CN102179727A - 机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明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，该方法根据所建立的机床加工过程中主传动系统能量流和主要能耗信息的数学模型，及事先获取的机床在主轴处于加工转速下的空载功率和附加载荷损耗系数、主轴电机额定功率、主轴电机额定效率、主轴电机空载功率等基础数据，加工过程中只需测取生产现场机床的输入总功率，就可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；该方法可直接应用于机床能量效率获取、机械加工过程的能效评估、能耗监控、能量管理、节能技术研究中，具有较广阔的应用前景。

Description

机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法

技术领域

本发明属于机床监测技术领域，尤其涉及一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法。

背景技术

机床素有“工业之母”的美誉，但机床的巨大耗电量及其环境排放问题日益得到重视。正在兴起的低碳经济要求机械制造业对作业车间现场的机床能量消耗状态进行监控和管理，并研究机床节能运行技术与方法。应对上述需求，近年来全球诸多高校、企业、国际组织、政府部门进行了大量研究。

ZL200810070302.0公开的发明名称为《一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法》的发明专利，其公开的方案是在机床数控程序中嵌入停机指令和后续的再启动指令，减小机械制造过程中机床空载运行时间，达到节能目的。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。美国国家能源部成立了工业评估中心，帮助中小制造企业进行能量消耗评估。国际标准化委员会(ISO)开始制定“机床环境评估”国际标准，该标准的第一部分“机床节能设计规范”初稿已于2010年10月26日完成。国际生产工程学会CIRP的STC-C科学技术委员会将机械加工过程的能量效率作为2009年度的主要研究课题之一。美国麻省理工学院的Gutowski教授团队、美国加州大学伯克利分校Dornfeld教授团队和Sheng P S教授团队、德国斯图加特大学Verl教授团队等均作了大量卓有成效的研究。

在机床能量消耗状态的监控、管理和节能运行技术的研发工作中，机床能量效率和其它能耗数据的实时现场测量是一个基础问题，但由于机床能量流环节和能量消耗环节多、工艺变化和加工过程变化复杂导致各能量参数变化复杂、机电交差问题多、能耗规律复杂等原因，该问题尚未很好解决。

发明内容

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机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，通过测取机床在加工过程中的输入总功率，即可在线的求取到机床主传动系统中主轴电机损耗功率、主轴电机输出功率、机械传动系统损耗功率和切削功率的实时数据。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术手段：

一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取检测机床主传动系统加工过程中能耗信息所需要的基础数据，所述基础数据包括机床在主轴处于加工转速下的空载功率P_u和附加载荷损耗系数α₁、α₂，主轴电机额定功率P_r，主轴电机额定效率η_r，及主轴电机空载功率P₀；

2)测量机床在加工过程中实时的输入总功率P_in(t)；

3)将P_in(t)、P_r、η_r、P₀代入公式：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{eo}}\left(t\right)=\frac{-P_r+\sqrt{P_r^2+4b(P_{\mathrm{in}}\left(t\right)-P_0)}}{2b}{P}_r\\ b=P_r(1/{\mathrm{\η}}_r-1)-P_0\end{array}\right.;$

从而计算得到机床主轴电机输出功率P_eo(t)；

4)由公式P_in(t)＝P_le(t)+P_eo(t)计算得到主轴电机损耗功率P_le(t)；

5)将P_in(t)及机床在主轴处于当前加工转速下的P_u、α₁和α₂值代入公式：

$P_c\left(t\right)=\frac{-(1+{\mathrm{\α}}_1)+\sqrt{{(1+{\mathrm{\α}}_1)}^2-4{\mathrm{\α}}_2(P_u-P_{\mathrm{in}}\left(t\right))}}{2{\mathrm{\α}}_2};$

从而计算得到机床的切削功率P_c(t)；

6)由公式P_in(t)＝P_le(t)+P_lm(t)+P_c(t)计算得到机械传动系统损耗功率P_lm(t)。

进一步，机床在主轴处于加工转速下的空载功率P_u的获取方法为：在机床没有切削对象的前提下启动机床至主轴达到加工转速，测量机床的输入功率，其输入功率的稳定值即作为机床在主轴处于此加工转速下的空载功率P_u。

进一步，机床在主轴处于加工转速下的附加载荷损耗系数α₁、α₂通过切削实验获取；所述切削实验的操作过程如下：

①在机床的切削刀具上安装力传感器或扭矩传感器，用于检测切削刀具的切削力或切削扭矩；

②启动机床至主轴达到加工转速，待其平稳运行后，按设置的切削加工工艺参数进行切削加工，读取切削加工时机床主传动系统输入总功率P_in以及相应的切削力F_z或扭矩M_z，并根据公式P_c＝F_z×v或P_c＝M_z×2πn获得此时的切削功率P_c；其中v表示切削加工的切削线速度，n表示加工转速；

③设置不同的切削加工工艺参数，按步骤②所述方法执行S次切削加工，得到S次切削加工的输入总功率P_in1，P_in2，...，P_inS以及S次切削加工的切削功率P_c1，P_c2，...，P_cS；S≥2；

④将上述S次切削加工的输入总功率P_in1，P_in2，...，P_inS以及S次切削加工的切削功率P_c1，P_c2，...，P_cS的值代入方程：

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_2& (1+{\mathrm{\α}}_1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{P}_{c1}^2& P_{c2}^2& ...& P_{\mathrm{cS}}^2\\ P_{c1}& P_{c2}& ...& P_{\mathrm{cS}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}(P_{\mathrm{in}1}-P_u)& (P_{\mathrm{in}2}-P_u)& ...& (P_{\mathrm{inS}}-P_u)\end{array}\right];$

从而求解出机床在主轴处于该加工转速下的附加载荷损耗系数α₁、α₂；P_u表示机床在主轴处于该加工转速下的空载功率。

本发明中，所谓的加工过程，是指机床的主轴处于加工转速运转状态下进行加工工作的过程；所谓的加工转速，是指预先设定的机床主轴达到稳定加工工作状态时的转速。在此说明，避免歧义。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明方法只需在线测取加工过程中生产现场机床的输入总功率，就可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，其在线检测过程简单易操作，且对现有机床普遍适用。

2、计算机床主传动系统加工过程能耗信息所需要的基础数据中，主轴电机额定功率P_r、主轴电机额定效率η_r、及主轴电机空载功率P₀可直接通过机床电机铭牌查得或向主轴电机生产厂家索取，而机床在主轴处于加工转速下的空载功率P_u和附加载荷损耗系数α₁、α₂可通过本发明提供的空载实验和切削实验获取，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；由此可见本发明方法简单易行，容易被技术人员掌握。

3、由本发明方法检测到的机床主传动系统加工过程能耗信息，与实际的机床主传动系统加工过程能耗信息之间的误差不超过7％，而且该误差多为随机误差，误差值在工程应用范围之内，具有很好的指导、参考价值。

4、本发明方法可直接应用于机床能量效率获取、机械加工过程的能效评估、能耗监控、能量管理、节能技术研究中，具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1为机床主传动系统的能量流示意图；

图2为机床主传动系统的能量流简化示意图；

图3为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出了一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，该方法根据所建立的机床加工过程中主传动系统能量流和主要能耗信息的数学模型，及事先获取的机床在主轴处于加工转速下空载功率和附加载荷损耗系数、主轴电机额定功率、主轴电机额定效率、主轴电机空载功率等基础数据，加工过程中只需测取生产现场机床的输入总功率，就可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。需要说明的是，本发明中，所谓的加工过程，是指机床的主轴处于加工转速运转状态下进行加工工作的过程；所谓的加工转速，是指预先设定的机床主轴达到稳定加工工作状态时的转速。因此，本发明方法所获得的检测结果，也是基于机床的主轴处于加工转速状态而言的。当然，对于不同的机床而言，其可以预设的主轴加工转速可能只有一级，也可能可以设置多级，但是对于机床主传动系统在每一级加工转速的加工过程中，其上述能耗信息都可以通过本发明方法在线检测获得。

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。

1.机床主传动系统的能量流及主要能耗信息数学模型：

机床主传动系统主要由驱动机床主轴转动的主轴电机、以及由联动主传动系统运作的的机械传动系统两大部分构成；后者又由若干级机械传动环节(齿轮、传动轴、轴承等)构成，通常其最后一级环节为主轴联动级。根据电机学原理及机械传动理论，可得图1所示的机床主传动系统的能量流示意图；图1中，

表示第i级机械传动环节的动能变化率，

表示电机的磁场储能变化率，表示主轴电机转子动能变化率，P_in表示机床的输入总功率，P_le表示主轴电机损耗功率，P_eo表示主轴电机输出功率，P_lm表示机械传动系统损耗功率，P_c表示切削功率，P_Fe、P_Cu和P_ad分别表示主轴电机的铁耗、铜耗和附加损耗，P_mec0表示主轴电机转子的机械损耗，P_meci表示第i级机械传动环节的机械损耗。

由于机床空载运行及每一具体加工工步过程中，转速变化很小，因此除了机床启动瞬间和无级调速机床(如变频调速数控机床)调速瞬间外，各机械传动环节的动能变化率电机的磁场储能变化率

主轴电机转子动能变化率

均很小，可以忽略不计，则机床主传动系统的能量流可简化为图2所示。由图2可见，在机床加工过程中，机床主传动系统的能量流可以用机床输入总功率P_in(t)、主轴电机损耗功率P_le(t)、主轴电机输出功率P_eo(t)、机械传动系统损耗功率P_lm(t)、切削功率P_c(t)5个函数表达，其中(t)表示上述参数均为时间t的函数。这5个函数描述了机床主传动系统加工过程的主要能耗信息，这些主要能耗信息的获取有助于对机床机械加工过程的能效评估、能耗监控和管理等能耗工程的研究；但是，除了机床的输入总功率P_in(t)可直接通过机床自身的参数仪表或者通过机床外接功率检测仪方便的测量得到，其余4个函数均无法直接测取；为此，本发明方法通过基本数据建立相应的数学模型来在线检测获得主轴电机损耗功率P_le(t)、主轴电机输出功率P_eo(t)、机械传动系统损耗功率P_lm(t)和切削功率P_c(t)。

11.P_eo(t)和P_le(t)的数学模型：

P_eo(t)和P_le(t)可分别由式(1)和式(2)所示的数学模型计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{eo}}\left(t\right)=\frac{-P_r+\sqrt{P_r^2+4b(P_{\mathrm{in}}\left(t\right)-P_0)}}{2b}{P}_r\\ b=P_r(1/{\mathrm{\η}}_r-1)-P_0\end{array}\right.---\left(1\right);$

P_le(t)＝P_in(t)-P_eo(t)                (2)；

式(1)中，P_r为主轴电机额定功率，η_r为主轴电机额定效率，P₀为主轴电机空载功率。

12.P_c(t)和P_lm(t)的数学模型：

由图2所示的机床主传动系统能量流，可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{in}}\left(t\right)=P_{\mathrm{le}}\left(t\right)+P_{\mathrm{eo}}\left(t\right)\\ P_{\mathrm{in}}\left(t\right)=P_{\mathrm{le}}\left(t\right)+P_{\mathrm{lm}}\left(t\right)+P_c\left(t\right)\end{array}\right.---\left(3\right);$

当P_c(t)＝0，即机床处于空载状态(非切削状态)时，P_in(t)＝P_le(t)+P_lm(t)＝P_u；当P_c(t)≠0，即机床处于切削状态时，有：

P_in(t)＝P_le(t)+P_lm(t)+P_c(t)＝P_u+[P_le(t)+P_lm(t)-P_u]+P_c(t)。

上述公式中，P_u是机床在主轴处于某加工转速下的空载功率；[P_le(t)+P_lm(t)-P_u]是P_c(t)带来的附加损耗功率，称之为机床主传动系统附加损耗功率，用P_a(t)表示，于是有

P_in(t)＝P_u+P_a(t)+P_c(t)                        (4)；

显然P_a(t)是P_c(t)的函数，即P_a(t)＝f(P_c(t))。用二次函数来近似P_a(t)，有

$P_a\left(t\right)\≈{\mathrm{\α}}_1{P}_c\left(t\right)+{\mathrm{\α}}_2{P}_c^2\left(t\right)---\left(5\right);$

式(5)中α₁和α₂为机床在主轴处于某加工转速下的附加载荷损耗系数。将式(5)带入式(4)，得到：

${\mathrm{\α}}_2{P}_c^2\left(t\right)+(1+{\mathrm{\α}}_1)P_c\left(t\right)+(P_u-P_{\mathrm{in}}\left(t\right))=0---\left(6\right);$

解上式得到 $P_c\left(t\right)=\frac{-(1+{\mathrm{\α}}_1)+\sqrt{{(1+{\mathrm{\α}}_1)}^2-4{\mathrm{\α}}_2(P_u-P_{\mathrm{in}}\left(t\right))}}{2{\mathrm{\α}}_2}---\left(7\right);$

由此，在解出P_in(t)、P_le(t)、P_c(t)的情况下，根据公式P_in(t)＝P_le(t)+P_lm(t)+P_c(t)即可得到P_lm(t)。

2.基础数据获取方法：

在对每一台机床主传动系统能耗信息进行在线检测的流程开始之前，必须首先进行一些基础数据的准备工作。这些基础数据包括两类。第一类数据为主轴电机相关基础数据，包括主轴电机额定功率P_r、主轴电机额定效率η_r、及主轴电机空载功率P₀；第二类数据为与机床转速相对应的能耗系数，即机床在主轴处于加工转速下的空载功率P_u和附加载荷损耗系数α₁、α₂。从理论上讲，每台机床的基础数据都是不同的，但同一型号的机床(其主轴电机的型号和规格、机械传动系统的结构完全相同)其基础数据可近似认为一致。

对第一类基础数据，可直接通过机床电机铭牌查得或向主轴电机生产厂家索取，可建立如表1所示的机床主轴电机基础数据表来记录这些信息。

表1

电机型号	电机额定功率	电机额定效率	电机空载功率
				T	Pr	ηr	P0

对第二类基础数据，可通过空载实验和切削实验测得。很多机床其主轴的加工转速可能不止一级，可能设置有很多级加工转速；假设机床主轴的加工转速有m级，可以先建立如表2所示的机床在m级主轴加工转速下能耗关联基础数据表，用以记录机床在主轴处于各级加工转速下的第二类基础数据。

表2

表2中，P_uj表示机床在主轴处于第j级加工转速n_j下的空载功率，α_1j、α_2j表示机床在主轴处于第j级加工转速n_j下的附加载荷损耗系数。

其中，机床在主轴处于任一加工转速下的空载功率可通过空载试验获取，该空载试验方法为：在机床没有切削对象的前提下启动机床至主轴达到加工转速，测量机床的输入功率，其输入功率的稳定值即作为机床在主轴处于此加工转速下的空载功率P_u。如果想提高测量精确度，可以多次测量，取测量平均值。

机床在主轴处于任一加工转速下的附加载荷损耗系数可通过切削实验来获取，该切削实验的过程为：

①在机床的切削刀具上安装力传感器或扭矩传感器，用于检测切削刀具的切削力或切削扭矩；

②启动机床至主轴达到加工转速，待其平稳运行后，按设置的切削加工工艺参数进行切削加工，读取切削加工时机床主传动系统输入总功率P_in以及相应的切削力F_z或扭矩M_z，并根据公式P_c＝F_z×v或P_c＝M_z×2πn获得此时的切削功率P_c；其中v表示切削加工的切削线速度，n表示加工转速；

③设置不同的切削加工工艺参数，按步骤②所述方法执行2次切削加工，得到2次切削加工的输入总功率P_in1、P_in2以及2次切削加工的切削功率P_c1、P_c2；

④将上述2次切削加工的输入总功率P_in1、P_in2及切削功率P_c1、P_c2的值代入方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_2{P}_{c1}^2+(1+{\mathrm{\α}}_1)P_{c1}+(P_u-P_{\mathrm{in}1})=0\\ {\mathrm{\α}}_2{P}_{c2}^2+(1+{\mathrm{\α}}_1)P_{c2}+(P_u-P_{\mathrm{in}2})=0\end{array}\right.;$

从而求解出机床在主轴处于该加工转速下的附加载荷损耗系数α₁、α₂；P_u表示机床在主轴处于该加工转速下的空载功率。

如果为了减小人为及随机因素带来的实验误差，上述的切削实验中可进行2次以上的切削加工，即设置不同的切削加工工艺参数按步骤②所述方法执行S次切削加工，得到S次切削加工的输入总功率P_in1，P_in2，...，P_inS以及S次切削加工的切削功率P_c1，P_c2，...，P_cS；S≥2；然后，将上述S次切削加工的输入总功率P_in1，P_in2，...，P_inS以及S次切削加工的切削功率P_c1，P_c2，...，P_cS的值代入方程：

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_2& (1+{\mathrm{\α}}_1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{P}_{c1}^2& P_{c2}^2& ...& P_{\mathrm{cS}}^2\\ P_{c1}& P_{c2}& ...& P_{\mathrm{cS}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}(P_{\mathrm{in}1}-P_u)& (P_{\mathrm{in}2}-P_u)& ...& (P_{\mathrm{inS}}-P_u)\end{array}\right];$

以求解出机床在主轴处于该加工转速下的附加载荷损耗系数α₁、α₂。

需要说明的是，在切削实验中，需要设置的切削加工工艺参数是指除主轴电机加工转速以外与切削加工相关的工艺参数，如进给速度参数、吃刀深度参数等等，对于不同类型的机床而言，其与切削加工相关的工艺参数种类可能有所不同；但不同类型的机床都可以通过该切削实验方法得到其主轴处于加工转速下的附加载荷损耗系数α₁、α₂。

对于同一型号的机床，其在不同加工转速下的基础数据可以事先全部获取得到，基础数据一经获取则可以延续使用，不必在每次进行在线检测工作之前重复进行基础数据的获取操作，是一劳永逸的。

3.加工过程中能耗信息的在线检测步骤：

机床主传动系统实际加工过程中能耗信息的在线检测，共分为六个步骤，其流程图如图3所示：

1)获取检测机床主传动系统加工过程中能耗信息所需要的基础数据，所述基础数据包括机床在主轴处于加工转速下的空载功率P_u和附加载荷损耗系数α₁、α₂，主轴电机额定功率P_r，主轴电机额定效率η_r，及主轴电机空载功率P₀；基础数据的获取方法如前文所述；

2)测量机床在加工过程中实时的输入总功率P_in(t)；

3)将P_in(t)、P_r、η_r、P₀代入公式：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{eo}}\left(t\right)=\frac{-P_r+\sqrt{P_r^2+4b(P_{\mathrm{in}}\left(t\right)-P_0)}}{2b}{P}_r\\ b=P_r(1/{\mathrm{\η}}_r-1)-P_0\end{array}\right.;$

从而计算得到机床主轴电机输出功率P_eo(t)；

4)由公式P_in(t)＝P_le(t)+P_eo(t)计算得到主轴电机损耗功率P_le(t)；

5)将P_in(t)及机床在主轴处于当前加工转速下的P_u、α₁和α₂值代入公式：

$P_c\left(t\right)=\frac{-(1+{\mathrm{\α}}_1)+\sqrt{{(1+{\mathrm{\α}}_1)}^2-4{\mathrm{\α}}_2(P_u-P_{\mathrm{in}}\left(t\right))}}{2{\mathrm{\α}}_2};$

从而计算得到机床的切削功率P_c(t)；

6)由公式P_in(t)＝P_le(t)+P_lm(t)+P_c(t)计算得到机械传动系统损耗功率P_lm(t)。

通过上述步骤，即在线检测得到机床主传动系统加工过程中的主轴电机损耗功率P_le(t)、主轴电机输出功率P_eo(t)、机械传动系统损耗功率P_lm(t)、切削功率P_c(t)这四项不能直接测取的能耗信息。

实施例：

在一台型号为C620-1的普通车床上，采用本发明方法在线检测其主传动系统加工过程中的能耗信息，其过程如下：

A.获取C620-1型车床的基础数据：

首先进行空载实验和切削实验，获取检测C620-1型车床主传动系统加工过程中能耗信息所需要的基础数据；实验过程中，使用功率传感器EDA9033A测量C620-1型车床的输入总功率，使用扭矩传感器TQ201测取C620-1型车床主传动系统加工过程中的切削扭矩和转速。

该机床共15级主轴加工转速，该15级主轴加工转速的值分别为46、76、96、150、185、230、305、370、380、460、480、600、610、765、1200转/分钟。在主轴处于每级加工转速下分别对C620-1型车床进行空载实验和切削实验，实验数据如表3所示。

表3

表3中，n为车床主轴的加工转速(单位：转/分)，f为进给速度(单位：毫米/转)，a_p为吃刀深度(单位：毫米)，M_z为扭矩(单位：牛米)，n_实为实测的车床主轴加工转速(单位：转/分)，P_c为由扭矩和实测的主轴加工转速求得的切削功率(单位：瓦)，P_in为输入功率(单位：瓦)，P_u为空载功率(单位：瓦)。

按前述方法用P_c、P_in、P_u三组数据进行矩阵计算得到C620-1型车床在主轴处于不同加工转速下的附加载荷损耗系数α₁和α₂，从而得到如表4所示的C620-1型车床基础数据表：

表4

B.检测误差对比试验：

获得C620-1型车床基础数据后，采用本发明方法对C620-1型车床主传动系统加工过程中的能耗信息进行在线检测，检测其在主轴处于前述15级加工转速时的能耗信息，获得C620-1型车床在主轴处于各级加工转速下的切削功率，记为P_cc；同时，由扭矩M_z和实际转速n_实求取实测切削功率，记为P_cm；最后，通过误差公式

计算本发明方法测得的切削功率P_cc与实际切削功率P_cm之间的检测误差。按此方法进行两组检测误差对比实验，得到如表5所示的检测误差对比试验表。

表5

通过上述对比实验发现，由本发明机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法得到的切削功率精度较高，与由扭矩传感器测量得到的实际切削功率误差基本在7％以下，而且这种误差基本是随机误差，误差值在工程应用范围之内，具有很好的指导、参考价值。本发明方法可直接应用于机床能量效率获取、机械加工过程的能效评估、能耗监控、能量管理、节能技术研究中，具有较广阔的应用前景。

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。

Claims (3)

1.一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取检测机床主传动系统加工过程中能耗信息所需要的基础数据，所述基础数据包括机床在主轴处于加工转速下的空载功率P_u和附加载荷损耗系数α₁、α₂，主轴电机额定功率P_r，主轴电机额定效率η_r，及主轴电机空载功率P₀；

2)测量机床在加工过程中实时的输入总功率P_in(t)；

3)将P_in(t)、P_r、η_r、P₀代入公式：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{eo}}\left(t\right)=\frac{-P_r+\sqrt{P_r^2+4b(P_{\mathrm{in}}\left(t\right)-P_0)}}{2b}{P}_r\\ b=P_r(1/{\mathrm{\η}}_r-1)-P_0\end{array}\right.;$

从而计算得到机床主轴电机输出功率P_eo(t)；

4)由公式P_in(t)＝P_le(t)+P_eo(t)计算得到主轴电机损耗功率P_le(t)；

5)将P_in(t)及机床在主轴处于当前加工转速下的P_u、α₁和α₂值代入公式：

$P_c\left(t\right)=\frac{-(1+{\mathrm{\α}}_1)+\sqrt{{(1+{\mathrm{\α}}_1)}^2-4{\mathrm{\α}}_2(P_u-P_{\mathrm{in}}\left(t\right))}}{2{\mathrm{\α}}_2};$

从而计算得到机床的切削功率P_c(t)；

6)由公式P_in(t)＝P_le(t)+P_lm(t)+P_c(t)计算得到机械传动系统损耗功率P_lm(t)。

2.根据权利要求1所述的机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，其特征在于，机床在主轴处于加工转速下的空载功率P_u的获取方法为：在机床没有切削对象的前提下启动机床至主轴达到加工转速，测量机床的输入功率，其输入功率的稳定值即作为机床在主轴处于此加工转速下的空载功率P_u。

3.根据权利要求1所述的机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，其特征在于，机床在主轴处于加工转速下的附加载荷损耗系数α₁、α₂通过切削实验获取；所述切削实验的操作过程如下：

①在机床的切削刀具上安装力传感器或扭矩传感器，用于检测切削刀具的切削力或切削扭矩；

②启动机床至主轴达到加工转速，待其平稳运行后，按设置的切削加工工艺参数进行切削加工，读取切削加工时机床主传动系统输入总功率P_in以及相应的切削力F_z或扭矩M_z，并根据公式P_c＝F_z×v或P_c＝M_z×2πn获得此时的切削功率P_c；其中v表示切削加工的切削线速度，n表示加工转速；

③设置不同的切削加工工艺参数，按步骤②所述方法执行S次切削加工，得到S次切削加工的输入总功率P_in1，P_in2，...，P_inS以及S次切削加工的切削功率P_c1，P_c2，...，P_cS；S≥2；

④将上述S次切削加工的输入总功率P_in1，P_in2，...，P_inS以及S次切削加工的切削功率P_c1，P_c2，...，P_cS的值代入方程：

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_2& (1+{\mathrm{\α}}_1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{P}_{c1}^2& P_{c2}^2& ...& P_{\mathrm{cS}}^2\\ P_{c1}& P_{c2}& ...& P_{\mathrm{cS}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}(P_{\mathrm{in}1}-P_u)& (P_{\mathrm{in}2}-P_u)& ...& (P_{\mathrm{inS}}-P_u)\end{array}\right];$

从而求解出机床在主轴处于该加工转速下的附加载荷损耗系数α₁、α₂；P_u表示机床在主轴处于该加工转速下的空载功率。

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