陳翔

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程加快，各國對能源的需求與日俱增[1]。按行業(yè)分類來看，我國 2015 年能源消耗總量為429 905 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤，其中工業(yè)能源消耗總量占比61%。在工業(yè)能源消耗中，制造業(yè)能源消耗總量占比84%[2]。

大量機(jī)床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著現(xiàn)代機(jī)床自動化程度的不斷提高，機(jī)床結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，輔助部件不斷增多，有效切削能耗在機(jī)床總能耗中的比重逐漸降低[3]。機(jī)床的能源有效利用率很低，普通機(jī)床利用率約為33%，數(shù)控加工中心利用率約為15%，大部分能量成為損耗，因此機(jī)床加工過程中的節(jié)能潛力巨大。

1 銑削功率模型分析

數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中其功率信號實(shí)時變化，選取其瞬時狀態(tài)值進(jìn)行分析較為客觀，有必要建立一個實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)用于機(jī)床功率研究。本文擬定了一種功率數(shù)據(jù)采集方案，通過在機(jī)床輸入端接入三相功率傳感器采集功率信號，使用NI 公司的9201 數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行信號處理與轉(zhuǎn)換，由LabVIEW 完成數(shù)據(jù)的顯示與存儲。將處理過的功率值與主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、背吃刀量、側(cè)吃刀量進(jìn)行綜合分析，通過Minitab 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到4 個加工參數(shù)對功率影響的權(quán)值比重，為進(jìn)一步調(diào)整加工參數(shù)提供一定依據(jù)。通過正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，回歸擬合出機(jī)床功率模型系數(shù)，得到一種較完整準(zhǔn)確的功率模型。

2 數(shù)控加工過程能耗監(jiān)測

2.1 研究目的

搭建數(shù)控加工過程能耗監(jiān)測系統(tǒng)對機(jī)床實(shí)時功率進(jìn)行采集是銑削加工功率特性研究的首要工作。對加工過程功率信號的實(shí)時采集，可以研究加工過程中的狀態(tài)變化、能耗組成以及加工參數(shù)對功率信號的影響程度。監(jiān)測數(shù)控機(jī)床的功率信號，還可以圖形化電流和電壓一段時間內(nèi)的變化趨勢[4]。本文針對沈陽機(jī)床廠立式加工中心VMC850E 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建立以銑削加工為主的數(shù)控機(jī)床功率監(jiān)測系統(tǒng)，為后文的銑削加工功率研究以及參數(shù)影響提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑削過程的節(jié)能目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)機(jī)床設(shè)備如圖1 所示。

圖1 VMC850E 立式加工中心照片F(xiàn)ig.1 VMC850E vertical machining center

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建

銑削加工功率實(shí)驗(yàn)使用沈陽機(jī)床的立式加工中心（VMC850E）進(jìn)行鋁材平面銑削。切削刀具選用合金麻花鉆，能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過外部硬件采集，包括立式加工中心（VMC850E）、功率傳感器（WB-9128）、數(shù)據(jù)采集卡（cDAQ-9201）以及計(jì)算機(jī)處理與顯示（LabVIEW），如圖2 所示。在立式加工中心電控箱內(nèi)安裝功率傳感器采集功率信號，傳感器將采集到的信號通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行處理，將信號轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能讀取的有用功率數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上實(shí)時顯示、存儲和分析。

圖2 功率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of power data acquisition system

根據(jù)機(jī)床的功率，傳感器選用三相功率傳感器WB9128-1，輸入端接線配置選用三相三線接法，功率測量設(shè)備選用NI cDAQ-9174數(shù)據(jù)采集箱和9201 數(shù)據(jù)采集卡對機(jī)床功率信號進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。

信號顯示部分，通過LabVIEW 將傳感器采集到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示。根據(jù)采樣定理，銑削實(shí)驗(yàn)中功率采集設(shè)備的采樣頻率設(shè)置為100 Hz，該采樣頻率既能夠完整反映銑削過程的功率變化，又可以避免采集功率數(shù)據(jù)過多造成信號分析困難。功率采集程序的主界面如圖3 所示，程序框圖如圖4 所示。

圖3 功率采集程序主界面Fig.3 Main interface of power acquisition program

3 銑削過程功率建模

3.1 切削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

切削刀具為四刃鎢鋼銑刀，刀具直徑8 mm；切削實(shí)驗(yàn)采用干切削方式，鋁塊材料去除體積為30 mm×50 mm×150 mm。

影響數(shù)控機(jī)床加工功率的因素有4 個方面：主軸轉(zhuǎn)速N、進(jìn)給速度f、背吃刀量Ap、側(cè)吃刀量Ae。為了研究這4 個因素與加工功率的關(guān)系以及各因素對功率影響的權(quán)值，使用正交設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建立了4 因素3 水平的不同加工參數(shù)實(shí)驗(yàn)，共27 組，如表1 所示。

表1 切削參數(shù)水平Tab.1 Cutting parameter level

按照所定的組數(shù)依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用100 Hz采樣頻率進(jìn)行功率信號采集，待開機(jī)信號平穩(wěn)之后再進(jìn)行銑削加工，所測結(jié)果剔除一定信號擾動后，取較平穩(wěn)波形段為有效功率。實(shí)驗(yàn)中所用功率為材料去除過程的功率信號，其功率組成包括待機(jī)功率、主軸空轉(zhuǎn)功率、切削液、進(jìn)給功率及切削功率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由切削實(shí)驗(yàn)采集到的功率信號，建立表2 所示數(shù)控銑削實(shí)驗(yàn)功率數(shù)據(jù)表。

表2 數(shù)控銑削實(shí)驗(yàn)功率數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental power data of CNC milling

通過Minitab 進(jìn)行田口分析，可得4 個加工參數(shù)對加工過程功率的影響程度排序?yàn)椋篘＞f＞Ap＞Ae，即主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度＞背吃刀量＞側(cè)吃刀量，如表3 所示。MRR為材料去除率，其值與進(jìn)給速度、背吃刀量、側(cè)吃刀量相關(guān)。通過該正交實(shí)驗(yàn)可得加工參數(shù)在實(shí)驗(yàn)范圍與功率變化的對應(yīng)趨勢均為線性增加，如圖5 所示。

圖5 各加工參數(shù)影響比較Fig.5 Comparison of processing parameters

表3 均值響應(yīng)表Tab.3 Mean response

3.3 功率建模

將整個機(jī)床看成一個動態(tài)系統(tǒng)，動態(tài)過程指機(jī)械加工中的各種運(yùn)動過程[5]。材料去除過程的總功率由機(jī)床加工過程基本功率、進(jìn)給功率和材料去除功率組成[6]，計(jì)算公式如式（1）：

式中：Pm——銑削過程材料去除功率；Pbasic——基本功率；Pfeed——進(jìn)給功率；Pcut——切削功率。

基本功率又包括待機(jī)、空轉(zhuǎn)及切削液等3 個部分。機(jī)床的待機(jī)功率Pstandby和切削液系統(tǒng)消耗功率Pfluid可視為固定值[7]。通過實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)研究可知主軸空轉(zhuǎn)功率Pspindle和主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速之間近似線性關(guān)系。進(jìn)給功率Pfeed和進(jìn)給速率f之間近似線性關(guān)系[6]，可得具體功率公式如式（2）：

式中：n——主軸轉(zhuǎn)速；f——進(jìn)給速度；MRR——材料去除率；k1，k2，k3，c——常系數(shù)。

將銑削實(shí)驗(yàn)獲得的全部27 組功率數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件Minitab 進(jìn)行回歸建模，獲得功率模型系數(shù)，擬合得到的公式如式（3）：

表4 為功率模型的方差結(jié)果分析，得到相關(guān)系數(shù)R2=99.97%，表明擬合得到的功率模型與4個加工參數(shù)密切相關(guān)，擬合的功率模型結(jié)果很好。

表4 功率模型方差分析結(jié)果Tab.4 Variance analysis results of the power model

4 結(jié)語

通過搭建數(shù)控機(jī)床加工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲得完整的加工過程功率曲線，有助于機(jī)床的實(shí)時功率研究。分析處理原始的功率數(shù)據(jù)后，使用Minitab 軟件得到加工參數(shù)與功率的變化關(guān)系及權(quán)值排序，并回歸擬合出銑削過程的功率模型，可用于計(jì)算和預(yù)測銑削加工過程功率，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段的能耗評估提供參考。