機械加工系統能量效率的可預測特性及預測方法研究

侯勁

【摘 要】機械加工系統具有數量多，涉及面廣的特點，其能量消耗巨大；同時，由能量消耗引起的環境問題日益嚴重。近年來的研究發現機械加工系統能量效率很低、節能潛力巨大，以至于世界范圍內的各大高校和各大國際組織都對機械加工系統的能量效率展開了研究。機械加工系統能量效率提升是當代制造業亟需解決的問題，是綠色制造研究的重要內容，其研究符合可持續性發展的要求，具有十分重大的意義。

【關鍵詞】機械加工；系統能量效率；可預測

1引言

制造業作為現代工業的一個重要組成部分，同時也是國民經濟的基礎。隨著現代工業的不斷發展，制造業所涉及的范圍越來越廣，為人類的生存提供了更為豐富的物質資源保障。同時也必然引起更多的資源和能源消耗，產生更嚴重的環境問題。日益增長的能源需求和不斷攀升的能源價格以及日趨嚴重的環境問題將迫使制造業尋求更高效和低成本的解決方案。機械加工系統作為制造業最重要的組成部分，其節能減排以及高能效、低排放運行已成為了全球共同關注的主題。能量效率作為機械加工系統運行過程能量消耗評價的重要評價指標體系，如何提高機械加工系統能量效率已成為綠色制造研究的重要內容。能量效率預測方法能夠為能量效率地提升以及實際生產過程中的節能優化、能量效率評估應用等方面提供方法支持，因此，其研究有著十分重要的意義。但由于機械加工系統運行過程所涉及的能量源眾多，能量消耗環節眾多，且其規律十分復雜，使得到目前為止還缺少一個能夠對機械加工過程的能量消耗途徑進行描述的能量效率模型。另一方面，由于機械加工過程通常會涉及到各種加工狀態，因此，要實現其能量效率預測就必然會需要大量的基礎能耗數據庫，特別是各種工藝、各種設備以及各種加工狀態的基礎能耗數據庫。因此，必須對加工過程運行狀態進行抽象建模，并分析其各個狀態的能耗特性，以實現各種運行狀態所涉及的基礎數據庫的建立。因此，分析機械加工系統能量效率的可預測特性，建立其能量效率預測方法是機械加工系統節能運行研究的重要研究內容，同時也是工業界能效優化和能量管理的需求。

2 機械加工系統能量效率可預測特性研究

2.1機械加工系統待機能耗可預測特性

待機過程是指電源開啟后，機械加工系統所包含的數控系統、伺服系統以及各個軸的伺服電機等處于上電狀態，以確保機械加工系統處于準備就緒狀態。該狀態是機械加工系統運行的基礎，也是機械加工系統運行所必需的、最基本的一種狀態。待機功率是指待機過程中，機械加工系統的輸入功率。

液壓、冷卻和潤滑系統通常被定義為待機過程的主要能量消耗源，因此，其能耗特性將很大程度上決定待機過程的能耗特性。對于采用液壓自動夾緊機構的機床，液壓系統通常都會采用溢流閥來實現液壓系統的油壓控制，為機床提供穩定且恒壓的壓力油。而油壓改變通常只發生在卸載的時候，因此，可以將液壓系統近似看作恒功率部件。以上分析同樣適用于冷卻系統和潤滑系統，由于他們都是連續穩定的工作模式，因此，都屬于恒定載荷運行。控制系統主要包括主軸拖動系統的變頻器、信號放大器以及伺服拖動系統的伺服驅動器和信號放大器。控制系統主要是由半導體元器件構成的整流電路和逆變電路等控制電路。其工作功率通常較低，且隨負載的變化而變化。因此，對于待機過程，其拖動系統本身負載恒定，且無外在變動負載。因此，該過程的輸入功率也為一定值，且該部分功率很難通過計算和單獨測量得出。輔助系統是為保證機床具有更好地工作情況和可操作性。因此，該部分的功率與其他部件的運行狀無關，且只有一種工作模式。因此，其輸入功率也為一固定值。

機床待機過程中，各個組成部件都被激活，以完成機床加工的功能準備。該過程所涉及的能耗源眾多，且很難通過計算和測量獲得每一個能耗源的運行功率。待機過程中，各個能耗源的輸入功率均為恒定值，因此，機床的輸入功率為一恒定值，且該值僅與機床自身屬性有關，即一臺機床只對應于一個待機功率。根據該結論，要實現待機功率的預測，只需分別測量不同機床在待機過程中的輸入功率，并將其存成各個機床的待機功率數據庫，以此來實現對各種機床待機功率的預測。

2.2機械加工系統啟動能耗可預測特性

普通機床和數控機床啟動過程的輸入功率都為一個動態變化量，且變化規律十分復雜。因此，啟動過程的輸入功率很難通過理論模型或是擬合建模來進行預測。但通過該模型不難發現，無論普通機床還是數控機床，其主軸啟動過程的輸入功率都是由設備本身屬性和控制模式決定的。對于同一設備在同一主軸轉速所對應的啟動過程的輸入功率特性應該相同，且主軸完成啟動過程的時間也應該相同。因此，啟動過程中主軸啟動到目標轉速所需的能量和啟動過程中由待機功率所消耗的能量均為目標轉速的函數，即啟動過程中機械加工系統的能耗是轉速的函數。根據該特性，只要能夠建立機械加工系統各個轉速對應的機械加工系統的啟動能耗函數庫，便可實現對各個轉速下的啟動能耗進行預測。

3機械加工系統能量利用率預測方法

如果能對加工過程中每個子過程的能耗進行預測，再根據該模型便能得到機械加工系統在該運行條件下的能量利用率。以下將分別對能量利用率預測模型的各個關鍵組件的預測方法進行研究。

①待機過程能耗預測方法

待機過程所開啟的部件是為了保障機床各功能處于準備階段，其能耗是提供為保障機床處于操作準備階段所激活的部件所消耗的能量。該過程中所開啟的能量源通常包括：數控系統，變頻器，繼電器模塊，系統顯示器，照明燈以及機床所必須的潤滑泵等，該過程的輸入功率為該階段所開啟的所有能耗源的輸入功率之和。根據第二章分析可知，該過程所啟動的能耗源均與機床載荷無關，其輸入功率僅與系統本身有關，且為一定值Cr。因此，可以只需測量系統在待機過程中的輸入功率，并記錄下該系統的待機功率，即：

待機過程中主要完成加工輔助工作，如：刀具的安裝，夾具的安裝以及工件安裝和夾緊等。因此，該過程的時間即為加工過程的輔助時間。該過程的時間可以根據實際輔助工作的繁簡程度來進行估計得到。該過程的能耗預測模型可以表示為：

其中，tr表示待機過程的持續時間。

因此，只需要通過測量獲取其待機功率，并根據對輔助時間的估算便可實現對待機過程的能耗值進行預測。

②啟動過程能耗預測方法

機械加工系統在主軸啟動過程中的能耗值僅與目標轉速有關。因此，只要能夠建立系統各個轉速對應的啟動能耗數據庫便可實現對任意過程的主軸啟動能耗進行預測。由于普通機床和數控機床具有不同的控制方式，因此，需要根據其不同的能耗規律來構建其對應的啟動能耗數據庫來對其進行預測。對于普通機床，其主軸系統的轉速與傳動鏈一一對應，其不同轉速之間所對應的傳動鏈參數不同。因此，可以分別選取其所有的轉速級，分別測取其每個轉速的啟動能耗和啟動時間，并根據測量結果，建立該設備轉速與對應啟動能耗和啟動時間的對照表，以實現對不同轉速下的主軸啟動能耗與啟動時間的預測。

結束語

綜上所述，通過能量效率預測方法可以根據既定的工藝規程及工藝參數對待加工工件加工過程的能量效率進行預測，以實現對未來加工工件能量效率進行評價，有利于找出工件加工過程各個節能環節，從而提高工件加工過程中的能量效率；同時，還能通過預測發現工藝方案及工藝參數設定的不足與不合理之處，從而實現在事前對工藝過程及工藝參數進行優化，以提高能量效率。由此可見，一種實用且有效的機械加工過程的能耗預測方法可以為提高能量效率途徑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。

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