面向广义能量效率的数控加工工艺规划理论与方法研究

CNC machining system is a system of close interaction among the machine tool, work piece, tool and other auxiliary resources. Currently, the researches of energy efficiency mainly focus on power consumption of machine tool, ignoring indirect energy consumption caused by the auxiliary resources such as cutting tool, cutting fluid, tooling and so on. CNC machining process conditions have significant effect on the energy efficiency, but the current research on the relationship between those is not enough, and there is a lack of a set of process planning theory and method for energy efficiency. So this project proposes the concept of "generalized energy efficiency", analyzes the characteristics of generalized energy flow, and establishes two generalized energy efficiency models for specific energy and energy utilization rate. Then we establish typical CNC machining process energy efficiency experiment model under different process conditions, to reveal the relationship and mechanism among the CNC machining process parameters, the process route and generalized energy efficiency. On these bases, we further study the multi-objective optimization models of CNC machining process parameters, process routes considering generalized energy efficiency. At last, some typical CNC machining processes are selected to carry out the application research. This project will form a set of process planning theory and method for CNC machining considering generalized energy efficiency, which can provide technical support of energy efficiency optimization and improvement for varies CNC machining system, so it have vast application prospects.

数控加工系统是"机床-工件-刀具"密切作用的系统，目前其能效方面的研究多关注机床电能消耗，忽视了刀具、切削液、工装等辅助资源产生的间接能量消耗。数控加工的工艺条件对能量效率有显著的影响，但目前对两者之间的映射关系与作用机理研究较少，缺乏一套面向能效的工艺规划理论和方法。本项目提出数控加工系统"广义能量效率"的概念，系统分析广义能量流的构成特性，建立面向比能和能量利用率的广义能量效率模型；其次，建立不同工艺条件下典型数控加工工艺的能效实验模型，揭示数控加工工艺参数、工艺路线与广义能效的映射关系与作用机理；在此基础上，深入研究面向广义能效的数控加工工艺参数、工艺路线多目标集成优化模型与方法；最后选取典型数控加工工艺开展实验验证和应用研究。本项目将形成一套面向广义能量效率的数控加工工艺规划理论与方法，可为量大面广的数控加工系统能效优化与提升提供支撑，具有广阔的应用前景。

数控加工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，但目前关于工艺规划能效提升的研究较少同时考虑电能消耗及辅助资源能耗，缺乏全面、深入的面向广义能效的工艺规划映射关系模型及有效的优化方法。项目组搭建了机床能效实验平台，在此基础上建立了面向比能和能量利用率的广义能量效率实验模型，进而揭示了数控加工工艺参数、刀具直径、工艺路线与广义能效的映射关系与作用机理，深入研究了面向广义能效的数控加工工艺参数、刀具直径与工艺路线多目标集成优化模型与方法，所形成一套面向广义能量效率的数控加工工艺规划理论与方法为量大面广的数控加工系统能效优化与提升提供了理论方法基础和技术支撑。其主要研究成果为：（1）研究了广义能量耗散机理，建立了数控加工系统广义能量效率模型；（2）选取数控加工工艺设计广义能效实验，建立了典型加工工艺下工艺参数与广义能效的映射关系；（3）建立了单工步工艺参数广义能效优化模型及方法，揭示了各工艺参数对广义能效的影响机理；（4）建立了考虑工步数的多工步工艺参数多目标集成优化模型，提出了多工步工艺参数能效优化方法，揭示了工步数、各工步工艺参数与广义能效的关联关系；（5）建立了刀具组合优化选择模型及刀具直径、工艺参数集成优化模型，提出了多刀具能效优化方法，揭示了不同刀具直径、刀具-工艺参数组合对广义能效的影响规律；（6）建立了工艺路线多目标优化模型，并提出了多目标模拟退火求解算法，揭示了不同工艺路线方法对能效的影响机理；（7）建立了工艺路线与生产调度集成优化模型，提出了多目标节能优化方法，揭示了工艺路线、生产调度与广义能效的关联关系及作用规律；（8）对以上模型与方法进行了应用研究，开发了面向广义能效的数控加工工艺规划支持系统。以上成果在典型制造企业进行了工程应用，实现了加工过程综合能效提升15%以上，取得了显著的社会效益与一定的经济效益。