CN207571192U - 一种数控机床能耗数据测试分析装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种数控机床能耗数据测试分析装置，属于能耗测试技术领域。该能耗数据采集装置可以通过简单操作实时测试数控机床功率和能耗。其技术方案为：该数控机床能耗数据采集装置包括电路板、电流传感器、电压传感器、精密电阻、插座、数据采集卡、传感器电源、外接机箱和计算机。其中电流传感器、电压传感器、精密电阻和传感器电源所连电路用于检测数控机床的电流和电压，数据采集卡和外界机箱用来采集所测的电流和电压数据，计算机可以处理采集来的数据得出机床实时能耗数据并将其存储在数据库。该能耗数据采集装置采样频率高，测试范围大，测试精度高，价格适中，结构简单，使用方便，能够用于监测各种机床功率及能耗，在低碳节能方面有较广的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种数控机床能耗数据测试分析装置，属于能耗测试技术领域。
背景技术
数控机床作为所有机械加工制造的基础，加工过程消耗大量电能，准确计算机械加工过程的机床能耗具有重要意义，是实现低碳制造的第一步。
数控机床主轴系统以及各个进给系统通常安装有变频器，通过改变电压及电流频率调节主轴和进给系统速度。变频器的输入电流频率范围很宽，超出工频测量范围，且三相电流常常不平衡，含有大量谐波分量。普通简易功率计适用于测量工频频率附近的电功率，难以准确测量变频之后的数控机床电功率。高端功率分析仪测量频率范围宽(0.1Hz-1MHz)，然而价格昂贵，高达几十万元一台。因此迫切需要一种测量频率范围宽，价格适中的能够准确测量数控机床功率测试的装置。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型设计了一种基于高精度高频响电流电压传感器、高精度高频率数据采集卡的数控机床能耗数据采集装置，能够用于准确采集数控机床能耗数据，且价格适中，安全性高，具有重要的工程应用价值。
本实用新型的技术方案为：
所述一种数控机床能耗数据测试分析装置，其特征在于：包括第一电路板、第二电路板、数据采集卡、外接机箱、传感器电源和计算机；所述数据采集卡采用NI9215数据采集卡；
在第一电路板上面安装有三组测量电流模块和三组测量电压模块；每组测量电流模块由电流传感器与第一精密电阻串联组成，每组测量电压模块由电压传感器与第二精密电阻串联组成；三组测量电流模块安装在第一电路板的尾部，三组测量电压模块安装在第一电路板的头部；
第二电路板上面固定有插座，用于引入机床电压至三组测量电压模块；
所述第二电路板与所述第一电路板头部通过螺钉固定构成隔离空间，三组测量电压模块处于隔离空间内；传感器电源和电流传感器、电压传感器相连，为传感器供电；电流传感器通过和第一精密电阻串联，将输入的电流信号转化为电压信号输出至数据采集卡；电压传感器和第二精密电阻串联，输出电压信号至数据采集卡；第一精密电阻和第二精密电阻两端的电压信号被数据采集卡采集；
数据采集卡插入到外接机箱中，外接机箱同计算机相连接，计算机用于对数据进行采集、分析和存储。
有益效果
本实用新型所得到的数据采集装置测量频率范围宽，价格适中(整体价格在五千元左右)，测量误差小，安全性高，能够同时测量设备运行的功率和能耗。
本实用新型可应用于数控机床的功率监测，也可推广应用于其他机电设备的功率监测，从而能够在机械加工以及更广的领域范围内进行能耗测试，为制造业节能减排提供基础的功率和能耗数据。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本实用新型实验装置的整体结构结构意图。
图2是实验设备的连接电路图。
附图标记说明：1、第一电路板；2、第二电路板；3、电流传感器；4、电压传感器；5、第一精密电阻；6、第二精密电阻；7、插座；8、传感器电源；9、数据采集卡；10、外接机箱；11、计算机。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，数控机床能耗数据测试分析装置包括第一电路板1、第二电路板2、数据采集卡9、外接机箱10、传感器电源8和计算机11。
在第一电路板1上面安装有三组测量电流模块和三组测量电压模块；每组测量电流模块由电流传感器3与第一精密电阻5串联组成，每组测量电压模块由电压传感器4与第二精密电阻6串联组成；三组测量电流模块安装在第一电路板的尾部，三组测量电压模块安装在第一电路板的头部。
第二电路板2上面固定有插座7，用于引入机床电压至三组测量电压模块。
所述第二电路板2与所述第一电路板1头部通过螺钉固定构成隔离空间，三组测量电压模块处于隔离空间内，封闭空间隔离被测电压，防止操作不当造成的人员触电。
传感器电源8和电流传感器3、电压传感器4相连，为传感器供电。电流传感器3通过和第一精密电阻5串联，将输入的电流信号转化为电压信号输出至数据采集卡；电压传感器4和第二精密电阻6串联，输出电压信号至数据采集卡9；第一精密电阻5和第二精密电阻6两端的电压信号被数据采集卡9采集。
数据采集卡9插入到外接机箱10中，外接机箱10同计算机11相连接，计算机11用于对数据进行采集、分析和存储。
综合了机床功率数据采集可靠性、数据精度、数据获取及分析处理的可达性以及成本多方面的考虑，得出如下实验设备选择：
1)传感器选择
根据被测试对象电压电流性能参数，选择LEM公司的LA 55-P型号的电流传感器和LV 25-P型号的电压传感器，具体的性能参数如表1所示：
表1电流和电压传感器性能参数
| 设备名称 | 型号 | 额定量程 | 供电电源 | 响应频率 | 精度 | 输出电流 |
| 电流传感器 | LA 55-P | 50A | +/-12..15V | 200KHz | 0.65％ | 0～50mA |
| 电压传感器 | LV25-P | 10..500V | +/-12..15V | 200KHz | 0.8％ | 0～25mA |
2)数据采集卡选择
根据电流电压同步数据采集的要求以及所选用的传感器输出电压值，选用NIcDAQ-9174外接机箱以及2块NI 9215数据采集卡，具体性能参数为：
NI cDAQ-9174外接机箱：
(1)4个数据采集卡插槽；
(2)USB输出接口；
(3)可容纳多达50个热交换的输入输出模块；
(4)9～30V直流电压输入，最大消耗功率15W。
NI 9215数据采集卡：
(1)4个同步数据采集输入接口；
(2)100K/s的采样速率；
(3)16位分辨率；
(4)工作模式下最大功率为560mW，挂起模式下最大功率为25μW，能量消耗来自于机箱；
(5)输入电压-10V～+10V。
3)数据采集软件选择
利用LabView对NI数据采集卡进行控制，用于获取机床运行瞬时电流值、电压值以及功率值，绘制出功率随时间变化的曲线图，作为实验数据的来源。
4)其他辅助设备选择
数据采集卡电源：NI_cDAQ-9174外接USB机箱自带。
精密电阻：6个11KΩ或10KΩ的电阻(首选11KΩ，最大平均电流输入为10mA，功率为1.1W)，3个30～100Ω的电阻(首选100Ω，最大平均电流为50mA，功率为0.25W)，3个10～100Ω的电阻(首选50Ω，最大平均电流为50mA，功率为0.125W)，1个500Ω的电阻。
传感器电源：电压输入±15V，带有0V电势点，电流消耗Imax＝35*3+60*3＝285mA，Pmax＝4.275W。
电路板：1块，尺寸为：能够容纳6个传感器。
电路板连接线：1捆100根，最大电流60mA。
插头：1个，能够接三根相线及一根零线。插座，同插头相连接。
绝缘胶布，传感器和数据采集卡的连接导线。
实验设备的连接电路图如图2所示。
图2中LA55-P是电流传感器，分别串联在三根相线中，用来测量三根相线电流；LV25-P是电压传感器，分别并联在三根相线和中线之间，用来测量三根相线和中线之间的电压。LA55-P的输出是一个0～50mA的电流值，通过串联一个100欧的精密电阻，将其转化为0～5V的电压值，作为三个输入连接到一块NI9215数据采集卡；LV25-P的输出是一个0～25mA的电流值，通过串联一个200欧的精密电阻，将其转化为0～5V的电压值，作为三个输入连接到另一块NI9215数据采集卡。两块NI9215卡插入到NI_cDAQ-9174外接机箱的两个插槽中，NI_cDAQ-9174通过USB数据线连接到笔记本电脑，应用LabView软件控制采集卡对数据进行采集，得到数控机床的瞬态电流值和电压值，进而通过以下方法对机床的功率和能耗数据进行分析。
步骤1：通过电流传感器和电压传感器获得机床三根相线电流和电压信号，根据公式P＝U1I1+U2I2+U3I3计算数控机床的瞬时功率，其中：U1、U2和U3分别为机床三根相线的瞬时电压，I1、I2和I3分别为机床三根相线的瞬时电流；
步骤2：根据步骤1计算出的机床瞬时功率，计算机床平均功率为：
其中，为输出平均功率，n为功率数据的采样次数，Pi为第i次采样的机床瞬时功率，Δt为采样间隔；
步骤3：根据步骤2计算的机床平均功率，机床在一段时间内的能量消耗为：
其中，E为机床的能量消耗，t1和t2分别是起始和结束时刻，是t时刻的机床平均功率。
根据上述步骤得到机床的瞬时功率、平均功率、能量消耗数据之后，可应用LabView软件，以时间为横坐标，功率值为纵坐标得出数控机床的功率-时间曲线。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型提供一种结构简单，操作方便的数控机床能耗数据测试分析装置。
2.本实用新型的装置测量频率范围宽，频率响应快，精度高，价格适中。
3.本实用新型的测试分析方法能够得到准确的机床瞬时功率、平均功率及能量消耗。
本实用新型的数控机床能耗数据测试分析装置及方法还可推广使用作为其他机械电子设备的功率监测装置，为低碳环保、节能减排的实施提供有力支持。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (1)
1.一种数控机床能耗数据测试分析装置，其特征在于：包括第一电路板、第二电路板、数据采集卡、外接机箱、传感器电源和计算机；所述数据采集卡采用NI9215数据采集卡；
在第一电路板上面安装有三组测量电流模块和三组测量电压模块；每组测量电流模块由电流传感器与第一精密电阻串联组成，每组测量电压模块由电压传感器与第二精密电阻串联组成；三组测量电流模块安装在第一电路板的尾部，三组测量电压模块安装在第一电路板的头部；
第二电路板上面固定有插座，用于引入机床电压至三组测量电压模块；
所述第二电路板与所述第一电路板头部通过螺钉固定构成隔离空间，三组测量电压模块处于隔离空间内；传感器电源和电流传感器、电压传感器相连，为传感器供电；电流传感器通过和第一精密电阻串联，将输入的电流信号转化为电压信号输出至数据采集卡；电压传感器和第二精密电阻串联，输出电压信号至数据采集卡；第一精密电阻和第二精密电阻两端的电压信号被数据采集卡采集；
数据采集卡插入到外接机箱中，外接机箱同计算机相连接，计算机用于对数据进行采集、分析和存储。
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Cited By (2)
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| CN107577208A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-01-12 | 西北工业大学 | 一种数控机床能耗数据测试分析装置及方法 |
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2017
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