WO2024040702A1

WO2024040702A1 - 数控机床时间-能量效率评估与控制方法、系统及装置

Info

Publication number: WO2024040702A1
Application number: PCT/CN2022/124240
Authority: WO
Inventors: 贾顺; 杨扬; 张娜; 张婧琰; 王尚; 马乐; 苏升帅; 关义浩
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2022-08-20
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2025-02-20
Also published as: CN115421447B; AU2022440628B2; CN115421447A; US20250036104A1; GB2615869B; GB202219037D0; GB2615869A; AU2022440628A1

Abstract

一种数控机床时间‑能量效率评估与控制方法、系统及装置。包括：综合分析数控机床设备的开机率和额外开机次数等因素对数控机床能量效率的影响，并构建数控机床时间‑能量效率与数控机床开机率和额外开机次数的数学模型。通过对数控机床时间能量效率的实时监测，实现数控机床时间‑能量效率的超限报警功能，最终将数控机床的时间‑能量效率控制在目标范围内。分析数控机床停机损失对数控机床能量效率的影响，并能够实现对数控机床时间能量效率的超限报警。使得在加工过程中可以迅速有针对性的采取相应的措施，是低碳实用的机床能量效率评估与控制方法。

Description

数控机床时间-能量效率评估与控制方法、系统及装置

技术领域

本发明属于数控机床能量效率数据监测技术领域，公开了数控机床时间-能量效率评估与控制方法、系统及装置。

背景技术

数控机床作为制造业中普遍使用的一种加工设备，在制造业碳排放量方面占有较大的比重。随着制造业不断向着绿色低碳进行转型，而在数控机床方面，通过对加工过程内有关时间-能量效率的评估与控制方法进行研究，从而减少不必要的能量浪费，满足低碳制造的需求。

数控机床的能量效率不仅受到加工速率和质量的影响，而加工过程中设备停机因素也会影响能量的利用效率。而通过目前公开的技术分析，对于能量效率方面的分析主要是加工过程与能量效率的关系，依然需要一种能够考虑数控机床开停机等时间方面因素对能量效率的评估与控制方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术中，没有建立数控机床开机率、数控机床额外开机次数和数控机床时间-能量效率的关系模型，不能实现对数控机床时间-能量效率的超限报警，不能有效辅助操作人员有效的发现因停机因素，导致数控机床运行的能量效率降低。

(2)现有技术中由于不能有效发现数控机床加工过程中因停机损失导致的能量效率异常原因，对工作效率造成一定影响，不能及时发现设备故障，使得生产成本增加，而且现有技术的数控机床的能量效率评估方法仅限用于数控机床方面，对其他机械设备的时间-能量效率的监测和控制不具有实用性。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种数控机床时间-能量效率评估与控制方法、系统及装置，具体涉及制造业数控机床能量效率评估与能量效率监测与改善技术领域的一种面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制方法。

所述技术方案如下：一种数控机床时间-能量效率评估与控制方法包括以下步骤：

首先，本发明方法通过给定加工周期内数控机床的总计划加工时间、停机时间以及非运转时间，建立数控机床开机率模型；进一步通过构建计划加工有效能量模型、停机损失有效能量模型、运转时间内目标加工有效能量以及额外待机能量模型，从而建立数控机床时间-能量效率模型。其次，基于数控机床开机率和额外开机次数对数控机床能量效率的影响分析结果，建立开机率、额外开机次数与时间-能量效率的关系模型。最后，通过对数控机床时间-能量效率的实时监测，实现数控机床时间-能量效率的超限报警功能，最终将数控机床的时间-能量效率控制在目标范围内。

具体包括以下步骤：

步骤1，通过功率传感器实时采集数控机床总电源的输出功率，并处理分析功率曲线状态变化的规律进而得出给定加工周期内数控机床的总计划加工时间T _planed、停机时间T _downtime和额外开机次数N；

步骤2，通过给定加工周期内数控机床的停机时间T _downtime、额外开机次数N以及单次开机时间T _startup，得出数控机床非运转时间T _unavailable，其计算模型如下：

T _unavailable＝T _downtime+N×T _startup

其中：T _unavailable表示数控机床非运转时间，T _downtime表示停机时间，N表示额外开机次数，T _startup表示数控机床单次开机时间；

步骤3，通过给定加工周期内数控机床的总计划加工时间T _planed以及非运转时间T _planed，计算出数控机床的开机率η _availablity，其计算模型如下：

其中：η _availablity表示数控机床开机率，T _planed表示总计划加工时间，T _planed表示加工周期内数控机床非运转时间；

步骤4，通过前述得到的给定加工周期内数控机床的总计划加工时间T _planed，结合单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}与单件零件理想加工能量E _ideal，计算得到数控机床无停机时的总计划加工有效能量E _planed，其计算模型如下：

其中：E _planed表示总计划加工有效能量，T _planed表示总计划加工时间，T _{ideal_CT}表示单件零件理想加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量；

步骤5，通过前述得到的给定加工周期内数控机床的非运转时间T _unavailable，结合单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}与单件零件理想加工能量E _ideal，计算得到数控机床存在停机时的停机损失有效能量E _downtime，其计算模型如下：

其中：E _downtime表示停机损失有效能量，T _unavailable表示数控机床非运转时间，T _{ideal_CT}表示单件零件理想加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量；

步骤6，通过前述得到的给定加工周期内数控机床的总计划加工有效能量E _planed与停机损失有效能量E _downtime，计算得到数控机床运转时间内目标加工有效能量E _available，其计算模型如下：

E _available＝E _planed-E _downtime

其中：E _available表示运转时间内目标加工有效能量，E _planed表示总计划加工有效能量，E _downtime表示停机损失有效能量；

步骤7，通过给定加工周期内数控机床的额外开机次数N和数控机床单次开机所需能量E _startup，计算得到额外开机能量，其计算模型如下：

E _{startup_ex}＝N×E _startup

其中，E _{startup_ex}表示数控机床的额外开机能量，N表示额外开机次数，E _startup表示数控机床单次开机所需能量。

步骤8，通过给定加工周期内数控机床的运转时间内目标加工有效能量E _available、停机损失有效能量E _downtime和额外开机能量E _{startup_ex}，计算得到数控机床的时间-能量效率η _{availablity_e}，其计算模型如下：

其中：η _{availablity_e}表示数控机床时间-能量效率，E _available表示运转时间内目标加工有效能量，E _downtime表示停机损失有效能量，E _{startup_ex}表示数控机床的额外开机能量；

步骤9，根据前述得到的数控机床时间-能量效率模型以及开机率模型，构建数控机床时间-能量效率与数控机床开机率、额外开机次数之间的关系模型，其关系模型表达式如下：

其中：η _{availablity_e}表示数控机床时间-能量效率，η _availablity表示数控机床的开机率，T _planed表示数控机床总计划加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量，N表示数控机床额外开机次数，E _startup表示数控机床单次开机所需能量，T _ideal-CT表示单件零件的理想加工时间；

步骤10，将计算得到的某个加工周期内数控机床时间-能量效率η _{availablity_e}与预先设定的数控机床时间-能量效率报警下限值

进行比较，若满足关系式

则表明数控机床时间-能量效率正常。若满足关系式

则发出报警提示数控机床时间-能量效率异常，同时将该周期数控机床时间-能量效率以及数控机床开机率、停机时间、额外开机次数等信息显示在显示屏上；

步骤11，操作人员根据步骤10的报警提示，针对数控机床的停机因素变化情况采取相应措施进行控制，提高数控机床开机率并减少额外开机次数，从而使数控机床时间-能量效率保持在目标范围内。

在一个实施例中，在步骤1中，通过在数控机床总电源空气开关处安装一个功率传感器，实时采集数控机床总电源的功率并进行A/D转换，将所得的输入功率数字信号传输至信息处理终端并进行滤波处理，通过输入功率信息在线识别出数控机床的运行状态，统计数控机床的停机时间和额外开机次数；设定加工周期开始时数控机床处于开机状态，则数控机床加工周期内的总计划加工时间，记为T _planed，加工周期内数控机床的停机时间，记为T _downtime，加工周期内数控机床的额外开机次数，记为N。

在一个实施例中，在步骤2中，所述数控机床单次开机时间T _startup，通过多次测量并记录数控机床的单次开机所需要的时间，采用平均值法计算得到数控机床单次开机时间T _startup。

在一个实施例中，在步骤4和步骤5中，所述单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}和单件零件理想加工能量E _ideal，通过在数控机床空气开关处安装的功率传感器，多次测量得出数控机床在理想加工参数条件下加工单件零件所需要的时间和能量，采用平均值法得到单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}和单件零件理想加工能量E _ideal。

在一个实施例中，在步骤7中，所述数控机床单次开机所需能量E _startup，通过在空气开关处安装的功率传感器收集数控机床开机启动过程中的能量数据，多次测量并利用求平均值法得出单次开机所需能量E _startup。

本发明的另一目的在于提供一种数控机床时间-能量效率评估与控制装置包括：数控机床、功率传感器、计算机和显示屏。

所述功率传感器用于测量数控机床功率并得出数控机床的能量数据；

计算机用于处理功率信号，存储采集得到的数控机床总计划加工时间、停机时间、额外开机次数以及单次开机所需能量数据信息；

显示屏与计算机相连，用于显示数控机床时间-能量效率、开机率、总计划加工时间、停机时间、额外开机次数、及单次开机所需能量信息。

本发明的另一目的在于提供一种数控机床时间-能量效率评估与控制系统包括：

数控机床非运转时间获取模块，用于获取通过功率传感器实时采集数控机床总电源的输出功率，通过处理功率曲线状态变化的规律得出数控机床的总计划加工时间和停机时间，进而得出加工周期内数控机床非运转时间；

运转时间内目标加工有效能量获取模块，用于通过数控机床的总计划加工时间和数控机床非运转时间计算出数控机床的开机率；再通过总计划加工时间、数控机床非运转时间和单件零件理想加工时间，结合单件零件理想加工时间和单件零件理想加工能量分别计算出无停机时的总计划加工有效能量和存在停机时的停机损失有效能量，进而得出运转时间内目标加工有效能量；

关系模型获取模块，用于由运转时间内目标加工有效能量、停机损失有效能量和额外开机能量计算得到数控机床的时间-能量效率；基于建立的数控机床开机率和时间-能量效率，构建数控机床时间-能量效率与数控机床开机率、额外开机次数之间的关系模型；并通过所述数控机床时间-能量效率与数控机床开机率、额外开机次数之间的关系模型实时监测数控机床时间-能量效率，并对能量效率进行超限报警。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述数控机床时间-能量效率评估与控制方法。

结合上述的所有技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

首先，本发明方法通过分析数控机床的功率曲线状态变化规律，基于时间特性得到给定加工周期内数控机床的总计划加工时间、停机时间以及非运转时间，进而建立数控机床加工过程开机率模型；基于能量特性，构建了计划加工有效能量模型、停机损失有效能量模型、运转时间内目标加工有效能量以及额外待机能量模型，进而建立了数控机床时间-能量效率模型。其次，综合考虑数控机床开机率和额外开机次数对数控机床时间-能量效率的影响，建立了数控机床开机率、额外开机次数与数控机床时间-能量效率的关系模型。最后，通过对数控机床时间-能量效率的实时监测，实现数控机床时间-能量效率的超限报警，使操作人员及时有针对性地控制机床时间-能量效率在目标范围内，本发明方法是一种实用可行的数控机床时间-能量效率评估与控制方法。

第二，把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明提供的数控机床加工过程的时间-能量效率的评估方法，与预先设定的数控机床时间-能量效率的控制下限值进行对比，实现数控机床加工过程时间-能量效率的下限报警，从而将时间-能量效率稳定控制在目标范围内。

本发明方法综合考虑数控机床设备的开机率和额外开机次数等因素对数控机床能量效率的影响，并构建数控机床时间-能量效率与数控机床开机率和额外开机次数的数学模型。通过对数控机床时间-能量效率的实时监测，实现数控机床时间-能量效率的超限报警功能，最终将数控机床的时间-能量效率控制在目标范围内。本发明方法分析了数控机床停机损失对数控机床能量效率的影响，并能够实现对数控机床时间-能量效率的超限报警。使得在加工过程中可以迅速有针对性的采取相应的措施，是一种低碳实用的机床能量效率评估与控制方法。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在本发明的技术方案为设备能量效率评估提供了新指标并填补了国内外业技术空白：

本发明方法基于数控机床加工过程的时间特性和能量特性，考虑数控机床由频繁停机引发的开机率和额外开机次数影响数控机床生产效率同时也会严重影响数控机床能量利用率。基于此，构建了时间-能量效率模型，为数控机床加工过程能量效率的评价提供了一种新的指标。

本发明方法通过对数控机床时间-能量效率的实时监测分析，实现对数控机床时间-能量效率的超限报警，使数控机床操作人员可以有针对性地控制数控机床时间-能量效率在目标范围内，解决了目前国内外业内难以有效发现数控机床加工过程中因停机损失导致的能量效率异常原因的问题；同时，本发明方法不仅限用于数控机床方面，还可推广至其他机械设备的时间-能量效率的监测和控制，为实现制造业节能减排提供了有效的新方法和技术支持。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本发明实施例提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制方法原理图；

图2是本发明实施例提供的本发明实施例提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制装置示意图；

图3是本发明实施例提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制系统示意图；

图中：1、数控机床；2、功率传感器；3、计算机；4、显示屏；5、数控机床非运转时间获取模块；6、运转时间内目标加工有效能量获取模块；7、关系模型获取模块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

一、解释说明实施例：

本发明实施例提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制方法包括：首先，本发明方法通过给定加工周期内数控机床的总计划加工时间、停机时间以及非运转时间，建立数控机床开机率模型；进一步通过构建计划加工有效能量模型、停机损失有效能量模型、运转时间内目标加工有效能量以及额外待机能量模型，从而建立数控机床时间-能量效率模型。其次，基于数控机床开机率和额外开机次数对数控机床能量效率的影响分析结果，即综合分析数控机床开机率和额外开机次数对数控机床能量效率的影响，建立开机率、额外开机次数与时间-能量效率的关系模型。最后，通过对数控机床时间-能量效率的实时监测，实现数控机床时间-能量效率的超限报警功能，最终将数控机床的时间-能量效率控制在目标范围内。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制方法包括如下步骤：

步骤1，通过在数控机床总电源空气开关处安装一个功率传感器，实时采集数控机床总电源的功率并进行A/D转换，将所得的输入功率数字信号传输至信息处理终端并进行滤波处理，通过输入功率信息在线识别出数控机床的运行状态，统计数控机床的停机时间和额外开机次数。设定加工周期开始时数控机床处于开机状态，则数控机床加工周期内的总计划加工时间(记为T _planed)，加工周期内数控机床的停机时间(记为T _downtime)，加工周期内数控机床的额外开机次数(记为N)。

步骤2，数控机床非运转时间由机床停机时间和额外开机所消耗的时间组成，计算公式如下：

T _unavailable＝T _downtime+N×T _startup

其中，T _unavailable表示数控机床非运转时间，T _downtime表示停机时间，N表示额外开机次数，T _startup表示数控机床单次开机时间。

步骤3，根据前述得到的数控机床非运转时间，结合总计划加工时间计算得出数控机床的开机率，计算公式如下：

其中，η _availablity表示数控机床开机率，T _planed表示总计划加工时间，T _unavailable表示加工周期内数控机床非运转时间。

步骤4，当加工周期内无停机时，数控机床的总计划加工有效能量由总计划加工时间、单件零件的理想加工时间和单件零件的理想加工能量决定，计算公式如下：

其中，E _planed表示总计划加工有效能量，T _planed表示总计划加工时间，T _{ideal_CT}表示单件零件理想加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量。

步骤5，当加工周期内存在停机时，根据单件零件的理想加工时间、单件零件的理想加工能量，以及前述计算出的数控机床非运转时间，则由停机造成的停机损失有效能量的计算公式如下：

其中，E _downtime表示停机损失有效能量，T _unavailable表示加工周期内数控机床非运转时间，T _{ideal_CT}表示单件零件理想加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量。

步骤6，基于前述得到的总计划加工有效能量和停机损失有效能量，计算出运转时间内目标加工有效能量，其计算公式如下：

E _available＝E _planed-E _downtime

其中，E _available表示运转时间内目标加工有效能量，E _planed表示总计划加工有效能量，E _downtime表示停机损失有效能量。

步骤7，加工周期内，由数控机床多次开机造成了额外的能量，即额外开机能量，其计算公式如下所示：

E _{startup_ex}＝N×E _startup

步骤8，根据前述计算的数控机床总计划加工有效能量、运转时间内目标加工有效能量和额外开机能量，计算得到数控机床时间-能量效率，计算公式如下：

其中，η _{availablity_e}表示数控机床时间-能量效率，E _available表示运转时间内目标加工有效能量，E _downtime表示停机损失有效能量，E _{startup_ex}表示数控机床的额外开机能量。

步骤9，根据前述得到的数控机床开机率计算模型和数控机床时间-能量效率计算模型，推导运算得到数控机床时间-能量效率与数控机床开机率和额外开机次数之间的关系模型，其关系模型表达如下：

其中，η _{availablity_e}表示数控机床时间-能量效率，η _availablity表示数控机床的开机率，T _planed表示数控机床总计划加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量，N 表示数控机床额外开机次数，E _startup表示数控机床单次开机所需能量，T _ideal-CT表示单件零件的理想加工时间。

进行比较，若满足关系式

则表明数控机床时间-能量效率正常。若满足关系式

则发出报警提示数控机床时间-能量效率异常，同时将该周期数控机床时间-能量效率以及数控机床开机率、停机时间、额外开机次数等信息显示在显示屏上。

实施例2

基于本发明实施例1提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制方法，作为本发明优选实施例，进一步地，在步骤4和步骤5中，单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}与单件零件理想加工能量E _ideal，通过在数控机床空气开关处安装的功率传感器，多次测量得出数控机床在理想加工参数条件下加工单件零件的时间和能量，求平均值得到单件零件理想加工时间和单件零件理想加工能量。

实施例3

基于本发明实施例1提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制方法，作为本发明优选实施例，进一步地，在步骤7中，数控机床单次开机所需能量E _startup，通过在空气开关处安装的功率传感器收集数控机床开机启动过程中的能量数据，多次测量并求平均值得出单次开机所需能量。

实施例4

如图2所示，本发明实施例提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制装置包括：数控机床1、功率传感器2、安装Sql数据库的计算机3和显示屏4。

功率传感器2用于测量数控机床1功率并得出数控机床的能量数据。

安装Sql数据库的计算机3用于处理功率信号，存储采集得到的数控机床总计划加工时间、停机时间、额外开机次数以及单次开机所需能量等数据信息；

显示屏4与计算机3相连，用于显示数控机床时间-能量效率、开机率、总计划加工时间、停机时间、额外开机次数、及单次开机所需能量等信息。

实施例5

如图3所示，本发明实施例提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制系统包括：

数控机床非运转时间获取模块5，用于获取通过功率传感器实时采集数控机床总电源的输出功率，通过处理功率曲线状态变化的规律得出数控机床的总计划加工时间和停机时间，进而得出加工周期内数控机床非运转时间；

运转时间内目标加工有效能量获取模块6，用于通过数控机床的总计划加工时间和数控机床非运转时间计算出数控机床的开机率；再通过总计划加工时间、数控机床非运转时间和单件零件理想加工时间，结合单件零件理想加工时间和单件零件理想加工能量分别计算出无停机时的总计划加工有效能量和存在停机时的停机损失有效能量，进而得出运转时间内目标加工有效能量；

关系模型获取模块7，用于由运转时间内目标加工有效能量、停机损失有效能量和额外开机能量计算得到数控机床的时间-能量效率；基于建立的数控机床开机率和时间-能量效率，构建数控机床时间-能量效率与数控机床开机率、额外开机次数的关系模型；并通过所述数控机床时间-能量效率与数控机床开机率、额外开机次数的关系模型对数控机床时间-能量效率实时监测，并进行超限报警。

在本发明一优选实施例中，所述数控机床非运转时间获取模块5包括：

数控机床的运行状态识别模块，用于通过在数控机床总电源空气开关处安装一个功率传感器，实时采集数控机床总电源的功率并进行A/D转换，将所得的输入功率数字信号传输至信息处理终端并进行滤波处理，通过输入功率信息在线识别出数控机床的运行状态，统计数控机床的停机时间和额外开机次数；设定加工周期开始时数控机床处于开机状态，则数控机床加工周期内的总计划加工时间，记为T _planed，加工周期内数控机床的停机时间，记为T _downtime，加工周期内数控机床的额外开机次数，记为N。

数控机床非运转时间计算模块，用于通过机床停机时间和额外开机所消耗的时间计算数控机床非运转时间。

在本发明一优选实施例中，运转时间内目标加工有效能量获取模块6包括：

数控机床的开机率计算模块，用于、计算并获取数控机床的开机率。

总计划加工有效能量计算模块，用于总计划加工有效能量的计算与获得。

停机损失有效能量计算模块，用于计算并获取所述停机损失有效能量。

运转时间内目标加工有效能量计算模块，用于计算并获得所述运转时间内目标加工有效能量。

在一个实施例中，关系模型获取模块7包括：

数控机床时间-能量效率计算模块，用于根据计算的数控机床总计划加工有效能量、运转时间内目标加工有效能量和额外开机能量，计算得到数控机床时间-能量效率；

数控机床时间-能量效率与数控机床开机率和额外开机次数之间的关系模型构建模块，用于根据得到的数控机床开机率计算模型和数控机床时间-能量效率，构建数控机床时间-能量效率与数控机床开机率和额外开机次数之间的关系模型。

报警提示模块，用于将计算得到的某个加工周期内数控机床时间-能量效率η _{availablity_e}与预先设定的数控机床时间-能量效率报警下限值

进行比较，若满足关系式

则表明数控机床时间-能量效率正常；若满足关系式

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

二、应用实施例：

应用例1

本发明应用实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。

应用例2

本发明应用实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

应用例3

本发明应用实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。

应用例4

本发明应用实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。

应用例5

本发明应用实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

应用例6

本发明实施例提供的面向低碳制造的数控机床时间-能量效率评估与控制方法不仅限用于数控机床方面，还可推广至其他机械设备的时间-能量效率的监测和控制。包括化工加工、汽车制造、电子设备加工、交通基础设施基建等领域的相关智能控制设备、机器人。当在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器 (Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。

三、实施例相关效果的证据：

本发明实施例以型号为CK6153i型的数控机床加工零件为例，采用的零件为圆柱状零件，通过本发明方法对加工周期内数控机床时间-能量效率进行监测和超限报警，实现数控机床能量效率的评估和控制。在本实施例中，取3600秒为一个加工周期进行评估。具体如下：

步骤1.获取数控机床停机时间和额外开机次数

通过在数控机床空气开关处的功率传感器，实时采集数控机床的功率并进行A/D转换，将所得的功率数字信号传输至信息处理终端并进行滤波处理，通过输入功率信息在线识别出数控机床的运行状态，记录数控机床开机和停机时间点的信息并统计停机时间。以1月8日上午10:00-11:00为例，加工周期内总计划加工时间T _planed＝3600s，获取数控机床CK6153i型的开机和停机记录数据，得出加工周期内数控机床停机时间T _downtime＝300s，额外开机次数N＝3。

步骤2.获取数控机床单次开机启动所需时间和能量

多次启动CK6153i型数控机床并测量开机启动所需时间和所需能量，开机所需能量通过在空气开关处的功率传感器测量计算获得，所测量的30组开机过程所需时间和所需能量数据如表1所示。

表1

通过测量得到的30组开机启动所需时间和所需能量值，分别求平均值得到开机启动所需时间T _startup＝15.4s，开机所需能量E _startup＝1.33kJ。

步骤3.获取数控机床非运转时间

数控机床非运转时间的计算公式为T _unavailable＝T _downtime+N×T _startup，其中T _unavailable为数控机床非运转时间，单位为s；T _downtime为停机时间，单位为s；N为额外开机次数，T _startup为数控机床单次开机时间，单位为s。以1月8日上午10:00-11:00为例，开机启动所需时间T _startup＝15.4s，通过测量得到数控机床的停机时间T _downtime＝300s，额外开机次数N＝3，计算得出数控机床非运转时间T _unavailable＝T _downtime+N×T _startup＝300+3×15.4＝346.2s。

步骤4.获取数控机床的开机率

数控机床开机率的计算公式为

其中η _availablity为数控机床的开机率，T _unavailable为数控机床非运转时间，单位为s；T _planed为数控机床总计划加工时间，单位为s。以1月8日上午10:00-11:00为例，数控机床CK6153i型的总计划加工时间T _planed＝3600s，非运转时间T _unavailable＝346.2s，计算得出数控机床的开机率

步骤5.获取总计划加工有效能量

5.1获取单件零件理想加工能量

本实施例通过采用功率传感器对单件零件理想加工能量进行检测。通过在给定数控机床加工理想参数条件下对单个零件进行加工，并对加工过程产生的能量进行多次测量。对数控机床CK6153i型进行30组测量，测量结果如表2所示。

表2

根据表2测量的30组结果，求平均值得到单件零件理想加工能量 E _ideal＝152.9kJ。

5.2获取总计划加工有效能量

总计划加工有效能量的计算公式为

其中E _planed为总计划加工有效能量，单位为kJ；T _planed为总计划加工时间，单位为s；T _{ideal_CT}为单件零件理想加工时间，单位为s；E _ideal为单件零件理想加工能量，单位为kJ。以1月8日上午10:00-11:00为例，数控机床CK6153i型的总计划加工时间T _planed＝3600s，根据历史数据得到单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}＝105s，单件零件理想加工能量E _ideal＝152.9kJ。则总计划加工有效能量

步骤6.获取运转时间内目标加工有效能量

运转时间内目标加工有效能量由总计划加工有效能量和停机损失有效能量相减得出，停机损失有效能量的计算公式如下：

其中E _downtime为停机损失有效能量，单位为kJ；T _unavailable为加工周期内数控机床非运转时间，单位为s；T _{ideal_CT}为单件零件理想加工时间，单位为s；E _ideal为单件零件理想加工能量，单位为kJ。以1月8日上午10:00-11:00为例，数控机床CK6153i型的非运转时间T _unavailable＝346.2s，单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}＝105s，单件零件理想加工能量E _ideal＝152.9kJ，计算出停机损失有效能量

则运转时间内目标加工有效能量E _available＝E _planed-E _downtime＝5242.3-504.1＝4738.2kJ。

步骤7.获取数控机床额外开机能量

数控机床额外开机能量的计算公式为E _{startup_ex}＝N×E _startup，其中E _{startup_ex}为数控机床的额外开机能量，单位为kJ；N为额外开机次数；E _startup为数控机床单次开机所需能量，单位为kJ。以1月8日上午10:00-11:00为例，额外开机次数N＝3，单次开机所需能量E _startup＝1.33kJ。则数控机床额外开机能量E _{startup_ex}＝N×E _startup＝3×1.33＝4.0kJ。

步骤8.获取数控机床时间-能量效率

时间-能量效率计算公式

其中η _{availablity_e}为数控机床时间-能量效率；E _available为运转时间内目标加工有效能量，单位为kJ；E _downtime为停机损失有效能量，单位为kJ；E _{startup_ex}为数控机床的额外开机能量，单位为kJ。以1月8日上午10:00-11:00为例，数控机床CK6153i型运转时间内目标加工有效能量E _available＝4738.2kJ，停机损失有效能量E _downtime＝504.1kJ，额外开机能量E _{startup_ex}＝4.0kJ。则时间-能量效率

步骤9.获取数控机床时间-能量效率与开机率的关系模型

通过获得的数控机床时间-能量效率和数控机床开机率计算模型，进而得出数控机床时间-能量效率与开机率的关系模型，即

其中η _{availablity_e}为数控机床时间-能量效率；η _availablity为数控机床的开机率；T _planed为数控机床总计划加工时间，单位为s；E _ideal为单件零件理想加工能量，单位为kJ；N为数控机床额外开机次数；E _startup为数控机床单次开机所需能量，单位为kJ；T _ideal-CT为单件零件的理想加工时间，单位为s。同以1月8日上午10:00-11:00为例，在加工周期内数控机床总计划加工时间为3600s，数控机床的单件零件理想加工能量为152.9kJ，开机次数为3次，数控机床单次开机所需能量为1.33kJ，单件零件的理想加工时间为 105s。则数控机床时间-能量效率与开机率和额外开机次数的关系模型为

步骤10.数控机床的时间-能量效率的监测及超限报警

通过将计算得出的加工周期内数控机床时间-能量效率η _{availablity_e}与数控机床时间-能量效率的下限值

进行比较，来检测数控机床的时间-能量效率是否处于目标范围内。在本发明中，数控机床时间-能量效率的下限值

根据数控机床加工过程历史数据结合管理人员经验得出。假设本实施例的数控机床时间-能量效率的下限值

同以1月8日上午10:00-11:00为例，由前述得知数控机床时间-能量效率为90.32％，满足关系式

则表示数控机床时间-能量效率处于目标范围内。若假设本实施例的数控机床时间-能量效率的下限值

则有

即数控机床时间-能量效率异常。同时发出警报并将数控机床的时间-能量效率η _{availablity_e}、数控机床开机率η _availablity、数控机床停机时间T _downtime、数控机床额外开机次数N等信息显示在显示屏上。

步骤11.调整相关参数，调节控制数控机床时间-能量效率

机床操作人员根据步骤10的报警提示，对数控机床CK6153i加工参数进行有针对性的调整，将数控机床时间-能量效率控制在目标范围内。

本发明方法可以用于制造业中数控机床时间-能量效率的科学评估与监控，将数控机床时间-能量效率控制在目标范围内，实现数控机床生产加工过程的能量控制。本发明方法为实现制造业的节能减排提供有效实用的技术和方法支持。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

一种数控机床时间-能量效率评估与控制方法，其特征在于，该方法包括：

通过给定加工周期内数控机床的总计划加工时间、停机时间以及非运转时间，建立数控机床开机率模型；通过构建计划加工有效能量模型、停机损失有效能量模型、运转时间内目标加工有效能量以及额外待机能量模型，建立数控机床时间-能量效率模型；

基于数控机床开机率和额外开机次数对数控机床能量效率的影响分析结果，建立开机率、额外开机次数与时间-能量效率的关系模型；

基于建立的开机率、额外开机次数与时间-能量效率的关系模型，通过对数控机床时间-能量效率的实时监测，进行数控机床时间-能量效率的超限报警，并将数控机床的时间-能量效率控制在目标范围内。
根据权利要求1所述的数控机床时间-能量效率评估与控制方法，其特征在于，所述数控机床时间-能量效率评估与控制方法具体包括以下步骤：

步骤1，通过功率传感器实时采集数控机床总电源的输出功率，并处理分析功率曲线状态变化的规律进而得出给定加工周期内数控机床的总计划加工时间T _planed、停机时间T _downtime和额外开机次数N；

步骤2，通过给定加工周期内数控机床的停机时间T _downtime、额外开机次数N以及单次开机时间T _startup，得出数控机床非运转时间T _unavailable；

步骤3，通过给定加工周期内数控机床的总计划加工时间T _planed以及非运转时间T _planed，计算出数控机床的开机率η _availablity；

步骤4，通过前述得到的给定加工周期内数控机床的总计划加工时间T _planed，结合单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}与单件零件理想加工能量E _ideal，计算得到数控机床无停机时的总计划加工有效能量E _planed；

步骤5，通过前述得到的给定加工周期内数控机床的非运转时间T _unavailable，结合单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}与单件零件理想加工能量E _ideal，计算得到数控机床存在停机时的停机损失有效能量E _downtime；

步骤6，通过前述得到的给定加工周期内数控机床的总计划加工有效能量E _planed与停机损失有效能量E _downtime，计算得到数控机床运转时间内目标加工有效能量E _available；

步骤7，通过给定加工周期内数控机床的额外开机次数N和数控机床单次开机所需能量E _startup，计算得到额外开机能量E _{startup_ex}；

步骤8，通过给定加工周期内数控机床的运转时间内目标加工有效能量E _available、停机损失有效能量E _downtime和额外开机能量E _{startup_ex}，计算得到数控机床的时间-能量效率η _{availablity_e}；

步骤9，根据前述得到的数控机床时间-能量效率模型以及开机率模型，构建数控机床时间-能量效率与数控机床开机率、额外开机次数之间的关系模型；

步骤10，将计算得到的给定加工周期内数控机床时间-能量效率η _{availablity_e}与预先设定的数控机床时间-能量效率报警下限值
进行比较；

步骤11，操作人员根据步骤10的报警提示，针对数控机床的停机因素变化情况采取相应措施进行控制，使数控机床时间-能量效率处于在目标范围内。
根据权利要求2所述的数控机床时间-能量效率评估与控制方法，其特征在于，在步骤1中，通过在数控机床总电源空气开关处安装一个功率传感器，实时采集数控机床总电源的功率并进行A/D转换，将所得的输入功率数字信号传输至信息处理终端并进行滤波处理，通过输入功率信息在线识别出数控机床的运行状态，统计数控机床的停机时间和额外开机次数；设定加工周期开始时数控机床处于开机状态，则数控机床加工周期内的总计划加工时间，记为T _planed，加工周期内数控机床的停机时间，记为T _downtime，加工周期内数控机床的额外开机次数，记为N；

在步骤2数控机床非运转时间T _unavailable计算模型如下：

T _unavailable＝T _downtime+N×T _startup

其中：T _unavailable表示数控机床非运转时间，T _downtime表示停机时间，N表示额外开机次数，T _startup表示数控机床单次开机时间；

所述数控机床单次开机时间T _startup，通过多次测量并记录数控机床的单次开机所需要的时间，采用平均值法计算得到数控机床单次开机时间T _startup。
根据权利要求2所述的数控机床时间-能量效率评估与控制方法，其特征在于，在步骤3中，数控机床的开机率η _availablity计算模型如下：

其中：η _availablity表示数控机床开机率，T _planed表示总计划加工时间，T _planed表示加工周期内数控机床非运转时间；

在步骤4中，数控机床无停机时的总计划加工有效能量E _planed计算模型如下：

其中：E _planed表示总计划加工有效能量，T _planed表示总计划加工时间，T _{ideal_CT}表示单件零件理想加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量；

所述单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}和单件零件理想加工能量E _ideal，通过在数控机床空气开关处安装的功率传感器，多次测量得出数控机床在理想加工参数条件下加工单件零件所需要的时间和能量，采用平均值法得到单件零件理想加工时间T _{ideal_CT}和单件零件理想加工能量E _ideal。
根据权利要求2所述的数控机床时间-能量效率评估与控制方法，其特征在于，在步骤5中，数控机床存在停机时的停机损失有效能量E _downtime计算模型如下：

其中：E _downtime表示停机损失有效能量，T _unavailable表示数控机床非运转时间，T _{ideal_CT}表示单件零件理想加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量。
根据权利要求2所述的数控机床时间-能量效率评估与控制方法，其特征在于，在步骤6中，数控机床运转时间内目标加工有效能量E _available计算模型如下：

E _available＝E _planed-E _downtime

其中：E _available表示运转时间内目标加工有效能量，E _planed表示总计划加工有效能量，E _downtime表示停机损失有效能量。
根据权利要求2所述的数控机床时间-能量效率评估与控制方法，其特征在于，在步骤7，额外开机能量计算模型如下：

E _{startup_ex}＝N×E _startup

其中，E _{startup_ex}表示数控机床的额外开机能量，N表示额外开机次数，E _startup表示数控机床单次开机所需能量；

在步骤8中，数控机床的时间-能量效率η _{availablity_e}计算模型如下：

其中：η _{availablity_e}表示数控机床时间-能量效率，E _available表示运转时间内目标加工有效能量，E _downtime表示停机损失有效能量，E _{startup_ex}表示数控机床的额外开机能量；

在步骤9中，数控机床时间-能量效率关系模型表达式如下：

其中：η _{availablity_e}表示数控机床时间-能量效率，η _availablity表示数控机床的开机率，T _planed表示数控机床总计划加工时间，E _ideal表示单件零件理想加工能量，N表示数控机床额外开机次数，E _startup表示数控机床单次开机所需能量，T _ideal-CT表示单件零件的理想加工时间；

在步骤10中，若满足关系式
则表明数控机床时间- 能量效率正常；若满足关系式
则发出报警提示数控机床时间-能量效率异常，同时将该周期数控机床时间-能量效率以及数控机床开机率、停机时间、额外开机次数等信息显示在显示屏上。
一种实施权利要求1～7任意一项所述数控机床时间-能量效率评估与控制方法的数控机床时间-能量效率评估与控制装置，其特征在于，所述数控机床时间-能量效率评估与控制装置包括：数控机床(1)、功率传感器(2)、计算机(3)和显示屏(4)；

所述功率传感器(2)用于测量数控机床(1)功率并得出数控机床的能量数据；

计算机(3)用于处理功率信号，存储采集得到的数控机床总计划加工时间、停机时间、额外开机次数以及单次开机所需能量数据信息；

显示屏(4)与计算机(3)相连，用于显示数控机床时间-能量效率、开机率、总计划加工时间、停机时间、额外开机次数、及单次开机所需能量信息。
一种实施权利要求1～7任意一项所述数控机床时间-能量效率评估与控制方法的数控机床时间-能量效率评估与控制系统，其特征在于；所述数控机床时间-能量效率评估与控制系统包括：

数控机床非运转时间获取模块(5)，用于获取通过功率传感器实时采集数控机床总电源的输出功率，通过处理功率曲线状态变化的规律得出数控机床的总计划加工时间和停机时间，进而得出加工周期内数控机床非运转时间；

运转时间内目标加工有效能量获取模块(6)，用于通过数控机床的总计划加工时间和数控机床非运转时间计算出数控机床的开机率；再通过总计划加工时间、数控机床非运转时间和单件零件理想加工时间，结合单件零件理想加工时间和单件零件理想加工能量分别计算出无停机时的总计划加工有效能量和存在停机时的停机损失有效能量，进而得出运转时间内目标加工有效能量；

关系模型获取模块(7)，用于由运转时间内目标加工有效能量、停机损失有效能量和额外开机能量计算得到数控机床的时间-能量效率；基于建立的数控机床开机率和时间-能量效率，构建数控机床时间-能量效率与数控机床开机率、额外开机次数的关系模型；并通过所述数控机床时间-能量效率与数控机床开机率、额外开机次数的关系模型对数控机床时间-能量效率实时监测，并进行超限报警。
一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～7任意一项所述数控机床时间-能量效率评估与控制方法。