机械加工系统能量效率研究的内容体系及发展趋势

机械加工系统量大面广,能量效率低,节能潜力和环境减排潜力巨大,并且涉及的科学问题多,因此,近年来对其能量效率问题的研究正在国际上迅速兴起。总结机械加工系统能量效率的广义内涵;对机械加工系统能量效率的研究现状进行总体概述和分类总结及分析;在此基础上,总结和提出由三类对象(机床、工件和系统)、五类基础技术问题(能耗环节和能耗组件能效问题、能量消耗与能量效率建模问题、机床与工件能量效率特性问题、能量效率评价问题和能量效率监控与管理问题)、两类功能技术(机械加工系统高能效优化运行技术和高能效机床优化设计技术)和两大目标(提升加工系统能量效率和开发高能效机床)组成的机械加工系统能量效率研究内容体系框架;最后提出和论述机械加工系统能量效率研究的5点发展趋势,即能量效率建模集成化、能量效率评价平台化、工件任务能耗定额化、系统运行能效最优化和机床设计能效综合化等。     

机床能量效率测试方法的多场景综合评价研究

机床量大面广,能耗总量巨大,提升机床能量效率已经成为发展绿色制造的重要内容。如何选择合适的机床能效测试方法是支撑机床设计、用户采购、运行优化和节能改造等场景下提升机床能量效率的基础性问题。为此,首先总结和比较了八种能效测试方法的内涵和特点,包括参考样件法、参考过程法、比能法、组件定标法、ISO 14955-3标准、GB/T 40735标准、固有能效潜力评估法和固有曲面法。然后,从五个场景(指导高能效机床优化设计、评选高能效机床制定能效标签等)和七个维度(操作耗时程度、操作难易程度、机床对比适用度等)评价机床能效测试方法。其中,运用层次分析法(AHP法)确定特定场景下七项评价指标的权重因素和各项评价指标下八种能效测试方法权重因素,并通过一致性检验来验证评价结果的有效性和准确性。     

刀具工件双旋转运动机床加工过程的能量效率获取方法

对于刀具工件双旋转运动机床,由于切削力测量仪器难以安装,同时,切削力理论模型和经验公式难以反映加工过程切削力的瞬态变化,这使得刀具工件双旋转运动机床的能量效率至今难于获取。为此,提出一种运用载荷损耗系数计算获取刀具工件双旋转运动机床能量效率的方法,该方法首先建立了刀具工件双旋转运动机床的能量效率模型,然后基于刀具、工件系统的能耗组件参数分别建立了刀具轴和工件轴的载荷损耗系数计算模型,并由此推导出刀具工件双旋转运动机床的载荷损耗能量、有效能量及能量效率的计算分析模型。实际应用时,该方法只需要安装功率传感器测取加工过程中的输入功率和空载功率,便可计算获取能量效率。实验验证表明,该方法具有较好的能量效率获取精度。应用案例表明,所提方法应用方便,可为刀具工件双旋转运动机床的能效预测、监控与管理提供技术支撑,具有较好的应用前景。     

机械加工过程能效评价标准的内容框架和评价方法

本文为建立一套标准化的能效评价内容体系提出了机械加工过程能效评价标准的内容框架和评价方法。该方法首先建立机械加工过程能量效率评价标准的数学模型,然后建立包括能量利用率和比能效率的能效评价标准的指标体系,并给出离线基础数据获取与在线输入功率获取相结合的能效评价指标的获取方法。案例研究显示,机械加工过程能效评价标准的评价方法,能够为机床和工件能效评价,并为能效优化提供支持。     

基于递归分析的混流生产模式机械加工过程能效分析和状态监测

针对混流生产模式下机械加工过程的能量效率研究问题,提出一种基于递归分析和图像处理技术的能量效率分析与状态监测方法.通过对各类工件分别进行多次加工试验,采集加工过程功率数据,应用聚类算法分析功率的时域特征并找出聚类中心,基于此建立各工件加工过程的参考功率数据库;在混流加工过程中,通过递归分析和图像匹配算法判断实时加工功率...     

基于LSTM和功率信息的大型工件加工过程监控

设计一种通过功率信息和长短时记忆神经网络来实现对大型工件加工过程进行监控的方法.采集加工过程中的机床功率数据,使用网格搜索法优化参数,建立加工过程识别模型,用以实现监控大型工件加工过程.利用功率信息监控加工过程既可以掌握加工进度,还可以结合工步和功率信息判断生产过程中的异常情况.模拟实例表明,该监控方法效果较好.     

基于参考功率曲线的大型工件加工进度状态信息的自动采集新方法

大型工件是大型装备制造业生产过程中常见的加工件,管理和调度人员掌握现场大型工件加工进度信息,对加工任务的按时完成,提高加工效率,优化生产过程管理,支持动态优化调度等具有多方面的重要意义。大型工件加工时间长,且许多情况是单件加工,因此加工进度状态信息的自动采集比较困难。基于此,提出一种利用机床主传动系统功率信息进行大型工件加工进度状态信息采集的方法。该方法通过所事先测得的机床主传动系统启动功率和空载功率数据库,以及工件加工工艺所确定的切削用量、加工材料和过程时间等参数,可获得虽不十分精确但足够反映出形状特征的工件加工过程的参考功率曲线;加工中对工件加工过程的机床主传动系统功率曲线进行实时采集,将采集到的功率曲线与参考功率曲线进行形状特征上的定性比较和时间过程的定量比较,可获取该工件的加工进度状态信息。在某冶金装备制造车间大型工件加工过程的应用验证表明,上述方法具有很好的应用前景。     

基于SOM-Kmeans的机床能效等级评价方法

机床能效等级评价是提高能源效率的基础。现有机床能效评价方法多运用能量利用率和比能等指标评价特定加工过程能效,未考虑加工能力对机床能效评价的影响,致使无法综合评价机床能效等级。为此,从机床加工能力和能耗特性角度构建机床能效等级评价指标,提出基于自组织映射神经网络-K均值(SOM-Kmeans)的机床能效等级评价方法。首先,分析机床加工能力特性和时段能耗特性,构建机床加工能力指标和多时段能耗特性指标;其次,运用SOM-Kmeans对机床能效信息进行聚类分析,并采用主成分分析法(PCA)对机床能效等级进行综合评价;最后,通过实际案例验证了所提方法的有效性和实用性。     

数控机床主动力系统载荷能量损耗系数的计算获取方法

机床量大面广,能量消耗巨大并且能量效率低、能量效率规律复杂,因此机床能量效率的研究和应用正在全球迅速兴起。机床主动力系统载荷能量损耗,是机床最复杂的部分,一般占到机床切削能量的10%~20%,其具体多少决定于载荷损耗系数。针对机床主动力系统载荷损耗系数在线获取非常困难,以及现有获取方法存在切削仪器昂贵、测量过程复杂以及许多机床无法安装等不足,提出一种根据数控机床主动力系统载荷能量损耗数学模型而建立的载荷损耗系数计算获取方法。上述数学模型由三部分组成:基于主电动机的变频器额定功率、额定功率损耗和散热器额定功率等基础参数的变频器功率损耗近似计算模型;基于主电动机额定功率、基频、空载功率和基频下的效率等基础参数的主电动机功率损耗模型;基于机床机械传动系统中每种传动副的数量和载荷效率等基础参数的机械传动系统载荷损耗模型。实际计算时只需获取基础参数和测量机床主动力系统空载功率,便可计算出机床主动力系统的载荷能量损耗系数。基于上述计算方法,计算获取了数控加工中心PL700主动力系统的载荷能量损耗系数。实验结果证实了该方法的准确性和实用性。该方法可广泛用于数控机床的切削功率获取、数控机床能量效率评价和工件能量效率预测及优化等研究和应用中,具有多方面的应用前景。     

制造系统能量效率研究的现状及难点问题

制造业量大面广,能耗总量巨大;提升制造系统能量效率已成为各国制造业可持续发展的关键战略,国际上的研究非常活跃。为此,总结了制造系统能量效率(又称能效)的内涵,分析和概述了制造系统能量效率的研究现状;在此基础之上,总结了制造系统能量效率的研究内容,并提出由三类研究对象(能耗行业、能耗系统以及能耗组件)、四类基础理论或技术(能效建模、能效特性、能效评价和能效监控)、两类功能技术(制造系统运行能效优化技术和高能效制造系统建设技术)以及一个根本目标(提高制造系统运行能量效率)组成的制造系统能量效率研究内容体系框架;最后,考虑到离散制造系统能量效率问题的研究起步较晚、过去重视不够以及其复杂性等因素,分析和总结出了离散制造系统能量效率研究有待深化的五个难点问题,即离散制造系统能量效率建模问题、精细评价问题、产品能耗定额问题、高能效多目标优化问题和高能效机床设计问题。     

基于田口法和响应面法的数控铣削工艺参数能效优化方法

为研究机床能量效率与工艺参数耦合的复杂机理,提出一种基于田口法和响应面法的数控铣削工艺参数能效优化方法。分析加工过程中的能耗特性,建立了数控铣削加工能量效率函数。基于田口法规划优化实验,并基于响应面法建立工艺参数与比能和加工时间的回归方程,构建了以铣削加工工艺参数为变量、以高能效和高效率为优化目标的多目标优化模型。使用多目标粒子群优化算法对该模型进行求解,并通过实验数据和算法优化结果分析了加工过程中工艺参数与比能及加工时间的关联关系。     

机床机电主传动系统服役过程能量效率获取方法

制造系统能效评估及其机床能效评价研究正在国际上迅速兴起,生产现场的机床服役过程(Machine tools’ service process,MTSP)能量效率的方便获取是其关键问题之一。为此,对MTSP中机电主传动系统(Electro-mechanical main driving system,EMDS)能量效率获取方法进行研究。在分析机床能量效率内涵的基础上,基于MTSP中EMDS的时段能量模型,建立基于输入功率检测的和基于输出功率获取的两类4种EMDS能量效率模型;提出对应的能量效率模型中基础数据和基础系数特别是机床载荷损耗系数的获取方法;形成MTSP中EMDS能量效率获取方法。应用该方法,只需现场检测EMDS输入功率,就可获得MTSP中EMDS的现场能量效率。应用案例表明,应用本方法不仅能实现MTSP能量效率现场获取,而且误差较小;可用于机床及制造系统的能效评价、能效监控和能效优化研究中,具有较广阔的应用前景。     

基于开放式数控系统的恒功率自适应控制研究!

针对已有数控机床加工过程自适应控制方法普遍存在成本高、安装调试复杂的问题,基于开放式数控系统研究了一种应用机床内置传感器的恒功率自适应控制方法。为实现加工过程的智能化控制,设计了相应的模糊控制器。论述了该模糊控制器的模糊化处理、模糊控制规则及其模糊推理的方法。以西门子840D数控系统为基础,研究了采集机床主轴功率信号并控制机床进给速度的方法的具体实现。最后,设计了一组切削实验并分析了机床在采用自适应控制加工前后的主轴功率和进给速度。实验结果表明,所设计的面向开放式数控系统的恒功率自适应控制系统在加工过程中具有较好的控制效果,在保护刀具和机床的同时可以有效提高机床的加工效率。     

基于功率和质量信息的批量加工换刀决策方法

针对现有的经验换刀法、预测换刀法和监控换刀法存在着准确性差或传感器安装困难、成本高等不足,分析了机床输出功率信息与刀具磨损的关联特性,建立了基于输入功率的机床输出功率信息提取方法;分析了机床输出功率与工件质量信息在监控刀具磨损状态及换刀决策中的互补特性,提出了基于机床输出功率信息和质量信息集成的批量加工过程换刀决策方法。加工过程中只需采集机床输入功率信息和工件质量信息,并通过支持向量机分类法识别刀具磨损状态,就可获得刀具更换方案。在Qt Creator平台上开发了一套换刀决策系统,并在某型号数控滚齿机上进行了验证,展示了该方法的应用前景。     

机床多源能耗状态在线检测方法及检测系统

针对目前缺少多功能且实用有效的机床多源能耗状态在线检测方法的问题,分析了机床多源能耗状态的构成,提出了在线检测指标体系;研究了机床多源能耗状态信息在线检测方法,包括机床多源能耗分组方法和关键能耗参数指标获取方法;研发了相应的检测系统。该系统能在线检测和监测机床与工件加工全过程的输入能量、有效能量、瞬态效率、能量利用率以及能量比能效率、设备有效利用率等信息;通过在数控机床PL700上进行的大量实验,验证了上述方法及检测系统的有效性,表明其可广泛运用于机械加工过程能量消耗与能量效率的状态信息分析、管理控制和节能优化研究中。     

零件加工过程机床运行数据在线监测方法研究

工件加工过程机床的位置信息是研究切削参数与工件加工品质映射关系的重要数据之一。以Sinumerik 802D数控系统为例,研究了零件加工过程机床运行数据(机床各轴实时位置、主轴转速以及进给速度)的在线采集方法,首先设计了数据采集整体方案,然后设计了信号转换模块与在线监测系统,详细描述了数据获取流程,实现了零件加工过程机床运行数据的在线实时获取。     

基于虚拟制造技术的复杂曲面工件加工质量分析

随着航天、航空等技术的发展,复杂曲面零件的应用日益广泛,复杂曲面工件加工过程受力情况复杂,因此该类工件是公认的制造工艺难题。将虚拟制造技术应用到曲面工件加工中,并以"S"试件为例详细建立了曲面工件的虚拟加工模型,最后通过五轴机床铣削实验验证了虚拟加工模型的实用性与正确性。说明了虚拟加工技术为提高曲面工件加工精度及加工效率提供了有力的技术支撑。     

基于约束与尺寸混合驱动的虚拟数控机床技术

提出了一种虚拟数控机床设计方法。该方法首先建立虚拟数控机床模型,在机床运动部件中的主动与从动件之间建立约束关系,采用组件矩阵变换技术对主动部件的位姿矩阵进行变换,驱动部件运动;再利用WAVE技术在刀具与工件之间建立链接,实现切割运算,去除工件材料;最后采用插补技术对加工路径进行计算,得到各个运动轴的进给量,用它驱动机床运动轴运动,模拟加工过程。将虚拟数控机床技术运用于整体叶轮叶片电解加工,利用该技术建立了五坐标数控机床模型,并用它完成叶片加工过程模拟、运动干涉检查、加工自动编程等工作,有效地提高了工作效率与加工自动化程度。     

基于熵权法的数控机床可靠性的模糊综合评价研究

为系统评价数控机床的可靠性,基于平均首次故障间隔时间(MTTFF)、平均无故障间隔时间(MTBF)、平均修复时间(MTTR)、精度保持时间(KT)、固有可用度(Ai)、当量故障率(D)6个指标建立了数控机床可靠性的评价体系。在利用客观赋权的熵权法确定各指标权重后对数控机床的可靠性进行模糊综合评价。最后,通过某工厂采购一批数控机床时对各机床方案可靠性的综合评价,验证了该方法的可行性。     

基于能耗的铣削功率分析及切削参数多目标优化

数控加工过程中的能源消耗与环境问题密切相关,为实现低碳制造,利用功率测试系统对机床加工过程中的功率进行实时记录,研究切削参数对机床功率的影响。首先,根据工业三相电的功率计算方法及数控机床中电能的分配情况设计了功率测试硬件的连接方法,并结合LabVIEW虚拟仪器编程完成了数控机床功率测试平台的搭建。然后,根据加工合金铸铁的推荐切削参数范围,运用响应曲面法设计了铣削实验,确定优化目标及约束条件,分析切削速度、每齿进给量、轴向切削深度和径向切削深度对机床加工过程功率的影响,并建立了切削参数与目标函数之间的回归方程和对应的响应面模型。最后,对回归方程进行优化,使其预测目标函数值更准确,同时对四个切削参数进行了优化,得到低碳高效的切削参数组合。实验结果表明：优化切削参数后,机床Y轴功率减小了11.34%,材料去除率MRR增大了9.96%;优化切削参数后提高了加工效率,降低了机床的功耗,能够实现缸体铣削过程的低碳高效化。