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XK713数控铣床加工工件能耗预测方法研究

李弼心;张华;鄢威;胡狄

【摘要】为实现制造业向能源节约型增长方式的转变,运用数控铣床模拟加工能耗

预测技术为铣削加工过程中能源的精细管理提供支持,针对数控铣床加工工件能耗

消耗预测问题,分析了数控铣床耗能元件,结合数控铣床各耗能元件的能耗特征将其

分为负载有关与负载无关两类,建立了数控铣床加工工件的能耗预测模型.通过

CAM软件模拟铣削加工过程,自动生成NC代码并解析各耗能元件的运行状态参数

信息,提出了解析NC代码预测数控铣床铣削加工能耗的方法.最后,通过一个具体铣

削加工实例将预测加工能耗与实际加工能耗进行对比,验证了该数控铣床加工工件

能耗预测方法的有效性.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2017(000)001

【总页数】4页(P174-177)

【关键词】数控铣床;耗能元件;能耗预测;NC代码

【作者】李弼心;张华;鄢威;胡狄

【作者单位】武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学绿色

制造与节能减排科技研究中心,湖北武汉430081;武汉科技大学绿色制造与节能减

排科技研究中心,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉

430081

【正文语种】中文

【中图分类】TH16

能源是机械制造业必不可少的物质条件，而制造过程是机械制造业产生能量消耗的

主要环节之一，随着人类社会的进步与科技的发展，工件的生产出现批量化与多元

化特征[1]。中国已成为世界上最大的能源消费国，同时，机床总量持续位居世界

第一，但能量消耗大且效率低，面对日益加剧的能源危机和由此带来的环境恶化问

题，开发机械加工仿真模拟技术替代试切过程，节约试切能耗且有效预测出预加工

工件所需能耗具有重大意义。同时，制造过程能耗状况分析及能效预测已成为目前

值得研究的问题。

目前，国内外对加工能耗状况的分析主要集中在数控机床加工零件能耗模型研究，

加工设备能耗分析研究和制造过程整体能耗评估当中，文献[2]建立了基于输入功

率检测的和基于输出功率获取的能量效率模型；文献[3]根据制造过程中能量的不

同作用，将能量分为直接能量和间接能量；文献[4]对机床空载运行时的启动过程

能耗、空载能耗、调速过渡过程能耗等参数进行了测试，总结出了机床加工过程中

的实际切削能耗；文献[5]建立设计了能量信息集成模型表达了设计信息的能量特

征，能够适应多角度的能耗分析需求；文献[6]以叶片切削加工为例，运用神经网

络技术建立了针对车削加工参数的能耗预测模型；文献[7]对数控机床进给系统能

量流以及能量损耗特性，建立了数控机床进给系统功率模型。综上所述，在节能减

排作为全球经济“新常态”背景下，以上研究主要侧重于制造加工过程的能耗模型

建立与研究，未涉及机加工中数控编程模块的运用与解析，拟运用CAM软件模拟

机床铣削加工过程，通过解析NC代码得到各耗能元件的运行状态参数信息，提出

解析NC代码预测数控铣床铣削加工能耗的方法。

数控铣床在铣削加工工件过程中能耗可分为负载无关与负载有关两个部分[8]。负

载有关的能耗主要包括主轴电机和进给电机的能耗，其中数控铣床加工工件过程中，

空载能耗主要是受机床的运行参数设定的影响，切削能耗则主要受到工艺参数和工

件材料的影响；负载无关的能耗主要包括风扇电机、伺服系统和冷却泵等机床部件

在运行过程中固定的消耗，此类能耗只受开/停状态的影响。从此可以看出，数控

车床加工工件能耗是由数控车床各耗能部件在工件加工过程中消耗的能量组成，包

括了主轴电机、进给轴电机和冷却系统电机等的能耗以及基础性能耗，数控加工工

件能耗可以表达成：

式中：E总—数控铣床加工工件的总能耗；E主轴、E固定、E冷却、E进给—主

轴电机、基础性能耗、冷却系统电机和进给电机等耗能部件的能耗。

通过以上数控铣床加工工件耗预测模型的建立可知，数控铣床加工工件时的主要耗

能元件是主轴电机、进给电机、冷却系统与伺服系统，采取的是在CAXA制造工

程师2013中导入工件CAD模型，对其进行加工工艺设定，自动生成NC代码，

解析NC代码获取数控铣床各部件在加工时的能耗信息。

3.1加工工件NC代码的组成与获取

NC程序具备零件加工的完整的几何信息与工艺信息[9]，可以全面地描述零件的结

构形状、加工工艺路线、加工方案、刀具参数等信息。从可行性的角度考虑，