面向低碳制造的数控机床能耗研究现状

Energy Consumption Research Status of CNC MachineTool for Low Carbon Manufacturing国家混凝土机械工程技术研究中心 中联重科股份有限公司倪川皓/NI Chuanhao 吴斌兴/WU Binxing 戴望涛/DAI Wangtao

摘　要：作为最基础的制造单元装备的数控机床，能量源多、能流环节多、能量损耗规律复杂、能量效率低。近年来，学者们为建立适用性强的机床能耗模型已做了大量工作。针对目前数控机床在整体能耗和机床各阶段能耗的研究现状，重点从机床基本功率、空载功率、换刀功率和切削功率等方面进行综合分析和归纳总结，给出了采用加工参数表达的数控机床各阶段能耗模型；同时指出了目前数控机床的能耗研究面临的主要问题，并提出了采用混合方法建立采用加工参数表达的切削力建模，从而计算数控机床的切削功率，进而得到数控机床的加工能耗；利用切削比能对加工工艺类型有良好的适应性优点，提出采用切削比能对不同加工工艺类型的数控机床能耗效率进行评估、对比，并建立采用加工参数表示的切削比能模型，对机床加工参数优化具有现实指导意义。

关键词：能耗模型 空载功率 切削比能 适应性

全球制造业占31%主要能源消耗，36%的CO2排放[1]。机床作为最基础的制造单元装备和工作母机，量大面广，耗能多，但效率低，存在巨大的节能空间。据统计，我国机床保有量超过800万台，2011年机床产量已达85.99万台，均居世界第一[2]。国家统计局2010年数据显示，我国制造业能源消耗约占能源消费总量的60%，但机床能量利用率平均低于30%[3]。越来越具有能量源多、能流环节多、能量损耗规律复杂、能量效率低等特点。

耗，存在很多难以获取的未知系数。

2) 数控机床切削比能数据和切削力数据缺乏，难以准确计算切削功率

数控机床加工工艺类型很多，材料去除功率受到加工工艺类型、工件材质、冷却液、刀具、机床加工参数等多种因素的影响，缺乏标准的切削比能数据和切削力数据，导致材料去除功率难以准确计算，机床切削

3) 数控机床能耗模型的适应性有待验证

数控机床种类繁多，不同类型的机床在机械结构、运动方式等方面有很大共性，然而在细节上又有很多差异，例如不同类型机床的主传动链结构、进给轴数目以及加工工艺参数等均有所不同，造成机床的基本功率和空载功率各不相同。因此需要研究机床的能耗模型在不同类型数控机床上的适应性，并进行必要的修正和完善。

多应用于机械加工中的数控机床，属于复杂机电产品，功率难以预测。

1 数控机床能耗预测面临的问题

机床能耗按机床不同服役状态可以分为：基本能耗、空载能耗和切削能耗，其中基本能耗是机床待机而不进行其他操作时的能量消耗；空载能耗是机床定位、换刀、主轴加减速、进退刀等不直接切削工件时消耗的能量；切削能耗是机床切削工件时消耗的能量。机械加工能耗评估是进行加工工艺优化、实现节能降耗的基础，从而实现低碳制造。目前数控机床加工能耗预测面临的问题主要有：

1) 数控机床空载能耗数据库数据缺乏和理论模型不够完善，难以实践应用数控机床空载能耗包含主轴旋转、主轴旋转加速、进给运动和快速进给的能量消耗，能流环节多，能耗规律复杂等特点。目前理论模型不够完善，不能描述整个转速范围内的机床空载能46

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2 机床加工能耗国内外研究现状

机床其能耗部件繁多，机床在运行过程中，存在各种性质的能量损耗，这些损耗相互作用、相互影响，从而使机械加工系统的能量损耗规律变得复杂，国内外学者开展了大量的研究工作，揭示机床的能量特性，建立机床能耗模型，以探寻节能降耗途径，实现低碳制造。

2.1 数控机床整体能耗研究现状

刘飞等[6]将机床服役过程机电主传动系统运行时

产品 技术Product & Technology●段分为启动时段、空载时段、切削加工时段和间停时段，建模不仅仅研究材料切削的能耗，还要研究机床切削提出应用于实际生产现场的机床主传动系统多时段和多传动链的能量模型，该模型适用于计算主传动系统能耗占主体的普通机床能量消耗。何彦等

[7]

建立了数

控代码和数控机床能耗部件的关系，给出了基于机床能耗部件的能耗模型，如式(1)所示，并提出了一种根据数控程序估计机械加工能耗的流程和方法。

ETotal = ESpindel+EFeed+ETool+EFix (1)

式中：ETotal为数控机床总能耗； ESpindel为主传动系

统能耗；EFeed为进给系统能耗；ETool为换刀系统能耗；为冷却系统能耗； EFix为其它辅助系统等的固定能耗。王秋莲等[4]从能量源构成出发对其能量流的数学模型进行了研究，建立了机床主传动系统的功率平衡方程，如式(2)所示，提供了数控机床加工工艺的能量消耗预测的解决思路和方案，但该模型有许多未知系数，具体的解决过程还有待于细化研究。PIn =PL1+P（aPdELe+(1+b1)

c+PUnloaded+dtm+dEdtk) (2)式中：PIn为主传动系统的输入功率，PL1为变频器功率损耗，PLe为电损，b1为电动机载荷损耗系数，a为机械传动的载荷系数，Pc为主传动系统的输出功率即切削功率，PUnloaded为机床机械传动系统的空载功率，Em为电磁损耗，Ek为包括电动机转子在内的整个机床主传动系统的动能及传递过程中的损耗之和。

这些在特定试验条件下建立的机床能耗模型，对机床节能具有一定的指导作用，然而数控加工过程中机床运行参数变化多样，机床能耗模型在整个转速范围内的可行性和适用性还需要进一步实际应用验证。进一步建立在整个转速范围内的机床加工参数化的能耗模型，使得机床能耗模型能实际应用于各种机床类型，是目前机床能耗研究中亟待解决的科学问题。

2.2 数控机床各阶段能耗研究现状

刘飞等[6]将机床切削加工运行时段分为启动时段、空载时段、切削加工时段和间停时段，启动时段的能耗为启动能耗，空载时段的能耗为空载能耗，切削加工时段的能耗为切削加工能耗。早期主要󰀂用测量的方法研究数控机床能耗，从而初步了解数控机床的能耗结构。Gutowski等

[8]

分别对一台加工中心和一台三

轴自动铣床的能耗进行测量，该加工中心用于切削的能耗最多只有总能耗的14.8%，然而自动铣床用于切削的能量多达总能耗的65.8%。由此可见，数控机床能耗

加工过程的空载能耗和基本能耗。2.2.1 基本能耗研究现状

基本能耗是机床启动后待机而不进行其他操作的能量消耗，通常称为待机能耗。Li等[9]以一台数控车床为例，根据机床资料得到各耗能单元的额定功率并进行求和，然而计算得到的功率6W显著小于实际测量的基本功率1160W，这主要是由于一些能量源的数据缺乏，例如缺乏控制系统和显示器的额定功率等

信息，从而造成了机床基本功率的偏差。刘飞等[10]获取了一台数控车床在几组转速下的启动功率数据，建立

该机床的启动能耗模型如式(5)所示，该模型的适用性有待进一步检验。

Es=x1n2+x2n+x3 (5)

式中：Es为机床启动能耗；n为机床主轴转速；x1, x2为待定系数；

x3为常数。数控机床的基本功率构成成分复杂，难以根据机床文档估算得到，需要通过实验测量的方法获得。基本能耗在数控机床总能耗中占有很大比例，具有重要研究意义。

2.2.2 空载能耗建模研究现状

机床主传动系统由电机和机械传动两部分组成，空载输入功率 包含电机损耗部分、机械传动损耗部分。其中电机损耗包含铁损 、铜损 、摩擦损耗 、风损 、和杂散损耗 ；机械传动损耗 包含摩擦损耗、阻尼损耗等[10]，如式(6)所示：

PUnloaded =PFe+Pf+Pw+PCu+Pst+Pm (6)

Balogun等[11]分析了一台数控车床，一台数控铣床和一台铣削中心的基本功率和空载功率，给出了空载功率模型，如式(7)所示。

PUnloaded =kmn + C (7)

式中： PUnloaded为空载功率，W；km为系数；n为机床空载时转速，rad/min；C为常数。

Kellens等[12]根据机床说明书估算数控钻床主轴旋转功率为4kW，Li等[10]指出机床说明书上的功率数据是指主轴系统满负荷运行的最大功率，远大于机床实际运行时的主轴旋转功率。Behrendt等[13]实验测量得到了9台数控机床在不同转速下的主轴旋转功率发现主轴旋转功率随主轴转速的增加而增加；不同类型数控机床在相同转速下主轴旋转功率差异很大。

2019.03建设机械技术与管理

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产品 技术Product & Technology●3.3 切削加工能耗研究现状

切削能耗是机床切削工件时消耗的能量，主要消能和切削力数据，应用已有模型难以计算得到准确的材料去除功率。因此材料去除功率建模尚待进一步完耗于材料去除过程中。材料去除是通过刀具作用于工件，善，如何建立更加方便、准确的材料去除功率模型，

直接切除工件材料并改变工件形状的过程。目前材料去除功率根据切削比能或切削力 计算得到。根据切削比能计算材料去除功率的方法称为方法I；根据切削力计算材料去除功率的方法称为方法II。

方法I对应的材料去除功率计算公式如式(8)所示[11]。Pc=SEC+MRR (8)

式中： Pc是材料去除功率，W； MRR是材料去除速率，mm3/s；

SEC是材料切削比能，J/mm3。材料去除速率根据切削加工参数计算，对于车削加工[14]

MRR=1000υfap60 (9)

式中： v是切削速度，m/min；f是进给量，mm/r；ap是切削深度，mm。切削比能SEC值根据文献资料查找得出，该方法能够方便的用于计算不同切削加工方法的材料去除功率，虽然刀具和工件的相互作用形式有所不同，但工件材料在切削加工过程中的塑性变形规律以及切屑形成机理是相同的，然而不同文献来源所给SEC值差距很大，随工艺类型、材料属性、进给量、刀具角度、刀具磨损等变化而变化的[15]，由于缺乏统一标准的切削比能数据，使得利用该方法计算得到的材料去除功率同实际值差距很大。

方法II 对应的材料去除功率计算公式如式(10)所示[5]。 PFc=cυc60 (10)式中： Pc是材料去除功率，W；

vc是切削速度，m/min；

Fc是切削力，N。相比于根据切削比能计算材料去除功率的方法，由于切削力经验模型反应了切削速度、切削深度、进给量等切削用量的影响，根据切削力能够计算得到更加准确的材料去除功率。然而，准确的切削力获取困难，切削手册的切削力经验公式是几十年前的实验结果，由于机床和刀具技术的发展，目前使用的刀具和机床已有很大改进，从而根据手册计算的切削力和实际数据有很大差异。而󰀂用实验测量切削力时，要用到成本高昂且安装复杂的测力仪。

根据以上文献可知，由于缺乏统一标准的切削比48

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仍旧是数控机床能耗建模的关键问题。

3 结论与展望

目前针对数控机床能耗测量和建模已经展开了较多的研究，并且取得了丰硕的成果。但是目前研究大

多是对数控机床能耗进行简单测量，或对主传动系统、进给系统等子系统的能耗进行理论建模，没有从材料去除能耗的角度深入系统对数控机床的加工能耗进行研究，研究数控机床的切削能耗特性。结合理论分析方法、数值方法和经验方法建立采用加工参数表达的切削力模型，预测切削力，从而计算数控机床的切削功

率，进而得到数控机床的加工能耗。同时利用切削比

能对加工工艺类型有良好适应性的优点，提出采用切削比能对不同加工工艺类型的数控机床能耗效率进行评

估、对比，并建立采用加工参数表示的切削比能模型。通过解析加工工艺，应用已建立的采用加工参数表示的能耗模型，将能够预测数控机床加工能耗，实现加工工艺方案优选和加工参数优化，降低机床能耗，提升机床能量效率，对制造业的节能减排起到积极作用。

参考文献

[1] Bruzzone AAG, Anghinolfi D, Paolucci M, Tonelli F.

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2012,61, 459-462.

[2] 曹华军,罗毅. 绿色,智能,未来机床的发展方向—高能效 绿色机床技术分析与发展展望[J]. 金属加工:冷加工,2012 (12): 13-17.

[3] 刘飞,王秋莲,刘高君. 机械加工系统能量效率研究的内容 体系及发展趋势[J]. 机械工程学报,2013,49(19): 87-94.[4] 王秋莲,刘飞. 数控机床多源能量流的系统数学模型[J]. 机械工程学报,2013,39(2):5-12.

[5] 刘飞,徐宗俊,但斌. 机械加工系统能量特性及其应用[M]. 北京:机械工业出版社,1995.

[6] 刘飞,刘霜. 机床服役过程机电主传动系统的时段能量模 型[J]. 机械工程学报,2012,48(21):132-140.[7] [8][9][10] [11] [12] [13] [14] [15] (略)收稿日期：2018-11-27

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