh。從這次實驗來看，該模型的誤差為7%。

圖6　測量與仿真對比Fig.6 Comparison of measurement with Simulation

3 能耗仿真平臺的整體構架

根據能耗因素建立能耗仿真平臺的作用主要有以下兩個方面：一方面利用能耗仿真平臺，在機床設計階段機床制造商可以基于高能效對機床部件及結構進行優化，最終實現提高能效的目標；另一方面在機床使用過程中可利用仿真平臺對機床能耗進行仿真，通過改變切削、刀具軌跡等參數方法，達到提高能效的目的。

3.1機床能耗監控

機床實現在線能耗監測可以為進一步實施機床節能降耗措施提供數據支持。現在越來越多的數控機床開始使用國際統一的總線來聯接機床的控制器和各個運動部件，這對于機床加工能耗的監控有著很大的幫助，這將意味著可以設置相關程序，在系統內部通過運動部件的伺服直接讀取到該部件的實時工作電壓和電流，從而能夠更方便地通過程序計算出機床的能量消耗功率，并可以通過顯示器直接瞬時地將數據顯示在屏幕上，都能夠很直觀地給用戶提供實時的加工能耗信息。

3.2機床能耗仿真預測

實現精確預測能耗這一目標重點在于：一方面，建立起準確的部件能耗數據庫，與負載無關部件能耗值固定，容易確定，而與負載有關的部件則要找出這些部件的耗能規律，研究并確定每個軸的功率與工件及相關因素之間的關系。另一方面，需將加工程序與機床的運行狀態對應起來，根據由加工程序和其他相關因子確定仿真模型輸入信號，利用該信號通過對應的能耗預測模型計算最后所需的能耗。

如圖7所示為能耗仿真平臺的整體構架。能耗仿真預測功能對于提高機床能效起到了至關重要的作用。首先在機床設計階段，機床設計人員可選擇滿足使用條件的不同結構部件，根據相關因素對機床能耗進行仿真，依據仿真結果在部件庫中選擇最優能效的機床結構，以提高機床能效。

圖7　能耗仿真平臺的整體構架Fig.7 Overall framework of energy consumption simulation platform

同樣在機床使用過程中可以基于已有的能耗模型，對該零件的加工程序進行分析，在加工程序執行前對它進行預讀，即在譯碼階段對該程序進行分析，將機床的物理模型、狀態模型以及數學模型進行對應，使得加工程序與部件的能耗形成對應關系，對能耗進行預測，并在數控系統中將能耗模型圖形化，而后可通過優化走刀軌跡及切削參數等因子提高能效。

4 結束語

本文主要介紹了測量機床能耗的方法，實際測量了車床ETC3650的各部件的能耗情況，建立了機床的能耗模型，并將能耗模型仿真的能耗與實測能耗相對比，該模型的精度誤差可控制在7%以內，表明了模型的可靠性。最后提出能耗仿真平臺的整體構架，并闡述了能耗仿真平臺中的監控和預測功能，為進一步提高機床能效打下了基礎。

［1］GUTOWSKI T，DAHUS J，THIRIEZ A.Electrical Energy Requirements for Manufacturing Processes［C］//13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering，Leuven，Belgium，2006.

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［4］劉飛，等．機械加工系統能量特性及其應用［M］．北京：機械工業出版社，1995．

［5］施金良，劉飛，許弟建.變頻調速數控機床主傳動系統的功率平衡方程［J］.機械工程學報，2010，3.

［6］趙平，胡韶華.基于數控機床載荷損耗特性的能耗在線監測方法的研究［J］.機床與液壓，2013，17.

［7］胡韶華.數控機床通用能耗模型及其應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2013，10.

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Research on Intelligent CNC to Improve the Energy Efficiency

DING Chun-Wei1，FAN Liu-Qun1，2，QIU Wei2，HOU Lei1
（1.Sino-German School，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.SMTCL Research Institute，Shanghai 200082，China）

To study the energy consumption of machine tool，an energy test plan is designed，the energy consumption of the machine tool is analyzed，the energy consumption of all relevant components are determined，an energy consumption model of the machine tool based on Matlab is proposed.During machining the total energy consumption of the machine is tested，and according to the machining cycle and related parameters the energy consumption of machine tools is simulated，then the results of test and simulation are compared，the accuracy of the model is verified.Relevant intelligent features in CNC system，such as energy monitoring and forecasting and other functions based on energy consumption are studied，and an architecture of intelligent CNC system based energy consumption，which lays a foundation to further research to improve the energy efficiency of intelligent CNC machine tools，is provided.

CNC machine tool；energy efficiency；simulation；system architecture

TH11

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.044

1002-6673（2015）02-116-04

2015-02-09

丁春偉（1990-），男，江蘇人，碩士研究生。主要研究方向：數控技術及工業自動化；樊留群（1964-），男，陜西人，教授，碩士生導師。主要研究方向：機電控制，數控技術，智能制造。