面向加工中心的机械加工工艺过程节能优化方法研究

摘要

制造业是国民经济的支柱产业，机床作为制造业的生产“母机”，其节能运行研究是国家实施节能减排战略的需要，也是制造业实现可持续发展的重要途径。加工中心作为机床系统的重要组成部分，广泛应用于航空、航天、汽车制造等高精密工业生产领域，其生产性能和拥有量已成为当今衡量一个国家科技发展水平与综合国力的重要标志，是国家工业发展的基础与支撑。相比于普通数控机床，加工中心能耗特性复杂，有效能量利用率低，节能潜力巨大，提高其能量利用率对于机床系统整体能效水平的提升至关重要。基于此，本课题依托国家自然科学基金资助项目“基于工件能耗属性的制造系统能效提升方法研究”(编号:51275365)与国家高技术研究发展计划资助项目“典型机床绿色生产工艺技术评估及应用支持系统研究”（编号:2014AA041504）对数控加工中心机械加工工艺过程的节能优化方法进行了研究。主要工作如下:
　　首先，对加工中心机械加工系统的运行特点与能量流动特性进行分析，确定加工中心的能量流组成，在此基础上建立加工中心机械加工过程的能耗量化公式，并对各能耗系统的功率平衡方程进行分析研究，搭建加工中心机械加工系统的总能耗模型，为后续节能优化方法的研究奠定理论基础。
　　其次，对加工中心切削加工过程的切削用量优化方法进行研究，确定优化变量，搭加工中心切削加工过程的成本函数和能耗函数，综合考虑生产机床、加工刀具等约束条件，建立加工中心切削加工参数的节能优化模型，采用加权法将多目标函数转化成单目标，并基于自适应粒子群算法对目标函数寻优求解，为加工中心实施工艺参数的节能优化提供支持。
　　再次，对加工中心切削加工过程的工艺路线优化问题进行分析，提出了工步元的概念用于描述待加工零件的特征;在充分考虑工步元之间的优先约束关系的条件下，构建加工中心工步排序问题的节能优化模型;提出了一种基于约束分析的工步链智能生成算法与遗传算法相结合的混合式算法用于求解建立的优化模型，为加工中心实施工艺路线的节能优化提供支持。
　　最后，分别以平面铣削工艺和乳化液泵箱体的加工过程为例，在TH6350卧式加工中心上，对论文提出的工艺参数和工艺路线优化方法进行了应用分析，验证了论文所提优化方法的有效性与可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 机床能耗模型的研究现状

1．2．2 机床加工工艺参数优化的研究现状

1．2．3 机床加工工艺路线优化的研究现状

1．3 论文主要研究内容及体系结构

第2章 加工中心能耗建模

2．1 加工中心机械加工系统的构成及运行特点

2．1．1 加工中心机械加工系统构成

2．1．2 加工中心机械加工系统运行特点

2．2 加工中心机械加工系统的能量流特性分析

2．2．1 加工中心能量流特性

2．2．2 加工中心能耗构成

2．3 加工中心功率平衡方程及能耗模型

2．3．1 机床功率平衡方程

2．3．2 机床能耗模型

2．4 本章小结

第3章 加工中心工艺参数节能优化方法研究

3．1 优化变量的确定

3．2 优化模型的建立

3．2．1 成本目标函数的建立

3．2．2 能耗目标函数的建立

3．2．3 约束条件的建立

3．3 基于自适应粒子群算法(APSO)的优化模型求解

3．3．1 多目标函数的转化

3．3．2 基于自适应粒子群算法的优化决策

3．4 本章小结

第4章 加工中心工艺路线节能优化方法研究

4．1 加工中心工步排序优化决策问题的描述

4．2 加工中心工步排序节能优化模型的建立

4．2．1 约束的描述

4．2．2 工步链智能生成算法

4．2．3 优化目标函数的建立

4．3 基于改进遗传算法的优化模型求解

4．3．1 遗传算法简介

4．3．2 基因编码

4．3．3 初始种群的产生

4．3．4 适应度函数的确定

4．3．5 复制、交叉与变异

4．3．6 运行参数及终止条件

4．4 本章小结

第5章 应用案例

5．1 平面铣削加工过程参数节能优化实施与分析

5．1．1 加工实验条件

5．1．2 基于自适应粒子群算法的铣削参数优化

5．2 乳化液泵箱体加工过程工艺路线节能优化实施与分析

5．2．1 乳化液泵箱体加工特征分析

5．2．2 能耗计算模型有关参数信息及获取方法

5．2．3 基于改进遗传算法的工艺路线优化

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

附录