CN103676782B

CN103676782B - 数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法

Info

Publication number: CN103676782B
Application number: CN201310695859.4A
Authority: CN
Inventors: 赵国勇; 赵庆志; 赵玉刚
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN103676782A

Abstract

本发明提供一种数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法，采用以下步骤：1）机床加工前常量能耗检测，2）机床加工中能量效率检测、计算，其特征在于：步骤1）中，数控铣床在开机回参考点后，主轴、各进给轴不运动情况下，用功率分析仪测得机床待机功率；测量数控铣床主轴系统在工作转速下的空载功率，以及X轴、Y轴、Z轴在指令进给速度下各轴的空载功率；步骤2）中，在数控铣床加工过程中，在线检测主轴系统、X轴、Y轴、Z轴的输入功率，计算出包括主轴、X轴、Y轴、Z轴在内的有效切削功率，机床消耗的总功率，以及机床能量效率。本发明优点是机床加工过程中有效切削功率及能量效率的检测计算简单、准确。

Description

数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种机床能量效率检测方法，特别是涉及一种数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法。

背景技术

根据中国统计局2010年数据，加工制造业的能源消耗占全国能源消耗总量的60%左右。但是加工制造业中能量效率较低，Gutowski等人指出在车削、铣削、磨削加工中，非切削操作消耗了绝大部分能量，而实际用于切削的能量约占总消耗能量的15%。机床可以看作是各种功能部件的集合体，主要包括主轴驱动部件、进给轴伺服驱动部件、液压系统、冷却润滑系统、数控系统、外围设备。在切削加工中这些部件都要消耗能量。对机床加工过程中能量效率的研究，有助于我们更清楚该机床的能量特性，并为采取有针对性的节能措施提供理论依据。

对现有的技术文献检索发现，许弟建等人在学术期刊《组合机床与自动化加工技术》（2010年第3期：P47-51）上发表的论文“机床功率测试系统设计与节能方法”中，基于有功功率传感器和ADC采集卡，对CK6136数控车床在空载和负载运行下进行了有功功率测试；ShaohuaHu等人在学术期刊《JournalofCleanerProduction》（2012年第27期：P133-140）上发表的论文“Anon-lineapproachforenergyefficiencymonitoringofmachinetools”中，将数控车床主轴系统输入功率划分为空载功率、切削功率和额外负载损耗功率，并将数控车床能量效率检测简化为主轴系统能耗检测。这种车床能量效率检测方法较简单、有效。

数控铣床在铣削加工过程中，除了主轴切削，X、Y、Z进给轴也承受切削力，而且Z进给轴需要承受主轴箱的重量，X、Y进给轴需要承受工作台、工件及夹具的重量。所以不仅主轴系统消耗电能，各进给轴也会消耗许多电能。理论上在各进给轴方向用力传感器可测量切削分力，用速度传感器可测实际速度，进而可计算各轴实际切削功率，但真正实现起来非常复杂，并且加工中会有各种扰动信号影响，使得很难准确测量、计算实际切削功率。

综上所述，在数控铣床加工过程中，如何简单准确地检测计算有效切削功率及数控铣床能量效率，对于分析数控铣床的能量特性，对于研究如何优化加工参数、优化机床功能部件以降低能耗，具有重要的指导意义，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明目的是提供一种简单、准确的数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法。

其技术方案为：采用以下步骤：1）数控铣床加工前常量能耗检测，2）数控铣床加工中能量效率检测、计算，其特征在于：步骤1）中，数控铣床在开机回参考点后，主轴、各进给轴不运动情况下，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床待机功率P _idle；令主轴以指令加工转速空载运动，用功率分析仪测得主轴空载功率P _su；令X轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得X轴空载功率P _xu；令Y轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Y轴空载功率P _yu；令Z轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Z轴空载功率P _zu；步骤2）中，在数控铣床实际加工过程中，在能量效率检测的每个采样周期，用功率分析仪测出主轴输入功率P _sin、X轴输入功率P _xin、Y轴输入功率P _yin、Z轴输入功率P _zin，将主轴输入功率、X轴输入功率、Y轴输入功率、Z轴输入功率、数控铣床待机功率P _idle相叠加，得到该采样周期数控铣床消耗的总功率P _sum=P _sin+P _xin+P _yin+P _zin+P _idle；在该采样周期由主轴输入功率、主轴空载功率得到主轴切削功率P _sc=P _sin-P _su；当X轴方向有切削运动即P _xin>P _xu时，令X轴切削功率P _xc=P _xin-P _xu，当X轴方向无切削运动即P _xin≤P _xu时，令P _xc=0；当Y轴方向有切削运动即P _yin>P _yu时，令Y轴切削功率P _yc=P _yin-P _yu，当Y轴方向无切削运动即P _yin≤P _yu时，令P _yc=0；当Z轴方向有切削运动即P _zin>P _zu时，令Z轴切削功率P _zc=P _zin-P _zu，当Z轴方向无切削运动即P _zin≤P _zu时，令P _zc=0；将主轴切削功率、X轴切削功率、Y轴切削功率、Z轴切削功率叠加得到该采样周期数控铣床有效切削功率P _valid=P _sc+P _xc+P _yc+P _zc，则该采样周期数控铣床的能量效率为η=P _valid/P _sum×100%。

本发明与现有方法相比，其优点包括：在数控铣床加工过程中，不仅考虑了主轴系统，而且考虑了X、Y、Z进给轴来计算有效切削功率，计算方法更加准确；数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法简单、有效。

附图说明

图1是本发明的数控铣床加工过程中能量效率在线检测流程图。

图2是本发明的数控铣床加工过程中能量效率在线检测系统结构图。

图3是采用本发明时数控铣床加工过程中能量效率曲线图。

具体实施方式

下面结合图1对本发明做进一步详细描述。

步骤1），数控铣床在开机回参考点后、正式切削加工前，主轴、各进给轴不运动，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床待机功率P _idle；令要执行的加工程序中设定的最大主轴转速为主轴指令加工转速，设定的最大进给速度为各进给轴的指令进给速度，令主轴以指令加工转速空载运动，用功率分析仪测主轴伺服单元的功率得到主轴空载功率P _su；令X轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测X轴伺服单元的功率得到X轴空载功率P _xu；令Y轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测Y轴伺服单元的功率得到Y轴空载功率P _yu；令Z轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测Z轴伺服单元的功率得到Z轴空载功率P _zu。

步骤2），在数控铣床实际加工过程中，在能量效率检测的每个采样周期，用功率分析仪测出主轴输入功率P _sin、X轴输入功率P _xin、Y轴输入功率P _yin、Z轴输入功率P _zin，将主轴输入功率、X轴输入功率、Y轴输入功率、Z轴输入功率、数控铣床待机功率P _idle相叠加，得到该采样周期数控铣床消耗的总功率P _sum=P _sin+P _xin+P _yin+P _zin+P _idle；在该采样周期由主轴输入功率、主轴空载功率得到主轴切削功率P _sc=P _sin-P _su；当X轴方向有切削运动即P _xin>P _xu时，令X轴切削功率P _xc=P _xin-P _xu，当X轴方向无切削运动即P _xin≤P _xu时，令P _xc=0；当Y轴方向有切削运动即P _yin>P _yu时，令Y轴切削功率P _yc=P _yin-P _yu，当Y轴方向无切削运动即P _yin≤P _yu时，令P _yc=0；当Z轴方向有切削运动即P _zin>P _zu时，令Z轴切削功率P _zc=P _zin-P _zu，当Z轴方向无切削运动即P _zin≤P _zu时，令P _zc=0；将主轴切削功率、X轴切削功率、Y轴切削功率、Z轴切削功率叠加得到该采样周期数控铣床有效切削功率P _valid=P _sc+P _xc+P _yc+P _zc，则该采样周期数控铣床的能量效率为η=P _valid/P _sum×100%。

本发明在图2所示的数控铣床能量效率在线检测系统中获得实现：所用机床为三轴CINCINNATI数控立式铣床。该机床主轴用1PH7伺服电机驱动，X轴、Y轴、Z轴均用1FK7伺服电机驱动。用Fluke功率分析仪进行功率信号的采集和分析，其中在电流信号采集时用到了分流器进行信号转换。将功率分析仪的采集数据实时地经USB传输到PC机，进行功率数据存储，计算消耗的总功率和有效切削功率，并在线计算能量效率。

下面结合图3所示试验结果对本发明做进一步说明：在工件上进行铣槽加工时，做了能量效率的在线检测试验。所用铝合金毛坯块尺寸是220mm×20mm×15mm，使用的刀具为直径20mm的端铣刀。加工参数为：主轴指令加工转速S=1000r/min，背吃刀量a _p=0.5mm，指令进给速度为v=150mm/min，侧吃刀量a _e=0.5mm，沿X轴方向进行铣槽加工。在加工过程中用图2所示系统进行能量效率检测，能量效率曲线如图3所示，铣槽加工时平均能量效率为13.0966%。

本发明在检测数控铣床能量效率时，不仅考虑了主轴系统，而且考虑了X、Y、Z进给轴来计算有效切削功率，计算方法更加准确；提出的数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法简单、有效。该发明内容不仅应用于数控铣床，也可推广到数控车床、数控刨床、数控磨床的能量效率在线检测。

Claims

1.一种数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法，采用以下步骤：1）数控铣床加工前常量能耗检测，2）数控铣床加工中能量效率检测、计算，其特征在于：步骤1）中，数控铣床在开机回参考点后，主轴、各进给轴不运动情况下，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床待机功率P _idle；令主轴以指令加工转速空载运动，用功率分析仪测得主轴空载功率P _su；令X轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得X轴空载功率P _xu；令Y轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Y轴空载功率P _yu；令Z轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Z轴空载功率P _zu；步骤2）中，在数控铣床实际加工过程中，在能量效率检测的每个采样周期，用功率分析仪测出主轴输入功率P _sin、X轴输入功率P _xin、Y轴输入功率P _yin、Z轴输入功率P _zin，将主轴输入功率、X轴输入功率、Y轴输入功率、Z轴输入功率、数控铣床待机功率P _idle相叠加，得到该采样周期数控铣床消耗的总功率P _sum=P _sin+P _xin+P _yin+P _zin+P _idle；在该采样周期由主轴输入功率、主轴空载功率得到主轴切削功率P _sc=P _sin-P _su；当X轴方向有切削运动即P _xin>P _xu时，令X轴切削功率P _xc=P _xin-P _xu，当X轴方向无切削运动即P _xin≤P _xu时，令P _xc=0；当Y轴方向有切削运动即P _yin>P _yu时，令Y轴切削功率P _yc=P _yin-P _yu，当Y轴方向无切削运动即P _yin≤P _yu时，令P _yc=0；当Z轴方向有切削运动即P _zin>P _zu时，令Z轴切削功率P _zc=P _zin-P _zu，当Z轴方向无切削运动即P _zin≤P _zu时，令P _zc=0；将主轴切削功率、X轴切削功率、Y轴切削功率、Z轴切削功率叠加得到该采样周期数控铣床有效切削功率P _valid=P _sc+P _xc+P _yc+P _zc，则该采样周期数控铣床的能量效率为η=P _valid/P _sum×100%。