XH715数控铣床的能耗建模及其参数影响分析

发布时间：2017-08-10 07:55

  本文关键词：XH715数控铣床的能耗建模及其参数影响分析

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【摘要】：机床作为最基础的制造单元装备,在加工过程中耗能巨大。随着精益制造的兴起,机床节能减排已经成为低碳制造领域的热点问题。为了推动机床节能降耗的研究,本文选取XH715数控铣床进行能耗建模及其参数影响分析,具体内容概括如下：为获取机床耗能信息,搭建可同时测量切削力和机床功率的数控机床能耗测试平台。基于该平台建立数控铣床加工阶段能耗模型及机床切削比能模型,并将机床切削比能按照使用属性不同划分为四部分：机床固定比能,机床操作比能,材料切削比能以及非生产比能,同时,对各部分比能进行参数影响分析。利用该平台测量机床辅助系统能耗,将其分为基础模块、间歇动作模块及可选模块,并引入开关函数对其建模,进而建立机床固定比能模型。通过实验及数据拟合建立机床空载能耗模型及机床操作比能模型。将主轴电机调速分为基频以下调速和基频以上调速,分别建模得到主轴电机功率与主轴转速之间的功率平衡方程；根据不同进给方向的负载不同,分别建立X,Y,Z+,Z-四个方向的进给电机功率平衡方程。通过实验获得XH715数控铣床的主轴电机功率与主轴转速(100-4500rpm)之间的关系,结果表明,主轴电机的功率随主轴转速增加呈现先增加后减小再增加的趋势,并且在基频以上调速时出现了功率最小值点。通过对影响机床操作比能的参数分析,得出XH715数控铣床的操作比能随着主轴转速和进给速度增加的变化规律。根据切削力经验公式建立了切削比能模型,进而得到平面铣削45#钢的切削比能经验公式。并通过单、双因素实验得出径向切深对材料切削比能的影响最大,其次是进给量,影响最小的是轴向切深；根据负载损耗功率与切削功率的二次函数关系,建立了机床非生产比能模型。综上,为了降低机床的切削比能,在实际加工中应避免第一、二阶段主轴转速,并选择合理的进给量、大的轴向切深和径向切深。最后,建立了机床加工阶段整机能耗模型,分析表明,基于所选参数的平面铣削机床的切削有效能占机床总功率的4.9%,而机床自身的运转占93.7%。因此,在切削加工过程中可以通过控制辅助系统的开启和减少空载运转时间降低加工能耗。最后通过一实例得出本文建立的模型与实际加工具有较高的吻合性。
【关键词】：机床能耗 切削比能 功率方程 节能降耗
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG547
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 机床能耗模型的研究现状10-16
• 1.2.1 切削单元能耗模型的研究现状11-12
• 1.2.2 加工阶段整机能耗模型研究现状12-15
• 1.2.3 机械加工工艺过程能耗模型研究现状15-16
• 1.3 机床能耗模型应用分析16-17
• 1.4 机床能耗模型研究趋势17-18
• 1.5 本文研究内容18-20
• 2 数控机床能耗建模分析20-26
• 2.1 数控机床加工阶段能耗组成20-21
• 2.2 数控机床能耗模型21-22
• 2.2.1 辅助系统能耗模型21
• 2.2.2 加工动力系统能耗模型21-22
• 2.3 切削比能的引入22-24
• 2.3.1 切削比能的定义22
• 2.3.2 切削比能引入的意义22-23
• 2.3.3 层次化切削比能模型23-24
• 2.4 机床切削比能理论模型建立24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 3 材料切削比能模型的建立及其参数影响分析26-36
• 3.1 材料切削比能模型的建立26-27
• 3.2 基于实验的材料切削比能模型的建立27-29
• 3.2.1 实验条件27-28
• 3.2.2 试验方案设计28
• 3.2.3 模型的建立28-29
• 3.3 单因素实验分析切削参数对材料切削比能的影响29-31
• 3.3.1 轴向切深对切削比能及铣削主切削力的影响29-30
• 3.3.2 径向切深对切削比能及主切削力的影响30-31
• 3.3.3 进给量对切削比能及铣削主切削力的影响31
• 3.4 双因素实验分析切削参数对材料切削比能的影响31-35
• 3.4.1 轴向切深及进给量组合变化对切削比能及铣削主切削力的影响31-32
• 3.4.2 轴向切深及径向切深组合变化对切削比能及铣削主切削力的影响32-33
• 3.4.3 径向切深及进给量组合变化对切削比能及径向铣削力的影响33-35
• 3.5 本章小结35-36
• 4 机床切削比能模型的建立及其参数影响分析36-57
• 4.1 机床能耗实验平台的建立36-39
• 4.1.1 实验设备及布局36-37
• 4.1.2 设备信息37-39
• 4.2 机床固定比能模型的建立及其参数影响分析39-42
• 4.2.1 机床固定比能模型的建立39-40
• 4.2.2 基于实验的机床固定比能模型的建立40-42
• 4.2.3 机床固定比能的参数影响分析42
• 4.3 机床操作比能模型的建立及其参数影响分析42-54
• 4.3.1 机床操作比能模型的建立42-43
• 4.3.2 基于实验的机床操作比能模型的建立43-49
• 4.3.3 机床操作比能模型的参数影响分析49-54
• 4.4 材料切削比能模型的建立及参数影响分析54
• 4.5 机床非生产比能模型的建立及参数影响分析54-56
• 4.5.1 机床非生产比能模型的建立54-55
• 4.5.2 基于实验的机床非生产比能模型的建立55
• 4.5.3 机床非生产比能模型的参数影响分析55-56
• 4.6 本章小结56-57
• 5 机床加工阶段整机能耗模型的建立及功率分布57-63
• 5.1 机床加工阶段能耗模型的建立57
• 5.2 机床加工阶段功率分布57-58
• 5.3 模型应用58-62
• 5.4 本章小结62-63
• 结论63-64
• 研究展望64-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况69-70
• 致谢70-71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李涛;孔露露;张洪潮;ASIF Iqbal;;典型切削机床能耗模型的研究现状及发展趋势[J];机械工程学报;2014年07期

2 曹华军;罗毅;;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年12期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 胡韶华;现代数控机床多源能耗特性研究[D];重庆大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王信锐;数控机床能量模型及其应用研究[D];大连理工大学;2013年

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本文编号：649549