目前，國內(nèi)外對加工能耗狀況的分析主要集中在數(shù)控加工中心加工零件能耗模型研究，加工設(shè)備能耗分析研究和制造過程整體能耗評估當(dāng)中，文獻(xiàn)^H建立了基于輸入功率檢測的和基于輸出功率獲取的能量效率模型;文獻(xiàn)^W根據(jù)制造過程中能量的不同作用，將能量分為直接能量和間接能置;文獻(xiàn)N對加工中心空載運(yùn)行時(shí)的啟動過程能耗、空載能耗、調(diào)速過渡過程能耗等參數(shù)進(jìn)行了測試，總結(jié)出了加工中心加工過程中的實(shí)際切削能耗;文獻(xiàn)曰建立設(shè)計(jì)了能量信息集成模型表達(dá)了設(shè)計(jì)信息的能量特征,能夠適應(yīng)多角度的能耗分析需求;文獻(xiàn)以葉片切肖咖工為例，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了針對車削加工參數(shù)的能耗預(yù)測模型;文獻(xiàn)n對數(shù)控加工中心進(jìn)給系統(tǒng)能量流以及能量損耗特性，建立了數(shù)控加工中心進(jìn)給系統(tǒng)功率模型。綜上所述，在節(jié)能減排作為全球經(jīng)濟(jì)“新常態(tài)”背景下，以上研究主要側(cè)重于制造加工過程的能耗模型建立與研究，未涉及機(jī)加工中數(shù)控編程模塊的運(yùn)用與解析,擬運(yùn)用CAM軟件模擬加工中心銑削加工過程，通過解析NC代碼得到各耗能元件的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)信息，提出解析NC代碼預(yù)測數(shù)控加工中心銑削加工能耗的方法。

2數(shù)控加工中心加工工件耗預(yù)測模型的構(gòu)建

數(shù)控加工中心在銑削加工工件過程中能耗可分為負(fù)載無關(guān)與負(fù)載有關(guān)兩個(gè)部分\負(fù)載有關(guān)的能耗主要包括主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)的能耗，其中數(shù)控加工中心加工工件過程中，空載能耗主要是受機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定的影響，切削能耗則主要受到工藝參數(shù)和工件材料的影響;負(fù)載無關(guān)的能耗主要包括風(fēng)扇電機(jī)、伺服系統(tǒng)和冷卻泵等加工中心部件在運(yùn)行過程中固定的消耗，此類能耗只受開/停狀態(tài)的影響。從此可以看出,數(shù)控車床加工工件能耗是由數(shù)控車床各耗能部件在工件加工過程中消耗的能置組成,包括了主軸電機(jī)、進(jìn)給軸電機(jī)和冷卻系統(tǒng)電機(jī)等的能耗以及基礎(chǔ)性能耗，數(shù)控加工工件能耗可以表達(dá)成：

總體能耗模型:£總=£主軸+£進(jìn)給十五冷卻+五固^                                                                                                                                                    〇)

主軸電機(jī)能耗模型:£主_#=廣乂 •出+丨:"尺咄       (2)

進(jìn)給電機(jī)能耗模型:P_xW*d«+| /^A+| P_zm-dt (3)冷卻系統(tǒng)電機(jī)能耗模型:(4基礎(chǔ)性耗能部件能耗模型:S固定=(P詞服+PJ . ‘束-。(5)式中:數(shù)控鐵床加工工件的總能耗;£擁、£_、£,₄.₉、£雌一主軸電機(jī)、基礎(chǔ)性能耗、冷卻系統(tǒng)電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等耗能部件的能耗。

3數(shù)控加工中心加工工件耗預(yù)測模型的求解

通過以上數(shù)控加工中心加工工件耗預(yù)測模型的建立可知，數(shù)控加工中心加工工件時(shí)的主要耗能元件是主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)、冷卻系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)，采取的是在CAXA制造工程師2013中導(dǎo)入工件CAD模型，對其進(jìn)行加工工藝設(shè)定，自動生成NC代碼，解析NC代碼獲取數(shù)控加工中心各部件在加工時(shí)的能耗信息。

3.1加工工件NC代碼的組成與獲取

NC程序具備零件加工的完整的幾何信息與工藝信息％可以全面地描述零件的結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝路線、加工方案、刀具參數(shù)等信息。從可行性的角度考慮，為了達(dá)到NC代碼自動生成的目的，可分為三大模塊來實(shí)現(xiàn):特征識別模塊、工藝規(guī)劃模塊、刀具選擇模塊,整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)框架，如圖1所示。

加工特征識別模塊:在幾何模型中識別出加工工件特征(比如：孔、面、臺階、槽、型腔、倒角等)，提取出加工參數(shù),作為工藝規(guī)劃模塊的選擇依據(jù)。

0工藝規(guī)劃模塊:檢查性加工工件CAD模型中的每個(gè)加工特征的可加工性，確定事宜刀路加工的方向。對加工工件進(jìn)行工藝規(guī)劃,規(guī)劃工件的加工操作順序。

0刀具選擇模塊:根據(jù)加工特征信息與工藝規(guī)劃信息，給該特征選擇合適的刀具,根據(jù)加工類型建立加工操作，并給它設(shè)置加工區(qū)域信息、刀具信息和走刀的方式等。最后，生成刀路軌跡，并自動生成NC代碼文件使其直觀的呈現(xiàn)在用戶眼前。

3.2加工工件NC代碼的解析

NC代碼自動生成采用增量編程，且以電機(jī)進(jìn)行分類來采集計(jì)算能耗，主要耗能電機(jī)包括:主軸電機(jī)與進(jìn)給軸電機(jī)。從數(shù)控銑床加工工件耗預(yù)測模型公式可知，若求得各電機(jī)功率參數(shù)與時(shí)間參數(shù)，即可得到數(shù)控加工中心加工工件與負(fù)載相關(guān)的能耗，最后與負(fù)載無關(guān)的能耗值進(jìn)行計(jì)算，即可得出數(shù)控加工中心整個(gè)加工過程的總能耗丨抑。

數(shù)控加工中心加工工件能耗的計(jì)算與刀具加工路徑有著直接的關(guān)系，其加工運(yùn)動路徑主要分為三種:正交運(yùn)動方式、斜線運(yùn)動方式與曲線運(yùn)動方式。

(1)  正交運(yùn)動方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為正交運(yùn)動方式時(shí)，所述進(jìn)給軸各自的工作時(shí)間優(yōu)選分別計(jì)算為：

E I-t I E k I El^l

式中：S l-Y I、Z I r I、2 IZ | —所對應(yīng)工序部分的NC代碼中所有.Y軸、y軸和z軸坐標(biāo)的絕對值之和;/一數(shù)控加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度。

0斜線運(yùn)動方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為斜線運(yùn)動方式時(shí)，若某段加工路線斜線的長度用L表示，則某段斜線的長度為：

L=V|.Y r + |F I²

式中：|X I, |F I—NC代碼中進(jìn)給軸電機(jī)在軸方向所走距離;/ 一數(shù)控加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度。

0曲線運(yùn)動方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為曲線運(yùn)動方式時(shí)，由走刀路線為曲線部分NC代碼的特點(diǎn)可知，圓弧部分的NC代碼

分 i?>0 和 i?<0 兩種，當(dāng) i?>0 H'j', s =arecos | ^     ^+y ^ J xR-當(dāng) /?<0 時(shí),5-277/?- arecos        卜對肺曲線段以相

同方式進(jìn)行計(jì)算，由此得到上述弧長之和與加工時(shí)間?式中::v、_:y•—NC代碼中代表該圓弧終點(diǎn)相對與圓弧起點(diǎn)的位移量;—該圓弧段的半徑值。

對于主軸電機(jī)與進(jìn)給軸電機(jī)各個(gè)工作階段功率P,可以采用功率傳感器之類的設(shè)備來分別測得，其中，對于各個(gè)加工階段的銑削功率可以通過公式進(jìn)行計(jì)算，式中—銑削力;d—鐵刀直徑;n—銑刀轉(zhuǎn)速t/mhi。銑削力F_e的計(jì)算公式

機(jī)械設(shè)計(jì)與制造

與銑刀類型和工件材料有關(guān)M,需根據(jù)加工條件來選取銑削力的計(jì)算公式,相關(guān)的公式可以在金屬切削手冊中查到。

主軸電機(jī)空載功率和進(jìn)給電機(jī)的空載功率F,.是關(guān)于進(jìn)給速度的單調(diào)遞增二次函數(shù),同時(shí)進(jìn)給速度和負(fù)載質(zhì)量均影響進(jìn)給系統(tǒng)的空載功率,但負(fù)載質(zhì)置對空載功率的影響極小M。通過對進(jìn)給軸進(jìn)給功率有關(guān)轉(zhuǎn)速的二次函數(shù)曲線擬合,可以得到進(jìn)給功率關(guān)于進(jìn)給速度之間的表達(dá)式，譬如：

&            +4 % A          +；^ +:y₃; =:乂 +以 +=₃。

式中:P,„，—加工中心在主軸處于轉(zhuǎn)速S,.下的空載功率A—加工中心在進(jìn)給軸處于進(jìn)給速度5下的進(jìn)給功率。

最后，所獲得的各項(xiàng)功率參數(shù)和時(shí)間參數(shù)代入到該能耗預(yù)測模型中，計(jì)算出各個(gè)電機(jī)消耗的與負(fù)載相關(guān)的能耗;將其與負(fù)載無關(guān)的能耗值相加進(jìn)行計(jì)算，可得出數(shù)控加工中心整個(gè)加工過程的總能耗,由此完成整個(gè)能耗預(yù)測工藝過程。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:XK713數(shù)控加工中心。刀具:刀具采用三刃高速鋼立銑刀，材料為8Cr4V,直徑為10mm。工件材料:工件材料為45號鋼。加工要求:銑削深度S =lmm,銑削加工_段路徑。實(shí)際加工中,XK713數(shù)控加工中心運(yùn)行實(shí)測相關(guān)參數(shù)，如表1所示。并采用CAM軟件CAXA2013制造工程師模擬銑削加工過程，銑削路徑及NC代碼，如圖2所示。

對此段模_卩工NC代碼進(jìn)行解析，其分析結(jié)果，如表2所示。

基于獲取的基礎(chǔ)功率數(shù)據(jù)和通過NC代碼提取的各耗能部件運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，可以得到XK713數(shù)控加工中心各耗能部件運(yùn)行時(shí)的功率參數(shù)，如表2所示。因此，將各耗能部件的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)以及功率數(shù)據(jù)代入數(shù)控加工中心加工工件能耗預(yù)測模型中,通過式0) ~式Q ,可以預(yù)測出該段加工過程在XK713數(shù)控銳床上的總能耗及各耗能部件的能耗。

主軸"^進(jìn)給冷〇 +[固定

=158.5kJ+9.1kJ+10.5kJ+66kJ=244.1kJ

表2 N C代碼解析Tab.2 The PatserofNC Code

實(shí)際加工過程中，由于加工中心機(jī)械傳動系統(tǒng)中會產(chǎn)生各種機(jī)械損耗,通過功率測試儀與秒表測得的實(shí)際各部件功率及運(yùn)行時(shí)間與預(yù)測值存在一定的誤差，實(shí)際總能耗為£ s»=257.6kj,將實(shí)際能耗與該能耗預(yù)測方法獲得的能耗的誤差為5.34%。通過上述方法以及誤差分析可以看出,此數(shù)控加工中心加工工件能耗預(yù)測方法獲取的銑削加工能耗精度較高，與用功率測置儀器測得的數(shù)控銑床CK713在該段加工過程的能耗誤差基本保持在10%以內(nèi)，誤差值在應(yīng)用范圍之內(nèi)。因此，在實(shí)際工作中有著很好的參考價(jià)值。

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)控加工中心加工工件能耗建模與許多其他科技領(lǐng)域發(fā)生交集。例如，數(shù)控加工中心加工工件能耗建模技術(shù)與信息通信技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)以及智能制造技術(shù)具有交集,運(yùn)用數(shù)控加工中心模擬加工能耗預(yù)測技術(shù)替代試切過程，節(jié)約該環(huán)節(jié)能耗,自動生成加工工件NC代碼并解析，預(yù)測出加工能耗，最后運(yùn)用_個(gè)加工實(shí)例驗(yàn)證了該預(yù)測方法的可行性。該能耗預(yù)測方法可以運(yùn)用于車間生產(chǎn)調(diào)度與產(chǎn)品工藝方案評價(jià)中，為企業(yè)生產(chǎn)加工中能源精細(xì)化管理打下基礎(chǔ)。