WO2016131228A1

WO2016131228A1 - 机床多源能耗系统多信息在线检测系统

Info

Publication number: WO2016131228A1
Application number: PCT/CN2015/086473
Authority: WO
Inventors: 刘飞; 刘高君; 谢俊; 吴鹏飞; 刘霜
Original assignee: 重庆大学
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2016-08-25
Also published as: CN104808584A; CN104808584B

Abstract

一种机床多能量源效率在线检测系统，由硬件部分和软件系统组成；硬件部分包括相关功率传感器、传输转换接口和接收并处理信息用上位机终端；软件系统包括能效实时检测模块、系统参数配置模块、能效分析模块、能效分析结果历史查询模块；该系统能在线检测和监测机床主动力系统和全部辅助系统的能量消耗动态信息，能在线检测和监测工件机械加工全过程的输入能量、有效能量、过程功率、瞬态效率、工件加工过程能量利用率以及能量比能效率、设备有效利用率。该检测系统的一体化设计，方便实用,并为提高量大面广的机械加工系统能量效率各项参数提供了一种检测分析系统，为加强机械加工过程能量消耗与能量效率的状态分析、管理控制和节能优化提供了一种支持工具。

Description

机床多源能耗系统多信息在线检测系统

技术领域

本发明涉及一种机械制造业机床能耗及能效参数在线检测系统。

背景技术

我国机械加工机床量大面广，拥有量世界第一，能量消耗总量巨大。多方面研究表明机床有效能量利用率很低；并且机床能量消耗所带来的等量环境排放也是很大的。因而，如何提高机床的有效能量利用率，降低机床能量消耗所带来的等量排放也成为当前研究的重点，这同时也提出了对机床能量源能耗状态相关技术参数在线检测方法及系统的要求。

近年来国内外研究人员针对机床能耗及检测也进行了大量研究。实用新型专利“数控机床实时能耗监测系统”(ZL201120320637.0)公开了一种数控机床实时能耗监测系统，通过柔性互感器技术，可以在不改变数控机床正常电路情况下，给各级供电回路增加电流互感器，监测出各级传动机构的工作电流进而测算出输入电功率，供生产控制人员实时查看。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”(ZL201110095627.6)根据所建立的机床加工过程主传动系统能量流和主要能耗信息的数学模型，及事先获取的机床在主轴处于加工转速下的空载功率和附加载荷损耗系数、主轴电机的额定功率、主轴电机的额定效率、主轴电机空载功率等基础数据，加工过程中通过测取生产现场机床的输入总功率求取出主轴电机损耗功率、主轴电机输出功率、机械传动系统损耗功率、切削功率等机床主传动系统能耗信息实时数据。已公开的发明专利“数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的方法”(201210127826.5)公布了一种数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取的新方法。该方法依据机床加工过程机电主传动系统能量效率数学模型，和一次性前期准备的机床空载功率与转速的关系函数，以及单区间转速机床的附加载荷损耗系数或多区间转速机床附加载荷损耗系数的表格函数；通过记录加工过程中机床主传动系统电机输入功率过程数据而从数学模型中计算出机床加工过程机电主传动系统的能量效率。已公开的发明专利“一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法及系统”(201410200886.4)，对监测机床多个能量源分别安装功率传感器，通过各功率传感器的电功率数据进行处理，获得多能量源实时电功率值再分析加工过程而得到相应能耗信息，能对机床多能量源能耗状态进行实时在线监测。

综上所述，现有技术大都集中在针对机床主传动系统的能耗分析和能量信息及能量效率获取方法方面，对数控机床多能量源检测技术也仅限于采用多个功率传感器采集各能量源电功率值从而得出各能量源能耗的简单分析，这些技术都无法获取多能量源机床及工件加工全过程的有效能量、瞬态效率、工件加工过程能量利用率以及能量比能效率、设备有效利用率等机械加工过程能效关键参数；而且也缺乏机床多源能耗系统多信息在线检测系统。

发明内容

针对机床能耗检测存在上述的不足，本发明的目的是提供一种机床多源能耗系统多信息在线检测系统，实现机床多能量源能耗及能效信息在线检测；能在线检测机床总系统、主动力系统和全部或特定辅助系统的能量消耗动态信息，同时还能在线检测和监测工件加工全过程的输入能量、有效能量、瞬态功率、瞬态效率、工件加工过程能量利用率以及能量比能效率、设备有效利用率。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机床多能量源效率在线检测系统，由硬件部分和软件系统组成；硬件部分包括相关功率传感器、传输转换接口和接收信息用上位机终端；软件系统包括能效实时检测模块、系统参数配置模块、能效分析模块、能效分析结果历史查询模块；

所述能效实时检测模块包括多能量源数据采集子模块、多能量源数据处理子模块及多能量源数据显示与存储子模块；多能量源数据采集子模块主要用于读取安装在待检测机床的各能量源上的功率传感器获得的数据信息，数据信息经过编译解码后得到各能量源的实时电功率值；并用于记录机床运行开始时间、机床运行结束时间、加工工件开始检测时间、加工工件结束检测时间等信息；上述信息将传输至数据处理子模块中，根据参数配置模块计算得到电功率数值和系统其他所需数据再传入到显示与存储子模块中；数据显示与存储子模块将得到的数据信息进行存储，并可提供给实时查询记录与分析结果和工件加工全过程的功率曲线回放；多能量源数据处理子模块对所接收的数据解析、校验、转换计算，得到解析后所需要的电功率数据；所述系统参数配置模块用于待检测机床的类型的管理、对应机床名称及附加载荷损耗系数信息管理，通过对不同机床的参数初始化，实现相关系数的匹配计算；不同机床使用功率传感器采取统一的安装方式进行电功率的数据获取，并根据规定的通信协议编译成数据报文；所述能效分析结果历史查询模块包括了对各机床检测过程的结果历史查询，提供对机床各分析结果的查询功能，并实时对查询工件加工全过程进行实时检测功率曲线回放。

进一步，检测过程中只需检测上述各分组中的输入功率，由能效分析模块根据以下计算模型计算出以下能耗和能效参数：

加工过程的输入能量：

有效能量：

能量利用率：

其中，E_w表示检测机床的总能耗，P_w(t)表示检测机床总输入实时功率值，t_ws表示检测的加工过程开始时间，t_we表示加工过程结束时间；E_eff表示检测机床切削有效能耗，P_c(t)表示检测机床切削瞬时功率，P_mu(t)表示机床加工动力系统的空切功率，P_aux(t)表示机床特定辅助系统的功率，α表示机床切削时的附加载荷系数，k表示第k个切削过程，t_kcs表示第k个切削过程开始时间，t_kce表示第k个切削过程结束时间；η_E表示机床加工全过程的能量利用率。

进一步，所述工件加工过程比能效率(输入总能量/工件数量)的测取方法为根据理论公式(4)得到加工工件比能效率。

加工工件比能效率：

其中，η_s表示机床加工工件比能效率，N表示加工工件数量。

机床设备有效利用率(加工时间/检测时间)的测取方法为根据理论公式(5)得到机床设备有效利用率；

机床设备有效利用率：

其中，η_M表示机床设备有效利用率，T_c表示切削加工时间，T_d表示检测时间。

所述软件系统运行于智能终端上，其提供的参数设置模块可对检测的多能量源机床类型及计算相关能效参数所需相应的附加载荷系数进行设置。

本发明将待检测机床的各能量源进行分组，分别为机床总系统、加工动力系统及其他检测系统(全部或特定)，由功率传感器分别进行电功率信息数据的采集，再经过分析模块处理完成对各类机床能效参数在线检测。具体内容如下：

1、确定机床多能量源类型、数量和位置等信息并进行能量源分组：由于功率传感器具有采集多个能量源通道，在检测之前先分析并确认机床能量源的实际位置，按照机床总系统、加工动力系统及其他检测系统能量源分组，进行相应的连接。

2、待检测机床能量源数据分析与处理：通过功率传感器获得相应功率值，分别采集机床总系统、加工系统及其他检测系统能量源功率数据。

采集的原始数据有：

机床总系统功率：P_w，机床总系统检测运行时间t_w

加工动力系统功率：P_m，加工动力系统检测运行时间t_m

其他检测系统功率：P_aux，其他检测系统检测运行时间t_aux

3、待检测机床能量效率分析计算：

机床系统检测总输入能量：

机床系统有效能量：

加工全过程能量利用率：

加工工件比能效率：

机床设备有效利用率：

其中，E_w表示检测机床的总能耗，P_w(t)表示检测机床总输入实时功率值，t_ws表示检测机床运行开始时间，t_we表示检测机床运行结束时间；E_eff表示检测机床切削有效能耗，P_c(t)表示检测机床切削瞬时功率，P_mu(t)表示机床主动力系统的空切功率，α表示机床切削时引起附加载荷的系数，k表示第k个切削过程，t_kcs表示第k个切削过程开始时间，t_kce表示第k个切削过程结束时间；η_E表示机床加工全过程的能量利用率；η_s表示机床加工工件比能效率，N表示加工工件数量；η_M表示机床设备有效利用率，T_c表示切削加工时间，T_d表示检测时间。

该系统包括多能量源功率传感器、信号协议转换接口、智能终端以及软件系统；其中软件系统提供了检测机床相关参数设置模块、能耗与能效分析模块、能效数据实时显示模块和历史数据查询模块。多能量源功率传感器器可根据检测机床的多个能量源分组功率信息进行采集；并将采集的分组能量源功率信息以固定的通信协议编译成数据报文向信号转换接口传送。信号转换接口是能够使多能量源功率传感器的数据与智能终端进行连接所需要转换器接口。

所述的能耗与能效分析模块是将采集的机床运行信息和功率数据报文进行分析，记录并计算检测机床的运行时间、总输入能量、有效能量、瞬态效率、加工过程能量利用率以及设备有效利用率信息。将分析数据分别传送到显示界面进行呈现和数据存储模块用于记录。

所述的实时显示模块可呈现以下能耗相关信息，包括检测机床系统各能量源实时功率曲线图和对应实时数值信息、各能量源运行时间表、输入能耗信息表，计算能效参数包括机床系统总输入能量、有效能量、瞬态效率、能量利用率、设备有效利用率信息。所述的机床系统各能量源实时功率曲线图是由采集模块将功率信息报文传送到分析计算模块经转换转到输出显示模块并呈现出来的功率曲线波形图。

所述的历史数据查询模块可根据选择的时间段进行查询，能效相关参数的查询结果以列表的形式呈现在表格中，选择某条检测数据并可通过绘图的方式进行检测实时数据回放，呈现检测全过程实时功率数据曲线。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明是一套软、硬件一体化的便携式机床多能量源在线能量消耗与能量效率信息检测系统；该系统能在线检测机床总系统、主动力系统和全部或特定辅助系统的能量消耗动态信息，同时还能在线检测和监测工件加工全过程的输入能量、有效能量、瞬态功率、瞬态效率、工件加工过程能量利用率以及能量比能效率、设备有效利用率。

将机床尤其是数控机床的多能量源进行分组，分别为机床总系统、加工动力系统及特定辅助系统；采用多通道功率传感器与机床多能量源分组进行连接，实现机床总系统、加工动力系统以及全部或特定辅助系统能耗数据的测取和实时分析计算检测机床的各项能效信息。根据加工情况能分析单个工件或一批工件加工过程能量消耗及能量利用率等参数，这些信息有助于生产者了解整个加工能耗情况并制定节能方案。

2、本发明系统采用人机交互和功率信息自动判别的双判别模式来实现工件加工过程切削启停点判别，确保其具有较高判别精度和可靠性。

3、本发明采用最新传感技术，单个功率传感器可实现多能量源实时数据采集，连接方便、简单易行，可操作性好，易于扩展，方便实用；检测及理论计算以最优化的方法实现以上功能，计算模型精度好；实现了能耗与能效多个参数的分析计算，为设备有效利用及加工过程节能优化方法研究提供有效参考。

4、本发明获取检测机床各能量源的功率及能耗信息，并进行各能量源能耗与机床能效参数的分析与计算，该方法可为机床能流特征、机床能耗定额及优化、机床能耗预测与评价、机床节能、切削参数优化等技术研究提供基础支持，具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明机床多能量源效率在线检测系统框架。

图2为本发明在线检测系统与数控机床连接结构。

图3为实施例1显示各能耗源的实时功率曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的机床多源能量效率在线检测系统，可方便实现检测不同种类机床的多个能量源分组能流，能量利用率及比能效率等参数，并进行一定的分析和输出结果，其具体步骤如下：

1)首先分析待检测机床需要检测能量源分组所在的位置(根据机床而定)；并对其分组在输入总线安装功率传感器(功率传感器与机床分组能量源进行连线)；检测系统仅需要一次性配置好接口，测试前根据能量源与功率传感器的配置关系布置测试系统结构。

2)待检测机床能量源的数据采集与处理方法：通过安装在待检测机床的功率传感器获取各分组能量源处的功率相关数据，通过一定的协议进行传输并根据协议解码成有用的功率信息数据。同时还可记录机床设备各能量源的运行开始时间，各能量源的运行结束时间，以及待检测机床开始运行时间和待检测机床结束运行时间。

3)待检测机床各能量源能耗情况及状态分析：主要针对上述步骤2中获得的实时功率值而分析计算得到的待检测机床能耗信息及各分组能量源的能耗信息。主要能耗信息包括：机床总能耗、工件加工过程能耗、工件加工过程能量利用率、工件加工比能效率、机床运行开始时间、机床运行结束时间、机床运行总时间、其他各能量源或特定能量源能耗、能量源运行时间等信息。其中：

工件加工过程能量利用率是指工件加工过程总时间段的机床主轴系统能量源的有效输出能耗与机床总能耗的比值。

其他各能量源能耗包括支持完成加工任务的辅助能耗，机床自身基本能耗。支持完成加工任务的辅助能耗，如冷却系统能量源能耗、排屑系统能量源能耗、液压辅助系统能量源能耗等；机床自身基本能耗，如机床控制电器能耗、散热风机能耗、普通照明能耗、电器柜空调(断续)能耗等。

参考图1，机床多源能耗系统多信息在线检测系统能够完成和实现上述的待检测机床多能量源的效率在线检测，系统硬件部分包括相关功率传感器、传输转换接口和接收信息用上位机终端；软件部分系统包括能效实时检测模块、系统参数配置模块、能效分析结果历史查询模块。

上述系统所述的能效检测模块包括多能量源数据采集子模块、多能量源数据处理子模块及多能量源数据显示与存储子模块。

多能量源数据采集子模块主要用于读取安装在待检测机床的各能量源上的功率传感器获得的数据信息，数据信息经过编译解码后得到各能量源的实时电功率值；并用于记录机床运行开始时间、机床运行结束时间、加工工件开始检测时间、加工工件结束检测时间等信息。上述信息将传输至数据处理子模块中，根据参数配置信息计算得到电功率数值和系统其他所需数据再传入到显示与存储子模块中；数据显示与存储子模块将得到的数据信息进行存储，并可提供给实时查询记录与分析结果和工件加工全过程的功率曲线回放。

该系统参数配置模块用于待检测机床的类型的管理、对应机床名称及附加载荷损耗系数信息管理，通过对不同机床的参数初始化，实现相关系数的匹配计算。不同机床使用功率传感器采取统一的安装方式进行电功率的数据获取，并根据规定的通信协议编译成数据报文。

所述的能效分析结果历史查询模块包括了对各机床检测过程的结果历史查询，提供对机床各分析结果的查询功能，并实时对查询工件加工全过程进行实时检测功率曲线回放。

为了更清楚显示多能量源电功率数据实时曲线，能效实时检测模块中的电功率实时检测曲线可通过勾选方式进行显示，红色表示机床总电源功率曲线，绿色表示机床切削系统电功率曲线，黄色表示其他某辅助电源功率曲线，用户可根据观察需要随时变化来适应。

多能量源处理子模块对所接收的数据解析、校验、转换计算，得到解析后所需要的电功率数据。数据解析用于与功率传感器之间的通讯协议匹配，获取传输报文的实时电功率值；校验用于对实时电功率值的数据解析进行差错检验，过滤在传输过程中因各种外界干扰造成信号失真而产生的错误数据；转换用于对采集的实时功率值数据进行格式转化。

能效分析模块包括能耗信息处理子模块和显示子模块，能耗信息的处理用于将采集模块的解析数据与参数配置模块中的机床附加载荷系统相结合进行分析计算。可得到开机后机床总输入能耗、机床加工系统输入能耗、其他机床辅助系统能耗累积值，计算机床有效能量、瞬态效率、实时能量利用率值，通过对开机时间、运行时间的记录统计，计算得到机床设备利用率及设备有效利用率数值；由用户输入整个运行过程加工工件数量而计算得到工件比能效率值。再将分析计算结果传输到显示子模块进行呈现。

能耗信息及能效参数子模块的计算处理过程如下：

机床系统检测总输入能量：

机床系统有效能量：

加工全过程能量利用率：

加工工件比能效率：

机床设备有效利用率：

检测机床运行开始时间t_ws指开始采集机床功率数据时间，检测机床运行结束时间t_we指结束采集机床功率数据时间，通过检测机床运行持续时间t_w(t_w＝t_we-t_ws)对检测机床输入瞬时功率与时间乘积进行积分可得检测机床运行全过程能耗E_w。其他参数计算类似。

结果显示与存储模块将分析计算的能耗数据及参数进行实时显示和存储。图3是显示模块根据接收到各能量源的实时功率数据而生成的各能量源在整个运行过程检测的当前某时段电功率曲线图。

实施例：

待检测机床为成都普瑞斯机床有限公司PL700加工中心，下面在PL700加工中心上铣削加工某箱体平面为例，采用本发明方法和系统进行检测，其过程如下：

步骤1，分析PL700加工中心能量源情况，每个独立机床能耗部件都有相应的能耗源，PL700加工中心主要能量源如表1所示。

表1 PL700加工中心能量源

部件	能量源
部件	能量源	切削系统	主轴变频电机及3个进给轴电机

刀库系统	刀库电机
刀库系统	刀库电机	冷却系统	冷却泵电机
空调系统	主电控箱空调	冷却系统	冷却泵电机

其中刀库系统和空调系统在加工过程中都是间歇性工作部件，在能耗系统中已经将其纳入到机床总能耗中，所以对本实例主要检测机床在加工过程中一直使用的冷却系统能耗。

步骤2，在上述机床电控箱中安装功率传感器，并将其互感器线圈接入到各待检测分组能量源处，具体参见图2。

步骤3，实时检测模块默认会使用上一次检测所用到的参数，如果是第一次检测或本次检测与上一次不同，则需在参数配置模块对检测的具体机床进行附加载荷系数选择配置，如果在系统中没有找到PL700，则可通过机床类型管理模块进行增加。新建或选择加工中心类型，选择机床名称为PL700(没有则新增)的附加载荷系数，并根据能量源情况分析计算过程。

步骤4，进行能效检测。机床多源能耗系统多信息在线检测系统采集子模块将接收安装在待检测机床的传感器实时电功率数据，并通过分析处理模块对数据进行解码、检验和转换处理，得到机床多源能量电功率值；同时根据能耗情况记录机床运行的各类时间并用于参数计算。处理结果通过显示与存储模块呈现给用户，并以数据库和Excel表单结合的方式进行数据存储。

当系统开启时勾选需要实时观察的电功率曲线即可查看当前机床各能量源瞬时功率值，机床启动情况下有实时功率显示并开始记录机床的实际运行时间，这表示系统及系统工作正常，随后便可开始进行检测，点击“开始检测”按钮相关能效参数开始按设置计算并实时更新存储数据。操作人员在检测过程中可随时勾选与取消功率曲线波形图便于观察趋势。

步骤5，能效参数分析计算模块对接收到的多能量源实时电功率值和机床由公式(1)得到检测机床总输入能耗值，由公式(2)得到检测机床有效能耗值，由公式(3)得到检测机床加工全过程能量利用率，由公式(4)得到加工工件比能效率，由公式(5)得到机床设备有效利用率。

机床系统检测总输入能量：

机床系统有效能量：

加工全过程能量利用率：

加工工件比能效率：

机床设备有效利用率：

步骤6，存储模块对得到的能效及参数数据值以数据库和文本表格方式进行存储，历史查询模块提供了检测过程数据及参数结果查询功能，可查询检测机床运行过程能耗情况。分析检测数控机床多能量源能耗信息及能效参数详情参见表2。

表2 数控加工中心PL700能耗信息与能效参数

以上实例仅作为本发明方法及系统的解决方案之一，本领域的技术人员仍可以在本案例基础上进行修改调整，尤其在能量源的选择上根据待检测机床实际情况来考虑，但始终不脱离本发明技术方案的范围，其均涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

一种机床多能量源效率在线检测系统，其特征在于，由硬件部分和软件系统组成；硬件部分包括相关功率传感器、传输转换接口和接收信息用上位机终端；软件系统包括能效实时检测模块、系统参数配置模块、能效分析模块、能效分析结果历史查询模块；

所述能效实时检测模块包括多能量源数据采集子模块、多能量源数据处理子模块及多能量源数据显示与存储子模块；多能量源数据采集子模块主要用于读取安装在待检测机床的各分组能量源上的功率传感器获得的数据信息，数据信息经过编译解码后得到各分组能量源的实时电功率值；并用于记录机床运行开始时间、机床运行结束时间、加工工件开始检测时间、加工工件结束检测时间等信息；上述信息将传输至数据处理子模块中，根据参数配置模块计算得到电功率数值和系统其他所需数据再传入到显示与存储子模块中；数据显示与存储子模块将得到的数据信息进行存储，并可提供给实时查询记录与分析结果和工件加工全过程的功率曲线回放；多能量源数据处理子模块对所接收的数据解析、校验、转换计算，得到解析后所需要的电功率数据；

所述系统参数配置模块用于待检测机床的类型的管理、对应机床名称及附加载荷损耗系数信息管理，通过对不同机床的参数初始化，实现相关系数的匹配计算；不同机床使用功率传感器采取统一的安装方式进行电功率的数据获取，并根据规定的通信协议编译成数据报文；

所述能效分析结果历史查询模块包括了对各机床检测过程的结果历史查询，提供对机床各分析结果的查询功能，并实时对查询工件加工全过程进行实时检测功率曲线回放。
根据权利要求1所述机床多能量源效率在线检测系统，其特征在于，检测过程中只需检测上述各分组中的输入功率，由能效分析模块根据以下计算模型计算出以下能耗和能效参数：

加工过程的输入能量：

有效能量：

能量利用率：

其中，E_w表示检测机床的总能耗，P_w(t)表示检测机床总输入实时功率值，t_ws表示检测的加工过程开始时间，t_we表示加工过程结束时间；E_eff表示检测机床切削有效能耗，P_c(t)表示检测机床切削瞬时功率，P_mu(t)表示机床加工动力系统的空切功率，P_aux(t)表示机床特定辅助系统的功率，α表示机床切削时的附加载荷系数，k表示第k个切削过程，t_kcs表示第k个切削过程开始时间，t_kce表示第k个切削过程结束时间；η_E表示机床加工全过程的能量利用率。
根据权利要求1所述的机床多源能量效率在线检测系统，其特征在于，所述工件加工过程比能效率(输入总能量/工件数量)的测取方法为根据理论公式(4)得到加工工件比能效率。

加工工件比能效率：

其中，η_s表示机床加工工件比能效率，N表示加工工件数量。
根据权利要求1所述的机床多源能量效率在线检测系统，其特征在于，机床设备有效利用率(加工时间/检测时间)的测取方法为根据理论公式(5)得到机床设备有效利用率；

机床设备有效利用率：

其中，η_M表示机床设备有效利用率，T_c表示切削加工时间，T_d表示检测时间。