绿色高效切削加工工艺优化及其智能专家系统研究

发布时间：2020-07-30 02:59

【摘要】：在节能减排和中国制造2025大背景下,如何减少制造过程中的能耗、碳排放量,已成为工业界和学术界研究的重点。机床能耗在机械制造业能耗中占很大比重,实现绿色高效切削加工对于机床加工来说是降低切削加工能耗和环境排放、提高加工效率的有效途径。目前,在绿色制造方面,关于绿色高效切削加工工艺参数优化和加工工艺制订的解决方案还不够完善,能对制造企业零部件切削加工工艺既能进行资源环境属性综合分析和绿色度评价,又能实现绿色高效切削加工工艺智能推理优化的专家系统软件较为缺乏,亟待解决。基于此,本文对切削加工过程中的资源环境属性评价指标体系及其量化方法、绿色度评价和优选方法、绿色高效切削加工工艺参数优化及其智能专家系统进行研究,为典型零部件切削加工提供绿色高效切削加工工艺智能优化的指导,这对实现装备制造业生产加工过程的节能减排具有十分重要的理论意义和应用价值。论文建立了机床切削加工工艺的资源环境属性分析模型,构建了资源环境属性数据测试采集平台,建立了机床切削加工过程中的资源环境属性绿色度评价指标体系,提出了资源环境属性绿色度评价指标量化的计算方法,提出了采用模糊层次分析法的切削加工过程资源环境属性多目标综合评价与优选方法,实现了机床切削加工工艺资源环境属性绿色度评价及工艺方案优选。通过采集的典型零部件切削加工工艺实例数据和实验数据,分析了机床切削加工过程中的能量流和各机床组件的能耗组成,建立了机床切削加工能耗模型,对切削加工过程各加工状态的能耗进行分析,提出机床切削加工全过程能耗的计算模型,进行了机床切削加工过程功率建模和分析实例;建立了机床切削加工的切削比能模型和能量效率模型;分析了机床切削加工过程中能耗、去除材料、刀具损耗和切削液等所引起的碳排放,建立了各部分的碳排放计算模型。提出了以切削比能最低和加工时间最少为优化目标的机床切削加工工艺参数优化方法,建立了高效低耗加工工艺参数优化模型,以满足机床切削加工的节能降耗需求,实现机床加工系统的节能优化;在高效低耗切削加工工艺参数优化研究基础上,进一步提出高效低耗低碳切削加工工艺多目标多工步综合优化方法,实现机床切削加工过程中高效、低耗、低碳的多目标综合优化,以满足机床切削加工过程节能和低碳制造的需求。结合优化实例对以上两种切削加工工艺参数优化方法进行对比分析。提出了采用模糊层次分析法结合CRITIC算法的综合实例检索算法进行相似度计算和相似性判断,实现了加工工艺集合实例、属性、主客观权重的多维优化与智能推理;开发了绿色高效切削加工工艺智能专家系统,该系统主要包括了资源环境属性数据查询和综合评价、绿色高效切削加工工艺智能优化等模块,既能对机床切削加工工艺过程中的资源环境属性进行分析及绿色度评价,优选出资源环境属性绿色度最佳的加工工艺,又能对典型零部件待加工工艺进行智能推理和优化,为典型零部件加工提供绿色高效切削加工工艺的智能优化指导。以某机床典型零部件头架主轴待加工工艺为例,采用本系统进行绿色高效切削加工工艺智能优化,与原工艺方案相比,其加工能耗降低10.71%,加工时间减少22.45%,碳排放量缩减1.44%。
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG506;X322
【图文】：

测力平台,测试平台,能耗

湖南科技大学博士学位论文采用机床能耗测试平台、噪声测试仪、粗糙度仪、测力仪与粉尘测试仪等设备仪器在合作企业和实验室进行机床切削加工工艺的基础实验数据采集。根据切削力公式与切削功率的关联关系，搭建由多功能数字功率计、切削力测试平台 Kistler9253B、工控机、存储器、交流电流传感器等器件组成的机床能耗测试平台，为机床切削加工能耗实验数据采集提供必要的设备条件，如图 2.6 所示；采用噪声测试仪测量机床在切削加工过程中产生的噪声，如图 2.7 所示；采用粉尘测试仪测量加工现场由于铁屑、切削液等引起的粉尘，如图 2.8 所示；采用德国马尔 Mahr 公司生产的 MarSurfM300 表面粗糙度仪测量加工工件的已加工表面粗糙度，如图 2.9 所示；采用超景深三维显微系统 VHX-500FE检测刀具磨损情况，估算刀具寿命，如图 2.10 所示。

测试平台,能耗

噪声测定仪Fig.2.7Noisemeasuringinstrument

粉尘,激光,测试仪,表面粗糙度

图 2.8 激光粉尘测试仪Fig. 2.8 Laser dust measuring instrumen图 2.9 MarSurf M300 表面粗糙度仪arSurf M300 surface roughness measuring

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