CN108037734A - 数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床钻削过程功率及能耗的获取与节能控制方法。该方法将数控机床钻削过程总功率分解为机床待机功率、喷切削液功率、主轴旋转功率、Z轴进给功率和材料钻削功率五部分，通过分别建立上述每一部分的功率模型从而获取钻削过程总功率模型。通过钻削深度和钻削速度运算获得钻削时间值。进一步由钻削总功率和钻削时间相乘获得钻削能耗模型。根据已建立的钻削总功率和钻削能耗模型，计算评估实际可行的多个钻削方案的功率及能耗值，选择功率值不超限且能耗最小的最佳钻削方案进行实际切削，实现节能控制。本发明简单实用，对能耗预测精度高，有利于实现节能控制，且便于推广。

Description

数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床钻削过程能耗预测与节能技术领域，尤其是一种数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法。

背景技术

国际能源署研究表明全球近1/3的能耗及40％的二氧化碳排放归因于制造业。麻省理工学院研究显示：一台数控机床运行一年产生的二氧化碳排放相当于61辆SUV全年的二氧化碳排放。数控机床作为制造业中的关键设备，其能量消耗和碳排放十分显著。因此，研究数控机床的能耗预测及节能技术对制造业乃至国家的节能减排起着十分重要的作用。

数控机床钻削过程中的材料钻削功率的预测可借助金属切削手册中的经验公式实现。但是数控机床钻削过程总功率Pd由机床待机功率Pso、喷切削液功率Psf、主轴旋转功率Psr、Z轴进给功率Pzf 和材料钻削功率Pmd共同构成。因此，数控机床钻削过程总功率要远大于借助于金属切削手册获得的材料钻削功率。数控机床钻削功率不仅钻削参数有关，同时与机床机械传动、电机功率损耗等相关。目前仍缺乏一种有效和实用的数控机床钻削过程总功率和能耗获取及节能控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在钻削之前精确预测数控机床钻削过程功率及能耗的方法，并基于功率及能耗的预测结果进行数控机床钻削过程的节能控制，达到节能降耗的目的。

一种数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法，包括如下步骤：

步骤1，将数控机床钻削过程总功率分解为机床待机功率、喷切削液功率、主轴旋转功率、Z轴进给功率和材料钻削功率五部分，通过分别建立五部分的功率模型，建立数控机床钻削过程总功率模型，其模型如下：

P_d＝P_so+P_sf+P_sr+P_zf+P_md

其中：P_d表示数控机床钻削过程总功率，P_so表示机床待机功率，P_sf表示喷切削液功率，P_sr表示主轴旋转功率，P_zf表示Z轴进给功率，P_md表示材料钻削功率。

步骤2，机床待机功率P_so通过采集多个机床待机功率求平均值得到，其功率模型表示为其中：P_{so_i}为所采集的第i 个机床待机功率值，N为采集的机床待机功率值的总数。

步骤3，喷切削液功率P_sf通过采集多个喷切削液功率求平均值，进一步减去机床待机功率后获得。其功率模型表示为：其中：P_{sft_j}为所采集的第j个机床喷切削液总功率值(含待机功率)，M为采集的机床喷切削液总功率的总数。

步骤4，主轴旋转功率P_sr通过事先采集多个不同转速下主轴旋转功率，并用关于转速的线性函数对所采集的主轴旋转功率数据进行拟合，建立以转速为变量的主轴旋转功率模型，表示为：P_sr＝An+B，其中：n为主轴转速，A为公式的一次项系数，B为常数项。

步骤5，Z轴进给功率P_zf通过事先采集多个不同进给速度下的Z 轴进给功率，并用关于进给速度的二次函数对所采集的Z轴进给功率数据进行拟合，建立以进给速度为变量的Z轴进给功率模型，表示为：其中：v_zf为Z轴进给速度，C为公式的二次项系数，D为公式的一次项系数，E为常数项。

步骤6，材料钻削功率P_md通过事先采集多个不同钻削参数(钻头直径、进给量、主轴转速)组合下的材料钻削功率，并以钻头直径、进给量、主轴转速为自变量、以材料切削功率为因变量进行曲线拟合，建立材料钻削功率模型，表示为：P_md＝ξ×d^αf^βn^γ，其中：ξ为公式的系数，d为钻头直径，f为进给量，n为主轴转速，α为钻头直径的指数，β为进给量的指数，γ为主轴转速的指数。

步骤7，数控机床单孔钻削时间可由钻削深度和钻削速度共同计算获得，其模型表示为：

t_d＝60l_d/v_zf＝60l_d/nf

其中：t_d表示单孔钻削时间，l_d表示钻削深度，v_zf表示钻削速度(即Z轴进给速度)，n表示主轴转速，f表示进给量。

步骤8，数控机床单孔钻削能耗钻削总功率和钻削时间计算获得，其模型表示为：

E_d＝P_d×t_d

其中：E_d表示数控机床单孔钻削能耗，P_d表示数控机床钻削过程总功率，t_d表示单孔钻削时间。

步骤9，根据所得到的数控机床钻削过程功率及能耗计算模型，对实现相同钻削目标且实际可行的钻削方案，计算得到对应的钻削功率及能耗值，选择钻削功率值在预设的功率上限值之内且能耗最小的钻削方案进行加工，实现数控机床钻削过程的节能控制。

在步骤4中，主轴旋转功率的采集方法为：首先采集某一转速下的主轴旋转总功率值P_srt，进一步减去机床待机功率P_so得到该转速下主轴旋转功率，表示为：P_sr＝P_srt-P_so。

在步骤5中，Z轴进给功率的采集方法为：首先采集某一进给速度下的Z轴进给总功率值P_zft，进一步减去机床待机功率P_so得到该进给速度下Z轴进给功率，表示为：P_zf＝P_zft-P_so。

在步骤6中，材料钻削功率的采集方法为：首先采集某一钻削参数(钻头直径、进给量、主轴转速)组合下的钻削总功率P_d，进一步减去相同参数组合下的机床空走刀功率P_air得到该钻削参数组合下的材料钻削功率，表示为：P_md＝P_d-P_air。

在步骤6中，采用基于列文伯格-马夸尔特算法(LMA)的非线性最小二乘法进行曲线拟合。

该算法是一种利用梯度求最大(小)值的算法，它同时具有梯度法和牛顿法的优点，且收敛速度快。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明方法通过数控机床功率数据的采集、运算、拟合，简单快速获取得到主轴旋转功率、Z轴进给功率和材料钻削功率中与机床机械结构、电机功率损耗以及切削条件等相关的系数值，从而避免了复杂的理论推导和计算。根据上述获得的系数值，得到主轴旋转功率、Z轴进给功率和材料钻削功率预测模型，进一步建立数控机床钻削过程功率及能耗计算公式。所建立的公式为钻削过程节能控制提供支持。

本发明方法操作简单，对数控机床钻削过程功率及能耗预测精度高，可实现数控机床钻削过程功率和能耗的准确评估和节能控制，是数控机床加工过程能量优化的基础。本发明方法简单实用且便于推广，为制造业乃至国家的节能减排提供有效的理论基础和技术支持。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为数控机床钻削过程功率构成示意图；

图3为实现本发明实施例所采用的功率-能耗采集装置示意图；

图4为Z轴进给功率二项式拟合图；

图5为材料钻削功率获取方法示意图；

具体实施方式

现结合实施例及附图对本发明进行详细解释。

本发明提出一种数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法。如图1所示，该方法是将数控机床钻削过程总功率分解为机床待机功率、喷切削液功率、主轴旋转功率、Z轴进给功率和材料钻削功率五部分，并分别对每一部分进行功率模型构建，从而建立其数控机床钻削过程总功率模型；进而通过建立钻削时间模型，获得钻削过程数控机床能耗，并进行节能控制。

1.数控机床钻削总功率获取

如图2所示，数控机床钻削过程总功率计算公式如下：

P_d＝P_so+P_sf+P_sr+P_zf+P_md

其中：P_d表示数控机床钻削过程总功率，P_so表示机床待机功率， P_sf表示喷切削液功率，P_sr表示主轴旋转功率，P_zf表示Z轴进给功率， P_md表示材料钻削功率。

本发明实施例以数控机床XHK-714F为例，采用本发明方法获取其钻削过程的总功率及能耗值，并进行节能控制。

1.1.机床待机功率获取

机床待机功率P_so通过采集多个机床待机功率求平均值得到。采集功率所使用的功率-能耗采集系统如图3所示，该系统由功率分析仪、三个电压夹、三个电流钳、一台计算机构成，其中计算机中安装有与功率分析仪配套的分析软件和SQL数据库。三个电压夹和三个电流钳分别测量数控机床的三相电压信号和三相电流信号。SQL数据库用于存储上述采集的电压、电流以及功率分析仪转换后的功率和能耗数据。该系统连接在数控机床XHK-714F的空气开关输出端。启动数控机床XHK-714F，不进行任何操作，使机床处于待机状态，测量100 组机床待机功率值，如表1所示。

表1

机床待机功率模型为其中，P_{so_i}为所采集的第i个机床待机功率值，单位为瓦(W)；N为采集的机床待机功率值的总数。将N＝100以及采集得到的100组功率值带入公式，可以获取得到数控机床XHK-714F的机床待机功率为

1.2.喷切削液功率获取

数控机床XHK-714F在待机状态下，开启切削液装置，使机床处于喷切削液状态。该状态下采集100组机床喷切削液总功率值，如表 2所示。

表2

喷切削液功率模型为P_{sft_j}为所采集的第j 个机床喷切削液总功率值(含待机功率)，单位为瓦(W)；M为采集的机床喷切削液总功率的总数；P_so为机床待机功率，单位为瓦(W)。将M＝100以及采集得到的100组喷切削液总功率值带入公式，同时将前面获取得到的P_so＝371.20带入公式，可以获取得到数控机床 XHK-714F的喷切削液功率为

1.3.主轴旋转功率获取

数控机床XHK-714F在待机状态下，控制主轴在不同转速下旋转，并采集相应转速下的主轴旋转总功率。例如：主轴转速为1000转/ 分钟(r/min)时，通过图3所示采集系统采集到该转速下主轴旋转总功率P_srt为470.0W。该转速下主轴旋转功率值由主轴旋转总功率P_srt减去机床待机功率P_so得到。因此，转速为1000r/min时，主轴旋转功率为98.8W(主轴旋转总功率470.0W减去机床待机功率371.2W)。通过同样的方法，可以获取得到多个转速下的主轴旋转功率，如表3 所示。

表3

上述获得的11组转速下的主轴旋转功率满足公式：

因此对11组不同转速下的主轴旋转功率进行线性拟合，可以得到系数值A＝0.08603，B＝14.74909，拟合结果如表4所示：

表4

取系数值小数点后三位，可得到主轴旋转功率的计算公式为： P_sr＝An+B＝0.086n+14.749，其中，P_sr为主轴旋转功率，单位为瓦(W)； n为主轴转速，单位为转/分钟(r/min)。

1.4.Z轴进给功率获取

数控机床XHK-714F在待机状态下，控制Z轴按照不同的进给速度进给运动，并采集相应进给速度下的Z轴进给总功率。例如：Z轴进给速度为3000毫米/分钟(mm/min)时，通过图3所示采集系统采集到该速度的下Z轴进给总功率P_zft为516.2W。该速度下Z轴进给功率值由Z轴进给总功率P_zft减去机床待机功率P_so得到。因此，进给速度为3000mm/min时，Z轴进给功率为145.0W(Z轴进给总功率516.2W 减去机床待机功率371.2W)。通过同样的方法，可以获取得到多个进给速度下的Z轴进给功率，如表5所示。

表5

上述获得的16组速度下的Z轴进给功率满足公式：

因此对16组不同进给速度下的Z轴进给功率进行二项式拟合，可以得到系数值C＝-4.37885×10-7，D＝0.04925，E＝-0.649804，相关系数R-Square为0.9951，二项式拟合图如图4所示。取系数值小数点后三位，可得到Z轴进给功率的计算公式为：其中，P_zf为Z轴进给功率，单位为瓦(W)；v_zf为Z轴进给速度，单位为毫米/分钟 (mm/min)。

1.5.材料钻削功率获取

在数控机床XHK-714F上，采用不同的钻削参数(钻头直径、进给量、主轴转速)组合进行钻孔加工(钻头为直柄麻花钻，钻尖角为 118°；工件材料为：45#钢)，并采集相应钻削参数组合下的钻削总功率P_d和空走刀功率P_air。如图5所示，钻削总功率P_d指钻削过程的机床总功率值，空走刀功率P_air指按照指定的钻削参数(钻头直径、进给量、主轴转速)进行进刀运动但还未接触到工件材料时的机床功率。材料钻削功率值由某钻削参数组合下的钻削总功率P_d减去空走刀功率P_air得到。

例如：当钻削参数组合为：钻头直径为10毫米(mm)，进给量为 0.10毫米/转(mm/r)，主轴转速为450转/分钟(r/min)时，通过图3所示采集系统采集到该参数组合下的钻削总功率P_d为999.6W。该参数组合下的空走刀功率为P_air为690.0W。因此，该参数组合下的材料钻削功率为309.6W(钻削总功率999.6W减去空走刀功率 690.0W)。通过同样的方法，可以获取得到多个钻削参数组合下的材料钻削功率，如表6所示。

表6

上述获得的27组钻削参数组合下的材料钻削功率满足公式：

因此对27组不同钻削参数自合组合下的材料钻削功率进行曲线拟合，拟合采用的是基于列文伯格-马夸尔特算法(LMA)的非线性最小二乘法，曲线拟合使用Origin Pro 8软件实现。可以得到系数值ξ＝0.86623、α＝1.67312、β＝0.85599、γ＝0.65155。拟合结果如表7所示。

表7

取系数值小数点后三位，可得到材料切削功率的计算公式为：P_md＝ξ×d^αf^βn^γ＝0.866×d^1.673f^0.856n^0.652，其中，P_md为材料钻削功率，单位为瓦(W)；ξ为公式的系数，α为钻头直径的指数；β为进给量的指数；γ为主轴转速的指数；d为钻头直径，单位为毫米(mm)； f为进给量，单位为毫米/转(mm/r)，n为主轴转速，单位为转/分钟 (r/min)。

基于1.1-1.5中得到的各功率计算公式，得到数控机床 XHK-714F，使用直柄麻花钻(钻尖角为118°)，钻削工件材料为45# 钢时，其钻削总功率计算公式可进一步表示为：

2.数控机床钻削时间获取

数控机床单孔钻削时间可由钻削深度和钻削速度共同计算获得，其计算公式为：

t_d＝60l_d/v_zf＝60l_d/nf

其中：t_d表示单孔钻削时间，单位为秒(s)；l_d表示钻削深度，单位为毫米(mm)；v_zf表示钻削速度(即Z轴进给速度)，单位为毫米/分钟(mm/min)；n表示主轴转速，单位为转/分钟(r/min)；f表示进给量，单位为毫米/转(mm/r)。

3.数控机床钻削能耗获取

数控机床单孔钻削能耗由钻削总功率和钻削时间计算获得，计算公式可表示为：

其中，Z轴进给速度v_zf可表示为主轴转速和进给量的乘积nf。因此，数控机床单孔钻削能耗计算公式可进一步表示为：

E_d＝[317.20+232.80+(0.086n+14.749)+(-4.379×10^-7n²f²+0.049nf-6.500)

+(0.866×d^1.673f^0.856n^0.652)]×60l_d/nf

其中：E_d表示数控机床单孔钻削能耗，单位为焦(J)；n表示主轴转速，单位为转/分钟(r/min)；f表示进给量，单位为毫米/转 (mm/r)；d为钻头直径，单位为毫米(mm)；l_d表示钻削深度，单位为毫米(mm)。

能耗预测精度

获得数控机床XHK-714F钻削过程能耗计算公式之后，随机选取钻削参数组合，构成四个验证组实验，验证组的具体参数如表8所示。

表8

对于钻削过程能耗，通过精度计算公式：精度＝(1-|Ed计算-Ed 测量|/Ed测量)×100％，验证该方法的可行性和有效性。四个钻削过程验证组实验的钻削过程能耗计算与测量结果如表9所示。

表9

精度＝(1-|Ed计算-Ed测量|/Ed测量)×100％

通过上述检验发现，应用本发明方法对钻削过程的能耗预测精度都在90％以上，能够较为精确地预测钻削过程的能耗。

4.数控机床钻削过程节能方案选择与节能控制

根据所得到的数控机床钻削过程功率及能耗计算公式，对实现相同钻削目标且实际可行的钻削方案，计算得到对应的钻削功率及能耗值，选择钻削功率值在预设的功率上限值之内且能耗最小的钻削方案进行加工，实现数控机床钻削过程的节能控制。

现需要在数控机床XHK-714F上进行钻削作业，钻孔直径为12mm，孔深为10mm，工件材料为45#钢，刀具为直柄麻花钻，钻尖角为118°。满足该钻削要求的四个可行的钻削方案如表10所示。

表10

根据前述获得的数控机床XHK-714F钻削过程功率及能耗计算公式，可计算上述四个可行钻削方案率的钻削功率值P_d和能耗值E_d，计算结果如表11所示。

表11

设预先设定的功率值上限值为：P_d(UL)＝1500W，由表11可以看出，四个可行钻削方案的功率值都满足：P_d＜P_d(UL)。因此，进一步在四个方案中选择能耗值E_d最小的方案4进行钻孔加工。从表11中还可以分析得到，通过本发明方法选择的钻削方案4的功率值满足上限要求，并且能耗值为13672.26J，与方案一(能耗值为17857.50J)相比可节约能耗4185.24J，因此，通过本发明方法实现了钻削过程的功率控制和钻削过程的节能控制。

本发明方法可以用于对数控机床钻削过程总功率和能耗预测，计算结果可直接应用于数控机床钻削过程的能耗评估和节能控制，为制造业乃至国家的节能减排提供有效的理论基础和技术支持。

最后说明的是，以上实施案例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明方法的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将数控机床钻削过程总功率分解为机床待机功率、喷切削液功率、主轴旋转功率、Z轴进给功率和材料钻削功率五部分，通过分别建立五部分的功率模型，建立数控机床钻削过程总功率模型，其模型如下：

P_d＝P_so+P_sf+P_sr+P_zf+P_md

其中：P_d表示数控机床钻削过程总功率，P_so表示机床待机功率，P_sf表示喷切削液功率，P_sr表示主轴旋转功率，P_zf表示Z轴进给功率，P_md表示材料钻削功率。

步骤2，机床待机功率P_so通过采集多个机床待机功率求平均值得到，其功率模型表示为其中：P_{so_} ⁱ为所采集的第i个机床待机功率值，N为采集的机床待机功率值的总数。

步骤3，喷切削液功率P_sf通过采集多个喷切削液功率求平均值，进一步减去机床待机功率后获得。其功率模型表示为：其中：P_{sft_j}为所采集的第j个机床喷切削液总功率值(含待机功率)，M为采集的机床喷切削液总功率的总数。

步骤4，主轴旋转功率P_sr通过事先采集多个不同转速下主轴旋转功率，并用关于转速的线性函数对所采集的主轴旋转功率数据进行拟合，建立以转速为变量的主轴旋转功率模型，表示为：P_sr＝An+B，其中：n为主轴转速，A为公式的一次项系数，B为常数项。

步骤5，Z轴进给功率P_zf通过事先采集多个不同进给速度下的Z轴进给功率，并用关于进给速度的二次函数对所采集的Z轴进给功率数据进行拟合，建立以进给速度为变量的Z轴进给功率模型，表示为：其中：v_zf为Z轴进给速度，C为公式的二次项系数，D为公式的一次项系数，E为常数项。

步骤6，材料钻削功率P_md通过事先采集多个不同钻削参数(钻头直径、进给量、主轴转速)组合下的材料钻削功率，并以钻头直径、进给量、主轴转速为自变量、以材料切削功率为因变量进行曲线拟合，建立材料钻削功率模型，表示为：P_md＝ξ×d^αf^βn^γ，其中：ξ为公式的系数，d为钻头直径，f为进给量，n为主轴转速，α为钻头直径的指数，β为进给量的指数，γ为主轴转速的指数。

步骤7，数控机床单孔钻削时间可由钻削深度和钻削速度共同计算获得，其模型表示为：

t_d＝60l_d/v_zf＝60l_d/nf

其中：t_d表示单孔钻削时间，a_p表示钻削深度，v_zf表示钻削速度(即Z轴进给速度)，n表示主轴转速，f表示进给量。

步骤8，数控机床单孔钻削能耗钻削总功率和钻削时间计算获得，其模型表示为：

E_d＝P_d×t_d

其中：E_d表示数控机床单孔钻削能耗，P_d表示数控机床钻削过程总功率，t_d表示单孔钻削时间。

步骤9，根据所得到的数控机床钻削过程功率及能耗计算模型，对实现相同钻削目标且实际可行的钻削方案，计算得到对应的钻削功率及能耗值，选择钻削功率值在预设的功率上限值之内且能耗最小的钻削方案进行加工，实现数控机床钻削过程的节能控制。

2.如权利要求1所述数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法，其特征在于，在步骤4中，主轴旋转功率的采集方法为：首先采集某一转速下的主轴旋转总功率值P_srt，进一步减去机床待机功率P_so得到该转速下主轴旋转功率，表示为：P_sr＝P_srt-P_so。

3.如权利要求1所述数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法，其特征在于，在步骤5中，Z轴进给功率的采集方法为：首先采集某一进给速度下的Z轴进给总功率值P_zft，进一步减去机床待机功率P_so得到该进给速度下Z轴进给功率，表示为：P_zf＝P_zft-P_so。

4.如权利要求1所述数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法，其特征在于，在步骤6中，材料钻削功率的采集方法为：首先采集某一钻削参数(钻头直径、进给量、主轴转速)组合下的钻削总功率P_d，进一步减去相同参数组合下的机床空走刀功率P_air得到该钻削参数组合下的材料钻削功率，表示为：P_md＝P_d-P_air。

5.如权利要求1所述数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法，其特征在于，在步骤6中，采用基于列文伯格-马夸尔特算法(LMA)的非线性最小二乘法进行曲线拟合。