一种数控机床的能效比确定方法与流程

本发明涉及机械制造加工技术，尤其涉及一种数控机床的能效比确定方法。

背景技术：

制造业在创造大量社会经济财富的同时，给自然环境带来了严重破坏，温室气体排放量持续增加，加剧了全球变暖的趋势，给地球生态环境带来了严重的危害。机械加工系统作为制造业的重要组成部分，近年来，通过加强机械加工系统能源管理以提高能效的相关研究也逐渐成为学术界和产业界的热点。其中，作为机械加工系统能耗主体的数控机床的能效等级评定问题的研究正是机械加工系统能源管理研究的重要内容。

数控加工系统作为典型离散制造系统，由于其产品复杂多样、能量消耗过程特殊复杂，其能耗规律、能效量化、尤其是能效评定问题至今还缺乏科学、系统的制定策略以及具体、实用的制定方法，由于数控加工系统能效的动态特性，加大了能效评级的制定难度，如何综合考虑这些影响因素，提出一种科学合理的能耗评级方法还有待研究。研究数控机床的能效等级评定策略、制定方案和方法问题，对于揭示数控机床加工过程的能效属性，综合评价其制造过程的能量效率，建设完善的机械加工系统能源管理体系，实现机械加工系统绿色可持续的发展等一系列问题都具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种数控机床的能效比确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种数控机床的能效比确定方法，包括以下步骤：

1)固有能量利用率

微观固有能量利用率指的是数控机床加工j类特征时的有效输出能量(固有切削能耗)与输入总能量的比值，表示为：

宏观固有能量利用率指的是数控机床加工所有特征时的微观固有能量利用率的综合，宏观固有能量利用率表示为：

其中，为加工第j类特征时的微观固有能量利用率，为加工特征j的概率，分别为数控机床加工特征j的固有待机能耗、固有启动能耗、固有空载能耗和固有切削能耗；为加工所有特征时的宏观固有能量利用率；

2)能效比

能效比强调的是加工系统加工某类特征的能量效率水平，当数控机床加工某类特征的微观固有能量利用率大于加工系统的宏观固有能量利用率时，该数控机床的能效比大于1；当数控机床加工某类特征的微观固有能量利用率小于加工系统的宏观固有能量利用率时，该数控机床的能效比小于1；当两者相等时，该数控机床的能效比等于1；

其中，ω为数控机床能效比，η为数控机床加工某类特征的微观固有能量利用率，为数控机床宏观固有能量利用率。

按上述方案，所述步骤1)中固有切削能耗是通过加工的工件的特征的设计信息(几何尺寸、材料特性等)和加工信息(切削参数，工艺参数等)，计算出该特征的理论切削能量消耗，获得该数控机床加工各类特征时的固有切削能耗；所述工件的特征为几何特征或形状特征。

按上述方案，所述步骤1)中特征的设计和加工信息，可通过工件设计时的cad和capp信息直接获取。

按上述方案，所述步骤1)中获得该数据机床加工各类特征时的固有切削能耗，具体如下：

对每个特征的切削能耗ema，如下：

其中，pc为切削功率，pc＝us·mrr，us为切除单位材料体积所消耗的能量，mrr为特征加工过程中的材料切除率；

tc为切削加工的时间，利用切除体积与材料切除率之比来计算真正进行切削加工的时间，

其中，v为工件加工过程中的材料切除体积，通过工件特征计算得到；mrr为特征加工过程中的材料切除率；

数控机床加工j类特征时的固有切削能耗为为加工第i个子特征的切削能耗，则加工j类特征时的固有切削能耗可表示为：

按上述方案，所述步骤1)中固有启动能耗根据加工各类特征时的主轴转速确定；具体如下：

对每个特征的的启动能耗：

esu(ni)＝ani²+bni+c

其中，ni为数控机床主轴转速，esu(ni)为该主轴转速下的启动能耗；

数控机床加工某类特征时的固有启动能耗为为加工第i个子特征时的启动能耗，为未来加工该类特征时，第i个子特征被加工的概率；则固有启动能耗为：

按上述方案，所述步骤1)中固有空载能耗根据数控机床稳定运行时测量得到的不同转速下的空载功率确定；具体如下：

将数控机床稳定运行时测量得到的不同转速下的空载功率作为加工特征的空载能耗

eul(ni)＝dni²+eni+f

数控机床稳定运行后，一次性测取各个不同转速下的空载功率，确定拟合系数；

定义数控机床加工j类特征时的固有空载能耗为为加工第i个子特征的空载能耗，则固有空载能耗可表示为：

本发明产生的有益效果是：本发明提出的能效比概念，其含义是指数控机床实际加工过程的能量效率与其固有能量利用率的比值，是建立数控机床能效评级体系的关键，具有动态特性，根据本发明的结果，可确定数控机床加工某类特征的能效比，为加强数控机床能量消耗管理和提高能量效率提供了依据。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的数控机床能效标识示意图；

图3是本发明实施例的数控机床能效区间示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于固有能量利用率的数控机床能效比确定方法，包括以下步骤：

(1)固有能量利用率模型

传统意义中的能量利用率是指整个加工过程中的有效切削能量和输入总能量的比值，同理，可定义微观固有能量利用率指的是数控机床加工j类特征时的有效输出能量(固有切削能耗)与输入总能量(固有待机能耗，固有启动能耗、固有空载能耗和固有加工能程)的比值，可进一步表示为：

宏观固有能量利用率指的是数控机床加工所有特征时的微观固有能量利用率的综合。宏观固有能量利用率可进一步表示为：

其中，为加工第j类特征时的微观固有能量利用率，为加工特征j的概率，分别为数控机床加工特征j的固有待机能耗、固有启动能耗、固有空载能耗和固有切削能耗；为加工所有特征时的宏观固有能量利用率。

1)固有待机能耗

固有待机能耗反映的是数控机床基本的固有能耗需求，根据对数控机床主要耗能单元在待机过程中的能耗特性分析可知，该过程涉及到的能耗源众多，但此过程各能耗单元运行状态平稳，即各能耗单元的功率恒定，该功率数值只与数控机床自身属性相关，而与未来千变万化的加工过程无关，因此，可直接将数控机床的待机能耗当做其固有能耗指标，根据待机能耗相关获取方法，可定义数控机床的固有待机能耗为：

其中，esb为数控机床平均待机能耗。

针对某一具体数控机床时，可事先通过测量仪器对数控机床的待机功率和平均待机时间进行测量，建立待机能耗数据库，具体可以由下式得出：

esb＝psbtsb(4)

其中，psb为数控机床平均待机功率，tsb为其平均待机时间。

2)固有启动能耗

数控机床启动能耗是主轴从静止开始加速至目标转速的过程所消耗的能量，主要与主轴转速和启动时间密切相关，可建立转速与对应启动能耗和启动时间间的映射关系，再通过二次多项式进行拟合实现对不同转速下的主轴启动能耗的预测。可定义数控机床加工某类特征时的固有启动能耗为为加工第i个子特征时的启动能耗，为未来加工该类特征时，第i个子特征被加工的概率。则固有启动能耗可表示为：

数控机床启动能耗可由主轴转速拟合得到，两者之间存在一定的函数关系，因此数控机床启动能耗可通过，设定若干个不同的主轴转速，一次性测取各个不同转速下的启动能耗，然后进行曲线拟合求出。

esu(ni)＝ani²+bni+c(6)

其中，ni为数控机床主轴转速，esu(ni)为该主轴转速下的启动能耗。

4)固有空载能耗

数控机床空载能耗主要是指主传动系统和进给系统等空载运行所消耗的电能，加工过程中的空载过程通常包括两个部分，分别为刀具靠近工件至开始切削和完成切削后刀具退回至参考点。数控机床空载能耗贯穿整个加工过程，从主轴开始加速转动起，到完成全部加工主轴停止工作为止，主要包含待机功率和主轴空转功率。也可采用测取实验数据拟合的方式获取转速与空载功率的数学函数关系，进而获取任意转速下的空载功率。定义数控机床加工j类特征时的固有空载能耗为为加工第i个子特征的空载能耗，则固有空载能耗可表示为：

数控机床的空载功率首先还是可以通过设定若干个不同的转速，带数控机床稳定运行后，一次性测取各个不同转速下的空载功率，然后导入分析软件进行曲线拟合求出，具体可通过下式进行拟合得到。

eul(ni)＝dni²+eni+f(8)

4)固有切削能耗

根据特征的计信息(几何尺寸、材料特性等)和加工信息(切削参数，工艺参数等)，计算出该特征的理论切削能量消耗，切削能耗为切削功率和时间的函数，切削功率可以表示为材料切除率(mrr)的函数，而切削时间即为刀具加工工件所持续的时间，基于特征可以确定切削路径，通过切削路径除以切削速度即可预测切削时间。通常数控代码编制完成后即可根据加工路径和设定的进给速度自动计算出运行时间，而此时，可近似利用切除体积与材料切除率之比来计算真正进行切削加工的时间，空载时间则可以表示为运行时间减去切削时间。而相关特征的设计信息和加工信息，可通过工件设计时的cad和capp信息直接获取。表1给出了常用材料所对应的单位切削能耗值。

pc＝us·mrr(10)

其中，us为切除单位体积材料所消耗的能量，可通过实验的方法拟合得到；v为工件加工过程中的材料切除体积，可通过工件特征计算得到；mrr为特征加工过程中的材料切除率。

表1常用材料切削单位体积时的能耗取值表

在基于特征的加工系统切削能耗预测过程中，该特征主要指的是形状特征或者是几何特征，它是毛坯在去除加工余量之后获得的，通过对加工系统服役阶段的订单加工需求进行调研，可获取该型加工系统的加工特征集合、参数集合、时间特征集合等数据，从而可以间接计算得到某类特征的切削能耗。

数控机床切削能耗是数控加工过程中刀具切削材料所消耗的直接电能，在切削过程中，切削功率是受切削力(主切削力和辅切削力)和切削时间的影响，一般情况下，由于辅切削力消耗的功率占总切削功率的比例很小(2％以内)，因此，在计算时可以忽略，具体某一特征的切削能耗可由前文基于特征的切削能耗模型预测得出。定义数控机床加工j类特征时的固有切削能耗为为加工第i个子特征的切削能耗，则加工j类特征时的固有切削能耗可表示为：

(2)能效比模型

本发明提出数控机床的能效比概念，其含义是指数控机床加工某类特征的微观固有能量利用率与宏观固有能量利用率的比值，是建立数控机床能效评级与高能效区间评定体系的关键，具有动态特性。能效比强调的是加工系统加工某类特征的能量效率水平，当数控机床加工某类特征的微观固有能量利用率大于加工系统的宏观固有能量利用率时，该数控机床的能效比大于1；同理，当数控机床加工某类特征的微观固有能量利用率小于加工系统的宏观固有能量利用率时，该数控机床能效比小于1；当两者相等时，该数控机床能效比等于1。

其中，ω为数控机床能效比，η为数控机床加工某类特征的微观固有能量利用率，为数控机床宏观固有能量利用率。

(3)根据步骤(1)和步骤(2)计算的结果，一是用于选择高能效机床，二是可以通过确定数控机床加工某类特征的能效比对数控机床的能效区间进行评价，得到最合适该加工系统加工的特征，将加工设备和对应加工工件进行匹配，组建高能效机械加工系统。

根据本发明计算的能效比结果，我们可以进行能效等级和能效区间的评定：

基于数控机床能效比和计算能效比时求出的数控机床宏观固有能量利用率可建立能效等级评级系统，该能效等级评级系统主要包括两大功能：一是可以通过宏观固有能量利用率对数控机床的能效等级进行评定，二是可以通过能效比对数控机床的能效区间进行评定。基于宏观固有能量利用率的能效等级评定系统是基于能效比的高能效区间评定系统是能效评级系统的扩展。

1)数控机床能效等级评定系统

效仿机电产品能效等级，也可以将数控机床的能效等级分为5个等级，能效标识底色设置为蓝色，标识右上角可以备注一些“生产者名称”、“规格型号”等简单的信息；标识中间部分有从1～5个等级标记，从绿色到红色，并在左边有信息提示从“高能效”到“低能效”。标志的下部提供有“能效比”、“宏观固有能量利用率”的具体数值,示意图如图2所示。

由于目前机床行业能效等级划分值还没有标准化，缺少参考数据，但是大量统计调查研究表明：机床能量效率平均非常低下，平均低于30％，很多机床的实际能效还没有达到15％，整个机床行业的能效等级划分正处于探索阶段，国内外众多科研机构还没有达成统一认识，因此，在结合国内机床行业实际情况的基础上，在本发明中定义宏观固有能量利用率处于(0,15％]之间时为5级能效，处于(15％，20％]之间时为4级能效，处于(20％，30％]之间时为3级能效，处于(30％，35％]之间时为2级能效，处于35％以时为1级能效，其中处于第一、二级时能效水平较高，处于第三级时能效水平一般，处于第四时能效水平较差，处于第五级时能效水平很差。此举对于指导使用企业选择高能效机床，促进制造厂商提高产品能效具有重要意义。同时，这个区间等级划分值并不唯一，其值需要根据企业或行业均值来制定或确定，当生产技术、管理水平提高时，相应等级值也需要提高。但随着深入研究和广泛应用，这些区间等级划分值将可能被标准化，为进一步推广应用提供技术支持。

2)数控机床高能效区间评定系统

数控机床固有能量利用率反映的是制造系统未来服役阶段的综合能量效率潜力，固有能量利用率的高低是数控机床自身综合能量效率的体现，当数控机床固有能量利用率较低时，其也会存在高能效区间；相反，当数控机床固有能量利用率较高时，其也会存在低能效区间。如何在数控机床固有能量利用率一定的情况下，揭示其高能效区间是该评定系统的主要功能。

数控机床高能效区间评定系统主要包括从a到e这5个等级指标，其长短可根据能效比的大小进行量化，具体如图3所示。本发明定义当能效比处于(0.8,1.3]时，其能效区间等级为c级；当能效比处于(0,0.5]时，其能效区间等级为e级；当能效比处于(0.5，0.80]时，其能效区间等级为d级；当能效比处于(1.3，1.8]时，其能效区间等级为b级；当能效比大于1.8时，其能效区间等级为a级。其中处于a、b级时该加工过程能效水平较高，处于该数控机床的高能效区间；c级时处于该数控机床的标准能效区间，处于d、e级时该加工过程能效水平较低，处于该数控机床的低能效区间，需要尽快采取措施对该加工过程能效进行优化。

结合数控机床能效标识和能效区间可以看出，针对对象都是某一具体机械加工系统，要准确评价某一机械加工系统的能效等级，基础是准确获取该机械加工系统的固有能量利用率，其中重要的环节是深入行业代表性企业调研相关生产数据，建立相应固有能耗数据库，进而评价的数控机床能效等级才更科学、更准确、更有说服力。而数控机床高能效区间评价系统是对数控机床服役阶段某加工过程的能量效率进行评价，揭示该加工过程的能效水平，针对能效水平较低的加工过程，开展有针对性的能效优化策略，更加科学合理的对数控机床的能效水平进行评价和优化。

基于能效比的数控机床能效等级与能效区间评定方法是本发明提出的，类比机电产品能效比的概念，本发明提出的能效比概念，其含义是指数控机床加工某类特征时的微观固有能量利用率与宏观固有能量利用率的比值，是建立数控机床能效评级体系的关键，具有动态特性。传统意义中的能量利用率是指整个加工过程中的有效切削能量和输入总能量的比值，同理，可定义固有能量利用率指的是数控机床的有效输出能量(固有切削能耗)与输入总能量(固有待机能耗，固有启动能耗、固有空载能耗和固有加工能程)的比值。每种类型的数控机床都对应一套自身的固有能量消耗属性，它与未来某一具体加工过程无关，是数控机床自身加工过程能量消耗特性的体现，建立一种数控机床的固有能耗预测模型是本发明的基础，因此，本发明将首先建立数控机床固有能量利用率的预测模型，基于此，提出能效比的函数表达式，进而提出一种基于能效比的数控机床能效等级和能效区间评定方法，利用该方法可以实现对数控机床能效等级的评定和揭示该数控机床的高能效区间。本发明中将固有能量利用率分为微观固有能量利用率和宏观固有能量利用率。其中，微观固有能量利用率指的是数控机床加工j类特征时的有效输出能量(固有切削能耗)与输入总能量(固有待机能耗，固有启动能耗、固有空载能耗和固有加工能程)的比值；宏观固有能量利用率指的是数控机床加工所有特征时的微观固有能量利用率的综合体现。本发明有效解决了由于数控加工系统能效复杂的动态特性导致当前缺少一套行之有效的方法对其能效进行评级的问题，也为加强数控机床能量消耗管理和提高能量效率而提供了一种新的措施。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。