数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的方法

摘要

本发明公布了一种数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的新方法。该方法依据机床加工过程机电主传动系统能量效率数学模型，和一次性前期准备的机床空载功率与转速的关系函数，以及单区间转速机床的附加载荷损耗系数或多区间转速机床附加载荷损耗系数的表格函数；只需记录加工过程中机床主传动系统电机的输入功率过程数据或过程曲线，就可从数学模型中算出机床加工过程机电主传动系统的能量效率；该方法可用于机床加工过程的能耗与能效研究和能效评估、切削工艺参数节能性优化等一系列问题的解决方案研究和应用中，具有较广阔的应用前景。

权利要求

1.数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的方法，其特征在于，包括以下步骤：建立数控机床加工过程机电主传动系统能量效率模型Ⅰ和Ⅱ：

= （I）

=

（II）其中，模型Ⅰ适用于单区间转速数控机床，模型Ⅱ适用于多区间转速数控机床；所谓多区间是指某些分段调速数控机床存在多个转速段，如高速段和低速段，每个转速段即为一个转速区间，并且一个转速区间对应一个固定的传动链；

式中， ， 为载荷损耗系数； 为空载功率；

， ， 为转速区间 的载荷损耗系数； 为空载功率；

为加工时段个数；

为第 个加工时段的时间消耗；

为机床整个加工过程的时间消耗；

为时段的序列号；

m为机床转速的区间个数；

模型的基础函数和基础系数的一次性前期准备，具体包括：

a. 数控机床加工过程机电主传动系统空载功率 与转速 的关系函数，包括单区间转速机床主传动系统空载功率 与转速 的单一关系曲线，多区间转速机床主传动系统空载功率 与转速 关于区间号 的关系曲线；

b. 单区间转速机床主传动系统的附加载荷损耗系数 ， ， ，以及多区间转速机床主传动系统在各区间传动链下的附加载荷损耗系数 ， ， 的表格函数；

实际应用时只需现场测量数控机床主传动系统在加工过程中实时的输入功率过程数据或过程曲线 ，再根据上述能量效率模型、模型基础函数和基础系数即可计算得到机床加工过程机电主传动系统能量效率 。

2.如权利要求1所述数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的方法，其特征在于，数控机床加工过程机电主传动系统的空载功率与转速的关系函数的获取方法为：对于单区间转速机床，选取若干转速点，在机床没有切削对象的前提下启动机床至该加工转速，测量机床相应的输入功率，记录各转速点 下输入功率的稳定值作为机床在此加工转速下的空载功率 ，然后拟合出空载功率与转速的关系函数；对多区间转速机床，在每一转速区间下重复单区间转速机床的空载功率测量工作，然后拟合出空载功率 与转速关于区间号 的关系函数。

3.如权利要求1所述数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的方法，其特征在于，机床主传动系统在加工状态下的附加载荷损耗系数及其表格函数的获取方法为：针对单区间转速机床，通过自由选择转速进行多种不同切削实验，测取相应的 与 值进行回归分析，得到一组固定的载荷损耗系数 ， ， ；对于多区间转速机床，通过在每个转速区间下自由选择转速进行多种不同切削实验，测取相应的 与 值进行回归分析，得到关于转速区间 的载荷损耗系数 ， ， 表格函数； 和 分别为数控机床主传动系统加工过程任意时刻 的输入功率和输出功率。

4.如权利要求1所述数控机床加工过程机电主传动系统能量效 ；率获取的方法，其特征在于，所述能量效率模型模型Ⅰ和Ⅱ还可以分别简化为模型Ⅲ和Ⅳ：= （Ⅲ）

= （Ⅳ）

式中a为载荷损耗系数。

说明书

数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的方法

技术领域

[0001] 本发明属于机床控制技术领域，尤其涉及一种数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的新方法。

背景技术

[0002] 制造系统能耗状态分析及其能效估评是制造系统降低能量消耗、提高能量效率的基础。为此制造系统能效评估问题的研究正在国际上迅速兴起。CN102179727A公开的发明名称为《机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法》的发明专利，其公开的方案提供一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，求取出主轴电机损耗功率、主轴电机输出功率、机械传动系统损耗功率、切削功率等机床主传动系统能耗信息的实时数据。CN2066162公开的发明名称为《机床节能功率监控装置》的实用新型，公开了一种机床节能功率监控装置，以定子电流作为检测信号，通过电流分路实现降压节能和功率监控。2009年9月，国际生产工程学会（CIRP）在爱尔兰召开了第26届国际制造会议（International Manufacturing Conference, IMC’26），将“能源效率与低碳制造”作为会议主题，提出“为了确保制造业创新与发展，必须准确评价制造过程与系统的能量消耗状况”。又如美国能源部专门设立了以提高制造企业生产过程的能量效率作为首要目标的“工业评估中心（Industrial Assessment Centers）”。该中心依托美国29所高校，对工业企业生产现场的能量消耗状况进行评估和研究。评估时，包括生产设备等各能耗环节，也包括电机数量、额定功率、运行时间等。但还未涉及到机床加工系统内部的能量消耗及能量效率评估；其主要原因是生产现场实时获取机床服役过程的能量消耗和能量效率数据非常困难。

[0003] 机床是制造系统的装备基础，其能效评价是制造系统能效评价的重要方面。虽然现有文献已对机床能量效率问题作了不少研究，但是，生产现场的机床服役过程能量效率的获取问题尚未很好解决，尚无方便实用的有效方法。其原因主要有两点：一是需要的有些测试数据实验室获取容易，生产现场获取就非常困难；二是机床主传动系统能量流动过程复杂，现场模型参数难于确定，因而现场能量效率难于通过模型求解获取。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的新方法，通过记录机床主传动系统在加工过程中的输入功率过程数据或过程曲线，即可在线求取到机床主传动系统的能量效率。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用了如下的技术手段：

[0006] 一种数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的方法，其特征在于，包括以下内容：

[0007] 1）建立了数控机床加工过程机电主传动系统能量效率模型Ⅰ和Ⅱ：

[0008] = （I）

[0009] = （II）

[0010] 其中，模型Ⅰ适用于单区间转速数控机床，模型Ⅱ适用于多区间转速数控机床。所谓多区间是指某些分段调速数控机床存在多个转速段，如高速段和低速段，每个转速段即为一个转速区间，并且一个转速区间对应一个固定的传动链。另外，上述能量效率模型还可以分别简化为模型Ⅲ和Ⅳ：

[0011] = （Ⅲ）

[0012] = （Ⅳ）

[0013] 2）模型的基础函数和基础系数的一次性前期准备，具体包括

[0014] a.数控机床加工过程机电主传动系统空载功率 与转速 的关系函数，包括单区间转速机床主传动系统空载功率 与转速 的单一关系曲线，多区间转速机床主传动系统空载功率 与转速 关于区间号 的关系曲线；

[0015] b.单区间转速机床主传动系统的附加载荷损耗系数 ， ， ，以及多区间转速机床主传动系统在各区间传动链下的附加载荷损耗系数 ， ， 的表格函数；

[0016] 3）实际应用时只需现场测量数控机床主传动系统在加工过程中实时的输入功率过程数据或过程曲线 ，再根据上述能量效率模型、模型基础函数和基础系数即可计算得到机床加工过程机电主传动系统能量效率 。

[0017] 进一步，数控机床加工过程机电主传动系统的空载功率与转速的关系函数的获取方法为：对于单区间转速机床，选取若干转速点，在机床没有切削对象的前提下启动机床至该加工转速，测量机床相应的输入功率，记录各转速点 下输入功率的稳定值作为机床在此加工转速下的空载功率 ，然后拟合出空载功率与转速的关系函数；对多区间转速机床，在每一转速区间下重复单区间转速机床的空载功率测量工作，然后拟合出空载功率与转速 关于区间号 的关系函数。

[0018] 进一步，机床主传动系统在加工状态下的附加载荷损耗系数表格函数的获取方法为：针对单区间转速机床，通过自由选择转速进行多种不同切削实验，测取相应的 与值进行回归分析，得到一组固定的载荷损耗系数 ， ， ；对于多区间转速机床，通过在每个转速区间下自由选择转速进行多种不同切削实验，测取相应的 与 值进行回归分析，得到关于转速区间 的载荷损耗系数 ， ， 表格函数。

[0019] 相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

[0020] 1、只需记录加工过程中生产现场机床主传动系统的输入功率过程数据或过程曲线，就可求取出主传动系统能量效率的实时数据，其在线检测过程简单易操作，且对现有机床普遍适用。

[0021] 2、计算机床加工过程主传动系统能量效率需要事先获取的基础数据可通过本发明提供的空载和切削加工实验获取，其获取方式都非常简单，提高了本发明方法的可操作性；并且，对于同一型号的机床其基础数据一经获取则可以延续使用，一劳永逸，无需在后期进行其能耗信息在线检测之前再次获取。

[0022] 3、有本发明方法检测到的机床加工过程主传动系统能效信息，与实际的机床加工过程主传动系统能效信息之间的误差不超过20%，而且该误差多为随机误差，误差值在工程应用范围之内，具有较好的指导、参考价值。

[0023] 4、本发明方法可应用于机床能量效率获取、机械加工过程的能效评估等研究中，具有较广阔的应用前景。

附图说明

[0024] 图1某车削加工工件图；

[0025] 图2实施例空载功率与转速的关系函数示意图；

[0026] 图3普通车床车削加工图1零件过程中主传动系统输入功率曲线示意图；

[0027] 图4为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

[0029] 本发明公布了一种数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的新方法。该方法依据机床加工过程机电主传动系统能量效率数学模型，和一次性事先准备的机床主传动系统空载功率与转速的关系函数，以及单区间转速机床的附加载荷损耗系数或多区间转速机床附加载荷损耗系数的表格函数；只需记录加工过程中机床主传动系统电机的输入功率过程数据或过程曲线，就可从数学模型中算出机床加工过程机电主传动系统的能量效率。

[0030] 1. 数控机床主传动系统能量效率模型

[0031] = （I）

[0032] = （II）

[0033] 其中，模型Ⅰ适用于单区间转速数控机床，模型Ⅱ适用于多区间转速数控机床。所谓多区间是指某些分段调速数控机床存在多个转速段，如高速段和低速段，每个转速段即为一个转速区间，并且一个转速区间对应一个固定的传动链。另外，上述能量效率模型还可以分别简化为模型Ⅲ和Ⅳ：

[0034] = （Ⅲ）

[0035] = （Ⅳ）

[0036] 2. 能量效率模型中基础函数和基础系数的获取方法

[0037] 四种能量效率模型需要的基础函数和基础系数是不同的，它们分别是：

[0038] 模型（I）——空载功率函数 ，载荷损耗系数 和 ；

[0039] 模型（II）——空载功率函数 ，载荷损耗系数表格函数 和 ；

[0040] 模型（Ⅲ）——空载功率函数 ，载荷损耗系数 ；

[0041] 模型（Ⅳ）——空载功率函数 ，载荷损耗系数表格函数 ；

[0042] 因此需要的基础函数和基础系数一共是7种：即空载功率函数 ，载荷损耗系数 和 ，载荷损耗系数 ，空载功率函数 ，载荷损耗系数表格函数 和
，载荷损耗系数表格函数 。

[0043] 1）空载功率函数的获取

[0044] 数控机床的空载功率函数的获取方法为：对生产现场的机床，在每区间转速下设定若干个不同的转速，进行一次性测取各个不同转速下的空载功率，建立空载功率表格函数如表1所示，然后对表1中的数据进行曲线拟合即可求出该机床的空载功率关于转速的拟合函数 ：

[0045] （1）

[0046] 表1机床转速区间 下各级转数的空载功率表格函数

[0047]

[0048] 对于单区间转速的机床，不存在区间分别，所以拟合出的空载功率与转速的关系函数为 。

[0049] 2）载荷损耗系数的获取

[0050] 2.1） 和 的获取方法

[0051] 在数控机床每区间转速中自由选取转速，进行 组（ ）的不同的切削实验，测取相应的 与 值，代入式（2）得到含 个方程的方程组（ ），如式（3）所示。

[0052] （2）

[0053] （3）

[0054] 根据式（3）建立其线性回归方程：

[0055] （4）

[0056] 式中， ， ， ， ， 。按式（4）的矩阵形式求解该回归方程，即可得到：

[0057] （5）

[0058] 上式中：

[0059]

[0060] 于是得到转速区间 的载荷损耗系数 、 。

[0061] 2.2） 的获取

[0062] 在数控机床每区间转速中自由选取转速，进行 组（ ）的不同的切削实验，测取相应的 与 值，代入式（6）得到含 （ ）个方程的方程组，如式（7）所示。

[0063] （6）

[0064] （7）

[0065] 根据式（7）建立其线性回归方程：

[0066] （8）

[0067] 式中， ， ， 。按矩阵形式 求解该回归方程，即可得到：

[0068] （9）

[0069] 上式中：

[0070]

[0071] 于是得到转速区间 的载荷损耗系数 。

[0072] 2.3） ， ，的获取方法

[0073] 同一机床的载荷损耗系数与传动链即能量传递链有关。对于固定传动链的单区间转速机床，载荷损耗系数是常数，即 =

[0074] 2.4）载荷损耗系数表格函数的建立

[0075] 对于多区间调速机床等可变传动链机床； 与各区间转速对应的传动链即能量传递链有关，即， = 。 可以通过
表格函数来建立：

[0076] 表2 载荷损耗系数表格函数

[0077]

[0078] 实际使用上述表格函数时，根据实际运行转速 对应的转速区间来确定载荷损耗系数。

[0079] 实施例：

[0080] 采用基于输入功率的模型（Ⅱ）对具有两档转速（表3）的C2-6136HK/1数控车床加工某轴类零件（零件形状和尺寸如图1所示）的加工过程主传动系统能量效率进行了测取与计算。用于测量输入功率的功率传感器EDA9033A安装在主电机入口处，数据采样周期为20ms。同时还通过安装在切削区域的扭矩传感器TQ201及安装在主传动系统入口处的电度表获取了实际能量效率以提供准确度验证。

[0081] 表3 C2-6136HK/1数控车床参数

[0082]

[0083] 1-1）基础函数和基础系数的获取

[0084] 如前文所述，应用模型（Ⅱ）获取机床能量效率，需要准备的基础函数和基础系数包括空载功率函数 和载荷损耗系数表格函数 。

[0085] 按照上文所述方法，在各区间转速下选取若干转速点，测取空载功率如图2所示，并拟合出低速档空载功率函数 和高速档空载功率函数 ：

[0086] （10）

[0087] （11）

[0088] 由于该数控机床的转速分高速和低速两档，即具有两条机械传动链，因此该机床有两组基础参数值：低速档（ ）基础参数 、 及高速档（ ）基础参数 、 。按上述方法，在低速档和高速档分别测取多组 与 值并结合上述测取的 值，拟合出附加载荷系数的表格函数如下：

[0089] 表4 实施例的附加载荷系数表格函数

[0090]

[0091] 1-2）现场数据监测及能量效率计算

[0092] 在获取上述基础函数及基础系数的基础上，开始对该工件的实际加工过程的能量效率进行获取。本次加工过程一直使用低速档工作，该过程的加工步骤及工艺参数如表5所示。

[0093] 表5 加工过程工艺参数表

[0094]

[0095] 实时监测本次服役过程中主传动系统总输入功率 ，得到整个服役过程的曲线示意图如图3所示。

[0096] 由图3可见，本次服役过程的12个时段中共有4个加工时段：（3）、（5）、（8）、（11），即 。计算该4个加工时段总有效能耗 的相关数据如表6所示。

[0097] 表6 某轴类零件加工子时段能效相关数据表

[0098]

[0099] 将表6中数据、 以及整个加工过程 值分别代入模型（Ⅱ），得到该加工过程机床主传动系统的能量效率为 。通过扭矩传感器测得的实际切削功率和实际转速计算获取实际切削功率进而获取该服役过程实际总切削能耗，通过电度表直接测取该服役过程实际总能量损耗，从而获得本次加工过程的实际能量效率 。将能效
测算值 与能效实际值 对比， 的误差为 。

[0100] 另外，还可通过上述实验数据计算得到任一加工时段 的切削能耗与该时段总能耗的比值，即加工时段 的能量效率。将使用 、 作为计算系数获取的加工时段能量效率记为 ，将通过相应的实测值获取的实际能量效率记为 。该服役过程
中4个加工时段的实际能效 ，测算能效 及其测算误差如表7所示。表7中还
包括了整个加工过程的实际能效，测算能效及测算误差。

[0101] 表7 测算能效及其误差表

[0102]

[0103] 由表7可见，在测算某一具体加工时段能量效率时，模型（Ⅱ）存在一定误差；但在测算整个加工过程能量效率时，模型（Ⅱ）具有较高精度。其原因有两点：一是实际加工中的各种随机误差导致具体加工时段的预测精度下降，但所有加工时段的所有随机误差在整个服役过程中相互抵消，使得整个服役过程的能效测算精度有所回归；二是所有加工时段的总能耗占整个加工过程总能耗的比例较小，使得加工能耗的测算误差对能效测算误差的影响有限。

[0104] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。