一种机床能效快速定量测试方法

一种机床能效快速定量测试方法
【专利摘要】一种机床能效快速定量测试方法，属于机械制造、机床、能耗监管领域。为了解决现有不能全面测试机床能效特性的问题。包括：关闭机床所有子系统和总电源开关；顺次启动机床恒值能耗子系统，获得初步预热后的各恒值能耗子系统功率；充分预热机床后顺次关闭机床恒值能耗子系统，获得充分预热后的各恒值能耗子系统功率；根据初步预热后和充分预热后的各恒值能耗子系统功率，获得机床所有恒值能耗子系统的平均总功率；根据获得的平均总功率，运行机床空载运动组合，测试不同空载参数下机床功率，分别获得主轴空转、单个进给轴、回转工作台和插补进给功率特性；按照工艺加工功率测试功能样件，获得加工基础特征时和加工任意特征时的机床功率特性。
【专利说明】
一种机床能效快速定量测试方法
技术领域
[0001] 本发明属于机械制造、机床、能耗监管领域，尤其涉及一种机床能效快速定量测试 方法。
【背景技术】
[0002] 机床作为工业生产的母机，数量众多，消耗能量巨大，同时由于其能效水平整体较 低，所以具有巨大的节能潜力。对现有机床进行有效的监管和使用过程优化、在机床设计和 验证阶段对机床能耗进行评估等都需要快速定量检测机床能效特性。研究机床能耗特性， 有LCA方法，输入输出模型方法，层次分析法等，但这些方法不易同时满足机床监管人员、设 计人员和使用人员对机床能效的需求。针对以上困难，本发明提出了一种基于机床空载能 耗测试和基础特征加工的机床能效快速定量测试方法。
[0003] Dietmair在研究机床能耗建模与预测方法时利用数控机床加工了其所在机构的 名字作为测试样件，计算了机床能耗。日本标准协会(JSA)制定了标准TSB 0024--机床电 能消耗测试方法，共有四部分，分别针对加工中心、数控车床和车削中心、卧式磨床和往复 式工作台型平面磨床、外圆磨床，该标准针对不同类型和大小的机床设计了相应的测试样 件，但是该标准所提出的方法并不适合不同机床生产商所生产的机床能耗对比。Behrendt 等人在JIS TS B 0024-1:2010基础上设计了一种新的机床能耗测试样件，但是并没有给出 该样件的设计准则和设计方法。2013年，Behnood Afsharizand和杨增光在已有研究基础上 分别设计了不同的标准样件，针对所研究的机床进行了能耗测试，但是也没有给出设计所 用样件的设计方法或设计准则。这些文献表明已有不少学者对利用样件快速测试机床能效 进行了研究，体现了利用设定好的流程或方法来进行机床能效测试的思想，但目前缺乏公 认的机床能效测试样件或流程，并且已有的方法大多只关注于设定的样件加工总能耗，对 加工过程中的能耗与机床能效特性的关系研究不足，不能全面测试机床能效特性。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的是为了解决现有不能全面测试机床能效特性的问题，提供一种机床 能效快速定量测试方法。
[0005] 本发明的一种机床能效快速定量测试方法，所述方法包括如下步骤：
[0006] 步骤一:关闭机床所有子系统和总电源开关，准备检测待测试机床；
[0007] 步骤二:顺次启动机床恒值能耗子系统，并测量机床功率变化，获得初步预热后的 各恒值能耗子系统功率；
[0008] 步骤三:充分预热机床后顺次关闭机床恒值能耗子系统，并测量机床功率变化，获 得充分预热后的各恒值能耗子系统功率；
[0009] 步骤四：根据初步预热后的各恒值能耗子系统功率和充分预热后的各恒值能耗子 系统功率，获得机床单个恒值能耗子系统的平均功率和机床所有恒值能耗子系统的平均总 功率；
[0010] 步骤五:根据获得的机床恒值能耗子系统的平均总功率，运行机床空载运动组合， 测试不同空载参数下机床功率，分别获得主轴空转功率特性、单个进给轴功率特性、回转工 作台功率特性和插补进给功率特性；
[0011] 步骤六:按照工艺加工功率测试功能样件，获得加工基础特征时的机床功率特性 和加工任意特征时的机床功率特性。
[0012] 步骤二中，获得初步预热后的各恒值能耗子系统功率的方法：
[0013] 首先，打开机床使各系统处于运行状态，初步预热机床，然后关闭机床除控制系统 外的所有能耗子系统，待机床功率稳定后顺次每隔固定时间启动一个恒值能耗子系统，记 录机床功率变化，功率变化值为初步预热后各恒值能耗子系统功率。
[0014] 步骤三中，获得充分预热各后的恒值能耗子系统功率的方法为：
[0015] 待机床充分预热后，关闭所有机床可变能耗子系统，待机床功率稳定后顺次每隔 固定时间关闭一个恒值能耗子系统，记录机床功率变化，功率变化值为充分预热后的各恒 值能耗子系统功率。
[0016] 所述步骤四中，获得单个恒值能耗子系统的平均功率的方法：
[0017] 第i个恒值能耗子系统的平均功率P_s-i:
[0018]
[0019] 其中，pQi为初步预热后关闭第i个机床恒值能耗子系统后的机床功率，Poh为初步 预热后关闭第i个机床恒值能耗子系统前机床功率，P 3H为充分预热后关闭第i个机床恒值 能耗子系统前的机床功率，P31为充分预热后关闭第i个机床恒值能耗子系统后的机床功率；
[0020] 获得机床所有恒值能耗子系统的平均总功率P_s:
[0021] Pcons = Σ Peons-i O
[0022] 获得主轴空转功率特性的方法：
[0023] 选择机床最高转速为基准，使机床主轴从转速为零到最高转速之间取若干个转速 点，关闭其他所有可变能耗子系统，然后使主轴转速从零开始，按照取的若干个转速点，依 次加速至最高转速，然后按照取的若干个转速点，又依次减速到最低转速，并在每个转速下 运转一段时间使机床功率稳定;对每种转速下的机床功率取平均值，利用所述平均值减去 机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，得到每个转速下主轴空转功率，对其进行拟合得 到主轴转速和功率之间的关系；
[0024] 获得单个进给轴功率特性的方法：
[0025] 取待测试进给轴的最大进给速度为基准速度，从进给速度为零到该最大进给速度 取若干个进给速度点，关闭其他所有可变能耗子系统，在所取的每个进给速度下运行待测 试进给轴，获得待测试进给轴进给时的机床功率，每种进给速度运行之后，根据需要插入一 段待测试进给轴静止的状态，以便于在功率信息中进行区分;利用待测试进给轴进给时的 机床功率减去机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，便得到每个进给速度下待测试进给 轴功率，对其进行拟合可得进给速度和进给功率之间的关系；
[0026] 根据需要，对上述过程进行重复，对每个进给速度下的进给轴的进给功率取平均 值，对其进行拟合可得进给速度和进给功率之间的关系；
[0027]获得回转工作台功率特性的方法：
[0028] 取待测试回转工作台的最大回转速度为基准速度，从回转速度为零到最大回转速 度间取若干个回转速度点，关闭其他所有可变能耗子系统，在所取的每个回转速度下运行 待测试回转工作台，同时测试对应的机床功率，每种回转速度运行之后，根据需要插入一段 待测试回转工作台静止的状态，以便于在功率信息中进行区分；
[0029] 根据需要，对上述过程进行重复，对每个回转速度下的机床功率取平均值，利用所 述平均值减去机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，得到每个回转速度下的回转工作台 功率，通过数据拟合，得到回转速度和回转功率之间的关系；
[0030] 获得插补进给功率特性的方法：
[0031] 针对机床自身特性，首先设计一组插补运动轨迹和对应的插补速度，然后按照设 定的顺序依次运行并测试机床功率，用所得机床功率减去机床所有恒值能耗子系统的平均 总功率，获得插补进给功率，最后利用数据拟合得到插补功率和插补速度之间的关系。
[0032] 获得加工基础特征时的机床功率特性的方法：
[0033] 对基础特征的加工过程进行分解，加工并记录每个分解过程的功率，利用多元回 归方法得到加工单位尺寸基础特征的加工能耗和刀具、工艺参数之间的关系，获得加工基 础特征时的机床功率特性。
[0034] 获得加工任意特征时的机床功率特性的方法：
[0035] 根据所加工特征自身特点，将其加工过程分解为一系列基础特征的加工，相应的 其加工能耗按照这种组合利用代数运算得到，获得加工任意特征时的机床功率特性。
[0036] 本发明的有益效果在于，通过本发明的方法进行机床能效测试，可以得到机床整 体能效水平、机床具体使用中的元能效特性和机床各个子系统的能效特性，能够满足机床 能效相关检测需求。本方法具有简单易用，测试成本较低，获得数据丰富等特点。
【附图说明】
[0037]图1是机床能效快速检测流程
[0038] 图2是顺次打开恒值能耗子系统时机床功率变化示意图；
[0039] 图3是关闭恒值能耗子系统时机床功率变化示意图；
[0040] 图4是空载插补运动功率测试过程示意图；
[0041] 图5是加工平面时的加工过程分解(al)至(cl)和各阶段功率变化(a2)至(c2)的示 意图；
[0042] 图6是加工孔时的加工过程分解(al)至(Π )和各阶段功率变化(a2)至(f2)的示意 图；
[0043] 图7是加工半开口槽时的加工过程分解(al)至(cl)和各阶段功率变化(a2)至(c2) 的不意图；
[0044] 图8是加工封闭槽时的加工过程分解(a 1)至(d 1)和各阶段功率变化(a2)至(d2)的 示意图；
[0045] 上述图中，坐标p表示功率，坐标t表示时间，Λρ表示机床功率变化。
【具体实施方式】
[0046] 机床监管者对机床能效测试的需求主要特征为:获得机床整体上的能效特性和在 进行某类生产任务时的能效特性。
[0047] 机床设计人员对机床能效测试的需求主要特征为:获得机床的多源能耗特性，得 到每个耗能子系统在不同机床使用工况下的能耗特性，包括能耗恒定的子系统和能耗可变 的子系统。
[0048] 机床使用人员对机床能效测试的需求主要特征为:获得机床在进行特定加工任务 时的能耗需求，从而可以预测某个产品在加工过程中机床所消耗的能量。
[0049] 尽管机床的种类繁多，但总体上机床的结构都是由主轴、相应的直线运动轴、回转 轴、床身、附加系统和控制系统组成。在实际的加工任务中，机床时常处于不同的状态，不同 的状态对应于不同的能耗特性，机床能耗变化的原因是机床运行状态的改变。粗略地，机床 运行状态可以划分为关机、启动、待机、空载和切削等状态，在这些典型状态下机床部分耗 能子系统的能耗特性如表1所示：
[0050] 表1机床在不同状态下部分耗能子系统的能耗特性
[0052] 注:符号"〇"表示不耗能，"籲"表示消耗能量。
[0053]除了表1中所列，机床根据配置形式不同，还会有些其他的耗能子系统，但总体上 都具有和表1中所列子系统类似的能耗特性。同时，上述有些子系统只要开启，就一直消耗 能量，且在外界环境不变的情况下，能耗值可以认为是恒定值或某几个固定值，不随工艺参 数改变而变化;而另外一些子系统的能耗值随着机床具体工艺参数和工况的不同会实时变 化。对于能耗恒定的子系统，通过单独依次启动和关闭并同时从机床总动力线上测试机床 功率变化来快速得到其功率消耗。对于能耗变化的子系统，通过按照相应的流程和加工能 效测试功能样件来得到。
[0054] 本实施方式的快速测试机床能耗需要考虑众多原则：
[0055] 1.反应机床总体能耗水平；
[0056] 2.与机床的具体配置和性能相关，测试结果在同类型不同的机床之间具有可比 性；
[0057] 3.得到机床各个耗能部件/子系统的能耗特性；
[0058] 4.得到加工单个加工特征时的能耗水平；
[0059] 5.标准化的测试流程，保证不同的测试者测试所得到的结果具有一致性；
[0060] 6.在一定程度上反应机床能耗受加工工况的影响特性；
[0061 ] 7 .此外，标准样件还应该符合一般性的机械设计原则，如经济性原则、简单原则 等。
[0062]具体，本实施方式的一种机床能效快速定量测试方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0063] 步骤一、关闭机床所有子系统和总电源开关；
[0064] 步骤二、准备和安装相关测试设备;测试设备主要为功率记录仪器，安装位置为机 床总动力线，但需要注意区分三相三线和三相四线时功率记录仪的接法差异；
[0065] 步骤三、顺次启动机床恒值能耗子系统，并测量机床功率变化，测试初步预热后的 各恒值能耗子系统能耗：
[0066] 本实施方式中的子系统包括恒值能耗子系统和可变能耗子系统，恒值能耗子系统 使机床保持在一个良好的状态下从而使其加工时可用，主要包括电柜空调、工作灯、主轴电 机风机、排肩器电机、加热器、主轴冰箱、液压站、液压站冰箱、机床静压电机、滑枕补偿电 机、主轴润滑电机、夹紧润滑电机、导油栗电机、数控面板、指示灯等;可变能耗子系统是具 体实施加工任务的机床子系统，如主轴系统、进给轴系统、回转工作台等。
[0067]步骤三一、打开功率记录仪器，等待适当时间待功率记录仪准备就绪；
[0068]步骤三二、打开机床总开关，使机床各系统处于运行状态，保持适当时间使机床预 执. JtW ，
[0069]步骤三三、关闭机床除控制系统外的所有子系统，如各运动轴、电柜空调、工作灯、 主轴电机风机、排肩器电机、加热器、主轴冰箱、液压站、液压站冰箱、机床静压电机、滑枕补 偿电机、主轴润滑电机、夹紧润滑电机、导油栗电机、数控面板、指示灯(报警灯)等；
[0070] 步骤三四、开始记录机床功率，并每隔一段时间启动一个恒值能耗子系统;整个过 程中的机床功率变化如图2所示，相邻两段的功率差便为机床该子系统的功率，该功率差为 初步预热后的各恒值能耗子系统功率。
[0071] 步骤四：顺次关闭机床恒值能耗子系统，并测量机床功率变化，获得充分预热各恒 值能耗子系统功率；
[0072] 待机床充分预热后，关闭所有机床可变能耗子系统，待机床功率稳定后顺次每隔 固定时间关闭一个恒值能耗子系统，记录机床功率，整个过程中的机床功率变化如图3所 示，相邻两段的功率差便为机床该子系统的功率;功率差为充分预热各恒值能耗子系统功 率。
[0073] 步骤五:根据初步预热后的各恒值能耗子系统功率和充分预热后的各恒值能耗子 系统功率，获得机床恒值能耗子系统的平均功率:第i个恒值能耗子系统的平均功率:
[0074]
[0075] 其中，Poi为初步预热后关闭第i个机床恒值能耗子系统后的机床功率，Ροη为初步 预热后关闭第i个机床恒值能耗子系统前机床功率，P 3H为充分预热后关闭第i个机床恒 值能耗子系统前的机床功率，P31为分预热后关闭第i个机床恒值能耗子系统后的机床功率；
[0076] 机床所有恒值能耗子系统的平均总功率P_s:
[0077] Pcons = Σ Peons-i 〇
[0078] 步骤六、运行机床空载运动组合，测试不同空载参数下机床功率，分别获得主轴空 转功率、单个进给轴功率、回转工作台功率和插补进给功率：
[0079] 步骤六一、获得主轴空转功率的方法：
[0080] 选择机床最高转速为基准，使机床主轴从转速为零到最高转速之间取若干个转速 点，关闭其他所有可变能耗子系统，然后使主轴转速从零开始，按照取的若干个转速点，依 次加速至最高转速，然后按照取的若干个转速点，又依次减速到最低转速，并在每个转速下 运转一段时间使机床功率稳定;对每种转速下的机床功率取平均值，利用所述平均值减去 机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，得到每个转速下主轴空转功率，对其进行拟合得 到主轴转速和功率之间的关系；
[0081 ]步骤六二、获得单个进给轴功率的方法：
[0082]依次进行水平方向进给轴功耗测试。取待测试进给轴的最大进给速度为基准速度 N，从进给速度为零到该轴最大进给速度之间取N个进给速度点，N的大小取决于要达到的测 试精度，但不应小于4;关闭其他所有可变能耗子系统，在取的每个进给速度下运行待测试 进给轴一段时间，可以以机床待测运动轴行程的3/4为基准，N个运动水平按照运动速度大 小从高到低分别运行该基准的1、1/N、1/N、……、（N-1)/N的距离，获得进给轴运行时的机床 功率，每种进给速度运行之后，根据需要插入一段待测试进给轴静止的状态，以便于在功率 信息中进行区分；
[0083] 根据需要，对上述过程进行重复，对每个进给速度下的机床功率取平均值，利用所 述平均值减去机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，得到每个进给速度下单个进给轴功 率，进而通过数据拟合得到进给速度和进给功率之间的关系；
[0084] 测试单个进给轴快速进给时的功率，并将其作为单独的数据点，且该点不参与上 述数据拟合，视作常值。
[0085] 依次进行竖直方向进给轴功率测试。参照水平方向情况下的测试进行，只不过对 竖直方向的运动区分向上运动和向下运动，分别进行测试和数据处理。
[0086]步骤六三、获得回转工作台功率的方法：
[0087] 取待测试回转工作台的最大回转速度为基准速度，从回转速度为零到最大回转速 度之间取若干个回转速度点，关闭其他所有可变能耗子系统，在取的每个回转速度下运行 待测试回转工作台，每种回转速度运行之后，根据需要插入一段待测试回转工作台静止的 状态，以便于在功率信息中进行区分；
[0088] 根据需要，对上述过程进行重复，对每个回转速度下的机床功率取平均值，利用所 述平均值减去机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，得到每个回转速度下的回转工作台 功率，通过数据拟合，得到回转速度和回转功率之间的关系；
[0089] 步骤六四、获得插补进给功率的方法：
[0090] 对于工作空间主要由三个直线进给轴的行程确定的机床，按照如下过程测试插补 时的功耗：
[0091 ]设定插补速度。记机床在某进给方向的最大进给速度fmax，则该方向上的机床插补 速度取W8、W4、W2、fmax和快速进给速度五个速度；
[0092] 设定插补轨迹的运行长度:如图4所示，确定一个长方体空间，运行沿如图4所示长 方体空间的某些边或对角线。长方体的每条边的长度与机床在对应方向进给轴的行程成相 同比例，比例系数根据机床运行速度选择，具体如表2所示。
[0093] 衷2沄行谏庠和行趕比例系数

Luuyo」 顺伏测讯芏软功耗：袱伏H又疋tf」佃仲m皮和对胆tf」m迎皮，汝照a-c-n-b-e- a-g-d-h-a"的次序运行沿如图4所示长方体空间的对应对角线，每两段轨迹之间插入一段 机床各轴静止的状态，测定整个过程中的功率变化。整个测试过程需要运行5个长方体空间 的相关对角线，每个插补运动可以得到4个进给速度水平和一个快进速度对应的机床功率。
[0096] 用上述机床功率减去机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，分离得到每种插补 运动在不同速度下的功耗，用恰当的拟合方法拟合得到机床空载进给时的功耗和进给速度 之间的关系；
[0097] 步骤七、按照特定工艺获得加工基础特征时的能耗和加工任意特征时的能耗：
[0098] 针对机床特点和常见加工任务，首先按照一定原则设计一种针对该类型机床的能 耗测试功能样件，样件由一系列尺寸规格不同的最基础的零件特征组成，如平面、孔、槽等， 并且将每个特征的每一步加工过程分别进一步分解，得到一些元加工子过程，即无法再进 行分解的加工步骤，记录加工时这些元加工子过程的能耗和加工整个特征的能耗。将这些 元加工子过程的能耗进行相关的归一化，然后对归一化后的能耗与工艺参数、刀具参数之 间的关系进行多元回归分析得到能耗对这些相关参数的数学表达式，可以通过插值等数学 手段得到加工不同尺寸的相同类型特征所需能量。按照一定的次序加工完所有的样件特 征，得到加工样件整个过程的能耗，作为机床整体能耗的指标之一。
[0099]对于三轴铣床或类似结构型式的机床，平面、孔、槽等最为基础的特征，称为基础 特征。
[0100] 对于选定的平面、孔、半开口槽、封闭槽等基本加工特征，对其加工过程从能耗角 度进行分解，分解的一般过程为:针对从刀具接触材料开始到刀具离开材料结束的这一走 刀过程，刚开始加工时材料去除速率逐渐增加，记为第一个阶段，材料去除速率恒定后，记 为第二个阶段，最后一个阶段为材料去除率又逐渐减小的过程，对于整个加工过程材料去 除率均较小的过程，一般不再细分，如精加工过程中刀具的切入和切出过程不再单独分解 为一个阶段。
[0101] 平面特征能耗:按照图5(al)~（Cl)所示分解过程加工平面并记录每个过程的能 耗，然后对al和cl阶段的能耗进行分别取平均值，对bl过程的能耗进行关于轨迹长度的归 一化处理。
[0102] 孔特征加工能耗:对于孔类特征（如通孔、盲孔等），如果孔的尺寸较大，一般可采 用如图6(dl)~(Π )的分解过程加工，粗加工时其能耗分为三部分:加工底孔的能耗ElJi 应图6(dl)的过程，从底孔过渡到某一中间尺寸的孔的加工能耗E2,对应于图6(el)的过程， 从中间尺寸扩大至最终尺寸的孔的加工过程的能耗E3,对应于图6(Π )的过程;如果事先已 经通过其他方式加工好了底孔或者精加工中，能耗为Ε2+Ε3。通过实际测定不同加工参数下 多种尺寸规格的孔加工时的能耗，可建立类似孔加工过程的基础能耗数据库，从而可以针 对不同尺寸的孔，利用插值和拟合计算可得到Ε1、Ε2和Ε3。如果孔的尺寸较小，可以采用图6 (al)~（cl)的方法利用钻、扩和铰（的方式加工，所述钻如图6(al)所示，所述扩如对应图6 (bl)所示，所述铰如图6(cl)所示，类似也可以得到一系列小孔加工的基础数据，同样建立 数据库，利用插值或拟合方法可以得到利用该方法加工任意尺寸孔时的能耗。
[0103] 半开口槽加工能耗:粗加工时按照图7 (a 1)和如7 (b 1)的分解过程加工半开口槽， 记录每个过程中的能耗分别为El和E2。精加工时，按照如图7(cl)所示过程加工，并记录过 程中的能耗为E3』l与半开口槽的宽度或者所使用的铣刀直径有关，经过多中规格尺寸的 的开口槽和多种加工参数组合下的加工实验，可以得到El与铣刀直径，加工参数之间的关 系。对于E2和E3,可以根据加工路径长度进行拟合，得到在该组加工参数下单位长度的能耗 为e2和e3,经过不同组加工参数的加工和测量，可以利用适当的拟合或插值方法得到任意 加工参数时加工半开口槽的能耗。
[0104] 封闭槽加工能耗:封闭槽加工过程如图8所示，图8(al)和图8(bl)-般为粗加工过 程，对于较大尺寸的封闭槽，粗加工过程可能还有图8(cl)和图8(dl)过程，但精加工过程一 般如图8(cl)和图8(dl)所示。用不同的加工参数按照以上分解加工多种尺寸参数的封闭 槽，建立图8(al)~图8(dl)过程的能耗El~E4的数据库，利用适当的拟合或插值方法得到 任意加工参数时加工开口槽的能耗。
[0105] 加工基础特征时的能耗:对于其他基础特征，分解方法类似，加工并记录每个分解 过程的能耗，利用多元回归方法得到单位尺寸的加工能耗和刀具、工艺参数之间的关系，并 建立相关的数据库，以备查询等。
[0106] 加工任意特征时的能耗:对于基础特征之外的特征，可以根据其加工过程利用不 同基础特征进行组合得到，相应的其能耗也可以按照这种组合利用代数运算得到。
[0107] 步骤八:获得机床整体能耗：
[0108] 利用步骤六四中插补运动能耗测试过程的总功率与插补路径长度的比值、初步预 热后的各恒值能耗子系统平均功率、充分预热后的各恒值能耗子系统平均功率、加工基础 特征时的能耗和加工任意特征时的能耗共同来表示机床的整体能耗。
[0109] 通过以上测试和分析，可以得到机床整体能耗特性、机床各个恒值能耗子系统功 率特性、机床各个运动轴功率特性、机床插补运动功率、机床加工特定基础特征时的能耗和 机床加工任意特征时的能耗估计。本实施方式可以用来进行全面的测试机床能耗特性，也 可以根据特定需求，只利用其中的部分步骤和过程，测试机床特定方面的能耗特性。本方法 可以满足与机床相关的三类人员，及机床监管者、机床设计者、机床使用者对机床能耗特性 的测试需求。
[0110] 最后说明的是，以上实施过程仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的 普通技术人员对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种机床能效快速定量测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 步骤一:关闭机床所有子系统和总电源开关，准备检测待测试机床； 步骤二:顺次启动机床恒值能耗子系统，并测量机床功率变化，获得初步预热后的各恒 值能耗子系统功率； 步骤Ξ:充分预热机床后顺次关闭机床恒值能耗子系统，并测量机床功率变化，获得充 分预热后的各恒值能耗子系统功率； 步骤四：根据初步预热后的各恒值能耗子系统功率和充分预热后的各恒值能耗子系统 功率，获得机床单个恒值能耗子系统的平均功率和机床所有恒值能耗子系统的平均总功 率. 步骤五:根据获得的机床恒值能耗子系统的平均总功率，运行机床空载运动组合，测试 不同空载参数下机床功率，分别获得主轴空转功率特性、单个进给轴功率特性、回转工作台 功率特性和插补进给功率特性； 步骤六:按照工艺加工功率测试功能样件，获得加工基础特征时的机床功率特性和加 工任意特征时的机床功率特性。2. 根据权利要求1所述的一种机床能效快速定量测试方法，其特征在于，步骤二中，获 得初步预热后的各恒值能耗子系统功率的方法： 首先，打开机床使各系统处于运行状态，初步预热机床，然后关闭机床除控制系统外的 所有能耗子系统，待机床功率稳定后顺次每隔固定时间启动一个恒值能耗子系统，记录机 床功率变化，功率变化值为初步预热后各恒值能耗子系统功率。3. 根据权利要求2所述的一种机床能效快速定量测试方法，其特征在于，步骤Ξ中，获 得充分预热各后的恒值能耗子系统功率的方法为： 待机床充分预热后，关闭所有机床可变能耗子系统，待机床功率稳定后顺次每隔固定 时间关闭一个恒值能耗子系统，记录机床功率变化，功率变化值为充分预热后的各恒值能 耗子系统功率。4. 根据权利要求3所述的一种机床能效快速定量测试方法，其特征在于，所述步骤四 中，获得单个恒值能耗子系统的平均功率的方法： 第i个恒值能耗子系统的平均功率民。。3-1:其中，Poi为初步预热后关闭第i个机床恒值能耗子系统后的机床功率，Poi-i为初步预热 后关闭第i个机床恒值能耗子系统前机床功率，P31-1为充分预热后关闭第i个机床恒值能耗 子系统前的机床功率，P31为充分预热后关闭第i个机床恒值能耗子系统后的机床功率； 获得机床所有恒值能耗子系统的平均总功率Penns :5. 根据权利要求1所述的一种机床能效快速定量测试方法，其特征在于， 获得主轴空转功率特性的方法： 选择机床最高转速为基准，使机床主轴从转速为零到最高转速之间取若干个转速点， 关闭其他所有可变能耗子系统，然后使主轴转速从零开始，按照取的若干个转速点，依次加 速至最高转速，然后按照取的若干个转速点，又依次减速到最低转速，并在每个转速下运转 一段时间使机床功率稳定;对每种转速下的机床功率取平均值，利用所述平均值减去机床 所有恒值能耗子系统的平均总功率，得到每个转速下主轴空转功率，对其进行拟合得到主 轴转速和功率之间的关系； 获得单个进给轴功率特性的方法： 取待测试进给轴的最大进给速度为基准速度，从进给速度为零到该最大进给速度取若 干个进给速度点，关闭其他所有可变能耗子系统，在所取的每个进给速度下运行待测试进 给轴，获得待测试进给轴进给时的机床功率，每种进给速度运行之后，根据需要插入一段待 测试进给轴静止的状态，W便于在功率信息中进行区分;利用待测试进给轴进给时的机床 功率减去机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，便得到每个进给速度下待测试进给轴功 率，对其进行拟合可得进给速度和进给功率之间的关系； 根据需要，对上述过程进行重复，对每个进给速度下的进给轴的进给功率取平均值，对 其进行拟合可得进给速度和进给功率之间的关系； 获得回转工作台功率特性的方法： 取待测试回转工作台的最大回转速度为基准速度，从回转速度为零到最大回转速度间 取若干个回转速度点，关闭其他所有可变能耗子系统，在所取的每个回转速度下运行待测 试回转工作台，同时测试对应的机床功率，每种回转速度运行之后，根据需要插入一段待测 试回转工作台静止的状态，W便于在功率信息中进行区分； 根据需要，对上述过程进行重复，对每个回转速度下的机床功率取平均值，利用所述平 均值减去机床所有恒值能耗子系统的平均总功率，得到每个回转速度下的回转工作台功 率，通过数据拟合，得到回转速度和回转功率之间的关系； 获得插补进给功率特性的方法： 针对机床自身特性，首先设计一组插补运动轨迹和对应的插补速度，然后按照设定的 顺序依次运行并测试机床功率，用所得机床功率减去机床所有恒值能耗子系统的平均总功 率，获得插补进给功率，最后利用数据拟合得到插补功率和插补速度之间的关系。6. 根据权利要求1所述的一种机床能效快速定量测试方法，其特征在于，获得加工基础 特征时的机床功率特性的方法： 对基础特征的加工过程进行分解，加工并记录每个分解过程的功率，利用多元回归方 法得到加工单位尺寸基础特征的加工能耗和刀具、工艺参数之间的关系，获得加工基础特 征时的机床功率特性。7. 根据权利要求1所述的一种机床能效快速定量测试方法，其特征在于，获得加工任意 特征时的机床功率特性的方法： 根据所加工特征自身特点，将其加工过程分解为一系列基础特征的加工，相应的其加 工能耗按照运种组合利用代数运算得到，获得加工任意特征时的机床功率特性。
【文档编号】G01M99/00GK105841991SQ201610343940
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】高栋, 尚振东, 路勇
【申请人】哈尔滨工业大学