论文总字数：21455字

摘 要

本文以12000kN全自动数控液压精冲机为研究对象，在分析了精冲机的系统组成结构及其耗能机理和单位工作周期内的工序动作之后，完成了对精冲机能耗实时检测平台的设计与开发。根据本文的研究得出了以下研究成果：

（1）依据液压精冲机的工作过程，研究了精冲机在单位工作周期内的能量流动、转化以及耗散过程，在分析主要能耗部件的基础上，最终建立了整机能耗的数学模型。

（2）基于虚拟仪器技术，搭建了能够实时检测精冲机能耗的智能平台，别从硬件与软件两个方面对平台进行了设计。硬件方面又通过选择相应的传感器、数据采集设备、信号转换设备分别完成了对精冲机有功功率的采集和精冲机控制电路信号的采集。软件方面利用LabVIEW对采集到的相关数据进行处理，并通过软件内含的函数实现了三相有功功率的在线积分，从而得到了精冲机能耗的实时数据。

关键词：精冲机、数学模型、虚拟仪器、能耗检测

Abstract

This article takes the 12000kN fully automatic CNC hydraulic fine blanking machine as the research object. After analyzing the system structure and energy consumption mechanism of the fine blanking machine and the process actions within the unit work cycle, the real-time detection platform for the energy consumption of the fine blanking machine is completed Design and Development. This article has obtained the following conclusions through related research:

(1) According to the working process of the hydraulic fine blanking machine, the energy flow, conversion and dissipation process of the fine blanking machine in the unit working cycle are studied. Based on the analysis of the main energy-consuming components, a mathematical model of the energy consumption of the whole fine blanking machine is finally established.

(2) Based on the virtual instrument technology, an intelligent platform capable of detecting the energy consumption of the fine blanking machine in real time is built, and the platform is not designed from the aspects of hardware and software. On the hardware side, the active power of the fine blanking machine and the control circuit signal of the fine blanking machine are collected by selecting corresponding sensors, data acquisition equipment, and signal conversion equipment. The software uses LabVIEW to process the collected relevant data, and realizes the online integration of the three-phase active power through the functions contained in the software, thereby obtaining real-time data on the energy consumption of the fine blanking machine.

Keywords: Fine blanking machine, Virtual instrument , the mathematical model

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 1

第1章 绪论 3

1.1论文的研究背景 3

1.1.1绿色制造与节能减排 3

1.1.2机床行业节能潜力 4

1.1.3液压精冲机节能降耗需求 4

1.2国内外研究现状 5

1.2.1机床能耗分析研究现状 5

1.2.2机床能耗检测研究现状 5

1.3论文的研究目的及意义 6

1.4论文主要研究内容 6

第2章 能耗实时检测平台总体方案设计 8

2.1精冲机系统结构与原理 8

2.2能量耗散特性及模型 10

2.2.1“电能-机械能”单元 10

2.2.2“机械能-液压能”单元 11

2.2.3“液压能-液压能”单元 12

2.2.3“液压能-机械能”单元 14

2.3检测系统工作原理设计 15

2.4虚拟仪器技术简介 15

2.4.1测量仪器的发展 15

2.4.2虚拟仪器的概念 16

第3章 能耗检测平台硬件设计 17

3.1检测平台总体概况 17

3.2关键硬件设计 18

3.2.1功率传感器 18

3.2.2接口转换器 18

3.2.3光电耦合器 19

3.2.4数据采集卡 20

3.2.5上位机 21

第4章 能耗检测平台软件设计 22

4.1 软件开发平台——LabViEW 22

4.1.1 Labview简介 22

4.1.2 Labview特点 22

4.2 数据采集程序 23

4.2.1 DAQmx驱动软件配置 24

4.2.2 数字信号采集程序 24

4.2.3 MODBUS通讯协议 25

4.2.4 功率传感器采集程序 26

4.3 数据处理程序 27

4.3.1 数据滤波 27

4.3.2 在线分段积分 28

4.4 检测系统前面板及程序框图 29

4.4.1 前面板 29

4.4.2 程序框图 29

4.4.3 模拟数据验证 30

第5章 结论与展望 32

5.1 结论 32

5.2 展望 32

致谢 33

参考文献 34

第1章 绪论

1.1论文的研究背景

1.1.1绿色制造与节能减排

世界经济和社会的发展通过能源与资源的大量开采和利用得到了较大的促进，但与此同时也带来了对地球环境和生态系统的一系列不良影响。随着氮氧化物、二氧化碳等环境污染物的排放量逐年增大，温室效应和能源危机已成为全人类所面临的重大问题。当前，清洁能源还未获得大规模应用，人类发展和保护自然环境的矛盾已无法单凭通过已有的能源处理技术措施来解决。因此，人类必须出台积极有力的相关政策来改善对能源的消耗和对资源环境的保护。

进入二十一世纪之后，全世界各国都逐渐意识到了生态效益和能源效益的重要性。根据有关数据显示，全球总能耗的30%以上由制造业占据，二氧化碳总排放量的36%也由制造业产生，并且该能耗形势和温室气体排放还将持续存在。由此，如何确保制造业尽可能少地消耗资源和减少环境污染成为了当前环境问题的重要研究课题。绿色制造是一种综合分析环境影响和能源消耗的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响极小、资源利用率极高、综合效益最大，使企业经济效益与社会效益得到协调优化^[1]。

许多经济发达国家为全球绿色发展趋势已经开始出台与可持续发展有关的法规政策,如欧盟为了提升耗能产品的环境绩效，控制生态环境污染于2009年提出了《与能源相关的产品生态设计要求指令》，通过法规对产品进行生态设计以提高环保、节能等性能；英国政府发布了《英国低碳转换计划》国家战略文件，要求 2020 年的碳排放量相对1990年减少 34％，其内容涉及领域包括工业、交通以及能源等^[2]。

值得注意的是，伴随着我国经济水平的不断攀升，我国对于影响国家工业命脉的能源的需求量也逐年增加，《2012中国能源发展报告》结果表明，中国已成为世界第二大能源消费国^[3]。在我国实现可持续发展与从工业大国向工业强国的转换过程中，还需对以“高能耗、高污染、低效益”为特点的不合理的发展形式产生警惕。如果总是处于拿“绿水青山”换“金山银山”的状态下，不仅无法形成高效节能的能源系统导致资源的巨额浪费，还会产生相应的污染物不利于生态环境的治理。因此，随着我国现代化的不断发展，节能减排成为了解决经济增长与能源环境这一矛盾的必要举措。

实际上，节能减排一直都被我国政府当做关系人民福祉的大事来对待。在2006年，中央政府就出来了相关发展纲要，明确指示要加快研发机电产品节能环保技术，努力实现绿色制造；2012年8月，国务院发布了《节能减排“十二五”规划》，将节约资源和保护环境纳入我国的基本国策^[4]。

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