GB/T 40735-2021 数控机床固有能量效率的评价方法

　　ICS 25 . 080 . 0 1 J 50

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40735—2021

　　数控机床固有能量效率的评价方法

　　Methodforinherentenergyefficiencyevaluationof

　　computernumericalcontrolmachinetools

　　2021-10-1 1 发布 2022-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40735—202 1

　　GB/T 40735—202 1

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 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/TC 22)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、庹 军 波、刘 培 基、李 艳 波、刘 飞、曾 令 万、李 晋 航、陈 行 政、喻可斌、张维、陈妍言、石致远、邢浩、李书林。

　　GB/T 40735—202 1

　　数控机床固有能量效率的评价方法

　　1 范围

　　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/T 4863—2008 机械制造工艺基本术语

　　GB/T 6477—2008 金属切削机床 术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 4863—2008 和 GB/T 6477—2008 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　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。

　　3.2

　　待机 standby

　　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 ISO 14955 . 3—2020,定义 4 . 5 。

　　3.3

　　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。

　　3.4

　　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。

　　3.5

　　待机功率 standbypower

　　机床处于待机的输入功率。

　　3.6

　　主轴空运转功率 spindleidlingpower

　　机床处于主轴空运转的输入功率。

　　GB/T 40735—202 1

　　3.7

　　进给空运转功率 feedingpowerwithnoload

　　机床处于进给空运转的输入功率。

　　注：进给空运转功率通常为机床启动一个进给系统时的输入功率。

　　4 评价方法

　　4 . 1 概述

　　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、当量主轴空运转功率、当量进给空运转功率等，且指标数值越低，表明能量效率性能越好。

　　4 . 2 评价指标

　　4 . 2 . 1 待机功率

　　机床待机状态下功率波动很小，因此，待机功率视为稳定值，宜用符号“Psb ”表示。

　　4 . 2 . 2 主轴空运转功率

　　主轴空运转功率宜用符号“Pu”表示，它与主轴转速相关，可用公式( 1 ) 表示：

　　Pu=fu(n) …………………………( 1 )

　　式中：

　　Pu — 主轴空运转功率;

　　n — 主轴转速;

　　fu(n)—机床主轴空运转功率与主轴转速的拟合函数。

　　4 . 2 . 3 进给空运转功率

　　进给空运转功率宜用符号“Pf”表示，它与进给速度相关，可用公式( 2 ) 表示：

　　Pf=ff(vf) …………………………( 2 )

　　式中：

　　Pf — 进给空运转功率;

　　vf —进给速度;

　　ff(vf) —机床进给空运转功率与进给速度的拟合函数。

　　4 . 2 . 4 当量主轴空运转功率

　　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功率，可用公式(3)表示：

　　EPu=ΣC(n)Pu(n) …………………………( 3 )

　　式中：

　　EPu — 当量主轴空运转功率;

　　C(n)— 主轴转速 n 的使用概率;

　　Pu(n)— 主轴转速 n 下的主轴空运转功率。

　　4 . 2 . 5 当量进给空运转功率

　　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的功率，可用公式(4)表示：

　　GB/T 40735—202 1

　　EPf=ΣC(狏f)Pf(狏f) …………………………( 4 )

　　式中：

　　EPf — 当量进给空运转功率;

　　C(狏f) —进给速度 狏f 的使用概率;

　　Pf(狏f) —进给速度 狏f 下的进给空运转功率。

　　4 . 3 评价指标的获取

　　4 . 3 . 1 概述

　　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。

　　图 1 评价指标获取流程

　　4 . 3 . 2 测量

　　4 . 3 . 2 . 1 一般要求

　　测量过程宜遵循以下要求：

　　a) 测量频率为 2 Hz~50 Hz, 宜取 20 Hz;

　　b ) 功率测量仪器的精度宜满足 ±(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

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　　4 . 3 . 2 . 2 待机功率测量

　　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 3 min 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。

　　4 . 3 . 2 . 3 主轴空运转功率测量

　　待机状态下开启机床主轴系统，并稳定运行 3 min 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。

　　4 . 3 . 2 . 4 进给空运转功率测量

　　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。

　　4 . 3 . 3 数据拟合

　　4 . 3 . 3 . 1 主轴空运转功率拟合

　　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。

　　4 . 3 . 3 . 2 进给空运转功率拟合

　　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。

　　4 . 3 . 4 计算

　　4 . 3 . 4 . 1 当量主轴空运转功率

　　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nmax, 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

　　GB/T 40735—202 1

　　b ) 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。

　　4 . 3 . 4 . 2 当量进给空运转功率

　　当量进给空运转功率计算如下：

　　a) 获取机床最快进给速度vfmax, 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

　　GB/T 40735—202 1

　　附 录 A

　　(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 120 r/min~540 r/min,z 轴进给速度范围 0 mm/min~660 mm/min, z 轴最大行程 170 mm;

　　b) 滚齿机 B主轴转速范围 150 r/min~1 000 r/min,z轴进给速度范围 0 mm/min~1 000 mm/min, z 轴最大行程 285 mm。

　　采用的功率测量仪器主要参数如下：

　　a) 功率量程 6 W~2.25 MW;

　　b) 测量精度 ±(0.05%×显示值 +0.05%×量程);

　　c) 数据测量频率 20 Hz。

　　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 4 min,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

　　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 4 min,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。

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　　表 A.2 机床主轴空运转功率

　　A.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 15 s,滚齿机 B 每次运行时长为 17 s。 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。

　　表 A.3 机床 z 轴进给空运转功率

　　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 。

　　Pu, A =10 . 5n+1 581 . 5 …………………………( A. 1 )

　　Pu, B =2 . 1n+3 046 …………………………( A. 2 )

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　　图 A.1 滚齿机 A 和滚齿机 B 的主轴空运转功率拟合曲线

　　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 , 3 412 . 12) ,取整为 174 r/min;在主轴转速低于 174 r/ 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 174 r/ 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) 。

　　Pf, A=0 . 35vf+2 080 . 9 …………………………( A. 3 )

　　Pf, B=0 . 38vf+3 154 . 1 …………………………( A. 4 )

　　t⃞直____________________________________________________ o 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1 100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。

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　　表 A.4 滚齿机 A 主轴转速代表及其使用概率

　　表 A.5 滚齿机 B 主轴转速代表及其使用概率

　　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功率，如表 A. 6 所示。

　　表 A.6 主轴转速代表下的空运转功率

　　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。

　　EPu, B=ΣC(n)Pu(n)= × 3 886+ × 4 201+ × 4 411 =4 166(W) ……( A.6 )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 660 mm/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 1 000 mm/ 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

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　　表 A.8 滚齿机 B 的 z 轴进给速度代表及其使用概率

　　将表 A. 7 的进给速度代表代入公式(A. 3),得到滚齿机 A 的 Z 轴在各进给速度代表下的进给空运转功率，如表 A. 9 所示。 将表 A. 8 的进给速度代表代入公式(A. 4),得到滚齿机 B 的 Z 轴在各进给速度代表下的进给空运转功率，如表 A. 9 所示。

　　表 A.9 z 轴进给转速代表下的进给空运转功率

　　将表 A. 9 的进给速度代表及其进给空运转功率代入公式(4),得到滚齿机 A 和滚齿机 B 的 Z 轴当量进给空运转功率，如公式(A. 7)和公式(A. 8)所示。

　　EPf, A = Σc(vf)Pf(vf) = 0.12 × 2 104 + 0.23 × 2 150

　　+ 0.30 × 2 196 + 0.23 × 2 243 + 0.12 × 2 289 = 2 196(W)

　　EPf, B = Σc(vf)Pf(vf) = 0.12 × 3 192 + 0.23 × 3 268

　　+ 0.30 × 3 344 + 0.23 × 3 420 + 0.12 × 3 496 = 3 344(W)

　　根据公式(A. 7)和公式(A. 8),滚齿机 A 的 Z 轴综合进给空运转能效性能更好。

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　　参 考 文 献

　　[1] ISO 14955-3 : 2020 Machine tools—Environmental evaluation of machine tools—Part 3 : Principles for testing metal-cutting machine tools with respect to energy efficiency