技术领域
[0001] 本
发明涉及
机械加工技术领域，尤其是一种用于数控机床的固有能效要素获取系统与获取方法。
背景技术
[0002] 数控机床是一种以机床为主体的典型制造系统。由于数控机床量大面广、
能量消耗总量巨大、但能量效率很低，并且过去重视不够；因此，如何提升数控机床能量效率正在国际上迅速兴起。我们近年研究发现：不同数控机床能量效率不同的根本原因在于它们的固有能效要素不同；而且，该固有能效要素产生于机械加工制造系统的设计和组建阶段，并作用于机械加工制造系统的服役阶段。因此，如何在设计和组建阶段优化机械加工制造系统的固有能效要素成为了当前提升数控机床能量效率的一个研究重点；这同时迫切需要系统性地获取数控机床固有能效要素，为数控机床能量效率提升提供支持。
[0003] 近年来国内外研究人员针对数控机床的能耗主体-机床的
主轴系统和进给轴系统的功率和能耗及其检测进行了大量研究。文献“Lv,J.,et al.,Experimental study on energy consumption of computer numerical control machine tools.Journal of Cleaner Production,2016.112:p.3864-3874.”、文献“Rief,M.,B.Karpuschewski,and E.Evaluation and modeling of the energy demand during machining.CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology,2017.19:p.62-71.”以及文献“Aramcharoen,A.and P.T.Mativenga,Critical factors in energy demand modelling for CNC milling and impact of toolpath strategy.Journal of Cleaner
Production,2014.78:p.63-74.”的研究指出：不同机床的主轴系统具有不同的空载能耗特性；特别地，很多主轴的空载功率是一个与主轴转速呈分段二次曲线关系。发明
专利“一种数控
车床主
传动系统非切削能耗获取方法”(ZL201210240326.2)公开了一种计算主轴空转和主轴
加速的功率和能耗值的方法；该方法需要开展多次实验，以获得主传动系统
变频器和主轴
电机空载功率、主轴空转摩擦转矩、主传动系统
转动惯量以及主轴
角加速度等系数，并采用了一元线性回归分析来建立主轴空载功率函数。发明专利“数控机床主轴旋转加速功率能耗的获取和节能控制方法”(ZL201410095872.0)公开了一种获取数控机床主轴旋转加工功率和能耗的方法；该方法需要多次测量和记录主轴旋转功率和能耗，并且需要人工绘制实验所得的功率-转速曲线图；通过观察曲线斜率变化来确定分段一次线性回归分析的分段点。发明专利“数控机床快进快退功率和能耗的获取及控制方法”
(ZL201410083510.X)公布了一种根据进给运动功率、进给加速度、进给减速度、进给临界距离、进给距离等参数计算快进快退能耗的方法；该方法需要多次检测和记录进给运动功率，以建立进给运动功率与进给速度的关系。发明专利“数控机床钻削过程功率及能耗获取与节能控制方法”(201711285982.3)公布了一种基于机床待机功率、喷
切削液功率、主轴旋转功率以及Z轴进给功率的机床钻削功率和能耗的预测方法；该方法需要多次检测和记录主轴旋转功率和Z轴进给功率，然后采用一次线性回归拟合主轴旋转功率，并采用二次多项式拟合Z轴进给功率。发明专利“数控车床多工位回转刀架自动换刀能耗准确预测方法”(201810024999.1)公布了一种数控车床自动换刀过程能耗预测方法；该方法需要多次测量和记录换刀时间，以建立自动换刀时间的
预测模型。
[0004] 综上所述，由于数控机床固有能效要素检测过程困难，
现有技术存在以下问题：
[0005] (1)检测数据不全。现有检测方法集中在针对机床的主轴系统和进给轴系统的功率和能耗及其检测，而数控机床固有能效要素，包括数控机床的待机功率函数、数控机床的辅助系统功率函数、主轴系统启动过程的能耗函数和启动时间函数、主轴系统空运行过程的功率函数、进给轴系统切削进给过程的功率函数、进给轴系统快速进刀退刀过程的能耗函数以及时间函数、
工件自动装卸系统的能耗函数和时长函数以及自动换刀系统的能耗函数和时间函数；因此，现有检测方法缺乏从整体的角度，系统全面地测取数控机床的固有能效要素。
[0006] (2)
数据处理繁琐复杂。现有检测方法需要人为地多次测量和记录，操作繁琐，不易推广实施。
[0007] (3)拟合模型单一。现有检测方法集中采用一次线性回归拟合主轴空载功率，并采用二次多项式拟合进给轴功率；然而，现有理论研究和实际测量结果表示：不同主轴系统和进给轴系统，往往存在不同的功率需求规律；单纯的一次线性回归或二次多项式拟合不能满足要求。
发明内容
[0008] 针对上述现有技术的不足，本发明提供一种数控机床的固有能效要素函数获取系统，该系统能够自动生成获取数控机床固有能效要素所需的NC代码，并能够根据不同的数控机床自适应地选择拟合函数类型，建立数控机床及其能耗子系统的固有能效要素函数。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种数控机床的固有能效要素函数获取系统，所述数控机床包括以下能耗子系统：数控系统、主轴系统、进给轴系统、自动换刀系统以及辅助系统子系统，包括设备信息管理模
块、测试参数设置模块、NC代码生成模块、现场测试管理模块、数据分析模块与用于安装在待测数控机床上并获取待测数控机床运行功率数据的功率
传感器；
[0010] 设备信息管理模块用于录入待测数控机床的
基础信息、主轴系统信息、进给轴系统信息、自动换刀系统信息以及辅助系统信息；
[0011] 测试参数设置模块用于设置包括状态运行时长to、状态切换标志时长td、状态切换延迟时长tdc、测试样本数量Ntr以及进给轴的初始距离dI-o在内的测试参数；
[0012] NC代码生成模块用于根据测试参数与待测数控机床的基础信息、主轴系统信息、进给轴系统信息、换刀系统信息以及辅助系统信息生成控制待测数控机床运行的NC代码；所述NC代码包括用于在测试过程中控制主轴系统运行的NC代码、用于在测试过程中控制进给轴系统运行的NC代码、用于在测试过程中控制自动换刀系统运行的NC代码以及用于在测试过程中控制辅助系统运行的NC代码；
[0013] 现场测试管理模块用于设置功率传感器参数、读取功率传感器的功率数据信息、解析功率传感器功率数据信息并生成功率集合；
[0014] 数据分析模块用于根据待测数控机床在测试运行过程中的功率集合生成各能耗子系统的固有能效要素函数，并根据各能耗子系统的固有能效要素函数生成数控机床各个运行阶段的固有能效要素函数。
[0015] 优选的，基础信息包括机床类型、机床型号与数控系统类型；主轴系统信息包括主轴最高转速nS-max、主轴最低转速nS-min、主轴额定转速nS-r、额定转速以上的转速间隔ΔS-n-u以及额定转速以下的转速间隔ΔS-n-l；进给轴系统信息包括I轴方向的快进速度fvI-max、轴向行程dI以及最高切削进给速度cvI-max，下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴；自动换刀系统信息包括刀库刀位数量Nt；辅助系统信息包括由数控系统控制启停的辅助系统总个数NAu、各辅助系统名称以及各辅助系统启停控制代码。
[0016] 优选的，用于在测试过程中控制主轴系统运行的NC代码中包括主轴启动转速设定代码；其中，主轴转速的测试总个数为2Ntr,并按如下公式设定第i个主轴转速nsS-tr[i]：
[0017]
[0018] 其中，[]表示取整运算；
[0019] 用于在测试过程中控制进给轴系统运行的NC代码中包括快进快退距离设定代码；其中，快进快退距离的测试总个数为Ntr，并按如下公式设定第i个快进快退距离dI-tr[i]，：
[0020]
[0021] 其中，1≤i≤Ntr；下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴；dI为I轴方向的进给轴的轴向行程，dI-o表示I轴方向的进给轴的初始距离；
[0022] 用于在测试过程中控制进给轴系统运行的NC代码中还包括切削进给速度设定代码；其中，切削进给速度的测试总个数为Ntr，并按如下公式设定第i个切削进给速度cvI-tr[i]：
[0023]
[0024] 其中，1≤i≤Ntr；下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴；cvI-max表示I轴方向的最高切削进给速度。
[0025] 优选的，现场测试管理模块根据功率传感器采集的数控机床在测试实验中的功率数据信息生成的功率集合包括：数控机床在电源开启过程的输入功率集合DSP；数控机床在数控系统运行过程的输入功率集合DSC；数控机床在第i个辅助系统运行过程的输入功率集合DAu-i，1≤i≤NAu；数控机床在第i个主轴转速启动过程的输入功率集合DPS-i，1≤i≤2Ntr；数控机床在第i个主轴转速空运行过程的输入功率集合DUS-i，1≤i≤2Ntr；数控机床在进给轴I以第i个快进快退距离快进快退过程的输入功率集合DI-PF-i，I∈[X,Y,Z]，1≤i≤Ntr；数控机床在进给轴I以第i个切削进给速度切削进给过程的输入功率集合DI-UF-i，I∈[X,Y,Z]，
1≤i≤Ntr；数控机床在自动换刀系统换第nt个刀位的刀具过程的输入功率集合 1≤nt≤Nt。
[0026] 优选的，数据分析模块中采用离散建模法建立数控机床各个能耗子系统的固有能效要素离散函数，包括以下步骤：
[0027] 步骤2.1：为各个功率集合计算功率均值 集合时长tD与集合能耗ED，按照如下通式：
[0028]
[0029]
[0030]
[0031] 其中，D表示功率集合，Pk表示功率集合D中的第k个元素，ND表示功率集合D的元素个数，fs表示功率传感器的
采样频率；
[0032] 步骤2.2：分别建立数控机床各个能耗子系统的以下固有能效要素离散函数：
[0033] 数控机床在电源开启过程的功耗PSP：
[0034]
[0035] 其中， 表示数控机床在电源开启过程的功率集合DSP的功率均值；
[0036] 数控机床控制系统的功耗PCs：
[0037]
[0038] 其中， 表示数控机床在数控系统运行过程的功率集合DSC的功率均值；
[0039] 数控机床辅助系统的功耗PAu-i：
[0040]
[0041] 其中， 表示数控机床在第i个辅助系统运行过程的功率集合DAu-i的功率均值，1≤i≤NAu；
[0042] 数控机床主轴系统启动过程的启动时长和启
动能耗的离散函数CS-PS：
[0043]
[0044] 其中，n表示主轴转速，为自变量；tS-PS和ES-PS均为因变量，分别为主轴系统启动时长和主轴系统启动能耗；tS-PS[i]为数控机床在第i个主轴转速启动过程的功率集合DPS-i的运行时长，1≤i≤2Ntr；ES-PS[i]的计算公式如下所示：
[0045]
[0046] 其中，Ein-PS[i]为数控机床在第i个主轴转速启动过程的功率集合DPS-i的集合能耗，1≤i≤2Ntr；
[0047] 数控机床主轴系统空运行过程的空载功率离散函数CS-US：
[0048]
[0049] 其中，n表示主轴转速，n为自变量；PS-US表示主轴系统空运行过程的功率函数，PS-US为因变量；PS-US[i]的计算功率公式如下所示：
[0050]
[0051] 其中， 为数控机床在第i主轴转速空运行过程的功率集合DUS-i的均值功率，1≤i≤2Ntr个；
[0052] 数控机床进给轴系统快进快退运行过程的快进快退时长和快进快退能耗的离散函数CI-PF：
[0053]
[0054] 其中，下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴；dI-tr表示快进快退距离，为自变量；tI-PF、EI-PF均为因变量，tI-PF表示快进快退时长，EI-PF表示快进快退能耗；tI-PF[i]为进给轴I在以第i个快进快退距离快进快退过程的功率集合DI-PF-i的运行时长，1≤i≤Ntr；EI-FF[i]的计算公式如下：
[0055]
[0056] 式中，Ein-I-PF[i]为进给轴I，I∈[X,Y,Z]在以第i个快进快退距离快进快退过程的功率集合DI-PF-i的集合能耗，1≤i≤Ntr；
[0057] 数控机床进给轴系统切削进给运行过程的进给功率离散函数CI-UF：
[0058]
[0059] 其中，下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴；cvI-tr表示I轴切削进给速度，为自变量；PI-UF表示I轴切削进给功率，为因变量；PI-UF[i]的计算公式如下：
[0060]
[0061] 式中， 为数控机床在进给轴I第i个切削进给速度切削进给过程的功率集合DI-UF-i的均值功率；下标I∈[X,Y,Z]，1≤i≤Ntr；
[0062] 数控机床换刀系统在换刀运行过程的换刀时长和换刀能耗的离散函数CPT：
[0063]
[0064] 其中，nt表示换刀刀位，为自变量；tPT、EPT均为因变量，tPT表示换刀时长，EPT表示换刀系统的换刀能耗；tPT[nt]为自动换刀系统换第nt个刀位的刀具过程的功率集合 的运行时长；EPT[nt]的计算公式如下：
[0065]
[0066] 式中，Ein-PT[nt]为自动换刀系统换第nt个刀位的刀具过程的功率集合 的集合能耗，1≤nt≤Nt。
[0067] 优选的，数据分析模块在离散建模的基础上再采用自适应拟合建模法来建立数控机床各能耗子系统的固有能效要素拟合函数，包括以下步骤：
[0068] 步骤2.3：将离散建模法建立的数控机床各个能耗子系统的固有能效要素离散函数视为用于拟合的数据集，利用
机器学习中的交叉验证方法将该数据集拆分为训练集和测试集；
[0069] 步骤2.4：根据训练集采用最小二乘法分别拟合出一次拟合函数与二次拟合函数；
[0070] 步骤2.5：利用测试集，按照误差函数分别计算一次拟合函数与二次拟合函数的误差；
[0071] 步骤2.6：若一次拟合函数的误差小于二次拟合函数的误差，则选择一次拟合函数作为固有能效要素函数；否则，选用二次拟合函数作为固有能效要素函数；
[0072] 由此，便可建立各能耗子系统的以下拟合函数：
[0073] 数控机床主轴系统：以主轴转速n为自变量的启动时长拟合函数tS-PS(n)、启动能耗拟合函数ES-PS(n)和空运行功率拟合函数PS-US(n)；
[0074] 数控机床进给轴系统：以快进快退距离dI为自变量的快进快退时长拟合函数tI-PF(dI)、快进快退能耗拟合函数EI-PF(dI)；以切削进给速度cvI为自变量的切削进给功率拟合函数PI-UF(cvI)；其中，下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴；
[0075] 数控机床自动换刀系统：以换刀刀位nt为自变量的换刀时长拟合函数tPT(nt)与换刀能耗拟合函数EPT(nt)。
[0076] 优选的，数控机床固有能效要素函数包括数控机床在待机阶段的功率函数Pin-S(sCs)、数控机床在辅助系统开启阶段的功率函数Pin-PA(sAu-i)、数控机床在主轴系统启动阶段的能耗函数Ein-PS(n,sAu-i)、数控机床在快进快退阶段的能耗函数Ein-PF(dI,sAu-i,sI-Fs)、数控机床在自动换刀阶段的能耗函数Ein-PT(nt,sAu-i)以及数控机床空载阶段的功率函数Pin-U(n,cvI,sAu-i,sI-Fs)；具体表达式如下所示：
[0077] 数控机床在待机阶段的功率函数Pin-S(sCs)：
[0078] Pin-S(sCs)＝PSP+sCsPCs；
[0079] 式中，PSP表示数控机床电源开启时的功率消耗，PCs表示数控机床数控系统开启时在机床电源开启的基础上新增的功率消耗；sCs表示数控系统的状态，sCs＝0表示数控系统处于关闭状态，sCs＝1表示数控系统处于开启状态；
[0080] 数控机床在辅助系统开启阶段的功率函数Pin-PA(sAu-i)：
[0081] Pin-PA(sAu-i)＝PS+∑sAu-iPAu-i；
[0082] 式中，PS表示数控机床待机功率，PS＝Pin-S(sCs＝1)；PAu-i表示第i个辅助系统开启时新增的机床功率消耗，1≤i≤NAu；sAu-i表示第i个辅助系统的状态，1≤i≤NAu，sAu-i＝0表示第i个辅助系统处于关闭状态，sAu-i＝1表示第i个辅助系统处于开启状态；
[0083] 数控机床在主轴系统启动阶段的能耗函数Ein-PS(n,sAu-i)：
[0084] Ein-PS(n,sAu-i)＝(PS+∑sAu-iPAu-i)tS-PS(n)+ES-PS(n)；
[0085] 式中，n表示主轴转速，tS-PS(n)和ES-PS(n)分别为启动时长函数和主轴系统启动能耗函数。
[0086] 数控机床在快进快退阶段的能耗函数Ein-PF(dI,sAu-i)：
[0087] Ein-PF(dI,sAu-i)＝(PS+∑sAu-iPAu-i)∑tI-PF(dI)+∑EI-PF(dI)；
[0088] 其中，tI-PF(dI)和EI-PF(dI)分别表示I轴的快进快退时长函数、快进快退能耗函数以及快进快退功率函数；
[0089] 数控机床在换刀阶段的能耗函数Ein-PT(nt,sAu-i)：
[0090] Ein-PT(nt,sAu-i)＝(PS+∑sAu-iPAu-i)tPT(nt)+EPT(nt)；
[0091] 其中，nt表示自动换刀时需要旋转的刀位数；tPT(nt)和EPT(nt)分别表示自动换刀系统的换刀时长函数和换刀能耗函数。
[0092] 数控机床空载阶段的功率函数Pin-U(n,cvI,sAu-i)：
[0093] Pin-U(n,cvI,sAu-i)＝PS+PS-US(n)+∑sAu-iPAu-i+∑PI-UF(cvI)
[0094] 其中，PS-US(n)表示主轴系统空运行功率函数；cvI表示进给速度,PI-UF(cvI)表示I轴的切削进给功率函数。
[0095] 优选的，还包括用于验证固有能效要素函数有效性的有效性验证模块，所述有效性验证模块根据验证值与预测值的误差判断固有能效要素函数是否有效；
[0096] 所述验证值通过验证实验获得，所述预测值通过数据分析模块根据验证实验的运行条件以及数控机床的各个运行阶段的固有能效要素函数计算得到；
[0097] 为进行验证实验，NC代码生成模块与现场测试管理分别进行如下改进：
[0098] NC代码生成模块还用于根据测试参数与待测数控机床的基础信息、主轴系统信息、进给轴系统信息、换刀系统信息以及辅助系统信息生成用于验证实验测试的验证实验NC代码，所述用于验证实验测试的验证实验NC代码包括用于在验证实验中控制辅助系统运行的NC代码、用于在验证实验中控制主轴系统按
指定转速nS-V启动和空运行的NC代码、用于在验证实验中控制进给轴系统按指定快进快退距离dI-V和指定切削进给速度cvI-V运行的NC代码以及用于在验证实验中控制自动换刀系统按指定刀位nt-V换刀运行的NC代码；
[0099] 现场测试管理模块根据功率传感器采集的数控机床在验证实验中的功率数据信息生成的功率集合包括：数控机床在数控系统运行过程的输入功率集合DSC-V、数控机床在辅助系统全部运行过程的输入功率集合DAu-V、数控机床在主轴系统按指定转速nS-V启动的输入功率集合DPS-V、数控机床在主轴系统按指定转速nS-V空运行过程的输入功率集合DUS-V、数控机床在进给轴I(I∈[X,Y,Z])在以指定快进快退距离dI-V快进快退过程的输入功率集合DI-PF-V、数控机床在进给轴I(I∈[X,Y,Z])在以指定切削进给速度cvI-V切削进给过程的输入功率集合DI-UF-V以及数控机床在自动换刀系统按指定刀位nt-V换刀运行的输入功率集合DPT-V。
[0100] 本发明还提供一种数控机床的固有能效要素获取方法，采用本发明的数控机床的固有能效要素函数获取系统，建立各能耗子系统固有能效要素函数以及数控机床各个运行阶段的固有能效要素函数，并根据数控机床固有能效要素函数计算数控机床不同运行过程中的固有能效要素；包括以下步骤：
[0101] 步骤A1：设备信息管理模块录入待测数控机床的基础信息、主动
力系统信息以及辅助系统信息；
[0102] 步骤A2：在测试参数设置模块中设置测试参数，包括以下测试参数：状态运行时长to、状态切换标志时长td、状态切换延迟时长tdc、测试样本数量Ntr以及进给轴的初始距离dI-o；
[0103] 步骤A3：根据步骤A2中测试参数与步骤A1中的数控机床的基础信息、主轴系统信息、进给轴系统信息、换刀系统信息以及辅助系统信息，在NC代码生成模块中生成测试实验的NC代码；
[0104] 步骤A4：在现场测试模块中设置功率传感器参数，并将测试实验的NC代码录入待测机床的数控系统中；
[0105] 步骤A5：数控机床运行测试实验的NC代码并控制待测数控机床按照测试实验的NC代码进行运行，同时通过安装在待测数控机床上的功率传感器采集测试过程中待测数控机床中各能耗子系统在测试实验中的功率数据信息，现场测试管理模块根据功率传感器采集到的功率数据信息生成各能耗子系统在测试实验中的功率集合；
[0106] 步骤A6：数据分析模块根据步骤A5中的各功率集合建立各能耗子系统固有能效要素函数；
[0107] 步骤A7：数据分析模块根据步骤A6中各能耗子系统固有能效要素函数，建立数控机床在各个运行阶段的固有能效要素函数；
[0108] 步骤A8：根据数控机床在各个运行阶段的固有能效要素函数与数控机床运行条件，计算得到数控机床各个运行阶段的固有能效要素。
[0109] 本发明还提供另一种数控机床的固有能效要素获取方法，采用本发明的数控机床的固有能效要素函数获取系统，建立各能耗子系统固有能效要素函数以及数控机床各个运行阶段的固有能效要素函数，并根据数控机床固有能效要素函数计算数控机床不同运行过程中的固有能效要素；包括以下步骤：
[0110] 步骤B1：设备信息管理模块录入待测数控机床的基础信息、主动力系统信息以及辅助系统信息；
[0111] 步骤B2：在测试参数设置模块中设置测试参数，包括以下测试参数：状态运行时长to、状态切换标志时长td、状态切换延迟时长tdc、测试样本数量Ntr以及进给轴的初始距离dI-o；
[0112] 步骤B3：根据步骤B2中测试参数与步骤B1中的数控机床的基础信息、主轴系统信息、进给轴系统信息、换刀系统信息以及辅助系统信息，在NC代码生成模块中生成测试实验的NC代码与验证实验的NC代码；
[0113] 步骤B4：在现场测试模块中设置功率传感器参数，并将测试实验的NC代码与验证实验的NC代码录入待测机床的数控系统中；
[0114] 步骤B5：数控机床运行测试实验的NC代码并控制待测数控机床按照测试实验的NC代码进行运行，同时通过安装在待测数控机床上的功率传感器采集测试过程中待测数控机床中各能耗子系统在测试实验中的功率数据信息，现场测试管理模块根据功率传感器采集到的功率数据信息生成各能耗子系统在测试实验中的功率集合；
[0115] 步骤B6：数控机床运行验证实验的NC代码并控制待测数控机床按照验证实验的NC代码进行运行，同时通过安装在待测数控机床上的功率传感器采集验证实验过程中待测数控机床中各能耗子系统在测试实验中的功率数据信息，现场测试管理模块根据功率传感器采集到的功率数据信息生成各能耗子系统在验证实验中的功率集合；
[0116] 步骤B7：数据分析模块根据步骤B5中的测试实验的各功率集合建立各能耗子系统固有能效要素函数；
[0117] 步骤B8：数据分析模块根据步骤B7中各能耗子系统固有能效要素函数，建立数控机床在各个运行阶段的固有能效要素函数；
[0118] 步骤B9：通过有效性验证模块对数据分析模块生成的数控机床固有能效要素函数进行有效性验证，若固有能效要素函数通过有效性验证，则进入步骤B10；若固有能效要素函数未通过有效性验证，则重复一次步骤B1到步骤B9，若仍然未能通过函数有效性验证，则联系技术人员，以排除问题；
[0119] 步骤B10：根据数控机床在各个运行阶段的固有能效要素函数与数控机床运行条件，计算得到数控机床各个运行阶段的固有能效要素。
[0120] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0121] 1、本发明是一套实验设计、实验实施与
数据采集分析一体化的用于获取数控机床固有能效要素函数的系统；该系统能较系统全面地检测获取数控机床在待机阶段、辅助系统运行阶段的功率函数、启动阶段的能耗函数和启动时间函数、快进快退阶段的快进快退能耗函数和快进快退时间函数、自动换刀阶段的能耗函数和时长函数以及空载阶段的功率函数；检测获取的固有能效要素系统全面，有助于生产者了解数控机床的能耗情况并制定节能方案。
[0122] 2、本发明只需填写数控机床基础信息和检测参数信息，便可直接生成检测NC代码和检测步骤；现场测试时只需按照检测步骤开展实验，并使用传感器测量数控机床的输入功率；获取测试数据后，
软件系统便自动分析处理数据，得到固有能效要素函数；本发明，无需人工设计实验和人工处理实验数据，可操作性好，易于扩展，方便实用。
[0123] 3、本发明系统采用了自适应建模方式，比传统的固定函数建模方式具有较高准确性。
[0124] 4、本发明获取的数控机床固有能效要素函数，可为新机床能效评价、旧机床能效提升中提供技术支持，具有较广阔的应用前景。
附图说明
[0125] 图1是本发明数控机床的固有能效要素函数获取系统
框架；
具体实施方式
[0127] 图1是本发明数控机床的固有能效要素函数获取系统框架；采用本发明的数控机床的固有能效要素函数获取系统与获取方法对立式数控
铣削中心XK714D进行检测，其过程如下：
[0128] 步骤1：设备信息管理模块录入待测数控机床的基础信息、主轴系统信息、进给轴系统信息、自动换刀系统信息以及辅助系统信息，具体如下表1至表4：
[0129] 表1数控机床基础信息
[0130]
[0131]
[0132] 表2主轴系统信息
[0133]
[0134] 表3进给轴系统信息
[0135]
[0136] 表4自动换刀系统信息
[0137]
[0138] 表5辅助系统信息
[0139]
[0140] 步骤2：在测试参数设置模块中设置测试参数，包括以下测试参数：状态运行时长to、状态切换标志时长td、状态切换延迟时长tdc、测试样本数量Ntr以及进给轴的初始距离dI-o；具体如表6所示：
[0141] 表6参数信息
[0142]
[0143] 步骤3：根据步骤2中测试参数与步骤1中的数控机床的基础信息、主动力系统信息以及辅助系统信息，在NC代码生成模块中生成测试实验的NC代码与验证实验的NC代码；各轴的NC代码生成规则一致，在此，仅以X轴为例：
[0144] 主轴系统的NC代码生成规则为：
[0145] i取值从1到2Ntr，依次生成以下代码：
[0146]
[0147] 其中，代码“G97 SnsS-tr[i]”表示主轴启动转速设定为nsS-tr[i]；代码“M03”表示主轴正转启动；代码“M05”表示主轴停止转动；代码“G04 Xto”表示暂停to之后，再运行下一条代码；同时，nsS-tr[i]的计算公式如下：
[0148]
[0149] 其中，转速的测试总个数为2Ntr；0＜i≤2Ntr。其中， 表示取整运算。
[0150] 进给轴系统的NC代码生成规则包括快进快退测试代码生成规则和切削进给生成规则，快进快退测试代码的生成规则如下：
[0151] i取值从1到Ntr，依次生成以下代码：
[0152]
[0153] 其中，“G00XdX-tr[i]”表示X方向快进快退指定距离dX-tr[i]；同时dX-tr[i]的计算公式如下：
[0154]
[0155] 其中，快进快退指定距离的测试总个数为Ntr；1≤i≤Ntr。
[0156] 切削进给测试代码的生成规则如下：
[0157] i取值从1到Ntr，依次生成以下代码：
[0158]
[0159] 其中，代码“G01 XdX-tr[i]FcvX-tr[i]”表示以指定进给速度cvX-tr[i]向X轴方向进给指定距离dX-tr[i]；cvX-tr[i]的计算公式如下：
[0160]
[0161] 其中，切削进给速度的测试总个数为Ntr，1≤i≤Ntr；cvX-max表示X轴方向的最高切削进给速度。
[0162] 测试自动换刀系统的NC代码生成规则为：
[0163] i取值从2到Nt，依次生成以下代码：
[0164]
[0165] 其中，代码“Ti；M06”表示更换第i把刀。
[0166] 机床控制启停的其他辅助系统的NC代码生成规则为：
[0167] i取值从1到NAu，依次生成以下代码：
[0168]
[0169] 其中，MNCi-s表示第i号其他辅助系统(其中，1≤i≤NAu)的启动NC代码，MNCi-p表示第i号其他辅助系统的停机NC代码。
[0170] 验证实验的NC代码生成规则为：
[0171] i取值从1到NAu，依次生成以下代码：
[0172]
[0173] 在上述代码之后，添加下列代码：
[0174]
[0175] 之后，再添加由以下规则生成的代码：
[0176] i取值从1到NAu，依次生成以下代码：
[0177]
[0178] 依据上述NC代码生成规则生成的具体NC代码，可参考如下表7-8所示：
[0179] 表7NC代码预览一
[0180]
[0181] 表8NC代码预览二
[0182]
[0183]
[0184] 步骤4：在现场测试模块中设置功率传感器参数，并将测试实验的NC代码与验证实验的NC代码录入待测机床的数控系统中；功率传感器参数如表9所示：
[0185] 表9功率传感器信息
[0186]
[0187] 现场测试管理模块还用于根据测试参数生成包括以下步骤的现场测试步骤说明：
[0188] 步骤X.1：在数控机床的电源输入端安装功率传感器，功率传感器的安装位置如图2所示，并且功率传感器的数据输出端通过转换
接口与现场测试管理模块的数据输入端连接；
[0189] 步骤X.2：启动数控机床总电源，持续运行to时长；
[0190] 步骤X.3：关闭数控机床总电源，等待td时长；
[0191] 步骤X.4：启动数控机床总电源，持续运行to时长；
[0192] 步骤X.5：启动机床数控系统，等待初始化；
[0193] 步骤X.6：数控系统完成初始化后，持续运行to时长；
[0194] 步骤X.7：关闭数控系统，等待td时长；
[0195] 步骤X.8：启动机床数控系统，等待初始化；
[0196] 步骤X.9：将NC代码生成模块生成的NC代码录入数控系统中；
[0197] 步骤X.10：数控系统运行用于在测试实验中控制主轴系统运行的NC代码；
[0198] 步骤X.11：调节数控机床操作面板的倍率旋钮，将倍率设置为50％，数控系统运行用于在测试实验中控制进给轴系统运行的NC代码；
[0199] 步骤X.12：调节数控机床操作面板的倍率旋钮，将倍率设置为100％，数控系统运行用于在测试实验中控制进给轴系统运行的NC代码；
[0200] 步骤X.13：数控系统运行用于在测试实验中控制自动换刀系统运行的NC代码；
[0201] 步骤X.14：数控系统运行用于在测试实验中控制由机床控制的其他辅助系统的NC代码；
[0202] 步骤X.15：数控系统运行用于验证实验的NC代码；
[0203] 步骤X.16：关闭机床数控系统，关闭机床电源。
[0204] 步骤5：数控机床运行测试实验的NC代码并控制待测数控机床按照测试实验的NC代码进行运行，同时通过安装在待测数控机床上的功率传感器采集测试过程中待测数控机床中各能耗子系统在测试实验中的功率数据信息，现场测试管理模块根据功率传感器采集到的功率数据信息生成各能耗子系统在测试实验中的功率集合；
[0205] 测试实验功率集合包括：数控机床在电源开启过程的输入功率集合DSP、数控机床在数控系统运行过程的输入功率集合DSC、数控机床在第i(1≤i≤NAu)个辅助系统运行过程的输入功率集合DAu-i、数控机床在第i(1≤i≤2Ntr)个主轴转速启动过程的输入功率集合DPS-i、数控机床在第i(1≤i≤2Ntr)个主轴转速空运行过程的输入功率集合DUS-i、数控机床在进给轴I(I∈[X,Y,Z])在以第i(1≤i≤Ntr)个快进快退距离快进快退过程的输入功率集合DI-PF-i、数控机床在进给轴I(I∈[X,Y,Z])在以第i(1≤i≤Ntr)个切削进给速度切削进给过程的输入功率集合DI-UF-i以及数控机床在换刀系统换第nt(1≤nt≤Nt)个个刀位的刀具过程的输入功率集合
[0206] 步骤6：数控机床运行验证实验的NC代码并控制待测数控机床按照验证实验的NC代码进行运行，同时通过安装在待测数控机床上的功率传感器采集验证实验过程中待测数控机床中各能耗子系统在测试实验中的功率数据信息，现场测试管理模块根据功率传感器采集到的功率数据信息生成各能耗子系统在验证实验中的功率集合；
[0207] 验证实验功率集合包括：数控机床在数控系统运行过程的输入功率集合DSC-V、数控机床在辅助系统全部运行过程的输入功率集合DAu-V、数控机床在主轴系统按指定转速nS-V启动的输入功率集合DPS-V、数控机床在主轴系统按指定转速nS-V空运行过程的输入功率集合DUS-V、数控机床在进给轴I(I∈[X,Y,Z])在以指定快进快退距离dI-V快进快退过程的输入功率集合DI-PF-V、数控机床在进给轴I(I∈[X,Y,Z])在以指定切削进给速度cvI-V切削进给过程的输入功率集合DI-UF-V以及数控机床在自动换刀系统按指定刀位nt-V换刀运行的输入功率集合DPT-V。
[0208] 步骤7：数据分析模块根据步骤5中的测试实验各功率集合建立各能耗子系统固有能效要素函数；本发明提供了两种函数建模方法：一)离散建模法；二)离散建模法结合自适应拟合建模法；下面分别对这两种函数建模方法进行说明。
[0209] 一)离散建模法
[0210] 数据分析模块中采用离散建模法建立数控机床各能耗子系统的固有能效要素离散函数，以固有能效要素离散函数作为固有能效要素函数，包括以下步骤：
[0211] 步骤2.1：为各个功率集合计算功率均值 运行时长tD与集合能耗ED，按照如下通式：
[0212]
[0213]
[0214]
[0215] 其中，D表示功率集合，Pk表示功率集合D中的第k个元素，ND表示功率集合D的元素个数，fs表示功率传感器的
采样频率；
[0216] 步骤2.2：分别建立数控机床以下能耗子系统的固有能效要素离散函数：
[0217] 数控机床电源开启过程涉及的耗能子系统的功耗PSP：
[0218]
[0219] 其中， 表示数控机床在电源开启过程的功率集合DSP的功率均值。
[0220] 数控机床控制系统的功耗PCs：
[0221]
[0222] 其中， 表示数控机床在数控系统运行过程的功率集合DSC的功率均值。
[0223] 数控机床辅助系统的功耗PAu-i：
[0224]
[0225] 其中， 表示数控机床在第i(1≤i≤NAu)个辅助系统运行过程的功率集合DAu-i的功率均值。
[0226] 数控机床的主轴系统启动过程的启动时长和启动能耗的离散函数CS-PS：
[0227]
[0228] 其中，n表示主轴转速，为自变量；tS-PS和ES-PS均为因变量，分别为主轴系统启动时长和主轴系统启动能耗；tS-PS[i]为数控机床在第i(1≤i≤2Ntr)个主轴转速启动过程的功率集合DPS-i的运行时长；ES-PS[i]的计算公式如下所示：
[0229]
[0230] 其中，Ein-PS[i]为数控机床在第i(1≤i≤2Ntr)个主轴转速启动过程的功率集合DPS-i的集合能耗。
[0231] 数控机床的主轴系统空运行过程的空载功率离散函数CS-US：
[0232]
[0233] 其中，n表示主轴转速，为自变量；PS-US表示主轴系统空运行过程的功率函数，为因变量；PS-US[i]的计算功率公式如下所示：
[0234]
[0235] 其中， 为数控机床在第i(1≤i≤2Ntr)个主轴转速空运行过程的功率集合DUS-i的均值功率。
[0236] 数控机床进给轴系统快进快退运行过程的快进快退时长和快进快退能耗的离散函数CI-PF(下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴)：
[0237]
[0238] 其中，dI-tr表示快进快退距离，为自变量；tI-PF、EI-PF均为因变量，tI-PF表示快进快退时长，EI-PF表示快进快退能耗；tI-PF[i]为进给轴I(I∈[X,Y,Z])在以第i(1≤i≤Ntr)个快进快退距离快进快退过程的功率集合DI-PF-i的运行时长；EI-FF[i]的计算公式如下：
[0239]
[0240] 式中，Ein-I-PF[i]为进给轴I(I∈[X,Y,Z])在以第i(1≤i≤Ntr)个快进快退距离快进快退过程的功率集合DI-PF-i的集合能耗。
[0241] 数控机床进给轴系统切削进给运行过程的进给功率函数的离散函数CI-UF(下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴)：
[0242]
[0243] 其中，cvI-tr表示I轴切削进给速度，为自变量；PI-UF表示I轴切削进给功率，为因变量；PI-UF[i]的计算公式如下：
[0244]
[0245] 式中， 为数控机床在进给轴I(I∈[X,Y,Z])以第i(1≤i≤Ntr)个切削进给速度切削进给过程的功率集合DI-UF-i的均值功率。
[0246] 数控机床换刀系统在换刀运行过程的换刀时长和换刀能耗的离散函数CPT：
[0247]
[0248] 其中，nt表示换刀刀位，为自变量；tPT、EPT均为因变量，tPT表示换刀时长，EPT表示换刀系统的换刀能耗；tPT[nt]为自动换刀系统换第nt(1≤nt≤Nt)个刀位的刀具过程的功率集合 的运行时长；EPT[nt]的计算公式如下：
[0249]
[0250] 式中，Ein-PT[nt]为自动换刀系统换第nt(1≤nt≤Nt)个刀位的刀具过程的功率集合的集合能耗。
[0251] 通过固有能效要素离散函数可以转化为表格形式，便于对固有能效要素进行计算和查询，例如针对本具体实施方式中的立式数控铣削中心XK714D的主轴系统启动过程与空运行过程的固有能效要素离散函数CS-PS，转化为如下表10：
[0252] 表10数控机床主轴系统启动过程的固有能效要素离散函数CS-PS
[0253]
[0254] 通过该表格，可以直接查询到运行条件为转速250r/min、300r/min、350r/min……7500r/min，主轴启动过程的固有能效要素启动时长tS-PS与启动能耗ES-PS；如转速250r/min的运行条件下，主轴启动过程的启动时长为0.75s，主轴启动过程的启动能耗为307J。若需计算主轴系统在尚未测试转速nun启动过程的固有能效要素时，首先在已测试转速中寻找与nun最相近的两个转速n+1和n-1；然后，将0.5(ES-PS(n+1)+ES-PS(n+1))近似为未知转速nun对应的启动能耗，将0.5(tS-PS(n+1)+tS-PS(n+1))近似为未知转速nun对应的启动时长。
[0255] 二)离散建模法结合自适应拟合建模法
[0256] 数据分析模块在离散建模的基础上再采用自适应拟合建模法来建立数控机床各能耗子系统的固有能效要素函数，包括以下步骤：
[0257] 步骤2.3：将离散建模法建立的数控机床各个能耗子系统的固有能效要素离散函数视为用于拟合的数据集；将该数据集拆分为训练集和测试集；可将固有能效要素离散函数中70％的离散数据作为训练集，其余作为测试集；
[0258] 步骤2.4：根据训练集采用最小二乘法分别拟合出一次拟合函数与二次拟合函数；一次拟合函数与二次拟合函数的通式如下：
[0259]
[0260] 步骤2.5：利用测试集，按照误差函数分别计算一次拟合函数与二次拟合函数的误差；误差函数如下：
[0261]
[0262] 步骤2.6：若一次拟合函数的误差E(ωq＝1)小于二次拟合函数的误差E(ωq＝2)，则选择一次拟合函数作为固有能效要素函数；否则，选用二次拟合函数作为固有能效要素函数。
[0263] 对于本
实施例的立式数控铣削中心XK714D，采用自适应拟合建模法得到的数控机床能耗子系统的固有能效要素函数如下：
[0264] 数控机床主轴系统：以主轴转速n为自变量的启动时长拟合函数tS-PS(n)、启动能耗拟合函数ES-PS(n)和空运行功率拟合函数PS-US(n)；
[0265]
[0266]
[0267]
[0268] 数控机床进给轴系统：数控机床X轴、Y轴与Z轴以快进快退距离dI为自变量的快进快退时长拟合函数tI-PF(dI)、快进快退能耗拟合函数EI-PF(dI)；下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴。
[0269] 倍率为100％时的测试实验拟合结果如下所示：分别为X轴快进快退能耗拟合函数EX-PF(dX)和快进快退时长拟合函数tX-PF(dX)、Y轴快进快退能耗拟合函数EY-PF(dY)和快进快退时长拟合函数tY-PF(dY)、Z轴快进快退能耗拟合函数EZ-PF(dZ)和快进快退时长拟合函数tZ-PF(dZ)。
[0270]
[0271]
[0272]
[0273]
[0274]
[0275]
[0276] 倍率为50％时的测试实验拟合结果如下所示：分别为X轴快进快退能耗拟合函数EX-PF(dX)和快进快退时长拟合函数tX-PF(dX)、Y轴快进快退能耗拟合函数EY-PF(dY)和快进快退时长拟合函数tY-PF(dY)、Z轴快进快退能耗拟合函数EZ-PF(dZ)和快进快退时长拟合函数tZ-PF(dZ)。
[0277]
[0278]
[0279]
[0280]
[0281]
[0282]
[0283] 数控机床进给轴系统：以切削进给速度cvI为自变量的切削进给功率拟合函数PI-UF(cvI)；其中，下标I∈[X,Y,Z]，X、Y、Z分别表示机床的X轴、Y轴与Z轴。
[0284]
[0285]
[0286]
[0287] 数控机床自动换刀系统：以换刀到位数据nt为自变量的换刀时长拟合函数tPT(nt)、换刀能耗拟合函数EPT(nt)。
[0288]
[0289]
[0290] 步骤8：数据分析模块根据步骤7中各能耗子系统固有能效要素函数，建立数控机床在各个运行阶段的固有能效要素函数；
[0291] 数控机床在待机阶段的功率函数Pin-S(sCs)：
[0292] Pin-S(sCs)＝250+sCs270；
[0293] 数控机床在辅助系统开启阶段的功率函数Pin-PA(scf,sct)：
[0294] Pin-PA(scf,sct)＝530+220scf+170sct；
[0295] 其中，scf表示切削液系统的状态，scf＝0表示切削液系统处于关闭状态，scf＝1表示切削液系统处于开启状态；sct表示切屑运输系统的状态，sct＝0表示切屑运输系统处于关闭状态，sct＝1表示切屑运输系统处于开启状态；此外，压缩空气系统的开启与关闭并未带来明显的功率消耗，在此省略不计。
[0296] 数控机床在主轴系统启动阶段的能耗函数Ein-PS(n,scf,sct)：
[0297] Ein-PS(n,scf,sct)＝(530+220scf+170sct)tS-PS(n)+ES-PS(n)；
[0298] 数控机床在快进快退阶段的能耗函数Ein-PF(dI,scf,sct)：
[0299] Ein-PF(dI,scf,sct)＝(530+220scf+170sct)∑tI-PF(dI)+∑EI-PF(dI)；
[0300] 数控机床在换刀阶段的能耗函数Ein-PT(nt,scf,sct)：
[0301] Ein-PT(nt,scf,sct)＝(530+220scf+170sct)tPT(nt)+EPT(nt)；
[0302] 数控机床空载阶段的功率函数Pin-U(n,cvI,scf,sct)：
[0303] Pin-U(n,cvI,scf,sct)＝530+220scf+170sct+PS-US(n)+∑PI-UF(cvI)
[0304] 步骤9：通过有效性验证模块对数据分析模块生成的数控机床固有能效要素函数进行有效性验证，若固有能效要素函数通过有效性验证，则进入步骤B10；若固有能效要素函数未通过有效性验证，则重复一次步骤B1到步骤B9，若仍然未能通过函数有效性验证，则联系技术人员，以排除问题。
[0305] 在有效性验证过程中数据分析模块按照步骤2.1中的通式计算可得固有能效要素验证值，其中包括数控系统运行阶段的验证功率 辅助系统全部运行阶段的验证功率 主轴系统启动阶段的验证能耗Ein-PS-V、主轴系统空运行阶段的验证功率进给轴I(I∈[X,Y,Z])快进快退阶段的验证能耗Ein-I-PF-V、进给轴I(I∈[X,Y,Z])切削进给阶段的验证功率 以及自动换刀系统换刀阶段的验证能耗Ein-PT-V；
[0306] 其中， 为验证实验中功率集合DSC-V的功率均值； 为验证实验中功率集合DAu-V的功率均值；Ein-PS-V为验证实验中功率集合DPS-V的集合能耗； 为验证实验中功率集合DUS-V的功率均值；Ein-I-PF-V为验证实验中功率集合DI-PF-V的集合能耗(I∈[X,Y,Z])； 为验证实验中功率集合DI-UF-V的功率均值(I∈[X,Y,Z])；Ein-PT-V为验证实验中功率集合DPT-V的集合能耗。
[0307] 数据分析模块根据验证实验运行条件和数控机床固有能效要素函数计算得到验证实验条件下的固有能效要素预测值，包括数控系统运行阶段的预测功率Pin-S(sCs＝1)、辅助系统全部运行阶段的预测功率Pin-PA(sAu-i＝1)、主轴系统启动阶段的预测能耗Ein-PS(n＝nV,sAu-i＝1)、主轴系统空运行阶段的预测功率Pin-U(n＝nV,cvI＝0,sAu-i＝1)、进给轴I(I∈[X,Y,Z])快进快退阶段的预测能耗Ein-PF(dI＝dI-V,sAu-i＝1)、进给轴I(I∈[X,Y,Z])切削进给阶段的预测功率Pin-U(n＝0,cvI＝cvI-V,sAu-i＝1)以及自动换刀系统换刀阶段的预测能耗Ein-PT(nt＝nt-V,sAu-i＝1)。
[0308] 采用相对误差值的方式验证所检测的数控机床固有能效要素在待机运行过程、辅助系统运行过程、主轴系统在指定转速下的启动过程、主轴系统在指定转速下的空运行过程、进给轴系统在指定快进快退过程、进给轴系统在指定切削进给过程以及自动换刀系统在指定换刀过程的有效性。若相对误差在5％以内，则可视为通过。本具体实施方式的验证结果如下表：
[0309] 表10验证数据表
[0310]
[0311] 从表10可知，相对误差均小于5％，本具体实施方式的固有能效要素函数(离散建模法结合自适应拟合建模法)通过了有效性验证，因此，可将该通过了有效性验证的固有能效要素函数用于计算在指定运行条件下的固有能效要素，即可进入步骤10。
[0312] 步骤10：根据数控机床在各个运行过程的固有能效要素函数与数控机床运行条件，计算得到数控机床各个运行过程的固有能效要素。
[0313] 根据各能耗子系统在测试实验中的固有能效要素函数与各能耗子系统在测试实验中的运行条件，计算得到各能耗子系统在不同运行条件下的不同运行过程中的固有能效要素，从而获得待测数控机床的固有能效要素。运行条件由运行参数构成，包括以下运行参数：数控系统运行状态sCs、主轴转速n、各进给轴快进快退距离dI、各进给轴切削进给速度cvI、换刀刀位nt、各个辅助系统运行状态sAu-i。
