王 超 劉 飛 庹軍波

重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400030

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一種數(shù)控切削機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)在線判別方法

王 超 劉 飛 庹軍波

重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400030

機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)由一系列的能耗狀態(tài)節(jié)點(diǎn)和能耗過程構(gòu)成。針對(duì)至今仍存在一些關(guān)鍵狀態(tài)節(jié)點(diǎn)無法判別等問題，提出了一種數(shù)控機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)在線判別方法。該方法基于數(shù)控機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)和狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)分析，并綜合機(jī)床功率信息和數(shù)控系統(tǒng)通信信息，提出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)狀態(tài)與過程狀態(tài)在線判別方法，解決了切削加工開始、完成等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和精加工狀態(tài)判別等難題，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床全部運(yùn)行能耗狀態(tài)的在線判別。在FANUC數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行的案例研究驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

數(shù)控機(jī)床；能耗狀態(tài)；在線判別；狀態(tài)節(jié)點(diǎn)

0 引言

我國(guó)機(jī)床及其機(jī)械加工系統(tǒng)分布量大面廣，能量消耗總量巨大，能量利用率低，節(jié)能潛力大[1]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了ISO/DIS-14955 機(jī)床環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其重點(diǎn)是提高機(jī)床的能量效率，實(shí)現(xiàn)機(jī)床行業(yè)的節(jié)能降耗。美國(guó)能源部專門設(shè)立了以提高制造企業(yè)生產(chǎn)過程的能量效率作為首要目標(biāo)的“工業(yè)評(píng)估中心”[2]。機(jī)械加工制造系統(tǒng)或機(jī)床的能量效率引起了學(xué)者的廣泛研究[3]。

機(jī)床運(yùn)行能效在線監(jiān)測(cè)是機(jī)床能量效率研究和提升的重要基礎(chǔ)。TRISTO等[4]提出了一種基于MT Connect標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的機(jī)床能耗自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，但未涉及運(yùn)行能耗狀態(tài)的判別，因此無法識(shí)別機(jī)床加工狀態(tài)并獲取機(jī)床能量效率。HU等[5]提出了一種基于主傳動(dòng)系統(tǒng)功率平衡方程的機(jī)床能效在線監(jiān)測(cè)方法，但其功率閾值判別法還具有精加工狀態(tài)無法識(shí)別的問題。

機(jī)床能效監(jiān)測(cè)離不開機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)的判別，它是獲取機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)運(yùn)行能效監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。已有文獻(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)進(jìn)行了研究，并取得了一定進(jìn)展。DURO等[6]提出了一種基于多傳感器信息融合的數(shù)控機(jī)床加工狀況在線監(jiān)測(cè)方法，但加裝的傳感器安裝困難，價(jià)格高且使用不方便，實(shí)際中很難應(yīng)用。HUANG等[7]對(duì)機(jī)床主軸啟動(dòng)能耗進(jìn)行了研究，提出了主軸啟動(dòng)過程狀態(tài)及其節(jié)點(diǎn)的判別方法，但未對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行研究，不能實(shí)時(shí)獲取機(jī)床能量效率。HE等[8]提出了通過分析NC代碼來研究機(jī)床運(yùn)行過程中各能耗部件的能耗情況的方法，但該方法僅用于能耗的分析和預(yù)測(cè)，并不是一種在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用方法，且其認(rèn)為的加工開始、完成點(diǎn)實(shí)際為刀具運(yùn)動(dòng)啟停點(diǎn)，而不是刀具實(shí)際接觸工件進(jìn)行加工時(shí)刻點(diǎn)和加工完成后刀具與工件脫離接觸的時(shí)刻點(diǎn)。劉高君等[9]提出了一種人機(jī)交互式機(jī)床加工狀態(tài)判別方法，但該方法需要人為實(shí)時(shí)操作，車間應(yīng)用較為不便。

綜上所述，關(guān)于機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)的判別,現(xiàn)有研究仍然無法完全實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的在線判別以及關(guān)鍵狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的在線判別，導(dǎo)致機(jī)床能效監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)無法準(zhǔn)確進(jìn)行。由此，本文基于機(jī)床功率信息和通信信息的集成，對(duì)機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)判別問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，期望能夠解決切削加工過程所有能耗過程狀態(tài)及所有節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的判別，形成一種簡(jiǎn)單、實(shí)用和較準(zhǔn)確的判別方法。

1 運(yùn)行能耗狀態(tài)分析

1.1 運(yùn)行能耗狀態(tài)

本文以數(shù)控機(jī)床對(duì)某一個(gè)零件車削加工過程為例，對(duì)機(jī)床運(yùn)行過程中運(yùn)行能耗狀態(tài)進(jìn)行分析。該零件加工工藝為先進(jìn)行外圓車削加工，然后以相同的轉(zhuǎn)速車削端面。

分析圖1可知，機(jī)床加工過程能耗狀態(tài)可以分為機(jī)床電氣啟動(dòng)能耗狀態(tài)(machine tool power-on start，PS)a、機(jī)床待機(jī)能耗狀態(tài)(machine tool standby，MS)b、機(jī)床主軸啟動(dòng)能耗狀態(tài)(machine tool spindle start，SS)c、機(jī)床空載能耗狀態(tài)(machine tool empty load，EL)d、機(jī)床空走刀能耗狀態(tài)(machine tool empty cutting，EC)e、機(jī)床加工能耗狀態(tài)(machine tool cutting，MC)f 6類。機(jī)床加工過程運(yùn)行能耗狀態(tài)分析如圖2所示。

圖1 機(jī)床輸入功率曲線Fig.1 Curve of machine tool input power

圖2 機(jī)床加工過程運(yùn)行能耗狀態(tài)分析Fig.2 Analysis of operation and energy consumption state of machine tool machining process

對(duì)狀態(tài)e進(jìn)行說明：機(jī)床在加工前后的走刀路線設(shè)定上留有一定的距離，使刀具以切削進(jìn)給速度接近或遠(yuǎn)離工件，以防撞刀等機(jī)床故障的發(fā)生。此過程中刀具空切而非實(shí)際加工，本文稱此過程狀態(tài)為空走刀能耗狀態(tài)。

上述機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程具有普遍性，對(duì)于數(shù)控切削機(jī)床的任一加工運(yùn)行過程，其運(yùn)行能耗狀態(tài)均可分為上述6類狀態(tài)。

1.2 狀態(tài)節(jié)點(diǎn)分析模型

本文將運(yùn)行能耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)稱為狀態(tài)節(jié)點(diǎn)。狀態(tài)節(jié)點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：

(1)相對(duì)瞬時(shí)性。狀態(tài)節(jié)點(diǎn)作為機(jī)床狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，包含了狀態(tài)的啟停過程，此過程相對(duì)于機(jī)床狀態(tài)過程時(shí)段來說時(shí)間很短，具有相對(duì)瞬時(shí)的特性。可將狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的判別作為狀態(tài)啟停的依據(jù)。

(2)時(shí)段出現(xiàn)重復(fù)性。在機(jī)床加工過程的整個(gè)運(yùn)行時(shí)段上，重復(fù)出現(xiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)也是重復(fù)的。

機(jī)床加工過程中的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)分析如圖3所示。由圖3可見，節(jié)點(diǎn)分析模型將機(jī)床運(yùn)行過程分為6種過程狀態(tài)和10種狀態(tài)節(jié)點(diǎn)。除機(jī)床啟停以外，一個(gè)狀態(tài)的開始節(jié)點(diǎn)也為上一個(gè)狀態(tài)的結(jié)束節(jié)點(diǎn)，如EL結(jié)束到EC開始的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱EL-EC節(jié)點(diǎn)。

EC-MC、MC-EC節(jié)點(diǎn)作為MC狀態(tài)的開始、完成節(jié)點(diǎn)，其判別是MC狀態(tài)判別的基礎(chǔ)，也是獲取機(jī)床有效加工時(shí)間與有效加工能量，從而計(jì)算機(jī)床設(shè)備利用率與能量效率的關(guān)鍵。本文將這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)判別上，本文將MC分為粗加工(或半精加工)和精加工兩種情況進(jìn)行討論，并提出了一種精加工狀態(tài)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的Δt-α判別法。其余一般節(jié)點(diǎn)的判別方法在過程狀態(tài)判別中進(jìn)行討論。

圖3 機(jī)床運(yùn)行過程的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)分析Fig.3 Analysis of state node of machine tool operation process

2 運(yùn)行能耗狀態(tài)在線判別方法

本文提出基于功率信息和通信信息相結(jié)合的機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)在線判別方法。該方法先由機(jī)床設(shè)備端獲取運(yùn)行能耗狀態(tài)判別所需的功率信息和通信信息，然后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及過程狀態(tài)的在線判別。

(1) 功率信息獲取。多路功率測(cè)量終端第一路的電流互感器與電壓夾線鉗安裝于機(jī)床總電源U、V、W三相線上，監(jiān)測(cè)機(jī)床總電源輸入處實(shí)時(shí)功率Pin(t)，第二路的電流互感器安裝主加工系統(tǒng)U、V、W三相線處，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)功率PM_in(t)。獲取的能耗數(shù)據(jù)信息傳輸至終端。終端的程序?qū)Υ谶M(jìn)行讀取操作，并對(duì)功率信息進(jìn)行濾波處理。

(2)通信信息獲取。本文基于數(shù)控系統(tǒng)以太網(wǎng)功能，通過數(shù)控廠商提供的對(duì)外編程接口自主編程，建立終端到CNC的以太網(wǎng)通信獲取通信信息。

用于機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)判別的通信信息為：①主軸轉(zhuǎn)速信息Spindle_Speed和各進(jìn)給軸轉(zhuǎn)速信息Axis(x)_Speed(x為進(jìn)給軸編號(hào))；②當(dāng)前執(zhí)行的NC代碼NCProgram_Executing。

2.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)狀態(tài)在線判別

2.1.1 EC-MC節(jié)點(diǎn)在線判別

EC-MC節(jié)點(diǎn)判別的前提是EL-EC節(jié)點(diǎn)的判別。EL-EC節(jié)點(diǎn)判據(jù)為：通信信息Spindle_Speed>0、Axis(x)_Speed>0，且NCProgram_Executing為G01、G02、G03或固定循環(huán)程序段。記錄EL-EC節(jié)點(diǎn)時(shí)刻為tEL-EC。

功率采集終端的數(shù)據(jù)是按照采樣間隔Δt=1/f(f為采樣頻率)存儲(chǔ)的，用Pn表示機(jī)床主加工系統(tǒng)第n個(gè)時(shí)間段輸入的功率值。設(shè)定閾值α(α為經(jīng)驗(yàn)閾值，一般取3%)。

(1)若在EL-EC節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)后至EC-EL節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)前的某時(shí)刻，功率值滿足：

(1)

式中，Puo為空走刀功率。

則記錄EC-MC節(jié)點(diǎn)時(shí)刻為tEC-MC，判斷此加工狀態(tài)為粗加工狀態(tài)。

(2)本文設(shè)定Δt1為加工前空走刀狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)的普適量，若在EL-EC節(jié)點(diǎn)后的Δt1內(nèi)，功率值都未滿足式(1)，則有理由認(rèn)為加工采用了較小的加工用量以至于功率躍變不明顯。判斷此加工狀態(tài)為精加工狀態(tài)，并認(rèn)為精加工狀態(tài)開始時(shí)刻

tEC-MC=tEL-EC+Δt1

(2)

本文采用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)Δt1進(jìn)行獲取。對(duì)10件數(shù)控車床典型工件實(shí)際加工過程中若干加工工步的Δt1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到其概率分布直方圖。分別使用Burr分布、Weibull分布和正態(tài)分布對(duì)直方圖進(jìn)行擬合并計(jì)算卡方值，分別為0.1885、75.8564、101.2832，由此可見，Burr分布擬合度最好。用Burr分布對(duì)直方圖進(jìn)行擬合，得到圖4所示的概率密度分布。

圖4 Δt1概率密度分布圖Fig.4 The probability density distribution of Δt1

密度函數(shù)

(3)

數(shù)據(jù)有90%的概率落在區(qū)間[1.04 3.66]，計(jì)算其期望作為結(jié)果，得

Δt1=1.79 s

(4)

本文以車削加工零件為例來說明獲取方法，其他加工方式可參照上述過程進(jìn)行獲取。

這里需要對(duì)一些特殊情況的處理作補(bǔ)充說明。若在判定精加工狀態(tài)后的某時(shí)刻，功率滿足式(1)，即出現(xiàn)粗加工狀態(tài)判別與精加工狀態(tài)判別沖突,此時(shí)狀態(tài)判據(jù)以功率信息為準(zhǔn)，取消精加工狀態(tài)判別，并判定此時(shí)為粗加工狀態(tài)EC-MC節(jié)點(diǎn)。原因是：加工工件形狀較為復(fù)雜，每一個(gè)工步加工前，實(shí)際空走刀時(shí)間相較于Δt1更長(zhǎng)，造成了精加工狀態(tài)EC-MC節(jié)點(diǎn)判別判據(jù)先被滿足而產(chǎn)生誤判。

2.1.2 MC-EC節(jié)點(diǎn)在線判別

本節(jié)在機(jī)床處于MC基礎(chǔ)上進(jìn)行加工結(jié)束節(jié)點(diǎn)的判別。上文對(duì)EC-MC節(jié)點(diǎn)的判別將MC分為精加工與粗加工兩種情況，MC-EC節(jié)點(diǎn)的判別也在這兩種情況下分別討論。

(1)若機(jī)床MC為精加工，MC-EC節(jié)點(diǎn)判別前首先進(jìn)行EC-EL節(jié)點(diǎn)的判別。加工過程完成后，刀具退刀并以G00快速定位進(jìn)給的方式返回加工起點(diǎn)，此時(shí)即EC結(jié)束時(shí)刻。EC-EL節(jié)點(diǎn)判別判據(jù)為：在機(jī)床處在MC基礎(chǔ)上，通信信息NCProgram_Executing為G00。記錄EC-EL節(jié)點(diǎn)時(shí)刻為tEC-EL，引入Δt2作為加工后空走刀狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)的普適量，其獲取參照Δt1獲取過程。精加工狀態(tài)結(jié)束時(shí)刻，即MC-EC節(jié)點(diǎn)時(shí)刻

tMC-EC=tEC-EL-Δt2

(5)

(2)若機(jī)床MC為粗加工，MC-EC節(jié)點(diǎn)的判別直接通過閾值判定來進(jìn)行。機(jī)床處于MC粗加工，且在某時(shí)刻功率值滿足：

(6)

則記錄MC-EL節(jié)點(diǎn)時(shí)刻為tMC-EL，判斷此加工狀態(tài)為粗加工狀態(tài)結(jié)束。MC-EC節(jié)點(diǎn)判別完成后進(jìn)行EC-EL節(jié)點(diǎn)判別，方法同上所述。

2.2 過程狀態(tài)在線判別

2.2.1 機(jī)床電氣啟動(dòng)和主軸啟動(dòng)能耗狀態(tài)在線判別

機(jī)床由上電開機(jī)到主軸啟動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定轉(zhuǎn)速期間，經(jīng)歷了總開關(guān)、控制、液壓、冷卻等能量源開啟的PS和主軸電機(jī)啟動(dòng)的SS等一系列啟動(dòng)過程。本文對(duì)PS與SS分別進(jìn)行討論。

對(duì)于PS，可參照文獻(xiàn)[8]確定啟停節(jié)點(diǎn)Stop-PS、PS-MS。PS時(shí)段能耗QPS只存在于機(jī)床電氣開啟過程：

(7)

對(duì)于SS，某些特定加工過程，其啟動(dòng)過程總時(shí)間長(zhǎng)，啟動(dòng)能耗大，對(duì)其討論是必要的。文獻(xiàn)[6]提出一種功率邊界值判定法，實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)過程啟、停節(jié)點(diǎn)的判別，若將啟停時(shí)刻分別記錄為tMS-SS、tSS-EL，則這兩個(gè)時(shí)刻即為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

對(duì)SS過程時(shí)間Tst與能耗Ens建模得到：

(8)

Ens=Ez+Ef=

(9)

由節(jié)點(diǎn)分析模型可將Ens簡(jiǎn)化為SS時(shí)段能耗Qss獲取模型:

(10)

2.2.2 機(jī)床待機(jī)能耗狀態(tài)在線判別

機(jī)床處于MS時(shí)燈開啟，液壓系統(tǒng)打開，主軸變頻器和進(jìn)給軸伺服控制器準(zhǔn)備好，但各運(yùn)動(dòng)軸處于未開啟狀態(tài)[8]。結(jié)合功率信息與通信信息給出MS判別依據(jù)為：功率信息Pin(t)>0；通信信息Spindle_Speed=0、Axis(x)_Speed=0。

若機(jī)床處于MS，且某時(shí)刻Pin(t)=0且之后一直為0，記錄該時(shí)刻為tStop并判別此時(shí)刻為機(jī)床斷電關(guān)機(jī)MS-Stop節(jié)點(diǎn)。

機(jī)床在運(yùn)行過程當(dāng)中若干MS時(shí)段能耗總和即機(jī)床待機(jī)時(shí)段能耗

(11)

(12)

2.2.3 機(jī)床空載能耗狀態(tài)在線判別

機(jī)床處于EL時(shí)，除MS所述能量源開啟狀態(tài)外，主軸電機(jī)開啟。結(jié)合功率信息與通信信息給出EL判別依據(jù)為:功率信息Pin(t)>0,PM_in(t)>0；通信信息Pin(t) 。

若機(jī)床處于EL，且某時(shí)刻滿足MS判別依據(jù)，則判別該時(shí)刻tEL-MS為EL-MS節(jié)點(diǎn)。

機(jī)床在運(yùn)行過程當(dāng)中若干EL時(shí)段能耗總和即機(jī)床空載時(shí)段能耗

(13)

(14)

式中，Pu(t)為機(jī)床運(yùn)行過程中空載時(shí)段的輸入功率。

2.2.4 機(jī)床空走刀能耗狀態(tài)在線判別

EC相關(guān)節(jié)點(diǎn)的在線判別在2.1節(jié)已有介紹，此處不再贅述。

機(jī)床在運(yùn)行過程當(dāng)中若干EC時(shí)段能耗總和即機(jī)床空走刀時(shí)段能耗

(15)

(16)

2.2.5 機(jī)床加工能耗狀態(tài)在線判別

MC在線判別由關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在線判別完成，機(jī)床在運(yùn)行過程當(dāng)中若干MC時(shí)段能耗總和即機(jī)床加工時(shí)段能耗

(17)

(18)

(19)

式中,α1、α2為機(jī)床載荷損耗二次系數(shù)。

通過有效加工能量在線分離[10]可以得到機(jī)床運(yùn)行過程中若干MC時(shí)段有效加工能耗Qc，從而可以獲取機(jī)床能量效率：

(20)

(21)

機(jī)床能量效率U獲取模型為

(22)

(23)

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

為了驗(yàn)證上述機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)在線判別方法的可行性，本文在普瑞斯PL700立式加工中心上自主研發(fā)一套FANUC機(jī)床運(yùn)行能效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該能效監(jiān)控系統(tǒng)通過HC-33C3多路功率傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)床總電源與主加工系統(tǒng)輸入處的電壓和電流信號(hào)，從而得到功率信號(hào)。功率信號(hào)經(jīng)由RS232通信傳輸至終端，并由濾波處理得到實(shí)時(shí)功率信息。

PL700加工中心數(shù)控系統(tǒng)為FANUCOi-MateC系列。FANUC公司提供FOCAS(FANUCopenCNCAPIspecification)應(yīng)用程序?qū)ν饩幊探涌?API)以實(shí)現(xiàn)該數(shù)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)功能，利用FOCAS自主編程搭建以太網(wǎng)通信平臺(tái)獲取機(jī)床的通信信息。

該系統(tǒng)中，數(shù)控機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)判別依據(jù)如表1所示，算法流程見圖5，系統(tǒng)界面見圖6。

表1 運(yùn)行能耗狀態(tài)判別依據(jù)

圖5 機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)在線判別算法流程圖Fig.5 The flow chart of operation and energy consumption state on-line differentiating algorithm of machine tool

圖6 FANUC機(jī)床運(yùn)行能效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面Fig.6 Interface of energy efficiency on-line monitoring system of FANUC machine tool

4 實(shí)驗(yàn)案例

為驗(yàn)證該運(yùn)行能效狀態(tài)判別方法的有效性，采用普瑞斯PL700立式加工中心和FANUC機(jī)床運(yùn)行能效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行一系列銑削實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)條件介紹

為了確保有效加工能量在線分離的有效性，首先通過大量實(shí)驗(yàn)辨識(shí)出該加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的附加載荷損耗系數(shù)[10]，分別為α1=0.067，α2=2.3×10-3。PL700立式加工中心為數(shù)控銑削機(jī)床，相關(guān)參數(shù)如表2所示。為了比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用日置HOKI3390C功率分析儀、瑞士Kistler9257B三向測(cè)力儀和標(biāo)準(zhǔn)秒表作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同步測(cè)量。日置HOKI3390C功率分析儀采樣周期與HC-33C33多功能功率測(cè)量終端設(shè)置相同，皆為250ms。瑞士Kistler9257B三向測(cè)力儀比對(duì)測(cè)量切削功率及切削時(shí)間。由于加工過程的波動(dòng)因素，在能耗數(shù)據(jù)瞬態(tài)量的選取時(shí)，數(shù)據(jù)取短時(shí)均值。銑削加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7、圖8所示，日置HOKI3390C功率分析儀接線在機(jī)床背后，圖中無法顯示。實(shí)驗(yàn)所用刀具及工件參數(shù)如表3所示，加工參數(shù)如表4所示。

表2 PL700立式加工中心參數(shù)Tab.2 Parameter of PL700 vertical machining center

圖7 銑削加工現(xiàn)場(chǎng)圖 Fig.7 The scene graph of milling

圖8 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.8 The scene graph of experiment

工件材料工件尺寸(長(zhǎng)×寬)加工路徑刀具類型刀具材料45鋼40cm×40cmS形銳耐克精密刀GB:YT15(ISO:P10)

表4 加工用量Tab.4 Machining dosage

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用整個(gè)加工過程能量效率來表征加工啟停關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)判別的準(zhǔn)確性，以實(shí)驗(yàn)過程各狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)來表征各運(yùn)行能耗狀態(tài)判別的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)過程能耗數(shù)據(jù)與運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較及誤差分析如表5、表6所示。

表5 能耗數(shù)據(jù)比較Tab.5 Comparison of energy consumption data

表6 運(yùn)行數(shù)據(jù)比較Tab.6 Comparison of operation data

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，該狀態(tài)判別方法及系統(tǒng)對(duì)機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)指標(biāo)的測(cè)量誤差在5%以內(nèi)，符合機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的精度要求。

對(duì)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)判別的誤差點(diǎn)主要分布于工步1、2的EC-MC節(jié)點(diǎn)判別上。原因是由于工步1、2采用的加工用量較小，系統(tǒng)將其判別為精加工依照采用Δt-α判別法判別EC-MC節(jié)點(diǎn)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，為了充分確保實(shí)驗(yàn)安全性，對(duì)空走刀時(shí)間設(shè)定比正常情況大，因此造成了誤差點(diǎn)的存在。在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)加工中，為了提高生產(chǎn)效率，一般工件不會(huì)采用過長(zhǎng)的空走刀時(shí)間，上述誤差點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中。綜上，該運(yùn)行能效狀態(tài)在線判別方法可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)床各狀態(tài)在線判別。

5 結(jié)論

(1)對(duì)機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)進(jìn)行分析，建立了節(jié)點(diǎn)分析模型，將機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)分為10種狀態(tài)節(jié)點(diǎn)和6種能耗過程。

(2)已有研究無法實(shí)現(xiàn)加工啟停等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)以及EC、MC等過程狀態(tài)的在線判別。本文提出了基于功率信息和通信信息集成的機(jī)床運(yùn)行能耗狀態(tài)在線判別方法，解決了上述問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了機(jī)床所有能耗過程狀態(tài)與節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的在線判別。

(3)基于上述方法與技術(shù)，開發(fā)出一套能效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在PL700立式加工中心上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)案例研究。結(jié)果顯示，該運(yùn)行能效狀態(tài)在線判別方法及系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確在線判別機(jī)床所有狀態(tài)，從而能夠?yàn)闄C(jī)床及車間能效評(píng)估、能量監(jiān)控管理與能效提升技術(shù)提供成套的數(shù)據(jù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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(編輯 袁興玲)

A Method for On-line Differentiating Operations and Energy Consumption States of CNC Machines

WANG Chao LIU Fei TUO Junbo

State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University, Chongqing,400030

The energy consumption states of machine tools were made up of a series of energy consumption state nodes and processes. There were still some key state nodes might not be differentiated. Based on the systematic analyses of energy consumption states and state nodes in machining processes, a new method for differentiating energy consumption states of CNC machines was proposed to differentiate all kinds of energy consumption states of the machines by synthesizing power informations and CNC system communication informations, which solved differentiating problems, such as distinguishing the cutting starts, over state nodes, and finish machining states et al. The effectiveness and practicality were verified on FANUC CNC machine tools.

CNC machine; energy consumption state; on-line differentiating; state node

2016-08-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375513)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014AA041506)

TP391

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.13.017

王 超，男，1991年生。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。主要研究方向?yàn)榫G色制造、制造系統(tǒng)能效分析。E-mail：cquwangchao@foxmail.com。劉 飛，男，1948年生。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師、國(guó)家突出貢獻(xiàn)專家。庹軍波，男，1990年生。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。