CN104608008B - 一种机床主动力系统载荷损耗系数的获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种根据机床主动力系统能量损耗数学模型而建立的载荷损耗系数获取方法。该方法首先分别建立变频器、主电机和机械传动系统的输入、输出功率模型,并由此导出了基于变频器的额定功率、额定功率损耗、散热器额定功率,主电机的额定功率、额定转速、额定转速下的空载功率、额定转速下的效率,以及机床机械传动系统中每种传动副的数量和载荷效率等基础参数的主动力系统载荷损耗系统计算模型。实际计算时只需将基础参数和功率测量仪测量的机床主动力系统空载功率输入到前面的计算模型中,便可得到机床主动力系统的载荷损耗系数。该系数可为机床能量消耗分析、效率评价和工件预测及优化提供重要的支持。

Description

一种机床主动力系统载荷损耗系数的获取方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机械制造技术领域,特别是涉及一种机床主动力系统载荷损耗系数的 获取方法。
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。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。目前,载荷损耗系数可为机床能量消耗分 析、能量效率评价和工件能量效率预测及优化提供重要的支持。
[0003] 胡韶华等在论文《Characteristics of Additional Load Losses of Spindle System of Machine Tools》中详细研究了机床主动力系统载荷能量损耗与切削功率、主轴 转速以及转矩之间的规律,为机床能效分析奠定了一定基础。但是,没有对载荷损耗系数的 获取方法作出说明。
[0004] 现有研究机床能效评估问题时,都是通过实验测量来获取机床主动力系统载荷损 耗系数的。如CN102179727A公开的《机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法》提出 了通过切削实验获取载荷损耗系数的方法。但是,这种方法需要在每台机床上做切肩实验, 实验过程非常繁琐。而且,切削仪器一般价格比较昂贵,保证高精度的测量过程也比较复 杂。另外,对于一些工作台无法安装切削仪器的机床而言就不可行。
发明内容
[0005] 针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的是提供一种根据机床主动力系统能 量损耗数学模型建立的载荷损耗系数获取方法,解决机床主动力系统载荷损耗系数获取困 难的问题。
[0006] 为实现以上发明目的,本发明采用的技术方案如下:
[0007] -种机床主动力系统载荷损耗系数的获取方法,其特征在于,包括如下步骤:
[0008] 1)获取机床主动力系统载荷能量损耗系数所需要的基础参数:包括变频器的额定 功率P 1N、额定功率损耗PveN、散热器额定功率Pr,主电机的额定功率PN、额定转速n N、额定转速 下的空载功率P〇(nN)、额定转速下的效率%,以及机床机械传动系统中每种传动副的数量N 和载荷效率q'k;
[0009] 其中,变频器的输入、输出功率模型是基于变频器的额定功率、额定功率损耗、散 热器额定功率等基础参数的功率模型,其表达式为JinUXl+bfKOPKlO+Pr
[0010] 其中bu=(PveN_Pr)/PiN,n<nN时,ώ彡m时,bf = l,m为主电机额定转速,η为 主电机转速,Pi (η)为变频器的输出功率;
Figure CN104608008BD00031
[0011] 2)输入基础参数:输入基础参数?1"^上,根据公式1311=(?^|)/?^计算变频 器能量损耗参数bu;输入基础参数PN、P〇(nN)、nN
Figure CN104608008BD00041
丨计算主电 机能量损耗参数bm;输入基础参数N、n ' k,
Figure CN104608008BD00042
计算机械传动系统能量损耗 参数am;输入基础参数m,
Figure CN104608008BD00043
计算转速参数bf的表达式;
[0012] 3)输入利用功率测量仪测量的机床主动力系统空载功率Pinu(n),计算机床机械传 动系统的空载功率损耗功率P 2u(n);
[0013] 其中,普通机床的机床机械传动系统的空载功率损耗功率P2u(n)的计算公式为:
Figure CN104608008BD00044
[0015]变频调速机床的机床机械传动系统的空载功率损耗功率P 2u(n)的计算公式为:
Figure CN104608008BD00045
[0017] 4)根据2)3)中的数据,自动计算机床主动力系统的载荷损耗系数a,b。
[0018] 进一步,当机床是普通机床时,载荷能量损耗系数a, b的计算公式为:
Figure CN104608008BD00046
[0020]进一步,当机床是变频调速机床时,载荷能量损耗系数a, b的计算公式为:
Figure CN104608008BD00047
[0022]进一步,当忽略变频调速机床的机械传动系统时,载荷能量损耗系数a,b的计算公 式为:
Figure CN104608008BD00048
[0024] 本发明通过理论分析,变频器的输入、输出功率模型是基于变频器的额定功率、额 定功率损耗、散热器额定功率等基础参数的功率模型,其表达式为:
[0025] Pin(n) = (l+bfbu)Pi(n)+Pr
Figure CN104608008BD00049
[0027]主电机的输入、输出功率模型是基于额定功率、额定转速下的空载功率、额定转速 下的效率等基础参数的功率模型,其表达式为:
Figure CN104608008BD000410
Figure CN104608008BD00051
[0030] 根据文献《机械加工系统能量特性及其应用》中基于机床机械传动系统中每种传 动副的数量和载荷效率等基础参数的机械传动系统的输入、输出功率模型,其表达式为:p 2
Figure CN104608008BD00052
[0031] 最终,得到机床主动力系统切削功率P。与输入功率P i n ( η )的函数关系为:
Figure CN104608008BD00053
。从而得到载荷损耗系数a,b的表达式。
[0032] 相比现有技术,本发明具有如下优点:
[0033] 1、本发明省去安装切削仪器,不需要测量机床的切削功率;只需安装功率测量仪, 测量机床主动力系统的空载功率。操作简便易实施。
[0034] 2、本发明需要的基础参数通过查看机床说明书、变频器和电机铭牌或向电机生产 厂家咨询获取。建立一系列机床主动力系统的空载功率数据库后,需要获取载荷系数时可 直接引用。该方法简单实用,可解决生产过程中因切削功率测量繁杂不准确而无法获得机 床整体能耗这一难题。
[0035] 3、通过本发明获取的切削功率与实际测量的切削功率相比,相对误差范围均在 6%内,因此在实际工作中具有较好的参考性。
[0036] 4、本发明获取机床主传动系统载荷损耗系数,对于研究机床整体能耗,机床能耗 定额定制和提高机床能量效率具有广阔的应用前景。
附图说明
[0037]图1为普通机床主动力系统简图。
[0038]图2为变频调速机床主动力系统简图。
具体实施方式
[0039]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。
[0040] 变频调速机床主动力系统由变频器、主电机和机械传动系统三部分组成,而普通 机床没有变频器环节。如图1和图2所示,Ριη为主动力系统的输入功率,Pi为输入主电机的总 功率,? 2为机械传动系统的输入功率,P。为加工系统的输入总功率。主轴传动系统将主电机 的能量传递给加工系统,促使执行元件(刀具或工件)运动。加工系统指由刀具、工件等组成 的系统,加工过程是指加工系统对工件进行加工的过程,这一过程会引起主传动系统的能 量损耗发生变化。
[0041] 本发明提出一种机床主传动系统载荷损耗系数的获取方法,包括如下步骤:
[0042] 1)通过查看机床说明书、变频器和电机铭牌或向电机生产厂家咨询,获取机床主 动力系统载荷能量损耗系数所需要的基础数据:包括变频器的额定功率P 1N、额定功率损耗 PveN、散热器额定功率Pr,主电机的额定功率Pn、额定转速nN、额定转速下的空载功率P〇(n N)、 额定转速下的效率nN,以及机床机械传动系统中每种传动副的数量N和载荷效率η ' k;
[0043] 2)输入基础参数:输入基础参数?1~、?^上,根据公式1311=仍^-? 1)/?1~计算变频 器能量损耗参数bu;输入基础参数PN、Po(nN)、nN,
Figure CN104608008BD00061
计算主电 机能量损耗参数bm;输入基础参数N、n'k,
Figure CN104608008BD00062
计算机械传动系统能量损耗 参数am;输入基础参数m,
Figure CN104608008BD00063
计算转速参数bf的表达式;
[0044] 3)输入利用功率测量仪测量的机床主动力系统空载功率,计算机床机械传动系统 的空载功率损耗功率P2u(η)。其中,普通机床的机床机械传动系统的空载功率损耗功率P2u (η)的计算公式为:
Figure CN104608008BD00064
[0046]变频调速机床的机床机械传动系统的空载功率损耗功率P2u(n)的计算公式为:
Figure CN104608008BD00065
[0048] 4)根据步骤2)和3)中的数据,计算获取机床主动力系统载荷能量损耗系数a,b。
[0049] 普通机床时,载荷能量损耗系数a,b的计算公式为:
Figure CN104608008BD00066
[0051 ]变频调速机床主动力系统载荷能量损耗系数a, b的计算公式为:
Figure CN104608008BD00067
[0053]由于有的变频调速机床机械传动结构非常简单,电机输出轴直接输出到加工系 统。当忽略变频调速机床的机械传动系统时,变频调速机床主动力系统载荷能量损耗系数 a,b的计算公式为:
Figure CN104608008BD00068
[0055]综上,本发明首先分别建立变频器、主电机和机械传动系统的输入、输出功率模 型,并由此导出了基于变频器的额定功率、额定功率损耗、散热器额定功率,主电机的额定 功率、额定转速、额定转速下的空载功率、额定转速下的效率,以及机床机械传动系统中每 种传动副的数量和载荷效率等基础参数的主动力系统载荷损耗系统计算模型。该方法实际 计算时省去安装的切削仪器,不需要测量机床的切削功率,只需测量机床主动力系统的空 载功率便可根据前面的计算模型得到机床主动力系统的载荷损耗系数。
[0056] 实施例:
[0057]在铣削加工中心PL700机床上,采用本发明方法获取在PL700的主动力系统载荷损 耗系数,其过程如下:
[0058] 1、获取基础数据。
[0059] 通过查看机床说明书、变频器和电机铭牌,以及向电机生产厂家咨询,获得铣削加 工中心PL700机床的基础数据如表1所示。
[0060] 表1铣削加工中心PL700机床基础数据
[0061]
Figure CN104608008BD00071
[0062] 2、输入基础数据,计算参数。
[0063] 表2铣削加工中心PL700机床参数
[0064]
Figure CN104608008BD00072
[0065] 3、误差实验。
[0066] 在铣削加工中心PL700机床上,用HI0KI-3390C功率仪测量了不同转速下主轴的空 载功率值。为了更加清楚地观察误差实验效果,采用控制变量的思想,分别做了机床在不同 主轴转速、不同切深以及不同进给量下的对比误差实验。实验参数如表3所示。
[0067] 表3铣削加工中心PL700机床实验参数
Figure CN104608008BD00081
[0070]通过对比误差实验,得到载荷损耗系数和相对误差表,如表4所示。 [0071 ]表4载荷损耗系数和相对误差:
Figure CN104608008BD00091
[0073] 通过误差实验,可以看出:本发明获取的切削功率与实际测量的切削功率相比,相 对误差范围均在±6%内,因此在实际工作中具有较好的参考性。
[0074] 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 (1)

1. 一种机床主动力系统载荷损耗系数的获取方法,其特征在于,包括如下步骤: 1) 获取机床主动力系统载荷能量损耗系数所需要的基础参数:包括变频器的额定功率 Pin、额定功率损耗PveN、散热器额定功率Pr,主电机的额定功率Pn、额定转速n N、额定转速下的 空载功率P〇 (nN)、额定转速下的效率qN,以及机床机械传动系统中每种传动副的数量N和载 荷效率n'k; 其中,变频器的输入、输出功率模型是基于变频器的额定功率、额定功率损耗、散热器 额定功率等基础参数的功率模型,其表达式为JUnXl+bfKOPKrO+Pr 其中bu= (PveN_Pr)/PiN,n<nN时:
Figure CN104608008BC00021
;.n彡m时,bf = 1 ;m为主电机额定转速,η为主电 机转速,Pi (η)为变频器的输出功率; 2) 输入基础参数:输入基础参数?^、?^^,根据公式1311=(?^-?:)/?1〃计算变频器能量 损耗参数bu;输入基础参数ΡΝ、Ρ〇(ΠΝ)、ηΝ:
Figure CN104608008BC00022
计算主电机能量 损耗参数b m ;输入基础参数Ν、η ' k,
Figure CN104608008BC00023
_计算机械传动系统能量损耗参数 am;输入基础参数m
Figure CN104608008BC00024
计算转速参数bf的表达式; 3) 输入利用功率测量仪测量的机床主动力系统空载功率Pinu (η ),计算机床机械传动系 统的空载功率损耗功率P2u(n); 其中,普通机床的机床机械传动系统的空载功率损耗功率P2u(n)的计算公式为:
Figure CN104608008BC00025
变频调速机床的机床机械传动系统的空载功率损耗功率P2u(n)的计算公式为:
Figure CN104608008BC00026
4) 根据2)3)中的数据,计算机床主动力系统的载荷损耗系数a,b; 当机床是普通机床时,载荷能量损耗系数a,b的计算公式为:
Figure CN104608008BC00027
当机床是变频调速机床时,载荷能量损耗系数a,b的计算公式为:
Figure CN104608008BC00028
当忽略变频调速机床的机械传动系统时,载荷能量损耗系数a,b的计算公式为:
Figure CN104608008BC00029
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