機械加工車間多能耗特征建模及任務節(jié)能優(yōu)化配置方法研究.pdf

1、節(jié)能減排是我國制造業(yè)的一個重要科技發(fā)展方向。機械加工車間是一種以機床為主體，將物料資源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品或半成品，并產(chǎn)生大量能量消耗的制造系統(tǒng)。量大面廣的機械加工車間節(jié)能潛力和環(huán)境減排潛力巨大。如何實現(xiàn)機械加工車間生產(chǎn)過程的節(jié)能是我國制造業(yè)在全球低碳化新形勢下面臨的挑戰(zhàn)之一。目前機械加工車間能耗優(yōu)化的相關研究主要集中在設備能耗及工藝能耗等方面，而針對整個機械加工車間生產(chǎn)過程的系統(tǒng)能耗建模問題的研究較少，特別缺乏從生產(chǎn)運作層面開展的節(jié)能優(yōu)化的研究

2、。為此，本論文圍繞機械加工車間的復雜能耗特征及加工任務節(jié)能優(yōu)化配置方法等方面進行了研究。
　　針對機械加工車間的能耗過程涉及的能耗環(huán)節(jié)多、動態(tài)變化大、能耗規(guī)律復雜等特點，提出了一種機械加工車間生產(chǎn)過程的能量流分析框架。從機床設備層、任務流程層和輔助生產(chǎn)層等三個層次對機械加工車間的能量流進行層次化分析。在此基礎上，從時間維和空間維對機械加工車間能量流進行建模，其中從空間維角度對空間分布的各能量源的能耗特征進行量化分析，從時間維角度對

3、機械加工車間的能耗隨時間變化的特征進行分析。
　　機械加工車間生產(chǎn)環(huán)境常因機床設備和加工工件的變化而發(fā)生變化，如機床設備添置、新工件到達、工件的工藝路線或工藝參數(shù)的變動等都會引起機械加工車間生產(chǎn)環(huán)境的變化。針對機械加工車間動態(tài)環(huán)境下能耗特征建模中的多要素影響和生產(chǎn)環(huán)境動態(tài)變化等問題，提出了一種基于著色賦時面向?qū)ο驪etri網(wǎng)（Colored Timed Object-oriented Petri Net，CTOPN）的多能耗特征建

4、模方法。CTOPN建模方法集成了面向?qū)ο蠓椒ê蚉etri網(wǎng)的優(yōu)點，能夠靈活的適應機械加工車間生產(chǎn)環(huán)境的變化。在機械加工車間生產(chǎn)過程的能量流分析的基礎上，將機械加工車間的多能耗特征分為結構性能耗特征、狀態(tài)性能耗特征、工藝性能耗特征和匹配性能耗特征。通過構建CTOPN模型的幾何結構來對結構性能耗特征和狀態(tài)性能耗特征進行建模，通過定義著色token及其相關屬性來對工藝性能耗特征和匹配性能耗特征進建模。
　　為了進一步支持機械加工車間能耗

5、特征分析需要底層機床設備能耗信息支持的問題，提出了一種基于NC代碼的機床設備能耗評估方法。該方法將機床設備的耗能部件進行分解并分別對其能耗特征進行建模；對NC代碼與機床各耗能部件運行狀態(tài)的對應關系進行分析，在此基礎上對NC代碼進行解析；基于NC代碼解析獲得的各耗能部件的運行參數(shù)（運行狀態(tài)和運行時間）及各能耗模型所需的相關參數(shù)，對機床設備執(zhí)行NC代碼所消耗的能量進行評估。
　　針對機械加工車間復雜能耗過程，從生產(chǎn)運作層面對機械加工車

6、間加工任務的節(jié)能優(yōu)化配置方法進行了研究。對機械加工車間生產(chǎn)運行過程的能耗受機床選擇和工序加工順序影響的特性進行分析；在此基礎上提出了一種集成機床選擇和工序排序的加工任務節(jié)能優(yōu)化配置方法，該方法采用混合整數(shù)規(guī)劃建立該問題的優(yōu)化模型，并采用嵌套分割算法對該節(jié)能優(yōu)化配置問題進行求解；進一步在對機械加工車間的能耗受隨機事件影響的特性分析的基礎上，提出了一種考慮新工件到達和機床故障的節(jié)能優(yōu)化配置方法，并采用非支配排序遺傳算法II對該動態(tài)節(jié)能優(yōu)化配