面向低碳制造的机械加工工艺过程能量需求建模与智能计算研究

摘要

制造业在将资源转变为产品或服务的过程中带来巨大能量消耗，对环境造成污染并产生大量的二氧化碳排放。机械加工作为制造业中主要的生产过程，在制造业节能减排中起着举足轻重的作用。机械加工工艺全过程能量精确评估是机械加工工艺过程能量改善和优化的前提，是实现低碳制造的基础。针对机械加工工艺全过程能量需求建模与智能计算问题，本文着重研究了机械加工工艺过程能量需求分解、机械加工工艺活动能量需求建模，机械加工工艺活动转移能量需求建模和机械加工工艺过程能量需求智能计算等内容。
　　针对机械加工工艺过程能量需求分解问题，首先分析机械加工工艺过程能量需求特性，根据能量需求特性差异将机械加工工艺过程划分为活动和活动转移，进而将机械加工工艺过程能量需求分解为活动能量需求和活动转移能量需求，实现了工艺过程能量需求的分解;并对活动/活动转移以及能量计算参数进行明确定义与描述，为后续研究奠定基础。
　　针对机械加工工艺活动能量需求建模问题，提出一种基于动素的活动能量需求建模方法;将活动分解为基本的动素，归纳并定义十四种基本动素，接着根据动素功率特性的不同，将动素划分为恒功率非材料切削动素、变功率非材料切削动素、恒切削速率材料切削动素和变切削速率切削动素，并且采用借鉴已有模型、改进已有模型和构建新模型三种方法构建了动素功率模型;接下来以运行状态为桥梁，构建了活动-动素间的关系模型，基于动素功率模型与活动-动素关系等模型，建立机械加工工艺活动的预测功率曲线，并建立机械加工工艺活动能量需求模型，实现了机械加工工艺活动能量需求的事前计算和分析。
　　针对机械加工工艺活动转移能量需求建模问题，提出一种基于有限状态机的活动转移能量需求建模方法;针对活动转移特点，引入有限状态机对活动转移进行描述，将活动转移转换为状态转移，并根据帕累托原理确定关键状态转移，接着建立关键状态转移的能量需求模型;在此基础上，构建机械加工工艺过程状态转移图，并确定机械加工工艺过程的关键状态转移及执行次数，结合已建立的关键状态转移能量需求模型，构建机械加工工艺活动转移能量需求模型;在活动功率预测曲线基础上嵌入活动转移功率，构建机械加工工艺全过程的预测功率曲线（活动+活动转移）;实现了机械加工工艺活动转移能量需求的事前计算和分析。
　　针对机械加工工艺过程能量需求智能计算问题，研究了基于能量计算参数提取与继承的工艺能量需求智能计算方法;首先研究机械加工工艺过程能量计算参数的提取方法，获得活动及活动转移的能量计算参数;接着对能量计算参数继承进行定义，建立活动和运行状态间的完全继承和续效继承规则，运行状态和动素间的匹配继承和复制继承规则;基于上述继承规则实现能量计算参数的传递，接下来研究基于能量计算参数继承的活动和活动转移能量需求智能计算，进而实现机械加工工艺全过程能量需求智能计算;最后以常见机械零件加工过程为例，验证所提方法的可行性和有效性。
　　最后，对全文主要研究内容进行总结，归纳其中的创新点，并对后续研究方向进行展望和探讨。

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 课题来源及研究目的

1．2．1 课题来源

1．2．2 研究目的

1．3 相关领域研究现状

1．3．1 机械加工工艺过程低碳制造研究现状概述

1．3．2 机械加工工艺活动能量需求建模研究现状

1．3．3 机械加工工艺活动转移能量需求建模研究现状

1．3．4 机械加工工艺过程能量需求智能预测研究现状

1．4 论文研究内容及架构

1．5 本章小结

2 机械加工工艺过程能量需求特性分析与需求分解

2．1 引言

2．2 机械加工工艺过程能量需求特性分析

2．3 机械加工工艺过程能量需求分解

2．4 本章小结

3 机械加工工艺活动能量需求建模

3．1 引言

3．2 活动的基本构成要素-动素

3．3 动素功率特性分析与建模

3．3．1 动素功率特性分析与分类

3．3．2 动素功率建模

3．4 活动与动素间的关系模型构建

3．4．1 运行状态与动素间映射关系

3．4．2 活动与运行状态间映射关系

3．4．3 活动与动素间映射关系

3．5 机械加工工艺活动能量需求计算

3．6 机械加工工艺活动能量需求建模实例研究

3．7 本章小结

4 机械加工工艺活动转移能量需求建模

4．1 引言

4．2 机械加工工艺活动转移的有限状态机描述方法

4．2．1 有限状态机定义与描述

4．2．2 活动转移的有限状态机表示

4．2．3 状态转移分类及能量需求特性分析

4．3 关键状态转移能量需求建模

4．3．1 主轴(Ls→Hs)能量需求模型

4．3．2 定位(Ls→Hs)能量需求模型

4．3．3 冷却(off→on)能量需求模型

4．3．4 换刀(off→on)能量需求模型

4．4 机械加工工艺活动转移能量需求计算

4．4．1 状态转移图构建

4．4．2 活动转移能量需求计算

4．5 机械加工工艺活动转移能量需求建模实例研究

4．6 本章小结

5 机械加工工艺过程能量需求智能计算方法

5．1 引言

5．2 机械加工工艺活动／活动转移及其能量计算参数提取方法

5．2．1 活动及其能量计算参数提取方法

5．2．2 活动转移及其能量计算参数确定方法

5．3 机械加工工艺过程能量计算参数继承方法

5．3．1 能量计算参数继承定义

5．3．2 活动与运行状态间能量计算参数继承

5．3．3 运行状态与动素间能量计算参数继承

5．4 机械加工工艺过程能量需求计算基础表与基础函数

5．4．1 机械加工工艺能量需求计算基础表构建

5．4．2 机械加工工艺能量需求计算基础函数构建

5．5 机械加工工艺过程能量需求智能计算

5．5．1 活动能量需求智能计算

5．5．2 活动转移能量需求智能计算

5．6 机械加工工艺过程能量需求智能计算实例研究

5．7 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

参与的科研项目及相关研究成果