基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：一：收集機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率，并對(duì)輸入功率信號(hào)進(jìn)行濾波處理；二：通過(guò)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率數(shù)據(jù)的分析，判定機(jī)床在線運(yùn)行狀態(tài)；三：通過(guò)測(cè)量機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率，結(jié)合機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的功率平衡方程和附加載荷損耗特性估計(jì)出切削功率，建立合理的切削耗能模型，達(dá)到機(jī)床切削功率的在線估計(jì)；四：用基于最小二乘迭代算法的機(jī)床附加損耗函數(shù)系數(shù)的離線辨識(shí)算法，求取機(jī)床切削功率參數(shù)。本發(fā)明不僅避免了直接測(cè)量法中測(cè)量切削能耗中的高成本低效率，同時(shí)也改進(jìn)了間接測(cè)量法中的誤差率大的問(wèn)題，能為機(jī)床的工步能耗監(jiān)測(cè)提供較為精確地能耗數(shù)據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及工業(yè)機(jī)床制造系統(tǒng)能耗監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于最小二乘迭代算 法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著目前的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，很多國(guó)家已經(jīng)把節(jié)能減排當(dāng)作國(guó)家 戰(zhàn)略。制造業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)財(cái)富的同時(shí)，也消耗了大量制造資 源特別是能源，并造成了對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重影響。制造業(yè)的能耗高達(dá)全球能耗總量的30%- 50%，尤其W機(jī)床為主要能耗的比例達(dá)到全球能耗的17%-20%。到2030年，制造業(yè)的將達(dá) 到100,000百萬(wàn)噸。能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題已成為制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的直觀因素，從可持續(xù) 發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā)，機(jī)床能耗問(wèn)題研究勢(shì)在必行。
[0003] 加強(qiáng)企業(yè)能效評(píng)價(jià)、提高制造系統(tǒng)能效已成為制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，提高機(jī)床能耗 效率需要機(jī)床能耗數(shù)據(jù)的支持，因此對(duì)機(jī)床能耗進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控是必要的，機(jī)床能耗評(píng) 估的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)床加工的能耗。常規(guī)獲取機(jī)床加工能耗有兩種途徑：
[0004] (1)直接測(cè)量法:直接測(cè)量加工時(shí)的切削扭矩和轉(zhuǎn)速，該途徑需要在機(jī)床上安裝扭 矩傳感器，不僅價(jià)格高易受環(huán)境影響并且影響機(jī)床剛性，無(wú)論在性能還是成本上都令企業(yè) 難W接受。
[0005] (2)間接測(cè)量法:通過(guò)測(cè)量機(jī)床輸入功率間接獲取加工功率，該方法需要安裝功率 傳感器，雖然不會(huì)影響機(jī)床剛性，但是利用主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸功率估計(jì)出切削功率(輸入功 率一空載功率=切削功率)的方法，忽略機(jī)床附加損耗導(dǎo)致結(jié)果不精確，誤差高達(dá)30%。
[0006] 鑒于機(jī)床能耗在線檢測(cè)的迫切性及W上方法的不足，本發(fā)明提出采用切削能耗模 型(數(shù)學(xué)公式)來(lái)精確獲取切削功率，不僅符合實(shí)際情況，也符合企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益。本發(fā)明通過(guò) 研究機(jī)床切削能耗與機(jī)床工步能耗之間的模型關(guān)系(數(shù)學(xué)公式），通過(guò)測(cè)量機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功 率，結(jié)合機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的功率平衡方程和附加載荷損耗特性估計(jì)出切削功率，建立合理 的切削耗能模型。并采用一定的優(yōu)化算法進(jìn)行求解，是節(jié)約成本，提高精度，符合實(shí)際，為企 業(yè)易接受的一種切削能耗獲取方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法，該 方法不僅避免了直接測(cè)量法中測(cè)量切削能耗中的高成本低效率，同時(shí)也改進(jìn)了間接測(cè)量法 中的誤差率大的問(wèn)題，能為機(jī)床的工步能耗監(jiān)測(cè)提供較為精確地能耗數(shù)據(jù)，是節(jié)約成本，提 高精度，符合實(shí)際，為企業(yè)易接受的一種切削能耗獲取方法。
[000引為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方 法，按照如下步驟實(shí)施：
[0009] 步驟一:收集機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率，并對(duì)輸入功率信號(hào)進(jìn)行濾波處理；
[0010] 步驟二：通過(guò)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率數(shù)據(jù)的分析，判定機(jī)床在線運(yùn)行狀態(tài)：?jiǎn)?動(dòng)、空載或加工；
[0011] 步驟通過(guò)測(cè)量機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率，結(jié)合機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的功率平衡方程和附 加載荷損耗特性估計(jì)出切削功率，建立合理的切削耗能模型，達(dá)到機(jī)床切削功率的在線估 計(jì)；
[0012] 步驟四：用基于最小二乘迭代算法的機(jī)床附加損耗函數(shù)系數(shù)的離線辨識(shí)算法，求 取機(jī)床切削功率參數(shù)。
[0013] 且體的，巧驢一中功率信耳的濾泌々h理采巧滑動(dòng)濾泌器化計(jì)罕載功率
[0014] (1)
[001引其中，Psp(k)為第k時(shí)刻的輸入功率采樣值；戶.、,"0?)為第n時(shí)刻的輸入功率Psp(n)估 計(jì)值;L為選定的滑動(dòng)濾波器長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)時(shí)功率是否填滿濾波器，分為W下兩種情況：
[0016] (1.1)在機(jī)床運(yùn)行的初始階段，實(shí)時(shí)功率采集次數(shù)小，未填滿濾波器，在此情況下 根據(jù)公式(1)直接加權(quán)平均，則濾波功率值低于實(shí)際功率值；
[0017] (1.2)當(dāng)實(shí)時(shí)功率值填滿濾波器時(shí)，將濾波器中采集的前M個(gè)實(shí)時(shí)功率值相加，再 作加權(quán)平均，則結(jié)果符合實(shí)際情況；
[0018] 在運(yùn)用滑動(dòng)濾波器之前，需要檢查濾波器是否填滿，如果沒(méi)有填滿，則按情況 (1.1)的方法用采樣個(gè)數(shù)做加權(quán)平均;如果填滿，則按情況(1.2)的方法進(jìn)行濾波處理;在濾 波結(jié)果后，新采樣功率值輸入濾波器，舊采樣值退出濾波器，如此循環(huán)，完成濾波。
[0019] 具體的，步驟二根據(jù)實(shí)時(shí)功率值判別運(yùn)行狀態(tài)，
[0020] 2.1、機(jī)床啟動(dòng)的判斷:將步驟一濾波后的實(shí)時(shí)功率值送入計(jì)算機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)組 M[n]，測(cè)量機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率值是否大于該機(jī)床的參考常數(shù)，在數(shù)組M[n]中出現(xiàn)兩個(gè)W上 大于該常數(shù)的數(shù)值時(shí)，將機(jī)床狀態(tài)判斷為主軸啟動(dòng)，置機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine S^te = Ol; [0021 ] 2.2、機(jī)床空載狀態(tài)的判斷包括=個(gè)步驟:2.2.1、檢查機(jī)床狀態(tài)是否為啟動(dòng)，若是 則轉(zhuǎn)入下一步;2.2.2、判斷數(shù)組M[n]中實(shí)時(shí)功率值是否平穩(wěn)，若是則轉(zhuǎn)步驟2.2.3,否則返 回步驟2.2.1; 2.2.3、將機(jī)床狀態(tài)判斷為主軸空載，置機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine S化te = 10，并 將當(dāng)前功率值作為空載功率值Pu;
[0022] 2.3、機(jī)床加工狀態(tài)的判斷:根據(jù)公式^^^'"-^'^>￡：判斷機(jī)床加工狀態(tài)，其中耗， 為機(jī)床主軸輸入功率值，Pu為機(jī)床主軸空載功率值，C為設(shè)定的表征功率波動(dòng)情況的常數(shù)， 一般在5%左右;判讀機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率值瓦P是否符合公式(Ap > C，若不符合，則 通過(guò)上述步驟一，步驟二繼續(xù)測(cè)量主軸的實(shí)時(shí)功率麥W與P U，直到符合公式 > C時(shí)，將機(jī)床狀態(tài)判斷為加工，置機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine S^te = Il;
[0023] 具體的，步驟S包括：
[0024] 3.1、將機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率Psp簡(jiǎn)化為空載功率Pu、切削功率Pc和附加載荷 損耗功率Pa =個(gè)部分之和，近似代表實(shí)際機(jī)床的功率損耗，
[0025] Psp = Pu+Pa+Pc (2)
[0026] 其中，所述空載功率Pu是指:機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)在某一指定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行且尚未 加工的狀態(tài)稱(chēng)為空載狀態(tài)，其間所消耗的功率稱(chēng)為空載功率;所述切削功率P。是指:機(jī)床主 傳動(dòng)系統(tǒng)完成工件要求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)用于切削所消耗的功率;所述附加載荷損耗Pa是指:機(jī)床主 傳動(dòng)系統(tǒng)在切削狀態(tài)下產(chǎn)生的附加損耗，運(yùn)部分損耗只在切削狀態(tài)下存在；
[0027] 負(fù)載載荷損耗系數(shù)a與切削功率成正比，即，
[00 測(cè)
(3)
[0029] 由式(2)、式(3)結(jié)合可得：
[0030] Psp = Pu+ai￥c^+(l+ao)Pc (4)
[00川其中，l+a0、a功附加損耗函數(shù)系數(shù)，
[0032] 由式(4)可知，只要測(cè)量出輸入功率Psp,空載功率Pu,就可W估計(jì)出附加載荷損耗 Pa和切削功率Pc;
[0033] 3.2、在線估計(jì)切削功率Pc:
[0034] 附加損耗函數(shù)系數(shù)矩陣可W通過(guò)式(4)確定，結(jié)合式(2)可W得到切削功率，即
[0035]
C5)
[0036] 其中，Pu是機(jī)床主軸空載功率值;矣W是機(jī)床主軸輸入功率值。
[0037] 具體的，步驟四所述基于最小二乘迭代算法的機(jī)床附加損耗函數(shù)系數(shù)的離線辨識(shí) 方法如下：
[0038] 由式(5)可知，在確定機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine State = Il的情況下，如果確定了空 載功率Pu，ao、曰1，就可W估計(jì)出切削功率Pc;
[0039] 由方程(4)可知，在轉(zhuǎn)速確定時(shí)，獲取空載功率Pu,然后測(cè)量此切削參數(shù)下的切削 功率，通過(guò)最小二乘迭代算法函數(shù)擬合求解曰日，曰1:
[0040] 由多變量系統(tǒng)y(t) = 〇(t)目+v(t)，其中y(t) = [yi，y2, . . .ymfGRm為m維系統(tǒng)輸出 向量，(DU)GRmxn是由系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)成的信息矩陣，0 GRn是待辨識(shí)的系統(tǒng)參數(shù)向 量，嘶'）=[句(0,為(/)，…成(0] e /?"'是零均值白噪聲向量；
[0041] 考慮公式（1)中濾波長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則從i = t-L+l到i = L最新的L組數(shù)據(jù)中通過(guò)最小二 乘算法函數(shù)擬合求解ao、ai;首先定義堆積輸出向量Y(t)、堆積信息矩陣O (t)、堆積白噪聲 向量巧(0如下：
[0042] (6)
[0043] (7)
[0044] (8)
[0045] 由
定義準(zhǔn)則函數(shù)：
[0046] J(目）=I |Y(t)-巫（t)目 ||2. (9)
[0047] 極小化準(zhǔn)則函數(shù)J(0)，令其對(duì)0的導(dǎo)數(shù)為零得到：
[004引
， （10)
[0049] IM由46晚K管而但h才給m的泉掀向富;目的最小二乘估計(jì)：
[(K)加 ] (11)
[0051] 將附加損耗函數(shù)的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行代換，可求解ao，ai，
[0052] 其中巫（t) =A,目=[l+ao,ai] (12)
[0053] 由An目=Yn nG{m，i = l，2，...m} (13)
[0054] (14)
[0化5] 15)12 (.；!后.> 2 由于在步驟一中選擇的濾波長(zhǎng)度為L(zhǎng)，因而將切削實(shí)驗(yàn)次數(shù)也設(shè)為L(zhǎng)次，便于實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算;PeL:是第一次試驗(yàn)的切削功率測(cè)量值;Pn,u:是在轉(zhuǎn)速n時(shí)的機(jī)床主軸的空 載功率測(cè)量值。
[0058] 本發(fā)明的有益效果是:建立了機(jī)床切削能耗與機(jī)床工步能耗之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè) 量機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率，結(jié)合機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的功率平衡方程和附加載荷損耗特性估計(jì)出切 削功率，建立合理的切削耗能模型。并采用基于最小二乘的迭代優(yōu)化算法進(jìn)行求解，較好的 克服了 W往測(cè)量切削能耗中精度低，成本高的現(xiàn)狀。該方法科學(xué)合理，符合可持續(xù)發(fā)展，提 高企業(yè)能效優(yōu)化的國(guó)家戰(zhàn)略。
【附圖說(shuō)明】
[0059] 圖1是發(fā)明的機(jī)床加工過(guò)程與機(jī)床主軸功率曲線關(guān)系圖。
[0060] 圖2是本發(fā)明的機(jī)床穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)主軸功率流。
[0061] 圖3是本發(fā)明的功率信號(hào)滑動(dòng)濾波器的實(shí)現(xiàn)流程。
[0062] 圖4是本發(fā)明的機(jī)床狀態(tài)判斷算法流程。
[0063] 圖5是本發(fā)明的最小二乘迭代算法計(jì)算參數(shù)的流程。
[0064] 圖6是本發(fā)明機(jī)床能效相關(guān)數(shù)據(jù)算法流程。
【具體實(shí)施方式】
[0065] 本發(fā)明W機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)獲取為目標(biāo)建立機(jī)床能耗狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，W最小二乘 迭代算法精確求取切削功率參數(shù)。所述方法具體包括W下步驟：
[0066] 一、功率信號(hào)的濾波處理：
[0067] 工廠車(chē)間的作業(yè)環(huán)境惡劣，功率信號(hào)的電壓電流在此環(huán)境下易受到波動(dòng)和噪聲干 擾。
[0068] 本發(fā)明采用滑動(dòng)濾波器估計(jì)空載功率。
[0069]
(1) 12345 公式中參數(shù)變量含義： 2 Psp化）：第k時(shí)刻的輸入功率采樣值；托^/;)=第n時(shí)刻的輸入功率Psp(n)估計(jì)值;L: 滑動(dòng)濾波器長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)際情況選定參數(shù)。 3 公式（1)是根據(jù)滑動(dòng)濾波器的濾波分析原理簡(jiǎn)化得到，采用滑動(dòng)濾波器中n時(shí)刻的 空載功率值是第n時(shí)刻前L實(shí)時(shí)功率值的加權(quán)平均值。如圖3所示根據(jù)實(shí)時(shí)功率是否填滿濾 波器，可W分為W下兩種情況： 4 1)在機(jī)床運(yùn)行的初始階段，實(shí)時(shí)功率采集次數(shù)小，未填滿濾波器，在此情況下根據(jù) 公式(1)直接加權(quán)平均，則濾波功率值低于實(shí)際功率值。 5 2)當(dāng)實(shí)時(shí)功率值填滿濾波器時(shí)，將濾波器中采集的前L個(gè)實(shí)時(shí)功率值相加，再作加 權(quán)平均，則結(jié)果符合實(shí)際情況。
[0075] 鑒于W上運(yùn)用公式（1)中的滑動(dòng)濾波器會(huì)出現(xiàn)的巧中情況，故在運(yùn)用滑動(dòng)濾波器之 前，需要檢查濾波器是否填滿，如果沒(méi)有填滿，則按1)方法用采樣個(gè)數(shù)做加權(quán)平均;如果填 滿，則按2)方法進(jìn)行濾波處理。在濾波結(jié)果后，新采樣功率值輸入濾波器，舊采樣值退出濾 波器，如此循環(huán)，完成濾波。
[0076] 二、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)在線判別：
[0077] 機(jī)床加工過(guò)程包含=個(gè)典型的機(jī)床狀態(tài)：?jiǎn)?dòng)、空載、加工(切削）。機(jī)床在不同的 運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)床的主軸功率曲線會(huì)隨著機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化。其中包括幾個(gè)典型 部分:啟動(dòng)階段，空載階段，加工階段。如圖1所示，在機(jī)床的啟動(dòng)階段，機(jī)床主軸功率急速上 升后再急速下降；在機(jī)床的空載階段，機(jī)床主軸功率趨于穩(wěn)定;在機(jī)床的加工階段，機(jī)床主 軸功率在比空載功率高的冒一功率值穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)實(shí)時(shí)功率值準(zhǔn)確判別運(yùn)行狀態(tài)是測(cè)量 機(jī)床能耗的關(guān)鍵，下面對(duì)此作詳細(xì)分析。
[0078] ①機(jī)床啟動(dòng)的判斷:將步驟（1)中濾波后的實(shí)時(shí)功率值送入計(jì)算機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù) 組M[n](機(jī)床停機(jī)時(shí)數(shù)組M[n]清零），測(cè)量機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率值是否大于該機(jī)床的參考常數(shù) (該常數(shù)應(yīng)該大于功率傳感器的零漂值，可根據(jù)機(jī)床的具體情況設(shè)定）。在數(shù)組M[n]中出現(xiàn) 兩個(gè)W上大于該常數(shù)的數(shù)值時(shí)，將機(jī)床狀態(tài)判斷為主軸啟動(dòng)，置機(jī)床狀態(tài)為Machine State =Ol (00:主軸停止;01:主軸啟動(dòng)；10:主軸空載;11:加工）。
[0079] ②機(jī)床空載狀態(tài)的判斷。主軸空載狀態(tài)是在主軸啟動(dòng)后，加工啟動(dòng)之前的一個(gè)相 對(duì)功率平穩(wěn)的狀態(tài)。判斷機(jī)床空載狀態(tài)有如下=個(gè)步驟：（a)檢查機(jī)床狀態(tài)是否為啟動(dòng)，若 是轉(zhuǎn)入下一步(b); (b)判斷數(shù)組M[n]中實(shí)時(shí)功率值是否平穩(wěn)，若是轉(zhuǎn)(C)，否則返回(a); (C) 置機(jī)床狀態(tài)為Machine S化te = 10,并將當(dāng)前值作為空載功率值。
[0080] ③機(jī)床加工狀態(tài)的判斷。機(jī)床加工狀態(tài)的判斷:根據(jù)公式> ^:判斷機(jī)床 加工狀態(tài)，其中哀P為機(jī)床主軸輸入功率值，Pu為機(jī)床主軸空載功率值，C為設(shè)定的表征功率 波動(dòng)情況的常數(shù);判斷機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率值托P是否符合公式> C，若不符合，貝U 繼續(xù)測(cè)量主軸的實(shí)時(shí)功率多,P與Pu，直到符合公式> C?時(shí)，將機(jī)床狀態(tài)判斷為加 工，置機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine S^te = Il;
[0081] 機(jī)床狀態(tài)判斷是機(jī)床切削能耗估計(jì)的關(guān)鍵性步驟，機(jī)床狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，可W為 機(jī)床開(kāi)機(jī)時(shí)間，空載時(shí)間，加工時(shí)間提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參照。如圖4,機(jī)床狀態(tài)算法分為W下幾 個(gè)關(guān)鍵步驟:1)開(kāi)機(jī)判斷:根據(jù)濾波后的主軸功率是否大于零漂閥值;2)開(kāi)機(jī)后一個(gè)時(shí)間段 的平穩(wěn)值作為空載功率;3)判斷最新功率值是否符合公式要求，若是，則機(jī)床處于加工狀 態(tài)，若不是，則認(rèn)為機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間處于空載狀態(tài)，更新空載值。
[0082] S、機(jī)床切削功率在線估計(jì)：
[0083] 在線監(jiān)測(cè)機(jī)床切削功率是機(jī)床能效監(jiān)測(cè)技術(shù)的核屯、，此步驟討論從機(jī)床主傳動(dòng)系 統(tǒng)輸入功率估計(jì)出機(jī)床切削功率的相關(guān)技術(shù)和方法。
[0084] ①機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的功率平衡方程
[0085] 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)一般包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)(含主軸)=個(gè)部分，每個(gè)部 分的能量消耗設(shè)及眾多結(jié)構(gòu)，參數(shù)和環(huán)境的影響，測(cè)量起來(lái)比較復(fù)雜。故經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和 研究表明，將主傳動(dòng)系統(tǒng)的功率簡(jiǎn)化為空載功率、切削功率和附加載荷損耗功率=個(gè)部分， 是可W近似代表實(shí)際機(jī)床的功率損耗。其中，空載功率、切削功率和附加載荷損耗功率的定 義如下：
[0086] 空載功率Pu:機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)在某一指定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行且尚未加工的狀態(tài)稱(chēng)為 空載狀態(tài)，其間所消耗的功率稱(chēng)為空載功率。
[0087] 切削功率P。:機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)完成工件要求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)用于切削所消耗的功率。
[0088] 附加載荷損耗Pa:機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)在切削狀態(tài)下產(chǎn)生的附加損耗，運(yùn)部分損耗只 在切削狀態(tài)下存在。
[0089] 從圖2可W看出，機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率可W分空載功率、切削功率和附加載 荷損耗功率：
[0090] Psp = Pu+Pa+Pc (2)
[0091] 其中，附加載荷損耗功率是在切削狀態(tài)下電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)部分產(chǎn)生的附加電損和 機(jī)械損耗，附加載荷的損耗也很復(fù)雜，不可直接測(cè)量準(zhǔn)確。最新研究表明：附加載荷損耗系 數(shù)與切削功率成正比。即，
[0092]
(3)
[0093] 由式(2)、（3)式結(jié)合可得：
[0094] Psp = Pu+ai￥c^+(l+ao)Pc (4)
[00M]由式(4)可知，只要測(cè)量出輸入功率Psp，空載功率Pu，就可W估計(jì)出附件載荷損耗 Pa和切削功率Pc。
[0096] ②在線估計(jì)切削功率Pc
[0097] 附加損耗函數(shù)系數(shù)矩陣可W通過(guò)方程(4)確定，結(jié)合方程(2)可W得到切削功率， 即
[009引 （5)
[0099] 其中，Pu:機(jī)床主軸空載功率值;系W ;機(jī)床主軸輸入功率值。
[0100] 四、基于最小二乘迭代算法的機(jī)床附加損耗函數(shù)系數(shù)的離線辨識(shí)：
[0101]由式子(5)可知，在確定機(jī)床狀態(tài)Machine State = Il的情況下，如果確定了空載 功率Pu,a〇、ai，就可W方便地按如下步驟估計(jì)出切削功率Pc,因此，確定附加載荷函數(shù)系數(shù) (l+ao,ai)十分重要。
[0102] 由方程(4)可知，在轉(zhuǎn)速確定時(shí)，獲取空載功率Pu,然后測(cè)量此切削參數(shù)下的切削 功率，通過(guò)最小二乘算法函數(shù)擬合求解曰日，曰1。
[0103] (1)最小二乘迭代辨識(shí)算法原理
[0104]由多變量系統(tǒng)y(t) = 〇(t)目+v(t)，其中y(t) = [yi，y2,. . .ymfGRm為m維系統(tǒng)輸出 向量，(DU)GRmxn是由系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)成的信息矩陣，0 GRn是待辨識(shí)的系統(tǒng)參數(shù)向 量，V(t) = [vi(t)，V2(t)，. . .Vm(t)] GRm 是零均值白噪聲向量。
[0105] 考慮公式（I)中濾波長(zhǎng)度為L(zhǎng)(L為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度），如圖5,則從i = t-L+巧Iji = L最新的L 組數(shù)據(jù)中通過(guò)最小二乘算法函數(shù)擬合求解ao、ai。首先定義堆積輸出向量Y(t)、堆積信息矩 陣巫（t)、堆積白噪聲向量t9(〇如下：
[0106] (掃）
[0107] ； (7)
[010 引 （8)
[0109] 敎：
[0110] J(目）=I |Y(t)-巫（t)目 ||2. (9)
[0111] 極小化準(zhǔn)則函數(shù)J(0)，令其對(duì)0的導(dǎo)數(shù)為零得到：
[0112]
'10)
[0113] 則由矩陣運(yùn)算可得上式給出的參數(shù)向量0的最小二乘估計(jì)：
[0114]
(11)
[0115] 在運(yùn)里我們將附加損耗函數(shù)的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行代換，可求解曰日，曰1。
[0116] 其中巫（t) =A,目=[l+ao,ai] (12)
[0117] 由An目=Yn nG {m, i = l ,2, ...m} (13)
[011 引 （14)
[0119] (巧）
[0120]
[0121] ^為切削試驗(yàn)次數(shù)，大于等于2;PcL:為第一次試驗(yàn)的切削功率測(cè)量值;Pn,u:是在轉(zhuǎn) 速n時(shí)的機(jī)床主軸的空載功率測(cè)量值。
[0122] 圖6為機(jī)床能效相關(guān)算法，此算法可W實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)機(jī)床使用時(shí)間，統(tǒng)計(jì)機(jī)床總體能 耗，估計(jì)機(jī)床切削能耗，機(jī)床能量利用率相關(guān)的計(jì)算。主要包括W下步驟；1)根據(jù)機(jī)床工作 狀態(tài)統(tǒng)計(jì)機(jī)床使用時(shí)間；2)在機(jī)床切削狀態(tài)下，結(jié)合機(jī)床附加損耗函數(shù)系數(shù)的辨識(shí)結(jié)果，估 計(jì)出機(jī)床的切削能耗;3)結(jié)合機(jī)床負(fù)載無(wú)關(guān)能耗統(tǒng)計(jì)機(jī)床總能耗，能效，能量利用率等相關(guān) 數(shù)據(jù)。并將運(yùn)些數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)一步節(jié)能設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)使用提供數(shù)據(jù)支持。
[0123] 五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)證明
[0124] 本次試驗(yàn)在C26136皿\1的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。用EDA9033A功率差傳感器測(cè) 量主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率。為了驗(yàn)證本次切削功率的有效性和精確性，在機(jī)床上安裝扭矩傳 感器。功率傳感器與扭矩傳感器的數(shù)據(jù)采樣周期均為50ms，濾波長(zhǎng)度L = 5。
[0125] 由于本次發(fā)明重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)工步能耗中的切削功率，因此切削功率的估計(jì)算法是本 次試驗(yàn)的關(guān)鍵。下面我們將對(duì)算法的有效性和精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
[0126] 表1實(shí)驗(yàn)切削參數(shù) 「01771
[0130]
[0
[0
[0133]本次試驗(yàn)使用50mm的45#鋼棒為原料，按照表1的切削參數(shù)做10組實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果 如表2所示，由本次試驗(yàn)可W看出切削功率的估計(jì)誤差在10%之內(nèi)，并將此結(jié)果與傳統(tǒng)方法 比較(a = 0，a = 0.15，a = 0.2 )，如表3，分析得:本發(fā)明所述方法的精度和有效性都有良好的 效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法，其特征是，包括如下步驟： 步驟一:收集機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率，并對(duì)輸入功率信號(hào)進(jìn)行濾波處理； 步驟二:通過(guò)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率數(shù)據(jù)的分析，判定機(jī)床在線運(yùn)行狀態(tài)：?jiǎn)?dòng)、空 載或加工;根據(jù)實(shí)時(shí)功率值判別運(yùn)行狀態(tài)， 2.1、 機(jī)床啟動(dòng)的判斷：將步驟一濾波后的實(shí)時(shí)功率值送入計(jì)算機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)組Μ [η]，測(cè)量機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率值是否大于該機(jī)床的參考常數(shù)，在數(shù)組Μ[η]中出現(xiàn)兩個(gè)以上大 于該常數(shù)的數(shù)值時(shí)，將機(jī)床狀態(tài)判斷為主軸啟動(dòng)，置機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine State = 01; 2.2、 機(jī)床空載狀態(tài)的判斷包括三個(gè)步驟:2.2.1、檢查機(jī)床狀態(tài)是否為啟動(dòng)，若是則轉(zhuǎn) 入下一步;2.2.2、判斷數(shù)組M[n]中實(shí)時(shí)功率值是否平穩(wěn)，若是則轉(zhuǎn)步驟2.2.3,否則返回步 驟2.2.1; 2.2.3、將機(jī)床狀態(tài)判斷為主軸空載，置機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine State = 10，并將當(dāng) 前功率值作為空載功率值pu; 2.3、 機(jī)床加工狀態(tài)的判斷:根據(jù)公?判斷機(jī)床加工狀態(tài)，其中表p為機(jī) 床主軸輸入功率值，Pu為機(jī)床主軸空載功率值，C為設(shè)定的表征功率波動(dòng)情況的常數(shù);判斷 機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率值多#是否符合公3不符合，則通過(guò)上述步驟一、步 驟二繼續(xù)測(cè)量主軸的實(shí)時(shí)功率多，與Pu，直到符合公式，將機(jī)床狀態(tài)判斷 為加工，置機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine State = 11; 步驟三:通過(guò)測(cè)量機(jī)床主軸實(shí)時(shí)功率，結(jié)合機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的功率平衡方程和附加載 荷損耗特性估計(jì)出切削功率，建立切削耗能模型，達(dá)到機(jī)床切削功率的在線估計(jì)； 3.1、 將機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率Psp簡(jiǎn)化為空載功率F u、切削功率F。和附加載荷損 耗功率F a三個(gè)部分之和，近似代表實(shí)際機(jī)床的功率損耗， P sp= P u+ P a+ P c (2) 其中，所述空載功率Fu是指:機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)在某一指定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行且尚未加工 的狀態(tài)稱(chēng)為空載狀態(tài)，其間所消耗的功率稱(chēng)為空載功率;所述切削功率F。是指:機(jī)床主傳 動(dòng)系統(tǒng)完成工件要求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)用于切削所消耗的功率;所述附加載荷損耗？ 3是指:機(jī)床主傳 動(dòng)系統(tǒng)在切削狀態(tài)下產(chǎn)生的附加損耗，這部分損耗只在切削狀態(tài)下存在； 負(fù)載載荷損耗系數(shù)α與切削功率成正比，即，由式(2)、式(3)結(jié)合可得： P sp= P u+ai2 P c2+( l+a〇) P c (4) 其中，l+ao、ai為附加損耗函數(shù)系數(shù)， 由式(4)可知，只要測(cè)量出輸入功率F SP，空載功率F u，就可以估計(jì)出附加載荷損耗F a 和切削功率F。； 3.2、 在線估計(jì)切削功率F。： 附加損耗函數(shù)系數(shù)矩陣可以通過(guò)式(4)確定，結(jié)合式(2)可以得到切削功率，即 (5；) 其中，F(xiàn)u是機(jī)床主軸空載功率值;是機(jī)床主軸輸入功率值； 步驟四：用基于最小二乘迭代算法的機(jī)床附加損耗函數(shù)系數(shù)的離線辨識(shí)方法，求取機(jī) 床切削功率參數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法，其特征是，步 驟一中功率信號(hào)的濾波處理采用滑動(dòng)濾波器估計(jì)空載功率(1) 其中，F(xiàn)sp(k)為第k時(shí)刻的輸入功率采樣值；為第η時(shí)刻的輸入功率Fsp(n)估計(jì) 值;L為選定的滑動(dòng)濾波器長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)時(shí)功率是否填滿濾波器，分為以下兩種情況： (1.1) 在機(jī)床運(yùn)行的初始階段，實(shí)時(shí)功率采集次數(shù)小，未填滿濾波器，在此情況下根據(jù) 公式(1)直接加權(quán)平均，則濾波功率值低于實(shí)際功率值； (1.2) 當(dāng)實(shí)時(shí)功率值填滿濾波器時(shí)，將濾波器中采集的前Μ個(gè)實(shí)時(shí)功率值相加，再作加 權(quán)平均，則結(jié)果符合實(shí)際情況； 在運(yùn)用滑動(dòng)濾波器之前，需要檢查濾波器是否填滿，如果沒(méi)有填滿，則按情況（1.1)的 方法用采樣個(gè)數(shù)做加權(quán)平均；如果填滿，則按情況（1.2)的方法進(jìn)行濾波處理;在濾波結(jié)果 后，新采樣功率值輸入濾波器，舊采樣值退出濾波器，如此循環(huán)，完成濾波。3. 如權(quán)利要求2所述的基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法，其特征是，步 驟四所述基于最小二乘迭代算法的機(jī)床附加損耗函數(shù)系數(shù)的離線辨識(shí)方法如下： 由式(5)可知，在確定機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine State = 11的情況下，如果確定了空載功 率F u，系數(shù)ao、ai，就可以估計(jì)出切削功率F c; 由方程(4)可知，在轉(zhuǎn)速確定時(shí)，獲取空載功率F u，然后測(cè)量此切削參數(shù)下的切削功率， 通過(guò)最小二乘迭代算法函數(shù)擬合求解ao，a1: 由多變量系統(tǒng)7(〇 = 4>(1:)0+￥(1：)，其中7(1:) = [71，72，...7111]1'￡1?111為1]1維系統(tǒng)輸出向 量，ct(t)eRmXn是由系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)成的信息矩陣，0eRn是待辨識(shí)的系統(tǒng)參數(shù)向量， ?9(0 = R (/),名(/), ...? (/)] e f是零均值白噪聲向量； 考慮公式（1)中濾波長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則從i = t-L+l到i = L最新的L組數(shù)據(jù)中通過(guò)最小二乘算 法函數(shù)擬合求解ao、a1;首先定義堆積輸出向量Y(t)、堆積信息矩陣Φ(〇、堆積白噪聲向量 t9(/)如下：由= φ⑷(9+汐⑴定義準(zhǔn)則函數(shù)： J(0)=| |Y(t)-?(t)0| I2. (9) 極小化準(zhǔn)則函數(shù)J(9)，令其對(duì)Θ的導(dǎo)數(shù)為零得到：(10) 則由矩陣運(yùn)算可得上式給出的參數(shù)向量Θ的最小二乘估計(jì)：(11) 將附加損耗函數(shù)的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行代換，可求解ao，ai， 其中 Φ (t) =Α，θ = [l+ao，ai] (12) 由Αηθ = Υη ne {m，i = l，2，···ηι} (13)由于在步驟一中選擇的濾波長(zhǎng)度為L(zhǎng)，因而將切削實(shí)驗(yàn)次數(shù)也設(shè)為L(zhǎng)次，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 統(tǒng)計(jì)和計(jì)算;Pw是第一次試驗(yàn)的切削功率測(cè)量值;pn,u:是在轉(zhuǎn)速η時(shí)的機(jī)床主軸的空載功 率測(cè)量值。4. 如權(quán)利要求1所述的基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法，其特征是，步 驟2.1中，機(jī)床停機(jī)時(shí)數(shù)組Μ[η]清零。5. 如權(quán)利要求1所述的基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法，其特征是，步 驟2.1中所述參考常數(shù)應(yīng)當(dāng)大于功率傳感器的零漂值。6. 如權(quán)利要求1所述的基于最小二乘迭代算法的機(jī)床工步能耗監(jiān)測(cè)方法，其特征是，步 驟二中，機(jī)床狀態(tài)參數(shù)Machine State = 00表示主軸停止。
【文檔編號(hào)】G05B19/406GK105955198SQ201610274777
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】王艷, 單鑫, 紀(jì)志成
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)