機(jī)械加工系統(tǒng)能量效率的可預(yù)測特性及預(yù)測方法研究

侯勁

【摘 要】機(jī)械加工系統(tǒng)具有數(shù)量多，涉及面廣的特點(diǎn)，其能量消耗巨大；同時(shí)，由能量消耗引起的環(huán)境問題日益嚴(yán)重。近年來的研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械加工系統(tǒng)能量效率很低、節(jié)能潛力巨大，以至于世界范圍內(nèi)的各大高校和各大國際組織都對機(jī)械加工系統(tǒng)的能量效率展開了研究。機(jī)械加工系統(tǒng)能量效率提升是當(dāng)代制造業(yè)亟需解決的問題，是綠色制造研究的重要內(nèi)容，其研究符合可持續(xù)性發(fā)展的要求，具有十分重大的意義。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械加工；系統(tǒng)能量效率；可預(yù)測

1引言

制造業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)重要組成部分，同時(shí)也是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，制造業(yè)所涉及的范圍越來越廣，為人類的生存提供了更為豐富的物質(zhì)資源保障。同時(shí)也必然引起更多的資源和能源消耗，產(chǎn)生更嚴(yán)重的環(huán)境問題。日益增長的能源需求和不斷攀升的能源價(jià)格以及日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題將迫使制造業(yè)尋求更高效和低成本的解決方案。機(jī)械加工系統(tǒng)作為制造業(yè)最重要的組成部分，其節(jié)能減排以及高能效、低排放運(yùn)行已成為了全球共同關(guān)注的主題。能量效率作為機(jī)械加工系統(tǒng)運(yùn)行過程能量消耗評價(jià)的重要評價(jià)指標(biāo)體系，如何提高機(jī)械加工系統(tǒng)能量效率已成為綠色制造研究的重要內(nèi)容。能量效率預(yù)測方法能夠?yàn)槟芰啃实靥嵘约皩?shí)際生產(chǎn)過程中的節(jié)能優(yōu)化、能量效率評估應(yīng)用等方面提供方法支持，因此，其研究有著十分重要的意義。但由于機(jī)械加工系統(tǒng)運(yùn)行過程所涉及的能量源眾多，能量消耗環(huán)節(jié)眾多，且其規(guī)律十分復(fù)雜，使得到目前為止還缺少一個(gè)能夠?qū)C(jī)械加工過程的能量消耗途徑進(jìn)行描述的能量效率模型。另一方面，由于機(jī)械加工過程通常會涉及到各種加工狀態(tài)，因此，要實(shí)現(xiàn)其能量效率預(yù)測就必然會需要大量的基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)庫，特別是各種工藝、各種設(shè)備以及各種加工狀態(tài)的基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)庫。因此，必須對加工過程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行抽象建模，并分析其各個(gè)狀態(tài)的能耗特性，以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行狀態(tài)所涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立。因此，分析機(jī)械加工系統(tǒng)能量效率的可預(yù)測特性，建立其能量效率預(yù)測方法是機(jī)械加工系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行研究的重要研究內(nèi)容，同時(shí)也是工業(yè)界能效優(yōu)化和能量管理的需求。

2 機(jī)械加工系統(tǒng)能量效率可預(yù)測特性研究

2.1機(jī)械加工系統(tǒng)待機(jī)能耗可預(yù)測特性

待機(jī)過程是指電源開啟后，機(jī)械加工系統(tǒng)所包含的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及各個(gè)軸的伺服電機(jī)等處于上電狀態(tài)，以確保機(jī)械加工系統(tǒng)處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)。該狀態(tài)是機(jī)械加工系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是機(jī)械加工系統(tǒng)運(yùn)行所必需的、最基本的一種狀態(tài)。待機(jī)功率是指待機(jī)過程中，機(jī)械加工系統(tǒng)的輸入功率。

液壓、冷卻和潤滑系統(tǒng)通常被定義為待機(jī)過程的主要能量消耗源，因此，其能耗特性將很大程度上決定待機(jī)過程的能耗特性。對于采用液壓自動夾緊機(jī)構(gòu)的機(jī)床，液壓系統(tǒng)通常都會采用溢流閥來實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的油壓控制，為機(jī)床提供穩(wěn)定且恒壓的壓力油。而油壓改變通常只發(fā)生在卸載的時(shí)候，因此，可以將液壓系統(tǒng)近似看作恒功率部件。以上分析同樣適用于冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)，由于他們都是連續(xù)穩(wěn)定的工作模式，因此，都屬于恒定載荷運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)主要包括主軸拖動系統(tǒng)的變頻器、信號放大器以及伺服拖動系統(tǒng)的伺服驅(qū)動器和信號放大器。控制系統(tǒng)主要是由半導(dǎo)體元器件構(gòu)成的整流電路和逆變電路等控制電路。其工作功率通常較低，且隨負(fù)載的變化而變化。因此，對于待機(jī)過程，其拖動系統(tǒng)本身負(fù)載恒定，且無外在變動負(fù)載。因此，該過程的輸入功率也為一定值，且該部分功率很難通過計(jì)算和單獨(dú)測量得出。輔助系統(tǒng)是為保證機(jī)床具有更好地工作情況和可操作性。因此，該部分的功率與其他部件的運(yùn)行狀無關(guān)，且只有一種工作模式。因此，其輸入功率也為一固定值。

機(jī)床待機(jī)過程中，各個(gè)組成部件都被激活，以完成機(jī)床加工的功能準(zhǔn)備。該過程所涉及的能耗源眾多，且很難通過計(jì)算和測量獲得每一個(gè)能耗源的運(yùn)行功率。待機(jī)過程中，各個(gè)能耗源的輸入功率均為恒定值，因此，機(jī)床的輸入功率為一恒定值，且該值僅與機(jī)床自身屬性有關(guān)，即一臺機(jī)床只對應(yīng)于一個(gè)待機(jī)功率。根據(jù)該結(jié)論，要實(shí)現(xiàn)待機(jī)功率的預(yù)測，只需分別測量不同機(jī)床在待機(jī)過程中的輸入功率，并將其存成各個(gè)機(jī)床的待機(jī)功率數(shù)據(jù)庫，以此來實(shí)現(xiàn)對各種機(jī)床待機(jī)功率的預(yù)測。

2.2機(jī)械加工系統(tǒng)啟動能耗可預(yù)測特性

普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床啟動過程的輸入功率都為一個(gè)動態(tài)變化量，且變化規(guī)律十分復(fù)雜。因此，啟動過程的輸入功率很難通過理論模型或是擬合建模來進(jìn)行預(yù)測。但通過該模型不難發(fā)現(xiàn)，無論普通機(jī)床還是數(shù)控機(jī)床，其主軸啟動過程的輸入功率都是由設(shè)備本身屬性和控制模式?jīng)Q定的。對于同一設(shè)備在同一主軸轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的啟動過程的輸入功率特性應(yīng)該相同，且主軸完成啟動過程的時(shí)間也應(yīng)該相同。因此，啟動過程中主軸啟動到目標(biāo)轉(zhuǎn)速所需的能量和啟動過程中由待機(jī)功率所消耗的能量均為目標(biāo)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即啟動過程中機(jī)械加工系統(tǒng)的能耗是轉(zhuǎn)速的函數(shù)。根據(jù)該特性，只要能夠建立機(jī)械加工系統(tǒng)各個(gè)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的機(jī)械加工系統(tǒng)的啟動能耗函數(shù)庫，便可實(shí)現(xiàn)對各個(gè)轉(zhuǎn)速下的啟動能耗進(jìn)行預(yù)測。

3機(jī)械加工系統(tǒng)能量利用率預(yù)測方法

如果能對加工過程中每個(gè)子過程的能耗進(jìn)行預(yù)測，再根據(jù)該模型便能得到機(jī)械加工系統(tǒng)在該運(yùn)行條件下的能量利用率。以下將分別對能量利用率預(yù)測模型的各個(gè)關(guān)鍵組件的預(yù)測方法進(jìn)行研究。

①待機(jī)過程能耗預(yù)測方法

待機(jī)過程所開啟的部件是為了保障機(jī)床各功能處于準(zhǔn)備階段，其能耗是提供為保障機(jī)床處于操作準(zhǔn)備階段所激活的部件所消耗的能量。該過程中所開啟的能量源通常包括：數(shù)控系統(tǒng)，變頻器，繼電器模塊，系統(tǒng)顯示器，照明燈以及機(jī)床所必須的潤滑泵等，該過程的輸入功率為該階段所開啟的所有能耗源的輸入功率之和。根據(jù)第二章分析可知，該過程所啟動的能耗源均與機(jī)床載荷無關(guān)，其輸入功率僅與系統(tǒng)本身有關(guān)，且為一定值Cr。因此，可以只需測量系統(tǒng)在待機(jī)過程中的輸入功率，并記錄下該系統(tǒng)的待機(jī)功率，即：

待機(jī)過程中主要完成加工輔助工作，如：刀具的安裝，夾具的安裝以及工件安裝和夾緊等。因此，該過程的時(shí)間即為加工過程的輔助時(shí)間。該過程的時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際輔助工作的繁簡程度來進(jìn)行估計(jì)得到。該過程的能耗預(yù)測模型可以表示為：

其中，tr表示待機(jī)過程的持續(xù)時(shí)間。

因此，只需要通過測量獲取其待機(jī)功率，并根據(jù)對輔助時(shí)間的估算便可實(shí)現(xiàn)對待機(jī)過程的能耗值進(jìn)行預(yù)測。

②啟動過程能耗預(yù)測方法

機(jī)械加工系統(tǒng)在主軸啟動過程中的能耗值僅與目標(biāo)轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此，只要能夠建立系統(tǒng)各個(gè)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的啟動能耗數(shù)據(jù)庫便可實(shí)現(xiàn)對任意過程的主軸啟動能耗進(jìn)行預(yù)測。由于普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床具有不同的控制方式，因此，需要根據(jù)其不同的能耗規(guī)律來構(gòu)建其對應(yīng)的啟動能耗數(shù)據(jù)庫來對其進(jìn)行預(yù)測。對于普通機(jī)床，其主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與傳動鏈一一對應(yīng)，其不同轉(zhuǎn)速之間所對應(yīng)的傳動鏈參數(shù)不同。因此，可以分別選取其所有的轉(zhuǎn)速級，分別測取其每個(gè)轉(zhuǎn)速的啟動能耗和啟動時(shí)間，并根據(jù)測量結(jié)果，建立該設(shè)備轉(zhuǎn)速與對應(yīng)啟動能耗和啟動時(shí)間的對照表，以實(shí)現(xiàn)對不同轉(zhuǎn)速下的主軸啟動能耗與啟動時(shí)間的預(yù)測。

結(jié)束語

綜上所述，通過能量效率預(yù)測方法可以根據(jù)既定的工藝規(guī)程及工藝參數(shù)對待加工工件加工過程的能量效率進(jìn)行預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)對未來加工工件能量效率進(jìn)行評價(jià)，有利于找出工件加工過程各個(gè)節(jié)能環(huán)節(jié)，從而提高工件加工過程中的能量效率；同時(shí)，還能通過預(yù)測發(fā)現(xiàn)工藝方案及工藝參數(shù)設(shè)定的不足與不合理之處，從而實(shí)現(xiàn)在事前對工藝過程及工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高能量效率。由此可見，一種實(shí)用且有效的機(jī)械加工過程的能耗預(yù)測方法可以為提高能量效率途徑的提出和研究提供方法支持，是能量效率提升研究的重要支持工具。

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