CN112230601A - 数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法 - Google Patents

数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法。包括：步骤1：将数控机床主轴系统加工过程分为瞬态过程和稳态过程；步骤2，计算数控机床主轴系统稳态过程能耗；步骤3，计算数控机床主轴系统瞬态过程能耗；步骤4，确定数控机床主轴停转节能满足条件；步骤5，确定数控机床主轴停转节能临界时间满足条件；步骤6，计算出数控机床主轴停转技能临界时间；步骤7，建立数控机床主轴停转节能方法节能预测模型。本发明方法操作简单且易为推广，能够精确计算数控机床主轴停转节能临界时间并评估节能效果，对数控机床节能具有较好的指导意义。

Description

数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法
技术领域
本发明涉及一种数控机床主轴停转节能领域，尤其是一种数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法。
背景技术
我国作为一个制造业大国，数控机床的保有量位于世界前列，能源消耗量巨大，由于数控机床加工过程中的非增值活动占比较多，造成了能源的大量浪费，所以对数控机床加工过程中的能量消耗与节能技术进行研究具有重大意义。
目前针对减少机床运行过程中能耗的研究中，一般采用的方法是对数控机床进行高能效改造、加工过程工艺调度优化、优化数控机床的工艺参数、机床的节能控制等方面，而在机床的节能控制方面，由于数控机床主轴系统的能耗在数控机床总体能耗中占比较大，而目前针对数控机床主轴系统的能耗节能问题仍缺乏一种完整有效的数控机床主轴系统的停转节能方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在切削之前根据主轴目标转速精确确定主轴停转节能的临界时间，并基于临界时间与两个切削活动之间的时间实现对数控机床主轴系统的停转节能，并根据相应参数评估其节能效果。
一种数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法，包括如下步骤：
步骤1，将数控机床主轴系统运动过程划分为稳态过程与瞬态过程两个部分，数控机床主轴系统运动过程总能耗E计算为:
E＝ES+ET
其中，E表示数控机床主轴系统运动过程总能耗；ES表示主轴转速n下稳态过程能耗；ET表示主轴从初始转速n0加速至目标转速n1的瞬态过程的能耗。
步骤2，数控机床主轴系统稳态过程能耗包括主轴旋转能耗PSR(n)和机床基本模块能耗PB两个部分，可计算为：
ES＝PSt＝[PSR(n)+PB]t
其中：PS表示主轴转速n下稳态过程功率；PSR(n)表示主轴转速n下的主轴旋转功率；PB表示机床基本模块功率；t表示稳态过程持续时间。
步骤3，数控机床主轴系统瞬态过程能耗可计算为：
Figure BDA0002734466610000021
其中，tT1表示主轴旋转加速过程时间，s；PT1表示主轴旋转加速功率，W；PB表示数控机床基本模块功率，W；tT2表示主轴旋转过渡过程时间，s；PSR()表示主轴旋转功率函数；n0表示主轴初始转速，r/min；α表示主轴旋转加速过程的角加速度；rad/s2；Ts表示主轴旋转加速的加速转矩，N·m；n1表示主轴旋转加速的目标转速，r/min。
步骤4，数控机床主轴停转节能应该满足以下条件：
(1)两次切削活动之间的时间应大于主轴停转节能的临界时间。
(2)主轴停转之后再启动并加速至目标转速过程中的能耗应小于主轴一直维持原转速转动的能耗(原转速与目标转速一致)。
其表达式为：
Figure BDA0002734466610000022
其中，tI表示两次切削活动之间的时间，s；tmin表示主轴停转节能的临界时间，s；PSR()表示主轴旋转功率函数；n1表示主轴目标转速，r/min；PB表示机床基本模块功率，W；tT表示主轴旋转加速瞬态过程时间，s；ET表示主轴系统瞬态过程能耗，J。
步骤5，数控机床主轴系统停转节能临界时间应该满足以下条件：
(1)主轴停转节能的临界时间应该大于或等于主轴旋转加速瞬态过程时间。
(2)在相同时间(此为临界时间)之内，主轴停转一段时间和再启动并加速至目标转速过程中的能耗等于主轴一直维持原转速转动的能耗(原转速与目标转速一致)。
其表达式为：
Figure BDA0002734466610000031
其中，tmin表示主轴停转节能的临界时间，s；tT表示主轴旋转加速瞬态过程时间，s；PSR()表示主轴旋转功率函数；PB表示机床基本模块功率，W；ET表示主轴系统瞬态过程能耗，J。
步骤6，数控机床主轴停转节能临界时间可计算为:
Figure BDA0002734466610000032
其中，tT1表示主轴旋转加速过程时间，s；ASR表示主轴旋转功率公式一次项系数；α表示主轴旋转加速过程的角加速度；rad/s2；Ts表示主轴旋转加速的加速转矩，N·m；BSR表示主轴旋转功率公式常数项；tT2表示主轴旋转过渡过程时间，s；n1表示主轴目标转速，r/min。
步骤7，使用数控机床主轴系统停转节能的方法进行节能，其节约的能量可计算为：
ESA＝tI(PSR(n1)+PB)-(tI-tT)PB-ET
其中，ESA表示使用停转节能方法节约的能量，W；TI表示两次切削活动之间的时间，s；PSR()表示主轴旋转功率函数；n1表示主轴目标转速，r/min；PB表示机床基本模块功率，W；tT表示主轴旋转加速瞬态过程时间，s；ET表示主轴系统瞬态过程能耗，J。
其可进一步表示为：
ESA＝(tI-tmin)PSR(n1)
其中，TI表示两次切削活动之间的时间，s；tmin表示主轴停转节能的临界时间，s；PSR()表示主轴旋转功率函数；n1表示主轴目标转速，r/min；
在步骤3中，主轴旋转加速过程中的角加速度α和加速转矩Ts可以通过主轴启动实验获得，tT2可通过实验收集数据并对数据进行分析获得。
在步骤3中，tT1可计算为：
Figure BDA0002734466610000041
其中，n1表示主轴旋转加速的目标转速，r/min；n0表示主轴旋转加速的初始转速，r/min；α表示主轴旋转加速过程的角加速度；rad/s2。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明方法通过对数控机床的一些基本数据进行采集和数据处理，得到数控机床主轴系统运动过程中瞬态过程与稳态过程的能耗模型，建立数控机床主轴系统停转节能的条件模型与临界时间模型，计算停转节能的临界时间，随后再计算停转节能所节约的能量，使数控机床主轴可以在恰当时间停转以节约能量。
本发明方法操作简单且易于推广，能够精确计算数控机床主轴停转节能临界时间并可较为精确评估节能效果，可以为机械加工制造业乃至国家节能减排战略提供理论和技术上的支持。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明方法的基本参数示意图；
图3为本发明方法所涉及的能耗示意图。
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。
本发明提出了一种数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法。如图1所示，本方法是将数控机床主轴系统加工过程划分为稳态过程与瞬态过程两部分，分别建立数控机床稳态过程与瞬态过程的能耗模型，随后建立主轴停转节能的条件模型与临界时间模型，计算出临界时间，并根据相关数据建立主轴停转节能所节约的能量模型。
本发明实施例以数控机床CK6153i为例，因数控机床CK6153i的主传动系统包含四个档位，转速从高到低分为AH、BH、AL和BL，由于AH档位加工范围最大且最为常用，所以本实施例使用AH档位进行计算说明，采用本方法获取其主轴系统在AH档位下的功率及能耗值，并进行停转节能控制。
1.数控机床基本模块功率的获取
数控机床基本模块功率PB是通过采集多个数控机床的基本模块功率取平均值得到。启动数控机床CK6153i后，对机床不进行任何操作，让数控机床处于待机状态，在该状态下测量100组数控机床基本模块功率值，然后根据数控机床基本模块功率计算公式
Figure BDA0002734466610000061
计算得出数控机床CK6153i的基本模块功率为
Figure BDA0002734466610000062
2.数控机床主轴系统稳态过程功率的获取
数控机床CK6153i在待机状态下，控制主轴以500r/min旋转一段时间，使数控机床进行充分的预热，然后控制主轴在不同转速下进行旋转，获取对应稳定转速下的主轴旋转功率。
对采集到的数据进行处理后，得到如下主轴旋转功率模型，
PSR(n)＝1.09n+41.12(0r/min＜n≤1000r/min)
其中，PSR(n)表示转速为n时的主轴旋转功率，W；n表示主轴转速，r/min。
数控机床主轴系统稳态过程功率PS可由数控机床基本模块功率PB和主轴旋转功率PSR(n)计算得到，计算公式表示为：
PS＝1.09n+373.22(0r/min＜n≤1000r/min)
其中，n表示主轴转速，r/min。
3.数控机床主轴稳态过程能耗的获取
数控机床主轴稳态过程能耗可由主轴旋转功率、机床基本模块功率和稳态过程持续时间计算得到，计算公式可以表示为：ES＝[PSR(n)+332.1]t
其中，PSR()表示主轴旋转功率函数；n表示主轴转速，r/min；t表示数控机床主轴稳态过程持续时间，s。
4.数控机床主轴瞬态过程能耗的获取
根据主轴启动实验得到的数控机床AH传动链的主轴旋转加速过程的角加速度α＝39.78rad/s，主轴加速转矩TS＝28.42N·m。将α和TS代入主轴旋转加速过程主轴功率PT1的计算公式中，得到主轴旋转加速过程主轴功率PT1表达式为：
PT1＝PSR(n0+380t)+2.98n0+1130.7t(0≤t≤tTl)
其中，PSR()表示主轴旋转功率函数；n0表示主轴初始转速，r/min；t表示主轴旋转加速时间，s。
主轴旋转加速过程时间tTl的表达式为：tTl＝0.002632(n1-n0)
其中，n0表示主轴的初始转速，r/min；n1表示主轴的目标转速，r/min。
主轴从峰值功率过渡至稳定功率过程时间tT2与主轴的目标转速n1有关，采集到不同目标转速n1对应的过程时间tT2，将过程时间tT2与目标转速n1做线性回归，其表达式为：tT2＝0.037+1.471×10-4n1(R2＝0.9479)
主轴系统瞬态过程时间tT的表达式为：tT＝2.7791×10-3n1-0.002632n0+0.037
其中，n0表示主轴初始转速，r/min；n1表示主轴目标转速，r/min。
数控机床主轴瞬态过程能耗可由主轴旋转加速过程能耗、主轴旋转过渡过程能耗和瞬态过程的机床基本模块能耗计算得出，其计算公式表示为：
Figure BDA0002734466610000071
Figure BDA0002734466610000081
其中，PSR()表示主轴旋转功率函数；n0表示主轴初始转速，r/min；n1表示主轴目标转速，r/min。
5.数控机床主轴停转节能应满足的条件
想要实现主轴系统停转节能需要满足以下两个条件：
(1)两次切削活动之间的时间应大于主轴停转节能的临界时间。由于临界时间是实现停转节能最小的时间，当两次切削活动之间的时间小于临界时间时，无法起到节能效果，如图2所示。
(2)主轴停转之后再启动并加速至目标转速过程中的能耗应小于主轴一直维持原转速转动的能耗(原转速与目标转速一致)。本质上是主轴在目标转速下的主轴旋转能耗(如图3中能耗2、3、4、5、6面积之和)要大于主轴旋转加速过程能耗与主轴旋转过渡能耗之和(如图3中能耗1、4、5、6面积之和)。
其表达式为：
Figure BDA0002734466610000082
其中，tI表示两次切削活动之间的时间，s；tmin表示主轴停转节能的临界时间，s；PSR()表示主轴旋转功率函数；n1表示主轴目标转速，r/min；ET1表示主轴旋转加速过程能耗，J；ET2表示主轴旋转过渡能耗，J。
6.数控机床主轴系统停转节能临界时间应满足的条件
数控机床主轴系统停转节能临界时间应该满足以下两个条件：
(1)主轴停转节能的临界时间应该大于或等于主轴旋转加速瞬态过程时间。若临界时间小于主轴旋转加速瞬态过程时间，主轴停转之后在有限的时间之内无法完成加速活动，使主轴转速到达目标转速，如图2所示。
(2)在相同时间(此为临界时间)之内，主轴停转一段时间和再启动并加速至目标转速过程中的能耗等于主轴一直维持原转速转动的能耗(原转速与目标转速一致)。本质上就是主轴在目标转速下在到达临界时间时的能耗(如图3中能耗3、4、6面积之和)等于主轴旋转加速过程的能耗与主轴旋转过渡过程的能耗之和(如图3中能耗1、4、6面积之和)相等。
Figure BDA0002734466610000091
其中，tmin表示主轴停转节能的临界时间，s；tT表示主轴系统瞬态过程持续时间，s；PSR()表示主轴旋转功率函数；n1表示主轴目标转速，r/min；ET1表示主轴旋转加速过程能耗，J；ET2表示主轴旋转过渡能耗，J。
7.临界时间的计算
临界时间tmin计算为：
Figure BDA0002734466610000092
其中，tmin表示数控机床主轴系统停转节能临界时间，s；ASR为主轴旋转功率公式一次项系数；BSR为主轴旋转功率公式常数项；n1表示主轴加速目标转速，s。
8.数控机床主轴系统停转节能节能效果评估
使用数控机床主轴系统停转节能的方法进行节能，其节约的能量可计算为：ESA＝(tI-tmin)(ASRn1+BSR)
其中，tI表示两次切削活动之间的时间，s；tmin表示数控机床主轴系统停转节能临界时间，s；ASR为主轴旋转功率公式一次项系数；BSR为主轴旋转功率公式常数项；n1表示主轴加速目标转速，s。
例如，数控机床CK6153i主轴系统完成上一阶段切削活动后，距离下一次切削活动还有6.5s，下一阶段切削活动的主轴目标转速n1为900r/min，由于主轴目标转速处于(0,1000]之内，所以主轴旋转功率公式一次项系数ASR为1.09，常数项系数BSR为41.12，将上述信息代入入临界时间tmin求解公式中得到，
Figure BDA0002734466610000101
由于主轴两次切削活动之间的时间6.5s大于临界时间4.73s，所以主轴在完成上一阶段切削活动后，可以停止转动，然后在下一阶段切削任务开始前2.54s开始转动，使用节能效果预测公式计算得出可以节约能量1809.15J。
本发明方法可以确定数控机床主轴系统停转节能的临界时间并对节能效果进行评估，计算结果可以直接用于对数控机床主轴系统的停转节能，为机械加工制造业乃至国家节能减排战略提供理论和技术上的支持。
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 (3)

1.一种数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将数控机床主轴系统运动过程划分为稳态过程与瞬态过程两个部分，数控机床主轴系统运动过程总能耗E计算为：E＝ES+ET
其中，E表示数控机床主轴系统运动过程总能耗；ES表示主轴转速n下稳态过程能耗；ET表示主轴从初始转速n0加速至目标转速n1的瞬态过程的能耗；
步骤2，数控机床主轴系统稳态过程能耗包括主轴旋转能耗PSR(n)和机床基本模块能耗PB两个部分，可计算为：ES＝PSt＝[PSR(n)+PB]t
其中：PS表示主轴转速n下稳态过程功率；PSR(n)表示主轴转速n下的主轴旋转功率；PB表示机床基本模块功率；t表示稳态过程持续时间；
步骤3，数控机床主轴系统瞬态过程能耗可计算为：
Figure FDA0002734466600000011
其中，tT1表示主轴旋转加速过程时间，s；PT1表示主轴旋转加速功率，W；PB表示数控机床基本模块功率，W；tT2表示主轴旋转过渡过程时间，s；PSRO表示主轴旋转功率函数；n0表示主轴初始转速，r/min；α表示主轴旋转加速过程的角加速度；rad/s2；Ts表示主轴旋转加速的加速转矩，N·m；n1表示主轴旋转加速的目标转速，r/min；
步骤4，数控机床主轴停转节能应该满足以下条件：
(1)两次切削活动之间的时间应大于主轴停转节能的临界时间；
(2)主轴停转之后再启动并加速至目标转速过程中的能耗应小于主轴一直维持原转速转动的能耗(原转速与目标转速一致)；
其表达式为：
Figure FDA0002734466600000021
其中，tI表示两次切削活动之间的时间，s；tmin表示主轴停转节能的临界时间，s；PSRO表示主轴旋转功率函数；n1表示主轴目标转速，r/min；PB表示机床基本模块功率，W；tT表示主轴旋转加速瞬态过程时间，s；ET表示主轴系统瞬态过程能耗，J；
步骤5，数控机床主轴系统停转节能临界时间应该满足以下条件：
(1)主轴停转节能的临界时间应该大于或等于主轴旋转加速瞬态过程时间；
(2)在相同时间(此为临界时间)之内，主轴停转一段时间和再启动并加速至目标转速过程中的能耗等于主轴一直维持原转速转动的能耗(原转速与目标转速一致)；
其表达式为：
Figure FDA0002734466600000022
其中，tmin表示主轴停转节能的临界时间，s；tT表示主轴旋转加速瞬态过程时间，s；PSRO表示主轴旋转功率函数；PB表示机床基本模块功率，W；ET表示主轴系统瞬态过程能耗，J；
步骤6，数控机床主轴停转节能临界时间可计算为：
Figure FDA0002734466600000023
其中，tT1表示主轴旋转加速过程时间，s；ASR表示主轴旋转功率公式一次项系数；α表示主轴旋转加速过程的角加速度；rad/s2；Ts表示主轴旋转加速的加速转矩，N·m；BSR表示主轴旋转功率公式常数项；tT2表示主轴旋转过渡过程时间，s；n1表示主轴目标转速，r/min；
步骤7，使用数控机床主轴系统停转节能的方法进行节能，其节约的能量可计算为：ESA＝tI(PSR(n1)+PB)-(tI-tT)PB-ET
其中，ESA表示使用停转节能方法节约的能量，W；TI表示两次切削活动之间的时间，s；PSRO表示主轴旋转功率函数；n1表示主轴目标转速，r/min；PB表示机床基本模块功率，W；tT表示主轴旋转加速瞬态过程时间，s；ET表示主轴系统瞬态过程能耗，J；
其可进一步表示为：
ESA＝(tI-tmin)PSR(n1)
其中，TI表示两次切削活动之间的时间，s；tmin表示主轴停转节能的临界时间，s；PSRO表示主轴旋转功率函数；n1表示主轴目标转速，r/min。
2.如权利要求1所述数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法，其特征在于，在步骤3中，主轴旋转加速过程中的角加速度α和加速转矩Ts可以通过主轴启动实验获得，tT2可通过实验收集数据并对数据进行分析获得。
3.如权利要求1所述数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法，其特征在于，在步骤3中，tT1可计算为：
Figure FDA0002734466600000031
其中，n1表示主轴旋转加速的目标转速，r/min；n0表示主轴旋转加速的初始转速，r/min；α表示主轴旋转加速过程的角加速度；rad/s2。
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