侯勁

【摘 要】機械加工系統(tǒng)具有數(shù)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(huán)境問題日益嚴重。近年來的研究發(fā)現(xiàn)機械加工系統(tǒng)能量效率很低、節(jié)能潛力巨大，以至于世界范圍內(nèi)的各大高校和各大國際組織都對機械加工系統(tǒng)的能量效率展開了研究。機械加工系統(tǒng)能量效率提升是當代制造業(yè)亟需解決的問題，是綠色制造研究的重要內(nèi)容，其研究符合可持續(xù)性發(fā)展的要求，具有十分重大的意義。

【關鍵詞】機械加工；系統(tǒng)能量效率；可預測

1引言

制造業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的一個重要組成部分，同時也是國民經(jīng)濟的基礎。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，制造業(yè)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(zhì)資源保障。同時也必然引起更多的資源和能源消耗，產(chǎn)生更嚴重的環(huán)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(huán)境問題將迫使制造業(yè)尋求更高效和低成本的解決方案。機械加工系統(tǒng)作為制造業(yè)最重要的組成部分，其節(jié)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(tǒng)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(tǒng)能量效率已成為綠色制造研究的重要內(nèi)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(chǎn)過程中的節(jié)能優(yōu)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(tǒng)運行過程所涉及的能量源眾多，能量消耗環(huán)節(jié)眾多，且其規(guī)律十分復雜，使得到目前為止還缺少一個能夠?qū)C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(tài)，因此，要實現(xiàn)其能量效率預測就必然會需要大量的基礎能耗數(shù)據(jù)庫，特別是各種工藝、各種設備以及各種加工狀態(tài)的基礎能耗數(shù)據(jù)庫。因此，必須對加工過程運行狀態(tài)進行抽象建模，并分析其各個狀態(tài)的能耗特性，以實現(xiàn)各種運行狀態(tài)所涉及的基礎數(shù)據(jù)庫的建立。因此，分析機械加工系統(tǒng)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(tǒng)節(jié)能運行研究的重要研究內(nèi)容，同時也是工業(yè)界能效優(yōu)化和能量管理的需求。

2 機械加工系統(tǒng)能量效率可預測特性研究

2.1機械加工系統(tǒng)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(tǒng)所包含的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及各個軸的伺服電機等處于上電狀態(tài)，以確保機械加工系統(tǒng)處于準備就緒狀態(tài)。該狀態(tài)是機械加工系統(tǒng)運行的基礎，也是機械加工系統(tǒng)運行所必需的、最基本的一種狀態(tài)。待機功率是指待機過程中，機械加工系統(tǒng)的輸入功率。

液壓、冷卻和潤滑系統(tǒng)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(tǒng)通常都會采用溢流閥來實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的油壓控制，為機床提供穩(wěn)定且恒壓的壓力油。而油壓改變通常只發(fā)生在卸載的時候，因此，可以將液壓系統(tǒng)近似看作恒功率部件。以上分析同樣適用于冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)，由于他們都是連續(xù)穩(wěn)定的工作模式，因此，都屬于恒定載荷運行?？刂葡到y(tǒng)主要包括主軸拖動系統(tǒng)的變頻器、信號放大器以及伺服拖動系統(tǒng)的伺服驅(qū)動器和信號放大器。控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jù)該結論，要實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫，以此來實現(xiàn)對各種機床待機功率的預測。

2.2機械加工系統(tǒng)啟動能耗可預測特性

普通機床和數(shù)控機床啟動過程的輸入功率都為一個動態(tài)變化量，且變化規(guī)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(fā)現(xiàn)，無論普通機床還是數(shù)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?jīng)Q定的。對于同一設備在同一主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的函數(shù)，即啟動過程中機械加工系統(tǒng)的能耗是轉(zhuǎn)速的函數(shù)。根據(jù)該特性，只要能夠建立機械加工系統(tǒng)各個轉(zhuǎn)速對應的機械加工系統(tǒng)的啟動能耗函數(shù)庫，便可實現(xiàn)對各個轉(zhuǎn)速下的啟動能耗進行預測。

3機械加工系統(tǒng)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(jù)該模型便能得到機械加工系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)，變頻器，繼電器模塊，系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)本身有關，且為一定值Cr。因此，可以只需測量系統(tǒng)在待機過程中的輸入功率，并記錄下該系統(tǒng)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(jù)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(xù)時間。

因此，只需要通過測量獲取其待機功率，并根據(jù)對輔助時間的估算便可實現(xiàn)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(tǒng)在主軸啟動過程中的能耗值僅與目標轉(zhuǎn)速有關。因此，只要能夠建立系統(tǒng)各個轉(zhuǎn)速對應的啟動能耗數(shù)據(jù)庫便可實現(xiàn)對任意過程的主軸啟動能耗進行預測。由于普通機床和數(shù)控機床具有不同的控制方式，因此，需要根據(jù)其不同的能耗規(guī)律來構建其對應的啟動能耗數(shù)據(jù)庫來對其進行預測。對于普通機床，其主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與傳動鏈一一對應，其不同轉(zhuǎn)速之間所對應的傳動鏈參數(shù)不同。因此，可以分別選取其所有的轉(zhuǎn)速級，分別測取其每個轉(zhuǎn)速的啟動能耗和啟動時間，并根據(jù)測量結果，建立該設備轉(zhuǎn)速與對應啟動能耗和啟動時間的對照表，以實現(xiàn)對不同轉(zhuǎn)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(jù)既定的工藝規(guī)程及工藝參數(shù)對待加工工件加工過程的能量效率進行預測，以實現(xiàn)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(jié)能環(huán)節(jié)，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(fā)現(xiàn)工藝方案及工藝參數(shù)設定的不足與不合理之處，從而實現(xiàn)在事前對工藝過程及工藝參數(shù)進行優(yōu)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。

參考文獻：

[1]胡韶華，劉飛，何彥，等.數(shù)控機床變頻主傳動系統(tǒng)的空載能量參數(shù)特性研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2012，18（2）：326-331.

[2]劉飛，劉霜.機床服役過程機電主傳動系統(tǒng)的時段能量模型[J].機械工程學報，2012，48（21）：132-140.

[3]施金良，劉飛，許弟建，等.變頻調(diào)速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的功率平衡方程[J].機械工程學報，2010（03）：118-124.