基于數(shù)控機床載荷損耗特性的能耗在線監(jiān)測方法分析

高思遠(yuǎn)，聶婷婷

（江西省檢驗檢測認(rèn)證總院計量科學(xué)研究院，江西 南昌 330002）

0 引言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，機械加工基本已經(jīng)成為常態(tài)，單就國內(nèi)機床的保有量就達到700 萬臺左右，但整體能量利用率卻并不理想。為有效發(fā)揮出機床作用，降低日常使用代價，提升可用性，應(yīng)當(dāng)對其能耗進行實時監(jiān)測，而其中的關(guān)鍵就是切削加工環(huán)節(jié)的能耗。借此調(diào)整機床運用狀態(tài)，優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，改善其利用效能。

1 數(shù)控機床能耗特性

1.1 電機損耗

電機損耗就是電機部分出現(xiàn)的問題，比如鐵損、磁滯損耗等。在數(shù)控機床電機中，定子鐵損一般包含：磁性材料發(fā)生磁滯損耗，以及定子鐵心出現(xiàn)渦流損耗；定子繞組發(fā)生損耗，電流通過繞組引起發(fā)熱而造成能量損耗，電流平方與電阻乘積和該損耗為正比；轉(zhuǎn)子繞組部分，與定子繞組同理，電流經(jīng)過轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生熱量，引起能量損耗；雜散損耗，就是其他不能通過可變損耗精準(zhǔn)算出的能耗。額定負(fù)載狀態(tài)下，各類損耗各自占比如下：定子繞組35%～40%；定子鐵損15%～20%；轉(zhuǎn)子損耗15%～20%；雜散損耗10%～15%；其余損耗則來源于摩擦與風(fēng)損，大約在5%～10%。

1.2 機械損耗

在機器運行期間，從傳動系統(tǒng)至工作機各類部件之間會有摩擦阻力，這會直接消耗少量功率，對于機器工作而言屬于無效功率。機械損耗功率和傳動部件實際運行速度，也就是角速度存在直接聯(lián)系。在數(shù)控機床傳動系統(tǒng)中，所有傳動部分損耗功率基本上能分成兩類：和角速度為正相關(guān)，即庫倫摩擦損耗功率；和角速度平方為正相關(guān)，即粘性摩擦損耗功率。傳動系統(tǒng)實際輸入功率就是機械有效輸入功率與無效功率之和。在數(shù)控機床中，主要包含的機械傳動系統(tǒng)與軸承有：圓柱齒輪與錐柱齒輪傳動；滑動與滾動軸承；帶傳動；減速器和變速器。機械傳動效率能反映出系統(tǒng)動力機實際驅(qū)動功率效用水平，可以據(jù)此評價機械傳動部分的工作性能[1]。如果傳動系統(tǒng)中每級機構(gòu)都是串聯(lián)狀態(tài)，則此傳動系統(tǒng)效率便是各部分的乘積。

1.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要面臨三類損失，包括容積、液壓與機械。首先，容積損失。液壓系統(tǒng)本身有著各類泄露風(fēng)險，導(dǎo)致工作機構(gòu)實際流量少于油泵輸出量。而系統(tǒng)泄露總量就是其容積損失。另外，因為全部泄露均是因為某些壓力差造成的，所以液壓能損耗始終都存在，由泄露形成的損耗壓力能變成熱能，讓液壓系統(tǒng)隨之升溫。其次，液壓損失，這是在油液順著管道流經(jīng)各類閥過程中發(fā)生的。液壓損失主要是因為油液固有的粘性，損失液體壓力能，整體可分成兩類：沿程損失與局部損失。在沿程損失中，液體順著等截面管道流過一段距離造成能量損失，實質(zhì)上是液體被管道內(nèi)壁影響，在不同截面位置的液體流速有差別，由此出現(xiàn)內(nèi)摩擦引發(fā)能量損失。局部損失則是液體經(jīng)過管道截面規(guī)格有變化的位置以及管道彎折處，導(dǎo)致能量損失，這些位置會產(chǎn)生渦流區(qū)，使液體發(fā)生摩擦與碰撞，或是接觸截面的各部分速度規(guī)律變化，引發(fā)附加摩擦，造成液壓能量損失。最后，機械損失。液壓系統(tǒng)中各類相對運動零件之間產(chǎn)生摩擦阻力，比如油馬達、油泵等，由此消耗的能量都屬于機械損失。結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)各部分的運行特點，油泵與油馬達、油缸等容易出現(xiàn)機械與容積損失；各類閥與管路則要面臨液壓與容積損失。

2 數(shù)控機床能耗狀態(tài)在線監(jiān)測

2.1 方案分析

數(shù)控機床運行中，能量源與能流步驟均較多，并且損耗也比較復(fù)雜。能量源實際特征通常反映在：主軸旋轉(zhuǎn)與進給軸、冷卻屑等。而能源步驟則包含運動軸一般通過驅(qū)動控制，也就是變頻器或伺服驅(qū)動器，同時還有機械傳動鏈與電機等多個能耗部分。另外，能量流運動以及損耗問題則在所有能耗部分均有體現(xiàn)，例如電機存在鐵損、雜散損耗與銅損等。所以，全面監(jiān)測數(shù)控機床能耗狀態(tài)，是比較復(fù)雜的任務(wù)。

機床能耗主要分成加工與非加工兩類。對于加工能耗，可運用機床載荷函數(shù)，借助統(tǒng)計方式證明能效和載荷的聯(lián)系，但不可對在線監(jiān)測與評價能效情況。而監(jiān)測切削能耗則需掌握相應(yīng)功率，對機床加工中切削扭矩進行測量，直接在機床上布置扭矩傳感裝置[2]。但此種處理方式，既容易降低機床剛性，造價較高，監(jiān)測結(jié)果又會被工作條件干擾。所以建議選擇基于載荷損耗特性，滿足在線監(jiān)測機床能耗的需要，不用裝載扭矩傳感器，對切削能耗進行測量。該監(jiān)測方案的運行原理是把機床能耗分成負(fù)載無關(guān)與有關(guān)兩個部分。其中，負(fù)載無關(guān)能耗就是和機床加工沒有關(guān)聯(lián)，能夠在啟動機床以前測出，保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，而切削功率則屬于有關(guān)能耗的部分。在負(fù)載有關(guān)部分中，具體是通過主傳動系統(tǒng)與進給系統(tǒng)在整體加工期間產(chǎn)生的能耗值，通常情況下，進給系統(tǒng)實際切削功率偏小，此處可以簡化忽略。監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)框架

2.2 監(jiān)測模型

基于方案分析，在線監(jiān)測機床能耗狀態(tài)模型可簡化成僅針對主軸能耗，結(jié)合圖2 所示，此監(jiān)測系統(tǒng)可分成下述3 個部分：①采集非加工中的固定能耗值。該狀態(tài)下的能耗就是當(dāng)數(shù)控機床已經(jīng)準(zhǔn)備好，系統(tǒng)主機與控制器、驅(qū)動器、電機和外設(shè)單元均已經(jīng)開啟，而主軸與進給電機都開始工作階段的能耗。離線采集機床非加工中的能耗值，保存到數(shù)據(jù)庫。②采集加工中的可變能耗值。系統(tǒng)需濾波預(yù)處理在線采集的主軸功率信息，按照輸入功率隨即評估機床當(dāng)下的工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)載荷損耗特性確認(rèn)切削功率，由此得出可變能耗。其中，確認(rèn)切削功率可以避免在線測出切削力，根據(jù)測出的主軸輸入功率數(shù)值，間接得到切削功率。③統(tǒng)計與反饋機床能耗監(jiān)測結(jié)果。按照切削功率以及輸入功率，在線得出機床能耗效率與能量利用率。前者為機床切削功率和輸入功率比值，后者則是在某一時間段內(nèi)，切削能量與輸入能量的比值。由此不難發(fā)現(xiàn)，前者屬于瞬時量，后者為過程量。相關(guān)計算公式如式（1）、式（2）所示。

圖2 機床監(jiān)測模型

式中：η——機床能量效率；U——能量利用率；Pc（t）——在t 時刻，機床的切削功率；Pin（t）——t 時刻，主傳動系統(tǒng)的輸入功率；Prfo（t）——在t 時刻，非加工狀態(tài)下的功率值，通常是常數(shù)。關(guān)于U 的運算估計為在線監(jiān)測的核心。

2.3 能耗監(jiān)測算法研究

2.3.1 切削能耗

在線監(jiān)測評估切削能耗中，需要對功率信號進行濾波處理。因為輸出功率可能有電壓電流波動與監(jiān)測噪聲影響，可以選用計算量較少的滑動濾波器確認(rèn)空載功率。該過程的實現(xiàn)原理為：在n 時刻功率數(shù)值是在此之前滑動濾波器長度實時功率值的加權(quán)平均。這樣處理的原因是在初始階段，功率值尚未填滿濾波器，此時進行平均運算，會使經(jīng)過濾波處理的功率值遠(yuǎn)小于真實情況?？紤]到功率信號容易被電壓電流變化影響，造成功率不穩(wěn)定，這會降低判斷機床狀態(tài)的準(zhǔn)確性。因而選擇滑動濾波平均算法，相關(guān)實現(xiàn)過程為：把最新功率數(shù)值賦予最后一個濾波數(shù)組，同時保存對應(yīng)濾波次數(shù)；判斷該次數(shù)能否滿足濾波器長度要求；如果滿足，用濾波器數(shù)組的和比上濾波器長度，倘若未滿足，用濾波器數(shù)組的和比上濾波次數(shù)；判斷中停機。

機床整個加工過程包含三個狀態(tài)，即啟動與空載、加工。以某工件加工處理為例，包含粗車外圓與端面切削，運轉(zhuǎn)速度固定。機床的主軸功率按照加工階段，包含啟動時、進退刀空載、加工。所以，在線監(jiān)測要考慮怎樣按照采集到的功率值判斷機床狀態(tài)。首先，主軸啟動。把經(jīng)過預(yù)處理的功率值送進緩沖數(shù)組，此數(shù)組在系統(tǒng)停機中為清零狀態(tài)，由此判斷出功率值有無超過設(shè)置常數(shù)，而此常數(shù)需超過功率傳感裝置零漂值，通常不會超過數(shù)十瓦。假設(shè)數(shù)組內(nèi)的數(shù)值中，超過兩個大于設(shè)定常數(shù)，此時可認(rèn)為該機床主軸啟動。其次，主軸空載。該運行狀態(tài)處于啟動和加工之間，功率沒有明顯波動[3]。判斷機床是否為空載，需按照下述流程確認(rèn)：判斷機床有無啟動，如果已經(jīng)啟動則可進行下一步：評估數(shù)組平穩(wěn)狀態(tài)，如果平穩(wěn)便能進入下一步，反之回到上一步；確認(rèn)機床為空載狀態(tài)，并把當(dāng)下數(shù)值當(dāng)成主軸功率值。實際監(jiān)測評估中，機床保持平穩(wěn)狀態(tài)的時間通常在幾分鐘至數(shù)十分鐘以內(nèi)不等。最后，主軸加工。判斷當(dāng)下功率值和空載數(shù)值有無超出設(shè)定范圍，倘若超出則是加工狀態(tài)。而該范圍是按照機床空載中會的功率波動狀況確定，通常約為5%。

實時判斷機床切削功率就是在線監(jiān)測能效的關(guān)鍵。數(shù)控機床的主傳動部分主要有電機及其驅(qū)動、機械傳動，各自能耗均較為復(fù)雜。為降低監(jiān)測難度，把功率直接可簡化成空載、切削與附加三項功率。三者定義分別是：空載功率，主傳動系統(tǒng)按照設(shè)定轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，且沒有進行加工就是空載，該過程產(chǎn)生的消耗功率便是空載功率；切削功率，主傳動切削中耗用的功率，主要用在處理工件材料環(huán)節(jié)；附加載荷，主傳動系統(tǒng)因為切削處理形成的附加消耗，僅發(fā)生在機床切削時。結(jié)合圖2 來看，主傳動系統(tǒng)實際輸入功率應(yīng)當(dāng)包含上述三個功率，如式（3）所示。

式中：Pu（t）——空載功率；Pa（t）——附加載荷損耗；Pc（t）——切削功率。

Pc（t）是在切削中電機與機械傳動形成附加電耗以及機械損耗，對其的測量難度較大，往往無法直接獲取精確結(jié)果。而其和切削功率存在正相關(guān)。所以，需要結(jié)合輸入功率與空載功率，判斷附件載荷損耗與切削功率。具體算法實現(xiàn)過程為：按照機床運行狀態(tài)記錄其使用時間；切削過程中，根據(jù)附加損耗辨識情況，估算切削能耗；按照負(fù)載無關(guān)能耗確認(rèn)總能耗與能效等有關(guān)數(shù)據(jù)[4]。上述過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均完整保存下來，給數(shù)控機床日后節(jié)能優(yōu)化與應(yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖3 為主軸功率流。

圖3 主軸功率流

2.3.2 附加能耗

當(dāng)判斷機床處于加工狀態(tài)，倘若已經(jīng)確認(rèn)空載功率數(shù)值與附加損耗的函數(shù)系數(shù)，便能有效估計切削功率。在線監(jiān)測中，機床按照設(shè)置轉(zhuǎn)速進行空載運行，由此測出空載功率，隨后在適當(dāng)切削加工參數(shù)下測得切削功率。根據(jù)函數(shù)擬合求解，得到附加損耗函數(shù)系數(shù)[5]。

3 結(jié)語

上文討論的在線監(jiān)測方法并非直接通過傳感器獲得機床運行信息，而是基于對主傳動系統(tǒng)功率的測量，經(jīng)過動態(tài)估計得到可變有效切削功率。這樣不僅能降低機床監(jiān)測成本，還能防止制造車間環(huán)境對測量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾，為數(shù)控機床穩(wěn)定、低碳工作提供可靠的信息依據(jù)。