[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

说明书

本发明公开一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法,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；分别构建所述机械加工活动和机械加工活动转移的能耗模型；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。为机床节能提供指导，有利于减少机械加工过程能量消耗引起的二氧化碳排放，从而推动制造业的节能减排。

技术领域

本发明涉及到机加过程中能耗建模方法，具体涉及到一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法。

背景技术

我国是全球机械制造业大国，同时也是机床生产、消费第一大国，拥有世界第一的机床保有量，目前约800万台。而且，统计资料表明，我国机床能量利用率平均低于30％，如果我国机械工业的各类机床的能效都提高1％，则带来的节能效益相当于几千万吨标准煤。由此可见，机床节能降耗潜力大，研究机床能量消耗对于提高资源利用率、实现绿色与可持续制造具有重要意义。

为了提高机床能源利用效率，国内外竞相开展了机床能耗特性研究：德国斯图加特大学Verl教授团队通过建立仿真模型对制造系统运行过程的能量消耗进行预测。国内重庆大学刘飞教授团队重点在机床主传动系统能量模型、能量效率模型与机床能耗监测等方面开展研究。但现有的研究主要集中在机床加工过程稳定运行时的能耗模型问题上，缺乏对加工过程瞬态能耗的分析，而实际上加工瞬态过程会引起功率峰值，也是加工过程能耗分析不可或缺的一部分。例如，浙江大学唐任仲教授团队重点研究机械加工工艺活动能量需求建模，提出了一种机械加工全过程能量需求建模方法，该建模方法中提及了机械加工瞬态过程，但他将瞬态过程归结为主轴启动瞬间所消耗的能量而忽略不计，仅对机械加工稳态过程进行能量需求计算，最终计算所得的机械加工全过程能耗预测值与实测值的接近程度不到90％。

机械加工活动转移(瞬态)会导致功率瞬间增大，引起功率峰值现象，这种功率峰值现象已在许多文献中得到体现。但现有文献只是在给出的功率曲线中出现功率峰值现象，并没有对功率峰值出现的原因及能量需求规律进行进一步研究与分析：瑞士学者Avram等研究了机床使用过程中的能量需求，建立一种基于转矩与角速度乘积的主轴和进给轴加减速功率模型，然而模型中涉及的摩擦转矩、克服主轴转动惯量所需的转矩等参数非常难以获取，导致模型难以在实际中应用。施金良等将主轴启动过程能量看作整体进行研究，采用实验方法测量主轴从静止启动至不同转速时的能耗，釆用二次函数进行拟合得到主轴启动过程能量模型，该模型适用于计算主轴从静止启动到指定转速下的启动能量，当主轴从初始转速不为零，从低转速加速至高转速时，该模型则不适用，另外该模型只能计算主轴启动能量，并不能评估主轴启动过程的功率变化，无法计算主轴启动过程的功率峰值。

加工过程瞬态能耗数据的缺失或计算不准确，会影响整个加工过程能耗数据的准确性，在加工设计过程中，难以事先确定最优的每道加工工序，使后续加工过程中的能耗增加，不利于节能减排。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法。建立一套充分考虑机械加工过程稳态和瞬态的全过程能耗计算模型，实现机械加工过程能耗精确计算，为机床节能提供指导，有利于减少机械加工过程能量消耗引起的二氧化碳排放，从而推动制造业的节能减排。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面向节能的机械加工过程数控机床能耗建模方法，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；