数控加工过程能耗优化及（火用）损失评价方法研究

发布时间：2018-11-22 10:01

【摘要】：现代制造业在将制造资源转变为产品以及产品的使用过程中,消耗了大量的能源和自然资源并对环境造成严重污染。目前,我国机械制造企业能源利用效率低下的问题十分严重,资源消耗所导致的环境污染也十分严重,能源问题已经成为我国经济发展中的战略问题。制造过程的节能优化是实现可持续制造的基础,是可持续发展战略在制造业中的体现。因此,促进机械制造企业提高能源利用效率、减少资源浪费具有重大意义。考虑机床主轴空转能耗,建立了加工过程切削参数与加工能耗之间的数学关系模型。通过搭建数控机床加工过程能耗监测平台,以数控铣削为例,研究机床在不同加工状态及不同切削参数条件下切削功率的变化规律,采用理论分析推导与经验建模相结合的方式,建立了加工过程切削参数与加工能耗之间的关系模型。通过切削实验及数据拟合获得能耗模型的系数,对能耗模型系数进行了分析研究,给出了模型系数的明确含义,便于实验获取和实际应用。最后,通过铣削实验对建立的能耗模型的有效性进行了验证,实现了对加工过程能耗的准确预测,为后续考虑能耗的机床及车间加工过程节能优化、环境影响评价和能耗动态仿真研究奠定了基础。将加工能耗作为切削参数优化的目标之一,提出了一种综合考虑加工能耗、生产率和表面加工质量三者权衡的多目标优化方法。该方法采用改进的灰色关联分析理论对多目标优化问题进行求解,采用切削参数的改变对优化目标的各自综合影响量化值的比例作为多个目标权重分配的依据。最后,通过正交实验对提出的优化方法进行验证,达到在给定切削参数范围进行优化以同时提高生产率和表面加工质量,并降低加工能耗的目的。同时,基于上述建立的加工过程能耗模型,考虑了切削参数的变化对加工时间和加工能耗的影响,将单台机床切削参数优化融入到车间优化调度问题中,提出了一种混合流水车间的双层(机床层和车间层)优化调度方法。通过混合流水车间调度案例对提出的双层优化调度方法进行验证,为面向可持续制造的机床及车间节能优化提供理论及技术支撑。针对无法将加工过程的能量和物料流在同一标准下进行分析评价的问题,本文引入了（火用）的概念用于综合评价能量和物料流,提出了一种加工过程（火用）损失评价方法。基于上述建立的加工过程能耗模型,在同一尺度上综合考虑加工过程的能量流和物料流,分析了加工过程中切削活动、压缩气体散失、刀具磨损、切削液耗散以及金属切屑产生过程的（火用）损失情况,建立了加工过程（火用）损失与切削参数之间的定量关系,使用单位切削（火用）损失作为加工过程的环境影响评价指标,解决了电能消耗、刀具磨损、切削液耗散等不同因素的权衡问题。通过不同刀具轨迹的铣削实验验证了加工过程（火用）损失评价方法的可行性和有效性。通过不同切削参数铣削实验研究表明,选择较大的进给速度和较低的主轴转速可有效降低加工过程的单位切削总（火用）损失,为实现数控加工过程提高能源利用率,降低资源消耗的目标提供重要的理论支撑。基于上述建立的加工过程能耗模型,开发了数控加工过程能耗动态仿真支持系统,用于辅助机床操作人员在进行工件加工前,将能耗、加工效率等因素进行综合考虑,对加工方案做出快速有效的分析决策。设计了能耗动态仿真软件的各个功能模块,并且分析了各个模块之间的关系,给出了仿真软件的工作流程。最后,通过能耗测试件切削实验,验证了能耗动态仿真软件的可行性,为加工过程能耗的准确评估提供了有效工具。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG659

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