數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真方法
2017-12-25 來(lái)源： 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng) 南京理工大學(xué)機(jī)械工 作者：何彥 林申龍 王禹林 李育鋒 王立祥
摘要：機(jī)床能量消耗過(guò)程的評(píng)估和分析是機(jī)床能效優(yōu)化研究的基礎(chǔ)。現(xiàn)有研究提出的機(jī)床能耗模型主要是靜態(tài)能耗模型，少數(shù)對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能耗的研究又主要集中在機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)性的建模，缺乏對(duì)機(jī)床能量源特別是數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)性能耗的研究。針對(duì)數(shù)控機(jī)床能量源多、加工任務(wù)及加工參數(shù)動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，提出了一種數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真方法。對(duì)數(shù)控機(jī)床能耗過(guò)程的動(dòng)態(tài)性進(jìn)行分析；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合面向?qū)ο笾x時(shí)Petri 網(wǎng)(Colored timedobject-oriented Petri netCTOPN)和虛擬部件方法建立數(shù)控機(jī)床多能量源動(dòng)態(tài)能耗模型，其中CTOPN 模型用于描述數(shù)控機(jī)床能耗過(guò)程機(jī)床和多能量源運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性，虛擬部件方法用于描述數(shù)控機(jī)床多能量源受加工參數(shù)影響的動(dòng)態(tài)特性；通過(guò)CTOPN 中“變遷”蘊(yùn)含的信息來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬部件模型實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗特性的建模。案例分析結(jié)果證明了該方法的可行性，上述模型可為數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)能耗的預(yù)測(cè)、綜合的能耗特性分析以及定量的能耗影響因素分析提供一種基礎(chǔ)支持，具有較廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；多能量源；動(dòng)態(tài)能耗；建模仿真
0 前言
近年來(lái)，隨著制造業(yè)能耗和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻以及全球低碳化形勢(shì)的發(fā)展，機(jī)床能量消耗問(wèn)題的研究受到了歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家地區(qū)政府的廣泛關(guān)注。機(jī)床量大面廣，能耗總量巨大，但機(jī)床有效能量利用率低[1]。因而研究機(jī)床的能量特性對(duì)機(jī)械制造行業(yè)的高效低碳運(yùn)行具有重要意義。在美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，機(jī)械加工設(shè)備的能耗特性建模已受到廣泛關(guān)注，特別是在歐洲，頒布的一系列能耗指令、標(biāo)準(zhǔn)[2-3]推動(dòng)了大量的機(jī)床能耗建模技術(shù)研究。目前對(duì)機(jī)床的能耗特性建模的研究主要集中在基礎(chǔ)性能耗、工藝性能耗、結(jié)構(gòu)性能耗和動(dòng)態(tài)性能耗建模等四個(gè)方面。
基礎(chǔ)性能耗建模的研究主要采用熱動(dòng)力學(xué)方法研究機(jī)床加工過(guò)程的能耗模型。如GUTOWSKI等[4]建立了機(jī)床加工過(guò)程的熱動(dòng)力學(xué)能耗模型框架。而工藝性能耗建模的研究主要通過(guò)分析加工參數(shù)對(duì)機(jī)床運(yùn)行能耗的影響建立機(jī)床的比能模型。DRAGANESCU 等[5]通過(guò)試驗(yàn)建立了機(jī)床主軸的比能模型；DIAZ 等[6]通過(guò)試驗(yàn)將機(jī)床比能表示為材料切除率的函數(shù)；LI 等[7]將機(jī)床視為一個(gè)整體，通過(guò)測(cè)量不同切削條件下的功率獲得了機(jī)床的比能模型。上述能耗模型都是將整個(gè)機(jī)床視為黑色或灰色系統(tǒng)，不能詳細(xì)描述機(jī)床內(nèi)部的能耗過(guò)程，并且需要開(kāi)展大量試驗(yàn)。進(jìn)一步開(kāi)展的結(jié)構(gòu)性能耗建模的研究是對(duì)機(jī)床及其各耗能部件的能耗特性進(jìn)行分析建立機(jī)床的能耗模型。如文獻(xiàn)[8]建立了數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的率平衡方程；文獻(xiàn)[9-11]采用參數(shù)化建模方法對(duì)機(jī)床各能量源進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)[12]建立了數(shù)控機(jī)床多源能量流的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。
上述的基礎(chǔ)性能耗、工藝性能耗、結(jié)構(gòu)性能耗建模研究主要針對(duì)機(jī)床的能量消耗進(jìn)行了靜態(tài)的建模，無(wú)法對(duì)機(jī)床加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)能耗特性進(jìn)行分析。目前，文獻(xiàn)[1]建立了機(jī)床服役過(guò)程機(jī)電主傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)段能量模型，該研究局限于主傳動(dòng)系統(tǒng)的能耗動(dòng)態(tài)性分析；國(guó)外少數(shù)學(xué)者采用離散事件建模方法對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)能耗特征進(jìn)行建模。DIETMAIR 等[13-14]提出了一種離散狀態(tài)建模方法對(duì)機(jī)床能耗進(jìn)行系統(tǒng)化建模。該研究主要對(duì)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)性進(jìn)行了分析，無(wú)法對(duì)機(jī)床耗能部件的能耗的動(dòng)態(tài)性如受加工參數(shù)(切削條件、材料等)的影響進(jìn)行分析。隨著工業(yè)化的進(jìn)程和基礎(chǔ)裝備制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已成為機(jī)床裝備的主流。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和能量特性發(fā)生了很大的改變。數(shù)控機(jī)床能量源增多、能量損耗復(fù)雜，主傳動(dòng)系統(tǒng)占整個(gè)機(jī)床能耗的比例相對(duì)普通機(jī)床越來(lái)越小[12]。因此，本文從數(shù)控機(jī)床能量源多、加工任務(wù)及加工參數(shù)動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)出發(fā)，基于數(shù)控機(jī)床及其多能量源的動(dòng)態(tài)能耗特征分析，對(duì)數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗模型進(jìn)行建模與仿真。建立的數(shù)控機(jī)床能耗模型可用于分析數(shù)控機(jī)床及各耗能部件的能耗與其
運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系，并為加工參數(shù)節(jié)能優(yōu)化、機(jī)床配置的節(jié)能優(yōu)化以及能耗戰(zhàn)略決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
1 、數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)能耗特性分析
1.1 數(shù)控機(jī)床及多能量源的運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)性分析
在ISO 14955-1[3]標(biāo)準(zhǔn)中，將數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)劃分為停機(jī)、待機(jī)、準(zhǔn)備、空載以及加工等五個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)。基于ISO 14955-1 定義的機(jī)床狀態(tài)，本文以從某數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程獲取的功率曲線為例來(lái)分析數(shù)控機(jī)床及多能量源的運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)性。如圖1 所示，該數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)隨著機(jī)床加工的進(jìn)行而發(fā)生變化，數(shù)控機(jī)床先處于準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)主軸啟動(dòng)(功率曲線上出現(xiàn)尖峰)機(jī)床進(jìn)入了空載狀態(tài)，隨著刀具接觸工件，機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)又由空載狀態(tài)進(jìn)入加工狀態(tài)；同時(shí)數(shù)控機(jī)床的多能量源運(yùn)行狀態(tài)也隨著機(jī)床加工過(guò)程對(duì)不同能量源的需求而變化，如主軸系統(tǒng)在第一個(gè)尖峰之前處于關(guān)閉狀態(tài)，為了滿足加工需求，需要將主軸加速到給定速度，因此第一個(gè)尖峰后主軸系統(tǒng)處于開(kāi)啟狀態(tài)來(lái)滿足后續(xù)的加工需求。
圖1 能耗過(guò)程的動(dòng)態(tài)性
1.2 多能量源受加工參數(shù)影響的動(dòng)態(tài)特性分析
與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和能耗特征有很大區(qū)別，數(shù)控機(jī)床能量源更多，能耗形式更復(fù)雜，數(shù)控機(jī)床的能耗涉及機(jī)電液領(lǐng)域[15]。數(shù)控機(jī)床能量源的能耗除了與自身的結(jié)構(gòu)配置有關(guān)，還與其相應(yīng)的加工參數(shù)(如切削參數(shù)、材料等)有關(guān)。作者所在的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)HAAS機(jī)床的功率與運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。HAAS機(jī)床粗銑槽、精銑槽以及點(diǎn)孔的空載功率分別為p1、p2和p3，由圖2 可知機(jī)床的空載功率隨主軸轉(zhuǎn)速的變化而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。因此，即使數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程相同，由于能量源結(jié)構(gòu)的差異或者加工參數(shù)的變化，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)床能耗呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化性。
圖2 HAAS 機(jī)床空載功率
2、 數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)能耗特性的建模
根據(jù)上述分析，數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程總是伴隨著復(fù)雜的動(dòng)態(tài)能耗特征。因此，為了分析數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)能耗特征，本文將數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程視為由多能量源觸發(fā)的一系列離散事件，提出了一種數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真方法，從全局的角度對(duì)機(jī)床能耗進(jìn)行評(píng)估與分析。該方法結(jié)合面向?qū)ο笾x時(shí)Petri 網(wǎng)(Colored timedobject-oriented Petri net，CTOPN)和虛擬部件方法建立數(shù)控機(jī)床多能量源動(dòng)態(tài)能耗模型，其中CTOPN模型用于描述數(shù)控機(jī)床能耗過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性，虛擬部件方法用于描述數(shù)控機(jī)床多能量源受加工參數(shù)影響的動(dòng)態(tài)特性，最后通過(guò)CTOPN 中“變遷”蘊(yùn)含的信息來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬部件模型實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗特性的建模。
機(jī)床能耗建模與仿真框架如圖3 所示，包含以下三個(gè)模塊。
(1) token 生成模塊：數(shù)控機(jī)床的CTOPN 模型由特定的著色賦時(shí)token 驅(qū)動(dòng)，這些著色賦時(shí)token可由加工信息如工件的加工特征、工件的工藝卡片或工件加工的NC 代碼等生成。
(2) 數(shù)控機(jī)床能耗模型模塊：包括描述數(shù)控機(jī)床能耗過(guò)程運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)性的CTOPN 模型，述多能量源動(dòng)態(tài)性的虛擬部件模型以及描述特定加工負(fù)載的負(fù)載模型。其中虛擬部件模型和負(fù)載模型由機(jī)床CTOPN 模型驅(qū)動(dòng)；負(fù)載模型作為虛擬部件模型的加工負(fù)載源。
(3) 評(píng)估與分析模塊：通過(guò)對(duì)機(jī)床能耗的能耗過(guò)程動(dòng)態(tài)性的建模和仿真，可以獲得全局的詳細(xì)的機(jī)床能耗信息，并且可進(jìn)行定量的原因－結(jié)果分析，為機(jī)床加工過(guò)程的能耗提供一種評(píng)估方法并為機(jī)床節(jié)能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
圖3 數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真框架
2.1 數(shù)控機(jī)床CTOPN 模型
為增強(qiáng)建模柔性并適應(yīng)參數(shù)化、模塊化的虛擬部件模型，本文采用面向?qū)ο笾x時(shí)Petri 網(wǎng)(CTOPN)方法[16]。一個(gè)典型的CTOPN 模型是一個(gè)七元組
S=OPS,R,C,D, I,O,M0 ? (1)
式中，OPS 為對(duì)象庫(kù)所集，R 為門(mén)變遷集，C 為與對(duì)象庫(kù)所集和門(mén)變遷集關(guān)聯(lián)的著色token 集， D 為著色token 的時(shí)間延遲屬性集， I 為對(duì)象庫(kù)所到門(mén)變遷的輸入傳遞函數(shù)集，O為門(mén)變遷到對(duì)象庫(kù)所的輸出傳遞函數(shù)集，M0為CTOPN模型的初始標(biāo)識(shí)。
為了建立機(jī)床加工過(guò)程的CTOPN 模型，首先可采用面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)(OPN)方法建立與機(jī)床狀態(tài)和多能量源運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的狀態(tài)特征模型，然后通過(guò)由token 生成模塊產(chǎn)生的著色賦時(shí)token 及其相應(yīng)屬性來(lái)描述具體加工過(guò)程的運(yùn)行特征。基于機(jī)床狀態(tài)與多能量源運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系，建立機(jī)床層OPN 模型，如圖4 所示。機(jī)床當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)與即將執(zhí)行的動(dòng)作共同決定機(jī)床下一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。該方法具有一定柔性，不同生產(chǎn)參與人員可根據(jù)需要建立不同的機(jī)床狀態(tài)與多能量源運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[17]根據(jù)數(shù)控機(jī)床各能量源的運(yùn)行特征將其劃分為三種基本類型：0-1 型、離散型以及連續(xù)型，其中連續(xù)型能量源是離散型能量源的特殊情況(切削力加載到離散型能量源上)。為了便于描述機(jī)床能耗過(guò)程的動(dòng)態(tài)性，本文進(jìn)一步將數(shù)控機(jī)床能量源劃分為加工進(jìn)度相關(guān)的能量源(如進(jìn)給系統(tǒng)，換刀系統(tǒng)等)和加工進(jìn)度無(wú)關(guān)的能量源(如冷卻系統(tǒng)，主軸系統(tǒng)等)。結(jié)合文獻(xiàn)[17]的研究，將能量源分成四種類型：① 0-1 型&加工進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源(如機(jī)床電氣，冷卻系統(tǒng))；② 0-1 型&加工進(jìn)度相關(guān)能量源(如換刀系統(tǒng))；③ 離散型&加工進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源(如主軸系統(tǒng))；④ 離散型&加工進(jìn)度相關(guān)能量源(如進(jìn)給系統(tǒng))。根據(jù)上述對(duì)能量源的分類，建立其通用OPN模型。對(duì)于①類能量源，運(yùn)行狀態(tài)的每一次轉(zhuǎn)變總是基于相應(yīng)的需求，如圖5 所示。
圖4 機(jī)床層OPN
圖5 0-1 型&進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源OPN
對(duì)于②類能量源，其處于開(kāi)啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間由庫(kù)所sb1 (“能量源處于開(kāi)啟狀態(tài)”)中著色token的時(shí)間延遲屬性決定，一旦滿足延遲時(shí)間，變遷tb2(“關(guān)閉能量源”)將發(fā)生，能量源進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，如圖6 所示。此外，在機(jī)床能耗的評(píng)估中應(yīng)該考慮部分與機(jī)床加工過(guò)程相關(guān)的外部事件(如人工的裝載和卸載工件，機(jī)床等待下一個(gè)工件到達(dá)等)，這類事件自身不是能量源，但會(huì)影響機(jī)床的運(yùn)行持續(xù)時(shí)間，從而影響機(jī)床能耗。根據(jù)這類事件的特點(diǎn)，可采用與圖6 所示相同的OPN 模型。考慮了這類事件的機(jī)床能耗模型可為車(chē)間的調(diào)度提供一種基礎(chǔ)支持。與0-1 型能量源不同，離散型能量源在開(kāi)啟之前將處于準(zhǔn)備狀態(tài)(如主軸系統(tǒng)的變頻器、電動(dòng)機(jī)等準(zhǔn)備好)，如圖7 所示，用庫(kù)所sc2來(lái)描述能量源的準(zhǔn)備狀態(tài)；并且離散型能量源在開(kāi)啟狀態(tài)下可能動(dòng)態(tài)地調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，這種情況用變遷tc2和tc3 (“離散型能量源調(diào)整運(yùn)行參數(shù)”)來(lái)描述。③類能量源與①類能量源類似，其運(yùn)行狀態(tài)的每一次轉(zhuǎn)變總是基于相應(yīng)的需求。
圖6 0-1 型&進(jìn)度相關(guān)能量源OPN
圖7 離散型&進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源OPN
對(duì)于離散型&進(jìn)度相關(guān)的能量源，其電動(dòng)機(jī)頻繁地加速、減速或者以恒定速度運(yùn)行一定時(shí)間。這類能量源處于開(kāi)啟狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于庫(kù)所sd 3(“能量源處于開(kāi)啟狀態(tài)”)中著色token 的時(shí)間延遲屬性。值得注意的是，當(dāng)時(shí)間延遲結(jié)束后，④類能量源的下一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)還取決于其他條件(如加工過(guò)程的下一個(gè)進(jìn)度周期是否在同一個(gè)④類能量源上執(zhí)行)。因此，用庫(kù)所sd 4“( 能量源處于預(yù)準(zhǔn)備狀態(tài)”)來(lái)表示能量源開(kāi)啟與準(zhǔn)備之間的過(guò)渡狀態(tài)，如圖8所示。
圖8 離散型&進(jìn)度相關(guān)能量源OPN
2.2 虛擬部件模型及負(fù)載模型
Petri 網(wǎng)方法適合于對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模以及對(duì)控制順序進(jìn)行優(yōu)化，但它在對(duì)子系統(tǒng)的參數(shù)影響分析方面不夠詳細(xì)。另一方面，虛擬仿真技術(shù)在機(jī)床開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛使用，它能夠詳細(xì)描述參數(shù)的影響。由于仿真工具的使用，虛擬仿真模型變得越來(lái)越準(zhǔn)確、快捷和可靠，而仿真所消耗的時(shí)間和成本卻在降低。Petri 網(wǎng)和虛擬仿真技術(shù)都是已有的方法，它們都是針對(duì)特定應(yīng)用建立起來(lái)的解決問(wèn)題的方法。將這兩種方法結(jié)合起來(lái)，更適于從全局的角度詳細(xì)地評(píng)估機(jī)床動(dòng)態(tài)的能耗。
首先，能量源的虛擬仿真模型必須保證適當(dāng)?shù)目刹僮餍砸约白銐虻臏?zhǔn)確度來(lái)評(píng)估機(jī)床能耗。精確地再現(xiàn)能量源的運(yùn)行行為不是能耗仿真模型的目的，面向能耗的能量源虛擬模型只考慮影響機(jī)床能耗的主要因素。其次，基于文獻(xiàn)[18]的假設(shè)可對(duì)虛擬能量源進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化：假設(shè)能量源被正確設(shè)計(jì)并且在恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行條件下工作，這樣就可以提前假設(shè)一系列物理參數(shù)(如電動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的溫度等)，而不用搭建復(fù)雜的數(shù)值模型來(lái)評(píng)估這些參數(shù)。
虛擬部件模型可用公式或表格表示，這些公式或表格表達(dá)了運(yùn)行參數(shù)及輸入與部件能耗之間的關(guān)系[18]。作者所在的研究所的早期研究中，建立了數(shù)控機(jī)床多源能量流的數(shù)學(xué)模型[12]，該研究描述了數(shù)控機(jī)床各個(gè)能量源的能耗環(huán)節(jié)以及影響能耗的因素，可以作為虛擬部件建模的基礎(chǔ)。
加工單元?jiǎng)討B(tài)地受加工負(fù)載影響。相對(duì)主軸系統(tǒng)而言，加工負(fù)載對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的功率影響較小，可采用進(jìn)給系統(tǒng)空載功率近似評(píng)估其在切削狀態(tài)下的功率[20]，因此本文忽略軸向力及徑向力對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)功率的影響，主要考慮切向力Fc對(duì)主軸系統(tǒng)的功率影響。各加工類型的主切削力(切向力)模型已有文獻(xiàn)進(jìn)行了大量研究，本文以車(chē)削和銑削為例，車(chē)削中主軸所受的切向力模型如式(2)所示[19]
3 、CTOPN 和虛擬部件的驅(qū)動(dòng)關(guān)系
在數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真框架中，通過(guò)CTOPN 中“變遷”蘊(yùn)含的信息來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬部件模型實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗特性的建模。其中，機(jī)床CTOPN 模型分為部件層和機(jī)床層，部件層CTOPN 直接驅(qū)動(dòng)虛擬部件的運(yùn)行，以及驅(qū)動(dòng)機(jī)床層CTOPN 運(yùn)行狀態(tài)的變化，詳細(xì)驅(qū)動(dòng)關(guān)系如圖9 所示。當(dāng)Petri 網(wǎng)模型中的特定變遷滿足發(fā)生條件時(shí)，變遷發(fā)生，并同時(shí)將著色token 攜帶的能量源運(yùn)行信息發(fā)送至相應(yīng)的虛擬部件。對(duì)于0-1 型能量源，其Petri 網(wǎng)模型只發(fā)送開(kāi)啟和關(guān)閉兩種信號(hào)；對(duì)于離散型能量源，除了開(kāi)啟和關(guān)閉能量源的信號(hào)外，還將運(yùn)行參數(shù)發(fā)送至虛擬部件。當(dāng)機(jī)床進(jìn)入加工狀態(tài)時(shí)(即機(jī)床層變遷tm8或tm10 滿足條件發(fā)生變遷)，相應(yīng)著色token 攜帶的切削條件被發(fā)送到負(fù)載模型，通過(guò)負(fù)載模型計(jì)算得到的切削力將加載到加工單元。
4 、應(yīng)用實(shí)例
下面以一臺(tái)C2-6136HK 數(shù)控車(chē)床加工棒料為例說(shuō)明數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真方法。本案例所用工件材料為45 鋼，毛坯直徑29.94 mm，車(chē)削長(zhǎng)度80 mm，切削條件如表1 所示。本案例中采用的C2-6136HK 的能量源包括：風(fēng)扇伺服系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)。在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)扇伺服系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的功率大小與負(fù)載無(wú)關(guān)，且功率值基本保持恒定，因此采用額定功率值表示其虛擬部件模型。主軸系統(tǒng)為機(jī)械主軸，主軸與進(jìn)給系統(tǒng)的功率均受加工參數(shù)動(dòng)態(tài)影響，因此采用數(shù)學(xué)模型作為其虛擬部件模型，該模型基于作者所在研究團(tuán)隊(duì)的早期研究[21]。
圖9 Petri 網(wǎng)模型對(duì)虛擬部件的驅(qū)動(dòng)關(guān)系
表1 試驗(yàn)1 切削條件
4.1 數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)能耗模型建立
首先，將機(jī)床層OPN 表示為P0，部件層根據(jù)上述對(duì)能量源的分類，將裝載與卸載工件事件表示為P1，將0-1 型&進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源冷卻系統(tǒng)和風(fēng)扇伺服系統(tǒng)分別表示為P2和P3，將離散型&進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源主軸系統(tǒng)表示為P4，將離散型&進(jìn)度相關(guān)能量源進(jìn)給系統(tǒng)表示為P5。然后，采用兩個(gè)層級(jí)門(mén)變遷分別表示能量源運(yùn)行需求和更新機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)需求，每個(gè)層級(jí)門(mén)變遷由若干輸入變遷和一個(gè)輸出變遷組成。基于由相應(yīng)NC 代碼提取生成的著色賦時(shí)token，設(shè)置各弧上權(quán)函數(shù)，得到機(jī)床加工過(guò)程的CTOPN 模型，如圖10 所示。最后建立各能量源Petri網(wǎng)模型中變遷與虛擬部件模型的映射關(guān)系。
圖10 機(jī)床加工過(guò)程的CTOPN 模型
4.2 能耗仿真與分析
構(gòu)造的數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)能耗模型通過(guò)Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真。仿真獲得的機(jī)床總能耗為37.95W? h ，采用HIOKI3390 功率分析儀監(jiān)測(cè)機(jī)床實(shí)際總能耗為39.5W? h ，如圖11 所示，仿真與監(jiān)測(cè)結(jié)果之間的誤差為4%，在可接受范圍內(nèi)，證明了該方法的可行性。仿真結(jié)果分別從數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)角度和多能量源角度全面地展示了加工過(guò)程的能耗分布情況，可為不同的生產(chǎn)參與人員提供需求的機(jī)床能耗信息，如表2 和表3 所示。從機(jī)床狀態(tài)角度可知機(jī)床在各個(gè)狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間及能耗，主要時(shí)間及能量消耗集中在加工狀態(tài)。從能量源角度可知數(shù)控機(jī)床各個(gè)能量源的運(yùn)行時(shí)間及能耗情況，主軸系統(tǒng)及風(fēng)扇伺服系統(tǒng)為加工過(guò)程中的主要能量消耗源。將各機(jī)床狀態(tài)能耗分解到各個(gè)能量源，使加工過(guò)程的能耗分布情況進(jìn)一步透明化，有利于從策略和技術(shù)上發(fā)現(xiàn)節(jié)能潛能，如圖12 所示。例如在機(jī)床準(zhǔn)備和空載階段可考慮關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，在機(jī)床加工階段，主軸系統(tǒng)能耗較大，可考慮采用高效主軸等。
圖11 棒料車(chē)削實(shí)際加工功率及能耗
表2 數(shù)控機(jī)床各運(yùn)行狀態(tài)能耗分析結(jié)果
表3 數(shù)控機(jī)床各能量源能耗分析結(jié)果
圖12 數(shù)控機(jī)床各運(yùn)行狀態(tài)下的能耗詳細(xì)分析
下面對(duì)棒料車(chē)削試驗(yàn)1 的切削條件進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置試驗(yàn)2，試驗(yàn)2 切削條件如表4 所示，其余加工條件同試驗(yàn)1。通過(guò)對(duì)機(jī)床能耗變化的原因-結(jié)果進(jìn)行定量分析，提出節(jié)能建議。
表4 試驗(yàn)2 切削條件
試驗(yàn)1 與試驗(yàn)2 中加工進(jìn)度相關(guān)能量源對(duì)加工進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源能耗影響的變化如圖13 所示。
圖13 能量源相互能耗影響定量分析
試驗(yàn)2 在裝載工件時(shí)關(guān)閉了切削液，并且裝載時(shí)間減少，這兩個(gè)事件使冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間共減少12.4 s ，而在粗精加工階段由于進(jìn)給速度的提高，受進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間影響的風(fēng)扇伺服系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間均減少16.7 s 。與試驗(yàn)1 相比，試驗(yàn)2 在加工時(shí)間及能量源運(yùn)行功率變化的情況下，試驗(yàn)2 比試驗(yàn)1 加工時(shí)間減少19.4 s ，共節(jié)能7.77W? h ，如式(8)所示。其中，進(jìn)給系統(tǒng)能耗減小0.09 W? h ，風(fēng)扇伺服系統(tǒng)能耗減小1.13W? h ，主軸系統(tǒng)能耗減小5.26W? h ，冷卻系統(tǒng)能耗減小0.54W? h ，如式(4)~(7)所示。通過(guò)分析可知，適當(dāng)降低主軸轉(zhuǎn)速及提高進(jìn)給速度有利于節(jié)能
下面運(yùn)用本文的動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真方法，對(duì)一個(gè)實(shí)際加工零件差動(dòng)殼體的加工過(guò)程進(jìn)行加工時(shí)間及機(jī)床能耗分析，差動(dòng)殼體零件圖如圖14 所示，毛坯材料為經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的45 鋼，加工工藝及相應(yīng)切削參數(shù)如表5 所示。
圖14 差動(dòng)殼體零件圖
表5 差動(dòng)殼體切削條件
差動(dòng)殼體零件在C2-6136HK 數(shù)控車(chē)床上加工，內(nèi)孔的粗加工采用粗車(chē)循環(huán)方式，其余加工均為單次走刀。通過(guò)仿真可得該零件加工共耗時(shí)3 348.8s，總能耗為1 528.19W? h 。各能量源能耗及總能耗的仿真值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如圖15 所示，監(jiān)測(cè)總能耗為1 630.9W? h ，仿真總能耗與監(jiān)測(cè)值之間的誤差為6.3%，在可接受范圍內(nèi)，證明了該模型的可行性。
圖15 差動(dòng)殼體加工能耗仿真值與監(jiān)測(cè)值比較
各機(jī)床狀態(tài)及能量源的能耗分布情況如圖16所示。機(jī)床在準(zhǔn)備狀態(tài)下只有風(fēng)扇伺服系統(tǒng)開(kāi)啟，能耗為1.97W? h ；在空載狀態(tài)下，風(fēng)扇伺服系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的能耗占到該狀態(tài)下總能耗的73.5%，是因?yàn)閮烧叩墓β氏妮^大；機(jī)床在加工狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間為3 133.8 s ，其中2 648.25 s 機(jī)床在進(jìn)行粗加工，進(jìn)給速度和切削深度較大，作用在主軸系統(tǒng)上的切削力較大，導(dǎo)致機(jī)床加工狀態(tài)下的切削能耗占到該狀態(tài)下總能耗的56.8%，為868.65W? h 。由上述分析可知，差動(dòng)殼體加工過(guò)程中，粗車(chē)內(nèi)孔所消耗的時(shí)間及能耗最大，考慮適當(dāng)將粗車(chē)內(nèi)孔的進(jìn)給速度增大到100mm / min ，經(jīng)仿真得到新方案與原方案的能耗比較如表6 所示。采用新方案，粗車(chē)內(nèi)孔時(shí)主軸系統(tǒng)所提供的切削功率平均增大了206.43W，但零件加工總時(shí)間減少了550.8 s ，新方案比原方案共節(jié)能151.96W.h 。
綜上所述，在零件實(shí)際生產(chǎn)加工前，應(yīng)用本文模型可快速評(píng)估不同加工方案下零件的加工時(shí)間及數(shù)控機(jī)床能耗分布情況，分析節(jié)能潛能，提出節(jié)能建議。在節(jié)能策略方面，既可通過(guò)改變輔助部件啟停策略來(lái)節(jié)能，如在棒料車(chē)削案例中，當(dāng)機(jī)床處于準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)關(guān)閉冷卻系統(tǒng)；還可以規(guī)范工人的裝卸操作流程來(lái)減少機(jī)床處于準(zhǔn)備狀態(tài)的時(shí)間。在節(jié)能技術(shù)方面，可發(fā)現(xiàn)功率消耗較大的能量源，采用高效部件替換。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，可在保證加工質(zhì)量前提下，優(yōu)化能量源運(yùn)行參數(shù)，降低功率消耗或縮短加工時(shí)間。如在棒料車(chē)削案例中，降低主軸系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)以減小功率消耗；以及增大加工進(jìn)度相關(guān)能量源進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)來(lái)減少零件加工時(shí)間及各能量源能耗；在差動(dòng)殼體案例中，經(jīng)分析適當(dāng)提高粗車(chē)內(nèi)孔進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。未來(lái)研究可將本文建模框架與智能算法結(jié)合，探索加工方案的節(jié)能潛能并實(shí)現(xiàn)策略、參數(shù)方面的優(yōu)化，以減小零件加工的時(shí)間及能耗。
圖16 差動(dòng)殼體零件加工機(jī)床能耗分布
表6 差動(dòng)殼體加工節(jié)能效果對(duì)比
5 、結(jié)論
(1) 數(shù)控機(jī)床能量系統(tǒng)是一個(gè)多能量源系統(tǒng)，根據(jù)各耗能部件的運(yùn)行方式以及與加工進(jìn)度的關(guān)聯(lián)性，數(shù)控機(jī)床多能量源系統(tǒng)可分為0-1 型&進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源、0-1 型&進(jìn)度相關(guān)能量源、離散型&進(jìn)度無(wú)關(guān)能量源、離散型&進(jìn)度相關(guān)能量源等四類。
(2) 分析了數(shù)控機(jī)床能耗的動(dòng)態(tài)特征，包括數(shù)控機(jī)床及多能量源的運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)性分析和數(shù)控機(jī)床多能量源受加工參數(shù)影響的動(dòng)態(tài)特性分析。
(3) 基于數(shù)控機(jī)床能耗動(dòng)態(tài)性分析，建立了數(shù)控機(jī)床多能量源的能耗建模與仿真框架模型，其中采用面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)(OPN)方法建立與機(jī)床及其多能量源運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的狀態(tài)特征模型，然后通過(guò)由token 生成模塊產(chǎn)生的著色賦時(shí)token 及其相應(yīng)屬性來(lái)描述具體加工過(guò)程的運(yùn)行特征，建立機(jī)床層和部件層的CTOPN 模型；采用數(shù)控機(jī)床多源能量流的數(shù)學(xué)模型建立虛擬部件模型；最后通過(guò)CTOPN 中“變遷”蘊(yùn)含的信息來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬部件模型實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗特性的建模。應(yīng)用實(shí)例表明，采用數(shù)控機(jī)床多能量源的動(dòng)態(tài)能耗建模與仿真框架，可快速建立機(jī)床能耗的評(píng)估與分析模型，該模型可重用，可擴(kuò)展，可為數(shù)控機(jī)床能量消耗預(yù)測(cè)和節(jié)能優(yōu)化等一系列實(shí)際問(wèn)題的解決提供支持。
本文的不足之處在于沒(méi)有研究電主軸及其相應(yīng)冷卻單元的能耗特性，未來(lái)研究將進(jìn)一步深入考慮高速數(shù)控機(jī)床這一特點(diǎn)。
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