基于DEVS的机械加工过程碳排放多粒度动态模型构建及仿真

机械加工过程碳排放分析是低碳制造（Low carbon manufacturing,LCM）技术发展、创新及应用的基础。针对加工过程中的离散性、动态性及加工设备的高度非线性特点,同时为充分反映多设备、多工艺特征下的各类外部、内部事件对加工过程碳排放的影响,提出一种基于离散事件系统规范（Discrete event system specification,DEVS）的机械加工过程碳排放多粒度动态模型与仿真方法。基于对加工过程层级结构及碳排放特性的分析,采用DEVS分层阶梯建模方法,并结合信息控制下的加工运行机制及调度规则,构建设备层、工作组层、工艺链层的碳排放多粒度动态模型。以某全数控磨床尾架主轴的加工过程为例,基于Eclipse平台下的CD++Builder插件设计了各层次DEVS仿真模型,并通过所开发的仿真应用程序,对模型及方法进行了验证。该方法对于构建规范化、形式化的加工过程碳排放模型,实现加工过程各层级碳排放的实时动态分析与预测、定量评估低碳加工单元具有较广阔的应用前景。     

三维模型驱动的零件切削过程碳排放评估

针对传统产品生命周期碳排放评估方法对产品开发周期的延拓问题,将零件切削过程作为研究对象,以典型加工工步特征为核心,构建了输入-加工-输出切削工步系统模型;在分析典型机床加工特点及其碳排放影响因素的基础上,建立了零件机加工工艺过程碳排放量化公式,提出了基于Pro/E环境的零件切削过程碳排放量化评估方法。该方法在Pro/E平台上利用Pro/Toolkit函数自动识别与提取零件模型信息,再结合工艺方案与工艺过程量化公式,在零件设计过程中就可实现其工艺碳排放的量化评估。     

面向低碳制造的机械加工系统工艺优化模型及方法研究

低碳制造在现代化企业中是一种可持续发展的模式,在实际应用中具有明显的经济效益与社会效益,在当前的机械制造行业成为其显著的特点.低碳制造的实行主要以科学技术为支撑,在机械加工过程中对资源消耗和废弃物的排放具有重要的辅助作用.面对低碳制造的机械加工系统工艺优化模型及方法进行研究,对整个加工过程中的各要素以及各要素之间的关系进行了描述及分析,与机械加工系统在运行过程中产生的资源消耗与环境影响相结合,对工艺的优化进行了具体的分析,同时对优化的方法进行了简单的分析,希望可以为有关低碳制造方面的研究提供一些理论性的参考与借鉴.     

碳达峰碳中和背景下低碳制造研究现状与技术路径研究

通过对国内外低碳制造发展分析，系统探讨低碳制造内涵、低碳制造理论体系，从碳排放核算与碳足迹评估、产品低碳设计与开发、低碳制造工艺与装备、数据驱动的碳排放动态监测、制造系统低碳优化运行、制造过程碳效率优化与精益管控以及低碳制造模式等几个方面分析了国内外低碳制造技术创新现状，进而针对我国碳达峰碳中和需求，提出基于工业互联网、大数据等新一代信息技术的“碳核算、碳诊断、碳减排”低碳制造技术路径，建立了工业双碳大数据平台。     

低碳低成本约束下箱体零件加工路线优化方法

针对箱体零件工艺设计过程中工艺路线的低碳低成本优化问题,分析了复杂箱体零件的加工特征。在加工工步排序原则和机械加工工艺路线的基础上,根据多色集理论构建了工步排序问题的“特征-工步”和“特征-面孔”围道布尔矩阵,提出了以最低总碳排放（低碳）和最低加工成本（低成本）为优化目标的机械加工工艺路线多目标优化方法,并将改进的遗传算法应用到求解工步排序的问题中,从而得到最优解。以某型号箱体零件为例,验证了所提优化方法的有效性和可行性。     

Shared and service-oriented CNC machining system for intelligent manufacturing process

To improve efficiency, reduce cost, ensure quality effectively, researchers on CNC machining have focused on virtual machine tool, cloud manufacturing, wireless manufacturing. However, low level of information shared among different systems is a common disadvantage. In this paper, a machining database with data evaluation module is set up to ensure integrity and update. An online monitoring system based on internet of things and multi-sensors "feel" a variety of signal features to "percept" the state in CNC machining process. A high efficiency and green machining parameters optimization system "execute" service-oriented manufacturing, intelligent manufacturing and green manufacturing. The intelligent CNC machining system is applied in production. CNC machining database effectively shares and manages process data among different systems. The prediction accuracy of online monitoring system is up to 98.8% by acquiring acceleration and noise in real time. High efficiency and green machining parameters optimization system optimizes the original processing parameters, and the calculation indicates that optimized processing parameters not only improve production efficiency, but also reduce carbon emissions. The application proves that the shared and service-oriented CNC machining system is reliable and effective. This research presents a shared and service-oriented CNC machining system for intelligent manufacturing process.     

激光清洗过程低碳建模与工艺参数优化

激光清洗是应用脉冲激光束高能量冲击去除基材表面污染物,已广泛应用于航空航天、海工等领域高端装备的运维。但其清洗工艺时间长、激光束的高热量及电能的不完全转化导致大量碳排放产生。基于此,提出一种面向低碳的激光清洗过程工艺参数多目标优化方法。首先,分析激光清洗工艺碳排放特性,搭建激光清洗碳排放监测平台,建立激光清洗过程碳排放模型,探究激光清洗工艺参数对碳排放的影响规律;在此基础上,以清洗质量最佳、碳排放最低为目标,建立激光清洗过程多目标工艺参数优化模型,提出一种基于佳点集与协同进化框架多目标进化算法的模型求解方法,解决初始解质量差、种群多样性差、易陷入局部最优等问题;运用改进GRA与TOPSIS方法获得最佳的工艺参数组合。最后,应用QZ2425激光清洗装备对2A12铝合金进行除漆实验,实验表明：该模型及算法可有效降低激光清洗过程碳排放,保证清洗质量,为我国激光加工产业实现碳达峰、碳中和提供一条有效途径。     

面向清洁生产的磨削工艺方案多层多目标优化模型及应用

为了实现磨削过程的节能减排,提出了一种面向清洁生产的磨削工艺方案多层多目标优化模型。从清洁生产“三流（物料流、能量流、环境排放流）”的角度建立了面向清洁生产的磨削能耗与碳排放模型。从工艺路线和工序工艺参数层建立了以磨削能耗、磨削碳排放和磨削时间为目标的多层多目标优化模型,采用基于层次分析法和客观赋权法(CRITIC)法组合赋权的改进遗传算法进行优化求解。以某轴承套圈为研究对象进行磨削工艺实验,结果表明：通过算法优化得到的加工方案相较于传统的加工方案,在工艺层面节约了6.48%的加工时间、降低了42.81%的能耗、减少了8.26%的碳排放;在工序层面缩短了25%的磨削时间、降低了18.84%的能耗、减少了8.69%的碳排放。结果验证了模型和方法的有效性。最后依据上述研究结果提出了相应的节能减排策略。     

产品制造过程碳足迹核算及其优化问题

为了减少各产品在制造过程中的碳足迹,并为未来产品碳标签核算提供较为准确的计算方法,提出了一种基于制造过程碳排放与被加工产品之间对应关系的产品制造过程碳足迹计算方法;针对柔性作业车间,为减少产品制造过程碳足迹,并保证完工时间以及车间设备利用率,提出了一种以所有产品制造过程碳足迹总和最短、最长完工时间最短、车间设备利用率最大的多目标优化调度模型;设计了第二代非支配解遗传算法进行求解,与传统调度模型的对比说明,所提出的优化调度模型在完工时间损失不大并保证车间设备利用率有改善时,可以使所有产品制造过程碳足迹有较大的改善,从而验证了研究的有效性。     

基于自适应蚁群算法的工艺路线优化

针对计算机辅助工艺设计中最优方案选择,提出一种以制造资源更换率最低为目标的自适应蚁群优化方法(Adaptive ant colony algorithm,AACA)。通过分析零件特征,根据精度要求对制造特征进行分解,提出加工元概念。加工元被定义为特定的制造特征、加工阶段、加工方法、制造资源、装夹位置的集合,工艺路线的确定被转换为对加工元的优化顺序安排问题。以制造特征之间的几何位置约束,各加工阶段的先后顺序约束为基本元素,构造加工元优选约束矩阵,给出基于优选约束矩阵的加工元优选原则。在加工元优先顺序约束和可用制造资源的共同约束下,将缩短加工周期、提高加工质量和降低加工成本的综合目标表达为制造资源更换率最低,进行优化目标函数的数学建模。指出加工元优化排序可类比旅行商问题,并选择AACA进行优化求解。实例分析表明提出的方法可以可靠和有效地得到符合生产实际的工艺路线。     

A unified localization approach for machining allowance optimization of complex curved surfaces

The goal of workpiece localization is of interest to find the optimal Euclidean transformation that aligns the sampled points to the nominal CAD model to ensure sufficient stock allowance during the machining process. In this paper, a unified localization technique is developed for sculptured surface machining. This technique concerns an alignment process to satisfy a user-defined set of constraints for some specific surfaces where the machining allowance is preferentially guaranteed. The mathematical model of the constrained optimization alignment is firstly established, and is efficiently solved by a combination of the multipliers method and the BFGS algorithm to handle the large number of constraints in allowance optimization. To efficiently calculate the Euclidean oriented distance, a novel approach, which combines the robust arithmetic for multivariate Bernstein-form polynomials and Bezier surface segmentation algorithm, is presented based on recursive quadtree decomposition. Two typical sculptured surfaces are used to test the developed algorithm and comparisons between the proposed algorithm and the existing algorithms are given. Experiment results show that the proposed method is appropriate and feasible to distribute the stock allowance for proper sculptured surface machining.     

产品装配过程碳排放解算

对产品的碳排放进行解算,能够从一定程度上验证产品的环境友好性。针对产品装配过程碳排放难以量化分析这一问题,以典型联接特征为核心构建输入-处理-输出装配系统模型,在研究各典型联接类型装配能耗的基础上,提出一种针对产品装配过程的碳排放静态解算方法。以基本碳排放为度量,研究装配过程的辅助工艺及装配环境对碳排放解算的影响。以空调室外机为例,计算其内部各联接关系装配过程碳排放,并采用生命周期分析软件GaBi计算空调室外机生命周期碳排放。结果表明空调产品装配过程的碳排放占其产品整个生命周期碳排放的比例极小(实例中为0.010 08%),在对该类产品进行全生命周期碳排放解算中,是可以将装配过程忽略的。     

自由曲面三坐标加工等间距刀具路径规划

为提高自由曲面数控加工的切削效率,改善刀具的受力状态,提出了一种自由曲面三坐标加工等间距刀具路径规划方法.分析了在实际加工过程中可采用的几种刀具路径规划方法及其实现等距加工的约束条件.研究了等间距刀具路径的计算方法,并针对计算过程中出现的逼近误差校验和刀具路径延伸与裁剪问题给出了解决方法.对等参数线法和等距截面法进行了比较,表明应用该方法规划自由曲面刀具路径,可提高走刀路径对曲面形状变化的适应性和切削行间距分布的均匀性.     

基于设计特征的机电产品低碳设计方法

为支持在产品设计阶段进行生命周期碳足迹评估以及设计方案低碳优化,提出一种基于设计特征的产品低碳设计方法。构建产品设计方案特征表达模型,来表征与产品生命周期碳足迹相关设计信息;通过分析产品设计特征与生命周期碳足迹的关联映射关系,提出基于设计特征的产品碳足迹评估方法;建立基于差分算法的低碳优化模型,以生命周期碳足迹最小为目标优化设计特征,获取低碳性能最优的设计方案;以某冰箱作为研究对象进行低碳设计,验证所提方法的可行性和有效性。     

面向CAPP的零件装夹规划算法研究

针对计算机辅助工艺过程设计（CAPP）中的零件装夹规划问题,提出了一种基于模糊聚类分析的装夹规划方法。从定义特征加工元着手,建立了零件的装夹规划数学模型,给出了求解此模型的模糊聚类分析方法。从工艺决策的角度,分析了影响装夹规划中加工元聚类的加工设备、特征可进刀方向、工艺原理约束等相关因素,以此计算出了加工元间的模糊相似性。基于加工元同安装相近关系矩阵,应用编网法对加工元在不同层次上进行聚类,形成了安装实体;基于加工元优先关系图,遵循换刀次数最少原则对安装内的加工元进行了排序。最后以实例验证了该方法的可行性。     

一种支持型腔粗加工刀具序列高效优化的刀具筛选方法

型腔加工是现代数控加工中广泛面临的一类加工问题。刀具筛选是型腔粗加工刀具序列优化过程中的一个重要环节。现有的基于几何、设备和工艺等约束的刀具筛选方法并不能判别因刀具之间相互制约而产生的冗余刀具,降低了刀具序列优化的效率。通过对比刀具组合过程中因不同刀具的优势互补而产生的效益增量与因换刀带来的相关效益损失量,建立一种用于判断刀具序列是否有效的分析模型;在此基础上,从刀具序列的组合形态的角度构造并证明一种可以判别部分冗余刀具的规则,并将其与基于几何、设备和工艺等约束的刀具筛选方法相串联,得到一种可支持刀具序列高效优化的刀具筛选方法;研究新方法的实现技术,包括刀具加工能力的估算方法和刀具组合有效性的计算方法;算例结果表明所提方法在去除冗余刀具上的效果明显,能为刀具序列的高效优化提供有效支持。     

GA-based synthesis approach for machining scheme selection and operation sequencing optimization for prismatic parts

To obtain global and near-global optimal process plans based on the combinations of different machining schemes selected from each feature, a genetic algorithm-based synthesis approach for machining scheme selection and operation sequencing optimization is proposed. The memberships derived from the fuzzy logic neural network (FL-NN), which contains the membership function of each machining operation to batch size, are presented to determine the priorities of alternative machining operations for each feature. After all alternative machining schemes for each feature are generated, their memberships are obtained by calculation. The proposed approach contains the outer iteration and nested genetic algorithm (GA). In an outer iteration, one machining scheme for each feature is selected by using the roulette wheel approach or highest membership approach in terms of its membership first, and then the corresponding operation precedence constraints are generated automatically. These constraints, which can be modified freely in different outer iterations, are then used in a constraints adjustment algorithm to ensure the feasibility of process plan candidates generated in GA. After that, GA obtains an optimal process plan candidate. At last, the global and near-global optimal process plans are obtained by comparing the optimal process plan candidates in the whole outer iteration. The proposed approach is experimentally validated through a case study.     

基于蚁群算法的零件多工艺路线决策方法研究

为满足企业对工艺规划的新需求，提出了采用蚁群算法进行多工艺路线决策的方法。在几何和技术需求以及可用加工资源的基础上，零件所有特征的各个加工阶段的工序节点构成了工艺求解空间，把加工工序安排的基本原理作为决策加工顺序的约束。采用蚁群算法对工艺求解空间中的所有工序节点在搜索规则的约束作用下进行遍历，最终寻找到能够完全满足工序节点搜索规则的优化工序序列。最后，用实例验证了该方法的可行性，证明该方法可以搜索出可行的工艺路线。     

含低负荷场景低碳多源协调调度

温室效应导致全球持续升温,巨大碳排放量导致地球已不堪重负,如何降低碳排放成为目前亟待解决的问题。当风电出力与火电机组最小出力之和大于负荷量,只能通过储能、储热装置或弃风来达到功率平衡,此时可定义为低负荷运行状态。在低负荷时段,负荷消纳风电难、储能成本运行高。首先,考虑火电机组深调对发电成本和碳排放量的影响,建立了火电机组分阶段出力模型,将碳交易机制引入系统的调度模型中,构建阶梯型碳交易成本的计算模型;其次,以碳排放量和发电成本最小为优化目标,综合考虑系统的各种约束条件,建立了基于多目标的含低负荷场景低碳多源协调调度模型;然后,采用改进萤火虫算法,得到最优调度方案;最后,以带10个风电场的系统为算例,采用3种不同对比实验证明,所提方法可有效降低碳排放量,提高了系统运行经济性。所提方法分析了风电并网渗透率对系统运行方式的影响,表明含低负荷场景低碳多源协调调度与风电并网渗透率密切相关。