基于標(biāo)準(zhǔn)樣件的機(jī)床能耗分析與加工生產(chǎn)線優(yōu)化

張新誠， 賈敏忠， 李小水

(1.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京100084； 2.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

基于標(biāo)準(zhǔn)樣件的機(jī)床能耗分析與加工生產(chǎn)線優(yōu)化

張新誠1， 賈敏忠2， 李小水2

(1.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京100084； 2.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

為了便于對(duì)比分析不同機(jī)床的加工過程能耗，設(shè)計(jì)了包括幾種典型加工元素的能耗分析標(biāo)準(zhǔn)樣件。使用不同的機(jī)床對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行加工，根據(jù)測(cè)得的功率計(jì)算各個(gè)部分的加工能耗，以對(duì)比不同機(jī)床的能耗信息。同時(shí)依據(jù)不同機(jī)床的功率信息，計(jì)算不同生產(chǎn)線安排的總的工作能耗，尋找能耗更少的生產(chǎn)線安排方案。

機(jī)床能耗; 標(biāo)準(zhǔn)樣件; 生產(chǎn)線優(yōu)化

機(jī)床種類繁多，除傳統(tǒng)的車銑鏜磨等單功能機(jī)床外，數(shù)控機(jī)床、加工中心等復(fù)雜的多功能機(jī)床使用日益廣泛。機(jī)床種類的多變給機(jī)床能效分析帶入了更多的復(fù)雜性、不可靠性以及更少的廣泛使用性，為了研究機(jī)床能耗，許多學(xué)者利用標(biāo)準(zhǔn)樣件對(duì)機(jī)床加工過程進(jìn)行測(cè)量分析。

Behnood[1]設(shè)計(jì)了一種標(biāo)準(zhǔn)件用來對(duì)粗加工能耗進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)使用的材料、刀具和切削路徑進(jìn)行了限制。Behrendt等[2]使用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)樣件對(duì)不同機(jī)床的待機(jī)功率和加工功率進(jìn)行研究對(duì)比。Holkup等[3]使用標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行研究，力圖尋求在設(shè)計(jì)階段通過尺寸及外圍設(shè)備選擇最小化固有能量的損失。楊增光[4]利用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)樣件，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)尋找最佳的切削參數(shù)。Mikami等[5]使用美國NAS979標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)五軸加工中心進(jìn)行幾何精度測(cè)量，該試件開啟了利用檢測(cè)試件的實(shí)際切削和檢測(cè)來評(píng)估數(shù)控機(jī)床的方法。繼NAS979試件之后，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織[6]在ISO 10791-7中提出另一種檢測(cè)試件用來檢測(cè)機(jī)床使用銑鏜鉆等方式在多種插補(bǔ)方式下精加工不同型面特征的精度。此外，還有美國工程師協(xié)會(huì)[7]在SAME B5.54標(biāo)準(zhǔn)中介紹的標(biāo)準(zhǔn)件，以及Claudet[8]使用的切削精度檢測(cè)試件都是廣為使用的標(biāo)準(zhǔn)樣件。樣件種類繁多，且無法與機(jī)床其他衡量體系兼用，不便于學(xué)者之間的交流。本文在已有精度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的標(biāo)準(zhǔn)樣件。這種新的標(biāo)準(zhǔn)樣件一方面可以將機(jī)床的不同標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來，更好地檢驗(yàn)機(jī)床；另一方面可以將機(jī)床能耗與機(jī)床檢驗(yàn)結(jié)合，為把能源消耗量作為未來機(jī)床驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

1 標(biāo)準(zhǔn)樣件設(shè)計(jì)

新標(biāo)準(zhǔn)樣件的設(shè)計(jì)包含了現(xiàn)有機(jī)床驗(yàn)收精度檢測(cè)樣件中常見的圓面、斜邊和孔等幾種結(jié)構(gòu)簡單、易于加工的典型形狀元素，也包含比較常見、比較復(fù)雜的球形典型形狀元素，如圖1。

標(biāo)準(zhǔn)樣件包括①圓球臺(tái)：半徑為50 mm，高度為30 mm；②圓柱體：直徑180 mm，高度為5 mm；③長方體：高度為5 mm,頂面為與圓柱頂面內(nèi)接的正方形，與毛坯邊緣的傾斜角為15°；④方肩：寬度為5 mm，高度為10 mm；⑤斜方肩：高度為10 mm，角度為3°；⑥通孔：直徑為8 mm，深度為20 mm；⑦沉孔：直徑為10 mm，深度為10 mm。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)樣件設(shè)計(jì)圖Fig.1 Diagram of standard sample

為保證在實(shí)驗(yàn)過程中不受其他因素影響，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件加工使用的刀具型號(hào)以及切削參數(shù)作了一些限制，見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣件加工過程的限制條件

2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

使用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)比兩種機(jī)床的能效以及切削性能。通過MCV-810加工中心和嘉泰數(shù)控VL-850立式加工中心的實(shí)際加工舉例說明。兩種機(jī)床的參數(shù)見表2。

表2 兩種加工中心參數(shù)對(duì)照

Tab.2 Comparison between parameters of two processing centers

項(xiàng)目MCV-810VL-850X軸行程/mm810800Y軸行程/mm510500Z軸行程/mm560560工作臺(tái)面積/mm1000×510900×500主軸轉(zhuǎn)速/(r·m-1)800010000主軸馬達(dá)規(guī)格/kw15/107．5X、Y、Z軸快移速度/(m·min-1)15/15/1248/48/48最大切削速度/(mm·min-1)70007000機(jī)床功率/kVA2020面板系統(tǒng)FUNAC系列FUNAC系列

實(shí)驗(yàn)過程分為6步，使用插補(bǔ)法加工球面，①將毛坯粗銑到精加工所需的加工余量;②對(duì)球面以外所有的加工平面進(jìn)行精銑;③精銑球面;④再次精銑球面;⑤鉆φ8 mm的孔;⑥鉆φ10 mm的孔。實(shí)驗(yàn)過程中使用WT333型功率計(jì)對(duì)加工過程中的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行測(cè)量。為了增加對(duì)比研究，也除對(duì)兩種機(jī)床在加工標(biāo)準(zhǔn)樣件時(shí)進(jìn)行功率測(cè)量之外，對(duì)其在空載情況下運(yùn)行程序進(jìn)行功率測(cè)量。

切削能耗是刀具切除材料引起的能量消耗，與切削材料、刀具尺寸以及切削參數(shù)等有關(guān)，在忽略誤差的情況下，切削參數(shù)相同，加工不同元素消耗的功率相同，因此將此實(shí)驗(yàn)中加工參數(shù)相同時(shí)的切削功率視為常數(shù)，功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，部分功率曲線圖對(duì)比見圖2。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析

從表3可看出，由于兩個(gè)機(jī)床加工時(shí)應(yīng)用的切削參數(shù)完全相同，使用切削刀具以及加工路徑也完全一致，因此兩個(gè)機(jī)床加工標(biāo)準(zhǔn)樣件的切削功率也基本相同。但是由于機(jī)床的結(jié)構(gòu)不同，非切削功率差別很大，為了簡化計(jì)算，忽略極少的刀具空運(yùn)行時(shí)間，假設(shè)運(yùn)行時(shí)間即為切削時(shí)間，對(duì)整個(gè)加工過程的加工能耗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表3 兩臺(tái)機(jī)床加工標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)量功率

(a)銑平面加工測(cè)量功率

(b)鉆孔加工測(cè)量功率

(c)銑面空載測(cè)量功率

(d)鉆孔空載測(cè)量功率

圖2 兩種機(jī)床加工標(biāo)準(zhǔn)樣件以及空載過程機(jī)床總功率曲線對(duì)比圖

Fig.2 Comparison of measured power between standard sample processed by two machine tools and the total power curve of machine tool without load

從能耗角度看，機(jī)床JT-VL850的能效比MCV-810高。究其原因，主要是因?yàn)镸CV-810為20世紀(jì)90年代的老版機(jī)床，其內(nèi)部接線方式復(fù)雜，而JT-VL850大量使用集成電路，使得繼電器等效率更高。另一方面，從圖2可以看出，JT-VL850在切削以及空載運(yùn)行過程中，功率的波動(dòng)都比MCV-810大，說明機(jī)床在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性或者機(jī)床剛度要略差，由于機(jī)床的穩(wěn)定性影響工件加工表面的質(zhì)量，因此在加工過程中，雖然能耗較小，但對(duì)于表面質(zhì)量要求高的精加工，JT-VL850不如MCV-850加工效果好。由于機(jī)床的用途多種多樣，加工的工件需求也各有不同，單純從功率等因素來判斷機(jī)床的好壞是不符合實(shí)際的，因此要使用不同機(jī)床對(duì)同種標(biāo)準(zhǔn)件加工，測(cè)量多個(gè)因素總結(jié)機(jī)床評(píng)價(jià)對(duì)比表，在實(shí)際運(yùn)用中根據(jù)加工需求選擇更優(yōu)的機(jī)床。

機(jī)床加工過程中，由于機(jī)床運(yùn)行所需的功率比較大，粗加工過程的非切削功率可占總功率的80%以上，精加工過程材料去除體積小，因此非切削功率占更大的比例。并且實(shí)際加工過程中，非切削狀態(tài)持續(xù)時(shí)間比較長，因此能耗占據(jù)比例更大。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在誤差允許范圍內(nèi)，切削功率與機(jī)床的選擇無關(guān)，在確定切削參數(shù)及刀具之后，切削能耗部分很難再有優(yōu)化空間。而占總能耗絕大部分的非切削能耗部分，通過機(jī)床的選取以及合理安排，能獲得極大的能耗提升空間。

3 基于機(jī)床能耗的加工生產(chǎn)線優(yōu)化

3.1 生產(chǎn)線能耗理論分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，機(jī)床的選擇影響機(jī)床非切削能耗的大小，當(dāng)切削參數(shù)及機(jī)床確定后，加工工步的能耗就可以確定。在實(shí)際加工過程中，一個(gè)零件包含著多個(gè)加工工步以及多個(gè)加工機(jī)床，而整個(gè)加工過程往往以多機(jī)床同時(shí)參與的生產(chǎn)線方式進(jìn)行。由于同一個(gè)工步可以選擇不同的加工參數(shù)以及不同的機(jī)床，因此生產(chǎn)線中不同機(jī)床個(gè)體的安排以及加工參數(shù)不同，導(dǎo)致不同工序的切削功率以及切削時(shí)間都會(huì)發(fā)生變化?？紤]到流水線加工存在生產(chǎn)節(jié)拍問題，當(dāng)不同工步生產(chǎn)時(shí)間不同時(shí)，加工時(shí)間短的工步在完成切削加工之后，由于前端機(jī)床工步尚未完成，沒有工件繼續(xù)加工，導(dǎo)致機(jī)床處于空運(yùn)行狀態(tài)，也就是說機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間等于整個(gè)生產(chǎn)線所有工步中機(jī)床運(yùn)行最大時(shí)間值。無分支的生產(chǎn)線示意圖如圖3。

圖3 無分支的生產(chǎn)線示意圖Fig.3 Production line without branches

忽略工件運(yùn)輸時(shí)間，則加工單個(gè)工件總能耗為：

(1)

式(1)，中pi為工步i機(jī)床空載功率；tmax為加工節(jié)拍；pci為工步i切削功率；tci為工步i切削時(shí)間；ti

為工步i機(jī)床運(yùn)行時(shí)間。

實(shí)際加工過程中，為了達(dá)到生產(chǎn)線工藝平衡，通常會(huì)在生產(chǎn)時(shí)間瓶頸單元通過設(shè)置多個(gè)相同機(jī)床來減少加工節(jié)拍，如圖4。忽略未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的批次開頭和結(jié)尾，總能耗使用式(2)計(jì)算：

(2)

式(2)中，工步i并聯(lián)機(jī)床個(gè)數(shù)。

圖4 包含分支結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)線示意圖Fig.4 Production line with branches

通過上文的切削能耗預(yù)測(cè)以及機(jī)床能耗分析，可以獲得整個(gè)加工過程的總能耗，以此用來指導(dǎo)生產(chǎn)線的安排。如將時(shí)長大的工步安排在空載功率小的機(jī)床上，從而減少整體加工能耗。

3.2 生產(chǎn)線能耗實(shí)例應(yīng)用

以研究的兩種機(jī)床為例，對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行精加工，包括精銑平面、第一次精銑球面、第二次精銑球面、鉆孔1、鉆孔2五個(gè)步驟，用MCV-810和JT-850機(jī)床各5臺(tái)，不考慮表面質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)一條生產(chǎn)線。

根據(jù)上文研究結(jié)果，在選定切削參數(shù)之后，切削過程的切削能耗由切削參數(shù)與切削時(shí)間確定，與生產(chǎn)線的安排無關(guān)，忽略不同機(jī)床的誤差影響，加工單個(gè)工件的切削能耗可視為常數(shù)。因此只考慮加工過程的非切削能耗。上述機(jī)床能耗實(shí)驗(yàn)可以獲得不同加工工步的功率和時(shí)間數(shù)據(jù)，見表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)樣件加工功率與時(shí)間

將10臺(tái)機(jī)床連接為并列兩條生產(chǎn)線，如圖5。

圖5 無分支排列生產(chǎn)線Fig.5 Arrangement of production line without branches

上述方案中，由于第二次精銑球面時(shí)間過長，導(dǎo)致其他工步完成切削后，機(jī)床很長時(shí)間仍處于空運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，而機(jī)床加工過程，空運(yùn)行能耗占總能耗的大部分比例，因此在安排工藝流程時(shí)要考慮盡量減少機(jī)床空載時(shí)間。與此同時(shí)，根據(jù)不同機(jī)床特性，合理安排機(jī)床布局，在減小加工能耗的同時(shí)提高加工質(zhì)量。針對(duì)上述例子，對(duì)加工時(shí)長大的工步安排并列的工序，從而減少整條生產(chǎn)線的空閑時(shí)間，另外，由于MCV-810剛性好，加工的表面質(zhì)量好，因此將剛性較差的JT-VL850型機(jī)床安排在球的第一次精加工以及主受力為刀具軸向受力的鉆削步驟。機(jī)床排序如圖6。

第一種安排方式，平均加工單個(gè)工件的非切削總能耗計(jì)算見式(3)，第二種安排方式，平均加工單個(gè)工件的非切削總能耗見式(4)。

從兩種不同的生產(chǎn)線能耗結(jié)果對(duì)比可知，第二種非切削能耗相對(duì)于第一種減少了65%左右，此外，還可以將其他的安排方案進(jìn)行能耗計(jì)算，尋求更優(yōu)的生產(chǎn)線安排方案。因此，研究機(jī)床的基礎(chǔ)特性和能耗數(shù)據(jù)，針對(duì)特定的加工過程安排合理的生產(chǎn)線從而減少能耗有著重要的意義。

圖6 有分支混聯(lián)排序生產(chǎn)線Fig.6 Serially arranged production line with branches

4 結(jié)論

在前人研究的基礎(chǔ)上，將機(jī)床驗(yàn)收精度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣件與加工過程能耗研究樣件結(jié)合起來，并進(jìn)行改進(jìn)，獲得具有廣泛適用性的加工能耗標(biāo)準(zhǔn)樣件。通過標(biāo)準(zhǔn)樣件的加工，獲得不同機(jī)床的非切削能耗量化結(jié)果以及切削質(zhì)量的定量分析，為機(jī)床的對(duì)比及選用提供理論依據(jù)，并對(duì)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，獲得較小的能源消耗。

[1] Afsharizand B. Investigation on quantitative assessment of energy consumption and the associated sustainability performance of CNC milling machines[D]. London: Brunel University,2012:1-135.

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(責(zé)任編輯： 陳雯)

Analysis of machine tool energy consumption and optimization of production line based on standard sample

Zhang Xincheng1, Jia Minzhong2, Li Xiaoshui2

(1. College of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. College of Mechanical and Automotive Engineering， Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

To improve the analysis of energy consumption of different machine tools in the process, a standard analysis sample that includes several typical processing elements was designed. The standard sample was cut by different machine tools and the energy consumption of the elements (different parts) was calculated to compare the energy consumption of the machine tools. Meanwhile, the total energy consumption of different production lines was calculated based on the power of different machine tools to better arrange the production line.

machine energy consumption; standard sample; production line optimization

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.010

2017-03-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)(2014AA041503)；福建省自然科學(xué)基金(2016J01723)；福建工程學(xué)院科研發(fā)展基金(GY-Z13015)

賈敏忠(1972- )，女，四川雙流人，副教授，碩士，研究方向：可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控技術(shù)與裝備。

TH162

A

1672-4348(2017)03-0247-06