CN109333155A - 水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率在线检测方法 - Google Patents

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赵玉刚
荆延波
孟凡瑞
孙海波
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    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools

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Abstract

本专利提供一种水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率在线检测方法，采用以下步骤：1）加工前数控车床待机功率和通切削液消耗功率检测，2）装夹水环真空泵转子轴毛坯后，数控车床主轴空载功率检测及主轴空载功率模型建立，3）水环真空泵转子轴数控车削中能量效率在线检测。本专利在检测水环真空泵转子轴数控车削加工能量效率时，基于建立的数控车床主轴空载功率模型计算有效切削功率；车削加工中只需测量主轴输入功率即可检测计算出能量效率，简单、准确、有效。该专利有利于优化加工参数以提高有效切削能耗在总消耗能量中所占比例，专利内容也可推广到其他大型毛坯件数控铣削、数控刨削、数控磨削加工的能量效率在线检测。

Description

水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率在线检测方法
技术领域
本发明涉及一种加工中能量效率检测方法，特别是涉及一种水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率在线检测方法。
背景技术
机床是机械制造业的工作母机，机械加工碳排放具有多源性，主要包括物料碳、能源碳以及制造过程中产生的直接碳排放，但主要来源于电能消耗导致的间接碳排放。我国是全球最大的机床生产国和消费国，机床保有量达800万台，若按每台机床额定功率平均为10kW计算，我国机床总额定功率约为8000万kW，是三峡电站总装机容量（2250万kW）的3.5倍多，机床耗能总量惊人。
水环真空泵工作时，气体压缩是等温的，可抽除易燃、易爆以及含尘、含水的气体，因此水环真空泵普遍应用于石油化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等行业。水环真空泵转子由转子轴、轮毂、叶片组成，制造工艺复杂。转子轴一般直径大于200 mm，长度在2500 mm以上，体积大、质量重，车削加工时能耗非常大，所以转子轴车削加工中如何提高能量效率以实现节能制造，是目前迫切需要解决的问题。
对现有的技术文献检索发现，S.H. Hu等人在学术期刊《Journal of CleanerProduction》（2012年第27期：P133-140）上发表的论文“An on-line approach for energyefficiency monitoring of machine tools”中，提出在加工中用传感器测出主切削力和切削速度进而计算有效切削功率；Duflou等人在《CIRP Annals - ManufacturingTechnology》（2012年第2期：P587-609）上发表的论文“Towards energy and resourceefficient manufacturing:A processes and systems approach”中，指出改进冷却泵等外围设备可减少数控机床能耗，并研究了如何回收再利用数控机床产生的热损耗以节能。
综上所述，在水环真空泵转子轴数控车削加工中，如何简单准确地检测出能量效率，对于研究如何优化加工参数以提高有效切削能耗在总消耗能量中所占比例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
本发明的目的是提供一种简单、准确的水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率在线检测方法。
其技术方案为：采用以下步骤：1）加工前数控车床待机功率和通切削液消耗功率检测，2）装夹水环真空泵转子轴毛坯后，数控车床主轴空载功率检测及主轴空载功率模型建立，3）水环真空泵转子轴数控车削中能量效率在线检测、计算，其特征在于：步骤1）中，数控车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车床电源进线端测得数控车床待机功率P idle，为常量；开启切削液泵，从数控车床电源进线端测得机床消耗总功率，减去数控车床待机功率P idle得到通切削液消耗功率P cool；步骤2）中，设数控车床主轴额定转速是n max，装夹水环真空泵转子轴毛坯后，分别以n(k)=k×n max/10的速度驱动数控车床主轴空载旋转，不切削，k取1，2，3…10，分别测出主轴空载功率P su(k)；代入方程P su(k)= a×n 2(k)+b×n(k)+c得到一个包含a、b、c三个未知数由10个方程组成的超定方程组，基于最小二乘法计算出系数a、b、c，得到数控车床主轴空载功率模型P su=a×n 2+b×n+c；步骤3）中，开通切削液，在水环真空泵转子轴实际数控车削加工过程中，设主轴转速为n，则主轴空载功率为P su=a×n 2+b×n+c，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 s，则该采样周期有效切削功率P valid=P s-P su；该采样周期数控车床消耗的总功率为P sum=P idle +P s +P cool；则该采样周期数控车削加工的能量效率为η= P valid /P sum×100%。
本发明与现有方法相比，其优点是：在水环真空泵转子轴数控车削加工中，基于建立的数控车床主轴空载功率模型计算有效切削功率，计算方法准确；数控车削加工中，只需测量主轴输入功率即可检测计算出能量效率，简单、有效。
附图说明
图1是本发明的水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率在线检测流程图。
图2是本发明的水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率在线检测系统结构图。
图3是采用本发明时水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率曲线图。
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），数控车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车床电源进线端测得数控车床待机功率P idle，为常量；开启切削液泵，从数控车床电源进线端测得机床消耗总功率，减去数控车床待机功率P idle得到通切削液消耗功率P cool。
步骤2），设数控车床主轴额定转速是n max，装夹水环真空泵转子轴毛坯后，分别以n(k)=k×n max/10的速度驱动数控车床主轴空载旋转，不切削，k取1，2，3…10，分别测出主轴空载功率P su(k)；代入方程P su(k)= a×n 2(k)+b×n(k)+c得到一个包含a、b、c三个未知数由10个方程组成的超定方程组，基于最小二乘法计算出系数a、b、c，得到数控车床主轴空载功率模型P su=a×n 2+b×n+c。
步骤3），开通切削液，在水环真空泵转子轴实际数控车削加工过程中，设主轴转速为n，则主轴空载功率为P su=a×n 2+b×n+c，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 s，则该采样周期有效切削功率P valid=P s-P su；该采样周期数控车床消耗的总功率为P sum=P idle +P s +P cool；则该采样周期数控车削加工的能量效率为η= P valid /P sum×100%。
本发明在图2所示的水环真空泵转子轴数控车削能量效率在线检测系统中获得实现：所用机床为CK61140B型数控加工机床，结构稳固、承重性强。床身上最大回转直径1400mm，最大工件长度3000 mm，主轴额定转速300 r/min，车床定位精度0.020 mm。用Fluke功率分析仪进行功率信号的采集和分析，在电流信号采集时用到了分流器进行信号转换。其中，在加工前从数控车床电源进线端测出机床待机功率和通切削液消耗功率；装夹水环真空泵转子轴毛坯后，从主轴伺服单元测出主轴空载功率进而建立主轴空载功率模型；在实际车削中，从主轴伺服单元测出主轴输入功率，计算有效切削功率和数控车床消耗的总功率，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：某水环真空泵，转子轴直径240 mm，长度2530 mm，材质为45#钢，加工工序为车削外圆。使用硬质合金外圆车刀，主轴转速215 r/min，吃刀量1.5 mm，进给速度200 mm/min，在加工过程中能量效率曲线如图3所示，该转子轴车削加工时平均能量效率为13.6809%。转子轴毛坯各处加工余量以及表面硬度不均匀导致了加工中能量效率有轻微波动。及时准确地检测出能量效率，有利于优化加工参数以提高有效切削能耗在总消耗能量中所占比例。
本发明在检测水环真空泵转子轴数控车削加工能量效率时，基于建立的数控车床主轴空载功率模型计算有效切削功率，计算方法准确；车削加工中只需测量主轴输入功率即可检测计算出能量效率，简单、有效。该发明内容不仅应用于水环真空泵转子轴数控车削，也可推广到其他大型毛坯件数控铣削、数控刨削、数控磨削加工的能量效率在线检测。

Claims (1)

1.一种水环真空泵转子轴数控车削加工中能量效率在线检测方法，采用以下步骤：1）加工前数控车床待机功率和通切削液消耗功率检测，2）装夹水环真空泵转子轴毛坯后，数控车床主轴空载功率检测及主轴空载功率模型建立，3）水环真空泵转子轴数控车削中能量效率在线检测、计算，其特征在于：步骤1）中，数控车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车床电源进线端测得数控车床待机功率P idle，为常量；开启切削液泵，从数控车床电源进线端测得机床消耗总功率，减去数控车床待机功率P idle得到通切削液消耗功率P cool；步骤2）中，设数控车床主轴额定转速是n max，装夹水环真空泵转子轴毛坯后，分别以n(k)=k×n max/10的速度驱动数控车床主轴空载旋转，不切削，k取1，2，3…10，分别测出主轴空载功率P su(k)；代入方程P su(k)= a×n 2(k)+b×n(k)+c得到一个包含a、b、c三个未知数由10个方程组成的超定方程组，基于最小二乘法计算出系数a、b、c，得到数控车床主轴空载功率模型P su=a×n 2+b×n+c；步骤3）中，开通切削液，在水环真空泵转子轴实际数控车削加工过程中，设主轴转速为n，则主轴空载功率为P su=a×n 2+b×n+c，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 s，则该采样周期有效切削功率P valid=P s-P su；该采样周期数控车床消耗的总功率为P sum=P idle +P s +P cool；则该采样周期数控车削加工的能量效率为η= P valid /P sum×100%。
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