CN103235554B - 一种基于nc代码的数控车床加工工件能耗获取方法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法，该方法首先对数控车床加工工件的NC代码进行解析，包括了NC代码读取模块和NC代码分析模块；然后结合数控车床各耗能部件的能耗特征，分别建立各耗能部件的能耗模型，并通过实验获取各耗能部件的基础功率数据；最后将上述NC代码解析获取的各耗能部件的运行状态参数以及各耗能部件基础功率数据信息输入到数控车床的各耗能部件的能耗模型中，就可以获得数控车床各耗能部件的能耗以及加工工件能耗。该方法可以应用于数控车床加工工件能耗评估与预测，机械加工能耗定额制定，可以为机械车间节能优化提供决策依据。

Description

一种基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，是一种机械加工工件能耗获取方法，尤其涉及一种基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法。

背景技术

机械加工是一种最为广泛和基本的产品或零部件的制造过程，是以机床为主体，通过消耗能量完成对工件的加工。机械加工过程量大面广，因而能耗总量巨大。随着全球碳排放法律法规的制定以及我国节能减排工作的推进，实施节能优化已成为当前机械制造业发展的必然趋势。机械加工能耗的评估和预测是其实施节能优化的首要步骤之一，近年来成为国内外广泛关注的问题。

美国国家能源部专门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，但评估主要是通过调查问卷的方式进行，能耗数据只包括了电机数量、额定功率以及运行时间。但通常情况下，机床加工工件的过程并未运行在额定功率下，因而该评估只能获取粗略的能耗数据，难以准确反映加工工件的能耗。

加工工件的能耗通常是由机床的多个耗能部件共同产生，并随加工过程动态变化，因而能耗过程也十分复杂。CN102179727A公开《机床主传动系统加工过程能耗信息的在线监测方法》，其公开的方案是在机床加工过程中测取生产现场机床输入总功率，就可以获取主轴电机损耗功率、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的实时能耗信息。CN102744649A公开的《一种数控机床非切削主传动能耗获取方法》，其公开方案是通过实验获取主传动系统变频器和主轴电机空载功率、主轴空转摩擦转矩、主传动系统转动惯量、主轴角加速度等模型中的系数值，就可以求出主轴空载和主轴加速的功率和能耗值；但上述发明主要针对的是机床主传动系统的能量消耗，所获取的能耗只是加工工件能耗的一部分。CN102621932A公开《一种数控机床服役过程的能量消耗预测方法》的发明专利，其公开的方案是根据加工工艺卡片信息，将数控机床服役过程划分为启动、空载和加工三类子过程，对机床能耗进行预测，该方法只适用于有详细工艺卡片信息的情况下，且子过程的划分需要依赖人工进行。

现有技术中，相当一部分的数控加工车间，工艺人员往往是在工件CAD模型的基础上，通过CAM软件直接编制工件的加工工艺，输出的NC代码（数字信息控制机械控制器能识别的代码）程序替代详细的工艺卡片信息，这一过程通常是借助计算机自动完成，目前还缺乏针对这一过程中数控车床加工工件的能耗获取方法。

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基于NC代码的数控车床加工工件能耗评估方法，通过该方法获取比较准确的数控车床加工工件能耗。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术手段：

一种基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法，其特征在于，首先，对数控车床加工工件的NC代码进行解析，包括NC代码读取模块和NC代码分析模块；然后，结合数控车床各耗能部件的能耗特征，分别建立各耗能部件的能耗模型，并通过实验获取各耗能部件的基础功率数据；最后，将上述NC代码解析获取的各耗能部件的运行状态参数以及各耗能部件基础功率数据信息输入到数控车床的各耗能部件的能耗模型中，即可获得数控车床各耗能部件的能耗以及加工工件能耗；具体步骤包括：

1）数控车床加工工件NC代码的解析：数控车床加工工件NC代码的解析过程包括NC代码读取模块和NC代码分析模块，通过解析获得该NC代码对应数控车床机床各耗能部件的运行状态参数；

2）数控车床各耗能部件能耗模型的建立及基础功率数据获取：将数控车床的主要耗能部件分解为主轴电机、进给电机、冷却系统电机以及由风扇和伺服系统等组成的维持基本运行状态的基础性耗能部件；基于上述分解的数控车床的各耗能部件特征，建立相应的能耗模型；并采用实验获取各耗能部件的基础功率数据；

3）数控车床加工工件能耗的获取：将上述由数控车床加工工件的NC代码解析获取的各耗能部件的运行状态参数，输入数控车床各耗能部件的能耗模型中，可以获得数控车床各耗能部件的能耗，再通过求和获取数控车床加工工件能耗。

进一步的特征在于，上述步骤1）中NC代码读取模块用于数控车床加工工件的NC代码的信息读取。首先将数控车床加工工件的NC代码文件按行读入计算机，并以一维字符串数组的形式存到计算机存储空间中；再按顺序读取一维字符串数组，以“空格符”为分割符将获得的各行NC代码划分成多个代码块，如G代码块、M代码块、S代码块、F代码块、X代码块和Z代码块，并以二维数组的形式存储到计算机。

进一步的特征在于，上述步骤1）中NC代码分析模块用于分析数控车床加工工件NC代码对应的数控车床各耗能部件的运行状态参数，主要包括了三个步骤，首先按顺序读取NC代码读取模块获得的二维数组，在数控车床加工工件NC代码与数控车床耗能部件的关系数据库里查找各行分割后的代码块即G代码块、M代码块、S代码块、F代码块、X代码块和Z代码块，获得每个代码块对应的数控车床耗能部件的运行状态；然后基于各行NC代码的G、X、Z、F代码块信息，根据G代码提取不同的计算规则如直线插补计算规则、圆弧插补计算规则以及特殊循环计算规则，计算每行NC代码的加工时间。

进一步的特征在于，上述步骤2）中，建立的数控机床各部件能耗模型为：

主轴电机能耗模型：

进给电机能耗模型：

冷却系统电机能耗模型：E_冷却=p_冷却·(t_冷开-t_冷关)；

基础性耗能部件能耗模型：E_固定=(p_伺服+p_风扇)·(t_结束-t_开始)。

进一步的特征在于，上述步骤2）中基础功率数据主要包括主轴电机空载功率p_m、进给电机功率p_i、冷却系统电机功率p_冷却，风扇电机功率p_风扇，伺服系统功率p_伺服；通过实验获取上述基础功率数据操作步骤如下：

①对冷却系统电机功率p_冷却、风扇电机功率p_风扇、伺服系统功率p_伺服等恒定功率，分别在电机输入端安装功率传感器，启动相应的耗能部件到稳定运行状态后，记录相应的功率值；

○2主轴电机空载功率p_m和进给电机的功率p_X轴和p_Z轴取决于主轴转速和进给速度；对主轴电机空载功率数据，首先根据转速范围设定一系列转速，采集设定转速的空载功率数据，形成转速-功率数据表；对进给电机的功率p_i数据的采集过程类似。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明只需要根据数控车床加工工件的NC代码，就可以对数控车床加工工件所需要的能量消耗进行评估，该过程不需要专业评估人员，普通工艺人员即可完成，因此可直接应用于数控车床工件能耗定额以及加工工艺的节能优化中。

2、本发明提出的方法很容易用计算机程序实现，通过与CAM等计算机辅助制造软件集成，可在生成NC代码后自动完成加工工件的能耗评估，简化了能耗评估过程。

3、获取数控车床加工工件能耗所需要的基础功率数据不需要附加额外的试验工件和工装，只是在机床空运行的状态下通过一次试验即可完成，操作简单，成本低，提高了本发明的可操作性。

4、本发明方法还可以提供分解到数控车床各耗能部件的工件加工能耗数据，这些详细能耗数据的统计信息可为机床结构的节能优化设计提供支持。

附件说明

图1是本发明的流程框图；

图2是数控车床耗能部件组成示意图；

图3是主轴的能量流示意图；

图4是实施例—试验工件的剖视图；

图5是图4试验工件的左视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明公开了一种基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法，首先，对数控车床加工工件的NC代码进行解析，包括了NC代码读取模块和NC代码分析模块；然后，结合数控车床的各耗能部件的能耗特征，分别建立各耗能部件的能耗模型，并通过实验获取各耗能部件的基础功率数据；最后，将上述由加工工件的NC代码解析获取的运行状态参数以及各耗能部件基础功率数据信息输入到数控车床的各耗能部件的能耗模型中，就可以获得数控车床各耗能部件的能耗以及加工工件能耗。

1、数控车床加工工件NC代码的解析：

数控车床的主要耗能部件分解为主轴电机、进给电机、冷却系统电机以及由风扇和伺服系统等组成的维持基本运行状态的基础性耗能部件，如图2所示。

数控车床加工工件NC代码是由一些控制数控车床运行的数控信息代码组成，主要包括了G代码、M代码、S代码、F代码、X代码和Z代码。数控加工工件NC代码与数控机床耗能部件运行状态的关联性如表11所示。

表11数控加工工件NC代码与数控机床耗能部件运行状态的关联性：

对数控车床加工工件NC代码的解析主要包括了NC代码读取模块和NC代码分析模块。

1.1NC代码读取模块：

NC代码读取模块用于将数控车床加工工件的NC代码的文件读入到计算机，并对各行代码进行分割获得各行的代码块，即各行NC代码的G代码、M代码、S代码、F代码、X代码和Z代码块。具体的步骤如下：

1）将数控车床加工工件的NC代码文件按行读入计算机，并以一维字符串数组的形式存到计算机存储空间中。

2）按顺序读取一维字符串数组，以“空格符”为分割符将获得的各行NC代码划分成多个代码块，如G代码块、M代码块、S代码块、F代码块、X代码块和Z代码块，并以二维数组的形式存储到计算机。

1.2NC代码分析模块：

NC代码分析模块用于分析数控车床加工工件NC代码对应的数控车床各耗能部件的运行状态参数。具体的步骤如下：

1）按顺序读取NC代码读取模块获得的二维数组，在数控车床加工工件NC代码与数控车床耗能部件的关系数据库里查找各行分割后的代码块即G代码块、M代码块、S代码块、F代码块、X代码块和Z代码块，获得每个代码块对应的数控车床耗能部件的运行状态，提取的过程如下：

①M代码块中的M03，M04可以提取主轴的开启状态，M05，M30可以提取主轴停止状态，M07，M08可以提取冷却泵开启状态，M09，M30可以提取冷却泵停止状态；

②G、X、Z代码块可以提取X、Z轴进给电机的运行状态和X、Z轴坐标变化情况；

③S代码块可以提取数控车床主轴电机的转速信息；

④F代码块可以提取数控车床进给电机的转速信息；

⑤一旦数控车床开机，基础能耗部件就开始运行；

将提取的结果以二维数组的形式存储到计算机。

2）基于步骤1）获取的二维数组中各行NC代码的G、X、Z、F代码块信息，根据G代码提取不同的计算规则如直线插补计算规则、圆弧插补计算规则以及特殊循环计算规则，计算每行NC代码的加工时间。

2、数控车床各耗能部件的能耗模型：

数控车床加工工件能耗是由数控车床各耗能部件在工件加工过程中消耗的能量组成，包括了主轴电机、进给轴电机和冷却系统电机等的能耗以及基础性能耗。因此，数控加工工件能耗可以表达成：

E_总=E_主轴+E_进给+E_冷却+E_固定（1）

其中E_总表示数控车床加工工件的总能耗，E_主轴、E_进给、E_冷却、E_固定分别表示主轴电机、进给电机和冷却系统电机等耗能部件的能耗和基础性能耗。

2.1主轴电机能耗模型：

主轴电机能耗主要与工件材料去除过程相关。参见图3所示，主轴电机到刀具/工件的能量流可得主轴电机的能耗E_主轴并进一步划分为维持主轴运行状态的主轴传动系统消耗的能量E_m和用于去除材料的能耗E_切削。因此，主轴电机能耗E_主轴可以表示成式（2）。

其中p_m表示维持主轴运行状态的主轴传动系统消耗的功率，p_c表示切削功率，t_ms和t_me分别表示主轴运行的开始和停止时间，t_cs和t_ce分别表示切削的开始和结束时间。

2.1.1E_m：

E_m表示为主轴电机在E_切削等于0的时候的输入能量。E_m可以简化为主轴电机空载能耗，因此，p_m可以表示为主轴电机空载功率。在给定机床的主轴转速n_s下，主轴电机的空载功率p_m是一个常数。因此，p_m可以表示成主轴转速n_s函数，如式（3）所示

p_m=f(n_s)（3）

2.1.2E_c：

切削能耗E_c可以表达成式（2），其中切削功率p_c和切削时间参数需要获取。切削时间可以通过NC文件中获取的刀具路线和进给速度v_c来计算。切削功率p_c可以表示为式（4）

p_c=F_c·v_c(4)

其中F_c表示切削力。

F_c理论上可以表达为相关切削参数的函数，如标准切削实验，数控车床的F_c可以表达成式（5），

$F_c={C_F}_c{a}_{\mathrm{sp}}^{1.0}{f}^{0.75}{v}_c^{-0.15}{K_F}_c---\left(5\right)$

其中a_sp、f、v_c分别为背吃刀量、进给速度、切削速度，和为修正系数。

2.2进给电机能耗模型：

进给电机消耗的能量用于工作台和切削刀具在给定的进给速度下的进给。数控车床的进给电机包括了X轴进给电机和Z轴进给电机。进给电机能耗可以表达成式（6）

其中p_X轴、t_X开始、t_X结束分别表示X轴进给电机的功率、开始运行时间和停止时间，p_Z轴、t_Z开始、t_Z结束分别表示Z轴进给电机的功率、开始运行时间和停止时间。

2.3冷却系统电机的能耗模型

冷却泵电机的能耗可以通过式（7）计算

E_冷却=p_冷却·（t_冷开-t_冷关)（7）

其中p_冷却表示冷却泵电机的功率，t_冷开表示冷却电机开启时间，t_冷关表示冷却电机关闭时间。对于某台具体的机床，其冷却系统电机的功率是个固定值；(t_冷开-t_冷关)表示冷却泵电机的运行时间，可以通过NC代码中的M代码控制。

2.4基础能耗模型：

由风扇和伺服系统等组成的维持基本运行状态的基础性耗能部件消耗的能耗构成了数控机床的基础能耗，可以表达如下：

E_固定=(p_伺服+p_风扇)·(t_结束-t_开始)（8）

其中p_伺服和p_风扇表示伺服系统和风扇电机的功率，t_开始表示整个NC代码开始运行的时间，t_结束表示整个NC代码运行结束的时间。(t_结束-t_开始)表示整个NC代码机床的运行时间。

3、基础功率数据的获取方法：

在对数控车床加工工件NC代码进行能耗获取之前，必须首先进行一些基础功率数据的准备工作。这些基础功率数据包括主轴电机空载功率p_m、进给电机的功率p_进给、冷却系统电机功率p_冷却，风扇电机功率p_风扇，伺服系统功率p_伺服。

对冷却系统电机功率p_冷却、风扇电机功率p_风扇和伺服系统功率p_伺服等恒定功率，分别在电机输入端安装功率传感器，启动相应的耗能部件到稳定运行状态后，记录相应的功率值，如表1所示。

表1

固定功率	冷却泵电机功率
		p风扇+p伺服	p冷却

主轴电机空载功率p_m和进给电机的空载功率p_f取决于主轴转速和进给速度；对主轴电机空载功率数据，首先根据转速范围设定一系列转速，采集设定转速的空载功率数据，形成转速-功率数据表；对进给电机的功率p_f数据的采集过程类似。如表2所示。

表2数据记录：

主轴转速	主轴空载功率	进给速度	进给电机功率
				n1	pm1	vf1	pf1
n2	pm2	vf2	pf2
				…	…	…	…
nj	pmj	vfj	pfj
				…	…	…	…
nq	pmp	vfp	pfq

表2中，P_mj表示机床在主轴处于第j级加工转速S_j下的空载功率，p_fj表示机床在进给周轴处于第j级进给速度v_fj下的功率。

实施例：

在一台由重庆第二机床厂制造的型号为C2-6136HK的数控车床上，采用本发明方法获取在该数控车床上加工工件能耗。

数控加工实验采用的零件为差动壳体，其CAD模型如图4和图5所示。根据工件CAD模型，通过CAM软件直接编制工件的加工工艺，然后输出的NC代码如表3所示。

表3差动壳体NC代码：

通过NC代码的读取模块，可以获得各行代码的代码块数组，如表4所示。

表4各行代码的代码块数组：

数组	数组组成
		a[0][]	M03,S200
a[1][]	G00,X215.0,Z128.0
		a[2][]	G01,X110.0,F80
a[3][]	G00,X110.0,Z133.0
		a[4][]	G71,U1.0,R1.0
a[5][]	G71,P70,Q120,U0.5,W0.2,F80
		a[6][]	G01,X180.0,F20
a[7][]	Z128.0
		a[8][]	X178.0,Z127.0
a[9][]	Z26.0
		a[10][]	X176.0,Z25.0

a[11][]	X115.0
		a[12][]	G00,X110.0,Z200.0
a[13][]	M05
		a[14][]	M30

通过NC代码分析模块分析获得的各行NC代码的代码块数组，其分析的结果如表5所示：

表5基于NC代码的能耗评估的详细信息：

基于获取的基础功率数据和NC代码提取的各耗能部件运行状态参数如主轴转速和进给轴转速，可以获取各耗能部件的功率参数如表6所示。

表6各耗能部件的功率参数：

将由数控车床加工该工件的NC代码解析获取的C2-6136HK数控车床的各耗能部件的运行状态参数以及功率数据输入到数控车床耗能部件的能耗模型中，通过公式（1）到公式（8），就可以获得该工件在C2-6136HK数控车床上加工能耗和各耗能部件的能耗，如表7所示。最后获得C2-6136HK数控车床上加工该差动壳体的能耗为E_总=1.546kW·h

表7加工试验工件过程中数控车床各耗能部件的能耗：

本加工过程，通过功率测量设备，可以测得本实验零件在C2-6136HK数控车床上加工的实际总能耗为E_实测=1.666kW·h，则采用该专利提出的方法获得的能耗的误差为

通过上述数控车床加工工件能耗获取方法以及误差分析可以看出，由本发明方法获取的数控车床加工工件的能耗的精度较高，与用功率测量仪器测得的该工件在C2-6136HK上加工的能耗的误差基本保持在10%以内，误差值在应用范围之内。因此，在实际工作中有着很好的参考价值。本发明方法可以应用于数控加工工件能耗评估与预测，机械加工能耗定额制定，为机械车间节能优化提供决策依据。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管申请人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，那些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，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法，其特征在于，首先，对数控车床加工工件的NC代码进行解析，包括NC代码读取模块和NC代码分析模块；然后，结合数控车床各耗能部件的能耗特征，分别建立各耗能部件的能耗模型，并通过实验获取各耗能部件的基础功率数据；最后，将上述NC代码解析获取的各耗能部件的运行状态参数以及各耗能部件基础功率数据信息输入到数控车床的各耗能部件的能耗模型中，即可获得数控车床各耗能部件的能耗以及加工工件能耗；具体步骤包括：

1)数控车床加工工件NC代码的解析：数控车床加工工件NC代码的解析过程包括了NC代码读取模块和NC代码分析模块，通过解析获得该NC代码对应数控车床机床各耗能部件的运行状态参数；

2)数控车床各耗能部件能耗模型的建立及基础功率数据获取：将数控车床的主要耗能部件分解为主轴电机、进给电机、冷却系统电机以及由风扇和伺服系统组成的维持基本运行状态的基础性耗能部件；基于上述分解的数控车床的各耗能部件特征，建立相应的能耗模型；并通过实验获取各耗能部件的基础功率数据；

3)数控车床加工工件能耗的获取：将上述由数控车床加工工件的NC代码解析获取的各耗能部件的运行状态参数，输入数控车床各耗能部件的能耗模型中，获得数控车床各耗能部件的能耗，再通过求和获取数控车床加工工件能耗；

所述步骤1)中NC代码读取模块用于数控车床加工工件的NC代码的信息读取；首先，将数控车床加工工件的NC代码文件按行读入计算机，并以一维字符串数组的形式存到计算机存储空间中；再按顺序读取一维字符串数组，以“空格符”为分割符将获得的各行NC代码划分成多个代码块，即G代码块、M代码块、S代码块、F代码块、X代码块和Z代码块，并以二维数组的形式存储到计算机；

所述步骤2)中，建立的数控车床各耗能部件能耗模型为：

主轴电机能耗模型：

其中，p_m表示维持主轴运行状态的主轴传动系统消耗的功率，p_c表示切削功率，t_ms和t_me分别表示主轴运行的开始和停止时间，t_cs和t_ce分别表示切削的开始和结束时间；

进给电机能耗模型：

其中，p_X轴、t_X开始、t_X结束分别表示X轴进给电机的功率、开始运行时间和停止时间，p_Z轴、t_Z开始、t_Z结束分别表示Z轴进给电机的功率、开始运行时间和停止时间；

冷却系统电机能耗模型：E_冷却＝p_冷却·(t_冷开-t_冷关)；

其中，p_冷却表示冷却泵电机的功率，t_冷开表示冷却电机开启时间，t_冷关表示冷却电机关闭时间；(t_冷开-t_冷关)表示冷却泵电机的运行时间，通过NC代码中的M代码控制；

基础性耗能部件能耗模型：E_固定＝(p_伺服+p_风扇)·(t_结束-t_开始)；

其中，p_伺服和p_风扇表示伺服系统和风扇电机的功率，t_开始表示整个NC代码开始运行的时间，t_结束表示整个NC代码运行结束的时间；(t_结束-t_开始)表示整个NC代码机床的运行时间。

2.根据权利要求1所述的基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法，其特征在于，所述步骤1)中NC代码分析模块用于分析数控车床加工工件NC代码对应的数控车床各耗能部件的运行状态参数，主要包括三个步骤，首先按顺序读取NC代码读取模块获得的二维数组，在数控车床加工工件NC代码与数控车床耗能部件的关系数据库里查找各行分割后的代码块即G代码块、M代码块、S代码块、F代码块、X代码块和Z代码块，获得每个代码块对应的数控车床耗能部件的运行状态；然后基于各行NC代码的G、X、Z、F代码块信息，根据G代码提取不同的计算规则如直线插补计算规则、圆弧插补计算规则以及特殊循环计算规则，计算每行NC代码的加工时间。

3.根据权利要求1所述的基于NC代码的数控车床加工工件能耗获取方法，其特征在于，所述步骤2)中基础功率数据主要包括主轴电机空载功率p_m、进给电机功率p_i、冷却系统电机功率p_冷却，风扇电机功率p_风扇，伺服系统功率p_伺服；通过实验获取上述基础功率数据操作步骤如下：

①对冷却系统电机功率p_冷却、风扇电机功率p_风扇、伺服系统功率p_伺服恒定功率，分别在电机输入端安装功率传感器，启动相应的耗能部件到稳定运行状态后，记录相应的功率值；

②主轴电机空载功率p_m和进给电机的功率p_X轴和p_Z轴取决于主轴转速和进给速度；对主轴电机空载功率数据，首先根据转速范围设定一系列转速，采集设定转速的空载功率数据，形成转速-功率数据表；对进给电机的功率p_i数据的采集过程类似。