[发明专利]一种基于实时电量的数控机床主传动系统能耗和时间信息获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造能耗与在线监测领域，尤其涉及一种基于实时电量的数控机床主传动系统能耗和时间信息获取方法。

背景技术

以机床为主体的机械加工行业非常多，但机床的能量消耗巨大，能量效率低下，对环境污染严重，节能潜力非常大。因此对机床节能相关的研究对全球气候变暖的低碳制造战略具有重要的意义，对于如何提高能效利用率，降低排放量等成为当前研究的重点，同时对机床有效能耗、能耗效率等相关参数在线监测的方法提出了要求。只有对机床进行准确的能耗数据监测，才能合理的反应机床设备能耗状况，从而了解机床的运行状态，并做出相应的处理。

近年来研究人员对机床能耗的监测和节能做了大量研究。CN102179727A公开的发明名称为《机床主传动系统加工过程能耗信息的在线监测方法》的发明专利，提出了一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线监测方法，该方法根据所建立的机床加工过程中主传动系统能耗模型，以及一些基础参数(如主轴电机额定功率，主轴电机空载功率等)，通过实时获取机床总输入功率，就可求取主轴电机的功率、切削功率等信息。CN103941081A公开的发明名称为《一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法及系统》的发明专利，该专利首先对待监测机床能量和多功率传感器进行匹配，然后对功率传感器采集的电功率数据进行处理，并通过实时功率值得到待监测机床多能量源的能耗信息。CN101367173公开发明名称为《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，其公开的方案是在机床数控程序中嵌入停机指令和后续的再启动指令，减小机械制造过程中机床空载运行时间，达到节能目的。

在机床能耗监控、节能技术和管理等的研究工作中，实时准确的获取机床的能耗数据是一个基础的问题。但目前大多数研究都是通过功率传感器或其他设备直接或者间接获取机床额功率信息，功率可以用来反映机床运行过程中的瞬时能耗情况，但不能完全反映整个加工过程中数控机床的能耗特点及能量利用状况。这是因为功率不能全面地反映数控机床本身结构对机械加工过程中能量损耗大小的影响，也不能反映在机械加工过程中由于工艺、现场操作等因素对加工过程中能量消耗大小的影响；并且在机床运行状态识别过程中，由于功率的波动性，所以单单依靠功率特性不能准确的反应出机床运行状态；并且机床能量流环节和能量消耗环节多、加工过程变化复杂导致能耗规律复杂等原因，因此监测机床加工过程能耗问题尚未很好的解决。并且数控机床所占的比重越来越大，所以本发明只针对数控机床做能耗监测。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提出一种基于实时电量的数控机床主传动系统能耗和时间信息获取方法，解决数控机床获取主传动系统有效能耗，能效数据获取难的问题，为研究机床节能、能耗管理和监控等提供数据参考。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于实时电量的数控机床主传动系统能耗和时间信息获取方法，其特征在于，通过分析实时采集的电量数据实现在线识别数控机床主传动系统运行状态，并统计有效加工时间和能耗效率等信息，具体包括如下步骤：

1)获取能耗数学模型所需要的基础参数：加工状态下的空载能耗增量ΔE_u和载荷损耗系数a、b及机床未加工时能耗增量ΔE_ux(采样时间T段内的使用电量)与主轴转速n的拟合函数ΔE_ux＝f(n)；

2)实时采集数控机床主传动系统的输入电量E_in，将实时采集的相邻两组数据相减得到电量差ΔE_in，ΔE_in为主传动系统在采样周期T时间段内的能耗增量；

3)通过转速传感器采集主轴转速n，结合主轴电机能耗增量ΔE_in特性与拟合函数ΔE_ux＝f(n)实现在线识别主传动系统运行状态，并得到空载阶段的能耗增量ΔE_u、主轴开启时间T_run以及有效加工时间T_work；

4)将ΔE_in、ΔE_u、a、b代入公式：

通过上式计算得到加工阶段切削能耗增量ΔE_c；

5)将加工过程中所有切削能耗增量ΔE_c相加得到总的切削能耗，即切削能耗k为切削能耗增量ΔE_c的总数；

6)根据前面的数据，计算主传动系统的能耗效率以及时间效率，计算公式如下：