2數(shù)控加工中心加工工件耗預(yù)測模型的構(gòu)建
數(shù)控加工中心在銑削加工工件過程中能耗可分為負(fù)載無關(guān)與負(fù)載有關(guān)兩個部分\負(fù)載有關(guān)的能耗主要包括主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)的能耗，其中數(shù)控加工中心加工工件過程中，空載能耗主要是受機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定的影響，切削能耗則主要受到工藝參數(shù)和工件材料的影響;負(fù)載無關(guān)的能耗主要包括風(fēng)扇電機(jī)、伺服系統(tǒng)和冷卻泵等加工中心部件在運(yùn)行過程中固定的消耗，此類能耗只受開/停狀態(tài)的影響。從此可以看出,數(shù)控車床加工工件能耗是由數(shù)控車床各耗能部件在工件加工過程中消耗的能置組成,包括了主軸電機(jī)、進(jìn)給軸電機(jī)和冷卻系統(tǒng)電機(jī)等的能耗以及基礎(chǔ)性能耗，數(shù)控加工工件能耗可以表達(dá)成：
總體能耗模型:£總=£主軸+£進(jìn)給十五冷卻+五固^ 〇)
主軸電機(jī)能耗模型:£主#=廣乂 •出+丨:"尺咄 (2)
進(jìn)給電機(jī)能耗模型:PxW*d«+| /^A+| Pzm-dt (3)冷卻系統(tǒng)電機(jī)能耗模型:(4基礎(chǔ)性耗能部件能耗模型:S固定=(P詞服+PJ . ‘束-。(5)式中:數(shù)控鐵床加工工件的總能耗;£擁、£_、£,4.9、£雌一主軸電機(jī)、基礎(chǔ)性能耗、冷卻系統(tǒng)電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等耗能部件的能耗。
3數(shù)控加工中心加工工件耗預(yù)測模型的求解
通過以上數(shù)控加工中心加工工件耗預(yù)測模型的建立可知，數(shù)控加工中心加工工件時的主要耗能元件是主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)、冷卻系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)，采取的是在CAXA制造工程師2013中導(dǎo)入工件CAD模型，對其進(jìn)行加工工藝設(shè)定，自動生成NC代碼，解析NC代碼獲取數(shù)控加工中心各部件在加工時的能耗信息。
3.1加工工件NC代碼的組成與獲取
NC程序具備零件加工的完整的幾何信息與工藝信息％可以全面地描述零件的結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝路線、加工方案、刀具參數(shù)等信息。從可行性的角度考慮，為了達(dá)到NC代碼自動生成的目的，可分為三大模塊來實現(xiàn):特征識別模塊、工藝規(guī)劃模塊、刀具選擇模塊,整個系統(tǒng)的一個框架，如圖1所示。
加工特征識別模塊:在幾何模型中識別出加工工件特征(比如：孔、面、臺階、槽、型腔、倒角等)，提取出加工參數(shù),作為工藝規(guī)劃模塊的選擇依據(jù)。
0工藝規(guī)劃模塊:檢查性加工工件CAD模型中的每個加工特征的可加工性，確定事宜刀路加工的方向。對加工工件進(jìn)行工藝規(guī)劃,規(guī)劃工件的加工操作順序。
0刀具選擇模塊:根據(jù)加工特征信息與工藝規(guī)劃信息，給該特征選擇合適的刀具,根據(jù)加工類型建立加工操作，并給它設(shè)置加工區(qū)域信息、刀具信息和走刀的方式等。最后，生成刀路軌跡，并自動生成NC代碼文件使其直觀的呈現(xiàn)在用戶眼前。
3.2加工工件NC代碼的解析
NC代碼自動生成采用增量編程，且以電機(jī)進(jìn)行分類來采集計算能耗，主要耗能電機(jī)包括:主軸電機(jī)與進(jìn)給軸電機(jī)。從數(shù)控銑床加工工件耗預(yù)測模型公式可知，若求得各電機(jī)功率參數(shù)與時間參數(shù)，即可得到數(shù)控加工中心加工工件與負(fù)載相關(guān)的能耗，最后與負(fù)載無關(guān)的能耗值進(jìn)行計算，即可得出數(shù)控加工中心整個加工過程的總能耗丨抑。
數(shù)控加工中心加工工件能耗的計算與刀具加工路徑有著直接的關(guān)系，其加工運(yùn)動路徑主要分為三種:正交運(yùn)動方式、斜線運(yùn)動方式與曲線運(yùn)動方式。
(1) 正交運(yùn)動方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為正交運(yùn)動方式時，所述進(jìn)給軸各自的工作時間優(yōu)選分別計算為：
E I-t I E k I El^l
式中：S l-Y I、Z I r I、2 IZ | —所對應(yīng)工序部分的NC代碼中所有.Y軸、y軸和z軸坐標(biāo)的絕對值之和;/一數(shù)控加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度。
0斜線運(yùn)動方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為斜線運(yùn)動方式時，若某段加工路線斜線的長度用L表示，則某段斜線的長度為：
L=V|.Y r + |F I2
式中：|X I, |F I—NC代碼中進(jìn)給軸電機(jī)在軸方向所走距離;/ 一數(shù)控加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度。
0曲線運(yùn)動方式：當(dāng)加工中心走刀軌跡為曲線運(yùn)動方式時，由走刀路線為曲線部分NC代碼的特點可知，圓弧部分的NC代碼
分 i?>0 和 i?<0 兩種，當(dāng) i?>0 H'j', s =arecos | ^ +y ^ J xR-當(dāng) /?<0 時,5-277/?- arecos 卜對肺曲線段以相
同方式進(jìn)行計算，由此得到上述弧長之和與加工時間?式中::v、:y•—NC代碼中代表該圓弧終點相對與圓弧起點的位移量;—該圓弧段的半徑值。
對于主軸電機(jī)與進(jìn)給軸電機(jī)各個工作階段功率P,可以采用功率傳感器之類的設(shè)備來分別測得，其中，對于各個加工階段的銑削功率可以通過公式進(jìn)行計算，式中—銑削力;d—鐵刀直徑;n—銑刀轉(zhuǎn)速t/mhi。銑削力Fe的計算公式
與銑刀類型和工件材料有關(guān)M,需根據(jù)加工條件來選取銑削力的計算公式,相關(guān)的公式可以在金屬切削手冊中查到。
主軸電機(jī)空載功率和進(jìn)給電機(jī)的空載功率F,.是關(guān)于進(jìn)給速度的單調(diào)遞增二次函數(shù),同時進(jìn)給速度和負(fù)載質(zhì)量均影響進(jìn)給系統(tǒng)的空載功率,但負(fù)載質(zhì)置對空載功率的影響極小M。通過對進(jìn)給軸進(jìn)給功率有關(guān)轉(zhuǎn)速的二次函數(shù)曲線擬合,可以得到進(jìn)給功率關(guān)于進(jìn)給速度之間的表達(dá)式，譬如：
& +4 % A +；^ +:y3; =:乂 +以 +=3。
式中:P,„，—加工中心在主軸處于轉(zhuǎn)速S,.下的空載功率A—加工中心在進(jìn)給軸處于進(jìn)給速度5下的進(jìn)給功率。
最后，所獲得的各項功率參數(shù)和時間參數(shù)代入到該能耗預(yù)測模型中，計算出各個電機(jī)消耗的與負(fù)載相關(guān)的能耗;將其與負(fù)載無關(guān)的能耗值相加進(jìn)行計算，可得出數(shù)控加工中心整個加工過程的總能耗,由此完成整個能耗預(yù)測工藝過程。
4案例研究
實驗設(shè)備:XK713數(shù)控加工中心。刀具:刀具采用三刃高速鋼立銑刀，材料為8Cr4V,直徑為10mm。工件材料:工件材料為45號鋼。加工要求:銑削深度S =lmm,銑削加工_段路徑。實際加工中,XK713數(shù)控加工中心運(yùn)行實測相關(guān)參數(shù)，如表1所示。并采用CAM軟件CAXA2013制造工程師模擬銑削加工過程，銑削路徑及NC代碼，如圖2所示。
|
表1 X K 713數(shù)控鐵床各部件運(yùn)行參數(shù)信息表Tab.1 The Runnng Parameters hforra atbn Table ofXK713 NC M illiig Machiie Parte
|
耗能原件
|
加工參數(shù)
|
運(yùn)行功率
|
運(yùn)行時間
|
|
主軸電機(jī)
|
主軸轉(zhuǎn)速
|
空載階段:374.95W
|
27.6s
|
|
|
5=200ryfn in
|
負(fù)載階段:406.63W
|
183.9s
|
|
Z進(jìn)給軸電機(jī)
|
快進(jìn)階段：v= 5000m myfn in負(fù)載階段：i；=80m m yfn in
|
408.20W
21.34W
|
1.7s
183.7s
|
|
y進(jìn)給軸電機(jī)
|
快進(jìn)階段：v= 5000mmyfn in
負(fù)載階段：i；=80m m yfn in
|
408.20W
21.34W
|
1,7s
146.2s
|
|
Z進(jìn)給軸電機(jī)
|
快進(jìn)階段：5000m m/fn in
負(fù)載階段：r=80m m yfn in
|
408.20W
21.34W
|
5,4s
22,4s
|
|
冷卻系統(tǒng)電機(jī)
|
|
40.14W
|
211.5s
|
|
伺服系統(tǒng)電機(jī)
|
|
309.89W
|
213.2s
|
|
總能耗
|
|
257.6kJ
|
|
|
對此段模_卩工NC代碼進(jìn)行解析，其分析結(jié)果，如表2所示。
基于獲取的基礎(chǔ)功率數(shù)據(jù)和通過NC代碼提取的各耗能部件運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，可以得到XK713數(shù)控加工中心各耗能部件運(yùn)行時的功率參數(shù)，如表2所示。因此，將各耗能部件的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)以及功率數(shù)據(jù)代入數(shù)控加工中心加工工件能耗預(yù)測模型中,通過式0) ~式Q ,可以預(yù)測出該段加工過程在XK713數(shù)控銳床上的總能耗及各耗能部件的能耗。
主軸"^進(jìn)給冷〇 +[固定
=158.5kJ+9.1kJ+10.5kJ+66kJ=244.1kJ
表2 N C代碼解析Tab.2 The PatserofNC Code
|
N C代碼
|
詳細(xì)信息
耗能部件 運(yùn)行狀態(tài)
|
|
N12G90G54G0X-5
0.Y-35.S200M03
|
加工中心伺服系統(tǒng)、主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)
|
快進(jìn)到X-50.Y-35,快進(jìn)時間為1.7s;主軸電機(jī)啟動，主軸轉(zhuǎn)速為200r/fn in
|
|
N14Z100.M 07
|
Z軸進(jìn)給電機(jī)、冷卻電機(jī)
|
切肖!1液開啟，Z軸電機(jī)快進(jìn)到Z100快進(jìn)時間為2s采用增量編程,Z軸電機(jī)沿Z
|
|
N16G91Z-86.
|
Z軸進(jìn)給電機(jī)
|
軸方向快進(jìn)-86，m m,快進(jìn)時
|
|
|
|
間為1.7s
|
|
|
|
Z軸電機(jī)垂直向下運(yùn)行
|
|
N18G01Z-15.F80
|
Z軸進(jìn)給電機(jī)
|
15mm,進(jìn)給速度為
|
|
|
|
80m m/fn in,加工時間為11.2s銑刀斜線加工運(yùn)動,進(jìn)給速
|
|
N20X50.Y70.
|
X、Y軸進(jìn)給電機(jī)
|
度為80mm/fn in,加工時間為
|
|
|
|
63.7s
|
|
N22G17G02X0.Y-70. IO.J-35.
|
X、Y軸進(jìn)給電機(jī)
|
銑刀曲線加工運(yùn)動,進(jìn)給速度為80mm A in,加工時間為82.5s
直線插補(bǔ)，向X軸方向移動
|
|
N24G01X-50.Y0.
|
X、Y軸進(jìn)給電機(jī)
|
-50mm,進(jìn)給速度為80m m yfn in,加工時間為37.5sZ軸電機(jī)向上移動15mm,進(jìn)
|
|
N26Z15.
|
Z軸進(jìn)給電機(jī)
|
給速度為80m m A in,退刀時
|
|
|
|
間為11.2s
|
|
N40G0Z86.
|
Z軸進(jìn)給電機(jī)
|
Z軸電機(jī)向上快速移動86mm,快退時間為1.7s
|
|
N42M 09
|
冷卻電機(jī)
|
切削液關(guān)閉
|
|
N44M05
|
主軸電機(jī)
|
主軸電機(jī)停止轉(zhuǎn)動
|
|
N46M 30
|
風(fēng)扇電機(jī)與伺服系統(tǒng)
|
數(shù)控加工中心關(guān)機(jī)
|
實際加工過程中，由于加工中心機(jī)械傳動系統(tǒng)中會產(chǎn)生各種機(jī)械損耗,通過功率測試儀與秒表測得的實際各部件功率及運(yùn)行時間與預(yù)測值存在一定的誤差，實際總能耗為£ s»=257.6kj,將實際能耗與該能耗預(yù)測方法獲得的能耗的誤差為5.34%。通過上述方法以及誤差分析可以看出,此數(shù)控加工中心加工工件能耗預(yù)測方法獲取的銑削加工能耗精度較高，與用功率測置儀器測得的數(shù)控銑床CK713在該段加工過程的能耗誤差基本保持在10%以內(nèi)，誤差值在應(yīng)用范圍之內(nèi)。因此，在實際工作中有著很好的參考價值。
5總結(jié)
隨著科技的進(jìn)步，數(shù)控加工中心加工工件能耗建模與許多其他科技領(lǐng)域發(fā)生交集。例如，數(shù)控加工中心加工工件能耗建模技術(shù)與信息通信技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)以及智能制造技術(shù)具有交集,運(yùn)用數(shù)控加工中心模擬加工能耗預(yù)測技術(shù)替代試切過程，節(jié)約該環(huán)節(jié)能耗,自動生成加工工件NC代碼并解析，預(yù)測出加工能耗，最后運(yùn)用_個加工實例驗證了該預(yù)測方法的可行性。該能耗預(yù)測方法可以運(yùn)用于車間生產(chǎn)調(diào)度與產(chǎn)品工藝方案評價中，為企業(yè)生產(chǎn)加工中能源精細(xì)化管理打下基礎(chǔ)。
此視頻詳細(xì)介紹了U600S高性能五軸加工中心各種參數(shù)及說明！… [了解更多]
本文以組合式六角亭模型為實例，分析工藝難點與加工可行性，指出該模型的加工難點是模型形狀不規(guī)則和整體剛性差，并通過設(shè)計新的工藝方案解決加工難點，完成了模型整體的加工。新的加工工藝有助于提高加工效率和精度，為五軸數(shù)控加工提供了一個典型案例，對于五軸加工中心數(shù)控加工也具有指導(dǎo)作用和重要… [了解更多]
宇匠數(shù)控 備注：為保證文章的完整度，本文核心內(nèi)容由PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試，手機(jī)瀏覽可能無法正常使用！本文摘要：通過對混聯(lián)五軸加工中心自適應(yīng)深度學(xué)習(xí)控制方法的 研 究，可 知 此 方 法 的 創(chuàng) 新 之 處 在 于：１）建 立 了 機(jī) 床 的 運(yùn) 動 學(xué) … [了解更多]
在機(jī)測量技術(shù)由于其成本低、檢測效率高、無需二次裝夾等優(yōu)勢被廣泛用于零件加工測量當(dāng)中，使得五軸加工中心和五軸鉆攻中心，同時又兼具測量功能。在機(jī)測量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，硬件部分主要是由高精度探頭、信號接收器、機(jī)床整個本體，軟件部分由機(jī)床控制系統(tǒng)、測量軟件等組成[8]。待零件加工完成… [了解更多]
?加工精度是影響機(jī)床性能和產(chǎn)品質(zhì)量的主要難題，也是制約國家精密制造能力的重要因素。本文以五軸加工中心為對象，針對提升機(jī)床精度進(jìn)行了研究。并且隨著科技的發(fā)展，精密的儀器和零件在生產(chǎn)實踐中占據(jù)的分量逐漸增加，在數(shù)控機(jī)床這種精密機(jī)器精度不斷提高的同時，必須控制內(nèi)外界環(huán)境的隨機(jī)影響因素在… [了解更多]
