陳翔

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

隨著全球經濟發(fā)展進程加快，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 標準煤，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]。

大量機床實驗數(shù)據顯示，隨著現(xiàn)代機床自動化程度的不斷提高，機床結構越來越復雜，輔助部件不斷增多，有效切削能耗在機床總能耗中的比重逐漸降低[3]。機床的能源有效利用率很低，普通機床利用率約為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)控機床運行過程中其功率信號實時變化，選取其瞬時狀態(tài)值進行分析較為客觀，有必要建立一個實時監(jiān)測系統(tǒng)用于機床功率研究。本文擬定了一種功率數(shù)據采集方案，通過在機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)據采集板卡進行信號處理與轉換，由LabVIEW 完成數(shù)據的顯示與存儲。將處理過的功率值與主軸轉速、進給速度、背吃刀量、側吃刀量進行綜合分析，通過Minitab 進行數(shù)據處理，得到4 個加工參數(shù)對功率影響的權值比重，為進一步調整加工參數(shù)提供一定依據。通過正交實驗數(shù)據結果，回歸擬合出機床功率模型系數(shù)，得到一種較完整準確的功率模型。

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)對機床實時功率進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)控機床的功率信號，還可以圖形化電流和電壓一段時間內的變化趨勢[4]。本文針對沈陽機床廠立式加工中心VMC850E 進行實驗，建立以銑削加工為主的數(shù)控機床功率監(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)據支撐，進而實現(xiàn)數(shù)控銑削過程的節(jié)能目標。實驗機床設備如圖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)據采集系統(tǒng)搭建

銑削加工功率實驗使用沈陽機床的立式加工中心（VMC850E）進行鋁材平面銑削。切削刀具選用合金麻花鉆，能耗數(shù)據采集系統(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)據采集卡（cDAQ-9201）以及計算機處理與顯示（LabVIEW），如圖2 所示。在立式加工中心電控箱內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)據采集卡進行處理，將信號轉化成計算機能讀取的有用功率數(shù)據，再傳輸?shù)接嬎銠C上實時顯示、存儲和分析。

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

根據機床的功率，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，功率測量設備選用NI cDAQ-9174數(shù)據采集箱和9201 數(shù)據采集卡對機床功率信號進行采集和轉換。

信號顯示部分，通過LabVIEW 將傳感器采集到的能耗數(shù)據進行實時顯示。根據采樣定理，銑削實驗中功率采集設備的采樣頻率設置為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 切削實驗設計

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

影響數(shù)控機床加工功率的因素有4 個方面：主軸轉速N、進給速度f、背吃刀量Ap、側吃刀量Ae。為了研究這4 個因素與加工功率的關系以及各因素對功率影響的權值，使用正交設計進行實驗，建立了4 因素3 水平的不同加工參數(shù)實驗，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)依次進行實驗，使用100 Hz采樣頻率進行功率信號采集，待開機信號平穩(wěn)之后再進行銑削加工，所測結果剔除一定信號擾動后，取較平穩(wěn)波形段為有效功率。實驗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功率、主軸空轉功率、切削液、進給功率及切削功率。

3.2 實驗結果分析

由切削實驗采集到的功率信號，建立表2 所示數(shù)控銑削實驗功率數(shù)據表。

表2 數(shù)控銑削實驗功率數(shù)據Tab.2 Experimental power data of CNC milling

通過Minitab 進行田口分析，可得4 個加工參數(shù)對加工過程功率的影響程度排序為：N＞f＞Ap＞Ae，即主軸轉速＞進給速度＞背吃刀量＞側吃刀量，如表3 所示。MRR為材料去除率，其值與進給速度、背吃刀量、側吃刀量相關。通過該正交實驗可得加工參數(shù)在實驗范圍與功率變化的對應趨勢均為線性增加，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 均值響應表Tab.3 Mean response

3.3 功率建模

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

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

基本功率又包括待機、空轉及切削液等3 個部分。機床的待機功率Pstandby和切削液系統(tǒng)消耗功率Pfluid可視為固定值[7]。通過實際加工實驗研究可知主軸空轉功率Pspindle和主軸電機轉速之間近似線性關系。進給功率Pfeed和進給速率f之間近似線性關系[6]，可得具體功率公式如式（2）：

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

將銑削實驗獲得的全部27 組功率數(shù)據使用統(tǒng)計學分析軟件Minitab 進行回歸建模，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果分析，得到相關系數(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，擬合的功率模型結果很好。

表4 功率模型方差分析結果Tab.4 Variance analysis results of the power model

4 結語

通過搭建數(shù)控機床加工數(shù)據采集系統(tǒng)，獲得完整的加工過程功率曲線，有助于機床的實時功率研究。分析處理原始的功率數(shù)據后，使用Minitab 軟件得到加工參數(shù)與功率的變化關系及權值排序，并回歸擬合出銑削過程的功率模型，可用于計算和預測銑削加工過程功率，為產品設計生產階段的能耗評估提供參考。