數控銑床加工過程中能量效率在線檢測方法
【專利摘要】本發明提供一種數控銑床加工過程中能量效率在線檢測方法，采用以下步驟：1）機床加工前常量能耗檢測，2）機床加工中能量效率檢測、計算，其特征在于：步驟1）中，數控銑床在開機回參考點后，主軸、各進給軸不運動情況下，用功率分析儀測得機床待機功率；測量數控銑床主軸系統在工作轉速下的空載功率，以及X軸、Y軸、Z軸在指令進給速度下各軸的空載功率；步驟2）中，在數控銑床加工過程中，在線檢測主軸系統、X軸、Y軸、Z軸的輸入功率，計算出包括主軸、X軸、Y軸、Z軸在內的有效切削功率，機床消耗的總功率，以及機床能量效率。本發明優點是機床加工過程中有效切削功率及能量效率的檢測計算簡單、準確。
【專利說明】數控銑床加工過程中能量效率在線檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種機床能量效率檢測方法，特別是涉及一種數控銑床加工過程中能量效率在線檢測方法。
【背景技術】
[0002]根據中國統計局2010年數據，加工制造業的能源消耗占全國能源消耗總量的60%左右。但是加工制造業中能量效率較低，Gutowski等人指出在車削、銑削、磨削加工中，非切削操作消耗了絕大部分能量，而實際用于切削的能量約占總消耗能量的15%。機床可以看作是各種功能部件的集合體，主要包括主軸驅動部件、進給軸伺服驅動部件、液壓系統、冷卻潤滑系統、數控系統、外圍設備。在切削加工中這些部件都要消耗能量。對機床加工過程中能量效率的研究，有助于我們更清楚該機床的能量特性，并為采取有針對性的節能措施提供理論依據。
[0003]對現有的技術文獻檢索發現，許弟建等人在學術期刊《組合機床與自動化加工技術》(2010年第3期:P47-51)上發表的論文“機床功率測試系統設計與節能方法”中，基于有功功率傳感器和ADC采集卡，對CK6136數控車床在空載和負載運行下進行了有功功率測試；Shaohua Hu 等人在學術期刊《Journal of Cleaner Production)) (2012 年第 27 期:P133-140)上發表的論文“An on-line approach for energy efficiency monitoring ofmachine tools”中，將數控車床主軸系統輸入功率劃分為空載功率、切削功率和額外負載損耗功率，并將數控車床能量效率檢測簡化為主軸系統能耗檢測。這種車床能量效率檢測方法較簡單、有效。
[0004]數控銑床在銑削加工過程中，除了主軸切削，X、Y、Z進給軸也承受切削力，而且Z進給軸需要承受主軸箱的重量，Χ、Y進給軸需要承受工作臺、工件及夾具的重量。所以不僅主軸系統消耗電能，各進給軸也會消耗許多電能。理論上在各進給軸方向用力傳感器可測量切削分力，用速度傳感器可測實際速度，進而可計算各軸實際切削功率，但真正實現起來非常復雜，并且加工中會有各種擾動信號影響，使得很難準確測量、計算實際切削功率。
[0005]綜上所述，在數控銑床加工過程中，如何簡單準確地檢測計算有效切削功率及數控銑床能量效率，對于分析數控銑床的能量特性，對于研究如何優化加工參數、優化機床功能部件以降低能耗，具有重要的指導意義，已成為本領域技術人員急需解決的技術問題。

【發明內容】

[0006]本發明目的是提供一種簡單、準確的數控銑床加工過程中能量效率在線檢測方法。
[0007]其技術方案為:采用以下步驟:1)機床加工前常量能耗檢測，2)機床加工中能量效率檢測、計算，其特征在于:步驟1)中，數控銑床在開機回參考點后，主軸、各進給軸不運動情況下，用功率分析儀在數控銑床電源進線端測得機床待機功率令主軸以指令加工轉速空載運動，用功率分析儀測得主軸空載功率Z7su ;令X軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測得X軸空載功率Z7xu ;令Y軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測得Y軸空載功率/^yu ;令Z軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測得Z軸空載功率Pzu ;步驟
2)中，在數控銑床實際加工過程中，在能量效率檢測的每個采樣周期，用功率分析儀測出主軸輸入功率夂吣X軸輸入功率/^η、Y軸輸入功率產_、Z軸輸入功率Ain，將主軸輸入功率、X軸輸入功率、Y軸輸入功率、Z軸輸入功率、數控銑床待機功率Λι相疊加，得到該采樣周期數控銑床消耗的總功率/^=/^+/^+/^+/^+/^1;在該采樣周期由主軸輸入功率、主軸空載功率得到主軸切削功率Ac=Z7sin-Zisu ；當X軸方向有切削運動即H時，令X軸切削功率P;P‘Pm，當X軸方向無切削運動即Z7xin≤4時，令4=0 ;當Y軸方向有切削運動即U時，令Y軸切削功率Λ。#--'，當Y軸方向無切削運動即P.(Pia時，令Λ。=0 ;當Z軸方向有切削運動即AinYzu時，令Z軸切削功率/^=Z7zin-Z7zu,當Z軸方向無切削運動即Pzin ( Pm時，令Z7zc=O ;將主軸切削功率、X軸切削功率、Y軸切削功率、Z軸切削功率疊加得到該采樣周期數控銑床有效切削功率Pvalid=/:+/;+/^+/:,則該采樣周期數控銑床的能量效率為 n =AalidZ^miX 100%。
[0008]本發明與現有方法相比，其優點包括:在數控銑床加工過程中，不僅考慮了主軸系統，而且考慮了 x、Y、z進給軸來計算有效切削功率，計算方法更加準確；數控銑床加工過程中能量效率在線檢測方法簡單、有效。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發明的數控銑床加工過程中能量效率在線檢測流程圖。
[0010]圖2是本發明的數控銑床加工過程中能量效率在線檢測系統結構圖。
[0011]圖3是采用本發明時數控銑床加工過程中能量效率曲線圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合圖1對本發明做進一步詳細描述。
[0013]步驟1)，數控銑床在開機回參考點后、正式切削加工前，主軸、各進給軸不運動，用功率分析儀在數控銑床電源進線端測得機床待機功率Λι;令要執行的加工程序中設定的最大主軸轉速為主軸指令加工轉速，設定的最大進給速度為各進給軸的指令進給速度，令主軸以指令加工轉速空載運動,用功率分析儀測主軸伺服單元的功率得到主軸空載功率Au;令X軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測X軸伺服單元的功率得到X軸空載功率4 ;令Y軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測Y軸伺服單元的功率得到Y軸空載功率/^yu ;令Z軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測Z軸伺服單元的功率得到Z軸空載功率/^。
[0014]步驟2)，在數控銑床實際加工過程中，在能量效率檢測的每個采樣周期，用功率分析儀測出主軸輸入功率/^in、x軸輸入功率/^η、y軸輸入功率/^η、ζ軸輸入功率Z7zin，將主軸輸入功率、X軸輸入功率、Y軸輸入功率、Z軸輸入功率、數控銑床待機功率Λι相疊加，得到該采樣周期數控銑床消耗的總功率;在該采樣周期由主軸輸入功率、主軸空載功率得到主軸切削功率^c=Z7sin-/:;當X軸方向有切削運動即PJPm時，令X軸切削功率當X軸方向無切削運動即Z7xin ( Pm時，令Z7xc=O ;當Y軸方向有切削運動即Z7yinYyu時，令Y軸切削功率--η-/^，當Y軸方向無切削運動即Pnn≤/^yu時，令Z7yc=O ;當Z軸方向有切削運動即PJPm時，令Z軸切削功率/^=ZjzinT0zu,當Z軸方向無切削運動即P咖(Pm時，令Ac=O ;將主軸切削功率、X軸切削功率、Y軸切削功率、Z軸切削功率疊加得到該采樣周期數控銑床有效切削功率則該采樣周期數控銑床的能量效率為 n =Z7validZ^sumX 100%。
[0015]本發明在圖2所示的數控銑床能量效率在線檢測系統中獲得實現:所用機床為三軸CINCINNATI數控立式銑床。該機床主軸用1PH7伺服電機驅動，X軸、Y軸、Z軸均用1FK7伺服電機驅動。用Fluke功率分析儀進行功率信號的采集和分析，其中在電流信號采集時用到了分流器進行信號轉換。將功率分析儀的采集數據實時地經USB傳輸到PC機，進行功率數據存儲，計算消耗的總功率和有效切削功率，并在線計算能量效率。
[0016]下面結合圖3所示試驗結果對本發明做進一步說明:在工件上進行銑槽加工時，做了能量效率的在線檢測試驗。所用招合金毛還塊尺寸是220 mmX20 mmX 15 mm,使用的刀具為直徑20 mm的端銑刀。加工參數為:主軸指令加工轉速S=1000 r/min，背吃刀量ap=0.5 mm,指令進給速度為r=150 mm/min,側吃刀量七坤.5 mm,沿X軸方向進行統槽加工。在加工過程中用圖2所示系統進行能量效率檢測，能量效率曲線如圖3所示，銑槽加工時平均能量效率為13.0966%。[0017]本發明在檢測數控銑床能量效率時，不僅考慮了主軸系統，而且考慮了 X、Y、Z進給軸來計算有效切削功率，計算方法更加準確；提出的數控銑床加工過程中能量效率在線檢測方法簡單、有效。該
【發明內容】
不僅應用于數控銑床，也可推廣到數控車床、數控刨床、數控磨床的能量效率在線檢測。
【權利要求】
1.一種數控銑床加工過程中能量效率在線檢測方法，采用以下步驟:1)機床加工前常量能耗檢測，2)機床加工中能量效率檢測、計算，其特征在于:步驟I)中，數控銑床在開機回參考點后，主軸、各進給軸不運動情況下，用功率分析儀在數控銑床電源進線端測得機床待機功率Λι;令主軸以指令加工轉速空載運動，用功率分析儀測得主軸空載功率Au ?軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測得X軸空載功率Z7xu ;令Y軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測得Y軸空載功率/^yu ;令Z軸以指令進給速度空載運動，用功率分析儀測得Z軸空載功率/^u ;步驟2)中，在數控銑床實際加工過程中，在能量效率檢測的每個采樣周期，用功率分析儀測出主軸輸入功率^in、X軸輸入功率/^η、Υ軸輸入功率/^η、ζ軸輸入功率Z7zin,將主軸輸入功率、X軸輸入功率、Y軸輸入功率、Z軸輸入功率、數控銑床待機功^Adie相疊加，得到該采樣周期數控銑床消耗的總功率;在該采樣周期由主軸輸入功率、主軸空載功率得到主軸切削功率/^=Z7sin-/:；當X軸方向有切削運動即AinYxu時，令X軸切削功率Pxc=^inTV當X軸方向無切削運動即Z7xin≤Z7xu時，令4=0 ；當Y軸方向有切削運動即Z7yinYyu時，令Y軸切削功率--η-/^，當Y軸方向無切削運動即P.( Pia時，令Z7yc=O ；當Z軸方向有切削運動即PJPm時，令Z軸切削功率當Z軸方向無切削運動即Ain≤Au時，令圪=0 ;將主軸切削功率、X軸切削功率、Y軸切削功率、Z軸切削功率疊加得到該采樣周期數控銑床有效切削功率則該采樣周期數控銑床的能量效率為IKalidZZisumX 100%。
【文檔編號】G05B19/406GK103676782SQ201310695859
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】趙國勇, 趙慶志, 趙玉剛 申請人:山東理工大學