面向通用数控机床能效标签制定的固有能量效率分级方法
阅读说明：本技术 面向通用数控机床能效标签制定的固有能量效率分级方法 (Inherent energy efficiency grading method for universal numerical control machine tool energy efficiency label formulation ) 是由 刘培基 王旭 朱倩 张祖胜 周龙珍 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及机床能效评价技术领域,公开了一种面向通用数控机床能效标签制定的固有能量效率分级方法,首先依据待评价机床说明书建立机床基础参数矩阵,并通过测量机床运行能耗数据,建立该机床运行能耗特征矩阵；其次,基于机床基础参数矩阵和运行能耗特征矩阵,建立机床固有能量效率计算表达式,并由此计算获得待评价机床的固有峰值能效和固有均值能效；最后,通过构建通用固有能量效率分级条件,确定待评价机床的固有能量效率等级。本发明实现了不同规格通用机床在同一尺度上更加客观的进行能量效率评价,人为干扰因素少,易于取得一致性意见,可为通用机床高能效设计、能效标签制定提供重要支撑。(The invention relates to the technical field of machine tool energy efficiency evaluation, and discloses an inherent energy efficiency grading method formulated for an energy efficiency label of a universal numerical control machine tool, which comprises the steps of firstly establishing a machine tool basic parameter matrix according to a machine tool specification to be evaluated, and establishing a machine tool operation energy consumption characteristic matrix by measuring machine tool operation energy consumption data; secondly, establishing a calculation expression of the intrinsic energy efficiency of the machine tool based on the basic parameter matrix and the operation energy consumption characteristic matrix of the machine tool, and calculating to obtain the intrinsic peak energy efficiency and the intrinsic mean energy efficiency of the machine tool to be evaluated; and finally, determining the inherent energy efficiency grade of the machine tool to be evaluated by constructing a general inherent energy efficiency grading condition. The invention realizes more objective energy efficiency evaluation of universal machine tools with different specifications on the same scale, has less man-made interference factors, is easy to obtain consistency opinions, and can provide important support for the high-energy-efficiency design and the energy efficiency label formulation of the universal machine tools.)
技术领域
本发明涉及机床能效评价技术领域。
背景技术
机床作为制造业广泛应用的基础性设备，具有量大面广、能量消耗总量巨大、能量利用率偏低、节能潜力巨大等特点。而制定能效标签可以引导机床用户采购、引导机床厂商设计高能效机床，被视为降低机床能量消耗的有效举措之一。因此，研究用于通用数控机床能效标签制定的能量效率评价方法意义重大。
国际标准委员会发布的ISO 14955-1标准提供了从机床整体到机床组件的能耗测试方法。但正如其标准前言和范围中所述，该系列标准尚未实现机床能量效率表现情况的量化，无法用于不同类型机床之间的能效对比。日本标准协会(JSA)发布了“TSB 0024-2010：机床电力消耗的测试方法”，该标准虽然针对不同类型和大小的机床设计相应的测试样件，但设计何种标准样件一直难以达成共识。Schudeleit在论文《Methods forevaluation of energy efficiency of machine tools》中通过对四种常用的机床能效测试方法，即参考样件法、参考工艺法、比能耗法和部件基准法进行比较分析，认为参考工艺法是最适合的机床能效测试手段。但由于不同的加工工艺可能导致截然不同的评价结果，因而难以针对参考工艺法设计出一套公认的加工工艺标准。正在批准的国家推荐标准《数控机床固有能量效率的评价方法》(20192988-T-604)和已授权的发明专利《一种机床服役周期能效潜力获取方法》(201910918467.7)，均需要调研获取各加工转速和转矩的行业使用概率，主观因素影响较大，同时也尚未实现不同规格尺度下的机床能量效率对比与评价。已授权的发明专利《一种面向机床整个使用阶段能量效率最高的机床评选方法》(201710464808.9)由于聚焦于单台机床特有的加工过程，无法用于行业通用机床的能效评价及其标签制定。
综上所述，尽管众多研究人员对机床能量效率的评价进行了有益的探索，但仍未找到可用于通用数控机床能效标签制定的能量效率评价方法。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种面向通用数控机床能效标签制定的固有能量效率分级方法，解决如何更加客观的对不同机床统一进行能效分级的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种面向通用数控机床能效标签制定的固有能量效率分级方法，包括以下步骤：
建立待评价机床的基础参数矩阵M1：M1＝[nr,nm,Tr]；其中，nr为主轴额定转速，nm为主轴最高转速，Tr为主轴额定转矩；
测量待评价机床的运行能耗数据，并根据运行能耗数据建立待评价机床的运行能耗特征矩阵M2：M2＝[P0,Ps,Pf,α]；其中，P0为机床待机特征功率，Ps为机床主轴空载功率特征函数，Pf为机床进给轴进给功率特征值，α为机床主轴附加载荷损耗特征系数；
根据待评价机床的基础参数矩阵M1与运行能耗特征矩阵M2建立待评价机床的固有能量效率函数η(n,T)：
其中，n为当量主轴转速，且n∈[0,1]；T为当量主轴转矩，且T∈[0,1]，k为当量转换系数；通过将主轴工作转速nw归一化得到当量主轴转速，即或通过将主轴工作转矩Tw归一化得到当量主轴转矩，即
根据待评价机床的固有能量效率函数η(n,T)，计算出待评价机床的固有峰值能效ηm与固有均值能效ηa；建立待评价机床的固有能量效率评价指标矩阵M3：M3＝[ηm,ηa]；
确立通用固有峰值能效评价基准与通用均值能效评价基准并根据固有能效分级系数计算通用固有峰值能效分级基准与通用均值能效分级基准；
根据通用固有峰值能效分级基准与通用均值能效分级基准设定分级条件，根据待评价机床的固有峰值能效ηm与固有均值能效ηa所满足的分级条件，确定待评价机床的固有能量效率等级。
进一步的，根据待评价机床的主轴工作转速与主轴额定转速nr之间的关系确定机床主轴空载功率特征函数Ps、当量转换系数k与固有峰值能效ηm的计算式。
进一步的，机床固有均值能效的计算表达式为其中，V表示固有能量效率函数η(n,T)的三维曲面与坐标轴围成的立体体积，S表示固有能量效率函数η(n,T)的定义域面积；
当待评价机床的主轴工作转速始终不大于主轴额定转速nr时，定义域为：n∈[0,1]，T∈[0,1]；
当待评价机床的主轴工作转速存在大于主轴额定转速nr时，定义域为：当时，T∈[0,1]；当时，
进一步的，统计行业中各类型机床的固有峰值能效ηm与固有均值能效ηa，并将最大固有峰值能效与最大固有均值能效分别作为通用固有峰值能效评价基准与通用均值能效评价基准
进一步的，固有峰值能效的值域为行业中最大固有峰值能效与最小固有峰值能效之差，固有均值能效的值域为行业中最大固有均值能效与最小固有均值能效之差，并以固有峰值能效或固有均值能效的值域为基础，确定两个固有能效分级系数kα、kβ，且kα>kβ；
计算通用固有峰值能效分级基准kI、kII：
计算通用固有均值能效分级基准kIII、kIV：
根据通用固有峰值能效分级基准kI、kII设定具有三个粗略等级的分级条件一；
根据通用固有均值能效分级基准kIII、kIV设定具有三个细分等级的分级条件二；
根据分级条件一确定待评价机床的粗略等级，再根据分级条件二确定其所在粗略等级中的细分等级。
进一步的，若ηm≥kI，则为粗略A级；在粗略A级下，若ηa≥kIII，则细分为A+级；若kIV≤ηa＜kIII，则细分为A级；若ηa<kIV，则细分为A-级；
若kII≤ηa＜kI，则为粗略B级；在粗略B级下，若ηa≥kIII，则细分为B+级；若kIV≤ηa＜kIII，则细分为B级；若ηa<kIV，则细分为B-级；
若ηm<kII，则为粗略C级；在粗略C级下，若ηa≥kIII，则细分为C+级；若kIV≤ηa＜kIII，则细分为C级；若ηa<kIV，则细分为C-级。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
1、机床的固有峰值能效和固有均值能效是机床自身所固有的，不随加工参数、加工工件等工艺条件的变化而变化。因此，基于固有峰值能效ηm与固有均值能效ηa的机床能量效率分级方法，人为干扰因素少，易于取得一致性意见。
2、本发明根据客观的统计结果确定通用固有峰值能效评价基准与通用固有均值能效评价基准进一步减少主观因素的干扰。
3、本发明的分级方法根据各类机床的主轴工作转速，采用转速转矩归一化处理为当量主轴转速、当量主轴转矩，可以实现不同规格的通用数控机床在同一尺度下进行能量效率比较。
4、本发明的分级方法只需要获取少量基础参数，就能对不同规格的机床能量效率进行评价，具有适用范围广泛，操作简单易行的特点。
5、本发明的分级方法结果易于理解，不仅可以指导通用机床的高能效设计，还可以为不同类型机床的通用能效标签制定提供支撑，具有较广阔的应用前景。
6、本发明通过分级条件一与分级条件二的结合，得到更加合理的分级结果，对机床采购和设计提供更加明确的指引。
具体实施方式
一种面向通用数控机床能效标签制定的固有能量效率分级方法，包括以下步骤：
步骤1：建立待评价机床的基础参数矩阵M1：M1＝[nr,nm,Tr]；其中，nr为主轴额定转速，nm为主轴最高转速，Tr为主轴额定转矩。本具体实施方式依据待评价机床的说明书获取参数nr、nm、Tr为主轴额定转矩，也可以通过测量获取。
步骤2：测量待评价机床的运行能耗数据，包括机床待机功率、各级主轴转速下的主轴空载功率与各级进给速度下的进给轴功率，建立待评价机床的运行能耗特征矩阵M2：M2＝[P0,Ps,Pf,α]；其中，P0为机床待机特征功率，Ps为机床主轴空载功率特征函数，Pf为机床进给轴进给功率特征值，α为机床主轴附加载荷损耗特征系数。
本具体实施方式中，所述机床进给轴进给功率特征值Pf的计算表达式为其中，为进给轴i的进给均值功率，F为机床进给轴总数。
其中，机床待机特征功率P0、机床主轴空载功率特征函数Ps以及机床进给轴进给功率Pf的获取方法可参考申请者已授权发明专利《数控机床的固有能效要素函数获取系统与获取方法》(ZL 201910087195.0)。机床主轴附加载荷损耗特征系数α可通过切削实验法(可参考已授权发明专利《机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法》(ZL201110095627.6))、映射实验法(可参考已授权发明专利《一种机床切削加工系统附加载荷损耗系数的获取方法》(ZL201510052283.9))和计算获取法(可参考已授权发明专利《一种机床主动力系统载荷损耗系数的获取方法》(ZL 201510092816.6))，这三种方法中的其中一种获取。
步骤3：将待评价机床的基础参数矩阵M1和运行能耗特征矩阵M2带入下式，建立待评价机床的固有能量效率计算表达式η：
其中，n为当量主轴转速，且n∈[0,1]；T为当量主轴转矩，且T∈[0,1]，k为当量转换系数。通过将主轴工作转速nw归一化得到当量主轴转速，即或通过将主轴工作转矩Tw归一化得到当量主轴转矩，即
步骤4：依据待评价机床的固有能量效率表达式，计算获得待评价机床的固有能量效率评价指标矩阵M3：M3＝[ηm,ηa]；其中，ηm为机床固有峰值能效，ηa为机床固有均值能效。
步骤5：构建通用机床固有能量效率分级参数矩阵M4：M4＝[kI,kII,kⅢ,kⅣ]；其中kI和kII为通用机床固有峰值能效分级基准，kⅢ和kⅣ为通用机床固有均值能效分级基准。
本具体实施方式中，步骤5所述的能效分级基准kI、kII、kⅢ和kⅣ的计算表达式分别为：其中为通用机床固有峰值能效评价基准，为通用机床固有均值能效评价基准，kα和kβ为机床固有能量效率分级系数。
本具体实施方式中，统计行业中各类型机床的固有峰值能效ηm与固有均值能效ηa(采用与本发明中待评价机床相同的方法计算各类型机床的固有峰值能效ηm与固有均值能效ηa)，并将最大固有峰值能效与最大固有均值能效分别作为通用固有峰值能效评价基准与通用均值能效评价基准
另外，可通过行业协会协商制定通用机床固有峰值能效评价基准通用机床固有均值能效评价基准以及机床固有能量效率分级系数kα和kβ。
固有峰值能效的值域为行业中最大固有峰值能效与最小固有峰值能效之差，固有均值能效的值域为行业中最大固有均值能效与最小固有均值能效之差，并以固有峰值能效或固有均值能效的值域为基础，确定两个固有能效分级系数kα、kβ，且kα>kβ；
计算通用固有峰值能效分级基准kI、kII：
计算通用固有均值能效分级基准kIII、kIV：
根据通用固有峰值能效分级基准kI、kII设定具有三个粗略等级的分级条件一；
根据通用固有均值能效分级基准kIII、kIV设定具有三个细分等级的分级条件二；
根据分级条件一确定待评价机床的粗略等级，再根据分级条件二确定其所在粗略等级中的细分等级。
可以采用均分评价法或等边三角形法确定两个固有能效分级系数kα、kβ，本具体实施方式中采用均分评价法，将固有峰值能效的值域或固有均值的值域均分为3个区间，并找到第一区间和第二区间的第一临界点，第二个区间和第三个区间的第二临界点，将这两个临界点分别除以最大固有峰值能效或最大固有均值能效，从而得到两个固有能效分级系数kα、kβ。
步骤6：根据待评价机床的固有能量效率评价指标矩阵M3以及通用机床固有能量效率分级参数矩阵M4，按表1所述分级判定条件，确定待评价机床的固有能量效率等级。
表1通用数控机床固有能量效率分级判定条件
本具体实施方式中，当待评价数控机床主轴工作转速始终不大于额定转速时，步骤2中机床主轴空载功率特征函数Ps是一个关于机床当量主轴转速n的二次拟合函数，其表达式为Ps＝δ0+δ1n+δ2n2,n∈[0,1]，其中δ0、δ1、δ2均为拟合系数。
本具体实施方式中，当待评价数控机床主轴工作转速始终不大于额定转速时，步骤3所述当量转换系数k的计算表达式为定义域为：n∈[0,1]，T∈[0,1]。
本具体实施方式中，当待评价数控机床主轴工作转速存在大于额定转速时，步骤2中所述机床主轴空载功率特征函数Ps是一个关于机床当量主轴转速n的分段二次拟合函数，其表达式为其中ω0，ω1，ω2，λ0，λ1，λ2均为拟合系数。
本具体实施方式中，当所评价数控机床主轴工作转速存在大于额定转速时，步骤3所述当量转换系数k的计算表达式为且步骤3所述机床固有能量效率表达式的定义域为：当时，T∈[0,1]；当时，
当所评价数控机床主轴工作转速存在大于额定转速时，工作转速nw和工作转矩Tw的乘积为定值，即主轴额定功率 是归一化后化简后结果。
本具体实施方式中，步骤4所述的固有峰值能效ηm的计算表达式为：
当所评价数控机床主轴工作转速始终不大于额定转速时，ηm＝η(1,1)；
当所评价数控机床主轴工作转速存在大于额定转速时，
本具体实施方式中，步骤4所述的固有均值能效ηa的计算表达式为其中V为步骤3所述机床固有能量效率三维曲面与坐标轴围成的立体体积，S为步骤3所述机床固有能量效率的定义域面积。
为更好地说明本发明的技术方案，以PL700数控铣床为例，首先查阅机床说明书，获取能效分级所需的基本参数，建立PL700数控铣床的基础参数矩阵M1：M1＝[2800,4000,25]。
然后检测PL700数控铣床的运行能耗数据，参考已授权的发明专利获取机床待机特征功率、机床主轴空载功率特征函数、机床进给轴进给功率以及载荷损耗系数，建立运行能耗特征矩阵M2；其中，由于PL700数控铣床的主轴工作转速存在大于额定转速的部分，因此本例将机床主轴空载功率特征函数拟合为关于机床主轴固有转速n的分段二次拟合函数；PL700数控铣床运行能耗特征指标如表1所示：
表1 PL700数控铣床运行能耗特征指标
由表1的机床运行能耗特征指标，建立PL700数控铣床的运行能耗特征矩阵M2：
接着，建立PL700数控铣床的固有能量效率模型；其中，本例固有转换系数k的计算表达式为因此PL700数控铣床的固有能量效率计算表达式η：
依据机床的固有能量效率表达式，计算该数控铣床的固有峰值能效ηm＝η(0.7,1)＝69.52，固有均值能效由此建立PL700数控铣床的固有能量效率评价指标矩阵M3：M3＝[69.52，41.86]。
本例通过收集38台数控机床的基础能效数据，利用通用机床固有峰值能效的统计最大值和固有均值能效的统计最大值，初步拟定通用机床固有峰值能效评价基准为86.19、通用机床固有均值能效评价基准为65.92；本例采用国际常用的均分评价法确定机床固有能量效率分级系数kα为0.8，kβ为0.7。因此，通用机床固有峰值能效分级基准kI为68.95，kII为60.33；通用机床固有均值能效分级基准的计算表达式为kⅢ为52.74，kⅣ为46.14；其中，制定评价基准所需的机床基础能效数据容量可根据实际需求逐步扩充完善。
于是，通用机床的固有能量效率分级判定条件如表2所示：
通用数控机床固有能量效率分级判定条件
由PL700数控铣床的固有能量效率评价指标矩阵M3和通用机床的固有能量效率分级判定条件易知，PL700数控铣床的固有能量效率等级为A-。
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，可以对发明的技术方案进行修改或等同替换，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。
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