[发明专利]数据驱动的数控车削元动作能耗预测方法

权利要求书

1.数据驱动的数控车削元动作能耗预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：分析数控车削加工过程元动作组成，分析数控车削元动作能耗特性，揭示不同时段元动作对机床能耗影响；

步骤2：利用传感器及工业物联网技术对数控车削元动作进行判断及获取，基于元动作数据对机床状态进行判断；

步骤3：基于高斯过程回归算法，利用数据驱动方式建立数控车削元动作能耗预测模型；

步骤1中数控车削加工过程元动作集合MA表示为：

MA＝{MS,SR,AF,CF,CR,TC,C,MC,DC,PC}

式中，MS为机床启停元动作、SR为主轴旋转元动作、AF为进给轴运转元动作、CF为冷却液启停元动作、CR为排屑启停元动作、TC为刀具更换元动作、C为切削加工元动作，MC为工件材料变化元动作、DC为加工直径变化元动作、PC为工艺参数变化元动作；

步骤2中数控车削元动作的判断与获取过程为：

通过与数控系统通讯，可得到机床刀具X轴坐标X_p，Z轴坐标Z_p、主轴转速n、进给率f、冷却液开启状态、排屑开启状态数据；通过外接功率传感器，可得到机床总功率P_total以及主传动系统功率P_sp；通过MES系统可获取加工任务信息；并且通过提取MES系统中加工任务的开始时间与结束时间可以很大幅度的减小机床实时采集的数据的搜索范围；通过采集和分析以上数据，可以实现车削加工元动作的获取，其方法为：

(1)机床开启元动作MS，包括机床一开、机床二开状态；当P_total＝0时，机床处于停机状态；当P_total0时，机床处于开启状态；不同机床具有自己的编号，根据机床的编号可以判断每台机床的机床开启元动作状态；

(2)主轴旋转元动作SR，包括静止与旋转两种状态，当n＝0时，SR处于静止状态；当n0时，SR处于旋转状态；

(3)进给轴运转元动作AF，包括静止、X轴进给、Z轴进给和X-Z联动进给四种状态，当f＝0时，AF处于静止状态；当f0、X_p发生变化、Z_p未变化时，AF处于X轴进给状态；当f0、X_p未发生变化、Z_p发生变化时，AF处于Z轴进给状态；当f0、X_p发生变化、Z_p发生变化时，AF处于X-Z联动进给状态；

(4)切削液启停元动作CF，包括关闭和开启两种状态，与数控系统通讯可直接得到CF状态；

(5)排屑启停元动作CR，包括关闭和开启两种状态，与数控系统通讯可直接得到CR状态；

(6)刀具更换元动作TC，包括更换至刀具一、更换至刀具二状态，每把刀具在刀架上都有对应的刀具号，与数控系统通讯可得到机床当前使用刀具号，当读取的刀具号发生变化时即可判断TC状态；

(7)切削加工元动作C，包括未切削与切削两种状态，当P_total≠0，f≠0，n≠0，(P_sp-P_u)/P_uC₀时，C处于切削状态；反之，C处于未切削状态；其中P_u为机床的空载功率，C₀根据切削用量取5％—10％，将主轴启动后的P_sp实时存入数组[P_sp]中,取平稳[P_sp]下的平均值作为P_u；

(8)工件材料变化元动作MC，通过MES系统可直接得到加工工件材料信息；

(9)加工直径变化元动作DC，包括加工直径D的大小变换状态，刀具所处位置的X轴坐标X_p的值即为加工直径D的大小；

(10)工艺参数变化元动作PC，包括切削速度v_c变化、进给率f变化和背吃刀量a_p变化，切削速度v_c由公式v_c＝πnD计算得出；进给率f可与数控系统通信直接得到；背吃刀量a_p等于零件半径与第一次切削加工的加工半径的差值或两次切削加工的加工半径的差值；

步骤2中基于数控车削元动作数据的状态判断方法为：

(1)待机状态判断

此状态下机床只维持最基本的运转，通过监控机床功率可实现待机状态的判断，当P_total0时，MS状态处于开启状态，而SR、AF状态处于静止状态时，机床的运行状态处于待机状态；

(2)空切状态判断

此状态下机床的进给系统启动和辅助系统开启并且机床未开始切削工件，当f0时，AF处于某一轴进给的状态，而当P_total≠0，f≠0，n≠0，(P_sp-P_u)/P_uC₀时，C处于未切削状态，此时机床的运行状态处于空切状态；

(3)切削状态判断

此状态下机床切除工件的多余物料，所以该状态下除了包含空切时段的元动作，还增加了机床切削加工元动作，当P_total≠0，f≠0，n≠0，(P_sp-P_u)/P_uC₀时，C处于切削状态，即判定机床处于切削状态；

(4)换刀状态元动作

此状态下机床更换加工零件的刀具，通过读取机床当前使用刀具号，当TC发生刀具更换动作时，机床处于换刀状态。