CN101367173A - 一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能的实施方法，是在加工前根据加工工艺获得主轴运行转速及数控机床编程时所确定的工步间间隔时间获取相邻工步间空载运行时间，并通过测试数据表和曲线拟和的方法计算相邻工步间实施停机节能后再启动的控制时间和节能百分比。当节能百分比为正数时，在数控程序中按控制时间嵌入该工步间停机指令和后续的再启动指令，达到节约机床能源的效果。该方法着眼于数控机床工步间空载运行时主传动系统的能量损耗问题，采用停机再启动的方式减小机械制造过程中机床空载运行时间，达到节约能源的目的。

Description

一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法

技术领域

本发明涉及到机械制造领域，是一种机床运行时节约能源的实施方法。具体涉及到数控机床相邻工步间空载运行时停机节能的实施方法。

背景技术

我国机床设备拥有量居世界第一，耗电总量惊人。同时，大量统计调查表明：机床能量平均利用率低下，不足30％。为实现“绿色制造”战略，探寻可行的机床节能方法意义重大。ZL03117163.X公开的发明名称为《一种机械加工系统节能降噪方法》的发明，从系统的角度出发，通过机床与工件之间的合理调度与安排，取得整个加工系统的节能效果；该方法从整个机械加工系统角度考虑进行节能，并没有改变机床本身的能量损耗。ZL89104006.4公开的发明名称为《机床电气节能设计方法》的发明，将机床电机替换为不同容量的两个电机，根据负载大小使两电机交替或同时运行，从而节约电能。但该方法增加了机床电机的复杂程度，并且改变了原有机床电机的设计。ZL90211626.6公开的发明名称为《机床节能功率监控装置》实用新型，公开了一种节约机床电能的功率监控装置，当机床轻载或空载时，电源通过自藕变压器降压，从而实现节能；这种装置主要针对机床电机采取节能措施。数控机床工步间空载运行过程广泛存在，如数控车床工步间退刀、换刀和进刀时，如果主轴转速不变，一般就处于空载运行过程；又如数控铣床工步间上下工件时，一般也处于空载运行过程。上述过程中，由于不同工步间切削参数的改变，会产生退刀、换刀、进刀等动作。这些动作进行时，机床主传动系统虽然没有进行生产加工动作，但也没有停止运动，仍然有能量从机床电机传递过来维持它们的运动需求，造成了机床能量的损耗。机床空载过程中主传动系统能量损耗是一种广泛的能量损耗，也是造成机床能量利用率低下的直接原因之一。

发明内容

针对数控机床相邻工步间空载运行时，主传动系统能量损耗造成无谓浪费的现状，本发明的目的是提供一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能的实施方法，通过在数控机床相邻工步间空载运行时，停止主传动系统运转的操作，达到节约机床能量损耗的目的。

本发明的技术方案为：一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法，其特征在于，加工前根据加工工艺获得主轴运行转速n_j及数控机床编程时所确定的工步间间隔时间获取相邻工步间空载运行时间T₀，并通过测试数据表和曲线拟和的方法计算相邻工步间实施停机节能后再启动的控制时间和节能百分比；当节能百分比为正数时，在数控程序中按控制时间嵌入该工步间停机指令和后续的再启动指令，达到节约机床能源的效果。包括如下步骤：

(1)选择m(m为自然数)级机床主轴转速，通过实际数据采集，获得机床的两个数据测试表：m级主轴转速下的主传动系统空载功率表和机床主传动系统从停机状态启动到转速n_j的过渡时间及损耗能量表；

(2)对步骤(1)获取的测试数据进行曲线拟合，获得停机节能决策及实施的准备公式，即机床各主轴转速下的主传动系统损耗能量计算公式E_ux＝(A₁n²+B₁n+C₁)T₀，及机床主传动系统从停机状态启动到转速n_j的损耗能量E_0x计算公式E_0x＝A₃n²+B₃n+C₃；其中，A₁，B₁，C₁，A₃，B₃，C₃为曲线拟合得到的已知常量；

(3)控制时间和节能百分比的计算方法：

①根据上述第(2)步的计算公式，获得该相邻工步间空载运行期间机床主传动系统能耗E_ux，主传动系统停机后再启动至转速n_j所耗能量E_0x；

②计算节能百分数K_x＝1-E_0x/E_ux；

③当K_x为正数时，采取停机再启动策略，并将停机指令(包括停机时刻)和后续的再启动指令(包括根据T_0x计算的再启动时刻)嵌入到数控程序当中。

本发明方法由实施前的计算公式的准备和具体操作步骤两大部分构成。

1.计算公式的获取

①测试数据表的准备

选择m(如m＝10，m为自然数)级机床主轴转速，建立机床m级主轴转速下的主传动系统空载功率测试数据表(表1)和机床主传动系统从停机状态启动到转速n_j的过渡时间和所消耗的能量测试数据表(表2)。m数值越大，则最后得到的计算公式越精确，但工作量也会相应增大。

   表1 机床各主轴转速下的主传动系统空载功率测试数据表

 

主轴转速(转/分)	n1	n2	…	nj	…	nm
							机床主传动系统空载功率(瓦)	Pu1	Pu2	…	Puj	…	Pum

表中，P_uj——机床主轴转速为n_j时的空载功率

表2 机床主传动系统从停机状态启动到转速n_j的过渡时间和所消耗的能量测试数据表

 

主轴转速(转/分)	n1	n2	…	nj	…	nm
							启动时间(秒)	T01	T02	…	T0j	…	T0m
消耗能量(焦耳)	E01	E02	…	E0j	…	E0m

表中，T_0j——机床主轴从启动到n_j转速的过渡过程所用时间

      E_0j——机床主轴从启动到n_j转速的过渡过程所消耗能量

②采用曲线拟和的方式，利用表1和表2的数据获得停机节能决策及实施的公式。

根据实测数据所呈现的规律，采用二次函数进行拟合具有计算方便且精度高的特点，于是令

P_ux＝A₁n²+B₁n+C₁     (1)

T_0x＝A₂n²+B₂n+C₂     (2)

E_0x＝A₃n²+B₃n+C₃     (3)

式中n表示此段空载运行时间内机床主轴的转速，为已知量；A₁，B₁，C₁，A₂，B₂，C₂，A₃，B₃，C₃为未知量。式(1)、(2)、(3)分别为数控机床相邻工步间空载运行时主传动系统功率计算公式、机床主传动系统从停机状态启动到转速n_j的过渡时间计算公式及所消耗的能量计算公式。

由实测数据及最小二乘法，有

$f(A_1,B_1,C_1)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[P_{\mathrm{ui}}-(A_1{n}^2+B_{1}n+C_1)]}^2---\left(4\right)$

$f(A_2,B_2,C_2)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[T_{0x}-(A_2{n}^2+B_{2}n+C_2)]}^2---\left(5\right)$

$f(A_3,B_3,C_3)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[E_{0x}-(A_3{n}^2+B_{3}n+C_3)]}^2---\left(6\right)$

对式(4)、(5)、(6)分别求解以下方程组

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂f}{{\∂A}_1}=0\\ \frac{\∂f}{{\∂B}_1}=0\\ \frac{\∂f}{{\∂C}_1}=0\end{array}\right.$    $\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂f}{{\∂A}_2}=0\\ \frac{\∂f}{{\∂B}_2}=0\\ \frac{\∂f}{{\∂C}_2}=0\end{array}\right.$        $\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂f}{{\∂A}_3}=0\\ \frac{\∂f}{{\∂B}_3}=0\\ \frac{\∂f}{{\∂C}_3}=0\end{array}\right.$

可求解出A₁，B₁，C₁，A₂，B₂，C₂，A₃，B₃，C₃的值。

然后，对所求得的相邻工步间空载运行时主传动系统功率函数进行时间积分，可得到相邻工步间空载运行时主传动系统能量耗损函数。如图1所示，由于相邻工步间空载运行时主传动系统功率恒定，可得到相邻工步间空载运行时主传动系统能量耗损计算公式为

$E_{\mathrm{ux}}=\underset{t_i}{\overset{t_{i+1}}{\∫}}{P}_{\mathrm{ux}}\left(t\right)\mathrm{dt}=P_{\mathrm{ux}}(t_{i+1}-t_i)=(A_1{n}^2+B_{1}n+C_1)T_0$

其中，T₀为相邻工步间空载运行时间，由实际加工工艺决定。

图中，t_i表示相邻工步间空载时段的起始时刻，t_i+1表示相邻工步间空载时段的结束时刻。

至此，停机节能决策及实施的公式的准备工作就已完成。这些公式都是长期不变和可用的。

2.停机节能决策及实施的操作实现

①在加工前，根据加工工艺及已编制的数控程序，获得该对相邻工步间空载运行时主轴转速n_j和空载运行时间T₀。

②将相邻工步间空载运行时主轴转速n_j代入步骤1所建立的专门方程式，计算出该相邻工步间空载运行期间机床主传动系统功率E_ux，主传动系统停机后再启动至转速n所用时间T_0x及所耗能量E_0x。

③计算节能百分比K_x：K_x＝1-E_0x/E_ux。

④当K_x为正数时，则可采取停机节能措施。但在实际中，为了避免机床的频繁启动对机床的影响，一般要节能百分比K₀大于一定值(如K₀＝20％)时才进行停机节能操作；将停机指令和后续的再启动指令嵌入到数控程序当中，在如图2所示的某机床加工过程中，应当嵌入的停机时刻为t_i，再启动时刻为t_i+1-T_0x。当K_x为负数或小于K₀时，则不采取停机节能措施。

⑤若该对相邻工步不是整个加工过程的最后两个工步，则返回步骤①，否则完成停机再启动决策，准备加工。

本发明建立了一种数控机床工步间空载运行时停机节能策方法，该方法着眼于数控机床工步间空载运行时主传动系统的能量损耗问题，采用停机再启动的方式减小机械制造过程中机床空载运行时间，达到节约能源的目的。除建立计算公式外，后续操作非常简便。

附图说明

图1两工步间空载运行时能耗示意图；

图2某机床加工过程主传动系统功率曲线。

具体实施方式

下面结合一具体实施例对本发明进行进一步说明。

在一台型号为南京第二机床厂生产的CK6136的数控车床上对本发明进行试用，试用过程如下：

1.计算公式的准备

①测试数据表的建立

该车床的转速范围为0转/分——1500转/分，将其分成10档，分别按表1和表2要求进行测试采集，得到表3和表4。

表3 数控车床各级主轴转速下主传动系统空载功率表

 

主轴转速(转/分)	150	300	450	600	750	900	1050	1200	1350	1500
											机床主传动系统空载功率(瓦)	80	120	150	173	210	230	275	300	345	365

表4 数控车床各级主轴转速下启动时间及能量消耗表

 

启动转速(转/分)	150	300	450	600	750	900	1050	1200	1350	1500
											启动时间(秒)	0.82	1.4	2.1	2.88	3.52	4.14	4.64	5.02	5.64	6.48
消耗能量(焦耳)	69.84	157.28	283.92	432.88	653.16	855.7	1143.7	1357.1	1777.3	2123.4

②对表3和表4测得的数据进行曲线拟和，从而获得

任一主轴转速下主传动系统的空载功率方程式

E_ux＝(-6.67×10^-6n_x ²+0.227n_x+40.6)T₀     (7)

从停机到启动致该转速所用时间方程式

T_0x＝-2.9×10^-7n_x ²+0.00377n_x+0.97            (8)

以及所消耗的能量的方程式

E_0x＝-0.00045n_x ²+2.7745n_x-1267.8           (9)

另外，考虑启动主传动系统对机床的冲击和寿命影响，节能百分比系数K₀确定为20％。上述公式是一劳永逸的，可长期使用。

2.停机节能决策及实施

在上述CK6136车床上加工某一工件时，根据工艺要求，需要在n＝1250转/分转速下加工外圆和端面，即该加工过程有两个工步。根据工艺要求，工步间退刀、换刀和进刀的总时间为60秒，即T₀＝60秒。外圆加工工步结束时的时刻t_i＝75秒，端面加工的起始时刻为t_i+1＝135秒。具体决策及实施步骤如下：

①将主轴转速n＝1250代入式(7)、(8)、(9)，计算出该相邻工步间空载运行期间机床主传动系统损耗能量E_ux＝18840焦，主传动系统停机后再启动至转速n_j所用时间T_0x＝5.32秒及所耗能量E_0x＝1497.2焦。

②计算节能百分比K_x：K_x＝1-E_0x/E_ux＝92％。

③由于K_x为正数且K_x>K₀(K₀＝20％)，故采取停机节能措施，将停机指令和后续的再启动指令嵌入到数控程序当中，应当嵌入的停机时刻为t_i＝75秒，再启动时刻为135-5.23＝129.77秒。

3.对该停机节能实施方法有效性的检验

建立表5进行决策过程数据与实际测试数据的对比；

   表5 决策过程数据与实测数据对比表

对比决策过程数据与实际测试数据，具有很高的一致性，从而验证了本停机节能实施方法的有效性。需要指出的是，由于所选择的机床属小型机床，故所节约能量的绝对值较小。而在一些大型机床上采取本停机节能实施方法，会带来更加显著的节能效益。

Claims (2)

1.一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法，其特征在于，加工前根据加工工艺获得主轴运行转速n_j及数控机床编程时所确定的工步间间隔时间获取相邻工步间空载运行时间T₀，并通过测试数据表和曲线拟和的方法计算相邻工步间实施停机节能后再启动的控制时间和节能百分比；当节能百分比为正数时，在数控程序中按控制时间嵌入该工步间停机指令和后续的再启动指令，达到节约机床能源的效果。

2.如权利要求1所述数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)选择m(m为自然数)级机床主轴转速，通过实际数据采集，获得机床的两个数据测试表：m级主轴转速下的主传动系统空载功率测试数据表和机床主传动系统从停机状态启动到转速n_j的过渡时间和所消耗的能量测试数据表；

(2)对步骤(1)获取的测试数据进行曲线拟合，获得停机节能决策及实施的准备公式，即机床各主轴转速下的主传动系统损耗能量计算公式E_ux＝(A₁n²+B₁n+C₁)T₀，及机床主传动系统从停机状态启动到转速n_j的损耗能量E_0x计算公式E_0x＝A₃n²+B₃n+C₃；其中，A₁，B₁，C₁，A₃，B₃，C₃为曲线拟合得到的已知常量；

(3)控制时间和节能百分比的计算方法：

①根据上述第(2)步的计算公式，获得该相邻工步间空载运行期间机床主传动系统能耗E_ux，主传动系统停机后再启动至转速n_j所耗能量E_0x；

②计算节能百分数K_x＝1-E_0x/E_ux；

③当K_x为正数时，采取停机再启动策略，并将停机指令(包括停机时刻)和后续的再启动指令(包括根据T_0x计算的再启动时刻)嵌入到数控程序当中。

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