LU500458A1 - Method for determining a critical point in time for saving energy for the standstill of the spindle of an NC machine tool and for saving energy - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung offenbart Verfahren zur Bestimmung eines kritischen Zeitpunkts zur Energieeinsparung für den Stillstand der Spindel einer NC-Werkzeugmaschine sowie Verfahren zur Energieeinsparung. Dies umfasst die folgenden Schritte; Schritt 1: Aufteilung des Bearbeitungsprozesses des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems in einen transienten Prozess und einen stationären Prozess; Schritt 2: Berechnung des Energieverbrauchs des stationären Prozesses des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems; Schritt 3: Berechnung des Energieverbrauchs des transienten Prozesses des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems; Schritt 4: Bestimmung der zu erfüllenden Bedingungen für die Energieeinsparung durch Stillstand der Spindel der NC-Werkzeugmaschine; Schritt 5: Bestimmung der zu erfüllenden Bedingungen für die kritische Zeit der Energieeinsparung im Stillstand der Spindel der NC-Werkzeugmaschine; Schritt 6: Berechnung der kritischen Zeit für die Fähigkeit, die Spindel der NC-Werkzeugmaschine zum Stillstand zu bringen; Schritt 7: Erstellen eines Energiespar-Vorhersagemodells für das Energiesparverfahren zum Stillstand der Spindel der NC-Werkzeugmaschine. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist relativ einfach zu bedienen und leicht für die Förderung verwendet werden.The present invention discloses methods for determining a critical point in time for saving energy for stopping the spindle of an NC machine tool and methods for saving energy. This includes the following steps; Step 1: Division of the machining process of the NC machine tool spindle system into a transient process and a stationary process; Step 2: Calculation of the stationary process energy consumption of the NC machine tool spindle system; Step 3: Calculate the energy consumption of the transient process of the NC machine tool spindle system; Step 4: Determination of the conditions to be met for saving energy by stopping the spindle of the NC machine tool; Step 5: determination of the conditions to be met for the critical time of energy saving when the spindle of the NC machine tool is at a standstill; Step 6: calculate the critical time for the ability to stop the spindle of the NC machine tool; Step 7: Create an energy saving prediction model for the energy saving method when the spindle of the NC machine tool stops. The method of the present invention is relatively easy to use and can be easily used for promotion.
Description
Beschreibung 0500458 Verfahren zur Bestimmung eines kritischen Zeitpunkts zur Energieeinsparung für den Stillstand der Spindel einer NC-Werkzeugmaschine sowie zur Energieeinsparung Technischer Bereich Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Energieeinsparung durch Stillstand einer Spindel einer NC-Werkzeugmaschine, insbesondere Verfahren zur Bestimmung eines kritischen Zeitpunkts zur Energieeinsparung für den Stillstand der Spindel einer NC-Werkzeugmaschine sowie zur Energieeinsparung.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of energy saving by stopping a spindle of an NC machine tool, in particular a method for determining a critical time for energy saving for stopping the spindle of an NC machine tool and for saving energy.
Hintergrundtechnik Als wichtiges Produktionsland steht China beim Besitz von NC-Werkzeugmaschinen an der Spitze der Welt, und der Energieverbrauch ist enorm.Background Art As a major manufacturing country, China leads the world in possession of NC machine tools, and the energy consumption is enormous.
Die nicht wertschôpfenden Tätigkeiten im Bearbeitungsprozess von NC-Werkzeugmaschinen machen einen relativ groBen Teil der Energieverschwendung aus.The activities in the machining process of NC machine tools that do not add value account for a relatively large part of the energy wastage.
Daher ist es von großer Bedeutung, den Energieverbrauch und die Energiespartechnologie im Bearbeitungsprozess von NC-Werkzeugmaschinen zu untersuchen.Therefore, it is of great importance to study the energy consumption and energy saving technology in the machining process of NC machine tools.
Die aktuelle Forschung über die Verringerung des Energieverbrauchs in den Betrieb von Werkzeugmaschinen, die allgemeine Methode verwendet wird, um eine hohe Energieeffizienz Umwandlung von NC-Werkzeugmaschinen, Prozess-Scheduling-Optimierung des Bearbeitungsprozesses, die Optimierung der Prozessparameter von NC-Werkzeugmaschinen, energiesparende Steuerung von Werkzeugmaschinen usw.Current research on reducing energy consumption in the operation of machine tools, the general method used to achieve high energy efficiency conversion of NC machine tools, process scheduling optimization of the machining process, optimization of the process parameters of NC machine tools, energy-saving control of machine tools etc.
In der energiesparenden Steuerung von Werkzeugmaschinen, weil der Energieverbrauch des Spindelsystems von NC-Werkzeugmaschinen einen relativ großen Anteil am Gesamtenergieverbrauch von NC-Werkzeugmaschinen ausmacht, aber derzeit fehlt dem Energiesparproblem für das Spindelsystem von NC-Werkzeugmaschinen noch eine vollständige und effektive Methode zum Stillstand des Spindelsystems von NC-Werkzeugmaschinen, um Energie zu sparen.In the energy-saving control of machine tools, because the energy consumption of the spindle system of NC machine tools accounts for a relatively large proportion of the total energy consumption of NC machine tools, but at present, the energy-saving problem for the spindle system of NC machine tools still lacks a complete and effective method to stop the spindle system of NC machine tools to save energy.
Inhalt der Erfindung Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren bereitzustellen, um einen kritischen Zeitpunkt für die Energieeinsparung durch Stillstand der Spindel auf der Grundlage der Zieldrehzahl der Spindel vor dem Schneiden zu bestimmen und den Stillstand zur Energieeinsparung für ein NC-Werkzeugmaschinenspindelsystem auf der Grundlage der Zeit zwischen dem kritischen Zeitpunkt und den beiden Schneideaktivitäten zu erreichen sowie den Energiespareffekt auf der Grundlage der entsprechenden Parameter vorherzusagen.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to provide a method for determining a critical timing for power saving by stopping the spindle based on the target speed of the spindle before cutting and stopping for power saving for an NC machine tool spindle system of the time between the critical moment and the two cutting activities, as well as to predict the energy saving effect based on the corresponding parameters.
Verfahren zur Bestimmung eines kritischen Zeitpunkts zur Energieeinsparung für den Stillstand der Spindel einer NC-Werkzeugmaschine sowie zur Energieeinsparung, umfasst die folgenden Schritte: Schritt 1, der Bewegungsprozess des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems wird in zwei Teile unterteilt, nämlich in einen stationären Prozess und einen transienten Prozess.Method of determining an energy saving critical point in time for stopping the spindle of an NC machine tool, as well as energy saving, includes the following steps: Step 1, the moving process of the NC machine tool spindle system is divided into two parts, namely, a stationary process and a transient process.
Der Gesamtenergieverbrauch E des Bewegungsprozesses des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems wird berechnet als: E-Es+Er wobei E den Gesamtenergieverbrauch des Bewegungsprozesses des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems bezeichnet; wobei Es den Energieverbrauch des stationären Prozesses bei der Spindeldrehzahl n; wobei Er den Energieverbrauch des transienten Prozesses der Spindelbeschleunigung von der Ausgangsdrehzahl ny auf die Zieldrehzahl n;. Schritt 2, der Energieverbrauch des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems für den stationären Prozess umfasst zwei Komponenten, nämlich den Energieverbrauch für die Spindelrotation Psp(n) und den Energieverbrauch für das Werkzeugmaschinen-Grundmodul Pg, die wie folgt berechnet werden können: Es=Pst=[Psp (n)+Pg]t wobei Pg die stationäre Prozessleistung bei Spindeldrehzahl n bezeichnet; Psp(n) die Spindeldrehleistung bei Spindeldrehzahl n; Pg die Leistung des Werkzeugmaschinen-Grundmoduls; t die stationäre Prozessdauer.The total energy consumption E of the moving process of the NC machine tool spindle system is calculated as: E-Es+Er where E denotes the total energy consumption of the moving process of the NC machine tool spindle system; where Es is the energy consumption of the steady-state process at spindle speed n; where Er is the energy consumption of the transient process of spindle acceleration from the initial speed ny to the target speed n;. Step 2, the stationary process NC machine tool spindle system energy consumption includes two components, namely the spindle rotation energy consumption Psp(n) and the machine tool basic module energy consumption Pg, which can be calculated as follows: Es=Pst= [Psp (n)+Pg]t where Pg denotes the steady-state process power at spindle speed n; Psp(n) is the spindle power at spindle speed n; Pg the power of the basic machine tool module; t is the stationary process time.
Schritt 3, der Energieverbrauch des transienten Prozesses des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems kann wie folgt berechnet werden: 30at tri 1 Psr (no ZZ) + Er = | Pry dt+Py(ty, tra) + ng T tra 0 Ts = +atrı) +Psp(n;) wobei tr, die Zeit des Spindeldrehbeschleunigungsprozesses bezeichnet, s; Pr, die Leistung der Spindeldrehbeschleunigung, W; Pg die Leistung des NC-Maschinenbasismoduls, W; tr die Zeit des Spindeldrehübergangsprozesses, s; Psr() die Leistungsfunktion der Spindeldrehung; no die anfängliche Spindeldrehzahl, r/min; a die Winkelbeschleunigung des Spindeldrehbeschleunigungsprozesses, rad/s’; T, das Beschleunigungsmoment der Spindeldrehbeschleunigung, N-m; ny die Zielgeschwindigkeit der Spindeldrehbeschleunigung, r/min. 0500458 Schritt 4, NC-Maschinenwerkzeug Spindel zum Stillstand für Energieeinsparung sollte die folgenden Bedingungen erfüllen: (1) Die Zeit zwischen den Zerspanungsaktivitäten sollte größer sein als der kritische Zeitpunkt für den Stillstand der Spindel für Energieeinsparungen.Step 3, the energy consumption of the transient process of the NC machine tool spindle system can be calculated as follows: 30at tri 1 Psr (no ZZ) + Er = | Pry dt+Py(ty,tra) + ng T tra 0 Ts = +atrı) +Psp(n;) where tr denotes the time of the spindle spin process, s; Pr, the power of the spindle spin, W; Pg the power of the NC machine base module, W; tr the time of the spindle rotation transition process, s; Psr() the spindle rotation power function; no the initial spindle speed, r/min; a is the angular acceleration of the spindle spin process, rad/s’; T, the acceleration torque of the spindle spin, N-m; ny is the target speed of the spindle spin, r/min. 0500458 Step 4, NC machine tool spindle stop for energy saving should meet the following conditions: (1) The time between cutting activities should be greater than the critical time for spindle stop for energy saving.
(2) Der Energieverbrauch während des Prozesses des Wiederanlaufs und der Beschleunigung auf die Zieldrehzahl nach dem Stillstand der Spindel sollte geringer sein als der Energieverbrauch während der konstanten Drehung der Spindel mit der ursprünglichen Drehzahl (die ursprüngliche Drehzahl ist gleich der Zieldrehzahl).(2) The energy consumption during the process of restarting and accelerating to the target speed after the spindle has stopped should be less than the energy consumption during the constant rotation of the spindle at the original speed (the original speed is equal to the target speed).
Die Gleichung ist wie folgt gegeben: | t= tin t;(Psr (ny )+Pg)>(ti-tr) Pg+Er wobei t, die Zeit zwischen zwei Zerspanungsaktivitäten bezeichnet, s; tmin den kritischen Zeitpunkt für den Stillstand der Spindel zur Energieeinsparung, s; Psr() die Leistungsfunktion der Spindeldrehung; n, die Zieldrehzahl der Spindel, r/min; Pg die Leistung des Maschinenbasismoduls, W; ty die transiente Prozesszeit der Spindeldrehbeschleunigung, s; Er den transienten Prozessenergieverbrauch des Spindelsystems, J. Schritt 5, der kritische Zeitpunkt für den Stillstand der Spindel zur Energieeinsparung des NC-Werkzeugmaschinensystems sollte die folgenden Bedingungen erfüllen: (1) Der kritische Zeitpunkt für den Stillstand der Spindel zur Energieeinsparung sollte größer oder gleich der Zeit für die transiente Prozessbeschleunigung der Spindeldrehung sein; (2) Innerhalb der gleichen Zeit (dies ist der kritischen Zeitpunkt) ist der Energieverbrauch während des Vorgangs des Stillstands der Spindel für eine Zeitspanne und des Wiederanlaufs und der Beschleunigung auf die Zieldrehzahl gleich dem Energieverbrauch, während dessen die Spindel mit der ursprünglichen Drehzahl weiterläuft (die ursprüngliche Drehzahl ist gleich der Zieldrehzahl). Die Gleichung ist wie folgt gegeben: | EminZtr tmin (Psp (01)+Pp)=(tmin-tr)Ps+Er wobei tmn den kritischen Zeitpunkt des Stillstands der Spindel zur Energieeinsparung bezeichnet, s; tr die Zeit des transienten Prozesses zur Beschleunigung der Spindeldrehung, s; Psp() die Leistungsfunktion derThe equation is given as follows: | t= tin t;(Psr (ny )+Pg)>(ti-tr) Pg+Er where t denotes the time between two cutting activities, s; tmin the critical time for stopping the spindle to save energy, s; Psr() the spindle rotation power function; n, the target spindle speed, r/min; Pg the power of the machine base module, W; ty is the transient process time of the spindle spin, s; He the transient process energy consumption of the spindle system, J. Step 5, the critical time for stopping the spindle for energy saving of the NC machine tool system should meet the following conditions: (1) The critical time for stopping the spindle for energy saving should be greater than or equal to be time for the transient process acceleration of the spindle rotation; (2) Within the same time (this is the critical time), the energy consumption during the process of stopping the spindle for a period of time and restarting and accelerating to the target speed is equal to the energy consumption during which the spindle keeps running at the original speed ( the original speed is equal to the target speed). The equation is given as follows: | EminZtr tmin (Psp (01)+Pp)=(tmin-tr)Ps+Er where tmn denotes the critical point in time when the spindle stops to save energy, s; tr is the time of the transient process to accelerate spindle rotation, s; Psp() the performance function of the
. . . . LU500458 Spindeldrehung; Pg die Leistung des Grundmoduls der Werkzeugmaschine, W; Er den Energieverbrauch des transienten Prozesses des Spindelsystems, J.. . . . LU500458 spindle rotation; Pg the power of the basic module of the machine tool, W; He the energy consumption of the transient process of the spindle system, J.
Schritt 6, der kritische Zeitpunkt für die Energieeinsparung durch Stillstand der Spindel der NC-Werkzeugmaschine kann wie folgt berechnet werden: | 30at 1 30at 2 tr (Asp —— T5) Ht Bsp + 2 tn [Asp (ny) + Tat, +2Bg | Coin = x 1 Agr); +Bsr wobei tr, die Zeit des Prozesses der Spindelrotationsbeschleunigung bezeichnet, s; Asp den Koeffizienten des primären Terms der Formel für die Spindelrotationsleistung; œ die Winkelbeschleunigung des Prozesses der Spindelrotationsbeschleunigung, rad/s’; T, das Beschleunigungsdrehmoment der Spindelrotationsbeschleunigung, N'm; Bsp den konstanten Term der Formel für die Spindelrotationsleistung; tr, die Zeit des Prozesses des Spindelrotationsübergangs, s; n, die Zielgeschwindigkeit der Spindel, r/min.Step 6, the critical point in time for saving energy by stopping the spindle of the NC machine tool can be calculated as follows: | 30at 1 30at 2 tr (Asp —— T5) Ht Bsp + 2 tn [Asp (ny) + Tat, +2Bg | Coin = x 1 Agr); +Bsr where tr denotes the time of the process of spindle rotation acceleration, s; Asp is the coefficient of the primary term of the spindle rotation power formula; œ the angular acceleration of the process of spindle rotation acceleration, rad/s'; T, the acceleration torque of the spindle rotational acceleration, N'm; E.g. the constant term of the formula for spindle rotation power; tr, the time of the process of spindle rotation transition, s; n, the target speed of the spindle, r/min.
Schritt 7, die Energieeinsparung durch die Energiespar-Methode des Spindelsystems der NC-Werkzeugmaschine mittels Stillstand der Drehung kann wie folgt berechnet werden: Esa=t;(Psr(n,)+Pp)-(t-tr)Ps-Er wobei Eg, die durch das Energiesparverfahren mit Stillstand eingesparte Energie bezeichnet, W; T; die Zeit zwischen zwei Zerspanungsvorgängen, s; Psp() die Leistungsfunktion der Spindeldrehung; n, die Zieldrehzahl für die Spindel, r/min; Pp die Leistung des Grundmoduls der Werkzeugmaschine, W; ty die Zeit für die transiente Beschleunigung der Spindeldrehung, s; Ep den Energieverbrauch des transienten Spindelsystems, J.Step 7, the energy saving by the energy saving method of the spindle system of the NC machine tool by stopping the rotation can be calculated as follows: Esa=t;(Psr(n,)+Pp)-(t-tr)Ps-Er where Eg , denoting the energy saved by the energy saving method with standstill, W; T; the time between two cutting operations, s; Psp() the spindle rotation power function; n, the target speed for the spindle, r/min; Pp the power of the basic module of the machine tool, W; ty is the time for transient acceleration of spindle rotation, s; Ep the energy consumption of the transient spindle system, J
Es kann weiterhin wie folgt dargestellt werden: Esa=(t-tmin)Psr(@1) wobei t, die Zeit zwischen zwei Zerspanungsaktivitäten bezeichnet, s; tmin den kritischen Zeitpunkt für den Stillstand der Spindel zur Energieeinsparung, s; Psr() die Leistungsfunktion der Spindeldrehung; n; die Zieldrehzahl für die Spindel, r/min.It can be further represented as follows: Esa=(t-tmin)Psr(@1) where t denotes the time between two cutting activities, s; tmin the critical time for stopping the spindle to save energy, s; Psr() the spindle rotation power function; n; the target speed for the spindle, r/min.
In Schritt 3 können die Winkelbeschleunigung a und das Beschleunigungsmoment T, während der Beschleunigung der Spindeldrehung durch ein Experiment zum Anfahren der Spindel und tr, durch experimentelles Sammeln von Daten undIn step 3, the angular acceleration a and the acceleration torque T during the acceleration of the spindle rotation can be obtained through an experiment for starting the spindle and tr through experimental data collection and
. . LU500458 Analysieren der Daten ermittelt werden.. . LU500458 Analyzing the data.
In Schritt 3 kann ty, wie folgt berechnet werden: ; _ 27(01-N0) 60a wobei n, eine Zieldrehzahl der Spindeldrehbeschleunigung bezeichnet, r/min; no eine Anfangsdrehzahl der Spindeldrehbeschleunigung, r/min; und ao eine Winkelbeschleunigung des Prozesses der Spindeldrehbeschleunigung, rad/s’. Im Vergleich zu dem bisherigen Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung die folgenden vorteilhaften Effekte: Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhält das Energieverbrauchsmodell des instationären und des stationären Zustands des Spindelsystems der NC-Werkzeugmaschine durch das Sammeln und die Datenverarbeitung einiger Basisdaten der NC-Werkzeugmaschine und nach der weiteren Verarbeitung.In step 3, ty, can be calculated as follows: ; _ 27(01-N0) 60a where n denotes a target speed of spindle rotational acceleration, r/min; no an initial speed of spindle spin, r/min; and ao an angular acceleration of the process of spindle spin, rad/s'. Compared with the prior art, the present invention has the following advantageous effects: The method of the present invention obtains the energy consumption model of the unsteady state and the steady state of the spindle system of the NC machine tool by collecting and data processing some basic data of the NC machine tool and after further processing.
Dann werden ein Bedingungsmodell und ein Modell des kritischen Zeitpunkts fiir den Stillstand und die Energieeinsparung des NC-Werkzeugmaschinenspindelsystems erstellt, und der kritische Zeitpunkt fiir den Stillstand und die Energieeinsparung wird berechnet.Then, a condition model and a stop and energy saving critical time model of the NC machine tool spindle system are prepared, and the stop and energy saving critical time is calculated.
Danach wird die durch Stillstand eingesparte Energie berechnet, um durch einen ordnungsgemäßen Stillstand der NC-Werkzeugmaschinenspindel Energie zu sparen.After that, the energy saved by standstill is calculated to save energy by properly stopping the NC machine tool spindle.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist relativ einfach zu bedienen, und der kritische Zeitpunkt für die Energieeinsparung durch Stillstand der Spindel einer NC-Werkzeugmaschine wird genau berechnet und die Vorhersage der Energieeinsparung ist sehr genau.The method of the present invention is relatively easy to operate, and the critical timing for power saving by stopping the spindle of an NC machine tool is accurately calculated and the power saving prediction is very accurate.
Dadurch kann eine genaue Berechnung und Steuerung der Energieeinsparung des Stillstands der Spindel von NC-Werkzeugmaschinen erreicht werden, und es wird eine genauere Methode zur Energiesparsteuerung von NC-Werkzeugmaschinen bereitgestellt.This can achieve accurate calculation and control of power saving of spindle stoppage of NC machine tools, and provides a more accurate method of power saving control of NC machine tools.
Die Methode der Erfindung ist praktisch und einfach zu fördern bzw. kann theoretische und technische Unterstützung fiir die Strategie zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung in der maschinellen Industrie und sogar im ganzen Land bieten.The method of the invention is practical and easy to promote, or can provide theoretical and technical support for the energy saving and emission reduction strategy in the machine industry and even across the country.
Anhängende Zeichnungen Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des Ablaufs des Verfahrens der vorliegenden Erfindung Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Grundparameter des Verfahrens der vorliegenden Erfindung Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Energieverbrauchs bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung 7500458 Spezielle Wege zur Umsetzung Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit den Ausführungen und den anhängenden Zeichnungen näher beschrieben. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Bestimmung eines kritischen Zeitpunkts zur Energieeinsparung für den Stillstand der Spindel einer NC-Werkzeugmaschine sowie zur Energieeinsparung vor. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht diese Methode darin, den Bearbeitungsprozess des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems in zwei Teile zu unterteilen, nämlich einem stationären Prozess und einem instationären Prozess, und die Energieverbrauchsmodelle des stationären Prozesses bzw. des instationären Prozesses der NC-Werkzeugmaschine zu erstellen. Anschließend werden das Bedingungsmodell und das Modell des kritischen Zeitpunkts für die Energieeinsparung beim Stillstand der Spindel aufgestellt und der kritische Zeitpunkt berechnet. Danach wird das Energiesparmodell für die Energieeinsparung beim Stillstand der Spindel anhand der relevanten Daten erstellt. Diese Ausführungsform der Erfindung nimmt die NC Werkzeugmaschinen CK6153i als Beispiel. Da das Hauptantriebssystem der NC-Werkzeugmaschinen CK6153i vier Zahnräder enthält, wird die Geschwindigkeit in AH, BH, AL und BL von hoch bis niedrig eingeteilt. Weil das AH-Zahnrad den größten Bearbeitungsbereich hat und am häufigsten verwendet wird, wird in dieser Ausführungsform das AH-Zahnrad für die Berechnung und Illustration verwendet. Diese Methode wird verwendet, um die Leistungs- und Energieverbrauchswerte seines Spindelsystems im AH-Getriebe zu erhalten und eine Energiesparregelung mit Stillstand durchzuführen.Attached Drawings Figure 1 shows a schematic representation of the process of the method of the present invention Figure 2 shows a schematic representation of the basic parameters of the method of the present invention Figure 3 shows a schematic representation of the energy consumption in the method of the present invention 7500458 Specific Ways of Implementing the Present Invention is described in more detail in connection with the explanations and the attached drawings. The present invention presents a method for determining a critical point in time for saving energy for stopping the spindle of an NC machine tool and for saving energy. As shown in Fig. 1, this method consists of dividing the machining process of the NC machine tool spindle system into two parts, namely a stationary process and a transient process, and the energy consumption models of the stationary process and the transient process of the NC machine tool, respectively to create. Subsequently, the condition model and the model of the critical point in time for the energy saving when the spindle is stopped are set up and the critical point in time is calculated. After that, the energy saving model for saving energy when the spindle is at a standstill is created based on the relevant data. This embodiment of the invention takes the NC machine tool CK6153i as an example. Since the main drive system of CK6153i NC machine tools contains four gears, the speed is divided into AH, BH, AL and BL from high to low. In this embodiment, because the AH gear has the largest machining range and is used most often, the AH gear is used for the calculation and illustration. This method is used to obtain the power and energy consumption values of its spindle system in the AH gear and perform an energy saving control with standstill.
1. Die Leistungserfassung des NC-Werkzeugmaschinen-Grundmoduls Die Leistung des Grundmoduls der NC-Werkzeugmaschinen Pg wird ermittelt, indem die Leistung des Grundmoduls mehrerer NC-Werkzeugmaschinen gesammelt und der Mittelwert genommen wird. Nach dem Start der NC-Werkzeugmaschinen CK6153i wird keine Operation an der Maschine durchgeführt und die NC-Werkzeugmaschinen wird im Standby-Modus belassen. In diesem Zustand werden 100 Sätze von Leistungswerten des NC- Werkzeugmaschinen-Grundmoduls gemessen, dann wird nach der Formel zur Berechnung der Leistung des NC- Werkzeugmaschinen-Grundmoduls: Pa A die endgültige Berechnung der Leistung des NC- Werkzeugmaschinen-Grundmoduls ~~ CK6153i ist: pp PPS 1 332 yy, 1001. The performance acquisition of the NC machine tool basic module The performance of the basic module of the NC machine tools Pg is obtained by collecting the performance of the basic module of several NC machine tools and taking the average. After starting the CK6153i NC machine tool, no operation is performed on the machine and the NC machine tool is left in standby mode. In this state, 100 sets of performance values of the basic NC machine tool module are measured, then according to the formula for calculating the performance of the basic NC machine tool module: Pa A the final calculation of the performance of the basic NC machine tool module ~~ CK6153i is: pp PPS 1 332yy, 100
. . . . . L 4. . . . . L4
2. Die Leistungserfassung im stationären Prozess für Spindelsysteme von 500458 NC-Werkzeugmaschinen Die NC-Werkzeugmaschinen CK6153i befindet sich im Standby-Modus und die Spindel wird so gesteuert, dass sie eine Zeit lang mit 500 r/min dreht, damit sich die NC-Werkzeugmaschinen ausreichend aufwärmen kônnen. Dann wird die Spindel so gesteuert, dass sie sich mit verschiedenen Drehzahlen dreht, um die Spindeldrehzahl bei der entsprechenden stabilen Drehzahl zu erhalten. Nach der Verarbeitung der gesammelten Daten wird das folgende Leistungsmodell der Spindeldrehung erhalten: Psp(n)=1.09n+41.12 = (Or/min<n<1000r/min ) wobei Psp (n) die Leistung der Spindeldrehung bei der Drehzahl n bezeichnet, W; n die Spindeldrehzahl, r/min. Die stationäre Prozessleistung Pg des NC-Werkzeugmaschinen-Spindelsystems kann aus der Leistung des NC-Werkzeugmaschinen-Grundmoduls Pg und der Leistung der Spindeldrehung Psr(n) berechnet werden, die wie folgt berechnet wird: Ps=1.09n+373.22 (Or/min<n<1000r/min ) wobei n die Spindeldrehzahl bezeichnet, r/min.2. The stationary process power acquisition for spindle systems of 500458 NC machine tools The CK6153i NC machine tools is in standby mode and the spindle is controlled to rotate at 500r/min for a while to allow the NC machine tools to rotate can warm up sufficiently. Then the spindle is controlled to rotate at different speeds to keep the spindle speed at the corresponding stable speed. After processing the collected data, the following spindle rotation power model is obtained: Psp(n)=1.09n+41.12 = (Or/min<n<1000r/min ) where Psp (n) denotes the spindle rotation power at speed n, W; n is the spindle speed, r/min. The stationary process power Pg of the NC machine tool spindle system can be calculated from the power of the NC machine tool basic module Pg and the power of spindle rotation Psr(n), which is calculated as follows: Ps=1.09n+373.22 (Or/min< n<1000r/min ) where n denotes the spindle speed, r/min.
3. Die Erfassung des Energieverbrauchs im stationären Prozess der Spindel der NC-Werkzeugmaschine Der Energieverbrauch im stationären Prozess der Spindel der NC-Werkzeugmaschine kann aus der Leistung der Spindeldrehung, der Leistung des Werkzeugmaschinen-Grundmoduls und der Dauer des stationären Prozesses berechnet werden, und die Berechnungsformel kann wie folgt berechnet werden: Es=[Psr (n)+332.1]t wobei Pgr() die Funktion der Spindelleistung bezeichnet; n die Spindeldrehzahl, r/min; t die stationäre Prozessdauer der Spindel der NC-Werkzeugmaschine, s.3. The acquisition of the steady-state process energy consumption of the NC machine tool spindle The steady-state process energy consumption of the NC machine tool spindle can be calculated from the power of the spindle rotation, the power of the machine tool basic module and the steady-state process duration, and the Calculation formula can be calculated as follows: Es=[Psr (n)+332.1]t where Pgr() denotes the spindle power function; n is the spindle speed, r/min; t the stationary process time of the spindle of the NC machine tool, s.
4. Die Erfassung des Energieverbrauchs im transienten Prozess der Spindel der NC-Werkzeugmaschine Aus dem Experiment zum Anfahren der Spindel ergibt sich die Winkelbeschleunigung a=39.78rad/s und das Drehmoment der Spindelbeschleunigung Ts=28.42N-m der AH-Antriebskette der NC-Werkzeugmaschine. Durch Substitution von a und Tg in die Gleichung der Spindeldrehbeschleunigung Pr, ergibt sich die Gleichung der Spindeldrehbeschleunigung Pr, wie folgt.4. The acquisition of energy consumption in the transient process of the spindle of the NC machine tool From the experiment of starting the spindle, the angular acceleration a=39.78rad/s and the torque of the spindle acceleration Ts=28.42N-m of the AH drive chain of the NC machine tool. By substituting a and Tg into the equation of the spindle rotational acceleration Pr, the equation of the spindle rotational acceleration Pr is as follows.
Pr1=Psr(no+380t)+2.98ng+1130.7t (0<t<tri) 0500458 wobei Psp() die Leistungsfunktion der Spindeldrehung bezeichnet; na die anfängliche Spindeldrehzahl, r/min; t die Zeit der Spindeldrehbeschleunigung, s. Die Gleichung für die Prozesszeit der Spindeldrehbeschleunigung ty, wird wie folgt berechnet: tr1=0.002632(n,-no) wobei ng die anfängliche Spindeldrehzahl bezeichnet, r/min; n, die Zieldrehzahl der Spindel, r/min. Die Übergangszeit der Spindel tr, von der Spitzenleistung zur stabilen Leistung hängt mit der Zieldrehzahl n, der Spindel zusammen. Die Prozesszeit tr, die verschiedenen Zielgeschwindigkeiten n, entspricht, wird gesammelt, und die Prozesszeit tr, wird linear gegen die Zielgeschwindigkeit n, regressiert. Die Gleichung wird wie folgt berechnet: tr2=0.037+1.471x10*n, (R°=0.9479) Die Gleichung für die transiente Prozesszeit tr des Spindelsystems wird wie folgt berechnet: tr=2.7791x10*n,-0.002632n,+0.037 wobei ng die anfängliche Spindeldrehzahl bezeichnet, r/min; n, die Zieldrehzahl der Spindel, r/min. Der Energieverbrauch des transienten Prozesses der NC-Werkzeugmaschine kann aus dem Energieverbrauch des Beschleunigungsprozesses der Spindeldrehung, dem Energieverbrauch des Ubergangsprozesses der Spindeldrehung und dem Energieverbrauch des transienten Prozesses des Grundmoduls der Werkzeugmaschine berechnet werden. Die Gleichung wird wie folgt berechnet:Pr1=Psr(no+380t)+2.98ng+1130.7t (0<t<tri) 0500458 where Psp() denotes the spindle rotation power function; na is the initial spindle speed, r/min; t is the spindle spin time, s. The equation for the spindle spin process time, ty, is calculated as follows: tr1=0.002632(n,-no) where ng denotes the initial spindle speed, r/min; n, the target spindle speed, r/min. The transition time of the spindle tr, from peak power to stable power is related to the target speed n, of the spindle. The process time tr corresponding to different target speeds n i is collected and the process time tr i is linearly regressed against the target speed n i . The equation is calculated as follows: tr2=0.037+1.471x10*n, (R°=0.9479) The equation for the transient process time tr of the spindle system is calculated as follows: tr=2.7791x10*n,-0.002632n,+0.037 where ng denotes the initial spindle speed, r/min; n, the target spindle speed, r/min. The energy consumption of the transient process of the NC machine tool can be calculated from the energy consumption of the acceleration process of the spindle rotation, the energy consumption of the transition process of the spindle rotation, and the energy consumption of the transient process of the basic module of the machine tool. The equation is calculated as follows:
0.002632(n;-no) E,= | Psp (no+380t)+2.98n,+1130.7tdt+ 0 1 -3 [Psr (2.00016n,-0.00016n9) +2.9760024n. +3.9976x 10” ng x(0.037+1.471<10*n,)+332.1x(2.7791x10*n,-0.002632n4+0.037) wobei Psp() die Funktion der Spindelleistung bezeichnet; n, die anfängliche Spindeldrehzahl, r/min; n, die Zieldrehzahl der Spindel, r/min.0.002632(n;-no) E,= | Psp (no+380t)+2.98n,+1130.7tdt+ 0 1 -3 [Psr (2.00016n,-0.00016n9) +2.9760024n. +3.9976x 10”ng x(0.037+1.471<10*n,)+332.1x(2.7791x10*n,-0.002632n4+0.037) where Psp() denotes the spindle power function; n, the initial spindle speed, r/min; n, the target spindle speed, r/min.
. . . . . LU500458. . . . . LU500458
5. Die zu erfüllenden Bedingungen für das energiesparende Stillstand der Spindel einer NC-Werkzeugmaschinen Um eine Energieeinsparung durch den Stillstand des Spindelsystems zu erreichen, müssen die folgenden zwei Bedingungen erfüllt sein: (1) Die Zeit zwischen zwei Zerspanungsaktivitäten sollte größer sein als der kritische Zeitpunkt für den Stillstand der Spindel, um Energie zu sparen. Da der kritische Zeitpunkt die Mindestzeit ist, um eine Energieeinsparung durch Stillstand zu erreichen, kann der Energiespareffekt nicht erreicht werden, wenn die Zeit zwischen zwei Zerspanungsaktivitäten kleiner als der kritische Zeitpunkt ist, wie in Figur 2 dargestellt. (2) Der Energieverbrauch während des Prozesses des Wiederanlaufs und der Beschleunigung auf die Zieldrehzahl nach dem Stillstand der Spindel sollte geringer sein als der Energieverbrauch der Spindel, die die ursprüngliche Drehzahl beibehalten hat (die ursprüngliche Drehzahl ist die gleiche wie die Zieldrehzahl). Im Wesentlichen ist der Energieverbrauch der Spindeldrehung bei der Zieldrehzahl (wie die Summe des Energieverbrauchs im Bereich 2, 3, 4, 5, 6 in Figur 3) größer als die Summe des Energieverbrauchs bei der Beschleunigung des Spindeldrehungsprozesses und des Energieverbrauchs beim Spindeldrehungsübergang (wie die Summe des Energieverbrauchs im Bereich 1, 4, 5, 6 in Figur 3). Die Gleichung wird wie folgt berechnet: | t= tin tiPsg (n1)>E1 +E, wobei t, die Zeit zwischen zwei Zerspanungsaktivitäten bezeichnet, s; tmin den kritischen Zeitpunkt für den Stillstand der Spindel zur Energieeinsparung, s; Psr() die Leistungsfunktion der Spindeldrehung; n, die Zieldrehzahl der Spindel, r/min; Er, den Energieverbrauch für den Beschleunigungsprozess der Spindeldrehung, J; Er, den Energieverbrauch für den Übergang der Spindeldrehung, J.5. The conditions to be met for the energy-saving standstill of the spindle of an NC machine tool In order to achieve energy saving by standstill of the spindle system, the following two conditions must be met: (1) The time between two machining activities should be greater than the critical point in time for stopping the spindle to save energy. Since the critical point in time is the minimum time to achieve energy saving through standstill, the energy saving effect cannot be achieved if the time between two machining activities is less than the critical point in time, as shown in FIG. (2) The energy consumption during the process of restarting and accelerating to the target speed after the spindle has stopped should be less than the energy consumption of the spindle that has kept the original speed (the original speed is the same as the target speed). Essentially, the energy consumption of spindle rotation at the target speed (like the sum of the energy consumption in the area 2, 3, 4, 5, 6 in Figure 3) is greater than the sum of the energy consumption in accelerating the spindle rotation process and the energy consumption in the spindle rotation transition (like the Sum of energy consumption in area 1, 4, 5, 6 in Figure 3). The equation is calculated as follows: | t= tin tiPsg (n1)>E1 +E, where t denotes the time between two cutting activities, s; tmin the critical time for stopping the spindle to save energy, s; Psr() the spindle rotation power function; n, the target spindle speed, r/min; Er, the energy consumption for the acceleration process of spindle rotation, J; He, the energy consumption for the transition of spindle rotation, J.
6. Die zu erfillenden Bedingungen für den kritischen Zeitpunkt zum energiesparenden Stillstand der Spindelsysteme einer NC-Werkzeugmaschine. Der kritische Zeitpunkt des Stillstands des Spindelsystems einer NC-Werkzeugmaschine zur Energieeinsparung sollte die folgenden zwei Bedingungen erfiillen: (1) Der kritische Zeitpunkt des Stillstands der Spindel zur Energieeinsparung sollte größer oder gleich der transienten Prozesszeit der Spindeldrehbeschleunigung sein. Wenn der kritische Zeitpunkt kleiner ist als die transiente Prozesszeit zur6. The conditions to be met for the critical point in time for the energy-saving standstill of the spindle systems of an NC machine tool. The critical time of stopping the spindle system of an NC machine tool for energy saving should satisfy the following two conditions: (1) The critical time of stopping the spindle for energy saving should be greater than or equal to the transient process time of the spindle rotational acceleration. If the critical point in time is less than the transient process time for
Beschleunigung der Spindeldrehung, kann die Spindel die Beschleunigungsaktivität 0500458 nicht innerhalb einer begrenzten Zeit nach dem Stillstand beenden, so dass die Spindeldrehzahl die Zieldrehzahl erreicht, wie in Figur 2 dargestellt. (2) Innerhalb derselben Zeit (dies ist der kritische Zeitpunkt) ist der Energieverbrauch während des Vorgangs des Stillstands der Spindel für eine Zeitspanne und des Wiederanlaufs und der Beschleunigung auf die Zieldrehzahl gleich dem Energieverbrauch der Aufrechterhaltung der Spindeldrehung bei der ursprünglichen Drehzahl die ganze Zeit (die ursprüngliche Drehzahl ist gleich der Zieldrehzahl). Im Wesentlichen ist der Energieverbrauch der Spindel bei der Zieldrehzahl zum Zeitpunkt des Erreichens des kritischen Zeitpunkts (z. B. die Summe der Energieverbrauchsbereiche 3, 4 und 6 in Figur 3) gleich dem Energieverbrauch des Beschleunigungsprozesses der Spindeldrehung und der Summe des Energieverbrauchs des Transitionsprozesses der Spindeldrehung (z. B. die Summe der Energieverbrauchsbereiche 1, 4 und 6 in Figur 3). tminZtr lip sr(n)=En +E wobei tmn den kritischen Zeitpunkt des Stillstands der Spindel zur Energieeinsparung bezeichnet, s; tr die Dauer des transienten Prozesses des Spindelsystems, s; Psp() die Leistungsfunktion der Spindeldrehung; n, die Zieldrehzahl der Spindel, r/Min, Er, den Energieverbrauch für den Beschleunigungsprozess der Spindeldrehung, J; Er, den Energieverbrauch für den Übergang der Spindeldrehung, J.Accelerating the spindle rotation, the spindle cannot complete the acceleration activity 0500458 within a limited time after the standstill, so that the spindle speed reaches the target speed, as shown in Figure 2. (2) Within the same time (this is the critical time), the energy consumption during the process of stopping the spindle for a period of time and restarting and accelerating to the target speed is equal to the energy consumption of maintaining the spindle rotation at the original speed all the time ( the original speed is equal to the target speed). In essence, the energy consumption of the spindle at the target speed at the time the critical point is reached (e.g. the sum of the energy consumption areas 3, 4 and 6 in Figure 3) is equal to the energy consumption of the acceleration process of the spindle rotation and the sum of the energy consumption of the transition process of the Spindle rotation (e.g. the sum of energy consumption areas 1, 4 and 6 in Figure 3). tminZtr lip sr(n)=En +E where tmn denotes the critical point in time when the spindle stops to save energy, s; tr is the duration of the transient process of the spindle system, s; Psp() the spindle rotation power function; n, the target spindle speed, r/min; Er, the energy consumption for the spindle rotation acceleration process, J; He, the energy consumption for the transition of spindle rotation, J.
7. Die Berechnung des kritischen Zeitpunkts Der kritische Zeitpunkt tmin Wird wie folgt berechnet: tmin>2.7791<10*n,+0.037 - 3.463710" n;*(380A5q +1130.7)+0.002632m; Bsp +(0.0185+7.37x10*n,)(2.00016n; Asp+2.98n, +2Bsr) Agri; +Bsr wobei tmin den kritischen Zeitpunkt für die Energieeinsparung durch Stillstand des Spindelsystems von NC-Werkzeugmaschinen, s; Asp den Koeffizienten des primären Terms der Formel für die Spindeldrehleistung; Bsp den konstanten Term der Formel für die Spindeldrehleistung; n, die Zielgeschwindigkeit der Spindelbeschleunigung, s.7. The calculation of the critical point in time The critical point in time tmin is calculated as follows: tmin>2.7791<10*n,+0.037 - 3.463710" n;*(380A5q +1130.7)+0.002632m; E.g. +(0.0185+7.37x10*n ,)(2.00016n; Asp+2.98n, +2Bsr) Agri; +Bsr where tmin is the critical moment for saving energy by stopping the spindle system of NC machine tools, s; Asp is the coefficient of the primary term of the formula for the spindle turning power; Ex the constant term of the formula for spindle torque n, the target rate of spindle acceleration, s.
8. Die Vorhersage des Energiespareffekts für die Energieeinsparung durch Stillstand des Spindelsystems von NC-Werkzeugmaschinen8. The prediction of the energy saving effect for the energy saving by standstill of the spindle system of NC machine tools
Die Energieeinsparung erfolgt durch die Methode des Stillstands des Spindelsystems 0500458 von NC-Werkzeugmaschinen, um Energie zu sparen.The energy saving is done by the method of stopping the spindle system 0500458 of NC machine tools to save energy.
Die Energieeinsparung kann wie folgt berechnet werden: Es4=(t-tmin)(AsrN1 +Bsr) wobei t, die Zeit zwischen zwei Zerspanungsaktivitäten bezeichnet, s; tmin den kritischen Zeitpunkt für die Energieeinsparung durch Stillstand des Spindelsystems von NC-Werkzeugmaschinen, s; Asp den Koeffizienten des primären Terms der Formel für die Spindeldrehleistung; Bsp den konstanten Term der Formel für die Spindeldrehleistung; n, die Zielgeschwindigkeit der Spindelbeschleunigung, s.The energy saving can be calculated as follows: Es4=(t-tmin)(AsrN1 +Bsr) where t denotes the time between two machining activities, s; tmin the critical time for saving energy by stopping the spindle system of NC machine tools, s; Asp is the coefficient of the primary term of the spindle torque formula; E.g. the constant term of the formula for spindle power; n, the target rate of spindle acceleration, s.
Zum Beispiel, nachdem das Spindelsystem der NC-Werkzeugmaschinen CK61531 die letzte Zerspanungsaktivität abgeschlossen hat, verbleiben 6,5 s bis zur nächsten Zerspanungsaktivität, und die Zieldrehzahl der Spindel n, für die nächste Zerspanungsaktivität beträgt 900 r/min.For example, after the spindle system of CK61531 NC machine tools completes the last cutting activity, there are 6.5s left until the next cutting activity, and the target spindle speed n, for the next cutting activity is 900 r/min.
Da die Zieldrehzahl der Spindel innerhalb von (0,1000] liegt, beträgt der Koeffizient des primären Terms Asp der Formel für die Spindeldrehleistung 1,09 und der Koeffizient des konstanten Terms Bsp 41,12. Dann werden die obigen Informationen in die Lôsungsgleichung für den kritischen Zeitpunkt tmin eingesetzt, um zu erhalten, finis 254 tmin=4.73 Da die Zeit zwischen zwei Zerspanungsaktivitäten der Spindel 6,5s grôBer ist als der kritischen Zeitpunkt 4,73s, kann die Spindel nach Beendigung der vorherigen Zerspanungsaktivität aufhôren, sich zu drehen, und dann 2,54s vor Beginn der nächsten Zerspanungsaufgabe mit der Drehung beginnen, was unter Verwendung der Formel zur Vorhersage des Energiespareffekts 1809,15 J Energie einsparen kann.Since the target spindle speed is within (0.1000], the coefficient of the primary term Asp of the spindle rotating power formula is 1.09 and the coefficient of the constant term Bsp is 41.12. Then the above information is incorporated into the solution equation for the critical time tmin is used to obtain finis 254 tmin=4.73 Since the time between two cutting activities of the spindle is 6.5s greater than the critical time 4.73s, the spindle can stop rotating after the previous cutting activity has ended and then start rotating 2.54s before the start of the next cutting task, which can save 1809.15J energy using the energy-saving effect prediction formula.
Dieses Verfahren der Erfindung kann den kritischen Zeitpunkt für die Energieeinsparung durch Stillstand des Spindelsystems von NC-Werkzeugmaschinen bestimmen, und den Energiespareffekt vorhersagen.This method of the invention can determine the critical timing for energy saving by stopping the spindle system of NC machine tools, and predict the energy saving effect.
Die Berechnungsergebnisse können direkt für die energiesparende Steuerung des Spindelsystems von NC-Werkzeugmaschinen verwendet werden und bieten theoretische und technische Unterstützung für die Energiespar- und Emissionsreduzierungsstrategie der maschinellen Fertigungsindustrie und sogar des Landes.The calculation results can be directly used for energy-saving control of the spindle system of NC machine tools, and provide theoretical and technical support for the energy-saving and emission reduction strategy of the machine manufacturing industry and even the country.
AbschlieBend wird darauf hingewiesen, dass die obigen Ausführungsbeispiele nur zur Veranschaulichung der technischen Lôsungen dieser Erfindung dienen und diese nicht einschränken sollen.Finally, it is pointed out that the above exemplary embodiments only serve to illustrate the technical solutions of this invention and are not intended to limit them.
Modifikationen oder gleichwertige Substitutionen der technischen Lösungen dieser Erfindung, ohne vom Zweck und Umfang des Verfahrens dieser Erfindung abzuweichen, fallen unter den Umfang der Ansprüche dieser Erfindung.Modifications or equivalent substitutions of the technical solutions of this invention without departing from the purpose and scope of the method of this invention fall within the scope of the claims of this invention.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Effective date: 20220303 |