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数控铣床加工过程能耗计算预测方法

2019年08月19日15:57
字号: T | T
      摘要: 文章分析了数控机床的多源能耗系统,将数控加工过程的能耗分为固定能耗、空载能耗、铣削能耗三个部分,推导构建这类加工过程的能耗估算模型,提出了一种基于 Master CAM 和 VB 的数控机床能耗在线检测方法。利用 Master CAM 软件建模并模拟加工生成数控加工程序,运用能耗模型和自行编写 vb程序读取数控程序代码,设定不同的铣削参数自动进行能耗计算,并对能耗结果进行比对分析。实验结果表明,上述模型可预测出数控铣床加工过程能量消耗,并能为后续的工艺参数优化和节能等实际问题提供一种理论支持,具有广阔的应用前景。

       关键词: 数控铣床; 能耗估算模型; Master CAM 软件; VB 程序
 
  
       0 引言
  
       在制造业能源消耗总量中,能源消耗大部分来自机加工过程,而此过程对环境产生的影响,99% 来源于该过程中的电能消耗。制造业在消耗大量能源的同时,对环境造成很大压力,随着全球能源价格上涨以及环境保护重视程度的提高,优化机加工过程中产生的能耗引起格外重视,越来越多的学者将机加工过程中的能耗列为工艺优化的参考指标,通过改变工艺加工路线与工艺参数来提高加工效率,减少能耗。

        因此一个准确的能耗预测模型不仅能在工艺规划过程中预测能量消耗,还能对工艺参数进行优化,使得机床加工过程中的能量消耗最小。针对数控机床多能量源的特性,建立数控机床的多源能量流的系统数学模型,本文提出了一种基于数控铣床加工过程中的能耗模型,对机床整体加工能耗实施在线检测。构建数控机床的主传动系统和进给传动系统的功率平衡方程和能耗模型,利用 Master-CAM 软件建模并进行模拟加工生成数控加工代码,利用 VB 语言设计开发相应的计算机程序,通过读取和分析数控加工 G 代码,得到加工过程中的参数及刀位轨迹变化,进而结合已建立的铣削能耗方程,计算得到具体的铣削能耗值,并对结果进行比较研究。

       1 、数控铣床的能量流模型
  
       一个完整的加工过程应包含 3 个典型的机床状态:机床待机阶段、空载阶段、加工( 切削) 阶段,如图 1 所示。因此本文将传动系统的输入功率 Pi简化为待机功率 Pstandby、空载功率 Pu和切削功率 Pc三个阶段。
 
  
  
图 1 机加工过程能耗构成

  
       ( 1) 待机功率 Pstandby的测量

       机床的照明系统,冷却风扇,润滑等都是与机加工过程并无直接关系的功能单元,机床加工状态对这部分能耗几乎没有影响,且当机床处于待机状态时,这部分功能单元依旧处于工作状态,所以,也将机床的固定能耗认为是机床的待机能耗,通常认为这部分值为常量,决定这部分能耗大小的只有这部分功能单元的工作时间。测量方法为: 数控铣床在开机回参考点后,主轴、各进给轴不运动情况下,用功率分析仪可测得机床的待机功率。
   
       ( 2) 主轴空载功率 Psu的计算:

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