本發(fā)明涉及機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是對(duì)機(jī)床整個(gè)使用階段的能量效率進(jìn)行預(yù)先評(píng)估的方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，提升制造系統(tǒng)能量效率已成為各國(guó)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略；同時(shí)，受壓于日益增加的能源價(jià)格和環(huán)境政策，制造商迫切需要提升制造系統(tǒng)的能量效率。考慮到機(jī)床為制造系統(tǒng)的能耗主體且節(jié)能潛力很大，制造商很有必要在組建制造系統(tǒng)階段采購(gòu)合適的機(jī)床，使得機(jī)床在未來(lái)整個(gè)使用階段的能量效率盡可能的高。

在組建制造系統(tǒng)階段采購(gòu)機(jī)床，是一項(xiàng)多目標(biāo)決策問(wèn)題，需要綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的揉性、效率、質(zhì)量、效益、維修等多個(gè)目標(biāo)。針對(duì)該多目標(biāo)決策問(wèn)題，現(xiàn)有學(xué)者已建立了模糊多目標(biāo)決策法、模糊層次分析法、模糊網(wǎng)絡(luò)分析法和多目標(biāo)集體決策法等多種解決方案；但現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)選擇高能效機(jī)床的研究還不夠。如wu在論文《agroupdecisionmakingframeworkbasedonfuzzyvikorapproachformachinetoolselectionwithlinguisticinformation》中將機(jī)床額定功率作為機(jī)床選擇時(shí)的6個(gè)目標(biāo)之一，但是額定功率同時(shí)反映了機(jī)床加工能力和能量消耗這兩個(gè)相互沖突的目標(biāo)；nguyen在論文《ahybridapproachforfuzzymulti-attributedecisionmakinginmachinetoolselectionwithconsiderationoftheinteractionsofattributes》將“使用更少的能量”作為機(jī)床選擇的目標(biāo)之一，但并沒(méi)有指出如何根據(jù)額定功率、待機(jī)功率等基礎(chǔ)能耗參數(shù)評(píng)估各候選機(jī)床的能量效率表現(xiàn)情況的方法。

對(duì)于機(jī)床能量效率的評(píng)估方法，可分為參考工件法、參考工藝法、比能法和組件定標(biāo)法四種。schudeleit在論文《methodsforevaluationofenergyefficiencyofmachinetools》中對(duì)上述四種方法進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：參考工藝法最適合用于測(cè)試機(jī)床的能量效率，組件定標(biāo)法最適合用于設(shè)計(jì)高能效機(jī)床，比能法最適合用于比較各機(jī)床的能量效率表現(xiàn)，而參考樣件法的測(cè)試過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單。盡管上述4中方法有很多優(yōu)點(diǎn)，但是這4種方法都忽略了一個(gè)事實(shí)，即機(jī)床的能量效率由機(jī)床自身的能量消耗特點(diǎn)和機(jī)床加工的工件任務(wù)兩者共同決定的。由于機(jī)床加工不同的加工任務(wù)時(shí)具有不同的能量效率，而不同的機(jī)床客戶具有的加工任務(wù)是不同的。因此，上述四種方法的評(píng)估結(jié)果難以反映機(jī)床在未來(lái)整個(gè)使用階段加工可能的加工任務(wù)(即機(jī)床客戶的加工任務(wù))時(shí)的能量效率表現(xiàn)情況，因而難以用于機(jī)床客戶采購(gòu)機(jī)床時(shí)的機(jī)床能效評(píng)估?，F(xiàn)有技術(shù)中的評(píng)估方法往往需要用到切削功率這一參數(shù)，這樣就需要在機(jī)床上安裝切削儀器，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且在某些機(jī)床如滾齒機(jī)上安裝切削儀器比較困難，難以實(shí)現(xiàn)。

綜述所述，現(xiàn)有的機(jī)床能效評(píng)估方法尚難以反映機(jī)床完成機(jī)床客戶的加工任務(wù)的能量效率表現(xiàn)情況，導(dǎo)致機(jī)床客戶在采購(gòu)機(jī)床時(shí)尚缺乏評(píng)估候選機(jī)床完成企業(yè)加工任務(wù)的能量效率表現(xiàn)情況的有效手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種機(jī)床面向機(jī)床整個(gè)使用階段的能量效率評(píng)選方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)機(jī)床整個(gè)使用階段的能量效率不能準(zhǔn)確評(píng)估的技術(shù)問(wèn)題，能夠客觀真實(shí)的反映機(jī)床在未來(lái)整個(gè)使用階段的能量效率，使得在進(jìn)行機(jī)床采購(gòu)時(shí)能夠方便快速的選擇出能量效率最高的機(jī)床。

為解決上述計(jì)算問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種面向機(jī)床整個(gè)使用階段能量效率最高的機(jī)床評(píng)選方法，包括以下步驟：

步驟1：建立預(yù)計(jì)加工工件集合wt：wt＝[w¹,...,w^l,...,w^l]；其中，l為預(yù)計(jì)加工工件種類總數(shù)，1≤l≤l；

步驟2：建立候選機(jī)床集合mt:mt＝[mt¹,...,mt^m,...,mt^m]；其中，m為候選機(jī)床種類總數(shù)，1≤m≤m；

步驟3：為候選機(jī)床集合mt中的每個(gè)候選機(jī)床建立固有能效特征矩陣，第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的固有能效特征矩陣其中，為候選機(jī)床mt^m的待機(jī)功率，為候選機(jī)床mt^m在主軸啟動(dòng)階段消耗的能量，為候選機(jī)床mt^m的空載功率，分別為候選機(jī)床mt^m的一次和二次載荷損耗系數(shù)；

步驟4：根據(jù)每個(gè)候選機(jī)床的固有能效特征矩陣，建立包含全部候選機(jī)床的固有能效特征關(guān)聯(lián)矩陣e：e＝[e¹...e^m...e^m]^t；

步驟5：為候選機(jī)床集合mt中的每個(gè)候選機(jī)床建立加工特征矩陣；

在候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工第l個(gè)預(yù)計(jì)加工工件w^l的前提條件下，其中，表示采用候選機(jī)床mt^m加工工件w^l可供選擇的工藝方案總數(shù)，第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的加工特征矩陣

其中，為加工工步總數(shù)；為待機(jī)時(shí)長(zhǎng)；

其中，表示第j個(gè)加工工步開(kāi)始前的主軸狀態(tài)，的取值為0或1；當(dāng)時(shí)，表示第j個(gè)加工工步開(kāi)始前的主軸處于停機(jī)狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，表示第j個(gè)加工工步開(kāi)始前的主軸處于空載狀態(tài)；

其中，表示第j個(gè)加工工步的主軸轉(zhuǎn)速；

其中，表示第j個(gè)加工工步的空切階段的空切時(shí)長(zhǎng)；

其中，表示第j個(gè)加工工步的切削階段的切削時(shí)長(zhǎng)；

其中，表示第j個(gè)加工工步的切削功率；

步驟6：為候選機(jī)床集合mt中的每個(gè)候選機(jī)床計(jì)算當(dāng)量參數(shù)；在候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工第l種預(yù)計(jì)加工工件w^l的前提條件下，第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的當(dāng)量參數(shù)為根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算；

其中，為表示采用第i套工藝方案的概率；x^l表示第l種預(yù)計(jì)加工工件的數(shù)量n^l與所有預(yù)計(jì)加工工件總數(shù)n^t的比值，即其中，

步驟7：根據(jù)步驟5以及步驟6計(jì)算的加工特征矩陣與當(dāng)量參數(shù)，為候選機(jī)床集合mt中的每個(gè)候選機(jī)床構(gòu)建當(dāng)量加工特征矩陣，第m個(gè)候選機(jī)床mt^m加工工件w^l的當(dāng)量加工特征矩陣為

步驟8：根據(jù)每個(gè)候選機(jī)床的當(dāng)量加工特征矩陣，分別建立每個(gè)候選機(jī)床加工預(yù)計(jì)加工工件集合wt中全部工件的當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣：第m個(gè)候選機(jī)床的當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣為

步驟9：計(jì)算每個(gè)候選機(jī)床在整個(gè)使用階段的能量效率，其中第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的能量效率按如下步驟計(jì)算：

步驟901：根據(jù)候選機(jī)床編號(hào)m選出對(duì)應(yīng)的當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣以及固有能效特征矩陣e^m；

步驟902：根據(jù)當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣以及固有能效特征矩陣e^m分別計(jì)算候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工工件w^l的比能以及有效切削能耗分別按如下公式：

步驟903：計(jì)算每個(gè)候選機(jī)床的能量效率，其中第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的能量效率的計(jì)算公式如下：

步驟10：采用以下數(shù)學(xué)模型計(jì)算出能量效率最高的候選機(jī)床所對(duì)應(yīng)的機(jī)編號(hào)o，1≤o≤m：

優(yōu)選的，當(dāng)候選機(jī)床的主軸電機(jī)性能相近時(shí)，可進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

固有能效特征矩陣e^m可簡(jiǎn)化為如下形式：

加工特征矩陣可簡(jiǎn)化為如下形式：

比能計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

優(yōu)選的，切削功率按如下公式計(jì)算：

其中，為候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工工件w^l時(shí)第j工步的切削速度；為候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工工件w^l時(shí)第j工步的切削力，可根據(jù)切削力理論公式直接計(jì)算獲取。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明對(duì)于能量效率的評(píng)估考慮到了與機(jī)床本身結(jié)構(gòu)與組件直接關(guān)聯(lián)的機(jī)床固有能效屬性因素(固有能效特征矩陣)，還同時(shí)考慮到與機(jī)床加工任務(wù)相關(guān)聯(lián)的變化性能效屬性因素(當(dāng)量加工特征矩陣)，使得本發(fā)明的能量效率評(píng)選方法更加客觀、真實(shí)、合理，符合實(shí)際需要。

2、考慮了機(jī)床客戶的各種加工任務(wù)需求，本發(fā)明的每個(gè)候選機(jī)床的能量效率能夠針對(duì)全部預(yù)計(jì)加工種類的工件，特別適合在不同生產(chǎn)階段生產(chǎn)多種不同類型產(chǎn)品的機(jī)床，能夠客觀真實(shí)反映機(jī)床在未來(lái)整個(gè)使用階段的能量效率。

3、本發(fā)明的評(píng)選方法所需要的各種參數(shù)十分容易獲取，固有能效特征矩陣中的參數(shù)能夠從機(jī)床廠家提供的信息獲取，當(dāng)量加工特征矩陣的參數(shù)能夠根據(jù)工件特征以及機(jī)床特性計(jì)算得到，無(wú)需安裝專門的儀器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，如切削儀，節(jié)約成本，方便快速。

4、本發(fā)明的評(píng)選方法，只需提供相關(guān)參數(shù)，就能夠快速的為機(jī)床客戶選擇出能量效率最高的機(jī)床，解決了機(jī)床客戶在采購(gòu)機(jī)床時(shí)能量效率評(píng)估困難、耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，能夠大大縮短采購(gòu)周期，具有廣闊的應(yīng)用前景。

具體實(shí)施方式

一種面向機(jī)床整個(gè)使用階段能量效率最高的機(jī)床評(píng)選方法，包括以下步驟：

步驟1：建立預(yù)計(jì)加工工件集合wt：wt＝[w¹,...,w^l,...,w^l]；其中，l為預(yù)計(jì)加工工件種類總數(shù)，1≤l≤l；

步驟2：建立候選機(jī)床集合mt:mt＝[mt¹,...,mt^m,...,mt^m]；其中，m為候選集成種類總數(shù)，1≤m≤m；

步驟3：為候選機(jī)床集合mt中的每個(gè)候選機(jī)床建立固有能效特征矩陣，第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的固有能效特征矩陣其中，為候選機(jī)床mt^m的待機(jī)功率，為候選機(jī)床mt^m在主軸啟動(dòng)階段消耗的能量，為候選機(jī)床mt^m的空載功率，分別為候選機(jī)床mt^m的一次和二次載荷損耗系數(shù)；

步驟4：根據(jù)每個(gè)候選機(jī)床的固有能效特征矩陣，建立包含全部候選機(jī)床的總能效固有特征矩陣e：e＝[e¹...e^m...e^m]^t；

步驟5：為候選機(jī)床集合mt中的每個(gè)候選機(jī)床建立加工特征矩陣；

在候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工第l個(gè)預(yù)計(jì)加工工件w^l的前提條件下，其中，表示采用候選機(jī)床mt^m加工工件w^l可供選擇的工藝方案總數(shù)，第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的加工特征矩陣

其中，為加工工步總數(shù)；為待機(jī)時(shí)長(zhǎng)；

其中，表示第j個(gè)加工工步開(kāi)始前的主軸狀態(tài)，的取值為0或1；當(dāng)時(shí)，表示第j個(gè)加工工步開(kāi)始前的主軸處于停機(jī)狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，表示第j個(gè)加工工步開(kāi)始前的主軸處于空載狀態(tài)；

其中，表示第j個(gè)加工工步的主軸轉(zhuǎn)速；

其中，表示第j個(gè)加工工步的空切階段的空切時(shí)長(zhǎng)；

其中，表示第j個(gè)加工工步的切削階段的切削時(shí)長(zhǎng)；

其中，表示第j個(gè)加工工步的切削功率；

步驟6：為候選機(jī)床集合mt中的每個(gè)候選機(jī)床計(jì)算當(dāng)量參數(shù)；在候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工第l種預(yù)計(jì)加工工件w^l的前提條件下，第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的當(dāng)量參數(shù)為根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算；

其中，為表示采用第i套工藝方案的概率；x^l表示第l種預(yù)計(jì)加工工件的數(shù)量n^l與所有預(yù)計(jì)加工工件總數(shù)n^t的比值，即其中，

步驟7：根據(jù)步驟5以及步驟6計(jì)算的加工特征矩陣與當(dāng)量參數(shù)，為候選機(jī)床集合mt中的每個(gè)候選機(jī)床構(gòu)建當(dāng)量加工特征矩陣，第m個(gè)候選機(jī)床mt^m加工工件w^l的當(dāng)量加工特征矩陣為

步驟8：根據(jù)每個(gè)候選機(jī)床的當(dāng)量加工特征矩陣，分別建立每個(gè)候選機(jī)床加工預(yù)計(jì)加工工件集合wt中全部工件的當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣：第m個(gè)候選機(jī)床的當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣為

步驟9：計(jì)算每個(gè)候選機(jī)床在整個(gè)使用階段的能量效率，其中第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的能量效率按如下步驟計(jì)算：

步驟901：根據(jù)候選機(jī)床編號(hào)m選出對(duì)應(yīng)的當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣以及固有能效特征矩陣e^m；

步驟902：根據(jù)當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣以及固有能效特征矩陣e^m分別計(jì)算候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工工件w^l的比能以及有效切削能耗分別按如下公式：

步驟903：計(jì)算每個(gè)候選機(jī)床的能量效率，其中第m個(gè)候選機(jī)床mt^m的能量效率的計(jì)算公式如下：

步驟10：采用以下數(shù)學(xué)模型計(jì)算出能量效率最高的候選機(jī)床所對(duì)應(yīng)的機(jī)編號(hào)o，1≤o≤m：

機(jī)床客戶在采購(gòu)機(jī)床時(shí)需要向機(jī)床供應(yīng)商提供預(yù)計(jì)加工工件的cad文件以及對(duì)應(yīng)工件的毛坯cad文件，然后根據(jù)候選機(jī)床特性設(shè)計(jì)機(jī)床mt^m加工工件w^l的第i套工藝方案確定加工加工工步總數(shù)各工步的主軸轉(zhuǎn)速切削速度進(jìn)給速度背吃刀量以及主軸狀態(tài)

本具體實(shí)施方式中，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)為工件裝夾時(shí)長(zhǎng)和卸料時(shí)長(zhǎng)的總和；空切時(shí)長(zhǎng)根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)。

本具體實(shí)施方式中，切削時(shí)長(zhǎng)按如下公式計(jì)算：

其中，為候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工工件w^l時(shí)第j工步的走刀行程，可根據(jù)工件w^l及其毛坯的cad文件確定。

本具體實(shí)施方式中，切削功率按如下公式計(jì)算：

其中，為候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工工件w^l時(shí)第j工步的切削速度；為候選機(jī)床mt^m采用第i套工藝方案加工工件w^l時(shí)第j工步的切削力，本實(shí)施例為滾齒機(jī)，采用機(jī)床廠商提供的計(jì)算公式，如下：

其中，m為工件模數(shù)，z為工件齒數(shù)，v為切削速度(米/分),f為走刀量(毫米/轉(zhuǎn))，ap為切入深度(毫米)，kc為工件材料修正系數(shù)，ky為工件硬度修正系數(shù)，kβ為工件螺旋角修正系數(shù)，d為滾刀直徑。

為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，以某齒輪傳動(dòng)企業(yè)采購(gòu)一臺(tái)高速干切滾齒機(jī)為例，首先根據(jù)機(jī)床客戶的實(shí)際需求，建立預(yù)計(jì)加工工件集合wt，集合wt中各工件的規(guī)格參數(shù)表1：

表1預(yù)計(jì)加工工件的規(guī)格清單

其中，預(yù)計(jì)加工工件種類總數(shù)l＝4，w^l為第l種預(yù)加工工件(1≤l≤4)。

然后，機(jī)床供應(yīng)商根據(jù)機(jī)床客戶的實(shí)際需求，以及機(jī)床的加工能力、加工精度、生產(chǎn)效率以及成本等要求，提供了兩臺(tái)候選機(jī)床分別是ye3120cnc7和ys3126cnc7，給ye3120cnc7機(jī)床編號(hào)為1，給ys3126cnc7機(jī)床編號(hào)為2，候選機(jī)床種類總數(shù)m＝2，組成候選機(jī)床集合mt＝[mt¹,mt²]；兩臺(tái)機(jī)床的規(guī)格參數(shù)如表2所示：

表2滾齒機(jī)規(guī)格

由于兩臺(tái)機(jī)床加工表1中的4種預(yù)計(jì)加工工件時(shí)，推薦使用的主軸轉(zhuǎn)速均為700r/min。為此，根據(jù)機(jī)床廠家提供的機(jī)床參數(shù)，按照簡(jiǎn)化形式建立候選機(jī)床的固有能效特征關(guān)聯(lián)矩陣e：

再然后建立候選機(jī)床mt¹加工所有工件的能效關(guān)聯(lián)加工特征矩陣

由于表1中4種預(yù)計(jì)加工工件具有相同的材料，而且尺寸差異很小，因此，同一臺(tái)候選機(jī)床可采用相同的工藝方案加工上述4種預(yù)加工工件；同時(shí)，由于候選機(jī)床ye3120cnc7的軸向移動(dòng)速度高于候選機(jī)床ys3126cnc7，因此，候選機(jī)床ye3120cnc7的進(jìn)給速度可高于候選機(jī)床ys3126cnc7；本實(shí)施例涉及的4種預(yù)計(jì)加工工件均可一次走刀完成加工，即加工工步總數(shù)j＝1。因此，兩種機(jī)床加工表1中4種預(yù)計(jì)加工工件時(shí)的工藝參數(shù)及其使用概率如表3所示(其中，加工刀具為采用滾刀直徑d為80mm的3頭干切滾刀)：

表3(a)ye3120cnc7的加工參數(shù)

表3(b)ys3126cnc7的加工參數(shù)

然后，兩臺(tái)候選機(jī)床加工4種預(yù)計(jì)加工工件的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)取為28s；由于1號(hào)候選機(jī)床的快速移動(dòng)性能優(yōu)于2號(hào)候選機(jī)床，因此，1號(hào)候選機(jī)床的空切時(shí)長(zhǎng)取為3s，2號(hào)候選機(jī)床的空切時(shí)長(zhǎng)取為4s；切削時(shí)長(zhǎng)根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)按公式計(jì)算獲取。

然而，切削功率按公式計(jì)算；

其中根據(jù)公式計(jì)算切削力根據(jù)表1獲取工件模數(shù)m、工件齒數(shù)z和切入深度ap，根據(jù)表3獲取切削速度v、走刀量f。同時(shí)，工件材料修正系數(shù)kc、工件硬度修正系數(shù)ky和工件螺旋角修正系數(shù)kβ可通過(guò)查詢切削手冊(cè)獲取，本實(shí)施例中分別取為：kc＝1.34，ky＝1.05，kβ＝1.11。

于是，建立候選機(jī)床mt¹加工全部預(yù)計(jì)加工工件的當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣如下所示：

同理，建立候選機(jī)床mt²加工全部預(yù)計(jì)加工工件的當(dāng)量加工特征關(guān)聯(lián)矩陣如下所示：

根據(jù)候選機(jī)床加工預(yù)計(jì)加工工件的能量效率計(jì)算公式，可得：

按照最高效率原則選擇機(jī)床，計(jì)算出能量效率最高的候選機(jī)床所對(duì)應(yīng)的機(jī)編號(hào)o：

o＝1，企業(yè)應(yīng)該選擇ye3120cnc7。

根據(jù)可得，與選擇ys3126cnc7相比，采購(gòu)ye3120cnc7加工企業(yè)的預(yù)計(jì)加工工件，4種預(yù)計(jì)加工工件可平均減少能源消耗24419j。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。