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5.4優(yōu)化某數(shù)控加工中心主軸變頻器加速時間及實驗驗證

5.4.1 XK713型數(shù)控加工中心參數(shù)分析

數(shù)控加工中心XK713型銑床，接下來對該型機(jī)床的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)進(jìn)行一下介紹。

數(shù)控加工中心供電需采用380

V, 50Hz三相四線制交流電源供電, 該型數(shù)控加工中心的理想工作室溫在20°C左右，另外該型數(shù)控加工中心同樣具有較好的剛性和加工精度，對于大多數(shù)較為常見的加工特征如：平面、曲面、孔以及溝槽等都能夠較為準(zhǔn)確的加工出來。

XK713型數(shù)控加工中心主要由底座、立柱、工作臺、滑鞍、主軸箱、冷卻箱、全防護(hù)、電氣箱和集中操作按鈕站等部分組成，數(shù)控加工中心的外觀圖如圖5.1所示，電氣箱安裝在數(shù)控加工中心背面，冷卻箱安放在數(shù)控加工中心全防護(hù)的下面，集中操作按鈕站固定在數(shù)控加工中心全防護(hù)的正右方，數(shù)控加工中心總體布局緊湊，操作方便，占用面積較小。

該型數(shù)控加工中心的主傳動電機(jī)采用的是YPNC系列5.5KW/6000rmp的主軸異步變頻專用電機(jī)，并配備變頻器經(jīng)過兩檔齒輪機(jī)械變速以實現(xiàn)機(jī)床主軸的無極變速，主軸采用兩支撐結(jié)構(gòu)，前支撐采用高精度成組結(jié)構(gòu)的哈軸7212ACTA/P4DBA角接觸主軸軸承，這種結(jié)構(gòu)的軸承承載能力大，極限轉(zhuǎn)速高，并能夠同時承載徑向力和兩向的軸向推力，后支撐采用一只D110向心軸承，在軸承內(nèi)孔里設(shè)有刀具自動卡緊機(jī)構(gòu)；而本數(shù)控加工中心的進(jìn)給傳動均采用高精度、高剛性的角接觸軸承構(gòu) 成，本數(shù)控加工中心主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5.2所示，主傳動系統(tǒng)傳動比圖如圖5.3 所示。

由圖5.2可以看出主電動機(jī)1通過齒輪3、4、9、10的機(jī)械傳動，可以使數(shù) 控銑床主軸在較低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動，即數(shù)控加工中心主軸的低速檔位，而通過齒輪3、4、 6、8的機(jī)械傳動，可以使數(shù)控加工中心主軸在較高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動，即數(shù)控加工中心主軸的高速檔位，數(shù)控加工中心主軸通過主電動機(jī)和上述兩檔齒輪的相互配合，可以實現(xiàn)數(shù)控銑床主軸的無極調(diào)速。由圖5.3可以計算得出各傳動環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量。

據(jù)此可以看出，該型數(shù)控加工中心主傳動系統(tǒng)的能量利用率是比較低的，因此基于該型數(shù)控加工中心開展提升其能效研宄是很有必要的。

5.4.2基于XK713型數(shù)控加工中心開展實驗驗證

5.4.2.1驗證主軸旋轉(zhuǎn)加速功率方程和能耗模型

數(shù)控加工中心XK713型銑床為例，對上述節(jié)能方法進(jìn)行實驗驗證，該型機(jī)床分兩個檔位，低速檔和高速檔，主軸轉(zhuǎn)速可在0~6000rmp內(nèi)實現(xiàn)無極變速，由于出于技術(shù)保護(hù)等原因，在購買數(shù)控加工中心后其待機(jī)功率、空載功率、主軸功率等參數(shù)廠商不愿提供，因此首先需要經(jīng)過試驗得到該型數(shù)控加工中心的待機(jī) 功率，通過多功能功率采集儀多次測量數(shù)控加工中心主軸靜止時的待機(jī)功率，最后計算得出數(shù)控加工中心的待機(jī)平均功率為328.5w，具體測量值如表5.1所示。

表5.1待機(jī)功率值

實驗次數(shù) 1	2	3 4	5	6	平均待機(jī)功率
待機(jī)功率(W) 298.7	341.6	323.9 310.7	336.5	359.6	328.5

控制數(shù)控加工中心主軸在0~1600rpm內(nèi)每隔lOOrmp為一檔做主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在各級轉(zhuǎn)速下待數(shù)控加工中心平穩(wěn)運(yùn)行后，通過多功能功率采集儀連接一次性測取多組對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的主軸銑削空載功率p„，然后將各級轉(zhuǎn)速下的數(shù)控加工中心主軸空切削功率減去待機(jī)平均功率便可得到表5.2所示的主軸旋轉(zhuǎn)功率表。

表5.2主軸旋轉(zhuǎn)功率表

主軸轉(zhuǎn)速(rmp)	100	200	300	400
主軸旋轉(zhuǎn)功率(w)	175.3	286.7	387.6	489.7
主軸轉(zhuǎn)速(rmp)	500	600	700	800
主軸旋轉(zhuǎn)功率(W)	603.2	678.8	809.6	936.7
主軸轉(zhuǎn)速（rmp)	900	1000	1100	1200
主軸旋轉(zhuǎn)功率(W)	1047.2	1198.6	1252.3	1289.6
主軸轉(zhuǎn)速（rmp)	1300	1400	1500	1600
主軸旋轉(zhuǎn)功率(W)	1328.4	1419.7	1523.7	1734.6

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和擬合，繪制轉(zhuǎn)速與功率之間的曲線圖，其中在繪制時以主軸轉(zhuǎn)速n為橫坐標(biāo)，主軸旋轉(zhuǎn)功率P_m為縱坐標(biāo)繪制，具體如圖4.3所示，從圖中可以很明顯的看出在lOOOrmp和1400rmp時曲線的斜率變化明顯，因此以轉(zhuǎn) 速lOOOrmp和1400rmp為分界點得出主軸旋轉(zhuǎn)功率的分段函數(shù)，

接下來對通過以上所得的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率方程和能耗模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行實驗驗證，以便確保后續(xù)在改變銑床主軸變頻器加速時間后利用該公式計算出的主軸能耗結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨機(jī)選取六組主軸旋轉(zhuǎn)加速的初始轉(zhuǎn)速^及主軸旋轉(zhuǎn)加速的最終轉(zhuǎn)速詳細(xì)實驗參數(shù)如表5.3所示，在查閱了數(shù)控加工中心XK713的電氣說明書后知道主軸變頻器的加速時間h=3.2x,帶入主軸旋轉(zhuǎn)加速功率和能耗公式中即可求得相應(yīng)能耗。測試實驗的現(xiàn)場調(diào)試裝置圖如圖5.5所示。

表5.3主軸轉(zhuǎn)速參數(shù)表

參數(shù)(rmp)	實驗i	實驗2	實驗3	實驗4	實驗5	實驗6
n〇	0	0	500	500	1200	1500
ni	1000	1200	1400	1600	1400	1600

通過前文所述的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率方程和能耗模型可以計算得出主傳動系統(tǒng) 的能耗預(yù)測值，為了驗證該計算值的準(zhǔn)確度需進(jìn)行上述主軸能耗測試實驗，將理論預(yù)測值與實際測量值進(jìn)行對比，證明該模型的實用性。

在進(jìn)行該模型可靠性分析時主要通過精確度的指標(biāo)來判定，而預(yù)測精度計算式如式(5-17)所示，分析結(jié)果如表5.4所示。

£1 -能耗測量值；

在進(jìn)行該實驗時主要用到的實驗儀器為：XK713型數(shù)控加工中心、橫河WT1800 功率測試儀以及一些輔助器材如電流鉗等。在眾多功率分析儀器中，橫河WT1800 具有體積輕巧、精度高及便于安放和測量等優(yōu)點，能精確滿足能耗數(shù)據(jù)采集實驗的要求，因此選用該型功率儀進(jìn)行實驗測試。在測量的過程中主要是通過電流鉗將功率測試儀串聯(lián)進(jìn)數(shù)控加工中心主傳動系統(tǒng)主軸電機(jī)的輸出端，通過測量電壓和電流從而間測算出主軸電機(jī)加速過程的能耗值。

表5.4分析結(jié)果表

類目	實驗1	實驗2	實驗3	實驗4	實驗5	實驗6
能耗計算值(J)	9941.23	15609.04	12545.54	16722.76	2593.45	1477.15
能耗測試值(J)	9432.24	15232.86	14007.05	15103.87	2688.58	1322.34
預(yù)測精度(％)	94.60	97.53	89.57	89.28	92.74	88.29

通過觀察實驗結(jié)果表后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用前文所述的數(shù)控加工中心主軸旋轉(zhuǎn)加速能耗計算方法得出的能耗計算值與實際測量值之間存在一定的誤差，但誤差在合理范圍以內(nèi)，能耗預(yù)測精度在88%以上，說明了該能耗模型具有一定的實用性，可以作為在改變主軸變頻器加速時間后重新預(yù)測數(shù)控加工中心主軸能耗的理論公式。

5.4.2.2驗證基于主軸變頻器加速時間的主傳動系統(tǒng)能耗優(yōu)化方法

首先設(shè)定數(shù)控加工中心主軸旋轉(zhuǎn)加速的初始主軸轉(zhuǎn)速和最終轉(zhuǎn)速，在變頻器加速時間變化范圍內(nèi)改變其加速時間，然后帶入主軸旋轉(zhuǎn)加速功率計算公式及能耗計算公式中，通過計算得出主軸旋轉(zhuǎn)加速功率峰值及能耗的不同取值，然后經(jīng)過篩選，剔除計算出的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率峰值大于主軸額定功率的方案，最后在剩下的方案中選取最優(yōu)解。

XK713型數(shù)控加工中心為例，根據(jù)機(jī)床參數(shù)列出了 4種可供選擇的主軸變頻器加速時間，方案1的？₄為5.4s，方案2的為4s,方案3的;₄為數(shù)控加工中心原始變頻器加速時間3.2s，方案4的;₄為2.6s。本實驗所選初始主軸轉(zhuǎn)速均為0,最終轉(zhuǎn)速為主軸旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)速1600rmp,由于變頻器加速時間不同導(dǎo)致主軸同樣從0加速到1600rmp的時間不同，具體如表5.4所示。將上述己知量帶入前文公式中即可計算得到四個方案的主軸旋轉(zhuǎn)功率和能耗的理論值，具體計算結(jié)果如表5.4所示。

表5.4計算結(jié)果表

方案主軸旋轉(zhuǎn)加速功率公式主軸旋轉(zhuǎn)加速時間(s) 最大功率(w) 能耗⑴

方案1	^(0 =	=280.64? H	h 1203.88	6.2	2943.85	12857.36
方案2	KM -	= 434.14^	h 1635.88	4.6	3632.92	12118.25
方案3	^ (0 =	= 609.33?+ 2056.88		3.9	4908.19	12655.86
方案4	^(0 =	= 844.53?+ 2531.88		3.7	5656.64	15148.84

由數(shù)控加工中心的參數(shù)值可知，數(shù)控加工中心主軸電機(jī)的額定功率為5500w，而方案 4的最大功率超過了 5600w,超出了主軸電機(jī)的最大額定負(fù)荷，不滿足我們的要求，應(yīng)該選擇在主軸額定功率以下且能耗值低的為最優(yōu)加速時間，因此首先剔除方案4。對比其他三個方案，方案2的加速時間比方案1短，卻比數(shù)控加工中心原變頻器加速時間3.2s要長，但方案2的能耗比方案1的能耗降低了 5.7%，比方案3 的能耗降低了 4.2% ,因此優(yōu)先選擇方案2的主軸變頻器加速時間為最優(yōu)方案，最終通過計算分析驗證了本論文所提出的主傳動系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方法的有效性，通過選取合適的主軸變頻器加速時間確實可以降低主軸能耗。

通過觀察計算結(jié)果還可以看出，在數(shù)控加工中心實際加工過程中，主軸變頻器的加速時間并不是越短主軸能耗越小，也不是越長主軸能耗越小，主軸能耗和變頻器的加速時間之間的關(guān)系并不是單調(diào)的，但是可以通過計算，從有限個方案中選擇合適的主軸變頻器加速時間方案，從而降低銑床主傳動系統(tǒng)主軸的能耗，進(jìn)而降低主傳動系統(tǒng)的總能耗。

5.5本章小結(jié)

本章主要圍繞如何選取合適的主軸變頻器加速時間來優(yōu)化主傳動系統(tǒng)的主軸能耗展開，通過降低主軸能耗達(dá)到降低主傳動系統(tǒng)能耗的目的。首先分別給出了主傳動系統(tǒng)主軸旋轉(zhuǎn)加速功率和能耗方程的詳細(xì)獲取方法，然后基于數(shù)控加工中心 XK713進(jìn)行了實例分析，最后根據(jù)數(shù)控加工中心參數(shù)列出了 4種可供選擇的數(shù)控加工中心主軸變頻器旋轉(zhuǎn)加速時間方案，根據(jù)方案分別計算出了各自方案下的數(shù)控加工中心主軸能耗，并最終通過對結(jié)果的分析給出了最優(yōu)的主軸變頻器旋轉(zhuǎn)加速時間方案，當(dāng)選取此種方案時，確實可以起到降低數(shù)控加工中心主軸能耗的效果，提升了主傳動系統(tǒng)的能效，從而實現(xiàn)主傳動系統(tǒng)節(jié)能的目的。

本文采摘自“數(shù)控加工中心主傳動系統(tǒng)能耗特性及運(yùn)行節(jié)能技術(shù)研究”，因為編輯困難導(dǎo)致有些函數(shù)、表格、圖片、內(nèi)容無法顯示，有需要者可以在網(wǎng)絡(luò)中查找相關(guān)文章！本文由伯特利數(shù)控整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請注明！

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