机械加工制造过程能耗优化方法研究

摘要

制造业在将资源转变为产品或服务的过程中消耗了大量能量。机械加工作为制造业的主要生产过程，机床是机械加工制造过程的重要耗能制造资源。为应对全球气候变暖，提高制造业发展的可持续性，针对机械产品零件的机械加工制造过程能耗进行优化对于节约能源，实现低碳制造具有重要意义。为此，本文提出了通过集成工艺规划与生产调度进行机械加工制造过程能耗优化的方法，着重研究了机床设备资源状态建模与量化评估、机械加工制造过程能耗的定量计算、面向低碳制造的工艺规划与生产调度集成等内容。
　　针对机床设备资源状态建模与量化评估问题，首先讨论了资源能力与状态的区别，对机床设备状态进行了形式化的建模描述;然后建立了机床设备状态量化评价指标体系;结合建立的机床状态模型和评价指标体系，利用基于层次分析法的二级模糊综合评判法实现了机床设备状态量化分析，得到了机床设备状态总评分数，从而支持工艺规划资源决策。
　　针对机械加工制造过程能耗的定量计算问题，在界定的研究范围内，通过合理假设，利用基于动素的机床能耗模型，建立了机械产品零件的机械加工制造过程能耗计算模型。
　　针对面向低碳制造的工艺规划与生产调度集成问题，本文基于非线性工艺规划这一典型的工艺规划与生产调度集成模型开展研究。首先分析了非线性工艺规划的特点，结合AOS树理论介绍了表达它的AOS树建立过程和如何基于非线性工艺规划AOS树获得零件可选工艺路线。然后，借鉴现有柔性作业车间调度研究，通过合理假设，建立了以全部加工任务选择机床的综合平均状态、总完工时间以及机械加工制造过程能耗为优化目标，面向低碳制造的工艺规划与生产调度集成模型，给出了其数学表达。采用了基于智能算法的工艺规划与生产调度集成实现方法，利用染色体分层编码遗传算法求解建立的集成模型。当通过非线性工艺规划为每个零件生成的可选工艺方案给定时，该集成模型能权衡优化目标，决策出适合各零件的工艺路线、机床选择方案和相应的生产调度方案。
　　为验证本文提出的机械加工制造过程能耗优化方法节能效果，进行了案例研究。以某制造企业为背景，通过对比某批次机械产品零件在工艺规划与生产调度集成模式和传统串行工作模式下的机械加工制造过程能耗，验证了所提节能方法的有效性。使用基准实例测试验证了基于染色体分层编码遗传算法实现工艺规划与生产调度集成的可行性。
　　最后，对全文的主要研究内容和创新点进行了归纳总结，并对后续研究方向进行了展望和探讨。

目录

声明

致谢

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 问题的提出

1．3 论文相关领域的国内外研究现状

1．3．1 制造资源建模研究现状

1．3．2 机械加工工艺过程能耗建模研究现状

1．3．3 机械加工制造过程能耗优化研究现状

1．3．4 工艺规划与生产调度集成的研究现状

1．3．5 现有研究的不足和主要问题

1．4 论文研究内容及架构

1．4．1 论文研究范围界定

1．4．2 论文的主要研究内容

1．5 本章小结

2 机床设备资源的状态建模与量化评估

2．1 引言

2．2 机床设备资源状态建模

2．3 机床设备状态的量化评估

2．3．1 机床设备状态量化分析的指标体系

2．3．2 机床设备状态的量化分析计算

2．4 本章小结

3 机械加工制造过程能耗的定量计算

3．1 引言

3．2 机床设备的能耗特性分析

3．2．1 时间维分析

3．2．2 机床的能量流分析

3．2．3 机床耗能部件的运动特性分析

3．3 机械加工制造过程能耗计算模型

3．3．1 模型假设

3．3．2 动素及其功率模型

3．3．3 时间计算分析

3．3．4 能耗计算模型

3．4 本章小结

4 面向低碳制造的工艺规划与生产调度集成研究

4．1 引言

4．2 非线性工艺规划

4．3 非线性工艺规划的表达和获得

4．3．1 AOS树

4．3．2 非线性工艺规划AOS树的建立

4．3．3 零件可选工艺路线的生成

4．4 面向低碳制造的工艺规划与生产调度集成模型

4．4．1 生产调度问题的分类

4．4．2 模型假设

4．4．3 模型的数学表达

4．5 面向低碳制造的工艺规划与生产调度集成实现

4．5．1 染色体分层编码遗传算法及其求解流程

4．5．2 基于染色体分层编码遗传算法求解集成模型的主要步骤

4．6 本章小结

5 机械加工制造过程能耗优化方法应用案例分析

5．1 引言

5．2 典型机械产品零件及其可选工艺方案

5．2．1 典型机械产品零件

5．2．2 典型机械产品零件的工艺设计方案

5．3 典型机械产品零件加工可用机床设备状态的量化评估

5．3．1 同类指标间权重的计算

5．3．2 机床设备状态的模糊综合评判

5．4 典型机械产品零件的机械加工工序能耗计算

5．4．1 机床动素功率模型的建立

5．4．2 机械加工工序能耗的计算

5．5 不同机械加工制造过程能耗优化方法节能效果对比

5．5．1 工件在不同机床设备间的运输时间

5．5．2 能耗优化效果对比

5．6 集成模型求解结果与分析

5．6．1 基于染色体分层编码遗传算法求解集成模型的结果与分析

5．6．2 基于模拟退火算法求解集成模型的结果对比

5．7 基于染色体分层编码遗传算法的工艺规划与生产调度集成可行性分析

5．8 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

参与的科研项目和相关研究成果