摘 要

近年来我国能源短缺成为各行各业发展的瓶颈，同时，能源的急速消耗也带来了严重的环境污染。汽车工业是我国的支柱行业，每年都会消耗大量的能量。如今，数控加工技术广泛应用于汽车行业的方方面面，尤其是汽车零部件加工行业。严格且合理的能耗管理和监控成为传统汽车零部件企业寻求生存的一个重要研究方向。

本文第一步将数控机床整机能耗分解为主传动系统能耗、进给系统能耗、换刀系统能耗、辅助系统能耗、待机能耗和切削能耗，并分别构建数学模型。第二步是设计了各部分能耗模型验证实验，并通过实验数据拟合出了各能耗数学模型的系数。第三步是挑选典型的简单汽车零部件轮毂轴承单元作为研究对象，详细研究了东风楚凯公司M34和T9轮毂轴承单元生产线和数控加工工艺。第四步是完成能耗监测模块的二次开发并在M34轮毂轴承单元实际生产中的车削工序中验证模块的正确性。

关键词：能耗模型；数控加工；汽车零件；轮毂轴承；二次开发

Abstract

In recent years, China's energy shortage has become a bottleneck for the development of all walks of life. At the same time, the rapid consumption of energy has also brought serious environmental pollution. The automobile industry is a pillar industry in China and consumes a lot of energy every year. Today, CNC machining technology is widely used in all aspects of the automotive industry, especially the automotive parts processing industry. Strict and reasonable energy consumption management and monitoring has become an important research direction for traditional auto parts companies seeking survival.

In the first step of this paper, the energy consumption of the CNC machine tool is decomposed into the spindle system energy consumption, feed system energy consumption, tool change system energy consumption, auxiliary system energy consumption, standby energy consumption and cutting energy consumption, and the mathematical models are constructed separately. The second step is to design a verification experiment of each part of the energy consumption model, and fit the coefficients of each energy consumption mathematical model through the experimental data. The third step is to select a typical simple automotive parts hub bearing unit as the research object, and studied in detail the production line and CNC machining technology of Dongfengchukai M34 and T9 hub bearing unit. The fourth step is to complete the secondary development of the energy consumption monitoring module and verify the correctness of the module in the turning process in the actual production of the M34 hub bearing unit.

Key Words: energy consumption model; CNC machining; auto parts; wheel bearing hubs; Secondary development

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景、目的及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究目的 2

1.1.3研究意义 2

1.2数控机床能耗建模国内外现状 2

1.2.1主传动系统空载能耗 2

1.2.2进给系统空载能耗 3

1.2.3切削过程能耗 4

1.2.4待机能耗与辅助系统能耗 4

1.3轮毂轴承单元加工现状 4

1.4研究内容和研究方法 5

1.4.1研究内容 5

1.4.2研究方法 5

第2章 数控机床能耗建模 6

2.1数控机床能耗分析 6

2.2主传动系统能耗模型 7

2.3进给系统能耗模型 8

2.4换刀系统能耗模型 9

2.5辅助系统能耗模型 9

2.5.1照明装置能耗 9

2.5.2冷却液装置能耗 10

2.5.3排屑与冲屑装置能耗 10

2.6待机能耗模型 10

2.7切削能耗模型 10

第3章 数控机床能耗模型实验验证 12

3.1能耗采集实验 12

3.1.1数控机床实时功率的测量和获取 12

3.1.2数控机床各工作状态实时能耗特性 12

3.1.3实验数据处理方法 13

3.1.4实验设备 13

3.1.5实验步骤 16

3.2实验数据拟合 19

3.3MATLAB数学模型构建 21

第4章 轮毂轴承单元数控加工工艺 23

4.1数控加工工艺概述 23

4.2轮毂轴承单元加工工艺 24

4.2.1生产技术路线 24

4.2.2生产线介绍 26

4.2.3M34轮毂单元加工工艺 27

第5章 能耗模块二次开发及实际验证 30

5.1数控系统功能模块开发简介 30

5.2开发准备和环境配置 31

5.3开发包说明 33

5.4能耗监测模块开发 35

5.5能耗监测模块功能编写 42

5.6实际加工M34轮毂单元验证能耗监测模块 45

第6章 结论 48

6.1结论 48

6.2不足和改进 48

6.3展望 49

参考文献 50

致谢 53

1. 绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

1.1.1 研究背景

自改革开放以来，我国汽车产业在整车开发和零部件开发两方面都取得了前所未有的进步。汽车工业是我国能耗巨大的行业之一，充足的能源保障是我国汽车工业迅猛发展的必要条件。进入本世纪以后，中国能源消耗量跃居世界第一，大概占世界能源消耗总量的20%^[1]，其中汽车工业占据了极大的比重。有资料表明，我国人均资源数量占有量已不到世界人均占有量的50%^[2]。考虑到传统燃油车的生产线基本稳固，在传统汽车整车生产过程中实现节能的改良目标相对困难，所以汽车零部件生产过程的节能成为新的突破口。

1953年，我国的汽车零部件产业依托于第一汽车厂、东风汽车厂起步。1978年，随着我国轿车工业萌芽，零部件产业开始逐步发展起来。2004年我国已经从零部件大量进口国转变为了零部件大量出口国^[3]。然而，“一高一低四耗”仍然是我国汽车零部件产业的主要问题——高污染、低技术、耗材、耗能、耗人力、耗物力^[4]。在当前汽车零部件产业转型的大方向中，低技术含量、高能耗的零部件产品不再享受政策补助，利润持续减少。基于国际上工业4.0智能制造领域的高度关注和国内中国制造2025对制造业提出的要求，我国的汽车零部件产业可以在智能制造加工工艺等方面实现节能目标^[5]。