一种平面磨削加工过程能量效率评估方法

1.发明应用于可持续设计与制造技术领域，涉及一种精密加工过程能量效率评估方法，特别是涉及一种平面磨削加工过程能量效率评估方法。


背景技术：

2.数控机床作为工业的“工作母机”，在离散制造业中量大面广，节能减排潜力巨大。根据国际能源机构(iea)统计，加工制造业约占全球能源消费的1/3，占全球净碳排放量的36%。
[0003] 目前，对数控机床能量效率评估方法研究已有初步探索。中国发明专利cn109491323b公开一种《面向节能减排的数控机床负荷-能量效率评估与监测方法》，通过计算单件零件理想加工能耗值和监测单件零件实际加工能耗值，得到数控机床负荷-能量效率，构建数控机床负荷-能量效率与数控机床负荷率间的关系模型，实现数控机床负荷-能量效率监测和超限报警，使数控机床负荷-能量效率控制在要求的范围之内。中国发明专利cn103676782b公开一种《数控铣床加工过程中能量效率在线检测方法》，利用功率分析仪测量数控铣床待机功率、主轴、x轴、y轴、z轴的空载和切削功率，根据功率分析仪的测量结果计算数控铣床的能量效率。中国发明专利cn109634238b公开一种《一种数控机床加工过程质量-能量效率评估与监控方法》，根据数控机床加工质量合格率和数控机床在给定周期内有不合格品、无不合格品时的能耗，构建数控机床质量-能量效率与加工质量合格率间的关系模型，对数控机床加工过程质量-能量效率进行实时监测和超限报警与控制。
[0004]
与车削、钻削、铣削加工过程相比，磨削相对高效、低成本，磨床占有率现已超过43%。但在去除单位体积材料时，能量消耗更多，例如，磨削钢材料需30
–
50 j/mm3的比能，陶瓷材料甚至达到120 j/mm3比能，远高于熔化铁或镍(10 j/mm3)。同时，在磨削加工生产中为保证产品加工质量，能量效率甚至低于10%，比如磨削钢材料案例研究中，在不考虑机床电气系统、冷却系统和进给系统能耗时，主轴能量效率甚至降低至2.76%。因此，如何提高磨削加工过程能量利用率、降低电能消耗成为磨削技术亟需解决的关键问题之一。
[0005]
对比现有机床能量效率分析评估相关研究，数控机床加工过程能量效率评估方法主要针对车削、铣削和钻削加工过程的机床负荷和加工质量—能量效率在线评估或监测、预警和控制，并未考虑加工参数、加工距离设定对加工过程能量效率的影响，也无法对数控机床加工过程能量效率进行优化设计以提高能量利用率。尤其是对于磨削加工过程而言，其通过磨床主轴和x、y、z轴的反复间歇进给，利用磨具表面大量不规则磨粒的不均匀磨损，逐段行程去除工件表面材料，能量消耗规律更为复杂。因此，如何精确评估磨削加工过程的能量效率，对于分析数控磨床的能量特性，优化磨削加工参数，提升磨削加工过程能量利用率和降低加工过程能源消耗，具有重要的指导意义。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种平面磨削加工过程能量效率评估方法，通过计算平面磨
削加工过程时间历程，测量数控磨床子系统固定功率及建立与磨削加工参数相关的可变功率模型，精确评估平面磨削加工过程能量效率，进而分析数控磨床的能量利用特性，促进磨削加工过程节能减排。
[0007]
本发明所述一种平面磨削加工过程能量效率评估方法，包括以下步骤：1）建立平面磨削加工过程能量效率评估模型；2）计算平面磨削加工过程时间历程；3）测量平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数无关的子系统功率值；4）建立平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数相关的子系统功率模型；5）设计主轴转速、工件进给速度、磨削深度的不同水平磨削实验，构造磨削实验样本点，利用高斯-牛顿梯度法，拟合能效评估模型中的待定系数；6）评估平面磨削加工过程能量效率。
[0008]
步骤1：建立平面磨削加工过程能量效率评估模型。
[0009]
所述平面磨削加工过程能量效率η定义为有功能耗即材料去除能耗e
mrr
与数控磨床总能耗e
total
之比：（1）其中，数控磨床总能耗e
total
包括电气控制能耗ee、冷却过程能耗ec、主轴旋转能耗es、工作台x轴左右进给能耗e
x
、砂轮y轴向下进给能耗ey和工作台z轴前后进给能耗ez，材料去除能耗e
mrr
具体指材料去除阶段电气控制能耗e
em
、冷却过程能耗e
cm
、主轴能耗e
sm
和工作台x轴左右进给能耗e
xm
。
[0010]
公式（1）所述各部分能耗为各部件实时功率与作用时间的乘积进一步表示为：（2）其中，电气控制功率pe、冷却功率pc、砂轮y轴进给功率py和工作台z轴进给功率pz与磨削加工工艺参数无关，为恒定值，电气控制作用时间为磨床待机、空行程和加工整个时间历程，冷却作用时间为磨削空行程和加工时间历程，砂轮y轴进给时间ty和z轴进给时间tz与磨床电机加减速特性、磨削工件尺寸、磨削量和间隙设定有关；主轴旋转功率包括两部分，空磨功率p
sa
和材料去除功率p
sm
，其中，p
sa
作用时间为前后空磨阶段、左右空磨阶段和材料去除阶段时间历程t
a1
、t
a2
和tm，p
sm
作用时间为材料去除阶段时间历程tm，工作台x轴左右进给功率包括两部分，工作台进给功率p
xm
和工作台转向最大功率p
x
，其中，p
xm
作用时间为材料去除阶段时间历程tm和前后空磨阶段时间历程t
a1
，p
x
作用时间为左右空磨阶段时间历程t
a2
。
[0011]
步骤2：计算平面磨削加工过程时间历程。
[0012]
所述平面磨削加工过程时间历程包括4个时间阶段，待机阶段、前后空磨阶段、左右空磨阶段、材料去除阶段，其中，待机阶段时间t
sb
为常量，前后空磨阶段时间t
a1
、左右空磨阶段时间t
a2
和材料去除阶段时间tm根据磨削加工间隙、磨削宽度、磨削参数和工件尺寸几何关系，确定为（3）
（4）（5）其中，cy和cz分别为y轴和z轴一次进给时间，为常量，l为待加工工件的长度，b为工件左右侧加工间隙，vw为工件进给速度，n、nj、n
so
分别为1个磨削循环的总磨削行程数、有效磨削行程数和无火花磨削行程数，表示为（6）（7）（8）其中，w为待加工工件的宽度，a为工件前后侧加工间隙，w为磨削宽度。
[0013]
公式（2）中，z轴进给时间tz为（9）其中， cz为z轴一次进给时间，n为1个磨削循环的总磨削行程数。
[0014]
步骤3：测量平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数无关的子系统功率值。
[0015]
将功率计接入磨床电源空气断路器u、v、w三相输出端，打开所述磨床空气断路器开关和cnc控制台开关，等待磨床和cnc控制台启动完毕，测量此时磨床功率为磨床电气控制系统功率，打开磨床冷却系统，测量此时增加的功率为磨床冷却系统功率，打开砂轮y轴，测量此时增加的功率最大值为y轴功率最大值，打开工作台z轴，测量此时增加的功率最大值为z轴功率最大值，在工厂车间不同运行条件下，重复步骤（3）5次，求得电气控制系统功率平均值作为pe、磨床冷却系统功率平均值作为pc、砂轮y轴功率最大值的平均值作为py、工作台z轴功率最大值的平均值作为pz，并当更换磨床型号时，重复步骤（3），求得针对新磨床型号的pe、pc、py和pz。
[0016]
步骤4：建立平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数相关的子系统功率模型。
[0017]
所述一种平面磨削加工过程与工艺参数相关的可变功率包括主轴空磨功率p
sa
、主轴材料去除功率p
sm
，工作台x轴左右进给功率p
xm
、工作台x轴转向最大功率p
x
，其中，主轴空磨功率特性为主轴带动砂轮高速旋转运动和克服主轴驱动机械传动系统阻力，以砂轮线速度vs为自变量建立磨床主轴空磨功率的线性模型：（10）其中，k、δ是待定系数，与磨削加工所用砂轮的形状尺寸、重量和磨床系统连接刚性相关。
[0018]
主轴材料去除功率特性为克服待加工材料塑性变形阈值后的脆性断裂去除工件材料，以砂轮线速度vs、工件进给速度vw、磨削深度a
p
为自变量建立主轴材料去除功率的指数模型：（11）其中，κ、α、β、γ是待定系数，与磨削加工砂轮磨粒材料、待加工工件材料特性相关。
[0019]
工作台x轴左右进给功率特性为磨床工作台的电力拖动，以工件进给速度vw为自变量建立工作台x轴左右进给功率的二次函数模型：（12）其中，λ、μ、ν是待定系数，与磨削加工磨床工作台重量、工作台与磨床滑动摩擦因数和磨床系统连接刚性相关。
[0020]
工作台x轴转向最大功率p
x
与x轴电机启动特性相关，以工件进给速度vw为自变量建立工作台x轴转向最大功率的三次函数模型：（13）其中，η、ξ、ψ、ω是待定系数，与磨削加工磨床工作台重量、工作台与磨床滑动摩擦因数和磨床系统连接刚性相关。
[0021]
步骤5：设计平面磨削加工3因素砂轮线速度vs、工件进给速度vw和磨削深度a
p
的m水平磨削实验，在磨床、砂轮型号和待加工工件选定后，将功率计分别接入磨床主轴和工作台x轴伺服系统输出三相线上，测得磨床主轴空磨功率p
sa
、主轴材料去除功率p
sm
和工作台x轴左右进给功率p
xm
、工作台x轴转向最大功率p
x
，构造磨削实验样本点，采用高斯牛顿快速迭代法，求得公式（10）
–
（13）中待定系数k、α、β、γ，并当更换待加工工件、砂轮或磨床时，重复步骤（5），求得针对新加工工件、砂轮型号或磨床型号的待定系数。
[0022]
步骤6：评估平面磨削加工过程能量效率。
[0023]
本发明提出一种平面磨削加工过程能量效率评估方法，能够为企业提供磨削加工过程能量利用特性的综合分析与评价，也可应用到其他加工工艺和和磨料磨具生产企业，促进磨料磨具磨削加工相关制造行业节能减排，取得良好的经济和社会效益。
附图说明
[0024]
图1为一种平面磨削加工过程能量效率评估方法步骤流程图。
[0025]
图2为一种平面磨削加工过程能耗流图。
[0026]
图3为一种平面磨削加工过程磨削路径图。
[0027]
图4为一种平面磨削加工过程主轴功率波形图。
[0028]
图5为一种平面磨削加工过程x轴功率波形图。
[0029]
图6为一种平面磨削加工过程主轴和x轴功率实验和模型预测结果比较图。
具体实施方式
[0030]
结合附图及实施案例对本发明具体实施方式进行详细解释。
[0031]
结合附图1，详细说明本发明所述一种平面磨削加工过程能量效率评估方法，包括
以下步骤：1）建立平面磨削加工过程能量效率评估模型；2）计算平面磨削加工过程时间历程；3）测量平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数无关的子系统功率值；4）建立平面磨削加工过程所耗功率与工艺参数相关的子系统功率模型；5）设计主轴转速、工件进给速度、磨削深度的不同水平磨削实验，构造磨削实验样本点，利用高斯-牛顿梯度法，拟合能效评估模型中的待定系数；6）评估平面磨削加工过程能量效率。
[0032]
结合附图2，详细说明所述步骤1中建立平面磨削加工过程的能量效率评估模型。数控磨床的电能消耗来源于电气控制、主轴旋转、x、y、z轴的进给运动和冷却过程，在磨削加工过程中，大量的电能流向机床待机和空行程阶段，导致磨削加工过程中用于实际加工即材料去除阶段能量效率较低。所述平面磨削加工过程能量效率η定义为有功能耗即材料去除能耗e
mrr
与数控磨床总能耗e
total
之比，其中，数控磨床总能耗e
total
包括电气控制能耗ee、冷却过程能耗ec、主轴旋转能耗es、工作台x轴左右进给能耗e
x
、砂轮y轴向下进给能耗ey和工作台z轴前后进给能耗ez，材料去除能耗e
mrr
具体指材料去除阶段电气控制能耗e
em
、冷却过程能耗e
cm
、主轴能耗e
sm
和工作台x轴左右进给能耗e
xm
。
[0033]
结合附图3及smart b818iii数控磨床平面磨削石英陶瓷案例，详细说明所述步骤2中计算平面磨削加工过程时间历程。所述平面磨削加工过程时间历程包括4个时间阶段，待机阶段、前后空磨阶段、左右空磨阶段、材料去除阶段，其中，smart b818iii数控磨床待机阶段时间t
sb
为常量14.74 s，前后空磨阶段时间t
a1
包括实际前后空磨和smart b818iii数控磨床一次y轴进给时间cy为0.6 s，左右空磨阶段时间t
a2
包括实际左右空磨和n次z轴进给时间，其中smart b818iii数控磨床一次z轴进给时间cz为0.3 s，根据公式（3）
–
（9）和平面磨削石英陶瓷案例中磨削加工间隙a=5 mm，b=10 mm，磨削宽度w=5 mm和工件尺寸l=50 mm、w=50 mm几何关系，及工件进给速度vw（以4 m/min为例）可进一步求出公式（2）中时间模型，其中，t
a1
为4.35 s、t
a2
为10.80 s、tm为7.50 s、ty为0.6 s、tz为3.6 s、te为37.39 s、tc为22.65 s。
[0034]
结合smart b818iii数控磨床平面磨削石英陶瓷案例，详细说明所述步骤3中测量与工艺参数无关的固定功率值，5次固定功率测量值如表1所示，求得测量平均值pe为437.90 w、pc为67.02 w、py为0.94 w和pz为16.01 w。
[0035]
表1 与磨削参数无关的smart b818iii数控磨床固定功率值结合smart b818iii数控磨床平面磨削石英陶瓷案例及附图4和附图5，详细说明所述步骤4和步骤5中主轴空磨功率p
sa
、主轴材料去除功率p
sm
和工作台x轴左右进给功率p
xm
、工作台x轴转向最大功率p
x
的模型及拟合系数。平面磨削石英陶瓷案例中，设计了主轴转速vs、工件进给速度vw和磨削深度a
p
的3因素4水平共10组磨削实验，其中，第一组实验测量的主轴和x轴功率波形示例如附图4和附图5所示。10组磨削实验的磨削参数和主轴、x轴功率实验值如表2所示。
[0036]
表2 与磨削参数有关的smart b818iii数控磨床主轴和x轴功率实验值根据步骤5中所述高斯-牛顿梯度法，得到主轴空磨功率p
sa
、主轴材料去除功率p
sm
和工作台x轴进给功率p
xm
、工作台x轴转向最大功率p
x
模型系数如表3所示。
[0037]
表3 所述功率模型系数结合smart b818iii数控磨床平面磨削石英陶瓷案例及附图6，详细说明所述拟合子系统可变功率的模型准确度。另，设计4组磨削实验，对所述步骤5的功率拟合模型的准确性予以验证，磨削实验参数、实验测得功率和计算功率结果如表4所示。从表4和附图6可看出，所述步骤5建立的子系统功率模型总误差在5%以内，可用以评估平面磨削加工过程能量效率。
[0038]
表4 所述验证组实验和计算功率值比较结合smart b818iii数控磨床平面磨削石英陶瓷案例，根据所述平面磨削加工过
程能量效率评估方法，详细说明所述步骤6中平面磨削加工过程能量效率评估结果，4个验证组的能量效率评估结果分别为28.30%、28.50%、33.37%和24.95%。