CN113741346A - 一种面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机床能效评价技术领域，公开了一种面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，获取机床的基础功能数据，将加工不同工件的加工需求转化为不同的定制工况需求：精加工工况FM、半精加工工况SfM和粗加工工况RM；通过测量机床运行工况的功率参数，计算获得机床处于三类定制工况下的均值功率参数；通过计算机床在三类定制工况下的单位均值能耗和单位均值能效，计算获得面向定制化设计机床的单位均值能耗和单位均值能效。本发明表征了机床定制设计的确定性需求与机床未来服役过程的不确定性变化，所获取的单位均值能耗和单位均值能效可用于反映机床单位时间内完成定制工况任务的能量消耗和能量效率，可为定制机床的能效标签制定提供重要支撑。

Description

一种面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法
技术领域
本发明涉及机床能耗性能评价技术领域。
背景技术
我国机械加工正朝着高效率、高质量及高能效的制造方向发展。而以机床为主体的机械加工系统量大面广且能量消耗总量巨大、能量利用率偏低，所以提高机床的能量效率、促进机床行业的节能降耗对实现可持续发展战略意义重大。指导高能效机床的定制化设计，离不开对机床能耗性能进行客观、全面的评价。
国际标准委员会发布的ISO 14955系列标准提供了从机床整体到机床组件的能耗测试方法，即让机床在规定条件运行一段时段并测量其能耗和功率消耗，但该方法并未考虑到机床在未来服役阶段的动态加工过程。
日本标准协会出版JIS TS B 0024系列标准用于机床能量效率的测试与评估，并将加工标准样件的能量消耗作为机床能量效率评价指标。但需对每台定制机床设计一个标准样件，存在工作量大且操作复杂等难题。
Li等在论文《An empirical model for predicting energy consumption ofmanufacturing processes:a case of turning process》中基于材料去除率研究了车床的能量效率，但评价结果易受机床未来服役过程所加工工件材料、加工参数、刀具等因素影响。
正在批准的国家推荐标准《数控机床固有能量效率的评价方法》(20192988-T-604)和已授权的发明专利《一种机床服役周期能效潜力获取方法》(201910918467.7)主要面向于行业通用机床，不适用于高能效机床的定制设计。已授权的发明专利《一种面向机床整个使用阶段能量效率最高的机床评选方法》(201710464808.9)主要面向机床用户采购高能效机床，需人为设计多套工艺方案以及使用概率，评选结果较为主观，且难以考虑定制机床未来服役阶段可能出现的其他加工工艺。
综上所述，现有的机床能效评价方法未考虑定制化机床的运行加工特点，且未来不能适应机床加工需求发生变化的情形，因而难以用于支持高能效机床的定制设计。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，解决现有机床能效评价方法未考虑定制化机床的运行加工特点，且未来不能适应机床加工需求发生变化的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，包括以下步骤：
获取待测机床的基础功能数据，包括主轴额定转速nr、主轴最高转速nm和主轴额定转矩Tr；
将加工不同工件的加工需求转化为不同的定制工况需求：精加工工况FM、半精加工工况SfM和粗加工工况RM；
根据定制工况需求预测待测机床处于各个定制工况下的概率ρi，并且i∈[FM,SfM,RM]；
根据加工要求与待测机床的加工性能确定待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围，包括主轴转速范围
Figure BDA0003266770940000021
进给轴速度范围
Figure BDA0003266770940000022
以及主轴转矩范围
Figure BDA0003266770940000023
测量获取待测机床待机功率Pst、各个定制工况下的主轴空载功率函数Pi S(n)、各个定制工况下的进给轴进给功率函数Pi f(f)以及各个定制工况下的主轴附加载荷损耗系数αi；
根据待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围与测量获取的进给轴进给功率函数Pi f(f)，计算获取待测机床处于各个定制工况下的进给轴空载均值功率
Figure BDA0003266770940000024
根据以下公式计算待测机床处于各个定制工况下的单位均值能效
Figure BDA0003266770940000025
Figure BDA0003266770940000026
根据待测机床处于各个定制工况下的概率ρi与各个定制工况下的单位均值能效
Figure BDA0003266770940000027
计算待测机床的单位均值能效
Figure BDA0003266770940000028
进一步的，还包括对单位均值能耗进行评测：
以待测机床的历史运行数据为基础，通过统计或专家预测的方式确定待测机床在各个定制工况下的状态时长参数，包括机床停机时长占比λi 0、待机时长占比λi s、机床主轴空载时长占比λi u和机床切削时长占比λi c；
根据待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围与测量获取的机床待机功率Pst、主轴空载功率函数Pi S(n)、进给轴进给功率函数Pi f(f)，计算获取待测机床处于各个定制工况下的主轴空载均值功率
Figure BDA0003266770940000031
与切削均值功率
Figure BDA0003266770940000032
根据待测机床在各个定制工况下的状态时长参数，计算待测机床在各个定制工况下的单位均值能耗Ei：
Figure BDA0003266770940000033
根据待测机床处于各个定制工况下的概率ρi与各个定制工况下的单位均值能耗
Figure BDA0003266770940000034
计算待测机床的单位均值能耗
Figure BDA0003266770940000035
与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
1、虽然机床在服役过程中的具体加工工件可能发生各种各样的变化，但是不论加工工件如何变化，加工工况都只会在精加工、半精加工与粗加工中变化，并且定制化设计机床在设计时基本已经确定加工工况，其加工工况的分布概率容易准确预测。本发明将加工不同工件的加工需求转化为不同的定制工况需求，针对精加工工况、半精加工工况和粗加工工况三类定制工况，确定机床处于定制工况时的工作范围、概率以及状态时长参数，既满足了机床定制设计的确定性需求，又可适应机床未来服役过程的不确定性变化。
2、本发明首次提出单位能耗性能的概念，通过机床的单位均值能耗和单位均值能效实现不同规格的机床在同一时间尺度下进行能耗性能的比较；单位均值能耗表征的是机床在各定制工况下单位时间内消耗能量的加权平均值，单位均值能效表征的是机床在各定制工况下单位时间内能量效率的加权平均值。相比现有的总能耗、能量效率以及比能指标，单位均值能耗和单位均值能效可更全面地反映和评价所定制机床在定制工况下的能耗性能。
3、获取的机床单位均值能耗和机床单位均值能效均是从机床固有能量消耗特性出发，综合考虑了机床未来服役阶段在精加工、半精加工、粗加工三种工况下的使用概率，可以避免现有方法加工参数预测困难、标准工件构建困难等问题，主观因素影响更小，评价结果更加客观、真实、合理。
4、本发明的获取方法不仅可以指导高能效机床定制设计，还可以为定制机床的能效标签制定提供重要支撑，具有较广阔的应用前景。
具体实施方式
一种面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，包括以下步骤：
获取待测机床的基础功能数据，包括主轴额定转速nr、主轴最高转速nm和主轴额定转矩Tr；本具体实施方式依据待评价机床的说明书获取参数nr、nm、Tr为主轴额定转矩，也可以通过测量获取。
将加工不同工件的加工需求转化为不同的定制工况需求：精加工工况FM、半精加工工况SfM和粗加工工况RM。
根据定制工况需求预测待测机床处于各个定制工况下的概率ρi，并且i∈[FM,SfM,RM]。
根据加工要求与待测机床的加工性能确定待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围，包括主轴转速范围
Figure BDA0003266770940000041
进给轴速度范围[fi low,fi up]以及主轴转矩范围[Ti low,Ti up]。
测量获取待测机床待机功率Pst、各个定制工况下的主轴空载功率函数Pi S(n)、各个定制工况下的进给轴进给功率函数Pi f(f)以及各个定制工况下的主轴附加载荷损耗系数αi；
根据待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围与测量获取的进给轴进给功率函数Pi f(f)，计算获取待测机床处于各个定制工况下的进给轴空载均值功率
Figure BDA0003266770940000042
Figure BDA0003266770940000043
根据以下公式计算待测机床处于各个定制工况下的单位均值能效
Figure BDA0003266770940000044
Figure BDA0003266770940000045
根据待测机床处于各个定制工况下的概率ρi与各个定制工况下的单位均值能效
Figure BDA0003266770940000046
计算待测机床的单位均值能效
Figure BDA0003266770940000047
为了更加全面的评价机床的能量消耗特性，还对单位均值能耗进行评测，包括以下步骤：
以待测机床的历史运行数据为基础，参考ISO 14955系列标准中各状态时长占比，通过统计或专家预测的方式确定待测机床在各个定制工况下的状态时长参数，包括机床停机时长占比λi 0、待机时长占比λi s、机床主轴空载时长占比λi u和机床切削时长占比λi c。
根据待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围与测量获取的机床待机功率Pst、主轴空载功率函数Pi S(n)、进给轴进给功率函数Pi f(f)，计算获取待测机床处于各个定制工况下的主轴空载均值功率
Figure BDA0003266770940000051
与切削均值功率
Figure BDA0003266770940000052
其中，机床待机功率Pst、机床主轴空载功率函数Pi S(n)以及机床进给轴进给函数Pi f(f)的获取方法参考申请者已授权发明专利《数控机床的固有能效要素函数获取系统与获取方法》(ZL 201910087195.0)；载荷损耗系数αi可通过切削实验法(可参考已授权发明专利《机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法》(ZL 201110095627.6))、映射实验法(可参考已授权发明专利《一种机床切削加工系统附加载荷损耗系数的获取方法》(ZL201510052283.9))和计算获取法(可参考已授权发明专利《一种机床主动力系统载荷损耗系数的获取方法》(ZL 201510092816.6))三种方法中的任意一种获取。
待测机床处于各个定制工况下的主轴空载均值功率
Figure BDA0003266770940000053
Figure BDA0003266770940000054
待测机床处于各个定制工况下的切削均值功率
Figure BDA0003266770940000055
Figure BDA0003266770940000056
根据待测机床在各个定制工况下的状态时长参数，计算待测机床在各个定制工况下的单位均值能耗
Figure BDA0003266770940000057
Figure BDA0003266770940000058
根据待测机床处于各个定制工况下的概率ρi与各个定制工况下的单位均值能耗
Figure BDA0003266770940000059
计算待测机床的单位均值能耗
Figure BDA00032667709400000510
为更好地说明本发明的技术方案，以某机床用户采购一台YDE3120CNC直驱数控高速干切滚齿机为例。首先依据机床说明书，获取该滚齿机的基础功能数据，如表1所示：
表1 YDE3120CNC型滚齿机基础功能数据
Figure BDA00032667709400000511
Figure BDA0003266770940000061
经了解，该机床用户采购YDE3120CNC型滚齿机用于粗加工工况，即此台滚齿机处于精加工工况下的概率ρFM＝0％，处于半精加工工况下的概率ρSfM＝0％，处于粗加工工况下的概率ρRM＝100％。
值得说明的是，本实施例所涉及的粗加工工况包含了该定制化机床现在和未来服役过程的各种零件的粗加工工况。由于本发明将机床单位能耗性能与具体的加工参数、加工工件解耦，因而可以适应未来粗加工过程发生的加工参数或加工工件变化。由此可见，相比于现有技术，本发明主观因素影响小，评价结果更加客观、真实、合理，更能适应定制化机床未来服役过程的变化。同样的，对于精加工和半精加工亦然。
依据该机床用户实际加工需求以及机床的加工精度、生产效率等要求，确定YDE3120CNC型滚齿机用于粗加工工况时的工作范围，即主轴转速范围为[700,1300]、X轴进给速度范围为[40,180]，Z轴进给速度范围为[60,200]，主轴转矩范围为[35,60]；
然后，预估YDE3120CNC型滚齿机在粗加工工况时的状态时长参数，包括机床停机时长占比
Figure BDA0003266770940000062
待机时长占比
Figure BDA0003266770940000063
机床主轴空载时长占比
Figure BDA0003266770940000064
和机床切削时长占比
Figure BDA0003266770940000065
接着，检测YDE3120CNC型滚齿机的运行能耗数据，并参考已授权的发明专利获取该滚齿机的功率参数，包括机床待机功率、机床主轴空载功率函数、机床进给轴进给功率以及载荷损耗系数，如表2所示：
表2 YDE3120CNC型滚齿机功率参数
Figure BDA0003266770940000066
依据表2可知YDE3120CNC型滚齿机用于粗加工工况下的均值功率参数，即主轴空载均值功率
Figure BDA0003266770940000071
为247.67、X轴进给均值功率
Figure BDA0003266770940000072
为402.53W、Z轴进给均值功率
Figure BDA0003266770940000073
为579.74W、切削均值功率
Figure BDA0003266770940000074
为4973.82W；
于是，计算获得YDE3120CNC型滚齿机处于粗加工工况下的单位均值能耗
Figure BDA0003266770940000075
Figure BDA0003266770940000076
同理，计算获得YDE3120CNC型滚齿机处于粗加工工况下的单位均值能效
Figure BDA0003266770940000077
Figure BDA0003266770940000078
因此，YDE3120CNC型滚齿机的单位均值能耗
Figure BDA0003266770940000079
单位均值能效
Figure BDA00032667709400000710
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 (5)

1.一种面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待测机床的基础功能数据，包括主轴额定转速nr、主轴最高转速nm和主轴额定转矩Tr；
将加工不同工件的加工需求转化为不同的定制工况需求：精加工工况FM、半精加工工况SfM和粗加工工况RM；
根据定制工况需求预测待测机床处于各个定制工况下的概率ρi，并且i∈[FM,SfM,RM]；
根据加工要求与待测机床的加工性能确定待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围，包括主轴转速范围
Figure FDA0003266770930000011
进给轴速度范围[fi low,fi up]以及主轴转矩范围[Ti low,Ti up]；
测量获取待测机床待机功率Pst、各个定制工况下的主轴空载功率函数Pi S(n)、各个定制工况下的进给轴进给功率函数Pi f(f)以及各个定制工况下的主轴附加载荷损耗系数αi；
根据待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围与测量获取的进给轴进给功率函数Pi f(f)，计算获取待测机床处于各个定制工况下的进给轴空载均值功率
Figure FDA0003266770930000012
根据以下公式计算待测机床处于各个定制工况下的单位均值能效
Figure FDA0003266770930000013
Figure FDA0003266770930000014
根据待测机床处于各个定制工况下的概率ρi与各个定制工况下的单位均值能效
Figure FDA0003266770930000015
计算待测机床的单位均值能效
Figure FDA0003266770930000016
Figure FDA0003266770930000017
2.根据权利要求1所述的面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，其特征在于，待测机床处于各个定制工况下的进给轴空载均值功率
Figure FDA0003266770930000018
Figure FDA0003266770930000019
3.根据权利要求1所述的面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，其特征在于，还包括对单位均值能耗进行评测：
以待测机床的历史运行数据为基础，通过统计或专家预测的方式确定待测机床在各个定制工况下的状态时长参数，包括机床停机时长占比
Figure FDA00032667709300000110
待机时长占比
Figure FDA00032667709300000111
机床主轴空载时长占比
Figure FDA00032667709300000112
和机床切削时长占比
Figure FDA00032667709300000113
根据待测机床处于各个定制工况下的工作参数范围与测量获取的机床待机功率Pst、主轴空载功率函数Pi S(n)、进给轴进给功率函数Pi f(f)，计算获取待测机床处于各个定制工况下的主轴空载均值功率
Figure FDA0003266770930000021
与切削均值功率
Figure FDA0003266770930000022
根据待测机床在各个定制工况下的状态时长参数，计算待测机床在各个定制工况下的单位均值能耗
Figure FDA0003266770930000023
Figure FDA0003266770930000024
根据待测机床处于各个定制工况下的概率ρi与各个定制工况下的单位均值能耗
Figure FDA0003266770930000025
计算待测机床的单位均值能耗
Figure FDA0003266770930000026
Figure FDA0003266770930000027
4.根据权利要求3所述的面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，其特征在于，待测机床处于各个定制工况下的主轴空载均值功率
Figure FDA0003266770930000028
Figure FDA0003266770930000029
5.根据权利要求3所述的面向定制化设计机床的单位能耗性能评测方法，其特征在于，待测机床处于各个定制工况下的切削均值功率
Figure FDA00032667709300000210
Figure FDA00032667709300000211
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