2025年08月06日 14:19:56 来源：东莞市宇匠数控设备有限公司 >> 进入该公司展台 阅读量：6
伯特利数控 加工中心 钻攻中心
前言：
随着计算机、控制以及信息技术的迅猛发展，数控机床在车间中的覆盖率正逐步提高。工件通过数控加工完成由毛坯件向成品件的转换过程中，势必伴随着能量的消耗以及废弃物的排放，在能源价格飞速増长、环境保护意识日益增强的今天，节能减排的研宄具有重要意义⑴。简单准确有效的数控加工能耗估算方法是实现节能减排的基础和关键。
现阶段对加工能耗估算的研究主要采用分析能耗影响因素，建立能耗模型并据此计算能耗值的方法。Avram以机床为研究对象，建立了机床加工系统的能耗需求模型，并以典型铣削工艺为例，验证了该模型的有效性[2]; Li提出了一种基于热平衡和经验模型的能耗估算方法，达到了较高的准确度[3];宫运启等建立了能耗知识模型，明确了该领域的概念及其关系，并提出丁基于神经网络的工序能耗计算方法[4]。另外，能耗是功率在时间上的积累，时间计量相对简单，也有学者展开了对功率模型的研究。Liu以槽铣工艺为研究对象，在推导了切削功率公式的基础上，通过实验的方法确定了切削力，进而获得了功率值[5];贾顺提出了一种基于动素的切削功率建模方法，并通过外圆的车削实验对该方法进行了验证[6]。以上成果对能耗估算的研究起到了极大的推动作用，具有重要的学术价值。
然而，上述成果侧重于加工时某种工艺或某道工序耗能的研究，并未涉及到零件整个加工过程的能耗估算。在数控加工方面，Jia提出的一种基于“GM代码”的能耗估算方法一定程度上弥补了现有研究的不足[7]，但是IS06983标准缺少零件的顶层信息，令该方法在实施时需补充工件基本信息并计算切削深度，导致其应用时存在困难。产品模型数据交换模型(Standard f〇r the Exchange 〇fProduct model data，STEP )—数字控制(Numerical Control，NC)完整地表示了与零件加工相关的全部，包r'? j所有与能耗计算相关的内容PI。若能够基于STEP-NC实现待加工零件能耗值的估算，则不但能够解决上述问题，而且有利于实现制造系统内能耗信息的广泛集成，并进一步推动能量有效[10]制造模式的发展，更好地满足当今低碳制造的需求，为低能耗的数控加工提供支持。
综上所述，本文提出了一种基于STEP-NC的数控加工能耗估算方法。首先，在对数控加工能耗分析的基础上，将数控机床的组件分为基本能耗组件、选择能耗组件以及运动能耗组件；然后，以STEP-NC中的工步为中心，提出了基于STEP-NC的数控加工能耗估算方法，并着重阐述了工步能耗的计算过程；最后，根据所述方法开发了能耗估算软件，对一个零件的加工能耗进行了估算，并在机床上实测加工该零件的耗能，结果表明该方法具有一定的实用性。需要指出的是，本文的研宄针对 ISO14649-10、11、201 展开。对于 ISO14649-201 标准仅利用其“machineJool_speciflcatlon”及”device_id”实体标识加工过程所使用的机床。
1数控加工能耗概述
数控加工能耗是数控机床在完成零件加工的过程中所消耗的能量，与普通机床加工相比较，数控机床具有多源能耗特性，即耗能部件众多，能耗形式复杂多样，如文献[11]中所述的YD31125CNC6数控滚齿机，拥有15个子系统，且每个子系统的耗能部件均存在差异，总体能耗特性复杂。另外，
相关研宂者指出，随着数控机床自动化程度的提高，直接用于切削的能耗占机床总耗能的比重将越来越小[12]，绝大多数的能量被辅助系统所消耗。因此对于数控加工过程的能耗估算，不能局限于切削能耗，而应从全局的角度出发，对数控机床的能耗特性有一个全面、清晰的认识。一般可将数控机床在工作时的能耗分为固定能耗与可变能耗。本文基于此将数控机床的组件分为基本能耗组件、选择能耗组件和运动能耗组件，其中，基本能耗组件和选择能耗组件的能耗为固定能耗，运动能耗组件的能耗是可变能耗。
(1) 基本能耗组件
该组件指数控机床开启后或者在加工过程中一定会运行的能耗组件，如显示器、指示灯和风扇等。这部分能耗起到支撑性的作用，为数控机床的正常运行提供保障。
(2) 选择能耗组件
该组件指数控机床上电后或者在加工过程中不一定需要运行的组件，如照明灯、切削液以及换刀装置等。对于此部分能耗值的获取，可基于控制变量法的思想，通过实验的方法予以测量，即在机床开启后，在同一时间内只允许有一个选择能耗组件运行，计算出该组件的耗能情况。
(3) 运动能耗组件
此部分组件集中体现了数控机床的加工功能，包括主轴和进给轴。其能耗由机床空行程以及材料切削时产生。
根据现有成果，基本能耗和选择能耗组件的功率值可认为是恒定的，由一个常数表示；运动能耗组件的功率计算相对比较复杂，从简化运算和保证准确性的角度出发，主轴功率可以看作是主轴转速《的一次函数[13]，进给功率也可近似的表示为进给速度的一次函数[叫，切削功率一般与材料去除率成线性关系[〗5]。
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结束语：
本文提出了一种基于STEP-NC的数控加工能耗估算方法。该方法以STEP-NC中的工步为中心，
将其分为特征加工辅助、特征加工、接近制造特征与远离制造特征四个状态，在对机床组件分类并指出其功率计算方法的基础上，可依次推算出每个状态的耗能，进而得到当前工步的能耗，由于工件的加工是由多个工步构成的，将每个工步的能耗求和即可计算出工件加工的能耗。考虑到机床的功率特性是存在差异的，同一零件在不同机床上加工的能耗值是不同的，因此通过实验的方法获得了两台数控机床的功率数据并录入机床功率数据库，根据所提出的方法开发了能耗估算软件，达到了输入零件的STEP-NC文件，输出其加工能耗值的目的。其误差主要与功率拟合公式的准确度、加工过程中的刀具磨损以及村料均匀性等因素有关。另外，可更改STEP-NC文件中的工步顺序并计算能耗值，从而为考虑能耗因素的工艺优化提供基础。
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