GB/T40735-2021
数控机床固有能量效率的评价方法
Methodforinherentenergyefficiencyevaluationofcomputernumericalcontrolmachinetools
- 中国标准分类号（CCS）J50
- 国际标准分类号（ICS）25.080.01
- 实施日期2022-05-01
- 文件格式PDF
- 文本页数14页
- 文件大小947.59KB
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数控机床固有能量效率的评价方法
国家标准 GB/T40735一2021 数控机床固有能量效率的评价方法 Methodforinherentenergyeffieieney evaluationof eomputernumericalcontrolmachinetools 2021-10-11发布 2022-05-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花警理委员会国家标准
GB/T40735一2021 次 目 前言 范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义
评价方法 4.1概述 4.2评价指标 4.3评价指标的获取 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
GB/40735一2021 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草
本标准由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、度军波、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/40735一2021 数控机床固有能量效率的评价方法 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
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
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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/T4863一2008机械制造工艺基本术语 GB/T6477一2008金属切削机床术语 术语和定义 GB/T48632008和GB/T6477一2008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inherenteeryefieieneyofmachinetools 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standy 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Iso1955.3一2020,定义45 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ftedim withn l0ad no ingy 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 机床处于待机的输人功率
3.6 主轴空运转功率spindleidlnpwer 机床处于主轴空运转的输人功率
GB/T40735一2021 3.7 进给空运转功率feedingpowerwithnoload 机床处于进给空运转的输人功率
注进给空运转功率通常为机床启动一个进给系统时的输人功率
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“P”表示
4.2.2主轴空运转功率 主轴空运转功率宜用符号“P
”表示,它与主轴转速相关,可用公式(1)表示 P尸=f.(n 式中 P 主轴空运转功率; 主轴转速; f(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“P”表示,它与进给速度相关,可用公式(2)表示 P=fru 式中 P -进给空运转功率; 进给速度; u f(u) -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: EP,=习c(n)P.(n) 3 式中 EP -当量主轴空运转功率; 主轴转速n的使用概率; C(n P,(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/40735一2021 EP=习cu)P(u 4 式中 EP 当量进给空运转功率; 进给速度u的使用概率 C 进给速度0下的进给空运转功率
Pw 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
采用功率传感器测量如下数据 待机功率; 步骤1 各级主轴转速下的主轴空运转功率 测量 各种进给迷度下的进给空运转功率
根据测量获得的数据，进行以下数据拟合 步骤2. 主轴空运转功率与主轴转速的数据报合 数据拟合 进给空运转功率与进给诫度的数据拟合
根据数据报合结果，进行以下计算， 步臻3: 按公式(3)计算当量主轴空运功率， 计算 按公式4计算当最进给空运转功率
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 测量频率为2Hz~50Hz,宜取20Hz a 功率测量仪器的精度宜满足士(0.2%×显示值十0.2%×量程) b 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; c 功率测量仪器接人机床总电源开关处,接线方式如图2所示
d 机床 OF1 电压测量点 3-380V50Hz 电流测量点 生肉主道 "京 图2功率测量仪器接线方式
GB/T40735一2021 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
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
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,以零到最快进给迷度为拟合区间,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 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 a 率;或获取机床最小主轴转速n和最大主轴转速n,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 7nm+3nm 十nm 3nmi十7nm "m十9nmmn 9n十"e 主轴转速代表/r/min I0 I0 0.12 0.23 0.30 0.23 0.12 主轴转速代表使用概率
GB/40735一2021 b 将各主轴转速代表代人公式(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人公式(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: 获取机床最快进给速度Um.,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 a 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人公式(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人公式(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 3vima 7ulme 9vim Umnx U'inax 进给速度代表/mm/min l0 10 l0 0.12 0.23 0.30 0.23 0.12 进给速度代表使用概率
GB/T40735一2021 附 录 A (资料性附录 机床固有能量效率评价应用示例 概述 A.1 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 滚齿机A主轴转速范围120r/nmin540r/min,Z轴进给速度范围0mmm/nin一660mnm/nmin. a) 乙轴最大行程170mm3 b 滚齿机B主轴转速范围150打/nmin一100打/nmin.Z轴进给速度范围0mm/nmin一10nmm/mn 乙轴最大行程285 mm
采用的功率测量仪器主要参数如下 功率量程6W一2.25Mw; a 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 /w 测量顺序 滚齿机A待机功率P/ 滚齿机B待机功率Pa/w 3117 第1次 2038 2037 3112 第2次 2028 3121 第3次 第4次 2035 31l3 第5次 2032 3097 平均值 2034 3112 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 按照四舍五人法取整,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
GB/40735一2021 表A.2机床主轴空运转功率 主轴转速 120 73 225 278 330 383 435 488 540 n/r/min) 滚齿 机A 主轴空运转功率 283634083938450350895582614367217258 P/w 主轴转速 150 575 745 235 320 405 490 660 830 9l5 1000 n/r/min 滚齿 机B 主轴空运转功率 336036023721390339584285 4467 45784698 4951 5243 P/w 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 表A.3机床2轴进给空运转功率 进给速度 66 132 98 264 330 396 462 528 594 66o u/mm/min) 滚齿 机A 进给空运转功率 2106 2125 2156 2170 2201 2219 2248 2264 2289 2320 P(w)/w 进给速度 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 U/mm/min 滚齿 机B 进给空运转功率 3172 3234 3294 3312 3352 8382 3407 846o 8492 3548 P(w/w 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
PA=10.5n十1581.5 (A.l R B=2.ln十3046 A.2
GB/T40735一2021 8000 7500 滚齿机A 7000 R?=0.999 三 6500 6000 尺=0.989 5500 5000 500 滚齿机B 4000 3500 3000 2500 2000 100 200 300 400 500 600 700 800 90010001100 主轴转速//min 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.l)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)
(A.3 P.A=0.35u十2080.9 =0.38u十3154.1 (A.4 P,- 700 600 尺=0.988 500 f珊 滚齿机B 200 UO 900 丽 600 尺=0.997 - 300 20o 液齿机人 H 90o 丽 G00 500 100 200 300 400 500 600 700 800 90010001100 进给速度mm/ min 图A.2滚齿机A和滚齿机B的乙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
计算 A.4 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
GB/40735一2021 表A.4滚齿机A主轴转速代表及其使用概率 推荐转速/(r/nmin) 主轴转速代表/(r/min) 使用概率 200 200 1/3 250 250 1/3 300 1/3 300 表A.5滚齿机B主轴转速代表及其使用概率 推荐转速/(r/nmin 主轴转速代表/(r/min) 使用概率 400 400 1/3 550 550 1/3 650 650 1/3 将表A.4的主轴转速代表代人公式(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的主轴转速代表代人公式(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 滚齿机A 滚齿机B 主轴转速代表/" 空运转功率/w 主轴转速代表/(r/min) 空运转功率/w r/min 3682 3886 200 400 250 4207 550 4201 300 4732 650 !41 将表A.6的主轴转速代表及空运转功率代人公式(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
(A.5 EPwA=C(n)P.(n)= 京x3682十言×4207十京X4732一4207(w ”.自=>c(n)P.(n)=x3886+ x12a1+xt1=41s(w) EP (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的乙轴最大进给速度660mm/min代人表2,得到滚齿机A的乙轴 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代人表 2,得滚齿机B的乙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 s6 198 330 462 594 进给速度代表使用概率 0.12 0.23 0.30 0.23 0.12
GB/T40735一2021 表A.8滚齿机B的乙轴进给速度代表及其使用概率 进给速度代表/mm/min) 100 300 500 700 900 进给速度代表使用概率 0.12 0.23 0,30 0.23 0.12 将表A.7的进给速度代表代人公式(A.3),得到滚齿机A的乙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的进给速度代表代人公式(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.9Z轴进给转速代表下的进给空运转功率 滚齿机A 滚齿机B 进给速度代表/(r/min) 进给空运转功率/" 进给速度代表/(r/min) 进给空运转功率" W /W 66 2l04 100 3192 198 215o 300 3268 330 2196 500 3344 462 2243 700 3420 594 2289 900 3496 将表A.9的进给速度代表及其进给空运转功率代人公式(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
EP.A-习c(o)P(e)=0.12×2104+0.23×2150 A.7 +0.30×2196十0.23×2243十0.12×2289=2196(w) EP沾-习c()P(e)=0.12×3192+0.23×3268 .A.8 十0.30×3344十0.23×3420十0.12×3496=3344(w) 根据公式A.7)和公式(A.8),滚齿机A的乙轴综合进给空运转能效性能更好 0
GB/40735一2021 考文 参 献 [1]IsO14955-3;2020Machinetools一Environmentalevaluationomachinetools一Part3: teestingmetalcutingmachinetoolswith efficiency Prineiplesfor respecttoenergy
数控机床固有能量效率评价方法GB/T40735-2021
随着工业技术的发展，数控机床已经广泛应用于现代制造业生产中。然而，数控机床的运行过程中会产生大量的能源浪费，导致能效低下，同时也增加了企业的能源成本。因此，评估数控机床固有能量效率是非常必要的。
GB/T40735-2021就是针对数控机床的固有能量效率进行了规定。其中，固有能量指机床在正常工作状态下消耗的能量，不包括下料、吸尘等辅助设备的能耗。
GB/T40735-2021标准主要包括以下几个方面：
- 数控机床固有能量效率的定义：明确了数控机床固有能量效率的定义和计算方法。
- 评价指标的选择：从能源利用率、能耗速度和能源损失三个方面选取了多个评价指标。
- 评价方法的实施：详细说明了如何对数控机床进行能效评估，以及如何根据评估结果制定能效提升方案。
该评价方法可以帮助制造企业确定数控机床的能源利用情况，发现不合理的能源浪费点，规划能效提升方案，降低企业的能源成本，提高生产效率。
总之，GB/T40735-2021标准为专业人士提供了一套科学的数控机床固有能量效率评价方法，有助于企业在生产中降低能源消耗，增强经济效益，推进可持续发展。
