CN110826156B - 一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，包括以下步骤：1)获取数控机床的固有比能；2)获得工件标准能耗限额；2.1)根据预先提出的数控机床固有比能预测模型，确定各特征的标准能耗限额；2.2)通过对具有不同种类加工特征的工件的多个标准能耗限额值进行集成得到工件整体的标准能耗限额。本发明提出了一种基于固有比能制定的工件标准能耗限额的确定方法，该方法为机械加工制造业能耗精细化管理、监控以及能效提升提供了重要技术支持。

Description

一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法

技术领域

本发明涉及机械制造加工技术，尤其涉及一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法。

背景技术

目前全球能源危机和环境问题日趋严峻，全球制造业的厂商都在寻找更绿色高效和低成本的发展之路。作为制造业重要组成部分的机械加工系统，大量研究表明机械加工过程中能量消耗总量巨大，能量效率却很低，推广高效低碳的运行模式已成为全球共同关注的主题。工件作为机械加工过程的对象，科学合理的工件能耗限额措施有利于改善机械加工过程的能源管控，提高机械加工制造企业的设备综合利用率，优化生产过程中消耗的能量，从而实现减少能源消耗，提高能量效率。

目前，对于连续型流程制造行业，由于其产品制造具有连续性，自动化程度高，其产品能耗限额的制定方法已比较成熟，但对于量大面广的机械加工制造系统，由于其能耗规律的复杂性和动态变化性，相关流程制造业的能耗限额制定方法较难适用。现有针对数控机床工件的能耗限额制定方法主要是从工件加工工序和工步入手，对工件加工过程的能耗进行预测，再通过专家咨询设置相应缩放系数而得到，但由于加工途径、工件特征、操作人员等的不同都会导致工件加工过程的能耗差异巨大，某种工件可能会有多个能耗限额值，可大可小，波动性较大，具体哪个能耗限额值才是反应该工件真实的能耗限额目前的确定方法还很难确定。因此，目前从工件加工工序和工步的角度确定的能耗限额值适用性较差，需要根据具体加工环境而做较大幅度修改，各企业相互之间很难借鉴和参考，且无法评判制定的工件能耗限额值的好坏，对于提高企业能耗管理水平帮助有限,工件能耗限额的确定方法有待进一步提升和优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，包括以下步骤：

1)获取数控机床的固有比能；

固有比能是指加工系统加工j类特征时的总能量消耗与系统等效物料去除量的比值，固有比能模型表示为：

其中，SEC^j为加工第j类特征时的微观固有比能，Δmⁱ是特征j的第i个子特征的材料去除质量、ρⁱ为其材料密度，

为特征j的第i个子特征的被加工概率；/>

分别为数控机床加工特征j的固有待机能耗、固有启动能耗、固有空载能耗和固有切削能耗；

2)工件标准能耗限额模型

工件标准能耗限额实质上是确定组成工件的各类特征的能耗限额，确定出每一种特征的能耗限额能够更好的约束和控制该过程的能量消耗，也有助于发现更适合某种工件加工的数控加工系统，当对具有不同种类加工特征的工件的多个标准能耗限额值进行集成时也就能容易得到工件整体的标准能耗限额；

2.1)根据预先提出的数控机床固有比能预测模型，可确定各特征的标准能耗限额。数控机床加工j类特征时的固有比能可表示为：

那么，加工j类特征时的标准能耗限额为：

其中，ψ为比例系数，比例系数设置过大和过小都不利于企业的能效管理，不能充分发挥能耗限额的作用，其值设置的大小主要根据加工系统的服役时间、保养水平以及车间能效管理要求等因素制定，波动范围控制在20％以内，即取值范围设置为[0.8,1.2]，当加工系统服役时间不是很长，车间能效管理要求一般时可设置为接近1的数值，当车间能效管理要求较高时可适当减小比例系数，相反较低时可适当增大比例系数。企业也可根据自身情况，在结合以上原则的基础上，利用层次分析法、熵权法、TOPSIS法等权重设置方法制定具体数值；

2.2)工件的标准能耗限额表示为：

按上述方案，所述步骤1)中固有切削能耗是通过加工的工件的特征的设计信息(几何尺寸、材料特性等)和加工信息(切削参数，工艺参数等)，计算出该特征的理论切削能量消耗，获得该数控机床加工各类特征时的固有切削能耗；所述工件的特征为几何特征或形状特征。

按上述方案，所述步骤1)中特征的设计信息和加工信息，可通过工件设计时的CAD和CAPP信息直接获取。

按上述方案，所述步骤1)中获得该数据机床加工各类特征时的固有切削能耗，具体如下：

对每个特征的切削能耗E_MA，如下：

其中，P_c为切削功率，P_c＝u_s·MRR，u_s为切除单位材料体积所消耗的能量，MRR为特征加工过程中的材料切除率；

t_c为切削加工的时间，利用切除体积与材料切除率之比来计算真正进行切削加工的时间，

/>

其中，V为工件加工过程中的材料切除体积，通过工件特征计算得到；MRR为特征加工过程中的材料切除率；

数控机床加工j类特征时的固有切削能耗为

为加工第i个子特征的切削能耗，则加工j类特征时的固有切削能耗可表示为：

按上述方案，所述步骤1)中固有启动能耗根据加工各类特征时的主轴转速确定；具体如下：

对每个特征的的启动能耗：

E_SU(n_i)＝An_i ²+Bn_i+C

其中，n_i为数控机床主轴转速，E_SU(n_i)为该主轴转速下的启动能耗；

数控机床加工某类特征时的固有启动能耗为

为加工第i个子特征时的启动能耗，/>

为未来加工该类特征时，第i个子特征被加工的概率；则固有启动能耗为：

按上述方案，所述步骤1)中固有空载能耗根据数控机床稳定运行时测量得到的不同转速下的空载功率确定；具体如下：

将数控机床稳定运行时测量得到的不同转速下的空载功率作为加工特征的空载能耗

E_UL(n_i)＝Dn_i ²+En_i+F

数控机床稳定运行后，一次性测取各个不同转速下的空载功率，确定拟合系数；

定义数控机床加工j类特征时的固有空载能耗为

为加工第i个子特征的空载能耗，则固有空载能耗可表示为：

本发明产生的有益效果是：本发明提出了一种基于固有比能的工件标准能耗限额的确定方法，考虑了未来千变万化的加工过程，结果更具有代表性和普遍性，企业可以在此基础上，根据自身情况找出更符合某类工件加工的加工系统，而不是以往凭经验、习惯选择，科学性、适用性更强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的基于固有比能的工件标准能耗限额框架图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，包括以下步骤：

一、固有比能模型

数控加工过程中传统意义的比能是指系统消耗能量与系统材料去除量的比值，同理，可定义固有比能是指数控机床加工j类特征时的总能量消耗与系统等效物料去除量的比值，可进一步表示为：

其中，Δmⁱ是特征j的第i个子特征的材料去除质量、ρⁱ为其材料密度；

为特征j的第i个子特征的被加工概率；/>

分别为数控机床加工特征j的固有待机能耗、固有启动能耗、固有空载能耗和固有切削能耗。

1)固有待机能耗

固有待机能耗反映的是数控机床基本的固有能耗需求，根据对数控机床主要耗能单元在待机过程中的能耗特性分析可知，该过程涉及到的能耗源众多，但此过程各能耗单元运行状态平稳，即各能耗单元的功率恒定，该功率数值只与数控机床自身属性相关，而与未来千变万化的加工过程无关，因此，可直接将数控机床的待机能耗当做其固有能耗指标，根据待机能耗相关获取方法，可定义数控机床的固有待机能耗为：

其中，E_SB为数控机床平均待机能耗。

针对某一具体数控机床时，可事先通过测量仪器对数控机床的待机功率和平均待机时间进行测量，建立待机能耗数据库，具体可以由下式得出：

E_SB＝P_SBt_SB (4)

其中，P_SB为数控机床平均待机功率，t_SB为其平均待机时间。

2)固有启动能耗

数控机床启动能耗是主轴从静止开始加速至目标转速的过程所消耗的能量，主要与主轴转速和启动时间密切相关，可建立转速与对应启动能耗和启动时间间的映射关系，再通过二次多项式进行拟合实现对不同转速下的主轴启动能耗的预测。可定义数控机床加工某类特征时的固有启动能耗为

为加工第i个子特征时的启动能耗，/>

为未来加工该类特征时，第i个子特征被加工的概率。则固有启动能耗可表示为：

数控机床启动能耗可由主轴转速拟合得到，两者之间存在一定的函数关系，因此数控机床启动能耗可通过，设定若干个不同的主轴转速，一次性测取各个不同转速下的启动能耗，然后进行曲线拟合求出。

E_SU(n_i)＝An_i ²+Bn_i+C (6)

其中，n_i为数控机床主轴转速，E_SU(n_i)为该主轴转速下的启动能耗。

3)固有空载能耗

数控机床空载能耗主要是指主传动系统和进给系统等空载运行所消耗的电能，机械加工过程中的空载过程通常包括两个部分，分别为刀具靠近工件至开始切削和完成切削后刀具退回至参考点。数控机床空载能耗贯穿整个加工过程，从主轴开始加速转动起，到完成全部加工主轴停止工作为止，主要包含待机功率和主轴空转功率。也可采用测取实验数据拟合的方式获取转速与空载功率的数学函数关系，进而获取任意转速下的空载功率。定义数控机床加工j类特征时的固有空载能耗为

为加工第i个子特征的空载能耗，则固有空载能耗可表示为：

数控机床的空载功率首先还是可以通过设定若干个不同的转速，带数控机床稳定运行后，一次性测取各个不同转速下的空载功率，然后导入分析软件进行曲线拟合求出，具体可通过下式进行拟合得到。

E_UL(n_i)＝Dn_i ²+En_i+F (8)

4)固有切削能耗

根据特征的设计和制造参数，计算出该特征的理论切削能量消耗，切削能耗为切削功率和时间的函数，切削功率可以表示为材料切除率(MRR)的函数，而切削时间即为刀具加工工件所持续的时间，基于特征可以确定切削路径，通过切削路径除以切削速度即可预测切削时间。通常数控代码编制完成后即可根据加工路径和设定的进给速度自动计算出运行时间，而此时，可近似利用切除体积与材料切除率之比来计算真正进行切削加工的时间，空载时间则可以表示为运行时间减去切削时间。而相关特征的设计信息和加工信息，可通过工件设计时的CAD和CAPP信息直接获取。表1给出了常用材料所对应的单位切削能耗值。

P_c＝u_s·MRR (10)

其中，u_s为切除单位材料体积所消耗的能量，可通过实验的方法拟合得到；V为工件加工过程中的材料切除体积，可通过工件特征计算得到；MRR为特征加工过程中的材料切除率。

表1常用材料切削单位体积时的能耗取值表

在基于特征的加工系统切削能耗预测过程中，该特征主要指的是形状特征或者是几何特征，它是毛坯在去除加工余量之后获得的，通过对加工系统服役阶段的订单加工需求进行调研，可获取该型加工系统的加工特征集合、参数集合、时间特征集合等数据，从而可以间接计算得到某类特征的切削能耗。

数控机床切削能耗是数控加工过程中刀具切削材料所消耗的直接电能，在切削过程中，切削功率是受切削力(主切削力和辅切削力)和切削时间的影响，一般情况下，由于辅切削力消耗的功率占总切削功率的比例很小(2％以内)，因此，在计算时可以忽略，具体某一特征的切削能耗可由前文基于特征的切削能耗模型预测得出。定义数控机床加工j类特征时的固有切削能耗为

为加工第i个子特征的切削能耗，则加工j类特征时的固有切削能耗可表示为：

二、工件标准能耗限额模型

数控机床加工过程是根据工件设计特征加工成形的过程，根据本发明中工件标准能耗限额定义可知，其制定依赖于数控机床加工某类特征时的固有比能，从能量消耗和加工信息的角度来看，它是由一系列特征能耗构成的集合。本发明所提出的工件标准能耗限额实质上是确定组成工件的各类特征的能耗限额，确定出每一种特征的能耗限额能够更好的约束和控制该过程的能量消耗，也有助于发现更适合某种工件加工的数控加工系统，当对具有不同种类加工特征的工件的多个固有能耗进行集成时也就能容易得到工件整体的能耗限额。因此，基于固有比能的工件标准能耗限额框架模型可以如图2所示。

根据图2所示的工件标准能耗限额框架可以看出，主要分为三个层次，第一层为数控机床及其未来加工工件的标准能耗限额，可以当作系统层；第二层为各类特征的能耗限额，工件由各类特征组成，其每类特征都有相应的能耗限额，可以当作工件层；第三层，各类特征都有相应的固有比能值，可以当作特征层。对于系统层，可以帮助企业发现更适合某种工件加工的加工系统；对于工件层，能够对加工过程能量消耗进行监控并及时发现异常能量消耗，从而进一步提高能量效率；对于特征层，一方面能够发现加工系统的高能效区间，另一方面可以增强操作者的节能意识。

工件标准能耗限额也可根据基于数控机床固有比能的预测方法来制定。首先通过基础参数收集，确定某类特征的固有比能值，然后再在各类特征比能值的基础上确定由各类特征组成的工件的标准能耗限额。

根据预先提出的数控机床固有比能预测模型，可确定各特征的标准能耗限额。数控机床加工j类特征时的固有比能可表示为：

那么，加工j类特征时的标准能耗限额为：

其中ψ为比例系数，主要与数控机床服役时间长短有关，取值范围设置为[1,1.5]，当数控机床购买时间不长时，可设置为接近1的数值，购买时间越短取值越靠近1，相反可适当增大比例系数的大小。

因此，数控机床加工工件的标准能耗限额可以表示为：

目前，针对工件加工过程的能耗限额缺乏科学、系统的制定策略以及具体、实用的制定方法，由于不同企业的加工需求和生产目标各不相同，加大了能耗限额的制定难度，本发明所提出的一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额制定方法，对于揭示工件加工过程的能耗细节，评价加工过程的能量消耗，实现加工过程的能效提升，完善机械加工制造企业加工车间的能源管理体系，实现机械加工制造企业绿色可持续的发展等都具有重要指导意义。

基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额是本发明提出的，其含义是在标准工作环境下，数控机床在加工由各类特征组成的工件时每类特征的标准能耗限额之和，而每类特征的标准能耗又可以根据数控机床的固有比能预测方法获取。该限额值反映的是数控机床加工某种工件的能力，表现形式并非是一个工件对应一个能耗数据的一一对应关系，而是由一组或多组特征固有能耗数据组组成，能够详细反映出由各种特征组成的工件，在整个机械加工过程中各类特征的综合能量消耗信息。数控机床对每种类型的工件特征都对应一套自身的固有能量消耗属性，它与未来某一具体加工过程无关，是数控机床自身加工过程能量消耗特性的体现，基于数控机床固有比能制定的工件标准能耗限额是本发明提出的一种新的能耗限额确定方法，既可以反映出数控机床加工工件的能力，也可以反映出工件加工全过程所消耗的总能耗限额以及工件加工过程中各特征的能耗限额。通过该方法确定的工件标准能耗限额有效弥补了传统能耗限额制定方法受加工环境影响较大，导致准确性、客观性和适用性有待进一步提高的不足，也为加强数控机床能量消耗管理和提高能量效率而提供了一种新的措施。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取数控机床的固有比能；

固有比能是指加工系统加工j类特征时的总能量消耗与系统等效物料去除量的比值，固有比能模型表示为：

其中，SEC^j为加工第j类特征时的固有比能，Δmⁱ是特征j的第i个子特征的材料去除质量、ρⁱ为其材料密度，

为特征j的第i个子特征的被加工概率；/>

分别为数控机床加工特征j的固有待机能耗、固有启动能耗、固有空载能耗和固有切削能耗；

2)获得工件标准能耗限额

通过对具有不同种类加工特征的工件的多个标准能耗限额值进行集成得到工件整体的标准能耗限额；

2.1)根据预先提出的数控机床固有比能预测模型，确定各特征的标准能耗限额；数控机床加工j类特征时的固有比能可表示为：

那么，加工j类特征时的标准能耗限额为：

其中，ψ为比例系数，与数控机床服役时间长短有关，取值范围设置为[1,1.5]，当数控机床购买时间越短取值越靠近1，相反则适当增大比例系数的大小；

2.2)工件的标准能耗限额表示为：

2.根据权利要求1所述的基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，其特征在于，所述步骤1)中固有切削能耗是通过加工的工件的特征的设计信息和加工信息，计算出该特征的理论切削能量消耗，获得该数控机床加工各类特征时的固有切削能耗；所述工件的特征的设计信息包括几何尺寸和材料特性，所述加工信息包括切削参数和工艺参数；所述工件的特征为几何特征或形状特征。

3.根据权利要求2所述的基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，其特征在于，所述步骤1)中特征的设计信息和加工信息，可通过工件设计时的CAD和CAPP信息直接获取。

4.根据权利要求2所述的基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，其特征在于，所述步骤1)中获得该数控机床加工各类特征时的固有切削能耗，具体如下：

对每个特征的切削能耗E_MA，如下：

其中，P_c为切削功率，P_c＝u_s·MRR，u_s为切除单位材料体积所消耗的能量，MRR为特征加工过程中的材料切除率；

t_c为切削加工的时间，利用切除体积与材料切除率之比来计算真正进行切削加工的时间，

其中，V为工件加工过程中的材料切除体积，通过工件特征计算得到；MRR为特征加工过程中的材料切除率；

数控机床加工j类特征时的固有切削能耗为

为加工第i个子特征的切削能耗，则加工j类特征时的固有切削能耗可表示为：

5.根据权利要求1所述的基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，其特征在于，所述步骤1)中固有启动能耗根据加工各类特征时的主轴转速确定；具体如下：

对每个特征的启动能耗：

E_SU(n_i)＝An_i ²+Bn_i+C

其中，n_i为数控机床主轴转速，E_SU(n_i)为该主轴转速下的启动能耗；

数控机床加工某类特征时的固有启动能耗为

为加工第i个子特征时的启动能耗，/>

为未来加工该类特征时，第i个子特征被加工的概率；则固有启动能耗为：

6.根据权利要求1所述的基于数控机床固有比能的工件标准能耗限额确定方法，其特征在于，所述步骤1)中固有空载能耗根据数控机床稳定运行时测量得到的不同转速下的空载功率确定；具体如下：

将数控机床稳定运行时测量得到的不同转速下的空载功率作为加工特征的空载能耗

E_UL(n_i)＝Dn_i ²+En_i+F；

其中，n_i为数控机床主轴转速；

数控机床稳定运行后，一次性测取各个不同转速下的空载功率，确定拟合系数；

定义数控机床加工j类特征时的固有空载能耗为

为加工第i个子特征的空载能耗，则固有空载能耗可表示为：

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