数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法

本发明属于机械制造，尤其涉及数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法。

背景技术：

1、数控机床作为机械制造业中主要的能源消耗及碳排放大户，在节能减排中起着举足轻重的作用。同时，大量研究结果表明，机床装备的能量平均利用率低下，平均低于30％。由此可见，探究机床装备节能问题，具有十分重要的理论指导意义和实际应用价值，有利于机械制造业节能减排的顺利推进。

2、由于数控机床在工件加工过程中存在着进刀、退刀、换刀等空载运动过程，此时机床主传动系统未处于加工状态，是一个能量完全浪费的过程，也是造成机床装备能量利用率低的主要原因之一。为此，cn200810070302.0公开的名称为《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，公开了一种数控机床空载运行时停机节能的方法，该方法采用停机再启动的方式来减小机械制造过程中机床空载运行过程的时间和能量消耗，从而达到节能的目的。cn202011128991.3公开的名称为《数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法》的发明专利，提供了一种数控机床空载运行时主轴停转的节能方法，并且能够根据主轴初始转速以及目标转速精准的计算出主轴停转节能的临界时间和节能效果。

3、上述的数控机床空载运行过程的节能方法，无论是机床停机节能还是主轴停转节能，虽然能够达到节能的效果，但是在车间实际加工操作中，机床的频繁启停会对机床主传动系统以及机床电机产生一定的冲击，甚至影响其使用寿命。这种以牺牲机床服役寿命为代价换来的节能效果得不偿失。因此，针对数控机床空载运行过程的能量浪费问题，目前仍缺乏一种有效的节能方案。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，通过降低数控机床空载运行时的主轴转速来减少机床空载过程的能量消耗，从而提高机床的能量利用率，进而避免了机床频繁启停对主传动系统以及电机带来的损耗。

2、为实现上述目的，本发明提供了数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，包括：

3、采集相邻切削活动间的主轴状态转速和空载间隔时间；

4、获取数控机床各运动状态下的能耗；

5、基于所述主轴状态转速和所述数控机床各运动状态下的能耗，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗；

6、预设节能前提条件，当所述机床空载运动过程的能耗、实施主轴减速策略时的能耗和所述空载间隔时间满足所述节能前提条件后，获取主轴减速节能临界时间，当所述空载间隔时间大于所述主轴减速节能临界时间时，在空载间隔中进行主轴减速。

7、进一步地，所述主轴状态转速包括：主轴初始转速、主轴目标转速和主轴减速后的转速。

8、进一步地，所述数控机床各运动状态下的能耗包括：机床基础模块能耗、机床主轴恒速旋转运动能耗和机床主轴加速运动能耗；

9、所述机床基础模块能耗为：

10、

11、其中，estandby为机床基础模块能耗，pstandby为维持机床基础模块运行时的功率，pstandby_i为实验装置第i个采集到的机床基础模块功率值，n为数据采集的次数；tstandby为维持机床基础模块运行的时间；

12、所述机床主轴恒速旋转运动能耗为：

13、espindle＝pspindle×tspindle＝(asp+bsp×n)×tspindle

14、其中，espindle为机床主轴恒速旋转运动能耗，pspindle为机床主轴恒速旋转运动时的功率，n为主轴转速，asp和bsp为公式的系数，tspindle为维持主轴恒速旋转运动的时间；

15、所述机床主轴加速运动能耗为：

16、

17、其中，esra为机床主轴加速运动能耗，ts为主轴系统等效到主轴的加速转矩，α为主轴角加速度，n1为主轴初始转速，n2为主轴目标转速，tsra1为主轴加速开始到功率峰值时段的时间，tsra2为从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间。

18、进一步地，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗包括；

19、获取主轴旋转加速过程的时间；

20、基于所述主轴初始转速、所述主轴目标转速、所述数控机床各运动状态下的能耗和所述主轴旋转加速过程的时间，获取所述机床空载运动过程的能耗；

21、基于所述主轴减速后的转速、所述主轴目标转速、所述数控机床各运动状态下的能耗和所述主轴旋转加速过程的时间，获取所述实施主轴减速策略时的能耗。

22、进一步地，所述主轴旋转加速过程的时间，基于所述主轴加速开始到功率峰值时段的时间与所述从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间获得。

23、进一步地，所述机床空载运动过程的能耗为：

24、

25、其中，eno_load为机床空载运动过程的能耗，to为空载间隔时间。

26、进一步地，所述实施主轴减速策略时的能耗为：

27、

28、其中，edeceleration为实施主轴减速策略时的能耗，ni为主轴减速后的转速。

29、进一步地，所述节能前提条件为：

30、所述实施主轴减速策略时的能耗小于所述机床空载运动过程的能耗，并且所述主轴旋转加速过程的时间小于所述空载间隔时间。

31、进一步地，所述主轴减速节能临界时间为：当机床以原加工运行状态运行时的能量需求与主轴减速后再加速至目标转速时的能量需求相等时所需要的时间。

32、进一步地，在空载间隔中进行所述主轴减速的节能量为：

33、esaving＝eno_load-edeceleration

34、其中，esaving为节能量，eno_load为机床空载运动过程的能耗，edeceleration为实施主轴减速策略时的能耗。

35、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

36、本发明着眼于数控机床空载过程的能量浪费问题，通过降低机床空载运行时的主轴转速来减少机床空载过程的能量消耗，从而提高机床的能量利用率，进而避免了传统的主轴停转节能方法对机床主传动系统以及电机带来的损耗。

37、本发明方法具有节能预测计算精确、推广应用方便等特点，可以帮助工程师和管理人员更好地对机床装备进行节能管理，进而为企业的节能减排与效益提升提供理论指导。

技术特征：

1.数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述主轴状态转速包括：主轴初始转速、主轴目标转速和主轴减速后的转速。

3.根据权利要求1所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述数控机床各运动状态下的能耗包括：机床基础模块能耗、机床主轴恒速旋转运动能耗和机床主轴加速运动能耗；

4.根据权利要求3所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗包括；

5.根据权利要求4所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述主轴旋转加速过程的时间，基于所述主轴加速开始到功率峰值时段的时间与所述从功率峰值过渡到稳定功率时段的时间获得。

6.根据权利要求4所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述机床空载运动过程的能耗为：

7.根据权利要求4所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述实施主轴减速策略时的能耗为：

8.根据权利要求4所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述节能前提条件为：

9.根据权利要求1所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，所述主轴减速节能临界时间为：当机床以原加工运行状态运行时的能量需求与主轴减速后再加速至目标转速时的能量需求相等时所需要的时间。

10.根据权利要求1所述的数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，其特征在于，在空载间隔中进行所述主轴减速的节能量为：

技术总结
本发明公开数控机床相邻切削活动间空载过程的主轴减速节能方法，包括：采集相邻切削活动间的主轴状态转速和空载间隔时间；获取数控机床各运动状态下的能耗；基于主轴状态转速和数控机床各运动状态下的能耗，获取机床空载运动过程的能耗和实施主轴减速策略时的能耗；预设节能前提条件，当机床空载运动过程的能耗、实施主轴减速策略时的能耗和空载间隔时间满足节能前提条件后，获取主轴减速节能临界时间，当空载间隔时间大于主轴减速节能临界时间时，在空载间隔中进行主轴减速。本发明通过降低数控机床空载运行时的主轴转速来减少机床空载过程的能量消耗，从而提高机床的能量利用率，进而避免了机床频繁启停对主传动系统以及电机带来的损耗。

技术研发人员：贾顺,王尚,杨扬,吕景祥,刘阳,隋杨,闵祥鹏,陈洪,侯畋有,周广锋
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12