基于标准G代码的随动磨削过程机床运行能耗预测方法与流程
本发明属于节能环保领域，具体涉及一种基于标准G代码的随动磨削过程机床运行能耗预测方法。
背景技术：
目前，工业部门碳排放占我国排放总量的70％左右，机械切削是工业制造的重要组成部分，对碳排放量有巨大影响。机床作为工业领域最为重要的基础工具，对其使用过程中的能耗进行评价，将对节能减排产生重要意义。
零件在加工过程机床的能耗主要包括机床待机能耗、工件切削能耗以及机床运行能耗。其中机床待机能耗在加工过程中基本保持恒定。工件切削能耗与机床规格以及工件材料等关系紧密，然而这部分能耗相对于其他两组量级较低，对于总体能耗的影响很小。而机床运行能耗与工件加工代码关系紧密，且对总能耗影响很大，因此有必要寻找有效方法对机床运行能耗进行评估。针对机床能耗，目前的研究主要集中在机床能耗状态在机监测领域，即通过安装传感器实现数据的采集，经处理计算后得到机床能耗。然而，由于传感器较为昂贵，并且对环境中的噪声、振动比较敏感，故而对经济成本与人员数据处理能力均有很高的要求，便导致机床能耗在机监测系统无法在普通加工车间普及。
基于标准G代码的机床运行能耗预测方法主要用于评估机床运行能耗，该部分是总能耗中所占比例较大且变化明显的部分。本方法可以脱离数据采集系统，通过对标准G代码进行分析计算，即可得到零件加工过程机床运行能耗。实现在实际加工之前，定量了解整个加工过程中各轴运动所需的能耗，为加工方案的优化选择提供有力依据。
综上所示，机床运行能耗预测对降低碳排放实现节能减排可以起到积极作用，且相对于能耗监测系统具有更强的适用性。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种基于标准G代码的随动磨削过程机床运行能耗的预测方法，能够在实际加工前，定量分析机床运行能耗，为加工方案的优化选择提供依据，以达到技能减排的目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：通过分析零件加工G代码，对零件加工过程中机床运行能耗进行预测。具体步骤如下：
步骤一：根据G指令分解各轴运动，分析并计算得到加工过程各轴运动运动信息，包括运动形式、速度以及时间。随动磨削过程中，常见G指令的速度分解方法如下：
1)定位G00
典型数控代码：G00Ua Wc；
数控代码含义：以快速移动速度移动刀具到达由指定位置。刀具沿X轴移动a，沿Z轴移动c。
根据刀具轨迹分为以下两种情况：
①非联动插补定位：刀具以各轴运动最高速度分别对各轴定位。刀具运动路径一般不是直线。
代码执行过程中，各轴运动的速度与时间如公式(1)至公式(4)所示：
Vx＝Vx-max (2)
Vz＝Vz-max (4)
其中tx、tz分别表示X轴与Z轴由当前位置移动到目标位置所需要的时间，Vx、Vz分别表示在这段代码的执行过程中X轴与Z轴的移动速度，Vx-max、Vz-max分别表示机床制造商设定的X轴与Z轴所能达到的最高移动速度。
②联动插补定位：刀具沿着一条直线移动在最短的时间内到达指定的点，定位速度不超过各轴的最快速移动速度。
如果则代码执行过程中各轴运动的速度与时间如公式(5)至公式(8)所示：
Vx＝Vx-max (6)
tz＝tx (7)
否则，代码执行过程中各轴运动的速度和时间如公式(9)至公式(12)所示：
tx＝tz (9)
Vz＝Vz-max (12)
其中tx、tz分别表示X轴与Z轴由当前位置移动到目标位置所需要的时间，Vx、Vz分别表示在这段代码的执行过程中X轴与Z轴的移动速度，Vx-max、Vz-max分别表示机床制造商设定的X轴与Z轴所能达到的最高移动速度。
2)直线插补G01
用于进退刀、切入磨的单轴直线插补；用于曲轴的连杆颈、凸轮等异形轮廓磨削的C-X两轴联动插补以及用于外圆纵向磨削的X-Z联动。
①单轴运动
典型数控代码：G01Ua Ff；
数控代码含义：刀具以进给速度f沿X方向移动a。
代码执行过程中沿X轴方向移动的进给速度和时间如公式(13)所示：
Vx＝f (14)
其中，tx表示X轴的运动时间，Vx表示X轴的运动速度。同样可以套用该形式对Z轴、C轴方向的运动进行控制，进给速度与时间的求法与X轴方向类似。
②C-X联动
典型数控代码：G91G01Xa CγFf；
数控代码含义：刀具以进给速度f沿X方向移动a，C轴转动γ。
代码执行过程中沿每个坐标轴移动的进给速度和时间如公式(15)至公式(18)所示：
其中，tx、tc分别为X轴与C轴的运动时间，Vx、Vc为X轴与C轴的速度。
③X-Z联动
典型数控代码：G91 G01 Xa Zc Ff；
数控代码含义：刀具以进给速度f沿X方向移动a，沿Z方向移动c。
代码执行过程中沿每个坐标轴移动的进给速度和时间如公式(19)至公式(22)所示：
其中，tx、tz分别为X轴与Z轴的运动时间，Vx、Vz为X轴与C轴的速度。
步骤二：计算并绘制各轴运动速度随时间变化V-t图。通过步骤一的计算，可以得到每行代码执行所需的时间及各运动轴速度(如果此段时间内，某根轴没有运动，则认为速度为零)。进一步绘制出在加工过程中以时间作为横坐标，各轴速度作为纵坐标的V-t图像(其中，直线轴的速度单位为mm/min，旋转轴的速度单位为r/min)。
步骤三：计算并绘制出各工作电机转速随时间变化n-t图。将传动机构传动比与运动轴速度代入公式(23)或(24)可以计算并绘制在整个加工过程中，以时间作为横坐标，各轴转速作为纵坐标的n-t图像。直线轴的计算参考公式(23)，旋转轴的计算参考公式(24)。
其中，V为直线轴(X轴或Z轴)的移动速度，Ph为滚珠丝杆的导程，N为滚珠丝杆线数，n为旋转轴(C轴或砂轮主轴)的转速，i为传动机构传动比，nm为电机转速。
步骤四：计算并绘制出各工作电机功率随时间变化P-t图。其中，砂轮主轴电机的功率计算方法如公式(26)所示，在低于拐点转速运动时为恒扭矩输出，高于拐点转速运动时为恒功率输出。拐点转速的计算参考公式(25)。头架回转(C轴)交流伺服电机、工作台纵向移动(Z轴)交流伺服电机、砂轮架横向移动(X轴)交流伺服电机的功率计算方法如公式(27)所示。
其中，f为交流电频率，Npole为电机磁极数，ninflect为主轴电机拐点转速，T为电机额定扭矩，nm为电机转速，P0为电机额定功率，P为电机功率。
步骤五：计算机床运行能耗。将各电机在加工过程中功率对时间进行积分得到电机能耗，将各轴电机能耗相加得到整个加工过程中的机床运行能耗。
其中，Pspindle为砂轮主轴电机功率,Px_axis为砂轮架横向移动交流伺服电机功率，Pz_axis为工作台纵向移动交流伺服电机功率，Pc_axis为头架回转交流伺服电机功率，t1、t2分别为程序开始和结束的时间。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著技术进步：
本发明脱离数据采集系统，通过对标准G代码进行分析计算，即可得到零件加工过程机床运行能耗。在实际加工之前，定量了解整个加工过程中各轴运动所需的能耗，为加工方案的优化选择提供有力依据。机床运行能耗预测对降低碳排放，实现节能减排能起到积极作用。
附图说明
图1为本发明基于标准G代码的随动磨削过程机床运行能耗预测方法的流程框图。
图2为实施例代码应用工件图。
图3为实施例代码应用工件实物图。
图4为工件光磨过程中插补轴V-T图。
图5为工件光磨过程中插补轴n-t图。
图6为工件光磨过程中插补轴P-t图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明适用范围并不局限于下述实施例。在不脱离本发明上述思想的情况下，根据本领域脱离该技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例一：本发明是一种基于标准G代码的随动磨削过程机床运行能耗预测方法，参见图1。步骤如下：
(1)根据G指令分解各轴运动，分析并计算得到加工过程各轴运动运动信息，包括运动形式、速度以及时间；
(2)绘制各轴运动速度随时间变化V-t图：利用步骤(1)根据G指令分解各轴速度进行代码解析；计算得到每行代码执行所需时间以及各运动轴速度，绘制出以时间作为横坐标，各轴速度作为纵坐标的V-t图像；
(3)计算并绘制出各工作电机转速随时间变化n-t图；
(4)计算并绘制出各工作电机功率随时间变化P-t图；
(5)计算机床运行能耗。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
(1)所述步骤(1)中根据G指令分解各轴速度进行代码解析：随动磨削中常见G指令的速度分解方法如下：
所述步骤(1)中根据G指令分解各轴速度进行代码解析；随动磨削中常见G指令的速度分解方法如下：
1)定位G00
典型数控代码：G00 Ua Wc；
数控代码含义：以快速移动速度移动刀具到达由指定位置，刀具沿X轴移动a，沿Z轴移动c；
根据刀具轨迹分为以下两种情况：
①非联动插补定位：刀具以各轴运动最高速度分别对各轴定位，刀具运动路径一般不是直线；
代码执行过程中，各轴运动的速度与时间如下列公式(1)至公式(4)所示：
Vx＝Vx-max (2)
Vz＝Vz-max (4)
其中tx、tz分别表示X轴与Z轴由当前位置移动到目标位置所需要的时间，Vx、Vz分别表示在这段代码的执行过程中X轴与Z轴的移动速度，Vx-max、Vz-max分别表示机床制造商设定的X轴与Z轴所能达到的最高移动速度；
②联动插补定位：刀具沿着一条直线移动在最短的时间内到达指定的点，定位速度不超过各轴的快速移动速度；
如果则代码执行过程中各轴运动的速度与时间如下列公式(5)至公式(8)所示：
Vx＝Vx-max (6)
tz＝tx (7)
否则，代码执行过程中各轴运动的速度和时间如下列公式(9)至公式(12)所示：
tx＝tz (9)
Vz＝Vz-max (12)
其中tx、tz分别表示X轴与Z轴由当前位置移动到目标位置所需要的时间，Vx、Vz分别表示在这段代码的执行过程中X轴与Z轴的移动速度，Vx-max、Vz-max分别表示机床制造商设定的X轴与Z轴所能达到的最高移动速度；
2)直线插补G01
用于进退刀、切入磨的单轴直线插补；用于曲轴的连杆颈、凸轮等异形轮廓磨削的C-X两轴联动插补以及用于外圆纵向磨削的X-Z联动；
①单轴运动
典型数控代码：G01Ua Ff；
数控代码含义：刀具以进给速度f沿X方向移动a；
代码执行过程中沿X轴方向移动的进给速度和时间如下列公式(13)至公式(14)所示：
Vx＝f (14)
其中，tx表示X轴的运动时间，Vx表示X轴的运动速度，同样可以套用该形式对Z轴、C轴方向的运动进行控制，进给速度与时间的求法与X轴方向类似；
②C-X联动
典型数控代码：G91G01Xa CγFf；
数控代码含义：刀具以进给速度f沿X方向移动a，C轴转动γ；
代码执行过程中沿每个坐标轴移动的进给速度和时间如下列公式(15)至公式(18)所示：
其中，tx、tc分别为X轴与C轴的运动时间，Vx、Vc为X轴与C轴的速度；
③X-Z联动
典型数控代码：G91 G01 Xa Zc Ff；
数控代码含义：刀具以进给速度f沿X方向移动a，沿Z方向移动c；
代码执行过程中沿每个坐标轴移动的进给速度和时间如下列公式(19)至公式(22)所示：
其中，tx、tz分别为X轴与Z轴的运动时间，Vx、Vz为X轴与C轴的速度。
(2)所述步骤(3)中通过运动轴速度计算得到驱动电机工作转速，公式如下：
其中，V为直线轴(X轴或Z轴)的移动速度，Ph为滚珠丝杆的导程，N为滚珠丝杆线数，n为旋转轴(C轴或砂轮主轴)的转速，i为传动机构传动比，nm为电机转速。
(3)所述步骤(4)中通过驱动电机工作转速计算得到电机功率。砂轮主轴电机的功率计算方法如公式(26)所示，在低于拐点转速运动时为恒扭矩输出，高于拐点转速运动时为恒功率输出；拐点转速的计算参考公式(25)；头架回转(C轴)交流伺服电机、工作台纵向(Z轴)移动交流伺服电机、砂轮架横向(X轴)移动交流伺服电机的功率计算方法如公式(27)所示：
其中，f为交流电频率，Npole为电机磁极数，ninflect为主轴电机拐点转速，T为电机额定扭矩，nm为电机转速，P0为电机额定功率，P为电机功率。
(4)所述步骤(5)计算机床运行能耗方法，即将各电机在加工过程中功率对时间进行积分得到电机能耗，将各轴电机能耗相加得到整个加工过程中的机床运行能耗，如公式(28)所示：
其中，Pspindle为砂轮主轴电机功率,Px_axis为砂轮架横向移动交流伺服电机功率，Pz_axis为工作台纵向移动交流伺服电机功率，Pc_axis为头架回转交流伺服电机功率，t1、t2分别为程序开始和结束的时间。
实施例三：本实施例为偏心轴工件光磨程序，以上海机床厂生产的H367磨床为平台，采用刚玉砂轮，工件直径为20.05mm，偏心距为2.15mm，参见图(2)与图(3)；砂轮线速度40m/s，砂轮半径489m。表2所示为实施例代码，代码执行步骤为：首先，C轴、X轴与Z轴分别移动至起始加工位置；然后进行工件的光磨；最后，砂轮沿X轴运动退回到安全位。整个过程中涉及的电机包括：砂轮主轴电机、头架回转运动(C轴)交流伺服电机、工作台纵向(Z轴)移动交流伺服电机、砂轮架横向(X轴)移动交流伺服电机。电机参数如下：
表1 电机参数
实施例代码较为冗长，故而此处截取部分进行说明，如表2所示：
表2 实施例代码(部分)
能耗预测包括以下步骤：
1)、判断每行代码所使用的插补算法，由公式(1)至公式(22)中选择合适的公式代入计算，计算得出各行加工代码所涉及的各运动轴速度与工作时间。计算结果如下表所示，机床初始位置为C180Z30.0X50.0；
表3 步骤一内容
2)得到以时间作为横坐标，各轴速度作为纵坐标的V-t图像。砂轮主轴在整个加工过程中的速度保持恒定为1560r/min。头架回转(C轴)速度在角向定位时为30r/min，在磨削过程中保持恒定为10r/min。工作台纵向(Z轴)移动速度仅在Z轴方向移动到加工位置的时候上升为1000mm/min，其他时间内保持静止。工作台横向(X轴)移动速度较为复杂。工件光磨过程中插补轴V-t图4所示；
3)参考机床手册可知，砂轮主轴电机通过皮带轮带动砂轮旋转(砂轮主轴转动)，传动比为1.30。头架回转交流伺服电机通过皮带轮传至夹具，由夹具带动工件旋转(C轴转动)，传动比为0.56。砂轮架横向移动交流伺服电机通过弹性联轴器驱动滚珠丝杆副，因滚珠螺母与砂轮架联结在一起，从而使砂轮架实现进给运动(X轴移动)，滚珠丝杆为单线程，导程为5mm。工作台纵向移动交流伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杆选择，以驱动与工作台联结在一起的滚珠螺母移动，实现工作台纵向移动(Z轴移动)，滚珠丝杆为单线程，导程为5mm。将以上参数代入公式(23)或(24)中得到各电机在工件光磨过程中的转速随时间的变化。其中砂轮主轴电机在工作过程中保持转速恒定为1200r/min。工件光磨过程中插补轴n-t图5所示；
4)参考机床手册可知与各电机参数，代入公式(26)计算可得各电机额定转矩如下表所示：
表4 电机额定转矩
砂轮主轴电机(4极，工频50Hz)的拐点转速为1500r/min，而砂轮主轴电机在光磨过程中转速保持为1200r/min，故而可知砂轮主轴电机在工件光磨过程中为恒转矩工作。由公式(26)计算可得砂轮主轴在此过程中功率保持为6Kw。头架回转(C轴)交流伺服电机、工作台纵向移动(Z轴)交流伺服电机、砂轮架横向移动(X轴)交流伺服电机在此过程中也保持恒转矩输出，代入公式(26)计算可得工件光磨过程中各插补轴功率随时间变化P-t图6所示；
5)将各电机功率随时间变化函数代入公式(28)中，设程序开始为时间原点，则t1＝0，t2＝15.958。计算得到此偏心轴的光磨程序，运行中能耗的预测值为100.307KJ。
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