趙平，胡韶華

(1. 重慶工業(yè)職業(yè)技術學院，重慶401120;2. 中煤科工集團重慶研究院，重慶400050)

近年來，隨著制造業(yè)能源消耗問題和環(huán)境影響問題的日益嚴峻，與可持續(xù)制造(Sustainable Manufacturing)或綠色制造(Green Manufacturing)相關的機械制造系統能量問題研究逐步開展并且越來越活躍。機械加工系統具有能耗消耗量大、能量利用率低的特點。以中國為例，機床保有量約700 多萬臺左右，總的額定功率為3 500 ×104～7 000 ×104kW，是三峽電站總裝機容量2 250 ×104kW 的1.5 ～3 倍［1］;同時，大量統計調查表明機床能量利用率(金屬切削機床能量利用率=分離材料的切削能耗/輸入機床電機的總能耗)普遍低于30%［2］。美國麻省理工學院的GUTOWSKI 教授研究的一臺大型機械加工生產線用于加工的能量消耗甚至僅占總能量消耗的14.8%［3－4］。

因此，對機床能耗問題研究越來越受到關注。國際標準化委員會于2010 年10 月26 日起草了機床節(jié)能化評估和設計標準ISO/WD 14955-1［5］;世界著名的Rockwell 公司在其發(fā)布的產品白皮書中提出一種將MES 系統擴展到提高生產過程能量效率的方法［6］;美國能源部設立了依托佐治亞理工學院、密歇根大學等26 所美國知名高校的“工業(yè)評估中心(Industrial Assessment Centers，IAC)”［7］，以提高制造企業(yè)生產過程的能量效率作為該評估中心的首要目標。評估對象囊括了電機系統、機床裝備及其輔助裝置，以及設備生產運行等作業(yè)車間的各種生產要素和過程［8］;評估過程主要采用小組現場調研和專家決策相結合的方式開展，通過調查問卷的方式采集車間現場的能量數據［9］。ALHOURANI 等在參與了該評估中心的大量評估工作后指出，通過對大量企業(yè)生產現場制造過程的調查，缺少可獲取的車間制造過程的現場能耗信息是阻礙中小企業(yè)實施能量管理的障礙之一［10］。HERRMANN 等提出了一種通過過程鏈仿真的方法，用于提高制造過程中的能量效率［11］。LAU 等人提出了一種基于模糊邏輯的預測制造系統能量消耗變化趨勢的方法［12］。GONG 等指出作業(yè)車間等離散制造業(yè)存在節(jié)能的潛力巨大，對車間能量消耗進行計算和估計可以用于輔助工藝評價和調度，也是進行能量管理的基礎;但由于目前對這方面的研究較少，作者采用的是一種基于經驗推理的方法，來進行車間能量消耗的計算估計［13］。

對機床進行能耗評估的關鍵在于實時測量機床的用于切削的能耗。文獻［14］ 提出了一種基于XML的制造裝備間信息交互的MTConnect 協議，開發(fā)了機床能耗實時監(jiān)測系統，該系統可以實時判別機床狀態(tài)并實時測量機床能耗，為實時獲取機床能耗信息提供了數據支持。但是，該系統不能獲取實時加工能耗。獲取機床加工能耗有兩種方法:一種是直接測量法，通過直接測量加工時的切削扭矩(或切削力)和轉速，該方法需要在機床上安裝扭矩(或力)傳感器，不僅影響機床剛性而且價格高、易受環(huán)境影響［15］;另一種是間接測量法，就是通過測量機床輸入功率間接獲取切削功率，該方法只需安裝性價比較高的功率傳感器而且不影響機床剛性，目前用此方法來進行車間能耗評估的文獻尚未報道。

針對機床能耗難以在線實時監(jiān)測的問題，作者提出了一種機床能耗在線監(jiān)測方法?；跈C床能耗特性的最新研究成果［16］，通過測量機床主軸實時功率，結合機床主傳動系統的功率平衡方程和附加載荷損耗特性估計出切削功率，從而實時監(jiān)測機床能耗狀態(tài)。

1 在線監(jiān)測模型

數控機床具有能量源多、能流環(huán)節(jié)多、能量運動規(guī)律和損耗規(guī)律復雜等特點。其中能量源的特點多體現在數控機床包含有主軸旋轉運動、進給軸(通常不少于3 個坐標軸)以及冷卻排屑等其他能耗源;能耗環(huán)節(jié)多體現在運動軸通常由驅動控制(變頻器或者伺服驅動器)、電機和機械傳動鏈等能耗環(huán)節(jié)構成;能量流的運動和損耗規(guī)律復雜，體現在每個能耗環(huán)節(jié)都有復雜的能耗損耗特性，比如電機就包含有銅損、鐵損和雜散損耗等。因此，有效監(jiān)測機床能耗效率，能量利用率是一個非常復雜的問題。文獻［17］采用統計的方法對機床各個能耗部件建立了機床能耗的統計模型，從圖1 可以清楚看到:機床能耗環(huán)節(jié)主要由加工能耗和非加工能耗組成，加工能耗是機床載荷的函數。該方法用統計方法揭示了機床能效與機床載荷之間的關系，不能對機床能效進行在線監(jiān)測和評估;監(jiān)測切削能耗需要獲取切削功率，直接測量加工時的切削扭矩(或切削力)和轉速需要在機床上安裝扭矩(或力)傳感器，不僅影響機床剛性而且價格高易受環(huán)境影響。因此，作者提出一種基于機床載荷損耗特性的監(jiān)測方法解決對機床能耗在線監(jiān)測問題，無需扭矩傳感器(或力傳感器)測量機床切削能耗。

圖1 機床各部件能耗模型［17］

從圖1 可以看出，機床能耗主要包括固定能耗和可變能耗兩個部分，固定能耗部分與加工狀態(tài)無關，可變能耗與加工狀態(tài)密切相關。具體而言，可變能耗就是指用于加工狀態(tài)的切削能耗。根據文獻［2］ 可知，切削能耗主要是指機床主軸消耗的功率，因此可以將對機床的能耗在線監(jiān)測簡化為對機床主軸能耗的監(jiān)測。作者提出以實時監(jiān)測主軸功率和離線獲取固定能耗相結合的機床在線能耗監(jiān)測系統。

如圖2 所示，該監(jiān)測系統分為以下三大部分:

圖2 機床能耗監(jiān)測模型

(1)獲取非加工狀態(tài)固定能耗值。根據ISO/WD 14955-1［5］，非加工狀態(tài)能耗 (Ready for Operation，RFO)定義為:在機床準備好的狀態(tài)下，主機(數控系統電腦)、機床控制器、外設單元(包括潤滑、冷卻)、驅動器及其電機開啟但是機床主軸和進給電機沒有運動時的能耗(Prfo)。離線獲取機床非加工狀態(tài)能耗值，放入數據庫中。

(2)獲取加工狀態(tài)可變能耗值。先對實時獲取的主軸功率進行濾波預處理，再根據輸入功率對機床運行狀態(tài)進行在線判斷，然后利用機床載荷損耗特性估計出切削功率，最終獲取可變能耗。估計切削功率的目的是不需要在線測量切削力(或者力矩)而是通過測量主軸輸入功率間接獲取切削功率值，具體方法和實現見第2.1 節(jié)。

(3)機床能耗統計及相關信息顯示。根據切削功率和輸入功率，實時計算機床能耗效率和能量利用率。按照文獻［2］的定義，機床能量效率η 是指機床切削功率與機床輸入功率之比，機床能量利用率U是指在一段時間內，機床切削能量和輸入能量之比。顯然，機床能量效率是一個瞬時量，機床能量利用率是一個過程量，分別按照如下公式計算:

式中:Pc(t)為t 時刻機床切削功率;Pin(t)為t 時刻機床主傳動系統輸入功率;Prfo(t)為t 時刻機床非加工狀態(tài)功率值，一般為常數。

其中，部分(2)中基于機床載荷損耗特性的切削功率在線估計是核心。為實現該監(jiān)測方法，主要需要機床運行狀態(tài)在線判斷和機床切削功率在線估計兩大關鍵技術。下面對這兩大關鍵技術做詳細討論。

2 關鍵技術

2.1 機床運行狀態(tài)在線判別

一個完整加工過程包含3 個典型的機床狀態(tài):機床啟動、空載、加工(即切削)。圖3 是一個數控車床工件加工過程主軸電機的輸入功率曲線，該加工過程由粗車外圓及端面切削兩個工步組成，車削轉速不變。機床主軸功率曲線實質上是機床不同運行狀態(tài)的功率特性的反映，包括幾個典型部分:機床啟動階段，進退刀時的機床空載階段，機床加工階段(外圓加工、端面加工等)。因此，如何根據實時功率值準確判別機床是對機床能耗進行監(jiān)測的關鍵步驟。

圖3 加工過程中機床狀態(tài)和功率曲線關系圖

(1)信號預處理濾波處理。由于輸入功率存在電壓電流波動和測量噪聲干擾的問題，采用計算量小的滑動濾波器 (Moving Average Filter，MA)［18］估計空載功率:

式中:Pin(k)為k 時刻的輸入功率采樣值)為t時刻的輸入功率Pin(t)估計值;L 為滑動濾波器長度，可以根據實際情況選擇，一般取5 ～10 之間的整數。

(2)主軸啟動的判斷。將濾波后的實時功率值送入一個緩沖數組M［n］(該數組在停機狀態(tài)時清零)，判斷實時功率值是否大于某一設定常數(該常數應該大于功率傳感器的零漂值，一般為幾十瓦以內)。如果數組中出現兩個以上大于該常數的數值時，將機床狀態(tài)判斷為主軸啟動，置機床狀態(tài)標志STATUS_FLAG=01 (00 表示主軸停止;01 表示主軸啟動;10 表示主軸空載;11 表示加工)。

(3)主軸空載狀態(tài)的判斷。主軸空載狀態(tài)是在主軸啟動狀態(tài)啟動后，加工狀態(tài)啟動之前的一個相對功率平穩(wěn)的狀態(tài)。判斷機床空載狀態(tài)有如下3 個步驟:①)檢查機床狀態(tài)是否為啟動，若是轉入步驟②;②判斷數組M［n］中是否平穩(wěn)，若是轉入步驟③，否則返回步驟①;③置機床狀態(tài)標志STATUS_FLAG=10，并將當前值作為主軸功率值Pu。

(4)主軸加工狀態(tài)的判斷。判讀當前功率值與空載功率值是否超過某一范圍，如為機床加工，置機床狀態(tài)STATUS_FLAG = 11，即 (P^in(i)－ Pu)/Pu≥C(C 為一常數，根據空載時功率波動情況確定，一般為5%左右)。

2.2 基于機床載荷損耗特性的切削功率在線估計

在線估計出機床切削功率是機床能效監(jiān)測技術的核心，這里討論從機床主傳動系統輸入功率估計出機床切削功率的相關技術。

2.2.1 機床主傳動系統的功率平衡方程

機床主傳動系統一般包括電機驅動、電機和機械傳動(含主軸)3 個部分，每個部分的能量消耗都比較復雜。文獻［2］將主傳動系統的功率簡化為空載功率、切削功率和附加載荷損耗功率3 個部分(圖3)。其中，空載功率、切削功率和附加載荷損耗功率的定義如下:

空載功率Pu(t):機床主傳動系統在某一指定轉速下穩(wěn)定運行且尚未加工的狀態(tài)稱為空載狀態(tài)，其間所消耗的功率稱為空載功率。

切削功率Pc(t):機床主傳動系統在切削狀態(tài)下用于去除工件材料所消耗的功率。

附加載荷損耗Pa(t):機床主傳動系統由于載荷(切削功率)而產生的附加損耗。這部分損耗只在切削狀態(tài)下存在。

從圖4 可以看出，機床主傳動系統的輸入功率可以分空載功率、切削功率和附加載荷損耗功率:

其中:附加載荷損耗功率是在切削狀態(tài)下電機和機械傳動部分產生的附加電損和機械損耗［16］，附加載荷損耗的測量也很復雜，不可直接準確測量。文獻［2］研究表明附加載荷損耗與切削功率之比(負載載荷損耗系數)是一個0.15 ～0.25 之間的常數。不過最新研究發(fā)現［16］，附加載荷損耗系數不是一個常數，而是與切削功率成正比。即:

由式(4)、(5)得:

由式(6)可知，只要測量出輸入功率Pin、空載功率Pu，就可以估計出附件載荷損耗Pa和切削功率Pc。

圖4 機床穩(wěn)態(tài)運行時主軸功率流圖

在確定了機床狀態(tài)STATUS_FLAG =11 的情況下(按照第2.1 節(jié)中步驟)，如果確定了空載功率Pu，附加損耗函數系數a0、a1，就可以方便地按如下步驟估計出切削功率Pc，因此，確定附加載荷函數系數十分重要。

2.2.2 確定附加損耗函數系數a0，a1

由方程(6)可知:在選定轉速下，先測得空載功率Pu，然后測量適當切削參數下的切削功率［16］，通過函數擬合求解附加損耗函數系數a0，a1。

式中:l 為切削實驗次數，l≥2;Pcl為第l 次實驗的切削功率測量值;Pn，u為在轉速n 時機床主軸的空載功率測量值。

2.2.3 在線估計切削功率Pc

附加載荷損耗系數矩陣可以通過方程(6)確定，結合方程(3)、(7)可以得到切削功率，即

式中:Pu(t)為t 時刻機床主軸空載功率值(按2.1(2)確定);為t 時刻機床主軸輸入功率值(按方程(3)確定)。

3 實驗研究以及案例應用

由于切削功率估計是否有效是機床能效監(jiān)測的關鍵，所以先通過實驗的方法對其有效性進行驗證，然后通過一個應用案例對基于文中方法自主開發(fā)的機床能效監(jiān)測軟件進行驗證。

3.1 切削功率估計驗證實驗

3.1.1 實驗設備以及測量裝置介紹

在一臺數控車床CJK6136 上進行了相關實驗(圖5 所示)，該數控機床主軸系統的相關技術參數見表1。用功率傳感器EDA9033A［19］來測量主傳動系統的輸入功率，同時為了驗證功率還臨時安裝了扭矩傳感器，由于該扭矩傳感器可以同時測量主軸轉速，因此可以獲得瞬時切削功率［20］。功率傳感器與扭矩傳感器的數據采樣周期均為50 ms，數字濾波器長度為5。

圖5 數控車床CJK6136 切削功率估計驗證實驗

表1 主軸的技術參數

3.1.2 附加載荷特性函數辨識

在數控機床CJK6136 上做了大量的切削實驗(切削條件見表2，詳細實驗過程見文獻［16］)，辨識出該機床的附加載荷損耗函數為:

表2 附加載荷損耗特性函數辨識實驗參數

3.1.3 切削功率估計結果

該實驗是對一個長60 mm、直徑為59 mm 的45號鋼棒料車外圓加工。在主軸轉速800 r/min 下分別作了3 組切削實驗來驗證該功率估計算法的有效性，具體切削參數見表3，實驗結果見表4。實驗結果表明，該功率估計算法估計出的切削功率誤差在5%以內。

表3 實驗的切削條件與參數

表4 切削功率估計結果

3.2 應用案例

根據文中方法，自主研發(fā)了一套機床能耗在線監(jiān)測系統(圖6)。

圖6 機床能耗在線監(jiān)測系統軟件界面

如圖所示情況是某班次用數控車床CJK6136 精加工一批軸類零件，能量利用率均很低 (0.3%)，比上一班粗加工能量利用率(8.25%)低得多。將該系統嵌入到MES 軟件中實時監(jiān)測機床設備的能耗利用狀況，為車間高效低碳運行提供實時數據支持。

4 結論

提出了一種無需力矩(或力)傳感器的機床能耗在線監(jiān)測方法，該方法通過實時測量機床主軸功率，運用功率平衡方程和載荷損耗特性函數實時估計機床的可變有用切削能耗。切削實驗驗證了運用機床載荷損耗特性方法的有效性。同時，開發(fā)了一套機床能耗監(jiān)測軟件，可以嵌入到MES 系統中，為車間高效低碳運行提供實時數據支持。

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