(高清版)GBT 40735-2021 数控机床固有能量效率的评价方法

数控机床固有能量效率的评价方法发布国家标准化管理委员会前言 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4评价方法 4.1概述 4.2评价指标 24.3评价指标的获取 3附录A(资料性附录)机床固有能量效率评价应用示例 参考文献 I本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国金属切削机床标准化技术委员会(SAC/TC22)归口。本标准起草单位：重庆大学、国家机床质量监督检验中心、重庆工商大学、中机生产力促进中心、重庆机床(集团)有限责任公司、东方电气集团科学技术研究院有限公司、西南大学、杭州电子科技大学。本标准主要起草人：李聪波、黄祖广、廣军波、刘培基、李艳波、刘飞、曾令万、李晋航、陈行政、1数控机床固有能量效率的评价方法本标准规定了数控机床固有能量效率的评价方法。本标准适用于数控金属切削机床(以下简称机床)固有能量效率的评价。主轴不可变速机床可参照使用。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T4863—2008机械制造工艺基本术语GB/T6477—2008金属切削机床术语3术语和定义GB/T4863—2008和GB/T6477—2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。机床固有能量效率inherentenergyefficiencyofmachinetools机床自身所固有的影响机床能量消耗参数的总称，由机床主机及其辅机在待机、主轴空运转、进给空运转情形下的总功率来表达。机床总电源开启，除主轴、进给系统外，所有用于支持加工的其他系统均运行的状态。注：改写ISO14955.3—2020,定义4.5。主轴空运转spindlerotatingwithnoload机床待机状态下开启主轴系统，主轴系统处于无负载运行的状态。进给空运转feedingwithnoload机床待机状态下开启进给系统，进给系统处于无负载运行的状态。待机功率standbypower机床处于待机的输入功率。主轴空运转功率spindleidlingpower机床处于主轴空运转的输入功率。2进给空运转功率feedingpowerwithnoload机床处于进给空运转的输入功率。4评价方法机床固有能量效率评价指标包括待机功率、主轴空运转功率、进给空运转功率、当量主轴空运转功P=fn(n) (1)fu(n)——机床主轴空运转功率与主轴转速的拟合函数。进给空运转功率宜用符号“P”表示，它与进给速度相关，可用公式(2)表示：P(=fi(vi) P;——进给空运转功率；v;——进给速度；fi(vi)——机床进给空运转功率与进给速度的拟合函数。根据机床各主轴转速的使用概率，将机床各主轴转速下的主轴空运转功率进行加权平均而获得的式中：EP。——当量主轴空运转功率；C(n)——主轴转速n的使用概率；P(n)——主轴转速n下的主轴空运转功率。根据机床各进给速度的使用概率，将机床不同进给速度下的进给空运转功率进行加权平均而获得3EP₁=ZC(v)P₁(v;)…………(4)式中：EP(——当量进给空运转功率；C(vr)——进给速度v;的使用概率；P₁(vi)——进给速度v;下的进给空运转功率。4.3评价指标的获取机床固有能量效率评价指标的获取流程如图1,包括测量、数据拟合和计算。步骤1:测量步骤1:测量步骤2:数据拟合步骤3;计算1)按公式(3)计算当量主轴空运转功率；2)按公式(4)计算当量进给空运转功率。图1评价指标获取流程测量过程宜遵循以下要求：a)测量频率为2Hz～50Hz,宜取20Hz;b)功率测量仪器的精度宜满足士(0.2%×显示值+0.2%×量程);c)测量环境一般为常温、常压，对环境温度有特殊要求的机床，应按其实际工作环境进行测量；d)功率测量仪器接入机床总电源开关处，接线方式如图2所示。图2功率测量仪器接线方式4依次开启机床总电源以及各辅机系统，直至待机状态并稳定运行3min以上。单次待机功率值宜取待机稳定后的功率值。待机功率宜测量3次以上，各次待机功率值的平均值记为评价指标中的待机功率值。应用示例参见附录A。待机状态下开启机床主轴系统，并稳定运行3min以上。单次主轴空运转功率宜取主轴空运转稳定运行后的功率值。每级主轴转速宜测量3次以上，且各次主轴空运转功率值的平均值记为该主轴转速下的主轴空运转功率。待测无级变速的主轴转速可等间隔选取，包括主轴最小转速和最大转速，相邻主轴转速的间隔宜不高于最大转速与最小转速之差的1/4在内的各个主轴转速。应用示例参见附录A。有级变速的主轴，则宜每级转速均按上述方法进行测量。待机状态下开启机床进给系统，并在其行程范围内进行直线运动，运行时长可为进给行程与最快工作进给速度的比值。单次进给空运转功率宜取进给平稳后的功率值。每个进给速度宜测量3次以上，且各次进给空运转功率值的平均值记为该进给速度下的进给空运转功率。待测进给速度可等间隔选取包括最快进给速度在内的各种进给速度，相邻进给速度的间隔宜不高于最快工作进给的1/8。应用示例参见附录A。可选用最小二乘法进行直线拟合，对4.3.2.3中的主轴空运转功率与主轴转速关系进行数据拟合。应用示例参见附录A。有级变速的主轴则每级转速需按上述方法分别进行拟合。可选用最小二乘法直线拟合方法，以零到最快进给速度为拟合区间，对4.3.2.4中测量的进给空运转功率与进给速度可进行数据拟合。应用示例参见附录A。当量主轴空运转功率计算如下：a)将机床生产厂家提供的N个推荐转速作为主轴转速代表，1/N作为各主轴转速代表使用概率；或获取机床最小主轴转速nmin和最大主轴转速nx,按表1计算机床主轴转速代表及其使用概率；或根据机床实际使用情况统计获取主轴转速代表及其使用概率。表1主轴转速代表及其使用概率主轴转速代表/(r/min)主轴转速代表使用概率0.120.230.300.230.125b)将各主轴转速代表代入公式(1),得到各主轴转速代表下的空运转功率。再将它们和各主轴转速代表使用概率代入公式(3),得到当量空运转功率。应用示例参见附录A。当量进给空运转功率计算如下：a)获取机床最快进给速度vmx,按表2计算机床进给速度代表及其使用概率；或根据机床实际使用情况统计获取机床进给速度代表及其使用概率。b)将各进给速度代表代入公式(2),得到各进给速度代表对应的机床进给空运转功率；再将它们和各进给速度代表使用概率代入公式(4),得到当量进给空运转功率。应用示例参见附录A。表2进给速度代表及其使用概率进给速度代表/(mm/min)进给速度代表使用概率0.120.230.300.230.126(资料性附录)机床固有能量效率评价应用示例A.1概述选取两台数控滚齿机作为应用示例，对其固有能量效率进行评价。两台数控滚齿机的主要规格参数如下：a)滚齿机A主轴转速范围120r/min～540Z轴最大行程170mm;b)滚齿机B主轴转速范围150r/min～1000Z轴最大行程285mm。r/min,Z轴进给速度范围0mm/min～660r/min,Z轴进给速度范围0mm/min～1000mm/min,mm/min,采用的功率测量仪器主要参数如下：a)功率量程6W～2.25MW;b)测量精度士(0.05%×显示值+0.05%×量程);c)数据测量频率20Hz。测量环境为常温、常压，功率测量仪器接线方式按4.3.2.1执行。A.2测量A.2.1待机功率测量按4.3.2.2方法，进行滚齿机A和滚齿机B的待机功率测量；测量次数为5次，每次待机稳定运行时间均为4min,各次待机功率及平均功率值如表A.1所示。表A.1机床待机功率测量顺序滚齿机B待机功率Psh/W平均值根据表A.1,滚齿机A的待机能效性能更好。A.2.2主轴空运转功率测量按4.3.2.3方法，进行滚齿机A和滚齿机B的主轴空运转功率测量。等间隔选取主轴转速时，小数按照四舍五入法取整，选取的结果如表A.2所示。每个主轴转速测量次数为5次，每次主轴稳定运行时间为4min,每个主轴转速的主轴空运转功率取均值，结果如表A.2所示。7滚齿主轴转速n/(r/min)435488主轴空运转功率Pu/W2836450361436721 滚齿主轴转速n/(r/min)405490主轴空运转功率Pu/W42854467457846984951A.2.3进给空运转功率测量按4.3.2.4方法，进行滚齿机A和滚齿机B的Z轴进给空运转功率测量。等间隔选取Z轴进给速度，选取结果如表A.3所示。每个Z轴进给速度测量次数为5次，每次运行时间为Z轴进给行程与最大进给速度的比值，即滚齿机A每次运行时长为15s,滚齿机B每次运行时长为17s。每个Z轴进给速度下进给空运转功率取均值，结果如表A.3所示。滚齿进给速度vr/(mm/min)进给空运转功率P;(vr)/W滚齿进给速度vr/(mm/min)进给空运转功率A.3数据拟合A.3.1主轴空运转功率拟合按4.3.3.1的要求，采用最小二乘法，对数控滚齿机A和滚齿机B的主轴空运转功率进行直线拟合，结果分别见公式(A.1)和公式(A.2),拟合直线见图A.1。PuA=10.5n+1581.5…………(A.1)Pu.B=2.1n+3046…………(A.2)8主轴转速/(r/min)根据公式(A.1)和公式(A.2),两台数控滚齿机的空运转功率交点为(174.35,3412.12),取整为174r/min;在主轴转速低于174r/min的主轴转速区间范围内，滚齿机A的主轴空运转能效性能更好；在主轴转速高于174r/min的主轴转速区间范围内，滚齿机B的主轴空运转能效性能更好。A.3.2进给空运转功率拟合按4.3.3.2的要求，采用最小二乘法，对滚齿机A和滚齿机B的进给空运转功率进行直线拟合，结果分别见公式(A.3)和公式(A.4)。PtA=0.35v;+2080.9…………(A.3)进给速度/(mm/min)图A.2滚齿机A和滚齿机B的Z轴空运转功率拟合曲线根据公式(A.3)和公式(A.4),滚齿机A的Z轴进给空运转能效性能更好。A.4计算A.4.1当量主轴空运转功率按4.3.4.1的方法获取机床主轴转速代表及其使用概率，结果如表A.4和表A.5所示。9表A.4滚齿机A主轴转速代表及其使用概率推荐转速/(r/min)主轴转速代表/(r/min)使用概率表A.5滚齿机B主轴转速代表及其使用概率推荐转速/(r/min)主轴转速代表/(r/min)使用概率400400将表A.4的主轴转速代表代入公式(A.1),得到滚齿机A在各主轴转速代表下的空运转功率，如表A.6所示。将表A.5的主轴转速代表代入公式(A.2),得到滚齿机B在各主轴转速代表下的空运转表A.6主轴转速代表下的空运转功率主轴转速代表/(r/min)空运转功率/W主轴转速代表/(r/min)空运转功率/W将表A.6的主轴转速代表及空运转功率代入公式(3),得到滚齿机A和滚齿机B的当量空运转功率，如公式(A.5)和公式(A.6)所示。根据公式(A.5)和公式(A.6),滚齿机B的综合空运转能效性能更好。A.4.2当量进给空运转功率按4.3.4.2的方法，将滚齿机A的Z轴最大进给速度660mm/min代入表2,得到滚齿机A的Z轴进给速度代表及其使用概率，如表A.7所示；将滚齿机B的Z轴最大进给速度1000mm/min代入表2,得滚齿机B的Z轴进给速度代表及其使用概率，如表A.8所示。表A.7滚齿机A的Z轴进给速度代表及其使用概率进给速度代表/(mm/min)462进给速度代表使用概率0.120.230.300.230.12GB/T40735—2021表A.8滚齿机B的Z轴