丁春偉，樊留群，，邱瑋，侯磊

（1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)沈陽機(jī)床上海研究院，上海 200082）

智能數(shù)控提高機(jī)床能效的研究

丁春偉1，樊留群1，2，邱瑋2，侯磊1

（1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)沈陽機(jī)床上海研究院，上海 200082）

為了研究數(shù)控機(jī)床的能耗問題，設(shè)計了機(jī)床能耗的整體測試方案，對數(shù)控機(jī)床能耗進(jìn)行分析，確定機(jī)床各個相關(guān)部件的能耗情況，采用Matlab工具建立機(jī)床能耗仿真模型。在加工循環(huán)中，測量機(jī)床運(yùn)行總能耗，根據(jù)加工循環(huán)及相關(guān)參數(shù)，利用能耗仿真模型對機(jī)床能耗進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果和實際測量能耗進(jìn)行了對比，驗證了模型的準(zhǔn)確性。研究了在數(shù)控系統(tǒng)中集成能耗的監(jiān)視及預(yù)測等功能，并給出了基于能耗的智能化數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)，該架構(gòu)為進(jìn)一步研究提高智能數(shù)控機(jī)床能效提供了依據(jù)。

數(shù)控機(jī)床；能效；仿真；系統(tǒng)構(gòu)架

0 引言

近年來由于全球氣候變暖，資源越發(fā)緊張，低碳、節(jié)能制造開始成為各國新的研究熱點。為了研究評判機(jī)床能耗情況，歐盟制定了專門針對機(jī)床的環(huán)境評價的ISO/TC39/WG12標(biāo)準(zhǔn)。

美國的研究學(xué)者得出結(jié)論：加工能耗占總能耗的比例很小［1］。德國ECOMATION項目中有學(xué)者運(yùn)用Simscape對機(jī)床交流電機(jī)和離心泵搭建了能耗模型，實現(xiàn)了機(jī)床能耗的預(yù)測［2］，另一位德國學(xué)者提出了機(jī)床非加工狀態(tài)下基于圖形化的能耗優(yōu)化理論［3］。

國內(nèi)一些科研人員［4，5］建立了普通機(jī)床主傳動系統(tǒng)的能耗模型，不僅分別建立了主傳動系統(tǒng)的電機(jī)部分和機(jī)械傳動部分的能量模型，同時還建立了兩者的集成模型。

隨著數(shù)控機(jī)床的普及，機(jī)床高能效必然要在數(shù)控系統(tǒng)中有所體現(xiàn)。為了實現(xiàn)高能效，需對機(jī)床能耗進(jìn)行深入研究、建立模型并進(jìn)行仿真等工作，可在此能耗研究的基礎(chǔ)上在機(jī)床設(shè)計及使用這兩個階段對機(jī)床能耗進(jìn)行優(yōu)化。本課題闡述了機(jī)床能耗測量、建模、仿真等關(guān)鍵步驟，并給出了智能化數(shù)控系統(tǒng)能耗仿真平臺的整體構(gòu)架。

1 能耗測量

以一臺實際機(jī)床（SMTCL ETC 3650）為例，提供一種實用的測量方法。將機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行細(xì)分，分析在各種運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)床部件的工作情況，對機(jī)床部件的能耗進(jìn)行測量，并對能耗進(jìn)行分析，記錄機(jī)床部件的能耗值。

1.1機(jī)床系統(tǒng)層次劃分

數(shù)控機(jī)床具有能量源多、能流環(huán)節(jié)多、能量運(yùn)動規(guī)律和損耗規(guī)律復(fù)雜等特點［6］。首先分析機(jī)床的電氣原理圖，對機(jī)床的各個電氣元件劃分等級（見圖1）。可基于能耗流向特性將機(jī)床分為與負(fù)載相關(guān)能耗和與負(fù)載無關(guān)能耗，如圖2所示，分為6大子系統(tǒng)［7］，與負(fù)載有關(guān)部分：主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)，與負(fù)載無關(guān)部分：潤滑與冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（計算機(jī)系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)等）以及外設(shè)系統(tǒng)（電柜風(fēng)扇、照明系統(tǒng)等）。

圖1　主要電氣元件Fig.1 Main electrical components

圖2　數(shù)控機(jī)床能耗模型Fig.2 Energy consumption model CNC machine tool

1.2測量方案

根據(jù)上述機(jī)床的耗能系統(tǒng)歸納為6大子系統(tǒng)：Ems主軸能耗系統(tǒng)、Ef進(jìn)給能耗系統(tǒng)、Ee換刀能耗系統(tǒng)、Ea輔助能耗系統(tǒng)、Ec控制能耗系統(tǒng)、Eoe其余外部設(shè)備能耗系統(tǒng)。并對機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了劃分，主要分為7種狀態(tài)：機(jī)床關(guān)、控制器關(guān)、急停、控制開、待機(jī)、操作準(zhǔn)備就緒以及操作生產(chǎn)。

為了盡可能簡化測試過程，必須合理安排測量過程。根據(jù)測試設(shè)備，在保證覆蓋所有機(jī)床的耗能部件的前提下，本次測量共設(shè)置了7個測試場景。此外還設(shè)置了機(jī)床在這7個場景中要完成的一致的動作（即上文提到的7種狀態(tài)），這樣數(shù)據(jù)處理時可方便的將不同場景的相應(yīng)部件能耗拼接在一起，此外該過程要盡可能保證每個場景中機(jī)床的各個動作時間一致。測量負(fù)載相關(guān)能耗時應(yīng)盡量保證時間及測量的有效性。

1.3記錄并分析結(jié)果

研究與負(fù)載無關(guān)部件能耗時相對簡單，而分析與負(fù)載有關(guān)部件的能耗情況時，還需同時記錄負(fù)載及切削過程中相關(guān)參數(shù)。與空載時相比有負(fù)載能耗的主要變化與主傳動系統(tǒng)有關(guān)，機(jī)床主傳動系統(tǒng)一般包括電機(jī)驅(qū)動和機(jī)械傳動兩個部分，每個部分的能量消耗都十分復(fù)雜［8］。通過NI USB-6218 BNC采集器讀取到所需的電壓以及電流信號，由于數(shù)據(jù)采集量很大，故借助Matlab工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如圖3（a）所示為主傳動系統(tǒng)及總能耗的測量數(shù)據(jù)，整理分析所有部件能耗圖后可得到在各狀態(tài)下的機(jī)床子系統(tǒng)以及整體能耗情況，見圖3（b）。

圖3　機(jī)床系統(tǒng)耗能Fig.3 The energy consumption of machine tool system

2 機(jī)床能耗建模及仿真

2.1機(jī)床能耗的數(shù)學(xué)模型

機(jī)床總體能耗既與機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)也與機(jī)床負(fù)載相關(guān)，建立整個機(jī)床能耗模型不僅需要機(jī)床操作狀態(tài)信息，還需要機(jī)床負(fù)載信息。機(jī)床運(yùn)行過程中的電能消耗在上述中提到的6大子系統(tǒng)上，不同階段具有不同的能耗特點。要準(zhǔn)確地反映機(jī)床在實際工作中的能耗特性、獲得機(jī)床數(shù)學(xué)能耗模型，要對機(jī)床各個系統(tǒng)進(jìn)行具體分析。整個機(jī)床運(yùn)行階段能耗為：

式中：ETotal—運(yùn)動階段總能耗；Ems—主軸能耗；Ef—進(jìn)給系統(tǒng)能耗；Ee—換刀系統(tǒng)能耗；Ea—輔助系統(tǒng)能耗；Ec—控制系統(tǒng)能耗；Eoe—其余外部設(shè)備能耗。式（1）中與負(fù)載無關(guān)系統(tǒng)中耗能部件的功率一般為定值，其運(yùn)行時間與功率的乘積為其能耗值，而與負(fù)載有關(guān)的能耗還需考慮負(fù)載情況，主軸功率和進(jìn)給系統(tǒng)的能耗可表示為：

式中：Pme、Pmc分別為主軸空轉(zhuǎn)和有負(fù)載時的功率（W）；m、n分別為主軸空轉(zhuǎn)和有負(fù)載的工序總數(shù)；ti1、ti2和tj1、tj2為主軸第i、j道工序時間起始點。對于車床：

式中：ap—切削深度（mm）；f—每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（mm/rev）；vc—切削速度（m/min）；Kc—特定工件材料的比切削力（MPa）。進(jìn)給系統(tǒng)能耗有：

式中：Pie、Pic分別為第i個進(jìn)給軸空載和負(fù)載切削時的功率；α—與切削要素和進(jìn)給速度有關(guān)的系數(shù)；T1、T2分別為第i個進(jìn)給軸空載和切削運(yùn)行時間。

2.2機(jī)床能耗仿真模型

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型以及實際測量的部件能耗數(shù)據(jù)，就可建立機(jī)床能耗仿真模型以計算機(jī)床的實際功率。根據(jù)上述分別建立7種狀態(tài)與各個部件能耗的對應(yīng)模型，以及記錄的各個部件在不同狀態(tài)下的能耗值，利用Matlab/Simulink中Stateflow工具箱建立基于機(jī)床狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗模型，對機(jī)床的能耗進(jìn)行仿真。

機(jī)床狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是由機(jī)床對應(yīng)部件的開關(guān)信號決定的，故將部件開關(guān)信號作為仿真模型的輸入量。根據(jù)機(jī)床狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序和時間，可確定相應(yīng)的輸入信號。

部件的狀態(tài)特性既可以通過文字也可以通過圖形來建模（見圖4）。如冷卻馬達(dá)具有兩種狀態(tài)“開”和“關(guān)”。冷卻馬達(dá)的初始狀態(tài)為“關(guān)”。功率P_CM為0。出現(xiàn)操作冷卻開關(guān)指令時，冷卻馬達(dá)切換到“開”。初始時冷卻馬達(dá)的峰值功率P_CoolingMotor_Peak。持續(xù)運(yùn)行時，功率大小保持為P_CoolingMotor。下一個冷卻開關(guān)指令發(fā)出時冷卻馬達(dá)將再次關(guān)閉。結(jié)合模型與機(jī)床各個部件的能耗數(shù)據(jù)和運(yùn)行時間參數(shù)，就可以很準(zhǔn)確地仿真出機(jī)床的總能耗。但這里要特別注意機(jī)床的主軸和進(jìn)給軸的能耗與負(fù)載有關(guān)，故其能耗還需根據(jù)負(fù)載和其他相關(guān)因素確定。

圖4　圖形及文本模型Fig.4 Graphics and text model

2.3仿真與測量結(jié)果對比

選取一個機(jī)床的加工循環(huán)作為能耗仿真和測量對比的實驗。首先測量一個指定的加工循環(huán)的能耗，并記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)該加工循環(huán)確定仿真輸入，如圖5所示。加工循環(huán)共有5個切削過程，以75s前的第一次切削過程為例，動作順序依次為：打開主開關(guān)和控制器、急停開關(guān)、設(shè)置驅(qū)動器使能、照明開啟后復(fù)位，切削并冷卻。5個切削加工完成后在350s左右快速急停并關(guān)閉控制器，照明隨即關(guān)閉，最后在375s左右主開關(guān)斷開。

圖5　仿真輸入Fig.5 Simulation input

其中主軸及進(jìn)給系統(tǒng)能耗需根據(jù)切削過程計算，例如本次實驗為車削奧氏體不銹鋼外圓，工件硬度HB200，工件直徑75mm，第一次切深為1mm，走刀量0.1mm/r，切削速度100m/min，材料單位切削力為2900N/mm2，加工長度為100mm，那么功率可根據(jù)公式（3），計算得切削功率P為483W。同樣方法計算主軸和進(jìn)給軸功率并將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入仿真程序，利用輸入信號對機(jī)床功率進(jìn)行仿真，得到功率圖形，并將其與所測量的實際功率作對比（如圖6所示）。根據(jù)其功率圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理得實際測量總能耗為：158.56Wh，仿真能耗為148.26Wh。從這次實驗來看，該模型的誤差為7%。

圖6　測量與仿真對比Fig.6 Comparison of measurement with Simulation

3 能耗仿真平臺的整體構(gòu)架

根據(jù)能耗因素建立能耗仿真平臺的作用主要有以下兩個方面：一方面利用能耗仿真平臺，在機(jī)床設(shè)計階段機(jī)床制造商可以基于高能效對機(jī)床部件及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終實現(xiàn)提高能效的目標(biāo)；另一方面在機(jī)床使用過程中可利用仿真平臺對機(jī)床能耗進(jìn)行仿真，通過改變切削、刀具軌跡等參數(shù)方法，達(dá)到提高能效的目的。

3.1機(jī)床能耗監(jiān)控

機(jī)床實現(xiàn)在線能耗監(jiān)測可以為進(jìn)一步實施機(jī)床節(jié)能降耗措施提供數(shù)據(jù)支持?，F(xiàn)在越來越多的數(shù)控機(jī)床開始使用國際統(tǒng)一的總線來聯(lián)接機(jī)床的控制器和各個運(yùn)動部件，這對于機(jī)床加工能耗的監(jiān)控有著很大的幫助，這將意味著可以設(shè)置相關(guān)程序，在系統(tǒng)內(nèi)部通過運(yùn)動部件的伺服直接讀取到該部件的實時工作電壓和電流，從而能夠更方便地通過程序計算出機(jī)床的能量消耗功率，并可以通過顯示器直接瞬時地將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，都能夠很直觀地給用戶提供實時的加工能耗信息。

3.2機(jī)床能耗仿真預(yù)測

實現(xiàn)精確預(yù)測能耗這一目標(biāo)重點在于：一方面，建立起準(zhǔn)確的部件能耗數(shù)據(jù)庫，與負(fù)載無關(guān)部件能耗值固定，容易確定，而與負(fù)載有關(guān)的部件則要找出這些部件的耗能規(guī)律，研究并確定每個軸的功率與工件及相關(guān)因素之間的關(guān)系。另一方面，需將加工程序與機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)起來，根據(jù)由加工程序和其他相關(guān)因子確定仿真模型輸入信號，利用該信號通過對應(yīng)的能耗預(yù)測模型計算最后所需的能耗。

如圖7所示為能耗仿真平臺的整體構(gòu)架。能耗仿真預(yù)測功能對于提高機(jī)床能效起到了至關(guān)重要的作用。首先在機(jī)床設(shè)計階段，機(jī)床設(shè)計人員可選擇滿足使用條件的不同結(jié)構(gòu)部件，根據(jù)相關(guān)因素對機(jī)床能耗進(jìn)行仿真，依據(jù)仿真結(jié)果在部件庫中選擇最優(yōu)能效的機(jī)床結(jié)構(gòu)，以提高機(jī)床能效。

圖7　能耗仿真平臺的整體構(gòu)架Fig.7 Overall framework of energy consumption simulation platform

同樣在機(jī)床使用過程中可以基于已有的能耗模型，對該零件的加工程序進(jìn)行分析，在加工程序執(zhí)行前對它進(jìn)行預(yù)讀，即在譯碼階段對該程序進(jìn)行分析，將機(jī)床的物理模型、狀態(tài)模型以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對應(yīng)，使得加工程序與部件的能耗形成對應(yīng)關(guān)系，對能耗進(jìn)行預(yù)測，并在數(shù)控系統(tǒng)中將能耗模型圖形化，而后可通過優(yōu)化走刀軌跡及切削參數(shù)等因子提高能效。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了測量機(jī)床能耗的方法，實際測量了車床ETC3650的各部件的能耗情況，建立了機(jī)床的能耗模型，并將能耗模型仿真的能耗與實測能耗相對比，該模型的精度誤差可控制在7%以內(nèi)，表明了模型的可靠性。最后提出能耗仿真平臺的整體構(gòu)架，并闡述了能耗仿真平臺中的監(jiān)控和預(yù)測功能，為進(jìn)一步提高機(jī)床能效打下了基礎(chǔ)。

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Research on Intelligent CNC to Improve the Energy Efficiency

DING Chun-Wei1，F(xiàn)AN Liu-Qun1，2，QIU Wei2，HOU Lei1
（1.Sino-German School，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.SMTCL Research Institute，Shanghai 200082，China）

To study the energy consumption of machine tool，an energy test plan is designed，the energy consumption of the machine tool is analyzed，the energy consumption of all relevant components are determined，an energy consumption model of the machine tool based on Matlab is proposed.During machining the total energy consumption of the machine is tested，and according to the machining cycle and related parameters the energy consumption of machine tools is simulated，then the results of test and simulation are compared，the accuracy of the model is verified.Relevant intelligent features in CNC system，such as energy monitoring and forecasting and other functions based on energy consumption are studied，and an architecture of intelligent CNC system based energy consumption，which lays a foundation to further research to improve the energy efficiency of intelligent CNC machine tools，is provided.

CNC machine tool；energy efficiency；simulation；system architecture

TH11

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.044

1002-6673（2015）02-116-04

2015-02-09

丁春偉（1990-），男，江蘇人，碩士研究生。主要研究方向：數(shù)控技術(shù)及工業(yè)自動化；樊留群（1964-），男，陜西人，教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：機(jī)電控制，數(shù)控技術(shù)，智能制造。