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现代数控机床多源能耗特性研究

胡韶华  
【摘要】:数控机床量大面广,能量消耗巨大,其排放对环境影响巨大。因此,近年来对机床节能减排的研究引起了广泛关注。但是,数控机床能耗源多,能耗规律复杂,涵盖机电液多个学科问题,其能耗特性规律尚有待揭示。同时,我国机床数量巨大,居世界第一,能耗大能效低,机床节能减排是国家节能减排的需要。基于此,本文研究现代数控机床的多源能耗特性,主要工作概括如下: 数控机床能耗部件数量多,类型涵盖机电液三种,具有多源能耗特性。根据数控机床各个部件的能耗特性,将其能耗部件划分为负载无关和负载相关两个部分。在此基础上,引入开关函数和常量描述负载无关部分能耗,用功率平衡方程表达负载相关部分能耗,建立了一个数控机床能耗集成模型。该模型既包含了机床状态又包含了机床实时负载,将定性的能耗描述转化为能耗的定量方程,为实时监测机床能耗状态奠定基础。 数控机床主传动系统采用变频技术实现无级变速取代了普通机床采用机械传动机构实现有级变速技术。因此,其数控机床主传动系统与普通机床有着不同的能耗规律。普通机床主传动系统的空载功率可以关于主轴转速的二次函数得到较好的近似。与之不同的是,本文发现并证明了数控机床主传动系统空载功率是含有主轴转速,主轴摩擦、阻尼等多个变量的复杂函数。在很多情况下,转速在基频以上存在功率最小值,然而主轴空载功率依赖于多个变量是否存在最小值难以判断。基于此,本文给出了一个快速判断在基频以上空载功率是否存在最小值的充分条件。 数控机床主传动系统的附加载荷损耗难以有效测量。本文将电机机械传动部件作为一个整体考虑,从理论上推导出了附加载荷损耗是切削功率的二次函数。然后提出了一种只使用少量切削实验数据拟合机床主传动系统附加载荷损耗函数系数的工程实用化方法。 数控机床进给伺服电机运行在低转速区,能耗环节多,能耗特性比较复杂。本文在数控机床机电多源能耗环节特性分析的基础上建立了进给系统功率关于进给速度、负载、阻尼、摩擦等因素的数学模型,并揭示了进给速度、负载、阻尼、摩擦和螺距对进给系统空载功率的影响规律。 在机床总体能耗模型,主传动能耗特性,进给系统能耗特性的基础上,提出了一种无需安装扭矩传感器(或力传感器)的机床能耗状态在线监视方法,为进一步机床节能提供了理论依据和数据支持。


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