面向节能减排的数控机床负荷-能量效率评估与监测方法与流程

本发明涉及制造业数控机床能量效率评估与能效提升领域，尤其是一种面向节能减排的数控机床负荷-能量效率评估与监测方法。

背景技术：

数控机床作为工业的“工作母机”，是制造业中应用广泛且十分关键的设备。数控机床能量效率的评估及提升对于制造业节能减排起着十分重要的作用。研究数控机床负荷-能量效率评估与监测方法对于制造业数控机床能量效率的提升具有重要意义。

数控机床负荷率受数控机床实际加工零件数量和理论加工零件数量的影响；数控机床负荷-能量效率受单件零件理想加工能耗和单件零件实际加工能耗的影响。进一步可建立数控机床负荷-能量效率与数控机床负荷率间的关系模型。当前仍然缺乏一种有效的综合考虑数控机床负荷率对数控机床能量效率影响的评估模型与方法。本发明方法通过综合考虑数控机床负荷率对数控机床能量效率的影响，构建数控机床负荷-能量效率与数控机床负荷率间的关系模型。进一步通过对数控机床负荷-能量效率的监测，实现数控机床负荷-能量效率的超限报警。本发明方法考虑机床速率损失对数控机床能量效率的影响，能够有效准确地评估制造业中数控机床的负荷-能量效率并能对数控机床负荷-能量效率进行超限报警，是一种有效实用的能量效率评估与监测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够对制造业数控机床负荷-能量效率进行评估和监测的方法，将评估得到的数控机床负荷-能量效率与预先设定的数控机床负荷-能量效率报警下限值进行比较，从而实现数控机床负荷-能量效率的超限报警，使数控机床的负荷-能量效率始终控制在要求的范围之内，保证数控机床的高效节能运行。

面向节能低碳的数控机床负荷-能量效率评估与监测方法，包括如下步骤：

步骤1，通过在每个零件上安装rfid(无线射频识别)标签，零件加工完成后，rfid读写器自动感知被加工零件，零件数量自动加1，得到给定时间周期内数控机床实际加工零件数量，记为oactual。

步骤2，通过给定时间周期内数控机床的可用时间和零件理想加工时间，计算得到数控机床理论加工零件数量。其计算模型如下：

其中：otheory表示给定时间周期内数控机床理论加工零件数量，tavailable表示给定时间周期内数控机床的可用时间，tideal-ct表示单件零件理想加工时间。

步骤3，基于前述得到的给定时间周期内数控机床数控机床实际加工零件数量和数控机床理论加工零件数量，计算得到数控机床负荷率，其计算模型如下：

其中：ηperformance表示数控机床负荷率，oactual表示定时间周期内数控机床实际加工零件数量，otheory表示给定时间周期内数控机床理论加工零件数量。

步骤4，通过在数控机床空气开关处安装能耗测量装置，多次测量数控机床在给定的理想加工参数下加工单个零件的能耗值，求平均值得到单件零件理想加工能耗值，记为eideal。

步骤5，通过给定时间周期内的数控机床的时间浪费及数控机床待机功率值，计算得到给定时间周期内的数控机床能量浪费值，计算模型如下：

ewaste＝twaste×pstandby

其中：ewaste表示给定时间周期内的数控机床能量浪费值，twaste表示给定时间周期内的数控机床的时间浪费，pstandby表示数控机床待机功率值。

步骤6，根据已得到的给定时间周期内的数控机床能量浪费值，结合给定周期内数控机床实际加工零件数量，获取得到单件零件实际加工能耗值，计算公式如下：

其中：eactual表示单件零件实际加工能耗值，oactual表示定时间周期内数控机床实际加工零件数量，eideal表示单件零件理想加工能耗值，ewaste表示给定时间周期内的数控机床能量浪费值。

步骤7，基于前述得到的单件零件理想加工能耗值和单件零件实际加工能耗值，计算得到数控机床负荷-能量效率，其计算模型如下：

其中：ηperformance_e表示数控机床负荷-能量效率，eideal表示单件零件理想加工能耗值，eactual表示单件零件实际加工能耗值。

步骤8，根据前述得到的数控机床负荷率计算模型和数控机床负荷-能量效率计算模型，推导运算得到数控机床负荷-能量效率与数控机床负荷率间的关系模型，其关系模型表达如下：

其中：ηperformance_e表示数控机床负荷-能量效率，oactual表示给定时间周期内数控机床实际加工零件数量，eideal表示单件零件理想加工能耗值，tavailable表示给定时间周期内数控机床的可用时间，ηperformance表示数控机床负荷率，pstandby表示数控机床待机功率值。

步骤9，将所得到的给定时间周期内的数控机床负荷-能量效率ηperformance_e与预先设定的数控机床负荷-能量效率报警下限值进行比较，若满足关系式则表明数控机床负荷-能量效率正常。若满足关系式则报警提示数控机床负荷-能量效率异常，同时将该评估周期的数控机床负荷-能量效率以及对应的数控机床负荷率、数控机床能量浪费值显示在显示屏上。

步骤10，生产人员根据步骤9的报警提示，对数控机床零件加工过程进行有针对性的调整，降低数控机床能量浪费值，从而使得数控机床负荷-能量效率提高至正常范围。

在步骤2中，给定时间周期内数控机床的可用时间tavailable，通过给定时间周期内的计划加工时间减去数控机床停机时间得到，计算模型如下：

tavailable＝tplaned-tdowntime

其中：tavailable表示给定时间周期内数控机床的可用时间，tplaned表示给定时间周期内的数控机床计划加工时间，tdowntime表示给定时间周期内的数控机床停机时间。

在步骤5中，给定时间周期内的数控机床的时间浪费twaste，通过给定时间周期内数控机床的可用时间减去零件加工总理想时间获得，其计算模型如下：

twaste＝tavailable-oactual×tideal-ct

其中：twaste表示给定时间周期内的数控机床的时间浪费，tavailable表示给定时间周期内数控机床的可用时间，oactual表示定时间周期内数控机床实际加工零件数量，tideal-ct表示单件零件理想加工时间。

在步骤5中，数控机床待机功率值pstandby，通过在数控机床空气开关处安装功率测量装置，多次测量数控机床在待机状态下的功率值并求平均值获得。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明方法综合考虑数控机床速度损失对数控机床负荷率的影响，进一步考虑数控机床负荷率对数控机床能量效率的影响，构建了构建数控机床负荷-能量效率与数控机床负荷率间的关系模型。进一步通过对数控机床负荷-能量效率的监测，实现数控机床负荷-能量效率的超限报警。本发明方法考虑数控机床速率损失对数控机床能量效率的影响，能够有效准确地评估制造业中数控机床的负荷-能量效率。本发明方法能够有针对性地评估制造业数控机床负荷-能量效率，并能对数控机床负荷-能量效率进行超限报警，是一种有效实用的数控机床负荷-能量效率评估与监测方法。本发明方法科学实用且可以推广至其它机械装备的负荷-能量效率评估与监测，如：输送机等。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明方法的设备配置示意图。

具体实施方式

现结合实施例及附图对本发明进行详细解释。

本发明提出一种面向节能减排的数控机床负荷-能量效率评估与监测方法。本发明方法的流程示意图如图1所示，首先，借助附着在零件上的rfid标签及rfid读写器，感知获取得到给定时间周期内数控机床实际加工零件数量。接着，根据给定时间周期内数控机床的可用时间和零件理想加工时间，计算得到数控机床理论加工零件数量。基于所得到的数控机床实际加工零件数量和理论加工零件数量，计算得到数控机床负荷率。通过多次测量数控机床在理想加工参数下加工单个零件的能耗值，求平均值得到单件零件理想加工能耗值。通过给定时间周期内数控机床的时间浪费及数控机床待机功率值，计算得到给定时间周期内的数控机床能量浪费值。进一步根据已得到的给定时间周期内数控机床能量浪费值，并结合给定时间周期内数控机床实际加工零件数量，获取得到单件零件实际加工能耗值。根据得到的单件零件理想加工能耗值和单件零件实际加工能耗值，计算得到数控机床负荷-能量效率。基于已建立的数控机床负荷率模型和数控机床负荷-能量效率模型，构建数控机床负荷-能量效率与数控机床负荷率间的关系模型。基于上述关系模型进行数控机床负荷-能量效率监测并实现超限报警功能，使数控机床负荷-能量效率控制在要求的范围之内。

如图2所示，本发明所涉及的设备配置主要包括：功率分析仪、rfid标签、rfid读写器、安装sql数据库的计算机和显示屏。功率分析仪用于测量得到数控机床待机功率和数控机床加工零件的能耗；rfid标签附着在零件上，用于标识零件；rfid读写器通过感知rfid标签，获取得到加工零件数量；安装sql数据库的计算机，用于存储采集得到的数控机床加工零件数量信息以及数控机床功率、能耗及能量效率信息；显示屏与计算机相连，用于显示数控机床负荷-能量效率、负荷率及数控机床能量浪费信息。

本发明实施例以数控机床ck6153i为例，其加工的零件为批零加工圆柱形零件，采用本发明方法对其负荷-能量效率进行评估和监测，并对其负荷-能量效率超限情况进行报警提示。

1.获取数控机床实际加工零件数量

对数控机床负荷-能量效率每隔1小时评估一次，因此，给定时间周期为1小时。数控机床实际加工零件数量初始值设置为0(oactual＝0)。在每个零件上都附着有rfid标签，当零件在数控机床上加工结束后，会经过rfid读写器，rfid读写器能够自动感知到经过的rfid标签，数控机床实际加工零件数量自动累加1(oactual＝oactual+1)。以7月28日上午9:00-10:00为例，数控机床ck6153i共加工零件24件，rfid感知到个rfid标签，得到数控机床实际加工零件数量oactual＝24件。

2.获取数控机床理论加工零件数量

由于数控机床负荷-能量效率每隔1小时评估一次，因此，需要获取得到1小时内数控机床理论加工零件数量。

仍以7月28日上午9:00-10:00为例，在该时间周期内数控机床的计划加工时间为60分钟(tplaned＝3600秒)，数控机床因调整而造成的停机时间为5分钟(tdowntime＝300秒)。数控机床的可用时间计算模型为tavailable＝tplaned-tdowntime。其中，tavailable表示数控机床的可用时间，单位为秒(s)；tplaned表示数控机床计划加工时间，单位为秒(s)；tdowntime表示数控机床停机时间，单位为秒(s)。将7月28日上午9:00-10:00的数据tplaned＝3600和tdowntime＝300秒代入公式，可以得到该评估周期内数控机床的可用时间tavailable＝tplaned-tdowntime＝3600-300＝3300秒。根据历史信息得到该零件的单件零件理想加工时间tideal-ct＝120秒/件。数控机床理论加工零件数量计算模型为其中，otheory表示给定时间周期内数控机床理论加工零件数量，单位为件；tavailable表示给定时间周期内数控机床的可用时间，单位为秒(s)；tideal-ct表示单件零件理想加工时间，单位为秒(s)。将已经得到的评估周期内数控机床的可用时间tavailable＝3300秒和单件零件理想加工时间tideal-ct＝120秒/件，代入公式计算得到数控机床理论加工零件数量otheory＝27件。

3.获取数控机床负荷率

根据已获得的评估周期内的数控机床实际加工零件数量和理论加工零件数量，计算获得数控机床负荷率，其计算模型为其中，ηperformance表示数控机床负荷率，oactual表示定时间周期内数控机床实际加工零件数量，单位为件；otheory表示给定时间周期内数控机床理论加工零件数量，单位为件。仍以7月28日上午9:00-10:00为例，已获得该评估周期内数控机床实际加工零件数量oactual＝24件，数控机床理论加工零件数量otheory＝27件，将上述数据代入公式计算获得数控机床负荷率ηperformance＝88.9％。

4.获取单件零件理想加工能耗

在数控机床ck6153i空气开关处安装能耗测量装置，本实施例中所使用的的能耗测量装置为功率分析仪，功率分析仪器能够同时记录机床加工过程中的功率及能耗信息。多次测量数控机床在给定的理想加工参数下加工单个零件的能耗值，测量得到的30次在理想加工参数下单个零件的能耗值如表1所示。

表1

将表1中得到的30个能耗值计算平均值，可得到单件零件理想加工能耗值eideal＝151.7(kj)。

5.获取机床能量浪费值

在给定时间周期内的数控机床能量浪费值由数控机床的时间浪费及待机功率值共同决定。因此需要先获取数控机床的时间浪费和待机功率值。

5.1获取数控机床的时间浪费

仍以7月28日上午9:00-10:00为例，已得到该评估周期内数控机床的可用时间tavailable＝3300秒，单件零件理想加工时间tideal-ct＝120秒/件以及该周期内数控机床实际加工零件数量oactual＝24件。给定时间周期内的数控机床的时间浪费twaste的计算模型为twaste＝tavailable-oactual×tideal-ct。其中：twaste表示给定时间周期内的数控机床的时间浪费，单位为秒(s)；tavailable表示给定时间周期内数控机床的可用时间，单位为秒(s)；oactual表示定时间周期内数控机床实际加工零件数量，单位为件；tideal-ct表示单件零件理想加工时间，单位为秒/件。将已获取得到的tavailable＝3300秒，tideal-ct＝120秒/件和oactual＝24件带入上述公式，计算得到该周期内数控机床的时间浪费为twaste＝tavailable-oactual×tideal-ct＝3300-24×120＝420(s)。

5.2获取数控机床的待机功率值

数控机床ck6153i空气开关处安装功率测量装置，本实施例中所使用的的功率测量装置为功率分析仪。启动数控机床ck6153i，不进行任何操作，使机床处于待机状态，测量50组机床待机功率值，如表2所示。

表2

将表2中得到的50个机床待机功率值计算平均值，可得到数控机床待机功率值pstandby＝0.32(kw)。

给定时间周期内数控机床能量浪费值的计算模型为ewaste＝twaste×pstandby。其中：ewaste表示给定时间周期内的数控机床能量浪费值，单位为千焦(kj)；twaste表示给定时间周期内的数控机床的时间浪费，单位为秒(s)；pstandby表示数控机床待机功率值,单位为千瓦(kw)。将已获得的twaste＝420秒和pstandby＝0.32千瓦，带入上述公式计算得到数控机床能量浪费值ewaste＝420×0.32＝134.4(kj)

6.获取单件零件实际加工能耗

仍以7月28日上午9:00-10:00为例，已获取得到数控机床能量浪费值ewaste＝134.4kj，该周期内数控机床实际加工零件数量oactual＝24件，单件零件理想加工能耗值eideal＝151.7kj。单件零件实际加工能耗值的计算公式为：其中：eactual表示单件零件实际加工能耗值，单位为千焦(kj)；oactual表示定时间周期内数控机床实际加工零件数量，单位为件；eideal表示单件零件理想加工能耗值，单位为千焦(kj)；ewaste表示给定时间周期内的数控机床能量浪费值，单位为千焦(kj)。将已得到的ewaste＝134.4kj，oactual＝24件，eideal＝151.7kj带入上述公式，计算得到该周期内单件零件实际加工能耗值

7.获取数控机床负荷-能量效率

根据已获得的数控机床单件零件理想加工能耗和单件零件实际加工能耗，计算获取数控机床负荷-能量效率，其计算公式为：其中：ηperformance_e表示数控机床负荷-能量效率；eideal表示单件零件理想加工能耗值，单位为千焦(kj)；eactual表示单件零件实际加工能耗值单位为千焦(kj)。仍以7月28日上午9:00-10:00为例，已得到该周期内单件零件理想加工能耗值eideal＝151.7kj，单件零件实际加工能耗值eactual＝157.3kj。将上述数据带入公式计算得到该周期内数控机床能量-负荷效率为

8.获取数控机床负荷-能量效率与负荷率关系模型

根据建立的数控机床负荷率计算模型和数控机床负荷-能量效率计算模型，推导运算得到数控机床负荷-能量效率与数控机床负荷率间的关系模型，其关系模型表达为：其中：ηperformance_e表示数控机床负荷-能量效率；oactual表示给定时间周期内数控机床实际加工零件数量，单位为件；eideal表示单件零件理想加工能耗值，单位为千焦(kj)；tavailable表示给定时间周期内数控机床的可用时间，单位为秒(s)；ηperformance表示数控机床负荷率，pstandby表示数控机床待机功率值，单位为千瓦(kw)。仍以7月28日上午9:00-10:00为例，已得到该周期内数控机床实际加工零件数量oactual＝24件，单件零件理想加工能耗值eideal＝151.7kj，数控机床的可用时间tavailable＝3300s，数控机床待机功率值pstandby＝0.32kw。将上述数据带入关系模型中，数控机床负荷-能量效率与数控机床负荷率间的关系模型进一步表示为：

9.进行数控机床负荷-能量效率监测及超限报警

将所得到的评估周期内的数控机床负荷-能量效率ηperformance_e与预先设定的机床负荷-能量效率报警下限值进行比较。本发明中的数控机床负荷-能量效率报警下限根据数控机床负荷-能量效率历史数据统计分析并结合管理者的经验确定。若实施例中数控机床负荷-能量效率报警下限仍以7月28日上午9:00-10:00为例，已得到评估周期内的数控机床负荷-能量效率ηperformance_e＝96.4％，则满足关系式表明数控机床负荷-能量效率正常。承接前例，若将数控机床负荷-能量效率报警下限设为97％，则满足关系式此时报警提示数控机床负荷-能量效率异常，低于数控机床负荷-能量效率下限，同时将该评估周期内的数控机床负荷-能量效率(ηperformance_e＝96.4％)以及对应的数控机床负荷率(ηperformance＝88.9％)以及该评估周期内数控机床能量浪费值(ewaste＝134.4kj)显示在显示屏上。

10.根据报警提示，调整数控机床参数使其负荷-能量效率提高至正常范围

机床操作人员根据步骤9的报警提示，对数控机床加工参数进行有针对性的调整，使得数控机床负荷-能量效率提高至正常范围。

本发明方法可以用于制造业中数控机床负荷-能量效率的科学评估与监测，使得数控机床负荷-能量效率控制在要求的范围之内，实现数控机床高效节能运行。本发明方法为实现制造业节能减排提供有效的方法和技术支持。

最后说明的是，以上实施案例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明方法的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。