[发明专利]一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法

权利要求书

1.一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据机械加工过程能耗特性的不同，将机械加工过程划分为若干系列机械加工活动和机械加工活动转移；

其中，所述机械加工活动是指机械加工过程中数控指令执行时的稳态过程，是当前稳态下同时运行的所有行为要素的集合；所述机械加工活动转移是指机械加工过程中数控指令执行的瞬态过程，对应两个稳态间的过渡过程；

步骤2：将所述机械加工活动分解为若干行为要素，构建所述行为要素的功率模型和能耗模型；

步骤3：基于分解的所述行为要素的功率模型和能耗模型，构建所述机械加工活动的能耗模型；

步骤4：对所述机械加工活动转移进行分类并构建各类的能耗模型，结合各类所述机械加工活动转移的能耗模型建立所述机械加工活动转移能耗模型；

步骤5：以建立的所述机械加工活动的能耗模型和所述机械加工活动转移的能耗模型为基础，构建机械加工全过程的能耗模型，并对机械加工过程能量需求进行分析计算。

2.根据权利要求1所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，根据能耗部件的特性不同将所述机械加工活动的所述行为要素分为如下6种，主轴空载旋转、空载进给、切削加工、电气控制、加工辅助、自动换刀；并分别构建其功率模型和能耗模型。

3.根据权利要求1所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，根据工业工程中的优化原则确定四种所述机械加工活动转移；主轴旋转的高低速切换；进给定位的高低速切换；喷液冷却的开与关；自动换刀的开与关；并分别构建其能耗模型。

4.根据权利要求3所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，确定的四种所述机械加工活动转移的能量需求为所述机械加工活动转移的总能量需求80％以上。

5.根据权利要求1或2所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，所述行为要素为机械加工活动时数控机床的基本加工要素，所述基本加工要素构成机械加工活动的基本能耗单元。

6.根据权利要求2所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，所述空载进给的能耗模型包括X轴方向、Y轴方向、Z轴方向进给运动空载功率；所述切削加工的能耗模型包括切削速度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量随时间变化产生的能耗；所述加工辅助的能耗模型为若干加工辅助模块的能耗总和；所述电气控制的能耗模型包括数控装置、主轴控制系统、进给控制系统以及PLC装置随时间变化产生的能耗总和；所述自动换刀的能耗模型将刀具的使用寿命均摊到每道加工工序中。

7.根据权利要求3所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，

1)所述主轴旋转从低速加速到高速阶段，主轴系统的能量需求E_SRT计算为：

式中：P_SR1为主轴从低速加速到高速阶段的主轴系统功率，t_SR1为主轴从低速加速到高速阶段的时间

2)所述进给定位从低速加速到高速阶段的过程能量需求E_FT为：

式中：P_F1(t)为进给定位(低速→高速)活动转移过程的进给系统功率函数，t_F为进给定位从低速到高速的转移时间；

3)所述喷液冷却从关到开活动转移过程冷却装置的能量需求E_CFT以及转移时间t_CFT为相对稳定的值，通过实验测量结合统计分析得到；

4)所述自动换刀从关到开活动转移过程的能量需求E_TC为：

式中，E_TC为活动转移自动换刀(关→开)的能量需求，为第k次功率峰值部分引起的能量需求，K为功率峰值总数量，通过实验测量结合统计分析方法获得。

8.根据权利要求1所述的一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，其特征在于，构建MATLAB仿真计算模型，包含所述机械加工活动的能耗模型、所述机械加工活动转移的能耗模型以及所述机械加工全过程的能耗模型，并通过所述MATLAB仿真计算输出机械加工消耗功率与时间的曲线。