一种基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统与方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Measuring System and Method of Inherent Energy Efficiency Attribute of Machine Tool Based on Virtual Prototype

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统与方法
本专利技术属于机械加工制造
，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。
技术介绍
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。已公开的专利技术专利“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。技术专利“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。专利技术专利“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“Machinetoolsetestmethodsforelectricpowerconsumption”(JISTSB0024-1:2010)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“Methodsformeasuringenergysuppliedtomachinetoolsandmachinetoolcomponents”(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“BehrendtT,ZeinA,MinS.Developmentofanenergyconsumptionmonitoringprocedureformachinetools[J].CIRPannals,2012,61(1):43-46.”陈述了一种机床能耗测试方法，其对JISTSB0024-1:2010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。综上所述，现有机床能量效率的测量方法主要集中在由机床、刀具、工件等构成的机械加工系统的具体某加工过程上，测量结果表现为机床服役期间内某一具体加工过程的能量消耗和能量利用率；部分学者面向机床自身，对机床自身固有的能效特性进行了研究，但还存在以下问题：1)机床固有能量效率属性描述方法模糊，描述模型不明确；2)现有用于测试机床固有能量效率属性的实体样件能耗特征涵盖不全，且其切削实验过程繁琐；3)测试结果易依赖于标准样件而非机床本身，故而严谨性不够，易造成争议。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统与方法，以解决依赖实体样件进行测量存在的能耗特征涵盖不全的问题；本专利技术不仅能测量出机床自身运行能耗属性，还能测量机床在未来服役阶段综合能效潜力。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统，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；机床固有能效属性测试指标体系：包括用于表征机床自身运行能耗属性的固有能耗特征指标群、用于表征机床未来加工过程综合能耗特性的当量能耗指标群和用于表征机床未来加工过程综合能效属性的固有比能效率，以及固有能耗特征指标群、当量能耗指标群与固有比能效率的函数模型；能耗数据测量系统：用于测量待测机床非切削状态下的能耗数据，包括待测机床所有待机情形下的待机功率、待测机床转速范围内的所有主轴转速下的启动能耗和空载功率、待测机床进给速度范围内的所有进给速度下的进给功率，其中，所有进给速度包含所有倍率下的快速进给速度和所有工进给速度；虚拟样件模拟系统：用于创建虚拟样件并根据待测机床非切削状态下的能耗数据与待测机床用户使用情况的调研数据模拟待测机床加工虚拟样件的能量消耗过程；其中，虚拟样件是为了反映机床未来服役阶段所有可能加工任务及其概率分布所提出的概念，虚拟样件是由机床服役阶段与工件能耗相关联的所有有可能的机床运行状态以及相应运行状态的运行时长所构成的集合体；机床固有能效属性测试指标计算系统：用于根据测量待测机床非切削状态下的能耗数据计算固有能耗特征指标群与当量能耗指标群，并根据模拟待测机床加工虚拟样件的能量消耗过程所获得的数据计算固有比能效率。进一步的，虚拟样件包含如下加工过程特征：特征a：虚拟样件加工过程的转速覆盖了待测机床转速范围内的所有主轴转速；特征b：虚拟样件的加工过程包含了待测机床所有转速范围下的启动过程和空载过程；特征c：虚拟样件的加工过程包含了待测机床所有转速下的负载，每种转速下的负载又包含了0到该转速下最大载荷的负载；特征d：虚拟样件加工过程中各种转速的加工时间为该转速使用概率与主轴总运转时间的乘积；各种转速下各种载荷的负载时间为该载荷出现的概率与该转速下总负载时长的乘积。进一步的，待测机床转速范围内的所有主轴转速按如下方式表示：当待测机床的主轴转速为有级调速时，采用每级主轴转速组成的集合表示待测机床转速范围内的所有主轴转速；当待测机床的主轴转速为无级调速时，采用若干个离散的转速代表所组成的集合来表征待测机床转速范围内的所有主轴转速；待测机床进给速度范围内的所有进给速度按如下方式表示：当待测机床的进给速度为有级调速时，采用每种倍率下的快速进给速度所组成的集合与每级工进给速度所组成的集合一起表示待测机床进给速度范围内的所有进给速度；当待测机床的进给速度为无级调速时，采用每种倍率下快速进给速度所组成的集合以及若干个工进给速度代表组成的集本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统，其特征在于，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；机床固有能效属性测试指标体系：包括用于表征机床自身运行能耗属性的固有能耗特征指标群、用于表征机床未来加工过程综合能耗特性的当量能耗指标群和用于表征机床未来加工过程综合能效属性的固有比能效率，以及固有能耗特征指标群、当量能耗指标群与固有比能效率的函数模型；能耗数据测量系统：用于测量待测机床非切削状态下的能耗数据，包括待测机床所有待机情形下的待机功率、待测机床转速范围内的所有主轴转速下的启动能耗和空载功率、待测机床进给速度范围内的所有进给速度下的进给功率，其中，所有进给速度包含所有倍率下的快速进给速度和所有工进给速度；虚拟样件模拟系统：用于创建虚拟样件并根据待测机床非切削状态下的能耗数据与待测机床用户使用情况的调研数据模拟待测机床加工虚拟样件的能量消耗过程；其中，虚拟样件是为了反映机床未来服役阶段所有可能加工任务及其概率分布所提出的概念，虚拟样件是由机床服役阶段与工件能耗相关联的所有有可能的机床运行状态以及相应运行状态的运行时长所构成的集合体；机床固有能效属性测试指标计算系统：用于根据测量待测机床非切削状态下的能耗数据计算固有能耗特征指标群与当量能耗指标群，并根据模拟待测机床加工虚拟样件的能量消耗过程所获得的数据计算固有比能效率。...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统，其特征在于，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；机床固有能效属性测试指标体系：包括用于表征机床自身运行能耗属性的固有能耗特征指标群、用于表征机床未来加工过程综合能耗特性的当量能耗指标群和用于表征机床未来加工过程综合能效属性的固有比能效率，以及固有能耗特征指标群、当量能耗指标群与固有比能效率的函数模型；能耗数据测量系统：用于测量待测机床非切削状态下的能耗数据，包括待测机床所有待机情形下的待机功率、待测机床转速范围内的所有主轴转速下的启动能耗和空载功率、待测机床进给速度范围内的所有进给速度下的进给功率，其中，所有进给速度包含所有倍率下的快速进给速度和所有工进给速度；虚拟样件模拟系统：用于创建虚拟样件并根据待测机床非切削状态下的能耗数据与待测机床用户使用情况的调研数据模拟待测机床加工虚拟样件的能量消耗过程；其中，虚拟样件是为了反映机床未来服役阶段所有可能加工任务及其概率分布所提出的概念，虚拟样件是由机床服役阶段与工件能耗相关联的所有有可能的机床运行状态以及相应运行状态的运行时长所构成的集合体；机床固有能效属性测试指标计算系统：用于根据测量待测机床非切削状态下的能耗数据计算固有能耗特征指标群与当量能耗指标群，并根据模拟待测机床加工虚拟样件的能量消耗过程所获得的数据计算固有比能效率。2.根据权利要求1所述的基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统，其特征在于，虚拟样件包含如下加工过程特征：特征a：虚拟样件加工过程的转速覆盖了待测机床转速范围内的所有主轴转速；特征b：虚拟样件的加工过程包含了待测机床所有转速范围下的启动过程和空载过程；特征c：虚拟样件的加工过程包含了待测机床所有转速下的负载，每种转速下的负载又包含了0到该转速下最大载荷的负载；特征d：虚拟样件加工过程中各种转速的加工时间为该转速使用概率与主轴总运转时间的乘积；各种转速下各种载荷的负载时间为该载荷出现的概率与该转速下总负载时长的乘积。3.根据权利要求2所述的基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统，其特征在于，待测机床转速范围内的所有主轴转速按如下方式表示：当待测机床的主轴转速为有级调速时，采用每级主轴转速组成的集合表示待测机床转速范围内的所有主轴转速；当待测机床的主轴转速为无级调速时，采用若干个离散的转速代表所组成的集合来表征待测机床转速范围内的所有主轴转速；待测机床进给速度范围内的所有进给速度按如下方式表示：当待测机床的进给速度为有级调速时，采用每种倍率下的快速进给速度所组成的集合与每级工进给速度所组成的集合一起表示待测机床进给速度范围内的所有进给转速；当待测机床的进给速度为无级调速时，采用每种倍率下的快速进给速度所组成的集合以及若干个工进给速度代表组成的集合一起来表征待测机床进给速度范围内的所有进给速度。4.根据权利要求3所述的基于虚拟样件的机床固有能效属性测量系统，其特征在于，固有能耗特征指标群包括待机功率函数Psb、启动能耗函数Est(n)、空载功率函数Pu(n)与附加载荷损耗系数函数α(n)；待机功率函数Psb是指各种待机情形下的机床待机功率的集合，启动能耗函数Est(n)用于表示机床主轴启动能耗与主轴转速的函数关系，空载功率函数Pu(n)表示机床空载功率与转速的函数关系，附加载荷损耗系数函数α(n)表示机床附加载荷损耗系数与转速的函数关系，它们的函数模型分别如下：待机功率函数Psb：Psb＝{Psb,1,...,Psb,i,...,Psb,S}；式中，Psb,i表示第i种待机情形下的待机功率；S表示待...

【专利技术属性】
技术研发人员：庹军波，刘飞，刘培基，李聪波，张华，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50