CN115903671A - 数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，包括：采集相邻切削活动间的主轴状态转速和空载间隔时间；获取数控机床各运动状态下的能耗；基于主轴状态转速和数控机床各运动状态下的能耗，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗；预设节能前提条件，当机床空载运动过程的能耗、实施主轴减速策略时的能耗和空载间隔时间满足节能前提条件后，获取主轴减速节能临界时间，当空载间隔时间大于主轴减速节能临界时间时，在空载间隔中进行主轴减速。本发明通过降低数控机床空载运行时的主轴转速来减少机床空载过程的能量消耗，从而提高机床的能量利用率，进而避免了机床频繁启停对主传动系统以及电机带来的损耗。

Description

数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法。

背景技术

数控机床作为机械制造业中主要的能源消耗及碳排放大户，在节能减排中起着举足轻重的作用。同时，大量研究结果表明，机床装备的能量平均利用率低下，平均低于30％。由此可见，探究机床装备节能问题，具有十分重要的理论指导意义和实际应用价值，有利于机械制造业节能减排的顺利推进。

由于数控机床在工件加工过程中存在着进刀、退刀、换刀等空载运动过程，此时机床主传动系统未处于加工状态，是一个能量完全浪费的过程，也是造成机床装备能量利用率低的主要原因之一。为此，CN200810070302.0公开的名称为《一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法》的发明专利，公开了一种数控机床空载运行时停机节能的方法，该方法采用停机再启动的方式来减小机械制造过程中机床空载运行过程的时间和能量消耗，从而达到节能的目的。CN202011128991.3公开的名称为《数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法》的发明专利，提供了一种数控机床空载运行时主轴停转的节能方法，并且能够根据主轴初始转速以及目标转速精准的计算出主轴停转节能的临界时间和节能效果。

上述的数控机床空载运行过程的节能方法，无论是机床停机节能还是主轴停转节能，虽然能够达到节能的效果，但是在车间实际加工操作中，机床的频繁启停会对机床主传动系统以及机床电机产生一定的冲击，甚至影响其使用寿命。这种以牺牲机床服役寿命为代价换来的节能效果得不偿失。因此，针对数控机床空载运行过程的能量浪费问题，目前仍缺乏一种有效的节能方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，通过降低数控机床空载运行时的主轴转速来减少机床空载过程的能量消耗，从而提高机床的能量利用率，进而避免了机床频繁启停对主传动系统以及电机带来的损耗。

为实现上述目的，本发明提供了数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，包括：

采集相邻切削活动间的主轴状态转速和空载间隔时间；

获取数控机床各运动状态下的能耗；

基于所述主轴状态转速和所述数控机床各运动状态下的能耗，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗；

预设节能前提条件，当所述机床空载运动过程的能耗、实施主轴减速策略时的能耗和所述空载间隔时间满足所述节能前提条件后，获取主轴减速节能临界时间，当所述空载间隔时间大于所述主轴减速节能临界时间时，在空载间隔中进行主轴减速。

进一步地，所述主轴状态转速包括：主轴初始转速、主轴目标转速和主轴减速后的转速。

进一步地，所述数控机床各运动状态下的能耗包括：机床基础模块能耗、机床主轴恒速旋转运动能耗和机床主轴加速运动能耗；

所述机床基础模块能耗为：

其中，E_standby为机床基础模块能耗，P_standby为维持机床基础模块运行时的功率，P_{standby_i}为实验装置第i个采集到的机床基础模块功率值，N为数据采集的次数；T_standby为维持机床基础模块运行的时间；

所述机床主轴恒速旋转运动能耗为：

E_spindle＝P_spindle×T_spindle＝(A_sp+B_sp×n)×T_spindle

其中，E_spindle为机床主轴恒速旋转运动能耗，P_spindle为机床主轴恒速旋转运动时的功率，n为主轴转速，A_sp和B_sp为公式的系数，T_spindle为维持主轴恒速旋转运动的时间；

所述机床主轴加速运动能耗为：

其中，E_SRA为机床主轴加速运动能耗，T_s为主轴系统等效到主轴的加速转矩，α为主轴角加速度，n₁为主轴初始转速，n₂为主轴目标转速，T_SRA1为主轴加速开始到功率峰值时段的时间，T_SRA2为从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间。

进一步地，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗包括；

获取主轴旋转加速过程的时间；

基于所述主轴初始转速、所述主轴目标转速、所述数控机床各运动状态下的能耗和所述主轴旋转加速过程的时间，获取所述机床空载运动过程的能耗；

基于所述主轴减速后的转速、所述主轴目标转速、所述数控机床各运动状态下的能耗和所述主轴旋转加速过程的时间，获取所述实施主轴减速策略时的能耗。

进一步地，所述主轴旋转加速过程的时间，基于所述主轴加速开始到功率峰值时段的时间与所述从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间获得。

进一步地，所述机床空载运动过程的能耗为：

其中，E_{no_load}为机床空载运动过程的能耗，T_O为空载间隔时间。

进一步地，所述实施主轴减速策略时的能耗为：

其中，E_deceleration为实施主轴减速策略时的能耗，n_i为主轴减速后的转速。

进一步地，所述节能前提条件为：

所述实施主轴减速策略时的能耗小于所述机床空载运动过程的能耗，并且所述主轴旋转加速过程的时间小于所述空载间隔时间。

进一步地，所述主轴减速节能临界时间为：当机床以原加工运行状态运行时的能量需求与主轴减速后再加速至目标转速时的能量需求相等时所需要的时间。

进一步地，在空载间隔中进行所述主轴减速的节能量为：

E_saving＝E_{no_load}-E_deceleration

其中，E_saving为节能量，E_{no_load}为机床空载运动过程的能耗，E_deceleration为实施主轴减速策略时的能耗。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明着眼于数控机床空载过程的能量浪费问题，通过降低机床空载运行时的主轴转速来减少机床空载过程的能量消耗，从而提高机床的能量利用率，进而避免了传统的主轴停转节能方法对机床主传动系统以及电机带来的损耗。

本发明方法具有节能预测计算精确、推广应用方便等特点，可以帮助工程师和管理人员更好地对机床装备进行节能管理，进而为企业的节能减排与效益提升提供理论指导。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的节能方法流程示意图；

图2为本发明实施例的主轴减速示意图；

图3为本发明实施例的节能效果示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例

本实施例提供了数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，包括：

采集相邻切削活动间的主轴状态转速和空载间隔时间；

获取数控机床各运动状态下的能耗；

基于所述主轴状态转速和所述数控机床各运动状态下的能耗，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗；

预设节能前提条件，当所述机床空载运动过程的能耗、实施主轴减速策略时的能耗和所述空载间隔时间满足所述节能前提条件后，获取主轴减速节能临界时间，当所述空载间隔时间大于所述主轴减速节能临界时间时，在空载间隔中进行主轴减速。

进一步地，所述主轴状态转速包括：主轴初始转速、主轴目标转速和主轴减速后的转速。

进一步地，所述数控机床各运动状态下的能耗包括：机床基础模块能耗、机床主轴恒速旋转运动能耗和机床主轴加速运动能耗；

所述机床基础模块能耗为：

其中，E_standby为机床基础模块能耗，P_standby为维持机床基础模块运行时的功率，P_{standby_i}为实验装置第i个采集到的机床基础模块功率值，N为数据采集的次数；T_standby为维持机床基础模块运行的时间；

所述机床主轴恒速旋转运动能耗为：

E_spindle＝P_spindle×T_spindle＝(A_sp+B_sp×n)×T_spindle

其中，E_spindle为机床主轴恒速旋转运动能耗，P_spindle为机床主轴恒速旋转运动时的功率，n为主轴转速，A_sp和B_sp为公式的系数，T_spindle为维持主轴恒速旋转运动的时间；

所述机床主轴加速运动能耗为：

其中，E_SRA为机床主轴加速运动能耗，T_s为主轴系统等效到主轴的加速转矩，α为主轴角加速度，n₁为主轴初始转速，n₂为主轴目标转速，T_SRA1为主轴加速开始到功率峰值时段的时间，T_SRA2为从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间。

进一步地，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗包括；

获取主轴旋转加速过程的时间；

基于所述主轴初始转速、所述主轴目标转速、所述数控机床各运动状态下的能耗和所述主轴旋转加速过程的时间，获取所述机床空载运动过程的能耗；

基于所述主轴减速后的转速、所述主轴目标转速、所述数控机床各运动状态下的能耗和所述主轴旋转加速过程的时间，获取所述实施主轴减速策略时的能耗。

进一步地，所述主轴旋转加速过程的时间，基于所述主轴加速开始到功率峰值时段的时间与所述从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间获得。

进一步地，所述节能前提条件为：

所述实施主轴减速策略时的能耗小于所述机床空载运动过程的能耗，并且所述主轴旋转加速过程的时间小于所述空载间隔时间。

进一步地，所述主轴减速节能临界时间为：当机床以原加工运行状态运行时的能量需求与主轴减速后再加速至目标转速时的能量需求相等时所需要的时间。

进一步地，在空载间隔中进行所述主轴减速的节能量为：

E_saving＝E_{no_load}-E_deceleration

其中，E_saving为节能量，E_{no_load}为机床空载运动过程的能耗，E_deceleration为实施主轴减速策略时的能耗。

本发明提出了一种数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，采集相邻切削活动间的主轴状态转速和空载间隔时间；获取数控机床各运动状态下的能耗；基于主轴状态转速和数控机床各运动状态下的能耗，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗；预设节能前提条件，当机床空载运动过程的能耗、实施主轴减速策略时的能耗和空载间隔时间满足节能前提条件后，获取主轴减速节能临界时间，当空载间隔时间大于主轴减速节能临界时间时，在空载间隔中进行主轴减速。流程示意图如图1所示。

下面以一台型号为CK6153i的数控车床为例，对上述的主轴减速节能方法进行详细说明，具体过程如下：

1.获取数控机床各运动状态下的能耗

①机床基础模块(风扇、照明、显示器、控制面板等)能耗公式

数控机床开启后，维持数控机床基础模块运行的功率值基本稳定；因此，可用N个实测功率值的平均值计算数控机床基础能量需求；根据功率采集实验装置采集到的实验数据(表1机床基础模块运行功率测量值)，进一步得出CK6153i数控车床的基础模块能耗：

式中，P_standby为维持机床基础模块运行时的功率，单位W；P_{standby_i}为实验装置第i个采集到的机床基础模块功率值，单位W；N为数据采集的次数；T_standby为维持机床基础模块运行的时间，单位s，通过数控程序得到；

表1

②机床主轴恒速旋转运动能耗

通过采集CK6153i数控车床在不同转速下的主轴旋转总功率，减去维持数控机床基础模块运行的功率，可得到主轴旋转功率；根据实验数据(表2不同转速下主轴旋转功率测量值)，拟合结果得到A_sp＝41.12、B_sp＝1.09，因此进一步得出主轴恒速旋转运动能耗：

E_spindle＝P_spindle×T_spindle＝(A_sp+B_sp×n)×T_spindle＝(1.09n+41.12)×T_spindle  (2)

式中，P_spindle为机床主轴恒速旋转运动时的功率，单位W；n为主轴转速，单位r/min；A_sp和B_sp为公式的系数，通过实验数据线性拟合得到；T_spindle为维持主轴恒速旋转运动的时间，单位s，通过数控程序得到；

表2

③机床主轴加速运动能耗公式

CK6153i数控车床共有四个档位，从高速到低速依次是AH、BH、AL、和BL，对应四条传动链，其中AH档位加工范围最广且常用，本实施例以AH档位为例进行主轴加速实验。且根据主轴启动实验结合统计分析方法得到AH挡位传动链的系数T_s＝28.42N·m、α＝39.78rad/s²。因此，主轴旋转加速过程的时间可表示为:

式中，T_SRA为主轴旋转加速过程的时间，单位s；T_SRA1为主轴加速开始到功率峰值时段的时间，单位s；T_SRA2为从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间，单位s。

同样，进一步得出机床主轴加速运动能耗公式：

根据式(1)、式(2)、式(3)和式(4)，以及数控机床主轴初始转速n₁、主轴目标转速n₂，可以计算出任何转速下机床空载运动过程的能量消耗,本实施例以主轴初始转速小于目标转速为例，其空载过程的能量消耗E_{no_load}表达式为：

同样，根据式(1)、式(2)、式(3)和式(4)，以及数控机床主轴减速后的转速n_i、主轴目标转速n₂，可以计算出实施主轴减速策略时的能量消耗E_deceleration，其表达式为：

根据式(5)和式(6)进一步计算出，数控机床相邻切削活动间空载过程实施主轴减速策略的节能临界时间T_saving，其表达式为：

E_SRA(n_i_n₂)-E_SRA(n₁_n₂)

同样，根据式(5)和式(6)进一步计算出，数控机床相邻切削活动间空载过程实施主轴减速策略的节能效果E_saving，其表达式为：

此外，对于给定的机床型号，上述公式都是长期不变和可用的。

2.机床主轴减速节能决策

在上述CK6153i数控车床加工某一零件时，根据加工工艺要求，需要在500r/min转速下车端面，以及1000r/min转速下车外圆。该相邻切削活动间存在退刀，进刀等空载运动阶段，总时长为10秒，即T_O＝10s。具体决策步骤如下：

①将n₁＝500r/min，n₂＝1000r/min带入式(5)，计算出该相邻切削活动间机床空载过程的能量消耗E_{no_load}为12185.79J；

②假设减速后的主轴转速n_i＝200r/min，带入式(6)，计算出该相邻切削活动间实施主轴减速策略时的能量消耗E_deceleration为10359.14J；

③将减速后的主轴转速n_i＝200r/min，目标转速n₂＝1000r/min带入式(3)，计算出主轴减速后再加速至目标转时的时间需求T_SRA为1.50s；

④若E_{no_load}＞E_deceleration且T_O＞T_SRA，则表明此情形下满足机床实施主轴减速策略能够达到节能效果的前提条件；在本实施例中E_{no_load}＝12185.79J＞E_deceleration＝10359.14J且T_O＝10s＞T_SRA＝1.50s，即满足前提条件。

⑤将n₁＝500r/min、n₂＝1000r/min和n_i＝200r/min带式(7)中，计算出该相邻切削活动间实施主轴减速策略时的节能临界时间T_saving为4.41s；表明如果相邻两次切削活动之间的空载间隔时间大于4.41s，即可在空载间隔中实施主轴减速策略，来达到节能的目的，如图2所示；其中，在本实施例中，T_O＝10s。

⑥将n₁＝500r/min、n₂＝1000r/min、n_i＝200r/min和T_O＝10s带式(8)中，计算出该相邻切削活动间空载过程实施主轴减速策略时的节能效果E_saving为1826.65J，如图3所示。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，包括：

采集相邻切削活动间的主轴状态转速和空载间隔时间；

获取数控机床各运动状态下的能耗；

基于所述主轴状态转速和所述数控机床各运动状态下的能耗，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗；

预设节能前提条件，当所述机床空载运动过程的能耗、实施主轴减速策略时的能耗和所述空载间隔时间满足所述节能前提条件后，获取主轴减速节能临界时间，当所述空载间隔时间大于所述主轴减速节能临界时间时，在空载间隔中进行主轴减速。

2.根据权利要求1所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述主轴状态转速包括：主轴初始转速、主轴目标转速和主轴减速后的转速。

3.根据权利要求1所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述数控机床各运动状态下的能耗包括：机床基础模块能耗、机床主轴恒速旋转运动能耗和机床主轴加速运动能耗；

所述机床基础模块能耗为：

其中，E_standby为机床基础模块能耗，P_standby为维持机床基础模块运行时的功率，P_{standby_i}为实验装置第i个采集到的机床基础模块功率值，N为数据采集的次数；T_standby为维持机床基础模块运行的时间；

所述机床主轴恒速旋转运动能耗为：

E_spindle＝P_spindle×T_spindle＝(A_sp+B_sp×n)×T_spindle

其中，E_spindle为机床主轴恒速旋转运动能耗，P_spindle为机床主轴恒速旋转运动时的功率，n为主轴转速，A_sp和B_sp为公式的系数，T_spindle为维持主轴恒速旋转运动的时间；

所述机床主轴加速运动能耗为：

其中，E_SRA为机床主轴加速运动能耗，T_s为主轴系统等效到主轴的加速转矩，α为主轴角加速度，n₁为主轴初始转速，n₂为主轴目标转速，T_SRA1为主轴加速开始到功率峰值时段的时间，T_SRA2为从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间。

4.根据权利要求3所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗包括；

获取主轴旋转加速过程的时间；

基于所述主轴初始转速、所述主轴目标转速、所述数控机床各运动状态下的能耗和所述主轴旋转加速过程的时间，获取所述机床空载运动过程的能耗；

基于所述主轴减速后的转速、所述主轴目标转速、所述数控机床各运动状态下的能耗和所述主轴旋转加速过程的时间，获取所述实施主轴减速策略时的能耗。

5.根据权利要求4所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述主轴旋转加速过程的时间，基于所述主轴加速开始到功率峰值时段的时间与所述从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间获得。

6.根据权利要求4所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述机床空载运动过程的能耗为：

其中，E_{no_load}为机床空载运动过程的能耗，T_O为空载间隔时间。

7.根据权利要求4所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述实施主轴减速策略时的能耗为：

其中，E_deceleration为实施主轴减速策略时的能耗，n_i为主轴减速后的转速。

8.根据权利要求4所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述节能前提条件为：

所述实施主轴减速策略时的能耗小于所述机床空载运动过程的能耗，并且所述主轴旋转加速过程的时间小于所述空载间隔时间。

9.根据权利要求1所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述主轴减速节能临界时间为：当机床以原加工运行状态运行时的能量需求与主轴减速后再加速至目标转速时的能量需求相等时所需要的时间。

10.根据权利要求1所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，在空载间隔中进行所述主轴减速的节能量为：

E_saving＝E_{no_load}-E_deceleration

其中，E_saving为节能量，E_{no_load}为机床空载运动过程的能耗，E_deceleration为实施主轴减速策略时的能耗。

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