CN108320049B - 数控车床多工位回转刀架自动换刀能耗准确预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗准确预测方法。该方法首先测量多组旋转刀位数下自动换刀持续时间，拟合获得自动换刀持续时间的计算模型。采集并运算得到机床基本模块功率，并基于机床基本模块功率和自动换刀持续时间计算得到机床基本模块能耗。采集并运算得到换刀装置稳态功率，进一步计算得到换刀装置稳态能耗。通过获得数控车床执行自动换刀过程中所有功率峰值引起的能耗，累加获得换刀装置瞬态能耗。基于已获得的机床基本模块能耗、换刀装置稳态能耗、换刀装置瞬态能耗，得到自动换刀过程能耗预测模型，实现数控车床自动换刀过程能耗准确预测，为机床节能优化提供基础模型支持。

Description

数控车床多工位回转刀架自动换刀能耗准确预测方法

技术领域

本发明涉及数控车床自动换刀过程能耗预测领域，尤其是一种数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗准确预测方法。

背景技术

数控车床在执行机械加工工艺过程中由于加工特征(圆柱面、螺纹、切槽)的不同，需要多次进行自动换刀，在外圆车刀、内孔车刀、切槽刀，螺纹刀等刀具间进行切换。数控车床普遍采用多工位回转刀架进行自动换刀，换刀过程仍然消耗能量且换刀过程频繁发生，因此，数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗是数控车床加工过程能耗的重要组成该部分。数控车床自动换刀过程能耗预测模型的建立对于提高数控车床机械加工全过程能耗预测精度以及数控车床的能量优化具有重要意义。

数控车床多工位回转刀架自动换刀过程中会产生多次功率峰值，因此，换刀全过程能耗既包括功率稳定部分的能耗，也包括功率峰值引起的能耗。当前仍然缺乏一种精确的预测数控车床多工位回转刀架全过程能耗且综合考虑稳态及瞬态能耗的有效方法。本发明方法通过建立数控车床多工位回转刀架自动换刀过程中机床基本模块能耗、换刀装置稳态能耗、换刀装置瞬态能耗的计算模型，进一步建立自动换刀全过程能耗预测模型。本发明方法不仅考虑数控车床自动换刀过程中的稳态能耗还综合考虑了瞬态能耗，与实际情况更加吻合，能耗预测精度较高，是一种实用的数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗准确预测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在数控车床自动换刀之前能够准确预测不同旋转刀位数下的自动换刀过程能耗的方法。该方法预测准确度高，对于数控车床加工过程的能耗精确预测及优化提供重要的模型和方法支持。

一种数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗准确预测方法，包括如下步骤：

步骤1，根据数控车床多工位回转刀架的当前刀位号和目标刀位号，确定旋转刀位数。由于数控车床多工位回转刀架普遍采用单向顺序旋转方式，因此旋转刀位数计算公式可表示为：

其中：Δ表示回转刀架旋转刀位数，T_t表示回转刀架目标刀位号，T_i表示回转刀架当前刀位号，T_p表示回转刀架总刀位数。

步骤2，测量获取数控车床多个不同旋转刀位数(Δ₁,Δ₂,…Δ_N)下的自动换刀持续时间值(t_tc1,t_tc2,…t_tcN)，其中Δ_N表示第N个旋转刀位数，t_tcN表示在第N个旋转刀位数下自动换刀持续时间值。

步骤3，根据获取得到多组不同旋转刀位数下的自动换刀持续时间，以旋转刀位数Δ为自变量，以自动换刀持续时间t_tc为响应变量进行数据拟合，建立自动换刀持续时间的计算模型，其模型表示为：

其中：t_tc表示自动换刀持续时间，Δ表示回转刀架旋转刀位数，α,β表示公式中的系数。

步骤4，通过采集多个机床基本模块功率并求平均值得到机床基本模块功率，其功率计算公式表示为：

其中：P_basic表示机床基本模块功率，P_{basic_i}机床基本模块功率第i个测量值；N_b表示机床基本模块功率测量值总个数。

步骤5，基于已获得的机床基本模块功率和自动换刀持续时间计算获得数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，其计算公式如下：

E_basic＝P_basic×t_tc

其中：E_basic表示数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，P_basic表示机床基本模块功率，t_tc表示自动换刀持续时间。

步骤6，通过采集多个换刀装置稳态功率并求平均值得到数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态功率，其计算公式如下：

其中：P_ms表示换刀装置稳态功率，P_{ms,Δ_j}表示回转刀架旋转刀位数为Δ时换刀装置稳态功率第j个测量值；N_sΔ表示回转刀架旋转刀位数为Δ时换刀装置稳态功率测量值的总个数。

步骤7，基于已获得的换刀装置稳态功率和自动换刀持续时间计算获得数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态模块能耗，其计算公式如下：

E_ms＝P_ms×t_tc

其中：E_ms表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态能耗，P_ms表示换刀装置稳态功率，t_tc表示自动换刀持续时间。

步骤8，通过获得数控车床执行自动换刀过程中所有功率峰值引起的能耗，累加获得换刀装置瞬态能耗，其计算公式如下：

其中：E_mt表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置瞬态能耗，Δ表示回转刀架旋转刀位数，E_{mt,Δ_u}表示回转刀架旋转刀位数为Δ时第u个功率峰值引起的能耗，N_Δ表示回转刀架旋转刀位数为Δ时功率峰值的总个数。

步骤9，基于已获得的数控车床自动换刀过程中的机床基本模块能耗、换刀装置稳态能耗和换刀装置瞬态能耗，计算得到自动换刀过程能耗，其计算公式如下：

E_tc＝E_basic+E_ms+E_mt

其中：E_tc表示数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗，E_basic表示数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，E_ms表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态能耗，E_mt表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置瞬态能耗。

在步骤3中，利用数据分析软件中的“Modified Hyperbola I”函数进行数据拟合。

在步骤6中，回转刀架旋转刀位数为Δ时换刀装置稳态功率第j个测量值的采集方法为：采集旋转刀位数为Δ时自动换刀过程中的第j个机床稳态功率P_{mst,Δ_j}，进一步减去机床基本模块功率P_basic得到该转速下主轴旋转功率，表示为：P_{ms,Δ_j}＝P_{mst,Δ_j}-P_basic。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明方法通过建立数控车床自动换刀持续时间计算模型，进一步得到数控车床自动换刀过程中机床基本模块能耗、换刀装置稳态能耗、换刀装置瞬态能耗，上述三部分能耗共同构成数控车床自动换刀过程能耗预测模型。该方法不仅考虑数控车床自动换刀过程中的稳态能耗还综合考虑了瞬态能耗，与实际情况更加吻合，能耗预测精度较高，为建立数控车床加工全过程的能耗精确预测模型，提供重要的模型支持。

本方法对数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗预测精度高，并且可以方便地推广至其他类型机床(如数控加工中心)的自动换刀过程能耗预测。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为自动换刀持续时间拟合图；

图3为实现本发明实施例所采用的功率-能耗采集装置示意图；

图4为数控车床自动换刀过程功率曲线图；

图5为换刀装置瞬态能耗构成示意图。

具体实施方式

现结合实施例及附图对本发明进行详细解释。

本发明提出一种数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗准确预测方法。本发明方法的流程示意图如图1所示，首先，根据回转刀架当前刀位号和目标刀位号计算得到旋转刀位数，测量多组旋转刀位数下自动换刀持续时间，进一步拟合获得自动换刀持续时间的计算模型。采集并运算得到机床基本模块功率，根据已获得的机床基本模块功率和自动换刀持续时间计算得到机床基本模块能耗。采集并运算得到换刀装置稳态功率，根据已获得的换刀装置稳态功率和自动换刀持续时间计算得到换刀装置稳态能耗。通过获得数控车床执行自动换刀过程中所有功率峰值引起的能耗，累加获得换刀装置瞬态能耗。基于已获得的机床基本模块能耗、换刀装置稳态能耗、换刀装置瞬态能耗，得到自动换刀过程能耗预测模型，实现数控车床自动换刀过程能耗准确预测，为机床节能优化提供基础模型支持。

本发明实施例以数控车床CK6153i自动换刀过程为例，该数控车床使用的回转刀架为四工位回转刀架，旋转方式为单向顺序旋转。采用本发明方法其自动换刀过程能耗预测模型，事前精确预测不同旋转刀位数下的自动换刀能耗。

1.确定旋转刀位数

根据数控车床多工位回转刀架的当前刀位号和目标刀位号，确定旋转刀位数。数控车CK6153i采用的是四工位回转刀架，因此，回转刀架总刀位数T_p＝4。旋转刀位数计算公式为其中：Δ表示回转刀架旋转刀位数，T_t表示回转刀架目标刀位号，T_i表示回转刀架当前刀位号，T_p表示回转刀架总刀位数。假设当前刀位号T_i＝1，目标刀位号T_t＝4时，满足T_t≥T_i，因此，旋转刀位数Δ＝T_t-T_i＝4-1＝3。假设当前刀位号T_i＝4，目标刀位号T_t＝2时，满足T_t＜T_i，因此，旋转刀位数Δ＝T_p-|T_t-T_i|＝4-|2-4|＝2。根据上述方法可以获得任意当前和目标刀位号下的旋转刀位数。

2.获取多个不同旋转刀位数下的自动换刀持续时间

当旋转刀位数Δ＝0，Δ＝1，Δ＝2和Δ＝3时，用秒表分别测量自动换刀持续时间t_tc。所测量得到的不同旋转刀位数下的自动换刀持续时间如表1所示。

表1

3.拟合建立自动换刀持续时间计算模型

上述获得的多组旋转刀位数下的自动换刀持续时间满足如下公式：

以旋转刀位数Δ为自变量，以自动换刀持续时间t_tc为响应变量进数据拟合，数据拟合使用Sigmaplot 13软件实现。可以得到系数值α＝7.3766、β＝1.5127。拟合结果如图2所示，其中相关系数R-sqr为0.9958，非常接近1，表明该拟合公式能够较好地表示不同旋转刀位数下的自动换刀持续时间值。取系数值小数点后三位，可得到数控车床CK6153i自动换刀持续时间计算公式为：其中，t_tc为自动换刀持续时间，单位为秒(s)；Δ表示旋转刀位数。

4.获取机床基本模块功率

机床基本模块功率P_basic通过采集多个机床基本模块功率求平均值得到。功率采集所使用的功率-能耗采集装置如图3所示。三个电压夹分别与数控车床空气开关输出端三根相线连接，用于测量数控车床自动换刀过程的三相电压信号；三个电流钳分别套在空气开关输出端三根相线上，用于测量数控车床自动换刀过程的三相电流信号；电压及电流信号传输至功率分析仪中进行分析处理获得数控车床自动换刀过程的功率及能耗信息，并存储于计算机中的SQL数据库里。该装置与数控车床CK6153i进行连接。启动数控车床CK6153i，不进行任何操作，仅仅使机床基本模块处于运行状态，测量50组机床基本模块功率值，如表2所示。

表2

机床基本模块功率计算公式为其中，P_basic表示机床基本模块功率，单位为瓦(W)；P_{basic_i}表示所采集的第i个机床基本模块功率值，单位为瓦(W)；N_b为采集的机床基本模块功率值的总数。上述共采集50组机床基本模块功率值，因此N_b＝50，将上述采集得到的50组数据，代入公式可以得到数控车床CK6153i的机床基本模块功率为

5.计算机床基本模块能耗

根据已获得的机床基本模块功率和自动换刀持续时间，计算得到数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，其计算公式为E_basic＝P_basic×t_tc，其中，E_basic表示数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，单位为焦(J)；P_basic表示机床基本模块功率，单位为瓦(W)；t_tc表示自动换刀持续时间，单位为秒(s)。对于数控车床CK6153i，已得到机床基本模块功率为P_basic＝332.1 (W)，

其自动换刀持续时间公式为当旋转刀位数Δ＝1时，自动换刀持续时间为

进一步计算得到数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗为E_basic＝332.1×2.9＝963.1 (J)。

6.获取换刀装置稳态功率

通过采集多个换刀装置稳态功率并求平均值得到数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态功率。如图4所示，换刀装置稳态功率采集方法为：当旋转刀位数为Δ时，采集自动换刀过程中的机床稳态功率P_mst，换刀装置稳态功率值P_ms通过采集自动换刀过程中的机床稳态功率P_mst减去机床基本模块功率P_basic得到。例如：对于数控车床CK6153i，旋转刀位数Δ＝1时，采集得到自动换刀过程中的第1个机床稳态功率值P_{mst,1_1}＝395.6 (W)，

且已得到数控车床CK6153i的机床基本模块功率P_basic＝332.1 (W)。

因此，可得到旋转刀位数Δ＝1时，换刀装置稳态功率第1个测量值为P_{ms,1_1}＝P_{mst,1_1}-P_basic＝395.6-332.1＝63.5 (W)。

利用同样的方法，可以采集得到旋转刀位数Δ＝1时，20组换刀装置稳态功率值，如表3所示。

表3

换刀装置稳态功率计算公式为其中，P_ms表示换刀装置稳态功率，单位为瓦(W)；P_{ms,Δ_j}表示回转刀架旋转刀位数为Δ时换刀装置稳态功率第j个测量值，单位为瓦(W)；N_sΔ表示回转刀架旋转刀位数为Δ时换刀装置稳态功率测量值的总个数。上述共采集旋转刀位数Δ＝1时，20组换刀装置稳态功率值，因此，N_s1＝20，将上述采集得到的20组数据，代入公式可计算得到旋转刀位数Δ＝1时，数控车床CK6153i执行自动换刀过程中的换刀装置稳态功率利用同样的方法可以得到数控车床CK6153i，旋转刀位数Δ＝2时，换刀装置稳态功率为66.5W，旋转刀位数Δ＝3时，换刀装置稳态功率为62.8W。

7.计算换刀装置稳态能耗

根据已获得的换刀装置稳态功率和自动换刀持续时间，计算得到数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态能耗，其计算公式为E_ms＝P_ms×t_tc，其中，E_ms表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态能耗，单位为焦(J)；P_ms表示换刀装置稳态功率，单位为瓦(W)；t_tc表示自动换刀持续时间，单位为秒(s)。对于数控车床CK6153i，当旋转刀位数Δ＝1时，已得到换刀装置稳态功率为P_ms＝63.1 (W)，

其自动换刀持续时间t_tc＝2.9 (s)。

进一步计算得到旋转刀位数Δ＝1时，数控车床CK6153i执行自动换刀过程中的换刀装置稳态能耗为E_ms＝63.1×2.9＝183.0 (J)。

8.计算换刀装置瞬态能耗

数控车床执行自动换刀过程中会出现多次功率峰值，所有功率峰值引起的能耗总和为换刀装置瞬态能耗，其计算公式为其中，E_mt表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置瞬态能耗，单位为焦(J)；Δ表示回转刀架旋转刀位数；E_{mt,Δ_u}表示回转刀架旋转刀位数为Δ时第u个功率峰值引起的能耗，单位为焦(J)；N_Δ表示回转刀架旋转刀位数为Δ时功率峰值的总个数。承接前例，对于数控车床CK6153i，当旋转刀位数Δ＝1时，其自动换刀过程功率曲线如图5所示，自动换刀过程中会出3次功率峰值，因此，N₁＝3，此时换刀装置瞬态能耗值为三次功率峰值引起能耗的总和。根据能耗采集数据可得到旋转刀位数Δ＝1时，三次功率峰值引起的能耗分别为E_{mt,1_1}＝4.6 (J)，

E_{mt,1_2}＝23.9 (J)，

E_{mt,1_2}＝88.3 (J)。

根据公式可计算得到数控车床CK6153i旋转刀位数为1时，换刀装置瞬态能耗为：

9.计算自动换刀过程能耗

如图4所示，数控车床自动换刀过程能耗由该过程中机床基本模块能耗、换刀装置稳态能耗和换刀装置瞬态能耗构成。因此，基于已获得的数控车床自动换刀过程中的机床基本模块能耗、换刀装置稳态能耗和换刀装置瞬态能耗，可计算得到自动换刀过程能耗，其计算公式为：E_tc＝E_basic+E_ms+E_mt。其中，E_tc表示数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗，单位为焦(J)；E_basic表示数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，单位为焦(J)；E_ms表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态能耗，单位为焦(J)；E_mt表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置瞬态能耗,单位为焦(J)。承接前例，已得到数控车床CK6153i旋转刀位数Δ＝1时，机床基本模块能耗为E_basic＝963.1 (J)；

换刀装置稳态能耗为E_ms＝183.0 (J)；

换刀装置瞬态能耗为E_mt＝116.8 (J)。

因此，计算得到数控车床自动换刀过程能耗为E_tc＝963.1+183.0+116.8＝1262.9 (J)。

根据上述同样的方法，可以得到数控车床CK6153i旋转刀位数Δ＝2，Δ＝3时的自动换刀过程能耗预测值如表4所示。同时，通过图3所示的功率-能耗采集装置采集数控车床CK6153i旋转刀位数为1，2，3时的自动换刀过程能耗测量值，并通过精度计算公式：精度＝(1-|Etc预测-Etc测量|/Etc测量)×100％，验证本发明的有效性。精度计算结果如表示所示。

表4

通过上述对比结果发现，应用本发明方法对数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗的预测精度都在95％以上，说明本发明方法能够较为精确地预测数控车床多工位回转刀架自动换刀过程的能耗。

本发明方法可以用于数控车床多工位回转刀架自动换刀过程的能耗事前准确预测，计算结果可应用于数控车床机械加工全过程的能量预测，提高其预测精度且为数控车床能量优化提供基础。

最后说明的是，以上实施案例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明方法的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗准确预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据数控车床多工位回转刀架的当前刀位号和目标刀位号，确定旋转刀位数。由于数控车床多工位回转刀架普遍采用单向顺序旋转方式，因此旋转刀位数计算公式可表示为：

其中：Δ表示回转刀架旋转刀位数，T_t表示回转刀架目标刀位号，T_i表示回转刀架当前刀位号，T_p表示回转刀架总刀位数；

步骤2，测量获取数控车床多个不同旋转刀位数Δ₁,Δ₂,…Δ_N下的自动换刀持续时间值t_tc1,t_tc2,…t_tcN，其中，Δ₁表示第1个旋转刀位数，Δ₂表示第2个旋转刀位数，Δ_N表示第N个旋转刀位数，t_tc1表示在第1个旋转刀位数下自动换刀持续时间值，t_tc2表示在第2个旋转刀位数下自动换刀持续时间值，t_tcN表示在第N个旋转刀位数下自动换刀持续时间值；

步骤3，根据获取得到多组不同旋转刀位数下的自动换刀持续时间，以旋转刀位数Δ为自变量，以自动换刀持续时间t_tc为响应变量进行数据拟合，建立自动换刀持续时间的计算模型，其模型表示为：

其中：t_tc表示自动换刀持续时间，Δ表示回转刀架旋转刀位数，α,β表示公式中的系数；

步骤4，通过采集多个机床基本模块功率并求平均值得到机床基本模块功率，其功率计算公式表示为：

其中：P_basic表示机床基本模块功率，P_{basic_i}机床基本模块功率第i个测量值；N_b表示机床基本模块功率测量值总个数；

步骤5，基于已获得的机床基本模块功率和自动换刀持续时间计算获得数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，其计算公式如下：

E_basic＝P_basic×t_tc

其中：E_basic表示数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，P_basic表示机床基本模块功率，t_tc表示自动换刀持续时间；

步骤6，通过采集多个换刀装置稳态功率并求平均值得到数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态功率，其计算公式如下：

其中：P_ms表示换刀装置稳态功率，P_{ms,Δ_j}表示回转刀架旋转刀位数为Δ时换刀装置稳态功率第j个测量值；N_sΔ表示回转刀架旋转刀位数为Δ时换刀装置稳态功率测量值的总个数；

步骤7，基于已获得的换刀装置稳态功率和自动换刀持续时间计算获得数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态模块能耗，其计算公式如下：

E_ms＝P_ms×t_tc

其中：E_ms表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态能耗，P_ms表示换刀装置稳态功率，t_tc表示自动换刀持续时间；

步骤8，通过获得数控车床执行自动换刀过程中所有功率峰值引起的能耗，累加获得换刀装置瞬态能耗，其计算公式如下：

其中：E_mt表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置瞬态能耗，Δ表示回转刀架旋转刀位数，E_{mt,Δ_u}表示回转刀架旋转刀位数为Δ时第u个功率峰值引起的能耗，N_Δ表示回转刀架旋转刀位数为Δ时功率峰值的总个数；

步骤9，基于已获得的数控车床自动换刀过程中的机床基本模块能耗、换刀装置稳态能耗和换刀装置瞬态能耗，计算得到自动换刀过程能耗，其计算公式如下：

E_tc＝E_basic+E_ms+E_mt

其中：E_tc表示数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗，E_basic表示数控车床执行自动换刀过程中的机床基本模块能耗，E_ms表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置稳态能耗，E_mt表示数控车床执行自动换刀过程中的换刀装置瞬态能耗。

2.如权利要求1所述一种数控车床多工位回转刀架自动换刀过程能耗准确预测方法，其特征在于，在步骤6中，回转刀架旋转刀位数为Δ时换刀装置稳态功率第j个测量值的采集方法为：采集旋转刀位数为Δ时自动换刀过程中的第j个机床稳态功率P_{mst,Δ_j}，进一步减去机床基本模块功率P_basic得到该转速下主轴旋转功率，表示为：

P_{ms,Δ_j}＝P_{mst,Δ_j}-P_basic。