一种机械加工设备能量消耗测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种机械加工设备能量消耗测量装置，包括能耗数据采集模块、能耗数据处理模块、能耗数据控制传输模块和PC监控端，其中，能耗数据采集模块包括电压互感器、电流互感器和低通滤波器；能耗数据处理模块包括由三片三相电能计量芯片所组成的电能计量芯片组，能耗数据控制传输模块包括微控制器、LED显示器和矩阵键盘，微控制器通过SPI接口与所述寄存器相连接；PC监控端通过通信接口接收微控制器传输的数据，通过人机交互界面显示能耗功率曲线。本发明专利技术相比于现有的测量装置具有更好的实时性、可靠性和稳定性，并且能够广泛运用于数控机械加工设备机械加工过程中能量消耗的状态信息分析、管理控制和节能优化的研究中，具有较广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种机械加工设备能量消耗测量装置
本专利技术涉及一种机械加工设备能量消耗测量装置，属于机械加工领域。
技术介绍
关于机械加工设备能耗测量问题，国外已经有大量的研究。国际生产工程科学院(CIRP，TheInternationalAcademyforProductionEngineering)第18届生命周期工程会议针对机械加工设备能量消耗监控问题，提出了一种模块化能量消耗建模方法，为机械加工设备能量监控提供了方法学支持；麻省理工大学的Kordonowy提出了一种基于额定功率的机械加工设备能量效率测算模型，采用统计学的方法，将机械加工设备能耗分为可变能耗和固定能耗，并运用此方法对多种不同类型的机械加工设备建立了能耗统计模型；国内对这方面的研究主要是刘飞早年提出了机械加工过程中还存在载荷损耗，即由载荷引起的传动系统及电机的附加能量损耗；刘高君等人提出了一种人机交互式机械加工设备加工状态判别方法，但该方法需要人为实时操作，车间应用较为不便，浙江大学唐任仲教授团队在数控机械加工设备能量供给建模、机械加工工艺过程能量需求建模与产品车间生产过程碳排放计算等方面开展了相关研究。综上所述，国内的研究主要集中在对机械加工设备机械加工过程中能耗过程的理论研究和模型建立，而国外的研究已经开始对机械加工设备能量损耗的监控软件进行研究。据此，对数控机械加工设备加工过程中的能量消耗过程进行监控，是获取机械加工设备能耗实时数据的有效手段，能够为机械加工设备节能优化决策和评估机械加工设备能耗提供数据支持,是我国机械加工设备产业节能减排和走向国际化的内在和外在需求。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种机械加工设备能量消耗测量装置，以VB和ARM为基础，为机械加工设备加工过程中的能效评估和能耗优化提供基础数据和理论支持，对机械加工设备实际生产中的节能降耗研究起到指导作用。本专利技术中主要采用的技术方案为：一种机械加工设备能量消耗测量装置，包括能耗数据采集模块、能耗数据处理模块、能耗数据控制传输模块和PC监控端，其中，所述能耗数据采集模块包括电压互感器、电流互感器和低通滤波器，所述电压互感器和电流互感器分别采集数控机械加工设备的三相电压和电流，且采集的三相电压和电流数据经低通滤波器传输至能耗数据处理模块；所述能耗数据处理模块包括由三片三相电能计量芯片所组成的电能计量芯片组，所述电能计量芯片组接收所述能耗数据采集模块采集的三相电压和电流数据，并对其进行A/D转换和计算处理，从而得到相应的能耗参数，所述能耗参数存储于电能计量芯片中的寄存器中，所述寄存器与能耗数据控制传输模块数据传输连接；所述能耗数据控制传输模块包括微控制器、LED显示器和矩阵键盘，所述LED显示器和矩阵键盘分别与微控制器的硬件接口连接，所述微控制器通过SPI接口与所述电能计量芯片中的寄存器相连接，所述微控制器读取电能计量芯片中的寄存器中的能耗参数进行显示、存储，所述微控制器通过通信接口向PC监控端传输数据；所述PC监控端通过通信接口接收微控制器传输的数据，并通过VB软件编程进行图像绘制，通过人机交互界面显示能耗功率曲线。优选地，所述电压互感器和电流互感器分别接入数控机械加工设备空气开关中测量空气开关中的三相电压和三相电流，所述低通滤波器分别连接在每一个电流互感器和电流互感器之后，用于滤除掉采样后模拟数据信号中的高频噪声和直流增益，从而提高信号的抗干扰性。优选地，所述电能计量芯片组中每一片电能计量芯片分别与测量同一相的电流互感器和电压互感器相连接，并将该相电流互感器和电压互感器采集的采样值进行计算得到能耗参数，并将能耗参数存储于寄存器中。优选地，所述能耗参数包括采样电流有效值、采样电压有效值、有功功率、三相有功功率、机械加工设备能量消耗、机械加工设备加工过程有效能量和机械加工设备加工过程能量利用率。优选地，所述LED显示器为四位七段LED数码管，其中1位用于显示通道号，3位用于显示电压、电流和功率值，所述的矩阵键盘为一个4×3的键盘，其中包括0～7的8路通道选择数字键，以及控制显示方式、显示状态功能键。优选地，所述能耗参数中电流有效值计算公式如公式(1)所示：所述能耗参数中采样电压有效值计算公式如公式(2)所示：所述能耗参数中有功功率计算公式如公式(3)所示：所述能耗参数中三相有功功率计算公式如公式(4)所示：P＝Pa+Pb+Pc(4)；所述能耗参数中机械加工设备能量消耗计算公式如公式(5)所示：E＝∫Pdt(5)；所述能耗参数中机械加工设备加工过程有效能量计算公式如公式(6)所示：所述能耗参数中机械加工设备加工过程能量利用率计算公式如公式(7)所示：上述公式(1)～(7)中，in是第n次电流互感器采样得到的瞬时电流值，un表示第n次电压互感器采样得到的瞬时电压值，U(n)表示第n次计算得到的有效电压值，I(n)表示第n次计算得到的电流有效值，Eeff表示机械加工设备的切削有效能量，PUi表示机械加工设备加工动力系统在转速ni下的空切功率，Paux(t)表示机械加工设备特定辅助系统的功率，α表示机械加工设备切削时的附加载荷系数，tcsk表示第k个切削过程的开始时间，tcek表示第k个切削过程的结束时间，ηE表示机械加工设备加工过程能量利用率，k表示第k个切削过程，Ein表示检测机床的总输入能量，Pin表示检测机床的总输入实时功率值，tins表示检测的开始时间，tine表示检测的结束时间。优选地，所述电压互感器为ZMPT101B型电压互感器，其模拟电压输出为250v以内交流电压，所述电流互感器为TA12-100型电流互感器，其输入输出比例为5A/5mA，所述低通滤波器为TCL14型巴特沃斯滤波器，且时钟截止频率比为100：1，误差小于±1％。优选地，所述的电能计量芯片为单相电能计量芯片，其型号为SA9904B型电能计量芯片。优选地，所述的微控制器为STM32F103C8T6型号的ARM芯片，所述的ARM芯片与PC端间的数据传输采用车间层的通讯网络实现。优选地，所述的人机交互界面包括能耗测量模块、能耗分析模块和结果输出模块，所述能耗测量模块用于测量机械加工设备的功率数据，包括采集、显示、存储功能，对实时功率数据进行存储/显示的同时绘制机械加工设备加工过程中的功率曲线，所述能耗分析模块用于对能耗信息处理和分析，统计计算机械加工设备总能耗、机械加工设备有效能量、机械加工设备能量利用率和机械加工设备运行时间，并将机械加工设备能耗信息绘制成机械加工设备能耗分布图，所述结果输出模块用于输出人员需求的能耗信息，包括机械加工设备总能耗、机械加工设备有效能量和机械加工设备能量利用率。有益效果：本专利技术提供一种机械加工设备能量消耗测量装置，具有如下优点：一、能耗测量功能模块多样：相比于现有的能耗信息采集装置，本专利技术所提供的测量装置由能耗测量、能耗分析和结果输出三个测量功能模块构成，能够实时为操作人员提供机械加工设备加工过程中的功率曲线、机械加工设备总能耗、机械加工设备有效能量、机械加工设备能量利用率和机械加工设备运行时间等机械加工设备能耗信息。并能够对机械加工设备加工过程中能耗部件进行分析，从而绘制机械加工设备能耗分布图，为机械加工设备加工过程的节能降耗提供理论依据。二、数据采集过程高效，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械加工设备能量消耗测量装置，其特征在于，包括能耗数据采集模块、能耗数据处理模块、能耗数据控制传输模块和PC监控端，其中，所述能耗数据采集模块包括电压互感器、电流互感器和低通滤波器，所述电压互感器和电流互感器分别采集数控机械加工设备的三相电压和电流，且采集的三相电压和电流数据经低通滤波器传输至能耗数据处理模块；所述能耗数据处理模块包括由三片三相电能计量芯片所组成的电能计量芯片组，所述电能计量芯片组接收所述能耗数据采集模块采集的三相电压和电流数据，并对其进行A/D转换和计算处理，从而得到相应的能耗参数，所述能耗参数存储于电能计量芯片中的寄存器中，所述寄存器与能耗数据控制传输模块数据传输连接；所述能耗数据控制传输模块包括微控制器、LED显示器和矩阵键盘，所述LED显示器和矩阵键盘分别与微控制器的硬件接口连接，所述微控制器通过SPI接口与所述电能计量芯片中的寄存器相连接，所述微控制器读取电能计量芯片中的寄存器中的能耗参数进行显示、存储，所述微控制器通过通信接口向PC监控端传输数据；所述PC监控端通过通信接口接收微控制器传输的数据，并通过VB软件编程进行图像绘制，通过人机交互界面显示能耗功率曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种机械加工设备能量消耗测量装置，其特征在于，包括能耗数据采集模块、能耗数据处理模块、能耗数据控制传输模块和PC监控端，其中，所述能耗数据采集模块包括电压互感器、电流互感器和低通滤波器，所述电压互感器和电流互感器分别采集数控机械加工设备的三相电压和电流，且采集的三相电压和电流数据经低通滤波器传输至能耗数据处理模块；所述能耗数据处理模块包括由三片三相电能计量芯片所组成的电能计量芯片组，所述电能计量芯片组接收所述能耗数据采集模块采集的三相电压和电流数据，并对其进行A/D转换和计算处理，从而得到相应的能耗参数，所述能耗参数存储于电能计量芯片中的寄存器中，所述寄存器与能耗数据控制传输模块数据传输连接；所述能耗数据控制传输模块包括微控制器、LED显示器和矩阵键盘，所述LED显示器和矩阵键盘分别与微控制器的硬件接口连接，所述微控制器通过SPI接口与所述电能计量芯片中的寄存器相连接，所述微控制器读取电能计量芯片中的寄存器中的能耗参数进行显示、存储，所述微控制器通过通信接口向PC监控端传输数据；所述PC监控端通过通信接口接收微控制器传输的数据，并通过VB软件编程进行图像绘制，通过人机交互界面显示能耗功率曲线。2.根据权利要求1所述的一种机械加工设备能量消耗测量装置，其特征在于，所述电压互感器和电流互感器分别接入数控机械加工设备空气开关中测量空气开关中的三相电压和三相电流，所述低通滤波器分别连接在每一个电流互感器和电流互感器之后，用于滤除掉采样后模拟数据信号中的高频噪声和直流增益，从而提高信号的抗干扰性。3.根据权利要求1所述的一种机械加工设备能量消耗测量装置，其特征在于，所述电能计量芯片组中每一片电能计量芯片分别与测量同一相的电流互感器和电压互感器相连接，并将该相电流互感器和电压互感器采集的采样值进行计算得到能耗参数，并将能耗参数存储于寄存器中。4.根据权利要求1或3所述的一种机械加工设备能量消耗测量装置，其特征在于，所述能耗参数包括采样电流有效值、采样电压有效值、有功功率、三相有功功率、机械加工设备能量消耗、机械加工设备加工过程有效能量和机械加工设备加工过程能量利用率。5.根据权利要求4所述的一种机械加工设备能量消耗测量装置，其特征在于，所述LED显示器为四位七段LED数码管，其中1位用于显示通道号，3位用于显示电压、电流和功率值，所述的矩阵键盘为一个4×3的键盘，其中包括0～7的8路通道选择数字键，以及控制显示方式、显示状态功能键。6.根据权利要求4所述的一种机械加工设备能量消耗测量装置，其特征在于，所述能耗参数中电流有效值计算公式如公式(1)所示：所述能耗参数中采样电压有效值计算公式如公式(2)所示：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾文斌，李卓，苑明海，李育鑫，张薇薇，姬翠翠，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32