[发明专利]一种基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统与方法，测量系统包括机床固有能效属性测试指标体系、能耗数据测量系统、虚拟样件模拟系统与机床固有能效属性测试指标计算系统。测量方法包括，步骤1：测量待测机床非切削状态下的能耗数据；步骤2：根据固有能耗特征指标和当量能耗指标的函数模型以及步骤1的能耗数据，计算机床固有能耗特征指标群和当量能耗指标群；步骤3：创建虚拟样件，模拟待测机床加工虚拟样件的能量消耗过程，根据模拟结果计算固有比能效率。本发明解决了依赖实体样件进行测量存在的能耗特征涵盖不全的问题，既能测量出机床自身运行能耗属性又能测量待测机床在未来服役阶段综合能效潜力。

技术领域

本发明属于机械加工制造技术领域，尤其涉及一种机床固有能效属性测量测量系统以及测量方法。

背景技术

机床作为机械制造业的设备主体和能耗主体，量大面广，能量消耗总量巨大，能量利用率很低，能效提升潜力很大；因此，机床能效研究意义重大。现有机床能效研究主要集中在机床加工过程能量效率(又称机床运行能量效率)的研究上，已取得了大量研究成果；但是，对机床自身固有的、影响机床加工过程能量效率的特性研究还不够，致使有些重要问题尚未解决，为此，机床自身固有的能效特性已成为国际上机床节能研究的一个重要领域，尤其是机床自身固有能效特性的测量。

近年来国内学者对机床能量效率测量进行了一定的研究。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”(CN103941081A)采用多个功率传感器进行机床各种能量源的测量，实现了机床不用能量源的实时能量消耗监测。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，该系统由柔性互感器、单片机、上位机等构成，通过增加各级供电回路电流互感器实现了机床各级传动机构的输入功率实时测量。已授权的“基于最小二乘迭代算法的机床工步能耗监测方法”(CN105955198A)公开了一种通过测量待测机床主轴实时功率、并结合机床主传动系统的功率平衡方程完成了机床切削耗能在线估算，进而实现了机床工步能耗的在线实时监测。发明专利“数控机床快进快退功率和能耗的获取及控制方法”(ZL201410083510.X)公布了一种根据进给运动功率、进给加速度、进给减速度、进给临界距离、进给距离等参数计算快进快退能耗的方法。这些机床能量消耗或者能量效率的在线或者离线测量均是面向以机床、刀具、工件构成的加工系统的具体加工过程能量效率上。

面向机床自身固有的能量效率获取，部分学者也进行了一定的研究。日本标准协会(JIA)制定了“Machine tools e test methods for electric power consumption”(JIS TS B 0024-1:2010)标准，通过集成辅助部件电能消耗测量模块、运动系统电能消耗测量模块以及样件加工电能消耗测定模块三部分实现了数控加工中心、数控车床和车削中心、外圆磨床等各种类型机床的能效测量与评估；其中，不同类型的机床需要设计不同的参考样件，而且测试结果往往取决于所设计的参考样件，而不仅仅是机床自身能耗特点。国际标准化委员会(ISO)制定了“Methods for measuring energy supplied to machinetools and machine tool components”(14955-2:2018)，该标准了公布了机床能耗测试的现场测量边界、测量目标、测量装置以及测量方法等，并详细介绍了各组件功率消耗的测试方法以及总能量消耗的计算方法。文献“Behrendt T,Zein A,Min S.Development of anenergy consumption monitoring procedure for machine tools[J].CIRP annals,2012,61(1):43-46.”陈述了一种机床能耗测试方法，其对JIS TS B 0024-1:2010中的参考样件法进行了完善，建立了一种涵盖16种加工特征的标准样件，该方法适用能够完成多种(至少包含标准样件的16种)加工特征的机床自身能耗测试。然而，这些机床自身固有能量效率的测试方法还存在不足，即实体样件能耗特征并不能涵盖机床所有的能耗特点，以及测试结果依赖于标准样件而非仅为机床本身，故而容易造成争议而严谨性不够。