專利名稱：：一種數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)停機(jī)節(jié)能實(shí)施方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及到機(jī)械制造領(lǐng)域，是一種機(jī)床運(yùn)行時(shí)節(jié)約能源的實(shí)施方法。具體涉及到數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)停機(jī)節(jié)能的實(shí)施方法。
背景技術(shù)：
：我國(guó)機(jī)床設(shè)備擁有量居世界第一，耗電總量驚人。同時(shí)，大量統(tǒng)計(jì)調(diào)查表明機(jī)床能量平均利用率低下，不足30%。為實(shí)現(xiàn)"綠色制造"戰(zhàn)略，探尋可行的機(jī)床節(jié)能方法意義重大。ZL03117163.X公開(kāi)的發(fā)明名稱為《一種機(jī)械加工系統(tǒng)節(jié)能降噪方法》的發(fā)明，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，通過(guò)機(jī)床與工件之間的合理調(diào)度與安排，取得整個(gè)加工系統(tǒng)的節(jié)能效果；該方法從整個(gè)機(jī)械加工系統(tǒng)角度考慮進(jìn)行節(jié)能，并沒(méi)有改變機(jī)床本身的能量損耗。ZL89104006.4公開(kāi)的發(fā)明名稱為《機(jī)床電氣節(jié)能設(shè)計(jì)方法》的發(fā)明，將機(jī)床電機(jī)替換為不同容量的兩個(gè)電機(jī)，根據(jù)負(fù)載大小使兩電機(jī)交替或同時(shí)運(yùn)行，從而節(jié)約電能。但該方法增加了機(jī)床電機(jī)的復(fù)雜程度，并且改變了原有機(jī)床電機(jī)的設(shè)計(jì)。ZL90211626.6公開(kāi)的發(fā)明名稱為《機(jī)床節(jié)能功率監(jiān)控裝置》實(shí)用新型，公開(kāi)了一種節(jié)約機(jī)床電能的功率監(jiān)控裝置，當(dāng)機(jī)床輕載或空載時(shí)，電源通過(guò)自藕變壓器降壓，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能；這種裝置主要針對(duì)機(jī)床電機(jī)采取節(jié)能措施。數(shù)控機(jī)床工步間空載運(yùn)行過(guò)程廣泛存在，如數(shù)控車床工步間退刀、換刀和進(jìn)刀時(shí)，如果主軸轉(zhuǎn)速不變，一般就處于空載運(yùn)行過(guò)程；又如數(shù)控銑床工步間上下工件時(shí)，一般也處于空載運(yùn)行過(guò)程。上述過(guò)程中，由于不同工步間切削參數(shù)的改變，會(huì)產(chǎn)生退刀、換刀、進(jìn)刀等動(dòng)作。這些動(dòng)作進(jìn)行時(shí)，機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)雖然沒(méi)有進(jìn)行生產(chǎn)加工動(dòng)作，但也沒(méi)有停止運(yùn)動(dòng)，仍然有能量從機(jī)床電機(jī)傳遞過(guò)來(lái)維持它們的運(yùn)動(dòng)需求，造成了機(jī)床能量的損耗。機(jī)床空載過(guò)程中主傳動(dòng)系統(tǒng)能量損耗是一種廣泛的能量損耗，也是造成機(jī)床能量利用率低下的直接原因之一。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)能量損耗造成無(wú)謂浪費(fèi)的現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)停機(jī)節(jié)能的實(shí)施方法，通過(guò)在數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)，停止主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的操作，達(dá)到節(jié)約機(jī)床能量損耗的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)停機(jī)節(jié)能實(shí)施方法，其特征在于，加工前根據(jù)加工工藝獲得主軸運(yùn)行轉(zhuǎn)速n,及數(shù)控機(jī)床編程時(shí)所確定的工步間間隔時(shí)間獲取相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)間r。，并通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)表和曲線擬和的方法計(jì)算相鄰工步間實(shí)施停機(jī)節(jié)能后再啟動(dòng)的控制時(shí)間和節(jié)能百分比；當(dāng)節(jié)能百分比為正數(shù)時(shí)，在數(shù)控程序中按控制時(shí)間嵌入該工步間停機(jī)指令和后續(xù)的再啟動(dòng)指令，達(dá)到節(jié)約機(jī)床能源的效果。包括如下步驟(1)選擇m(w為自然數(shù))級(jí)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)采集，獲得機(jī)床的兩個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試表W級(jí)主軸轉(zhuǎn)速下的主傳動(dòng)系統(tǒng)空載功率表和機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速的過(guò)渡時(shí)間及損耗能量表；(2)對(duì)步驟(1)獲取的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，獲得停機(jī)節(jié)能決策及實(shí)施的準(zhǔn)備公式，即機(jī)床各主軸轉(zhuǎn)速下的主傳動(dòng)系統(tǒng)損耗能量計(jì)算公式五^-ov^+A"+c,)7;，及機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速的損耗能量&計(jì)算公式&=4"2++C3;其中，^，A，C,，^，A，q為曲線擬合得到的已知常量；(3)控制時(shí)間和節(jié)能百分比的計(jì)算方法-①根據(jù)上述第(2)步的計(jì)算公式，獲得該相鄰工步間空載運(yùn)行期間機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)能耗，主傳動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)后再啟動(dòng)至轉(zhuǎn)速所耗能量￡。,；②計(jì)算節(jié)能百分?jǐn)?shù)尺,1-③當(dāng)A;為正數(shù)時(shí)，采取停機(jī)再啟動(dòng)策略，并將停機(jī)指令(包括停機(jī)時(shí)刻)和后續(xù)的再啟動(dòng)指令(包括根據(jù)7^計(jì)算的再啟動(dòng)時(shí)刻)嵌入到數(shù)控程序當(dāng)中。本發(fā)明方法由實(shí)施前的計(jì)算公式的準(zhǔn)備和具體操作步驟兩大部分構(gòu)成。1.計(jì)算公式的獲?、贉y(cè)試數(shù)據(jù)表的準(zhǔn)備選擇m(如w-lO，m為自然數(shù))級(jí)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，建立機(jī)床m級(jí)主軸轉(zhuǎn)速下的主傳動(dòng)系統(tǒng)空載功率測(cè)試數(shù)據(jù)表(表1)和機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速nj的過(guò)渡時(shí)間和所消耗的能量測(cè)試數(shù)據(jù)表(表2)。w數(shù)值越大，則最后得到的計(jì)算公式越精確，但工作量也會(huì)相應(yīng)增大。表1機(jī)床各主軸轉(zhuǎn)速下的主傳動(dòng)系統(tǒng)空載功率測(cè)試數(shù)據(jù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>表2機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速nj的過(guò)渡時(shí)間和所消耗的能量測(cè)試數(shù)據(jù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表中，Toj——機(jī)床主軸從啟動(dòng)到rij轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程所用時(shí)間E0j——機(jī)床主軸從啟動(dòng)到nj轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程所消耗能量②采用曲線擬和的方式，利用表1和表2的數(shù)據(jù)獲得停機(jī)節(jié)能決策及實(shí)施的公式。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的規(guī)律，釆用二次函數(shù)進(jìn)行擬合具有計(jì)算方便且精度高的特點(diǎn)，于是令<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(3)式中n表示此段空載運(yùn)行時(shí)間內(nèi)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速，為已知量；^，A，C,，4，52，C2，4，A，q為未知量。式(1)、(2)、(3)分別為數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)功率計(jì)算公式、機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速的過(guò)渡時(shí)間計(jì)算公式及所消耗的能量計(jì)算公式。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及最小二乘法，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(6)對(duì)式(4)、(5)、(6)分別求解以下方程組<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>可求解出^，5。C,，4，52，C2，4，53，q的值。然后，對(duì)所求得的相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)功率函數(shù)進(jìn)行時(shí)間積分，可得到相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)能量耗損函數(shù)。如圖1所示，由于相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)功率恒定，可得到相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)能量耗損計(jì)算公式為其中，r。為相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)間，由實(shí)際加工工藝決定。圖中，/,表示相鄰工步間空載時(shí)段的起始時(shí)刻，/,+1表示相鄰工步間空載時(shí)段的結(jié)束時(shí)刻。至此，停機(jī)節(jié)能決策及實(shí)施的公式的準(zhǔn)備工作就己完成。這些公式都是長(zhǎng)期不變和可用的。2.停機(jī)節(jié)能決策及實(shí)施的操作實(shí)現(xiàn)①在加工前，根據(jù)加工工藝及己編制的數(shù)控程序，獲得該對(duì)相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)主軸轉(zhuǎn)速和空載運(yùn)行時(shí)間7;。②將相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)主軸轉(zhuǎn)速代入步驟i所建立的專門方程式，計(jì)算出該相鄰工步間空載運(yùn)行期間機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)功率五^，主傳動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)后再啟動(dòng)至轉(zhuǎn)速n所用時(shí)間7^及所耗能量五&。③計(jì)算節(jié)能百分比^:^^i-五。"&。當(dāng)&為正數(shù)時(shí)，則可采取停機(jī)節(jié)能措施。但在實(shí)際中，為了避免機(jī)床的頻繁啟動(dòng)對(duì)機(jī)床的影響，一般要節(jié)能百分比A:。大于一定值(如《。=20%)時(shí)才進(jìn)行停機(jī)節(jié)能操作；將停機(jī)指令和后續(xù)的再啟動(dòng)指令嵌入到數(shù)控程序當(dāng)中，在如圖2所示的某機(jī)床加工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)嵌入的停機(jī)時(shí)刻為(，再啟動(dòng)時(shí)刻為f,+,-7;"當(dāng)x,為負(fù)數(shù)或小于尺。時(shí)，則不采取停機(jī)節(jié)能措施?！蛉粼搶?duì)相鄰工步不是整個(gè)加工過(guò)程的最后兩個(gè)工步，則返回步驟①，否則完成停機(jī)再啟動(dòng)決策，準(zhǔn)備加工。本發(fā)明建立了一種數(shù)控機(jī)床工步間空載運(yùn)行時(shí)停機(jī)節(jié)能策方法，該方法著眼于數(shù)控機(jī)床工步間空載運(yùn)行時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)的能量損耗問(wèn)題，采用停機(jī)再啟動(dòng)的方式減小機(jī)械制造過(guò)程中機(jī)床空載運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)約能源的目的。除建立計(jì)算公式外，后續(xù)操作非常簡(jiǎn)便。圖1兩工步間空載運(yùn)行時(shí)能耗示意圖；圖2某機(jī)床加工過(guò)程主傳動(dòng)系統(tǒng)功率曲線。具體實(shí)施方式下面結(jié)合一具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。在一臺(tái)型號(hào)為南京第二機(jī)床廠生產(chǎn)的CK6136的數(shù)控車床上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行試用，試用過(guò)程如下1.計(jì)算公式的準(zhǔn)備①測(cè)試數(shù)據(jù)表的建立該車床的轉(zhuǎn)速范圍為0轉(zhuǎn)/分——1500轉(zhuǎn)/分，將其分成10檔，分別按表1和表2要求進(jìn)行測(cè)試采集，得到表3和表4。表3數(shù)控車床各級(jí)主軸轉(zhuǎn)速下主傳動(dòng)系統(tǒng)空載功率表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表4數(shù)控車床各級(jí)主軸轉(zhuǎn)速下啟動(dòng)時(shí)間及能量消耗表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>②對(duì)表3和表4測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬和，從而獲得任一主軸轉(zhuǎn)速下主傳動(dòng)系統(tǒng)的空載功率方程式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(7)從停機(jī)到啟動(dòng)致該轉(zhuǎn)速所用時(shí)間方程式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(8)以及所消耗的能量的方程式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(9)另外,考慮啟動(dòng)主傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的沖擊和壽命影響，節(jié)能百分比系數(shù)尺。確定為20%。上述公式是一勞永逸的，可長(zhǎng)期使用。2.停機(jī)節(jié)能決策及實(shí)施在上述CK6136車床上加工某一工件時(shí)，根據(jù)工藝要求，需要在n=1250轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速下加工外圓和端面，即該加工過(guò)程有兩個(gè)工步。根據(jù)工藝要求，工步間退刀、換刀和進(jìn)刀的總時(shí)間為60秒，即r。-60秒。外圓加工工步結(jié)束時(shí)的時(shí)刻r,75秒，端面加工的起始時(shí)刻為^=135秒。具體決策及實(shí)施步驟如下-①將主軸轉(zhuǎn)速"-1250代入式(7)、(8)、(9)，計(jì)算出該相鄰工步間空載運(yùn)行期間機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)損耗能量￡=18840焦，主傳動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)后再啟動(dòng)至轉(zhuǎn)速所用時(shí)間7;,=5.32秒及所耗能量￡。,=1497.2焦。②計(jì)算節(jié)能百分比&:&=1-￡。,/￡=92%。③由于/^為正數(shù)且&>/:。(《。=20%)，故采取停機(jī)節(jié)能措施，將停機(jī)指令和后續(xù)的再啟動(dòng)指令嵌入到數(shù)控程序當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)嵌入的停機(jī)時(shí)刻為/,=75秒，再啟動(dòng)時(shí)刻為135-5.23=129.77秒。3.對(duì)該停機(jī)節(jié)能實(shí)施方法有效性的檢驗(yàn)建立表5進(jìn)行決策過(guò)程數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比；表5決策過(guò)程數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>對(duì)比決策過(guò)程數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，具有很高的一致性，從而驗(yàn)證了本停機(jī)節(jié)能實(shí)施方法的有效性。需要指出的是，由于所選擇的機(jī)床屬小型機(jī)床，故所節(jié)約能量的絕對(duì)值較小。而在一些大型機(jī)床上采取本停機(jī)節(jié)能實(shí)施方法，會(huì)帶來(lái)更加顯著的節(jié)能效益。權(quán)利要求1.一種數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)停機(jī)節(jié)能實(shí)施方法，其特征在于，加工前根據(jù)加工工藝獲得主軸運(yùn)行轉(zhuǎn)速nj及數(shù)控機(jī)床編程時(shí)所確定的工步間間隔時(shí)間獲取相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)間T0，并通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)表和曲線擬和的方法計(jì)算相鄰工步間實(shí)施停機(jī)節(jié)能后再啟動(dòng)的控制時(shí)間和節(jié)能百分比；當(dāng)節(jié)能百分比為正數(shù)時(shí)，在數(shù)控程序中按控制時(shí)間嵌入該工步間停機(jī)指令和后續(xù)的再啟動(dòng)指令，達(dá)到節(jié)約機(jī)床能源的效果。2.如權(quán)利要求1所述數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)停機(jī)節(jié)能實(shí)施方法，其特征在于，具體包括如下步驟(1)選擇《7(m為自然數(shù))級(jí)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)采集，獲得機(jī)床的兩個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試表m級(jí)主軸轉(zhuǎn)速下的主傳動(dòng)系統(tǒng)空載功率測(cè)試數(shù)據(jù)表和機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速的過(guò)渡時(shí)間和所消耗的能量測(cè)試數(shù)據(jù)表；(2)對(duì)步驟(1)獲取的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，獲得停機(jī)節(jié)能決策及實(shí)施的準(zhǔn)備公式，即機(jī)床各主軸轉(zhuǎn)速下的主傳動(dòng)系統(tǒng)損耗能量計(jì)算公式五^-ov^+A"+c,)7;，及機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速的損耗能量五。,計(jì)算公式5。,^^+^2+q;其中，4，A，C,，4,q為曲線擬合得到的已知常量；(3)控制時(shí)間和節(jié)能百分比的計(jì)算方法①根據(jù)上述第(2)步的計(jì)算公式，獲得該相鄰工步間空載運(yùn)行期間機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)能耗￡_，主傳動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)后再啟動(dòng)至轉(zhuǎn)速所耗能量五。"②計(jì)算節(jié)能百分?jǐn)?shù)《，=1;③當(dāng)&為正數(shù)時(shí)，采取停機(jī)再啟動(dòng)策略，并將停機(jī)指令(包括停機(jī)時(shí)刻)和后續(xù)的再啟動(dòng)指令(包括根據(jù)7^計(jì)算的再啟動(dòng)時(shí)刻)嵌入到數(shù)控程序當(dāng)中。全文摘要本發(fā)明提供一種數(shù)控機(jī)床相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)停機(jī)節(jié)能的實(shí)施方法，是在加工前根據(jù)加工工藝獲得主軸運(yùn)行轉(zhuǎn)速及數(shù)控機(jī)床編程時(shí)所確定的工步間間隔時(shí)間獲取相鄰工步間空載運(yùn)行時(shí)間，并通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)表和曲線擬和的方法計(jì)算相鄰工步間實(shí)施停機(jī)節(jié)能后再啟動(dòng)的控制時(shí)間和節(jié)能百分比。當(dāng)節(jié)能百分比為正數(shù)時(shí)，在數(shù)控程序中按控制時(shí)間嵌入該工步間停機(jī)指令和后續(xù)的再啟動(dòng)指令，達(dá)到節(jié)約機(jī)床能源的效果。該方法著眼于數(shù)控機(jī)床工步間空載運(yùn)行時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)的能量損耗問(wèn)題，采用停機(jī)再啟動(dòng)的方式減小機(jī)械制造過(guò)程中機(jī)床空載運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)約能源的目的。文檔編號(hào)B23Q5/00GK101367173SQ20081007030公開(kāi)日2009年2月18日申請(qǐng)日期2008年9月16日優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日發(fā)明者霜?jiǎng)?飛劉,華張,施金良,萍鄢申請(qǐng)人:重慶大學(xué)