CN110560920A - 一种回转件激光切割加工的能耗预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回转件激光切割加工的能耗预测方法,包括以下步骤:步骤一:获取待加工图及加工工艺参数;步骤二:获取激光脉冲放电时间,计算激光加工能耗;步骤三:获得激光头运动时间,计算激光头运动能耗;步骤四:获得激光加工的总时间,计算辅助加工能耗;步骤五:获得旋转辅助器的旋转能耗;步骤六:获得激光切割加工的总能耗为ETotal=ELaser+EMove+EAux+ERotate。本发明能够根据回转件激光加工过程中的资源消耗特点,结合待加工图及加工工艺参数,对加工总能耗实现事前预测,为节能优化、资源管控等研究奠定了基础。
Description
【技术领域】
本发明涉及激光切割加工能耗的技术领域,特别是回转件激光切割加工的能耗预测方法的技术领域。
【背景技术】
激光切割机是将从激光器发射出的激光,经光路系统,聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面,使工件达到熔点或沸点,同时与光束同轴的高压气体将熔化或气化金属吹走。随着光束与工件相对位置的移动,最终使材料形成切缝,从而达到切割的目的。
激光切割加工是用不可见的光束代替了传统的机械刀,具有精度高,切割快速,不局限于切割图案限制,自动排版节省材料,切口平滑,加工成本低等特点,将逐渐改进或取代于传统的金属切割工艺设备。激光刀头的机械部分与工件无接触,在工作中不会对工件表面造成划伤;激光切割速度快,切口光滑平整,一般无需后续加工;切割热影响区小,板材变形小,切缝窄(0.1mm-0.3mm);切口没有机械应力,无剪切毛刺;加工精度高,重复性好,不损伤材料表面;数控编程,可加工任意的平面图,可以对幅面很大的整板切割,无需开模具,经济省时。
激光切割的过程中,能耗源包括水泵、激光脉冲发生器、抽风机、吹气风机、移动电机等。对于不同能耗源在激光切割工艺过程中的作用,可以分层进行求解,因而可以进行预测。激光切割加工存在激光切割和激光扫描两种加工方式,激光切割一般针对切穿的工件,激光扫描则针对图像的加工。激光切割液常有针对回转件的加工。为此,需要针对回转件的激光切割加工,对其加工能耗进行预测。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题,提出一种回转件激光切割加工的能耗预测方法,能够根据回转件激光加工过程中的资源消耗特点,结合待加工图及加工工艺参数,对加工总能耗实现事前预测,为节能优化、资源管控等研究奠定了基础。
为实现上述目的,本发明提出了一种回转件激光切割加工的能耗预测方法,包括以下步骤:
步骤一:获取待加工图及加工工艺参数;
步骤二:获取激光脉冲放电时间,计算激光加工能耗:激光脉冲放电时间为TLaser=TLaser-cut+TLaser-scan、激光加工能耗为ELaser=ED-Laser*(λPower1*TLaser-cut+λPower2*λscan*λgray*TLaser-scan),其中ED-Laser为单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗、λPower1和λPower2均为功率比例系数、TLaser-cut为激光切割加工的激光脉冲放电时间、λscan为激光扫描加工系数、λgray为灰度系数、TLaser-scan为激光扫描加工的激光脉冲放电时间;
步骤三:获得激光头运动时间,计算激光头运动能耗:激光头运动时间为TMove=np*TD-Move-p+TMove-c、激光头空加工能耗为EMove=np*ED-Move-p+ED-Move·TMove-c,其中np为短距移动的数量、TD-Move-p为短距移动的平均时间、TMove-c为长距空走的累加时间、ED-Move-p为短距激光头移动的标准能耗、ED-Move为单位时间内的激光头空走能耗;
步骤四:获得激光加工的总时间,计算辅助加工能耗:激光加工的总时间为TTotal=TLaser+TMove、辅助加工能耗为其中ESta为待机能耗、EWp为水泵能耗、EEf为抽风机能耗、EBl为吹气风机能耗、为单位时间内的水泵运行能耗、EDEf为单位时间内的抽风机运行能耗、EDBl为单位时间内的吹气风机运行能耗;
步骤五:获得旋转辅助器的旋转能耗:旋转辅助器的旋转能耗为ERotate=ED-Rotate*TRotate*λSpeed,其中ED-Rotate为单位时间内标准转速下的旋转能耗、TRotate为旋转辅助器的旋转时间、λSpeed为旋转速度系数;
步骤六:获得激光切割加工的总能耗为ETotal=ELaser+EMove+EAux+ERotate。
作为优选,所述单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗、单位时间内的激光头空走能耗、单位时间内的水泵运行能耗、单位时间内的抽风机运行能耗、单位时间内的吹气风机运行能耗、单位时间内标准转速下的旋转能耗均通过能耗采集装置的单变量实验法获得,具体步骤为:
步骤s11:将激光切割机、泵机、抽风机的总电源接入能耗采集装置进行能耗数据采集,获得功率曲线;
步骤s12:功率曲线基本水平时,标记此时所稳定的功率值为P1;
步骤s13:触发需要测的能耗的影响因素所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P2;
步骤s14:则单位时间的该影响因素对应的标准能耗为ED1=(P2-P1)·tD,其中tD为单位时间,tD为1s。
作为优选,所述功率比例系数、激光扫描加工系数、灰度系数、旋转速度系数均通过能耗采集装置实验获得,具体步骤为:
步骤s21:将激光切割机、泵机、抽风机的总电源接入能耗采集装置进行能耗数据采集,获得功率曲线;
步骤s22:功率曲线基本水平时,标记此时所稳定的功率值为P3;
步骤s23:触发被测系数的影响因素的标准定值所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P4;
步骤s24:触发被测系数的影响因素设为A时所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P5;
步骤s25:获得数值A下的被测系数为
作为优选,所述激光扫描加工系数为单位时间内标准功率比例下的激光扫描加工能耗与单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗的比值。
作为优选,所述长距空走的累加时间为其中L0为长距空走的累加长度、a为机床的激光头空走速度。
本发明的有益效果:本发明能够根据回转件激光加工过程中的资源消耗特点,结合待加工图及加工工艺参数,对加工总能耗实现事前预测,为节能优化、资源管控等研究奠定了基础。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明一种回转件激光切割加工的能耗预测方法的方法流程图。
【具体实施方式】
参阅图1,本发明,包括以下步骤:
步骤一:获取待加工图及加工工艺参数;
步骤二:获取激光脉冲放电时间,计算激光加工能耗:激光脉冲放电时间为TLaser=TLaser-cut+TLaser-scan、激光加工能耗为ELaser=ED-Laser*(λPower1*TLaser-cut+λPower2*λscan*λgray*TLaser-scan),其中ED-Laser为单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗、λPower1和λPower2均为功率比例系数、TLaser-cut为激光切割加工的激光脉冲放电时间、λscan为激光扫描加工系数、λgray为灰度系数、TLaser-scan为激光扫描加工的激光脉冲放电时间;
步骤三:获得激光头运动时间,计算激光头运动能耗:激光头运动时间为TMove=np*TD-Move-p+TMove-c、激光头空加工能耗为EMove=np*ED-Move-p+ED-Move·TMove-c,其中np为短距移动的数量、TD-Move-p为短距移动的平均时间、TMove-c为长距空走的累加时间、ED-Move-p为短距激光头移动的标准能耗、ED-Move为单位时间内的激光头空走能耗;
步骤四:获得激光加工的总时间,计算辅助加工能耗:激光加工的总时间为TTotal=TLaser+TMove、辅助加工能耗为EAux=ESta+EWp+EEf+EBl=(EDSta+EDWp+EDEf+EDBl)*TTotal,其中ESta为待机能耗、EWp为水泵能耗、EEf为抽风机能耗、EBl为吹气风机能耗、EDWp为单位时间内的水泵运行能耗、EDEf为单位时间内的抽风机运行能耗、EDBl为单位时间内的吹气风机运行能耗;
步骤五:获得旋转辅助器的旋转能耗:旋转辅助器的旋转能耗为ERotate=ED-Rotate*TRotate*λSpeed,其中ED-Rotate为单位时间内标准转速下的旋转能耗、TRotate为旋转辅助器的旋转时间、λSpeed为旋转速度系数;
步骤六:获得激光切割加工的总能耗为ETotal=ELaser+EMove+EAux+ERotate。
具体的,所述单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗、单位时间内的激光头空走能耗、单位时间内的水泵运行能耗、单位时间内的抽风机运行能耗、单位时间内的吹气风机运行能耗、单位时间内标准转速下的旋转能耗均通过能耗采集装置的单变量实验法获得,具体步骤为:
步骤s11:将激光切割机、泵机、抽风机的总电源接入能耗采集装置进行能耗数据采集,获得功率曲线;
步骤s12:功率曲线基本水平时,标记此时所稳定的功率值为P1;
步骤s13:触发需要测的能耗的影响因素所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P2;
步骤s14:则单位时间的该影响因素对应的标准能耗为ED1=(P2-P1)·tD,其中tD为单位时间,tD为1s。
具体的,所述功率比例系数、激光扫描加工系数、灰度系数、旋转速度系数均通过能耗采集装置实验获得,具体步骤为:
步骤s21:将激光切割机、泵机、抽风机的总电源接入能耗采集装置进行能耗数据采集,获得功率曲线;
步骤s22:功率曲线基本水平时,标记此时所稳定的功率值为P3;
步骤s23:触发被测系数的影响因素的标准定值所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P4;
步骤s24:触发被测系数的影响因素设为A时所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P5;
步骤s25:获得数值A下的被测系数为
具体的,所述激光扫描加工系数为单位时间内标准功率比例下的激光扫描加工能耗与单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗的比值。
具体的,所述长距空走的累加时间为其中L0为长距空走的累加长度、a为机床的激光头空走速度。
本发明工作过程:
本发明一种回转件激光切割加工的能耗预测方法在工作过程中,结合附图进行说明。
能耗采集装置包括电压传感器、电流传感器、数据采集卡,220V型能耗采集装置内设有空开,激将光切割机、泵机、抽风机的总电源的进线和出线接入到220V型能耗采集装置的进线和出线上,从而利用装置的空开,使得线路能经过传感器检测其实时电流、电压。
实例所对应设备为CM1309型激光切割机,工作幅面为1300mm*900mm*210mm,切割速度≤4800cm/min。
单位时间标准能耗的获得,例如水泵能耗的获得步骤为:其他条件不变,功率曲线稳定的情况下,打开水泵主机,直至所获得的功率曲线再次基本水平,功率曲线所稳定的功率值为水泵能耗实验功率实验记录时间为水泵能耗稳定后的实验时间则单位时间水泵能耗为同样地,系数获得参照上文步骤s21-步骤s25获得。
上述参数获得后,构成了基础数据库。
能耗预测实例:扫描图片,加工方式为激光扫描、速度为1r/s、加工功率为30%;图片外边框,加工方式为激光切割、速度为1r/s、加工功率为30%;切割对象为圆形亚克力。
代入公式,获得激光加工能耗、激光头运动能耗、辅助加工能耗、旋转能耗;需要注意的是激光头运动能耗有沿X方向的短距离移动,该能耗可以固定求得,还有X方向的长距离移动和机器原点至加工原点的移动;需要用到1r/s对应的旋转速度系数、30%功率对应的功率比例系数、激光扫描系数,系数均通过检索数据库获得。数据库为实验事先获得;从而可以获得总能耗。
质量在加工范围内,质量对旋转时的能耗差异小,忽略其影响。短距激光头移动的标准能耗亦为通过能耗采集装置实验获得,需要从功率曲线中剥离出该能耗;仅需设置两次加工,唯一的区别在于一次存在多次短距激光头移动,一次并无,能耗求差值后除以次数,即为所求标准能耗。
本发明,能够根据回转件激光加工过程中的资源消耗特点,结合待加工图及加工工艺参数,对加工总能耗实现事前预测,为节能优化、资源管控等研究奠定了基础。
上述实施例是对本发明的说明,不是对本发明的限定,任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种回转件激光切割加工的能耗预测方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一:获取待加工图及加工工艺参数;
步骤二:获取激光脉冲放电时间,计算激光加工能耗:激光脉冲放电时间为TLaser=TLaser-cut+TLaser-scan、激光加工能耗为ELaser=ED-Laser*(λPower1*TLaser-cut+λPower2*λscan*λgray*TLaser-scan),其中ED-Laser为单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗、λPower1和λPower2均为功率比例系数、TLaser-cut为激光切割加工的激光脉冲放电时间、λscan为激光扫描加工系数、λgray为灰度系数、TLaser-scan为激光扫描加工的激光脉冲放电时间;
步骤三:获得激光头运动时间,计算激光头运动能耗:激光头运动时间为TMove=np*TD-Move-p+TMove-c、激光头空加工能耗为EMove=np*ED-Move-p+ED-Move·TMove-c,其中np为短距移动的数量、TD-Move-p为短距移动的平均时间、TMove-c为长距空走的累加时间、ED-Move-p为短距激光头移动的标准能耗、ED-Move为单位时间内的激光头空走能耗;
步骤四:获得激光加工的总时间,计算辅助加工能耗:激光加工的总时间为TTotal=TLaser+TMove、辅助加工能耗为EAux=ESta+EWp+EEf+EBl=(EDSta+EDWp+EDEf+EDBl)*TTotal,其中ESta为待机能耗、EWp为水泵能耗、EEf为抽风机能耗、EBl为吹气风机能耗、EDWp为单位时间内的水泵运行能耗、EDEf为单位时间内的抽风机运行能耗、EDBl为单位时间内的吹气风机运行能耗;
步骤五:获得旋转辅助器的旋转能耗:旋转辅助器的旋转能耗为ERotate=ED-Rotate*TRotate*λSpeed,其中ED-Rotate为单位时间内标准转速下的旋转能耗、TRotate为旋转辅助器的旋转时间、λSpeed为旋转速度系数;
步骤六:获得激光切割加工的总能耗为ETotal=ELaser+EMove+EAux+ERotate。
2.如权利要求1所述的一种回转件激光切割加工的能耗预测方法,其特征在于:所述单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗、单位时间内的激光头空走能耗、单位时间内的水泵运行能耗、单位时间内的抽风机运行能耗、单位时间内的吹气风机运行能耗、单位时间内标准转速下的旋转能耗均通过能耗采集装置的单变量实验法获得,具体步骤为:
步骤s11:将激光切割机、泵机、抽风机的总电源接入能耗采集装置进行能耗数据采集,获得功率曲线;
步骤s12:功率曲线基本水平时,标记此时所稳定的功率值为P1;
步骤s13:触发需要测的能耗的影响因素所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P2;
步骤s14:则单位时间的该影响因素对应的标准能耗为ED1=(P2-P1)·tD,其中tD为单位时间,tD为1s。
3.如权利要求1所述的一种回转件激光切割加工的能耗预测方法,其特征在于:所述功率比例系数、激光扫描加工系数、灰度系数、旋转速度系数均通过能耗采集装置实验获得,具体步骤为:
步骤s21:将激光切割机、泵机、抽风机的总电源接入能耗采集装置进行能耗数据采集,获得功率曲线;
步骤s22:功率曲线基本水平时,标记此时所稳定的功率值为P3;
步骤s23:触发被测系数的影响因素的标准定值所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P4;
步骤s24:触发被测系数的影响因素设为A时所对应的事件发生,直至所获得的功率曲线基本水平,功率曲线所稳定的功率值为P5;
步骤s25:获得数值A下的被测系数为
4.如权利要求1所述的一种回转件激光切割加工的能耗预测方法,其特征在于:所述激光扫描加工系数为单位时间内标准功率比例下的激光扫描加工能耗与单位时间内标准功率比例下的激光加工能耗的比值。
5.如权利要求1所述的一种回转件激光切割加工的能耗预测方法,其特征在于:所述长距空走的累加时间为其中L0为长距空走的累加长度、a为机床的激光头空走速度。
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