[发明专利]一种获取机床主轴系统功率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造、电机与驱动等领域，尤其涉及一种针对机床主轴功率计算方法。

背景技术

从1992年《联合国气候变化框架公约》到2005年《京都议定书》，碳排放、碳关税、碳交易等正在逐渐成为国际贸易中新的贸易壁垒。欧盟的“20/20/20by 2020”原则、德国的“能量观点2050”都提出了明确的节能减排目标；美国出台《限量及交易法案》和《清洁能源安全法案》对未达到美国碳排放标准的排放密集型产品征收高额惩罚性关税；ISO14955标准专门针对机床环境影响评价指定，重点关注机床能耗，使机床能耗指标成为了机床的市场准入门槛，目前已发布两部分，其余部分正在制定中；欧盟能效指令 2011/65/EU规定所有在欧洲销售的电子产品必须达到节能要求，机床产品在该指令目录中位列第三。由此可见对机床的能耗进行准确的预测意义重大。

中国作为全球最大的机床生产和消费国，机床保有量巨大，而众多研究表明，机床的能效低于30％，节能潜力巨大。机床耗能主要为电能，根据机床结构，机床的能耗主要由机床冷却和润滑等的液压泵站、机床主轴系统、进给系统、切削过程、照明和空调系统分担，其中液压泵站、照明和空调系统的能耗对给定机床可认为是恒定值，占机床总能耗比例最大，其次为机床主轴系统。但主轴系统自身结构复杂，能耗特性影响因素众多，所以对其建模和理论计算较为复杂，目前常见的方法为直接利用转速实测然后通过数据拟合得到主轴转速和主轴功率之间的关系，但这仅对于现有的机床适用，在机床设计阶段无法通过此方法来预测机床能耗是否满足相关标准要求，也无法针对性的对机床能耗进行改进。

专利CN102179727B公开了一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线检测方法，专利CN102637014B公开了一种数控机床加工过程机电主传动系统能量效率获取方法，专利 CN102744649B公开了一种数控车床主传动系统非切削能耗获取方法，专利CN103921173A 公开了一种变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，专利CN104020721A公开了一种数控机床主轴旋转加速功率能耗的获取和节能控制方法，但这些发明中的方法都是针对现有机床建立，且对于机床具体的结构参数等反应较少，对设计阶段或者需要进行节能改进的机床研究参考意义有限，同时这些发明也表明了对机床主轴系统能耗进行研究的重要意义。

综上所述，现有技术不能充分满足在设计阶段对机床能耗进行预测和机床节能设计及节能改造的要求，所以建立与机床设计参数相关，方便机床节能设计和节能改造的主轴能耗模型是降低机床环境影响过程中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有获得主轴系统功率的方法不能满足在设计阶段对机床能耗进行预测和机床节能设计及节能改造的要求的问题，本发明提供一种获取机床主轴系统功率的方法。

本发明的一种获取机床主轴系统功率的方法，所述方法包括：

步骤一：将主轴系统分为主轴电机驱动系统、主轴机械传动系统和末端执行机构；

步骤二：对机床主轴系统功率流进行分析，获得主轴系统功率P_SR为：

P_SR＝P_sd-loss+P_sm-loss+P_sm-out公式一；

式中，P_sd-loss为主轴电机驱动系统的功率损耗，P_sm-loss为主轴电机自身的功率损耗， P_sm-out为主轴电机的输出功率，P_sm-out等于主轴机械传动系统的功率P_spin-mec。

所述主轴机械传动系统的功率P_spin-mec的获取方法为：

将主轴电机输出轴作为主轴机械传动系统的等效构件，将主轴机械传动系统的摩擦力作为主动阻力或驱动力，由于P_spin-mec＝P_sm-out，所述主轴机械传动系统的功率P_spin-mec为：

P_spin-mec(t)＝J_spin-eω(t_end)α(t_end)-J_spin-eω(t_start)α(t_start)+T_spin-ef(ω)ω(t)+P_MR(t) 公式二