机械加工系统能量效率的可预测特性及预测方法研究

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　　【摘 要】机械加工系统具有数量多，涉及面广的特点，其能量消耗巨大；同时，由能量消耗引起的环境问题日益严重。近年来的研究发现机械加工系统能量效率很低、节能潜力巨大，以至于世界范围内的各大高校和各大国际组织都对机械加工系统的能量效率展开了研究。机械加工系统能量效率提升是当代制造业亟需解决的问题，是绿色制造研究的重要内容，其研究符合可持续性发展的要求，具有十分重大的意义。
　　【关键词】机械加工；系统能量效率；可预测
　　1引言
　　制造业作为现代工业的一个重要组成部分，同时也是国民经济的基础。随着现代工业的不断发展，制造业所涉及的范围越来越广，为人类的生存提供了更为丰富的物质资源保障。同时也必然引起更多的资源和能源消耗，产生更严重的环境问题。日益增长的能源需求和不断攀升的能源价格以及日趋严重的环境问题将迫使制造业寻求更高效和低成本的解决方案。机械加工系统作为制造业最重要的组成部分，其节能减排以及高能效、低排放运行已成为了全球共同关注的主题。能量效率作为机械加工系统运行过程能量消耗评价的重要评价指标体系，如何提高机械加工系统能量效率已成为绿色制造研究的重要内容。能量效率预测方法能够为能量效率地提升以及实际生产过程中的节能优化、能量效率评估应用等方面提供方法支持，因此，其研究有着十分重要的意义。但由于机械加工系统运行过程所涉及的能量源众多，能量消耗环节众多，且其规律十分复杂，使得到目前为止还缺少一个能够对机械加工过程的能量消耗途径进行描述的能量效率模型。另一方面，由于机械加工过程通常会涉及到各种加工状态，因此，要实现其能量效率预测就必然会需要大量的基础能耗数据库，特别是各种工艺、各种设备以及各种加工状态的基础能耗数据库。因此，必须对加工过程运行状态进行抽象建模，并分析其各个状态的能耗特性，以实现各种运行状态所涉及的基础数据库的建立。因此，分析机械加工系统能量效率的可预测特性，建立其能量效率预测方法是机械加工系统节能运行研究的重要研究内容，同时也是工业界能效优化和能量管理的需求。
　　2 机械加工系统能量效率可预测特性研究
　　2.1机械加工系统待机能耗可预测特性
　　待机过程是指电源开启后，机械加工系统所包含的数控系统、伺服系统以及各个轴的伺服电机等处于上电状态，以确保机械加工系统处于准备就绪状态。该状态是机械加工系统运行的基础，也是机械加工系统运行所必需的、最基本的一种状态。待机功率是指待机过程中，机械加工系统的输入功率。
　　液压、冷却和润滑系统通常被定义为待机过程的主要能量消耗源，因此，其能耗特性将很大程度上决定待机过程的能耗特性。对于采用液压自动夹紧机构的机床，液压系统通常都会采用溢流阀来实现液压系统的油压控制，为机床提供稳定且恒压的压力油。而油压改变通常只发生在卸载的时候，因此，可以将液压系统近似看作恒功率部件。以上分析同样适用于冷却系统和润滑系统，由于他们都是连续稳定的工作模式，因此，都属于恒定载荷运行。控制系统主要包括主轴拖动系统的变频器、信号放大器以及伺服拖动系统的伺服驱动器和信号放大器。控制系统主要是由半导体元器件构成的整流电路和逆变电路等控制电路。其工作功率通常较低，且随负载的变化而变化。因此，对于待机过程，其拖动系统本身负载恒定，且无外在变动负载。因此，该过程的输入功率也为一定值，且该部分功率很难通过计算和单独测量得出。辅助系统是为保证机床具有更好地工作情况和可操作性。因此，该部分的功率与其他部件的运行状无关，且只有一种工作模式。因此，其输入功率也为一固定值。
　　机床待机过程中，各个组成部件都被激活，以完成机床加工的功能准备。该过程所涉及的能耗源众多，且很难通过计算和测量获得每一个能耗源的运行功率。待机过程中，各个能耗源的输入功率均为恒定值，因此，机床的输入功率为一恒定值，且该值仅与机床自身属性有关，即一台机床只对应于一个待机功率。根据该结论，要实现待机功率的预测，只需分别测量不同机床在待机过程中的输入功率，并将其存成各个机床的待机功率数据库，以此来实现对各种机床待机功率的预测。
　　2.2机械加工系统启动能耗可预测特性
　　普通机床和数控机床启动过程的输入功率都为一个动态变化量，且变化规律十分复杂。因此，启动过程的输入功率很难通过理论模型或是拟合建模来进行预测。但通过该模型不难发现，无论普通机床还是数控机床，其主轴启动过程的输入功率都是由设备本身属性和控制模式决定的。对于同一设备在同一主轴转速所对应的启动过程的输入功率特性应该相同，且主轴完成启动过程的时间也应该相同。因此，启动过程中主轴启动到目标转速所需的能量和启动过程中由待机功率所消耗的能量均为目标转速的函数，即启动过程中机械加工系统的能耗是转速的函数。根据该特性，只要能够建立机械加工系统各个转速对应的机械加工系统的启动能耗函数库，便可实现对各个转速下的启动能耗进行预测。
　　3机械加工系统能量利用率预测方法
　　如果能对加工过程中每个子过程的能耗进行预测，再根据该模型便能得到机械加工系统在该运行条件下的能量利用率。以下将分别对能量利用率预测模型的各个关键组件的预测方法进行研究。
　　①待机过程能耗预测方法
　　待机过程所开启的部件是为了保障机床各功能处于准备阶段，其能耗是提供为保障机床处于操作准备阶段所激活的部件所消耗的能量。该过程中所开启的能量源通常包括：数控系统，变频器，继电器模块，系统显示器，照明灯以及机床所必须的润滑泵等，该过程的输入功率为该阶段所开启的所有能耗源的输入功率之和。根据第二章分析可知，该过程所启动的能耗源均与机床载荷无关，其输入功率仅与系统本身有关，且为一定值Cr。因此，可以只需测量系统在待机过程中的输入功率，并记录下该系统的待机功率，即：
　　待机过程中主要完成加工辅助工作，如：刀具的安装，夹具的安装以及工件安装和夹紧等。因此，该过程的时间即为加工过程的辅助时间。该过程的时间可以根据实际辅助工作的繁简程度来进行估计得到。该过程的能耗预测模型可以表示为：
　　其中，tr表示待机过程的持续时间。
　　因此，只需要通过测量获取其待机功率，并根据对辅助时间的估算便可实现对待机过程的能耗值进行预测。
　　②启动过程能耗预测方法
　　机械加工系统在主轴启动过程中的能耗值仅与目标转速有关。因此，只要能够建立系统各个转速对应的启动能耗数据库便可实现对任意过程的主轴启动能耗进行预测。由于普通机床和数控机床具有不同的控制方式，因此，需要根据其不同的能耗规律来构建其对应的启动能耗数据库来对其进行预测。对于普通机床，其主轴系统的转速与传动链一一对应，其不同转速之间所对应的传动链参数不同。因此，可以分别选取其所有的转速級，分别测取其每个转速的启动能耗和启动时间，并根据测量结果，建立该设备转速与对应启动能耗和启动时间的对照表，以实现对不同转速下的主轴启动能耗与启动时间的预测。
　　结束语
　　综上所述，通过能量效率预测方法可以根据既定的工艺规程及工艺参数对待加工工件加工过程的能量效率进行预测，以实现对未来加工工件能量效率进行评价，有利于找出工件加工过程各个节能环节，从而提高工件加工过程中的能量效率；同时，还能通过预测发现工艺方案及工艺参数设定的不足与不合理之处，从而实现在事前对工艺过程及工艺参数进行优化，以提高能量效率。由此可见，一种实用且有效的机械加工过程的能耗预测方法可以为提高能量效率途径的提出和研究提供方法支持，是能量效率提升研究的重要支持工具。
　　参考文献：
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