机械加工制造系统固有能效属性及其优化创建方法研究

Mechanical manufacturing system is in enormous quantity and covers a wide range of aspects, as well as, consumes great amount of energy, but energy efficiency is very low. Therefore, the research on energy efficiency of mechanical manufacturing system is developing rapidly in the world. The present research has focused on the energy efficiency in the service stage of the manufacturing system, so the objective of this project is to analyze the characteristics of energy consumption, which are born in the design and formation phases of the mechanical manufacturing system, and proposes a concept of inherent energy efficiency attributes which takes into account the inherent energy consumption attributes and inherent energy efficiency potential. Based on the connotation and characteristics of the inherent energy efficiency attributes, the inherent energy consumption parameters and function which reflecting the inherent energy consumption attributes, and the equivalent energy efficiency function model which reflecting the energy efficiency potential, are established respectively. An optimization approach of high efficiency mechanical manufacturing system is proposed based on an optimization model of inherent energy efficiency potential for deterministic task and incomplete deterministic tasks. And on the base of that, research the application mode of the above theory. The research achievements can provide theoretical and technical support to establish a high efficiency mechanical manufacturing system and promote the low energy efficiency system, and will have a good prospect of application.

机械加工制造系统量大面广、能量消耗总量巨大，但能量效率普遍很低，因此，对机械加工制造系统能效问题的研究正在全球迅速兴起，现有研究主要集中在制造系统服役阶段的能效方面。本项目以产生于机械加工制造系统设计和组建阶段的能量消耗特性研究为切入点，提出综合考虑机械加工制造系统的固有能量消耗属性和固有能量效率潜力的“固有能效属性”概念；通过研究固有能效属性的内涵和特性，建立反映固有能量消耗属性的固有能耗参数、能耗函数和反映固有能量效率潜力的当量能量效率的函数模型和分析方法；通过建立面向确定型任务和不完全确定型任务的机械加工制造系统固有能量效率潜力优化决策模型，提出高能效机械加工制造系统的优化创建方法；在此基础之上，研究上述理论的应用模式。研究成果将为高能效机械加工制造系统的创建、低能效制造系统的提升改造等提供理论和方法支持，具有较广阔的应用前景。

机械加工制造系统能效优化与提升是制造系统领域的重要学术热点问题，但目前以制造系统服役阶段为载体的能效研究，受制于加工系统设计结构、参数、工艺路线等客观约束，可对其进行的能效优化潜力有限。为此，本项目以典型机械加工制造系统为研究对象，对产生于机械加工制造系统设计和组建阶段的能量效率属性展开了系统研究，表征了包含机械加工制造系统固有能量消耗属性和固有能量效率潜力的“固有能效属性”的内涵，构建了以当量比能、当量能量利用率两个当量能量效率指标和待机功率、启动能耗函数、空载功率函数、载荷损耗系数函数等特征函数组成的机械加工制造系统固有能效属性体系结构；基于提出的一种用于反映机械加工制造系统未来服役阶段所有可能加工过程的能耗环节、能耗特点和能量效率特性的虚拟工件，建立了反映机械加工制造系统固有能量消耗属性的固有能耗参数及能耗函数和反映固有能量效率潜力的当量能量效率的函数模型和分析方法；进一步结合“固有能效属性”的函数模型，提出了一套基于能效比的机械加工制造系统能效等级量化方法，该方法不仅可以对加工系统的能效等级进行评定，还可以对加工系统的高能效区间进行评定，有效的弥补了加工系统缺少能效等级评定量化方法的问题；在此基础上，创建了一种专门针对加工系统组建阶段的能效潜力评估模型，实现对加工系统各个组建方案能量效率的量化评估，以支持高能效加工系统的定制、选择以及改造；最后，基于固有能效属性的函数模型、算法理论与业务流程，开发了一套机械加工制造系统固有能效属性评价系统，通过运行实例验证了系统的可行性和有效性。本项目部分研究成果已在企业开展了应用，对高能效机械加工制造系统的创建和低能效机械加工制造系统的提升改造具有理论与实践的双重意义。