CN105204433A - 一种随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法，首先针对机床加工间隔的随机性，制定机床的节能运行策略；然后基于构建的机床加工间隔能耗模型以及各运行状态的功率等基础参数，对制定的节能实施策略中的运行参数进行优化；最后根据节能运行策略以及优化的运行参数，获得机床的节能运行方案即机床在加工间隔中的运行状态轨迹，为机床在加工间隔中的节能实施提供支持。本发明解决了在由于工件随机到达导致的随机机床加工间隔中，如何制定机床节能运行方法，提高机床在随机加工间隔内的能量利用率问题。

Description

一种随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法

技术领域

本发明涉及机械制造业能耗、数控机床等领域，尤其涉及一种随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法。

背景技术

我国是制造大国，机床保有量约800万台，若每台机床额定功率平均为10kW算，则总功率约为8000万千瓦，是三峡电站总装机容量2250万千瓦的3倍多，耗电总量惊人。同时，大量统计调查表明：机床能量利用率平均非常低下，平均低于30％。因此提高机床的能量利用效率，探寻可行的机床节能方法意义重大。

目前，对机床节能研究已经有部分探索。例如中国专利ZL201110378244.X公开的发明名称为《一种节能机床》，公开方案为在机床上设置微型发电机通过齿轮传动与主轴连接，可将主轴运动的部分能量通过微型发电机传导给蓄电池，以此将主轴的部分多余能耗保存下来供机床照明等辅助部件使用，达到机床节能的目的。ZL03117163.X公开的发明名称为《一种机械加工系统节能降噪方法》，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。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》，公开方案为提供一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能的运行方法，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。

通常情况下，机床的加工间隔是完成前一个加工工件，并等待下一个工件到来时产生。在实际生产过程中，由于工件的到达具有随机性，因而使得机床加工间隔也是随机产生。为了维持机床的运行和保证下个工件及时加工，因此在加工间隔中机床通常以准备加工状态运行，在较大加工间隔下，造成了机床在加工间隔中的能量浪费。上述研究主要是从整个加工系统、机床部件和相邻工步间实施停机方面进行的机床节能研究。对于由于工件随机到达导致的随机长短的加工间隔下机床的节能研究还没有成熟的措施。

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随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法，通过该方法提高机床在加工间隔中的能量利用效率。

实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)机床节能运行策略的制定：对机床加工间隔特征和能耗进行分析，制定机床加工间隔节能运行策略；

其中，制定机床加工间隔节能运行策略为：上个工件加工结束时，机床处于准备加工状态，持续一段时间τ后，将机床切换到待机状态，再持续一段时间τ后，将机床切换到停机状态，等待下个工件的到达；在这个过程中，工件一旦到达，立即将机床切换为准备加工状态以保证尽快对工件进行加工；在节能实施策略中，持续一段时间τ是为了在加工间隔较小时能保证工件得到及时加工，并且可以避免机床运行状态的频繁切换。

2)运行参数的优化：首先基于机床运行状态建立机床在加工间隔中的能耗模型，然后基于构建的机床加工间隔能耗模型以及基础参数，计算出机床在一个加工间隔内消耗的预期能量，最后以预期能耗为优化目标，对节能实施策略中的运行参数进行优化。

其中，基础参数包括：准备加工状态的功率、待机状态的功率、停机状态的功率、3种运行状态相互切换所需要的能耗和时间、机床加工间隔的概率密度函数以及机床加工间隔的平均时长；

3)机床节能运行方案的获取：根据所制定的节能运行策略和优化的运行参数，计算机床采用节能运行策略后在一个加工间隔的预期消耗能量，得到机床节能运行方案即机床在加工间隔中的运行状态轨迹，为机床在加工间隔中的节能实施提供支持。

进一步，步骤1)中，制定机床在加工间隔内的节能实施策略，其中主要是分析：由于加工任务的随机分配、工件毛坯材料短缺、不可预测的机床故障等因素的影响，使得工件到达具有随机性，导致加工间隔的长短是随机的；机床在采用节能运行方法前，不同加工间隔内机床都以准备加工状态运行将会导致大量的能量浪费。

步骤2)中，机床在一个加工间隔内消耗的预期能量的计算步骤为：

(1)由于工件的随机到达，机床采用此节能运行策略后，机床加工间隔的能耗计算包括5种情况，分别是：①下个工件在第一个τ时间内到达；②下个工件在机床从准备加工状态切换到待机状态的过程中到达；③下个工件在第二个τ时间内到达；④下个工件在机床从待机状态切换到停机状态的过程中到达；⑤下个工件在机床处于停机状态后到达；

(2)根据机床加工间隔密度函数计算上述5种情况下每种情况出现的概率，并根据机床加工间隔能耗模型计算每种情况下机床加工间隔的预期能量；

(3)将上述5种情况下每种情况出现的概率与对应情况下机床加工间隔的预期能量相乘，然后对乘积求和，得到机床在一个加工间隔中消耗的预期能量。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法，适应工件随机到达导致的机床加工间隔的随机性，用于获取机床的节能实施方案即机床在加工间隔内的状态轨迹图，为机床的节能实施提供支持。采用本发明方法后，使得机床在加工间隔较小时能保证工件得到及时加工，在加工间隔较大时使机床消耗尽可能少的能耗，提高了机床在加工间隔中的能量效率。

2、在本发明中方法中，考虑了除考虑随机加工间隔因素外，还考虑了机床在运行状态间切换时所需要的能量和时间，与实际生产情况更加符合，因此本发明方法更适用于实际生产情况。

3、在本发明方法中需要的机床运行状态基本参数，只需一个功率测量仪器即可测得，获取方法非常简单，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运行状态基本参数一经获取则可以延续使用。

4、本发明方法可应用于具有待机和停机控制功能的数控机床，因此，本发明具有较好的通用性。

附图说明

图1是本发明面向随机加工间隔内的机床节能运行方法的流程框图。

图2是随机加工间隔内机床节能潜力分析。

图3是基于机床运行状态的节能实施策略。

图4是机床运行状态轨迹图。

图5是采用本发明节能运行方法前后机床的运行状态轨迹。

图6是采用本发明节能运行方法前后机床在加工间隔中的能耗比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

本发明提供一种随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法，该方法包括三个步骤：

第一步：基于机床加间隔的随机性，制定机床在加工间隔内的节能运行策略。

第二步：首先基于机床运行状态建立机床在加工间隔中的能耗模型，然后基于此模型、制定的节能运行策略和基础参数对节能运行策略中运行参数进行优化。

第三步：根据所制定的节能运行策略和优化的运行参数，得到机床节能实施方案即机床在加工间隔中的运行状态轨迹，为机床在加工间隔中的节能实施提供支持。

需要说明的是，本发明中的一个加工间隔表示上个工件加工结束的时间点到下个工件到达的时间点的这段时间。

上述步骤具体叙述如下：

1.机床加工间隔节能运行策略的制定：

基于机床加间隔的随机性，制定机床在加工间隔内的节能运行策略。

1.1随机加工间隔内的机床节能潜力分析

在实际生产中，由于加工任务的随机分配、工件毛坯材料短缺、不可预测的机床故障等因素将使得工件到达具有随机性。工件的随机到达导致机床加工间隔的时间是随机变化的。因此在实际的加工中，机床加工间隔的时间具有随机性。

在机械加工中，机床的运行状态可分为加工状态、准备加工状态、待机状态和停机状态。机床在运行过程中其运行状态的切换顺序，称为机床运行状态轨迹。图2分别展示了未采用机床节能运行方法的机床运行状态轨迹(粗实线)和考虑节能的机床运行状态轨迹(粗虚线)。在加工间隔较大时，可通过机床运行状态的变化实现节能。如图2中的加工间隔2和加工间隔3，把机床切换为待机状态或者停机状态，减少机床在加工间隔中能量的消耗。

1.2制定随机加工间隔内的机床节能运行策略

由于工件的随机到达，导致加工间隔的长短是随机的。因此，需要一种面向随机加工间隔，适应不同加工间隔长短的机床节能运行方法，使得机床在加工间隔较小时能保证工件得到及时加工，在加工间隔较大时使机床消耗尽可能少的能耗。据此，制定如图3所示的节能实施策略：上个工件加工结束时，机床处于准备加工状态，持续一段时间τ后，将机床切换到待机状态，再持续一段时间τ后，将机床切换到停机状态，等待下个工件的到达。在这个过程中，工件一旦到达，立即将机床切换为准备加工状态以保证尽快对工件进行加工。在节能实施策略中，持续一段时间τ是为了在加工间隔较小时能保证工件得到及时加工，并且可以避免机床运行状态的频繁切换。

2.运行参数的优化：

2.1基于机床运行状态建立机床加工间隔能耗模型

机床在加工间隔中能耗可通过的机床在加工间隔中的运行状态轨迹进行建模。图4描述了某一加工间隔中机床的运行状态轨迹。其中，机床的某一个运行状态用S_i表示，在该运行状态下机床的消耗的平均功率为P_i。机床从原始运行状态S_m切换到目标运行状态S_n的过程用向量S_m→n来表示，如公式(1)所示。其中，E_m→n和t_m→n分别表示机床从运行状态S_m切换到运行状态S_n需要的能耗和时间。机床在这一加工间隔所消耗的能耗，可用公式(2)计算。

S_m→n＝(E_m→n,t_m→n)(1)

E＝P₁(t₁+t₃+t₅+t₇)+P₃t₄+P₄t₆+P₅t₂+E_1→5+E_5→1+E_1→3+E_3→1+E_1→4+E_4→1(2)

通过参数配置模块配置机床运行状态基本参数和加工间隔的时间分布参数，如表1、表2所示。其中机床运行状态基本参数包括：准备加工状态的平均功率、待机状态的平均功率、停机状态的平均功率以及3个运行状态相互切换所需要的能量和时间；加工间隔的时间分布参数包括：由于工件随机到达导致的随机机床加工间隔的概率密度函数，以及机床加工间隔的平均时长。

表1机床运行状态功率参数表

表2机床运行状态切换所需的能耗和时间参数表

表中，S_z——准备加工状态；S_d——待机状态；S_t——停机状态；

2.2优化节能实施策略中的运行参数τ：

图3所示的机床节能实施策略，其中运行参数τ的大小会直接影响到该节能运行方法节能的效果：如果运行参数τ值很小，机床在加工间隔中从准备加工状态到停机状态所需的时间将会很短，机床在较大的加工间隔中处于停机的时间长，消耗的能量小，机床在较短的加工间隔中将会导致机床运行状态的频繁切换；如果运行参数τ值很大，机床在加工间隔中从准备加工状态到停机状态所需的时间将会很长，机床在较大的加工间隔中处于停机的时间相对较短，造成不必要的能量浪费，机床在较短的加工间隔中将能保证下个工件的及时加工，能避免机床运行状态的频繁切换。因此，运行参数τ值的大小需经优化得到，在优化时需综合考虑不同加工间隔下机床的能耗。

2.2.1机床在一个机床加工间隔的预期消耗能量：

在节能实施策略中，上个工件加工结束时，下个工件的到达有5种不同的情况，分别是：1)下个工件在第一个τ时间内到达；2)下个工件在机床从准备加工状态切换到待机状态的过程中到达；3)下个工件在第二个τ时间内到达；4)下个工件在机床从待机状态切换到停机状态的过程中到达；5)下个工件在机床处于停机状态后到达。因此，机床在一个加工间隔中能耗的计算方式也包含5种不同的情况：

1)下个工件在第一个τ时间内到达(A₁＝{t|t≤τ})；

在这种情况下，机床在整个加工间隔中都处于准备加工状态，其消耗的能耗可用公式(3)计算。

E₁(t)＝P_zt(3)

2)下个工件在机床从准备加工状态切换到待机状态的过程中到达(A₂＝{t|τ＜t≤τ+t_z→d})；

在这种情况下，机床在第一个τ时间内处于准备加工状态，第一个τ时间结束时机床切换到待机状态，下个工件到达时机床被切换到准备加工状态，这个过程机床所消耗的能量可用公式(4)进行计算。

E₂(t)＝P_zτ+E_z→d+E_d→z(4)

3)下个工件在第二个τ时间内到达(A₃＝{t|τ+t_z→d＜t≤2τ+t_z→d})；

在这种情况下，机床在第一个时间τ内处于准备加工状态，在第二个时间τ内处于待机状态，下个工件到达时机床被切换到准备加工状态，这个过程机床所消耗的能耗可用公式(5)计算。

E₃(t)＝P_zτ+E_z→d+P_d(t-τ-t_z→d)+E_d→z(5)

4)下个工件在机床从待机状态切换到停机状态的过程中到达(A₄＝{t|2τ+t_z→d＜t≤2τ+t_z→d+t_d→t})；

在这种情况下，机床在第一个时间τ内处于准备加工状态，在第二个τ时间内处于待机状态，第二个τ时间结束时切换机床到停机状态，下个工件到达时机床被切换到准备加工状态，这个过程机床所消耗的能量可用公式(6)进行计算。

E₄(t)＝P_zτ+E_z→d+P_dτ+E_d→t+E_t→z(6)

5)下个工件在机床处于停机状态后到达(A₅＝{t|t＞2τ+t_z→d+t_d→t})；

在这种情况下，机床在第一个时间τ内处于准备加工状态，在第二个τ时间内机床处于待机状态，第二个τ时间结束时切换机床到停机状态等待下个工件的到达，下个工件到达时机床被切换到准备加工状态，这个过程机床所消耗的能量可用公式(7)计算。

E₅(t)＝P_zτ+E_z→d+P_dτ+E_d→t+P_t(t-2τ-t_z→d-t_d→t)+E_t→z(7)

将上述5种情况看作为一个样本空间A，由元素A_i(i＝1,2,3,4,5)组成即A＝{A₁；A₂；A₃；A₄；A₅}。由以上5种情况可知，元素之间互斥，且各元素发生的概率之和为1。E[A_i]表示加工间隔为A_i情况时，机床在加工间隔中消耗能量的期望，A_i发生的概率用Pr(A_i)表示，用计算期望的理论计算A的期望E[A](包含所有加工间隔情况，机床在加工间隔中消耗能量的总期望)如公式(8)所示。

$E\[A\]=\underset{A_i\∈A}{\Σ}E\[A_i\]\mathrm{Pr}\left(A_i\right)---\left(8\right)$

用可能性密度函数f(t)对加工间隔(t)的可能性进行建模，加工间隔t＝[0,T]时的概率为可按公式(9)计算。根据公式(3)到(7)和公式(9)，可将公式(8)化为公式(10)。

$F\left(T\right)=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{f}_{\left(t\right)}dt---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}E\[energy\]=\underset{0}{\overset{\mathrm{\τ}}{\∫}}{E}_1\left(t\right)f\left(t\right)dt+\underset{\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+t_{z\→d}}{\∫}}{E}_2\left(t\right)f\left(t\right)dt+\underset{\mathrm{\τ}+t_{z\→d}}{\overset{2\mathrm{\τ}+t_{z\→d}}{\∫}}{E}_3\left(t\right)f\left(t\right)dt\\ +\underset{2\mathrm{\τ}+t_{z\→d}}{\overset{2\mathrm{\τ}+t_{z\→d}+t_{d\→t}}{\∫}}{E}_4\left(t\right)f\left(t\right)dt+\underset{2\mathrm{\τ}+t_{z\→d}+t_{d\→t}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{E}_5\left(t\right)f\left(t\right)dt\end{array}---\left(10\right)$

2.2.2节能运行策略中运行参数τ的优化：

由公式(10)可知，E[energy]的大小与运行参数τ值的大小有关，为了使机床在加工间隔中尽可能消耗少的能耗，因此对公式(10)中的E[energy]取最小值，此时τ的取值为τ*，τ*即为节能实施策略中应选择的最优τ值，如公式(11)所示。

τ*→min{E[energy]}(11)

当τ*为极限值(τ*＝+∞)时，表示上批工件加工结束时，机床将一直处于准备加工状态等待下批工件的到达；当τ*为0时，表示上个工件加工结束时，机床应立即切换为停机状态直到下个工件到达。

3.获得节能运行方案

基于节能运行策略和优化后的节能运行策略中的运行参数τ，得到了机床的节能运行方案为：上个工件加工结束时，机床处于准备加工状态，持续一段时间τ*后，将机床切换到待机状态，再持续一段时间τ*后，将机床切换到停机状态，等待下个工件的到达。在这个过程中，工件一旦到达，立即将机床切换为准备加工状态以保证尽快对工件进行加工。

实施例：在CK6136H数控车床上，采用本发明提供的机床节能运行方法，机床加工的零件是托盘，其中机床在加工中主要完成钻孔、粗/精车削托盘端面和粗/精车孔。测量机床功率的装置为HIOKI3390功率分析仪。

(1)基础参数获取：

参数配置模块配置的机床运行状态基本参数如表3和表4所示，加工间隔的时间参数为：机床平均加工间隔为24s；由于指数分布可以用来表示独立随机事件发生的时间间隔，其中指数分布中参数λ的倒数表示独立随机事件发生的时间间隔的期望(平均间隔时间)，故可用指数分布描述对机床加工间隔(t)的可能性。

表3机床CK6136H的运行状态功率参数表

表4机床CK6136H运行状态切换所需的能耗和时间参数表

(2)优化节能实施策略中的运行参数τ得到节能实施方案

计算机床CK6136H在采用图4中节能运行策略后，其在一个加工间隔中消耗的预期能量如公式(12)所示。

$\begin{array}{c}E\[energy\]=(E_{d\→t}+E_{t\→z}-E_{d\→z}-\frac{1}{\mathrm{\λ}}{P}_d)e^{-\mathrm{\λ}(2\mathrm{\τ}+t_{z\→d})}+\frac{1}{\mathrm{\λ}}{P}_d{e}^{-\mathrm{\λ}(\mathrm{\τ}+t_{z\→d})}\\ +(E_{z\→d}+E_{d\→z}-\frac{1}{\mathrm{\λ}}{P}_z)e^{-\mathrm{\λ}\mathrm{\τ}}+\frac{P_z}{\mathrm{\λ}}\end{array}---\left(12\right)$

以最小化机床加工间隔预期能量为目标优化运行参数τ，得到τ*为12.30S。得出机床节能实施方案：上个工件加工结束时，机床处于准备加工状态，持续12.30S后，将机床切换到待机状态，再持续12.30S后，将机床切换到停机状态，等待下个工件的到达。在这个过程中，工件一旦到达，立即将机床切换为准备加工状态以保证尽快对工件进行加工。

(3)案例实施结果分析及节能情况对比

为了比较机床采用本发明中节能运行方法前后的节能效果，采集了机床(CK6136H)采用本发明中节能运行方法前的加工托盘的实际功率曲线，并画出了机床采用本发明中节能运行方法前后的机床运行状态轨迹，如图5所示。其中机床在采用节能运行方法前，机床在加工间隔中均处于准备加工状态；而采用本发明中节能运行方法后，在加工间隔较长时，机床将会切换到能耗较低的待机状态(①加工间隔)甚至是停机状态(③加工间隔)以达到节能的目的，而在加工间隔较短时，机床则与采用节能运行方法前一样处于准备加工状态(②加工间隔)，保证下个工件及时加工，避免机床运行状态的频繁切换。针对①加工间隔(23S)和③加工间隔(62S)，分别画出机床采用本发明中节能运行方法前后的能耗曲线，如图6所示。其中粗虚线表示采用节能运行方法之前的机床在加工间隔中的能耗曲线，粗实线表示机床采用本发明中节能运行方法后机床在加工间隔中的能耗曲线。在①加工间隔、②加工间隔和③加工间隔中，机床在采用本发明中节能优化运行方法后的节能情况如表5所示。

表5机床在采用本发明中节能运行方法后的节能情况表

根据图6和表5可以看出：在加工间隔较长时本发明所提出来的机床节能运行方法的节能效果是很明显的，如①加工间隔和③加工间隔；在加工间隔很短时也能保证下个工件得到及时加工，如②加工间隔。

通过上述实施例结果可以看出：机床采用本发明所提供的机床节能运行方法后，在加工间隔较长时机床将会切换到能耗较低的待机状态甚至是停机状态以达到节能的目的；在加工间隔较短时，机床将以准备加工状态运行保证下个工件及时得到加工，避免机床运行状态的频繁切换。加工间隔越长，机床在采用本发明中节能运行方法后节约的能量越多。

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)

1.一种随机加工间隔内机床状态切换的机床节能运行方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）机床节能运行策略的制定：对机床加工间隔特征和能耗进行分析，制定机床加工间隔节能运行策略；

其中，制定机床加工间隔节能运行策略为：上个工件加工结束时，机床处于准备加工状态，持续一段时间后，将机床切换到待机状态，再持续一段时间后，将机床切换到停机状态，等待下个工件的到达；在这个过程中，工件一旦到达，立即将机床切换为准备加工状态以保证尽快对工件进行加工；

2）运行参数的优化：首先基于机床运行状态建立机床在加工间隔中的能耗模型，然后基于构建的机床加工间隔能耗模型以及基础参数，计算出机床在一个加工间隔内消耗的预期能量，最后以预期能耗为优化目标，对节能实施策略中的运行参数进行优化；

其中，基础参数包括：准备加工状态的功率、待机状态的功率、停机状态的功率、3种运行状态相互切换所需要的能耗和时间、机床加工间隔的概率密度函数以及机床加工间隔的平均时长；

3）机床节能运行方案的获取：根据所制定的节能运行策略和优化的运行参数，计算机床采用节能运行策略后在一个加工间隔的预期消耗能量，得到机床节能运行方案即机床在加工间隔中的运行状态轨迹，为机床在加工间隔中的节能实施提供支持。

2.根据权利要求1所述面向随机加工间隔的机床节能运行方法，其特征在于：步骤1）中，制定机床在加工间隔内的节能实施策略，其中主要是分析：由于加工任务的随机分配、工件毛坯材料短缺、不可预测的机床故障等因素的影响，使得工件到达具有随机性，导致加工间隔的长短是随机的。

3.根据权利要求1所述面向随机加工间隔的机床节能运行方法，其特征在于：步骤2）中，机床在一个加工间隔内消耗的预期能量的计算步骤为：

（1）由于工件的随机到达，机床采用此节能实施策略后，机床加工间隔的能耗计算包括5种情况，分别是：①下个工件在第一个时间内到达；②下个工件在机床从准备加工状态切换到待机状态的过程中到达；③下个工件在第二个时间内到达；④下个工件在机床从待机状态切换到停机状态的过程中到达；⑤下个工件在机床处于停机状态后到达；

（2）根据机床加工间隔密度函数计算上述5种情况下每种情况出现的概率，并根据机床加工间隔能耗模型计算每种情况下机床加工间隔的预期能量；

（3）将上述5种情况下每种情况出现的概率与对应情况下机床加工间隔的预期能量相乘，然后对乘积求和，得到机床在一个加工间隔中消耗的预期能量。