现代数控加工系统多源能量流的系统特性及能耗信息分离技术研究

现代数控加工系统的节能优化运行研究及基于能流信息的加工状态监控研究均需要能量流规律等基础理论和相关技术的支持。为此，本项目对现代数控加工系统多源能量流的系统特性及能耗信息分离技术这一科学问题展开研究。一方面通过系统建模和提出系统效率、系统能量利用率等概念及相关要素分析，揭示能量源多、能耗环节多、能量流动过程变化复杂的现代数控加工系统多源能量流的一系列系统特性；另一方面提出机床主传动系统和现代数控加工系统能耗环节的能耗信息分离技术，突破机械加工过程的有效功率、能量效率、能量利用率等多种关键能耗信息难于在线实时获取的技术难题。上述研究成果可为数控加工系统能效评估、能耗状态监视、节能优化运行技术研究以及基于能流信息的加工状态识别和监控提供相关的基础理论和技术方法；由于我国数控加工系统量大面广，能量消耗总量及间接的碳排放总量均十分惊人，本项目可望有着重要的应用前景。

针对现代数控加工系统节能优化运行研究对能量流规律等基础理论和相关技术的需求，对现代数控加工系统多源能量流的系统特性及能耗信息分离技术这一科学问题展开了研究。主要研究内容和结论包括：面向数控加工系统运行中多能量源与多能耗环节的构成特点及动态变化特点，建立了一种包括加工动力系统、加工关联辅助系统、动力关联辅助系统和其他等四类能量流的数控加工系统多源能量流的系统数学模型及数控机床服役过程机电主传动系统时段能量模型和数控机床载荷相关的进给系统功率平衡数学模型；从机床传动系统能量流、机床服役过程能量流以及现代数控加工系统复杂能量流系统等角度出发，揭示了现代数控加工系统能量流的一系列系统特性，包括数控机床变频主轴系统功率和转速的非单调关系特性、附加载荷损耗与切削功率的非线性函数特性、进给系统功率关于进给速度、载荷、阻尼、摩擦等因素的数学模型及其变化特性等；针对机械加工过程中难于在线获取能量损耗信息及切削有效功率等多种关键能耗信息的难题，通过建立机床主传动系统的能量信息分离的数学模型和能量信息分离所需基础数据的获取方法，实现了实际加工过程中只需测量生产现场机床主传动系统主电机输入总功率的实时数据，就可分离出主电机损耗功率、机械传动系统输入功率、机械传动系统损耗功率和切削有效功率等主要能量信息。基于上述研究成果，在一台5坐标数控机床上建立了能效在线监测应用实验系统。研究分析和应用实验表明，本项目研究成果可为数控加工系统能效评估、能耗状态监视、节能优化运行技术研究以及基于能流信息的加工状态识别和监控提供一定的基础理论和技术方法，有着明显的应用前景。