数控机床加工阶段节能运行方法、评估方法、装置及系统与流程

本发明涉及机械制造业能耗、数控机床等领域，尤其涉及一种数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法、评估方法、装置及系统。
背景技术：
：制造业的节能减排是可持续发展的重要途径。数控机床是制造业中耗能设备的重要组成部分，我国作为世界上第一制造大国，数控机床保有量占据世界首位，其耗能巨大但能量利用率却较低。减小数控机床的能耗是我国实现节能减排的有效途径。数控机床在运行过程中，由于加工等待、空切削等因素，导致了数控机床大量的能量浪费。因此提高数控机床在运行过程中的能量利用效率，探寻可行的数控机床节能方法意义重大。目前，对数控机床节能研究已经有部分探索。ZL03117163.X公开的发明名称为《一种机械加工系统节能降噪方法》，从系统的角度出发，通过数控机床与工件之间的合理调度与安排，取得整个加工系统的节能效果。ZL200810070302.0公开的发明名称为《一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法》，公开方案为提供一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能的实施方法，在加工前根据加工工艺获得主轴运行转速及数控程序获取相邻工步间空载运行时间，然后计算在相邻工步间实施停机节能后再启动的节能百分比，当节能百分比为正数时则实施停机节能，达到节约数控机床能源的效果。CN105204433A公开的发明名称为《一种随机加工间隔内数控机床状态切换的数控机床节能运行方法》，针对数控机床的加工间隔即加工等待，制定了面向数控机床随机加工间隔的节能实施策略，并对策略中的运行参数进行优化，获得数控机床的节能实施方案，提高了数控机床在加工间隔中能量利用率。数控机床在加工阶段，并时刻都在切削工件，因此在加工阶段将会出现切削状态和空切削状态交替的情况，并且空切削时段有些较长而有些较短，这与刀具路径有关，如加工工件为大型工件，其退刀和进刀距离较长，导致空切削状态时间较长。在空切削状态下，并未发生工件地切削，但是排屑机、液压系统和冷却系统等辅助部件仍然以一定的功率耗能，尤其是在空切削时段较长时，将导致大量的能量浪费。上述研究主要是从整个加工系统、相邻工步间隔和数控机床加工间隔进行的数控机床节能研究。针对加工阶段中由于空切削导致的能量浪费问题的数控机床节能方法研究还没有成熟的措施。技术实现要素：针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种在不改变现有的数控机床的各个能耗部件的情况下实现数控机床的节能运行效果的数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法、评估方法、装置及系统。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法，在空切削状态下通过停启数控机床能耗部件实现数控机床在加工阶段的节能，包括如下步骤：数控机床及其部件运行信息的获取：基于NC代码解析获取数控机床及其部件的运行信息；其中，数控机床及其部件的运行信息为：数控机床和部件的运行状态以及对应的时间段，数控机床的运行状态主要指在加工阶段的运行状态，包括空切削状态和切削状态，所述空切削状态对应的时间段为需要节能的节能时间段；所述数控机床的部件的运行状态主要包括受PLC控制的能耗部件的运行状态，该运行状态包括开启状态和关闭状态；数控机床加工阶段节能运行策略：针对每个空切削状态对应的时间段，判断所述受PLC控制的能耗部件在每一个空切削状态对应的时间段的停止时间和启动时间的总和是否小于该对应的时间段，若小于该节能时间段，则该空切削对应的时间段则为节能时间段，控制所述受PLC控制的能耗部件在该对应的节能时间段内暂停。其中，在数控机床及其部件运行信息的获取的步骤中，包括以下子步骤：(1)读入程序段，通过正则表达式识别此程序段，如果为跳转类程序段，需要调用相应子程序进行处理，获得跳转后的一般程序段；(2)通过正则表达式对一般程序段提取其程序段号、G指令、M指令、刀具T指令、转速S指令、进给F指令、坐标指令、圆弧插补半径等；(3)基于PLC程序和PLC输入/输出地址表，分析与部件运行相关的指令，得到部件运行逻辑；基于插补原理，分析进给F指令和刀具坐标指令，获得程序段运行时间；基于坐标指令和毛坯尺寸，获得数控机床运行状态；(4)通过部件运行逻辑、程序段运行时间和数控机床运行状态，获得数控机床及其部件的运行信息，其中，所述程序段运行的开始时间则为对应的时间段的起始时间，程序段运行的结束时间则为对应的时间段的截止时间。其中，在数控机床加工阶段节能运行策略制定的步骤中，包括以下子步骤：(1)对每个节能时间段从1到n进行编号即Ti(i＝1,2,3,…n)，对受PLC控制的能耗部件从1到m进行编号，cj(j＝1,2,3,…m)，令i＝1；(2)筛选出所有停启时间小于Ti的可控能耗部件；(3)针对筛选出的可控能耗部件，分别计算其在Ti中采用停启策略后的节能百分比ES，并筛选出ES大于K的所有部件ck，其中，K为补偿系数，k为正整数；(4)控制部件ck在第i个节能时间段停止和启动，其中，所述部件ck第i个节能时间段的停启时间节点为：节能时间段开始时关闭，持续Ti-tck后开启，tck为部件ck停启所需的时间；(5)判断i是否大于n，如果不大于则令i＝i+1，返回步骤(2)，反之，则结束以实现对数控机床加工阶段的节能运行策略。为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种用于对采用所述的节能运行方法的数控机床进行节能效果评估方法，包括以下步骤：S101、获取未采用如权利要求1至3中任一项权利要求所述的节能运行方法的数控机床及其部件的运行信息；其中，数控机床及其部件的运行信息为：数控机床和部件的运行状态以及对应的时间段，数控机床的运行状态主要指在加工阶段的运行状态，包括空切削状态和切削状态，所述空切削状态对应的时间段为空切削时间段；所述数控机床的部件主要包括常开型能耗部件、受PLC控制的能耗部件以及运行状态受伺服控制而变化的能耗部件，所述受伺服控制而变化的能耗部件包括主轴、进给轴，所述受PLC控制的能耗部件的运行状态包括开启状态和关闭状态；S102、数控机床加工阶段的节能潜力分析：综合数控机床空切削能耗模型、预先获取到的数控机床及其部件运行信息和能耗部件功率数据，评估数控机床加工阶段中每一个空切削时间段的能耗；其中，能耗部件功率数据主要包括：受PLC控制的能耗部件的正常运行时的平均功率、常开型能耗部件正常运行时的平均功率、主轴各转速下的平均功率、进给轴在不同进给状态下的平均功率；S103、控制数控机床按照权利要求1至3中任一项所述的节能运行策略运行，以得到加工阶段中每一个空切时间段对应的所有受PLC控制的能耗部件，为每一个空切时间段内加上该空切时间段对应的受PLC控制的能耗部件停启能耗，以得到每一个空切时间段的节能能耗；S104、将每一个节能能耗与S102步骤所得到的每一个空切时间段的能耗一一进行对比评估，以评估出采用了节能运行策略后的节能效果。其中，在S102步骤中，所述数控机床空切削能耗模型为：Etotal＝Espindle+Efeed+Eauxiliary+Eservo+Ebasic(5)式(5)中，Etotal表示数控机床空切削状态下的总能耗，Espindle、Efeed、Eauxiliary、Eservo、Ebasic分别表示主轴电机、进给轴电机、辅助部件、伺服驱动器和基础部件的能耗。为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种数控机床运行过程中加工阶段的节能运行装置，包括：第一获取模块：用于基于NC代码解析获取数控机床及其部件的运行信息；其中，数控机床及其部件的运行信息为：数控机床和部件的运行状态以及对应的时间段，数控机床的运行状态主要指在加工阶段的运行状态，包括空切削状态和切削状态，所述空切削状态对应的时间段为节能时间段；所述数控机床的部件的运行状态主要包括受PLC控制的能耗部件的运行状态，该运行状态包括开启状态和关闭状态；数控机床加工阶段节能运行控制模块：针对每个空切削状态对应的时间段，判断所述受PLC控制的能耗部件在每一个空切削状态对应的时间段的停止时间和启动时间的总和是否小于该对应的时间段，若小于该节能时间段，则该空切削对应的时间段则为节能时间段，控制所述受PLC控制的能耗部件在该对应的节能时间段内暂停。其中，所述第一获取模块通过以下方式获取数控机床及其部件运行信息获取模块：(1)读入程序段，通过正则表达式识别此程序段，如果为跳转类程序段，需要调用相应子程序进行处理，获得跳转后的一般程序段；(2)通过正则表达式对一般程序段提取其程序段号、G指令、M指令、刀具T指令、转速S指令、进给F指令、坐标指令、圆弧插补半径等；(3)基于PLC程序和PLC输入/输出地址表，分析与部件运行相关的指令，得到部件运行逻辑；基于插补原理，分析进给F指令和刀具坐标指令，获得程序段运行时间；基于坐标指令和毛坯尺寸，获得数控机床运行状态；(4)通过部件运行逻辑、程序段运行时间和数控机床运行状态，获得数控机床及其部件的运行信息，其中，所述程序段运行的开始时间则为对应的时间段的起始时间，程序段运行的结束时间则为对应的时间段的截止时间。其中，数控机床加工阶段节能运行控制模块通过以下方式控制数控机床的能耗部件以实现节能运行：(1)对每个节能时间段从1到n进行编号即Ti(i＝1,2,3,…n)，对受PLC控制的能耗部件从1到m进行编号，cj(j＝1,2,3,…m)，令i＝1；(2)筛选出所有停启时间小于Ti的可控能耗部件；(3)针对筛选出的可控能耗部件，分别计算其在Ti中采用停启策略后的节能百分比ES，并筛选出ES大于K的所有部件ck，其中，K为补偿系数，k为正整数；(4)控制部件ck在第i个节能时间段停止和启动，其中，所述部件ck第i个节能时间段的停启时间节点为：节能时间段开始时关闭，持续Ti-tck后开启，tck为部件ck停启所需的时间；(5)判断i是否大于n，如果不大于则令i＝i+1，返回步骤(2)，反之，则结束以实现对数控机床加工阶段的节能运行策略。为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：一种用于对采用所述的节能运行装置的数控机床进行节能效果评估的评估系统，包括数控机床能耗计算装置、如权利要求所述的节能运行装置以及节能效果评估装置；所述数控机床能耗计算装置包括：第二获取模块，用于预先获取未采用所述的节能运行方法的数控机床及其部件的运行信息；其中，数控机床及其部件的运行信息为：数控机床和部件的运行状态以及对应的时间段，数控机床的运行状态主要指在加工阶段的运行状态，包括空切削状态和切削状态，所述空切削状态对应的时间段为空切削时间段；所述数控机床的部件主要包括常开型能耗部件、受PLC控制的能耗部件以及运行状态受伺服控制而变化的能耗部件，所述受伺服控制而变化的能耗部件包括主轴、进给轴，所述受PLC控制的能耗部件的运行状态包括开启状态和关闭状态；数控机床加工阶段的节能潜力分析模块，用于综合数控机床空切削能耗模型、预先获取到的数控机床及其部件运行信息和能耗部件功率数据，评估数控机床加工阶段中每一个空切削时间段的能耗；其中，能耗部件功率数据主要包括：受PLC控制的能耗部件的正常运行时的平均功率、常开型能耗部件正常运行时的平均功率、主轴各转速下的平均功率、进给轴在不同进给状态下的平均功率。所述能耗评估装置包括：节能能耗计算模块，用于获取将数控机床在节能运行装置的节能条件下，数控机床加工阶段中每一个空切时间段对应的所有受PLC控制的能耗部件，为每一个空切时间段内加上该空切时间段对应的所有受PLC控制的能耗部件的停启能耗，以得到每一个空切时间段的节能能耗；能耗效果评估模块，用于将每一个节能能耗与数控机床加工阶段的节能潜力分析模块所分析得到的每一个空切时间段的能耗一一进行对比评估，以评估出采用了节能运行策略后的节能效果。相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、针对数控机床加工阶段中的空切削时段的能量浪费，本发明提供了一种数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法，可在不影响工件加工节拍的前提下，为数控机床在加工阶段的节能运行提供运行方案。数控机床在采用本发明方法后，可减小其在加工阶段中的空切削能耗，提高数控机床在加工阶段的能量利用率。2、在本发明方法中，对于能耗部件的停启，除了考虑停启能耗部件所需的时间和能量外，还考虑了停启能耗部件对其寿命的影响，与实际生产情况更加符合，因此本发明方法更适用于实际生产情况。3、本发明方法的支持系统可从NC代码中解析出数控机床/部件在加工阶段的运行信息，并完成节能潜力分析，进一步自动制定节能运行方案，还可展现数控机床在采用本发明方法后的节能效果，为节能运行方案的实际实施提供了参考。4、本发明方法中需要的能耗部件功率数据、能耗部件的停启时间能量表和PLC输入/输出地址表，通过数控机床技术说明书和功率测量仪器即可获得；获取方法简单，提高了本发明方法的可操作性。5、本发明方法的应用对象为数控机床尤其是加工大型工件的数控机床，因此，本发明具有较好的通用性。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明数控机床加工阶段节能运行方法流程框图图2为本发明基于NC代码解析获取数控机床和部件运行信息流程图图3为本发明加工阶段空切削状态时间解析流程图图4为数控机床空切削时段功率组成图图5为本发明节能时间段获取图图6为节能时间段中部件停启能耗示意图图7a及图7b为数控机床/部件在空切削时段的功率曲线图图8为本发明支持系统针对实施例自动生成的节能运行方案图图9a及图9b为采用本发明节能运行方法后数控机床在加工阶段的节能效果图具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参见图1至图9b，本发明的数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法，包括以下步骤：第一步、数控机床及其部件运行信息的获取：基于NC代码解析获取数控机床及其部件的运行信息；其中，数控机床及其部件的运行信息为：数控机床和部件的运行状态以及对应的时间段，数控机床的运行状态主要指在加工阶段的运行状态，包括空切削状态和切削状态，所述空切削状态对应的时间段为需要节能的节能时间段；所述数控机床的部件主要包括：常开型能耗部件(例如电器柜中电气元件、伺服装置、显示器、电气柜风扇等部件)、受PLC控制的开关型能耗部件(例如液压系统、冷却系统、润滑系统、排屑系统等部件)、运行状态受伺服控制而变化的能耗部件(例如主轴、进给轴)。受PLC控制的能耗部件的运行状态包括开启状态和关闭状态，进给轴的运行状态包括快进、工进、无进给，主轴通过转速来描述其运行状态。本实施例的节能运行方法中，主要是对受PLC控制的能耗部件进行节能控制，因此，本步骤中，需要用到的是受PLC控制的能耗部件的运行信息。具体地，本步骤的具体处理流程如下：1、NC代码解析流程NC代码的解析的目的是：解析出数控机床和部件运行信息。其中数控机床和部件的运行信息主要包括：数控机床运行状态和时间的关系、部件运行状态和时间的关系。图2展示了基于NC代码解析获取数控机床和部件运行信息的整个流程。包括以下步骤：(1)读入程序段，通过正则表达式识别此程序段，如果为跳转类程序段，需要调用相应子程序进行处理，获得跳转后的一般程序段；(2)通过正则表达式对一般程序段提取其程序段号、G指令、M指令、刀具T指令、转速S指令、进给F指令、坐标指令、圆弧插补半径等；(3)基于PLC程序和PLC输入/输出地址表，分析与部件运行相关的指令，得到部件运行逻辑；基于插补原理，分析进给F指令和刀具坐标指令，获得程序段运行时间；基于坐标指令和毛坯尺寸，获得数控机床运行状态；(4)通过部件运行逻辑、程序段运行时间和数控机床运行状态，获得数控机床及其部件的运行信息，其中，所述程序段运行的开始时间则为对应的时间段的起始时间，程序段运行的结束时间则为对应的时间段的截止时间。NC代码解析和数控机床执行NC代码一样，是以程序段为单位解析的。首先读入程序段，通过正则表达式识别此程序段，如果为跳转类程序段，需要调用相应子程序进行处理，获得跳转后的一般程序段；然后通过正则表达式对一般程序段提取其程序段号、G指令、M指令、刀具T指令、转速S指令、进给F指令、坐标指令、圆弧插补半径等；接着基于PLC程序和PLC输入/输出地址表，分析与部件运行相关的指令，得到部件运行逻辑(部件运行状态的变化序列)；基于插补原理，分析进给F指令和坐标指令，获得程序段运行时间；基于坐标指令和毛坯尺寸，获得数控机床运行状态(是否为空运行状态)；最后通过部件运行逻辑、程序段运行时间和数控机床运行状态，获得数控机床和部件的运行信息。本发明中对程序名、跳转类程序段、以及G指令、M指令等指令建立正则表达式，如下表1所示表1NC代码解析中主要正则表达式2程序段运行时间空切削时间段解析2.1程序段运行时间解析对于程序段运行时间的解析，本文是基于插补原理和进给速度获取的。由于本发明主要应用于数控机床，数控机床中多采用数据采样插补，因此本发明中采用的是数据采样插补中应用普遍的直线函数法。根据直线函数法原理，直线插补时的时间可按公式(1)计算，圆弧插补为优弧时可按公式(2)计算，圆弧插补为劣弧时按公式(3)计算。其中F表示进给速度，T表示数控机床的插补周期，Pe表示终点坐标，P0表示起点坐标，R表示圆弧插补的半径。t=|Pe-Po|F---(1)]]>t=arcsin(|Pe-Po|2R)arcsin(FT2R)·T---(2)]]>t=π-arcsin(|Pe-Po|2R)arcsin(FT2R)·T---(3)]]>2.2空切削时间段解析，用于从程序段中解析该程序段是否为空切时间段。数控机床在加工阶段中是否为空切削状态，判别方法为数控机床的刀具是否与工件接触，如果接触则认为数控机床为切削状态，反之则认为数控机床为空切削状态。在NC代码解析过程中，解析流程如图3所示，首先读取程序段，基于插补原理获取程序段运行时间和刀具路径方程，然后判断刀具路径方程与工件毛坯外形方程是否有交集，如果有交集则认为该程序段时间内，数控机床处于切削状态，如果没有交集则认为该程序段时间内，数控机床处于空切削状态，接着按照此流程读取下一程序段，直到该工件数控程序结束。在这个解析过程中，工件每次受到切削后，工件的毛坯方程应该随着刀具路径而发生相应的变化。在实际NC代码中，工件越复杂，其刀具路径也越复杂，那么工件每次受到切削后的工件毛坯方程也相应变得难以获取。本文研究空切削状态时间，是为了减小数控机床在空切削状态下的能耗，主要针对的是退刀、快进、换刀等过程。数控程序编制人员，在编写工件加工程序时，为了保证加工的安全性，通常的退刀、快进、换刀等过程的刀具路径通常在未加工毛坯形状以外。因此，本文在对工件毛坯方程的获取进行了简化，即将工件毛坯方程默认为未加工前的毛坯方程，并在整个解析过程中不变。工件毛坯方程和刀具路径方程的交集运算可按公式(4)计算：SW=f(x,y,z)lT=f(x,y,z)---(4)]]>第二步、数控机床加工阶段节能运行策略：针对每个空切削状态对应的时间段，判断所述受PLC控制的能耗部件在每一个空切削状态对应的时间段的停止时间和启动时间的总和是否小于该对应的时间段，若小于该节能时间段，则该空切削对应的时间段则为节能时间段，控制所述受PLC控制的能耗部件在该对应的节能时间段内暂停。对于在节能时间段中，对某一能耗部件适用停启策略，其功率变化过程如图6所示，其中tjt和tjq表示，能耗部件j关闭所需时间和开启所需时间。其中阴影部分面积表示，部件j的停启能耗Ej。tis和tie分别表示第i个节能时间段的开始时刻和结束时刻。pj表示部件j正常运行时的功率。如图6所示，节能时间段i中对能耗部件j采用停启策略后节约能耗Ejs可按公式(12)计算。如果仅从节能考虑，那么只需要Ejs>0且Ti>tjt+tjq，就可以对能耗部件j实施停启节能。但是实际操作中，停启一次能耗部件会产生一定冲击对其寿命产生影响，因此可考虑停启一次能耗部件需达到一定的节能百分比后，再实施节能，此节能百分比取值为0到1的补偿系数K表示，即当时，才通过停启能耗部件j实现节能。基于上述分析，制定了较为优化的节能控制算法，算出能耗部件在加工阶段中的停启时间节点序列，以控制受PLC控制的能耗部件在停启时间节点进行相应的停止及启动(暂停)。控制方法如下：(1)对每个节能时间段从1到n进行编号即Ti(i＝1,2,3,…n)，对可控能耗部件(受PLC控制的开关型部件)从1到m进行编号，cj(j＝1,2,3,…m)，令i＝1；(2)筛选出所有停启时间小于Ti的可控能耗部件；(3)针对筛选出的可控能耗部件，分别计算其在Ti中采用停启策略后的节能百分比ES，并筛选出ES大于K的所有部件ck(k为整数)；(4)部件ck在第i个节能时间段的停启时间节点为，节能时间段开始时关闭，持续Ti-tck后开启，tck为部件ck停启所需的时间；(5)判断i是否大于n，如果不大于则令i＝i+1，返回步骤(2)；反之，则获得整个加工阶段数控机床的节能运行方案。本发明还公开了一种对采用上述实施例的节能运行方法的数控机床进行节能效果评估方法，用于将采用了上述节能运行方法的数控机床的加工阶段的能耗与没有采用上述节能运行方法的数控机床的加工阶段的能耗进行评估对比，以评估出采用了上述节能运行方法的数控机床的加工阶段的节能效果。该节能效果评估方法如下：S101、获取数控机床及其部件的运行信息(此步骤与上述节能运行方法中的第一步相同或相似)；其中，数控机床及其部件的运行信息为：数控机床和部件的运行状态以及对应的时间段，数控机床的运行状态主要指在加工阶段的运行状态，包括空切削状态和切削状态，所述空切削状态对应的时间段为空切削时间段；所述数控机床的部件主要包括常开型能耗部件、受PLC控制的能耗部件以及运行状态受伺服控制而变化的能耗部件，所述受伺服控制而变化状态的能耗部件包括主轴、进给轴，所述受PLC控制的能耗部件的运行状态包括开启状态和关闭状态；在一些节能效果评估的实施例中，该S101步骤也可以与上述节能运行方法的第一步合为一步，如此，则除了要获取受PLC控制的能耗部件的运行信息和对应的时间关系外，还需要获取所述常开部件以及受伺服控制而变化状态的能耗部件的运行信息，常开部件和受伺服控制而变化状态的能耗部件的运行信息主要用于S102步骤的空切能耗算法，对现有的未采用上述实施例的节能算法进行节能潜力分析，以分析出现有的未采用节能算法的数控机床在空切削状态下的能耗部件的能耗，后续再将采用了上述节能算法的数控机床在空切削状态下的能耗与现有的数控机床进行对比分析，从而评估出采用了上述节能算法的节能效果。S102、数控机床加工阶段的节能潜力分析：综合数控机床空切削能耗模型、预先获取到的数控机床及其部件运行信息和能耗部件功率数据，评估数控机床加工阶段中每一个空切削时间段的能耗；其中，能耗部件功率数据主要包括：受PLC控制的能耗部件的正常运行时的平均功率、常开型能耗部件正常运行时的平均功率、主轴各转速下的平均功率、进给轴在不同进给状态下的平均功率；数控机床加工阶段的节能潜力分析：首先综合数控机床空切削能耗模型、数控机床/能耗部件运行信息和能耗部件功率数据，评估数控机床加工阶段中空切削时段的能耗；然后结合能耗部件停启时间和能耗，从空切削时段中获取节能时间段。其中，能耗部件功率数据，主要包括：受PLC控制的开关型能耗部件(液压系统、冷却系统、润滑系统、排屑系统等部件)的正常运行时的平均功率、常开型部件(电器柜中电气元件、伺服装置、显示器、电气柜风扇等部件)正常运行时的平均功率、主轴各转速下的平均功率、进给轴在不同进给状态下(快进、工进、无进给)的平均功率。能耗部件停启时间和能耗的内容主要包括：受PLC控制的开关型能耗部件停启所需要的时间以及能耗。(1)数控机床空切削能耗模型数控机床在空切削状态下主要的能耗部件有常开型部件(伺服驱动部件、控制柜、计算机、控制柜风扇等)、受PLC控制的开关型部件部件(冷却系统、润滑系统、液压系统、排屑系统等)、受伺服控制运行状态多变化的部件(进给轴电机、主轴电机)。因此，数控机床在空切削状态下的总能耗可以表示为各能耗部件能耗的叠加，可用公式(5)描述。Etotal＝Espindle+Efeed+Eauxiliary+Eservo+Ebasic(5)Eauxiliary＝Ecooling+Econveyor+Ehydraulic+Elubrication+...(6)其中Etotal表示数控机床空切削状态下的总能耗，Espindle、Efeed、Eauxiliary、Eservo、Ebasic分别表示主轴电机、进给轴电机、辅助部件、伺服驱动器和基础部件的能耗。Ecooling表示冷却系统的能耗、Econveyou表示排屑系统的能耗、Ehydraulic表示液压系统的能耗、Elubrication表示润滑系统的能耗。其中主轴电机能耗可按公式(7)计算，ps表示主轴电机功率，ns表示主轴的转速，ts和te分别表示主轴能耗积分的开始和结束时间：Espindle=∫tsteps·dt=∫tstef(ns)·dt---(7)]]>f(ns)表示空载的时候主轴功率是主轴转速的函数，由于进给轴在进给时，分为快进、工进和无进给三种状态。进给轴无进给时功率特别小，因此本发明中忽略此能耗。因此对于进给轴的能耗模型如公式(8)和公式(9)所示，其中vr表示快进速度，f表示工进速度：Efeedvr=∫pfeedvr·dt=∫(pxvr+pyvr+pzvr+pAvr+pBvr+pCvr)·dt---(8)]]>Efeedf=∫pfeedf·dt=∫(pxf+pyf+pzf+pAf+pBf+pCf)·dt---(9)]]>式(8)和式(9)中，表示快进的功率，表示快进时x轴方向的功率，表示快进时y轴方向的功率，表示快进时z轴方向的功率，表示快进过程中绕x坐标旋转的方向上的功率，表示快进过程中绕y坐标旋转的方向上的功率，表示快进过程中绕z坐标旋转的方向上的功率；表示工进的功率，表示工进时x轴方向的功率，表示工进时y轴方向的功率，表示工进时z轴方向的功率，表示工进过程中绕x坐标旋转的方向上的功率，表示工进过程中绕y坐标旋转的方向上的功率，表示工进过程中绕z坐标旋转的方向上的功率。受PLC控制的开关型部件能耗可按公式(10)计算，其中(tcoe-tcos)、(tcne-tcns)和(thye-thys)分别表示冷却系统、排屑系统、和液压系统的运行时间：Eauxiliary＝pcooling·(tcoe-tcos)+pconveyor·(tcne-tcns)+phydraulic·(thye-thys)+...(10)常开型部件的能耗可按公式(11)计算，其中(tdre-tdrs)表示伺服驱动器运行时间，(te-ts)表示基础部件运行时间。Eservo＝(pspindle+pfeed)·(tdre-tdrs)Ebasic＝pbasic·(te-ts)(11)(2)节能潜力分析基于NC代码解析获得的数控机床/部件运行信息，以及上面的数控机床在空切状态的能耗模型，可以得到数控机床在空切削时段的功率组成，如图4所示。数控机床在加工阶段，并非每时每刻都在切削工件，因此数控机床在加工切断将会出现切削状态和空切削状态交替出现的情况，如图4所示，并且空切削状态时间段有些较长有些较短，这与刀具加工路径有关，如加工工件为大型工件，其退刀和进刀距离较长，导致空切削状态时间较长。在空切削状态下，数控机床并未对工件进行加工，但是排屑机、液压系统和冷却系统等辅助部件仍然以一定的功率耗能，尤其是在空切削状态较长的时候，这将导致大量的能量浪费。因此，可以选择较长的空切削状态时间段，对数控机床某些能耗部件进行停启控制，实现节能。对于空切削状态时间段的选择与能耗部件的可控性、各能耗部件的停启时间有关。对此，本文通过如图5所示的思路，选择出合适的空切削状态时间段作为数控机床在加工阶段的节能时间段。首先提取出加工阶段中的空切削状态时间段，然后判断每一个空切削状态时间段是否大于可控部件的最小停启时间，如果大于则认为该时间段为节能时间段。其中，常开型部件(控制柜、伺服驱动器、控制系统、电器柜风扇、照明、计算机显示器等部件)和受伺服控制运行状态可变化的能耗部件(主轴、进给轴)，在实际加工中不允许外部控制的，受PLC控制的开关型部件是外部可控部件。S103、控制数控机床按照上述实施例中的节能运行策略运行，以得到加工阶段中每一个空切时间段对应的所有受PLC控制的能耗部件，为每一个空切时间段内加上该空切时间段对应的受PLC控制的能耗部件停启能耗，以得到每一个空切时间段的节能能耗；S104、将每一个节能能耗与S102步骤所得到的每一个空切时间段的能耗一一进行对比评估，以评估出采用了节能运行策略后的节能效果。具体结合实例：实例数控机床为数控加工中心C.B.FerrariMTS，以某导轨零件数控代码为例，采用本发明提供的数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法及系统对数控机床C.B.FerrariMTS进行加工阶段节能应用。测量数控机床功率的装置为HIOKI3390功率分析仪。数控机床部件能耗数据获取数控机床能耗部件功率数据如表2和表3所示表2数控机床C.B.FerrariMTS主要能耗部件功率及功能表3数控机床C.B.FerrariMTS主要可控部件能耗数据部件名称停启时间(S)停启能耗(Wh)功率(W)冷却泵3.60.52370液压泵6.61.861100排屑电机3.60.29200润滑泵3.70.67530数控机床/部件运行信息获取将导轨的NC代码文件读入到数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法支持系统中的数控机床/部件运行信息获取模块中，自动解析出数控机床运行状态以及部件运行状态和时间的关系，如表4所示：表4数控机床/部件运行信息表节能潜力分析由表3中数控机床能耗部件的停启时间可知，可控部件的最小停启时间为3.6S。由表4中数控机床/部件运行信息可知，此段NC程序中，数控机床有多个空切削状态时间段，有的长达237S，有的短到1.5S。根据数控机床空切削能耗模型、数控机床/能耗部件运行信息和能耗部件功率数据可得到数控机床/部件在空切削时段的功率曲线，如图7a及图7b所示。如图7a所示，将大于3.6S的空切削时段筛选为节能时间段(图中用蓝色线表示)，此NC代码中有两段空切削时段被系统筛选为节能时间段，时间长短分别是117S和237S。如图7b所示，在节能时间段中，尽管数控机床没有对工件进行加工，但是诸如排屑机、液压泵、冷却泵等受PLC控制的开关型部件均以一定功率耗能。节能运行方案制定与节能效果展示通过本发明中的节能算法，计算出能耗部件在此加工阶段中的停启时间节点序列，得到的节能运行方案如图8所示，在两段节能时间段中，冷却泵、排屑电机、液压泵和润滑泵，均采用了停启策略即在节能时间段开始时关闭冷却泵、排屑电机、液压泵和润滑泵，在节能时间段结束时再开启这些部件。采用本发明节能运行方法前后，数控机床在节能时间段的功率曲线如图9a中蓝线和红线所示，各可控能耗部件在这段NC代码对应的加工阶段中，采用本发明节能运行方法前后对应的空切削总能耗如图9b所示。节能运行方案使用前数控机床在节能时间段的功率是4324W，使用节能运行方案后功率为2124W，功率减小了2200W。使用节能运行方法后，数控机床在空切削时段的总节能为209.63Wh，节约的能耗占据空切削时段总能耗(忽略了切削工件的切削能耗)的5.45％。通过上述实施例结果可以看出：数控机床采用本发明所提供的数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法后，在加工阶段较长的空切削时段中，将对一些能耗部件采取停启策略，实现加工阶段的节能。空切削时段越长，数控机床在采用本发明的节能运行方法后节约的能量越多。本发明相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、针对数控机床加工阶段中的空切削时段的能量浪费，本发明提供了一种数控机床运行过程中加工阶段的节能运行方法，可在不影响工件加工节拍的前提下，为数控机床在加工阶段的节能运行提供运行方案。数控机床在采用本发明方法后，可减小其在加工阶段中的空切削能耗，提高数控机床在加工阶段的能量利用率。2、在本发明方法中，对于能耗部件的停启，除了考虑停启能耗部件所需的时间和能量外，还考虑了停启能耗部件对其寿命的影响，与实际生产情况更加符合，因此本发明方法更适用于实际生产情况。3、本发明方法的支持系统可从NC代码中解析出数控机床/部件在加工阶段的运行信息，并完成节能潜力分析，进一步自动制定节能运行方案，还可展现数控机床在采用本发明方法后的节能效果，为节能运行方案的实际实施提供了参考。4、本发明方法中需要的能耗部件功率数据、能耗部件的停启时间能量表和PLC输入/输出地址表，通过数控机床技术说明书和功率测量仪器即可获得；获取方法简单，提高了本发明方法的可操作性。5、本发明方法的应用对象为数控机床尤其是加工大型工件的数控机床，因此，本发明具有较好的通用性。本发明还公开了一种数控机床运行过程中加工阶段的节能运行装置，包括：第一获取模块：用于基于NC代码解析获取数控机床及其部件的运行信息；所述第一获取模块的获取方法在上述实施例中已详细阐述，此处便不再一一进行赘述。其中，数控机床及其部件的运行信息为：数控机床和部件的运行状态以及对应的时间段，数控机床的运行状态主要指在加工阶段的运行状态，包括空切削状态和切削状态，所述空切削状态对应的时间段为节能时间段；所述数控机床的部件的运行状态主要包括受PLC控制的能耗部件的运行状态，该运行状态包括开启状态和关闭状态；数控机床加工阶段节能运行控制模块：针对每个空切削状态对应的时间段，判断所述受PLC控制的能耗部件在每一个空切削状态对应的时间段的停止时间和启动时间的总和是否小于该对应的时间段，若小于该节能时间段，则该空切削对应的时间段则为节能时间段，控制所述受PLC控制的能耗部件在该对应的节能时间段内暂停。所述数控机床加工阶段节能运行控制模块的控制方法已在上述实施例中详细阐述，此处便不再进行一一赘述。本发明还公开了一种对采用上述节能运行装置的数控机床进行节能效果评估的评估系统，包括数控机床能耗计算装置、所述节能运行装置以及节能效果评估装置；所述数控机床能耗计算装置包括：第二获取模块，用于预先获取未采用上述实施例的节能运行方法的数控机床及其部件的运行信息；其中，数控机床及其部件的运行信息为：数控机床和部件的运行状态以及对应的时间段，数控机床的运行状态主要指在加工阶段的运行状态，包括空切削状态和切削状态，所述空切削状态对应的时间段为空切削时间段；所述数控机床的部件主要包括常开型能耗部件、受PLC控制的能耗部件以及运行状态受伺服控制而变化的能耗部件，所述受伺服控制而变化的能耗部件包括主轴、进给轴，所述受PLC控制的能耗部件的运行状态包括开启状态和关闭状态；数控机床加工阶段的节能潜力分析模块，用于综合数控机床空切削能耗模型、预先获取到的数控机床及其部件运行信息和能耗部件功率数据，评估数控机床加工阶段中每一个空切削时间段的能耗；其中，能耗部件功率数据主要包括：受PLC控制的能耗部件的正常运行时的平均功率、常开型能耗部件正常运行时的平均功率、主轴各转速下的平均功率、进给轴在不同进给状态下的平均功率。所述能耗评估装置包括：节能能耗计算模块，用于获取将数控机床在节能运行装置的节能条件下，数控机床加工阶段中每一个空切时间段对应的所有受PLC控制的能耗部件，为每一个空切时间段内加上该空切时间段对应的所有受PLC控制的能耗部件的停启能耗，以得到每一个空切时间段的节能能耗；能耗效果评估模块，用于将每一个节能能耗与数控机床加工阶段的节能潜力分析模块所分析得到的每一个空切时间段的能耗一一进行对比评估，以评估出采用了节能运行策略后的节能效果。采用本发明的评估系统，非常方便快捷的即可将采用了节能运行方法的数控机床与未采用节能运行方法的数控机床进行节能分析评估，从而得到采用了节能运行方法的数控机床的节能效果及参数，为相关人员提供了可靠准确的数据，便于相关人员决定和评估是否需要采用节能方法来实现数控机床的节能。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以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。当前第1页1 2 3